DE102014224808A1

DE102014224808A1 - Verfahren zur berührungslosen Messung des Winkels zwischen den Längsachsen eines Zugfahrzeugs und eines Anhängers oder zweier Anhänger

Info

Publication number: DE102014224808A1
Application number: DE102014224808.6A
Authority: DE
Inventors: Georg Tenckhoff
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Im Rahmen eines Verfahrens zur berührungslosen Messung des Winkels zwischen der Längsachse eines Zugfahrzeugs (1, 3) und der Längsachse eines Anhängers (2, 5, 7) oder zwischen den Längsachsen von zwei Anhängern (5, 7) in der Straßenebene wird zumindest ein Magnetfeldsensor oder ein Resolver oder bildgebende optische oder magnetische Verfahren oder polarisierte elektromagnetische Welle verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung des Winkels zwischen der Längsachse eines Zugfahrzeugs und der Längsachse eines Anhängers oder zwischen den Längsachsen von zwei Anhängern in einer Straßenebene.
Zur Optimierung der Fahrstabilisierung und zur genauen Durchführung von Rangiervorgängen, insbesondere bei Rückwärtsfahrt und beim Einparken, von Zugfahrzeugen mit einem oder mehreren Anhängern, beispielsweise von Sattelkraftfahrzeugen, werden die aktuelle Orientierung des zumindest einen Anhängers relativ zum Zugfahrzeug sowie die aktuelle Orientierung auch der Achsen, Deichseln o.ä. relativ zum Zugfahrzeug benötigt. Von besonderer Bedeutung ist hierbei der Winkel zwischen der Längsachse des zumindest einen Anhängers und der Längsachse des Zugfahrzeugs und seine Änderung in der Straßen-Ebene. Für Fahrsicherheits-Funktionen kann darüber hinaus auch die Differenz der Rollwinkel zwischen dem Zugfahrzeug und dem zumindest einen Anhänger um die jeweilige Längsachse und deren Änderungsrate als Funktion der Zeit benötigt werden.
Als Kupplungen zwischen einem Zugfahrzeug und einem Anhänger sind aus dem Stand der Technik Kugelkopfkupplungen mit einer am Anhänger angeordneten Kugelschale, Maulkupplungen mit einer Zugöse, Bolzenkupplungen mit Zugöse sowie Sattelkupplungen mit einem Königszapfen (King-Pin) bekannt.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, in der Kugel eines Kugelgelenks zur gelenkigen Verbindung eines Anhängers mit einem Zugfahrzeug einen Magneten anzubringen, dessen Feldorientierung von einem in der Kugelgelenkpfanne angebrachten Magnetfeldsensor gemessen wird. In nachteiliger Weise sind die Messergebnisse ungenau, wenn der Magnet relativ zum Magnetfeldsensor axiale und radiale Freiheitsgrade hat; die Ergebnisse sind nur dann brauchbar, wenn der verwendete Magnet gegenüber diesen Freiheitsgraden groß dimensioniert ist. Zudem darf der Abstand zwischen Magnet und Magnetfeldsensor maximal einige wenige mm betragen.
Aus der DE 10 2004 059 596 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Knickwinkels zwischen einer Zugmaschine und mindestens einem Anhänger eines einen Gliederzug bildenden Kraftfahrzeuggespanns, wobei mindestens ein Sensor der Zugmaschine und/oder des Anhängers Positionsdaten von mindestens einem Objekt des Anhängers und/oder der Zugmaschine ermittelt, im Rahmen dessen die vom Sensor erzeugten Sensordaten einer Filterung mit Modelldaten zur eindeutigen Identifizierung des Objekts unterzogen werden. Hierbei werden aus dem Objekt zugeordneten Objektdaten die Informationen isoliert, die eine Knickwinkelbestimmung ermöglichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur berührungslosen Messung des Winkels zwischen der Längsachse eines Zugfahrzeugs und der Längsachse eines Anhängers oder zwischen den Längsachsen von zwei Anhängern in der Straßenebene anzugeben. Hierbei soll die Erfassung des Winkels robust sowie unabhängig von Fett, Schmutz und Feuchte erfolgen und eine Winkelauflösung von zumindest 1° gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird ein Verfahren zur berührungslosen Messung des Winkels zwischen der Längsachse eines Zugfahrzeugs und der Längsachse eines Anhängers oder zwischen den Längsachsen von Anhängern in der Straßenebene vorgeschlagen, im Rahmen dessen zumindest ein Magnetfeldsensor verwendet wird.
Als Anhänger ist insbesondere ein geschobenes oder gezogenes Fahrzeug zu verstehen, wie beispielsweise ein Sattelauflieger, ein Starrdeichselanhänger oder ein Gelenkdeichselanhänger. Als ein Zugfahrzeug ist demgegenüber insbesondere ein den Anhänger ziehendes oder schiebendes Fahrzeug zu verstehen, das dementsprechend selbst angetrieben bzw. selbst antreibbar ist, beispielsweise mittels eines Antriebsmotors. Anhänger und Zugfahrzeug bzw. Anhänger und Anhänger sind in an sich bekannte weise mittels einer geeigneten Kupplung gekoppelt bzw. koppelbar, beispielsweise mittels einer Sattelkupplung oder einer Maulkupplung.
In vorteilhafter Weise ist das Verfahren nicht nur auf den Horizontalwinkel beschränkt; vielmehr können alle Raumwinkel erfasst werden. Für die Übertragung der Winkelmessung von den Anhängern an das Zugfahrzeug zum Zweck der Auswertung und Anzeige wird eine Datenverbindung benötigt, die vorzugsweise über ein in der Regel ohnehin vorhandenes Bussystem (z.B. CAN) erfolgt.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltungen der Erfindung wird für den Fall einer Sattelkupplung mit einem Königszapfen eine berührungslose Messung der Orientierung des Königszapfens zur Sattelkupplung durch einen als Resolver ausgeführten Drehmelder, d.h. durch einen elektromagnetischen Messumformer zur Wandlung der Winkellage eines Bauteils in eine elektrische Größe bestimmt. Dabei wird vorzugsweise über eine Ringspule des Resolvers und ein magnetisches Wechselfeld der Ringspule Energie zur Versorgung einer Querspule des Resolvers, die auf der drehenden Seite der Kupplung angeordnet ist, eingekoppelt. Das dadurch erzeugte magnetische Feld der Querspule wird von zwei oder mehr auf der nicht drehenden Seite der Kupplung angebrachten Spulen des Resolvers in Abhängigkeit der relativen Winkelstellung mehr oder weniger stark detektiert (je nach Winkellage werden Messströme in diese Spulen induziert), woraus die Winkellage ermittelbar ist. Durch Verwendung mehrerer auf der nicht drehenden Seite angebrachter Spulen kann dann optional die Winkelstellung eindeutig vom Spiel getrennt werden.
Ferner kann für den Fall einer Sattelkupplung mit einem Königszapfen eine berührungslose Messung der Orientierung des Königszapfens zur Sattelkupplung durch einen Resolver, d.h. durch einen elektromagnetischen Messumformer zur Wandlung der Winkellage eines Bauteils in eine elektrische Größe bestimmt werden. Dabei sind vorzugsweise auf der beweglichen Seite der Kupplung mehrere Querspulen angeordnet, welche mittels einer auf der nichtbeweglichen Seite der Kupplung angeordneten Erregerspule in Abhängigkeit deren Winkelstellung unterschiedlich stark angeregt werden und deren daraus resultierende Signale zur Auswertung über mehrere Ringspulen, die auf der nicht drehenden Seite angeordnet sind, empfangen werden.
Des Weiteren kann die Winkellage einer an einem Anhänger angebrachten Schallquelle, die als Geber dient, mittels eines Mikrofonarrays, d.h. einer geeigneten räumlichen Anordnung von zwei oder mehr Sensoren, aufgrund der Laufzeiten der Schall-Signale ermittelt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Winkel zwischen der Längsachse eines Anhängers und der Längsachse eines Zugfahrzeugs oder zwischen den Längsachsen von zwei Anhängern in der Straßenebene mittels einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle gemessen werden, wobei Sender und Empfänger der linear polarisierten elektromagnetischen Welle auf unterschiedlichen Seiten des Systems angeordnet sind oder auf der gleichen Seite des Systems angeordnet sind und die Seite des Systems bestehend aus Zugfahrzeug und Anhänger oder aus zwei Anhängern, deren relative Winkelposition gemessen werden soll, einen Polarisator bzw. einen polarisierenden Reflektor aufweist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1: Eine schematische Darstellung eines Zugfahrzeugs mit einem Auflieger als Anhänger;
2: Eine schematische Darstellung eines Zugfahrzeugs mit einem Gelenkdeichselanhänger als Anhänger;
3: Eine schematische Darstellung eines Zugfahrzeugs mit zwei Gelenkdeichselanhängern als Anhänger;
4: Eine schematische Darstellung eines Zugfahrzeugs mit einem Anhänger zur Veranschaulichung der Differenz der Rollwinkel zwischen dem Zugfahrzeug und dem zumindest einen Anhänger um die jeweilige Längsachse;
5: Eine schematische Darstellung einer Kugelkopfkupplung mit einer am Anhänger angeordneten Kugelschale;
6: Eine schematische Darstellung einer Maulkupplung mit einer am Anhänger angeordneten Zugöse;
7: Eine schematische Darstellung einer Sattelkupplung mit einem Königszapfen (King-Pin);
8: Eine schematische Darstellung eines Zugfahrzeugs mit einem Auflieger als Anhänger zur Veranschaulichung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
9: Eine schematische Darstellung eines Zugfahrzeugs mit einem Gelenkdeichselanhänger als Anhänger zur Veranschaulichung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
10: Eine schematische Darstellung einer Kugelkopfkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Kugelschale im gekoppelten Zustand zur Veranschaulichung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
11: Eine schematische Darstellung einer Kugelkopfkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Kugelschale im gekoppelten Zustand zur Veranschaulichung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
12: Eine schematische Darstellung einer Maulkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse zur Veranschaulichung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
13: Eine schematische Darstellung einer Maulkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse zur Veranschaulichung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
14: Eine schematische Darstellung einer Maulkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse zur Veranschaulichung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
15: Eine schematische Darstellung einer Maulkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse zur Veranschaulichung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
16: Eine schematische Darstellung einer Sattelkupplung mit einem Königszapfen (King-Pin) zur Veranschaulichung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
17: Eine schematische Darstellung einer Maulkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse zur Veranschaulichung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
18: Schematische Darstellungen zur Veranschaulichung der Messung die Orientierung, d.h. des Winkel eines Königszapfens zu einer Sattelkupplung durch einen Resolver.
In 1 wird ein Zugfahrzeug 1 mit einem als Auflieger 2 ausgeführten Anhänger dargestellt, wobei der Winkel zwischen der Längsachse des Zugfahrzeugs 1 und der Längsachse des Aufliegers 2 in der Straßenebene mit α bezeichnet ist. In 2 ist ein Zugfahrzeug 3 mit einem als Gelenkdeichselanhänger 5 ausgeführten Anhänger dargestellt, wobei die Deichsel des Anhängers 5 mit dem Bezugszeichen 4 versehen ist. Hierbei ist mit a der Winkel zwischen der Längsachse des Zugfahrzeugs 3 und der Längsachse der Deichsel 4 in der Straßenebene bezeichnet, wobei β den Winkel zwischen der Längsachse der Deichsel 4 und der Längsachse des Anhängers 5 in der Straßenebene bezeichnet.
Gegenstand der 3 ist das Zugfahrzeug 3 aus 2 mit einem weiteren als Gelenkdeichselanhänger 7 ausgeführten Anhänger, wobei die Deichsel zwischen dem ersten Anhänger 5 und dem zweiten Anhänger 7 mit 6 bezeichnet ist. Ferner ist mit γ der Winkel zwischen der Längsachse des ersten Zugfahrzeugs 3 und der Längsachse der Deichsel 6 in der Straßenebene bezeichnet, wobei δ den Winkel zwischen der Längsachse der Deichsel 6 und der Längsachse des zweiten Anhängers 7 in der Straßenebene bezeichnet.
Der Differenz der Rollwinkel zwischen einem Zugfahrzeug 3 und einem Anhänger 5 um die jeweilige Längsachse wird anhand 4 veranschaulicht und mit bezeichnet.
Anhand 5 wird eine Kugelkopfkupplung mit einer am Anhänger angeordneten Kugelschale veranschaulicht, wobei die Kugelschale mit dem Bezugszeichen 87 und der Kugelkopf mit dem Bezugszeichen 80 versehen ist.
Gegenstand der 6 ist eine schematische Darstellung einer Maulkupplung mit einem Zugmaul 8 und einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse 9, wobei Gegenstand der 7 eine schematische Darstellung einer Sattelkupplung mit einem Königszapfen (King-Pin) 12 ist; die Sattelplatte ist mit dem Bezugszeichen 13 versehen.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und bezugnehmend auf 8, die 1 entspricht, wird die Orientierung von Zugfahrzeug 1 und einem als Auflieger 2 ausgeführten Anhänger im Raum durch Magnetfeldsensoren 14, 15 erfasst, wobei der Winkel α zwischen der Längsachse des Zugfahrzeugs 1 und der Längsachse des Aufliegers 2 durch Differenzbildung ermittelt wird. Bei dem gezeigten Beispiel ist der durch einen am Zugfahrzeug 1 angebrachten Magnetfeldsensor 14 ermittelte Winkel zwischen der Längsachse des Zugfahrzeugs 1 und dem magnetischen Norden mit α₁ bezeichnet, wobei der durch einen am Auflieger 2 angebrachten Magnetfeldsensor 15 ermittelte Winkel zwischen der Längsachse des Aufliegers 1 und dem magnetischen Norden mit α₂ bezeichnet ist. Gemäß der Erfindung wird der Winkel α zwischen der Längsachse des Zugfahrzeugs 1 und der Längsachse des Aufliegers 2 in der Straßenebene durch Differenzbildung (vorzeichenbehaftet) ermittelt, d.h. α = α₁ – α₂.
Das Verfahren kann auch zur Bestimmung des Winkels zwischen der Längsachse eines Zugfahrzeugs 1 und der Längsachse eines Anhängers oder des Winkels zwischen den Längsachsen von zwei Anhängern in der Straßenebene durchgeführt werden.
Bezugnehmend auf 9, welche die Anordnung nach 2 zeigt, wird der Winkel α zwischen der Längsachse des Zugfahrzeugs 3 und der Längsachse der Deichsel 4 in der Straßenebene durch Differenzbildung α = α₁ – α₂ ermittelt, wobei der durch einen am Zugfahrzeug 3 angebrachten Magnetfeldsensor 14 ermittelte Winkel zwischen der Längsachse des Zugfahrzeugs 3 und dem magnetischen Norden mit α₁ bezeichnet und der durch einen an der Deichsel 4 angebrachten Magnetfeldsensor 16 ermittelte Winkel zwischen der Längsachse der Deichsel 4 und dem magnetischen Norden mit α₂ bezeichnet ist. Analog dazu wird der Winkel β zwischen der Längsachse der Deichsel 4 und der Längsachse des Anhängers 5 in der Straßenebene durch Differenzbildung β = α₂ – α₃. Ermittelt, wobei α₃ der durch einen am Anhänger 5 angebrachten Magnetfeldsensor 15 ermittelte Winkel zwischen der Längsachse des Anhängers 5 und dem magnetischen Norden ist. Ferner ergibt sich der Winkel zwischen der Längsachse des Zugfahrzeugs 3 und der Längsachse des Anhängers 5 in der Straßenebene durch Differenzbildung (α₁ – α₃).
Das Verfahren ist nicht nur auf Winkel in der Straßenebene beschränkt, sondern gilt für alle Raumwinkel (für einen reinen Magnetfeldsensor mit der Einschränkung von Drehungen um die Magnetfeldrichtung; in der Ebene ist dies ohne Ausnahme unkritisch). Ferner können auch die zeitlichen Änderungsraten der Winkel anhand der Signale der Magnetfeldsensoren ermittelt werden, so dass die Änderungsraten der zu berechnenden Winkel ebenfalls durch Differenzbildung ermittelbar sind.
Für die Übertragung der Winkelmessung von den Anhängern an das Zugfahrzeug zum Zweck der Auswertung und Anzeige wird eine Datenverbindung benötigt, die vorzugsweise über ein in der Regel ohnehin vorhandenes Bussystem (z.B. CAN) erfolgten kann. Alternativ kann die Datenverbindung per Funk, Glasfaser, Licht, Schall etc. hergestellt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können anstelle der Magnetfeldsensoren 14, 15, 16 Inertialsensoren (IMU, inertial measurement unit) verwendet werden, wobei diese GPS, Differential-GPS, Doppler enhanced GPS, Drucksensorik, Horizont- oder Erdbeschleunigungssensorik und/oder Drehraten- und Beschleunigungssensorik enthalten können, wodurch eine Orientierungsinformation im Raum zur Verfügung gestellt wird.
Für den Fall einer Kugelkopfkupplung mit einer Kugelschale 87 und bezugnehmend auf 10 kann gemäß der Erfindung der Winkel zwischen der Längsachse eines Anhängers und der Längsachse eines Zugfahrzeugs in der Straßenebene durch einen am relativ schwach mechanisch belasteten oberen Punkt des Kugelkopfes 80 angebrachten magnetischen Orientierungs-/Winkelsensor 30 erfasst werden, der die Orientierung eines in der Kugelschale 87 einer Deichsel 4 angebrachten (Dipol-)Magneten 29 misst. Die Signale des Sensors 30 werden durch geeignete Leitungen, beispielsweise Drähte, in Bohrungen 31 oder Nuten im Fuß der Kugelkopfkupplung zum Zugfahrzeug geführt.
Alternativ können auf dem Kugelkopf 80, wie in 11 dargestellt, oder auf der Kugelschale 87 magnetische Strukturen 32, beispielsweise ferritische Zähne, gefräste Nuten enthaltend magnetisches Material oder eine magnetische Pol-Folie angebracht sein, die von entsprechenden Magnetfeldsensoren 33 auf der Gegenseite d.h. auf der Kugelschale 87 bzw. auf dem Kugelkopf 80 abgetastet und zu einem Winkel ausgewertet werden. Bei dem gezeigten Beispiel sind drei Magnetfeldsensoren 33 vorgesehen, die auf der Kugelschale 87 angebracht sind, wie dem unteren Teil der 11 zu entnehmen, die eine Draufsicht der im oberen Teil gezeigten Anordnung darstellt.
Die magnetischen Strukturen 32 müssen die auftretenden Lasten schadlos und verschleißarm ertragen können. Dazu können die gefrästen Nuten mit geeignetem nichtmagnetischem Material, beispielsweise Gleitkunstoff, Messing, Aluminium aufgefüllt sein; ferner können die magnetischen Strukturen 32 in einen keramischen Träger eingebettet sein.
Für den Fall einer Maulkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse wird gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf 12, deren obere Teil eine Draufsicht der im unteren Teil gezeigten Anordnung ist, vorgeschlagen, im Auge der Zugöse 9 magnetische Strukturen 37, beispielsweise ferritische Zähne oder eine magnetische Pol-Folie anzubringen, wobei die magnetischen Strukturen 37 nichtmagnetisch abgedeckt sein können, um einen Verschleiß zu verhindern. Die Messung der Orientierung der Strukturen 37 erfolgt über Magnetfeldsensoren 35 in Querbohrungen des Bolzens 34 des Zugmauls 8, wobei die Stromversorgung der Sensoren 35 durch Leitungen, beispielsweise Drähte, in einer Bohrung 36 des Bolzens 34 erfolgt. Über diese Bohrung 36 können die Signale der Sensoren 35 an das Zugfahrzeug weitergeleitet werden.
Alternativ und bezugnehmend auf 13, deren obere Teil eine Draufsicht der im unteren Teil gezeigten Anordnung ist, wird für den Fall einer Maulkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse 9 vorgeschlagen, am Außenumfang der Zugöse 9 magnetische Strukturen 38, beispielsweise ferritische Zähne, Bohrungen enthaltend magnetisches Material oder eine magnetische Pol-Folie anzubringen und die Orientierung der magnetischen Strukturen 38 durch im Zugmaul 8 angebrachte Magnetfeldsensoren 39 zu messen.
Ferner können gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die anhand 14, deren obere Teil eine Draufsicht der im unteren Teil gezeigten Anordnung ist, veranschaulicht wird, für den Fall einer Maulkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse 9. An der Zugöse 9 sind ein oder mehrere Magnete 41 radial zur Zugöse 9 orientiert angebracht, deren Position und Orientierung über im Zugmaul 8 angeordnete ortsauflösende oder bildgebende Magnetfeldsensoren 40 ausgewertet werden, wodurch auf die Orientierung der Zugöse 9 relativ zum Zugfahrzeug geschlossen werden kann.
Das in 15 gezeigte Beispiel unterscheidet sich vom Beispiel gemäß 14 dadurch, dass an der Zugöse 9 ein oder mehrere Magnete 43 axial zur Zugöse 9 orientiert angebracht sind, deren Position und Orientierung über im Zugmaul 8 geeignet angeordnete ortsauflösende oder bildgebende Magnetfeldsensoren 42 ausgewertet werden, wodurch auf die Orientierung der Zugöse 9 relativ zum Zugfahrzeug 1, 3 geschlossen werden kann.
Gemäß der Erfindung kann für den Fall einer Maulkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse 9 der Winkel der Längsachse der Deichsel zur Längsachse des Zugfahrzeugs in der Straßenebene ohne magnetische Strukturen im Bereich von Bolzen, Zugmaul oder Zugöse magnetisch statisch durch die Bestimmung der Lage und Orientierung eines fest mit der Deichsel verbundenen Magneten durch Messung des Feldes mit mehreren Magnetfeldsensoren oder durch Messung des Feldes mit einem bildgebenden Magnetfeldsensor bestimmt werden.
Ferner kann für den Fall einer Maulkupplung mit einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse 9 der Winkel der Längsachse der Deichsel zur Längsachse des Zugfahrzeugs in der Straßenebene ohne magnetische Strukturen im Bereich von Bolzen, Zugmaul oder Zugöse magnetdynamisch bestimmt werden. Hierbei wird eine fest mit der Deichsel verbundene wechselstromerregte Spule verwendet, wobei die Auswertung des von der Spule (Erregerspule) erzeugten magnetischen Wechselfeldes zur Ermittlung der Winkellage der Deichsel relativ zur nicht drehenden Seite der Kupplung (i.e. dem Zugmaul) mittels mehrerer fest mit der nicht drehenden Seite der Kupplung verbundener Pickup-Spulen oder bildgebender Sensoren erfolgt. Hierbei können optional die Spule und die Pickup-Spulen der Messanordnung als aufeinander abgestimmte Resonatoren ausgeführt werden, wodurch sich die Reichweite der Messung erheblich vergrößern und gleichzeitig die Störempfindlichkeit verkleinern lässt.
In 16 ist eine Sattelkupplung mit einem Königszapfen (King-Pin) 12 dargestellt, wobei die Sattelplatte mit dem Bezugszeichen 13 und der Auflieger-Auflager mit dem Bezugszeichen 22 versehen ist. Gemäß der Erfindung erfolgt eine berührungslose Messung des Winkels der Längsachse des als Auflieger ausgeführten Anhängers zur Längsachse des Zugfahrzeugs am Auflager 22 und verschiedenen Flächen 23, 24, 25, 26, 27, 28 des Königszapfens 12 relativ zum Auflagersattel 13, wie im Folgenden beispielhaft erläutert.
Beispielsweise kann die Winkellage von an der Unterseite des Auflieger-Auflagers 22, beispielsweise in Bohrungen, angebrachten Magneten mit mehreren Magnetfeldsensoren bestimmt werden. Durch die Verwendung mehrerer Magnetfeldsensoren ist es möglich, Orientierung und Spiel in der Sattelkupplung rechnerisch über einen linearen Ansatz zu trennen.
Ferner kann gemäß einer weiteren Variante der Erfindung eine berührungslose Messung des Winkels der Längsachse des Aufliegers zur Längsachse des Zugfahrzeugs in der Straßenebene durch Bestimmung der Feldorientierung eines in einer Querbohrung des Königszapfens 12 angebrachten (Stab-)Magneten mit zwei, drei oder mehr Magnetfeldsensoren erfolgen. In vorteilhafter Weise kann durch die Verwendung mehrerer Magnetfeldsensoren durch einen linearen Ansatz der gemessenen Feldkomponenten eine Trennung von Winkel und Kupplungsspiel rechnerisch erzielt werden.
Alternativ kann eine berührungslose Messung des Winkels der Längsachse des Aufliegers zur Längsachse des Zugfahrzeugs in der Straßenebene durch Bestimmung der Feldorientierung für eine beliebige Magnetfeldanordnung am freien Ende 28 des Königszapfens 12 durch einen bildgebenden Magnetfeldsensor mit digitaler Bildauswertung erfolgen.
Im Rahmen einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und bezugnehmend auf 17 wird vorgeschlagen, unabhängig von der eigentlichen Kupplung, die bei dem gezeigten Beispiel als Maulkupplung mit einem Zugmaul 8 und einer an einem Anhänger angeordneten Zugöse 9 ausgeführt ist, den Winkel der Längsachse eines Anhängers zur Längsachse des Zugfahrzeugs in der Straßenebene oder zwischen den Längsachsen von zwei Anhängern mittels bildgebender optischer, akustischer oder magnetischer Verfahren zu bestimmen. Selbstleuchtende d.h. aktive oder beleuchtete, d.h. passive optische Strukturen für den Fall eines optischen Systems bzw. für den Fall eines akustischen Systems Schallgeber oder Reflektoren und für den Fall eines magnetischen Systems magnetische Marker 20, die an einer Deichsel und/oder Fahrzeugaufbauten angebracht sind, werden hierbei von einem oder mehreren bildgebenden Sensoren 21 durch geeignete Auswertung erkannt, über Winkel oder Laufzeit einer Richtung zugeordnet und zu einer Lageinformation eines Anhängers zum Zugfahrzeug ausgewertet.
Anhand 18d wird eine weitere Variante der Erfindung veranschaulicht. Hierbei wird die Orientierung, d.h. der Winkel eines Königszapfens zu einem Auflieger-Auflager einer Sattelkupplung durch einen Resolver, d.h. durch einen elektromagnetischen Messumformer zur Wandlung der Winkellage eines Bauteils in eine elektrische Größe bestimmt. Hierbei wird über eine Ringspule 71 und ein magnetisches Wechselfeld der Ringspule 71 elektrische Energie zur Versorgung einer Querspule 72, die auf der drehenden Seite der Kupplung (i.e. dem Königszapfen) angeordnet ist, eingekoppelt. Das dadurch erzeugte magnetische Feld der Querspule 72 wird von zwei oder mehr auf der nicht drehenden Seite der Kupplung (i.e. der Sattelplatte) angebrachten Spulen 68, 69, 70 in Abhängigkeit der relativen Winkelstellung mehr oder weniger stark gemessen, d.h. es werden entsprechende elektrische Ströme in die Spulen 68, 69, 70 induziert, die zur Winkelerkennung ausgewertet werden. Durch Verwendung mehrerer auf der nicht drehenden Seite der Kupplung angebrachter Spulen 68, 69, 70 kann die Winkelstellung eindeutig vom Spiel innerhalb der Sattelkupplung getrennt werden.
Bei dem in 18c gezeigten Beispiel sind mehrere Querspulen 62, 63, 64 auf der drehenden Seite der Kupplung angeordnet, welche mittels einer Erregerspule 61 in Abhängigkeit deren Winkelstellung zur auf der nicht drehenden Seite der Kupplung angeordneten Erregerspule 61 unterschiedlich stark angeregt werden. Deren Signale werden zur Auswertung über mehrere Ringspulen 65, 66, 67, die auf der nicht drehenden Seite angeordnet sind, zurück übertragen.
Die Reichweite der anhand 18c und 18d beschriebenen Systeme bzw. Anordnungen kann bei resonantem Aufbau, d.h. der Ausprägung von beweglichem System (d.h. Erregerspule) und Pickup als abgestimmte Resonatoren erheblich vergrößert werden, wobei gleichzeitig die Störempfindlichkeit reduziert wird. Für derartige Systeme wurde bereits eine Energieübertragung von 100 W über einen Meter nachgewiesen; für die Anwendung als Sensor reichen Leistungen im Milliwatt-Bereich.
18a zeigt einen resonanten Aufbau des Systems gemäß 18c mit Schwingkreisen 54, 55, 56 auf der drehenden Seite einer Kupplung (i.e. ein Königszapfen) und einer Erregerspule 53 auf der nicht drehenden Seite (i.e. eine Sattelplatte), wobei 18b einen resonanten Aufbau des Systems gemäß 18d darstellt, umfassend drei auf der nicht drehenden Seite angebrachte Spulen 57, 58, 59 und einen Schwingkreis 60 auf der drehenden Seite der Kupplung.
Im Rahmen weiterer Ausgestaltungen der Erfindung kann zur Bestimmung des Winkels zwischen der Längsachse eines Anhängers und der Längsachse eines Zugfahrzeugs in der Straßenebene das Prinzip der akustischen Kamera angewandt werden. Hierbei wird die Winkellage einer vorzugsweise am Anhänger angebrachten Schallquelle, die als Geber dient, mittels eines Mikrofonarrays, d.h. einer geeigneten räumlichen Anordnung von zwei oder mehr Sensoren aufgrund der Laufzeiten der Schall-Signale ermittelt.
Um akustische Störungen zu vermeiden, ist die Verwendung eines Trägerfrequenzverfahrens oder eines pseudostochastischen Signals möglich, wobei vorzugsweise eine Frequenz im Ultraschallbereich eingesetzt wird. Das Verfahren ist nicht auf akustische Wellen beschränkt; neben akustischen Wellen können auch elektromagnetische Wellen verwendet werden. Auch kann das Verfahren passiv durchgeführt werden, indem ein z.B. akustisches Wellenfeld von der Steuerungsseite, die im Allgemeinen das Zugfahrzeug ist, zu einem Reflektor am Anhänger geschickt und das reflektierte Signal ausgewertet wird.
Gemäß der Erfindung kann der Winkel zwischen der Längsachse eines Anhängers und der Längsachse eines Zugfahrzeugs in der Straßenebene mittels einer linear (als Abgrenzung zu longitudinal und zirkulär) polarisierten elektromagnetischen Welle gemessen werden, wobei die Wellenlänge unerheblich ist; Licht ist gleichermaßen geeignet, wie Funk- oder Terraherz-Strahlung. Allerdings kann es für die Anwendung der Orientierungsmessung zwischen Zugfahrzeug und Anhängern bedeutsam sein, dass die Strahlung Öl und Fett durchdringt, so dass Funkwellen aus dem Radiospektrum sehr geeignet sind. Dieses Prinzip lässt sich aktiv und passiv realisieren.
Bei der aktiven Variante sind Sender und Empfänger der linear polarisierten elektromagnetischen Welle auf (unterschiedlichen) gegenüberliegenden Seiten des Systems bestehend aus Zugfahrzeug und Anhänger oder aus zwei Anhängern, angeordnet. Bei der passiven Variante sind hingegen Sender und Empfänger auf der gleichen Seite des Systems, z.B. am Zugfahrzeug, angeordnet sind und die dieser Seite gegenüberliegende Seite, z.B. ein Anhänger, weist als wesentliches Bauteil einen polarisierenden Reflektor auf. In vorteilhafter Weise ist kein Ausgleich von Zentrierungsfehlern erforderlich.
Die Erfindung kann sich sowohl auf die hier beschriebenen Verfahren, als auch grundsätzlich auf die hierfür verwendeten Vorrichtungen beziehen. Zur Verbesserung der Genauigkeit bei der Winkelbestimmung können zwei oder mehrere der hier vorgestellten Verfahren bzw. Vorrichtungen kombiniert werden. Beispielsweise kann dann ein Mittelwert der so bestimmten Winkel als realer Winkel angenommen werden. Oder es können ein oder mehrere der vorgestellten Verfahren zur Plausibilisierung eines anderen (der vorgestellten) Verfahrens zur Winkelbestimmung genutzt werden. Sofern die Abweichung der jeweils bestimmten Winkel dann eine Schwelle überschreitet, wird davon ausgegangen, dass die Winkel unplausibel sind bzw. sofern die jeweils bestimmten Winkel unterhalb der Schwelle liegen, wird davon ausgegangen, dass die Winkel plausibel sind.
Bezugszeichenliste

1: Zugfahrzeug
2: Anhänger
3: Zugfahrzeug
4: Deichsel
5: Anhänger
6: Deichsel
7: Anhänger
8: Zugmaul
9: Zugöse
12: Königszapfen
13: Sattelplatte
14: Magnetfeldsensor
15: Magnetfeldsensor
16: Magnetfeldsensor
20: magnetischer Marker
21: bildgebender Sensor
22: Auflieger-Auflager
23: Fläche des Königszapfens 12
24: Fläche des Königszapfens 12
25: Fläche des Königszapfens 12
26: Fläche des Königszapfens 12
27: Fläche des Königszapfens 12
28: freies Ende des Königszapfens 12
29: Magnet
30: magnetischer Orientierungs-/Winkelsensor
31: Bohrung
32: magnetische Struktur
33: Magnetfeldsensor
34: Bolzen
35: Magnetfeldsensor
36: Bohrung
37: magnetische Struktur
38: magnetische Struktur
39: Magnetfeldsensor
40: Magnetfeldsensor
41: Magnet
42: Magnetfeldsensor
43: Magnet
53: Erregerspule
54: Schwingkreis
55: Schwingkreis
56: Schwingkreis
57: Spule
58: Spule
59: Spule
60: Schwingkreis
61: Erregerspule
62: Querspule
63: Querspule
64: Querspule
65: Ringspule
66: Ringspule
67: Ringspule
68: Spule
69: Spule
70: Spule
71: Ringspule
72: Querspule
80: Kugelkopf
87: Kugelschale

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004059596 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur berührungslosen Messung des Winkels zwischen der Längsachse eines Zugfahrzeugs (1, 3) und der Längsachse eines Anhängers (2, 5, 7) oder zwischen den Längsachsen von zwei Anhängern (5, 7) in einer Straßenebene, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung zumindest ein Magnetfeldsensor verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung von einem Zugfahrzeug (1, 3) und einem Anhänger (2, 5, 7) im Raum jeweils durch einen Magnetfeldsensor (14, 15) erfasst wird, wobei der Winkel (α) zwischen den Längsachsen durch Differenzbildung der erfassten Werte der Magnetfeldsensoren (14, 15) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kugelkopfkupplung mit einer Kugelschale (87) und einem Kugelkopfes (80) zur Koppelung von Zugfahrzeug (1, 3) und Anhänger (2, 5, 7) oder zur Koppelung der beiden Anhängern (5, 7) vorgesehen ist, wobei der Winkel zwischen den Längsachsen durch einen am oberen Punkt des Kugelkopfes (80) der Kugelkopfkupplung angebrachten magnetischen Orientierungs-/Winkelsensor (30) erfasst wird, der die Orientierung eines in der Kugelschale (87) einer Deichsel (4) angebrachten Magneten (29) misst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kugelkopfkupplung mit einer Kugelschale (87) und einem Kugelkopfes (80) zur Koppelung von Zugfahrzeug (1, 3) und Anhänger (2, 5, 7) oder zur Koppelung der beiden Anhängern (5, 7) vorgesehen ist, wobei der Winkel zwischen den Längsachsen dadurch bestimmt wird, dass auf dem Kugelkopf (80) der Kugelkopfkupplung oder auf der Kugelschale (87) magnetische Strukturen (32) angebracht sind, die von entsprechenden Magnetfeldsensoren (33) auf der Gegenseite auf der Kugelschale (87) oder auf dem Kugelkopf (80) abgetastet und zu einem Winkel ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maulkupplung mit einer Zugöse (9) und einem Zugmaul (8) zur Koppelung von Zugfahrzeug (1, 3) und Anhänger (2, 5, 7) oder zur Koppelung der beiden Anhängern (5, 7) vorgesehen ist, wobei der Winkel zwischen den Längsachsen dadurch bestimmt wird, dass im Auge der Zugöse (9) magnetische Strukturen (37) angebracht sind, wobei die Messung der Orientierung der magnetischen Strukturen (37) über Magnetfeldsensoren (35) in Querbohrungen eines Bolzens (34) des Zugmauls (8) der Maulkupplung erfolgt, wobei insbesondere die Stromversorgung der Sensoren (35) durch in einer Bohrung (36) des Bolzens (34) geführte Leitungen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maulkupplung mit einer Zugöse (9) und einem Zugmaul (8) zur Koppelung von Zugfahrzeug (1, 3) und Anhänger (2, 5, 7) oder zur Koppelung der beiden Anhängern (5, 7) vorgesehen ist, wobei der Winkel zwischen den Längsachsen dadurch bestimmt wird, dass am Außenumfang der Zugöse (9) magnetische Strukturen (38) angebracht sind, wobei die Orientierung der magnetischen Strukturen (38) durch im Zugmaul (8) der Maulkupplung angebrachte Magnetfeldsensoren (39) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maulkupplung mit einer Zugöse (9) und einem Zugmaul (8) zur Koppelung von Zugfahrzeug (1, 3) und Anhänger (2, 5, 7) oder zur Koppelung der beiden Anhängern (5, 7) vorgesehen ist, wobei der Winkel zwischen den Längsachsen dadurch bestimmt wird, dass an der Zugöse (9) zumindest ein Magnet (41, 43) angebracht ist, dessen Position und Orientierung über im Zugmaul (8) der Maulkupplung angeordnete ortsauflösende oder bildgebende Magnetfeldsensoren (40, 42) ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (41, 43) radial oder axial zur Zugöse (9) orientiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Längsachse des Zugfahrzeugs (1, 3) oder Anhängers (2, 5) und der Längsachse einer Deichsel (4, 6) des damit gekoppelten Anhängers (5, 7) vorliegt, wobei eine Maulkupplung mit einer Zugöse (9) und einem Zugmaul (8) zur Koppelung von Zugfahrzeug (1, 3) und Anhänger (2, 5, 7) oder zur Koppelung der beiden Anhängern (5, 7) vorgesehen ist, wobei der Winkel zwischen den Längsachsen magnetdynamisch bestimmt wird, wobei eine fest mit der Deichsel (4, 6) verbundene wechselstromerregte Spule (53) verwendet wird und die Auswertung des von der Spule (53) erzeugten magnetischen Wechselfeldes mittels mehrerer fest mit der nicht drehenden Seite der Kupplung verbundener Pickup-Spulen (57, 58, 59) oder bildgebender Sensoren erfolgt und wobei insbesondere die Spule (53) und die Pickup-Spulen (57, 58, 59) als aufeinander abgestimmte Resonatoren ausgeführt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sattelkupplung mit einem Königszapfen (12) und einer Auflieger-Auflager (22) zur Koppelung von Zugfahrzeug (1, 3) und Anhänger (2, 5, 7) oder zur Koppelung der beiden Anhängern (5, 7) vorgesehen ist, wobei der Winkel von an dem Auflieger-Auflager (22) der Sattelkupplung angebrachten Magneten mittels mehrerer Magnetfeldsensoren bestimmt wird, wobei insbesondere Orientierung und Spiel in der Sattelkupplung rechnerisch über einen linearen Ansatz getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sattelkupplung mit einem Königszapfen (12) zur Koppelung von Zugfahrzeug (1, 3) und Anhänger (2, 5, 7) oder zur Koppelung der beiden Anhängern (5, 7) vorgesehen ist, wobei der Winkel zwischen den Längsachsen durch Bestimmung der Feldorientierung eines in einer Querbohrung des Königszapfens (12) angebrachten Magneten mit mehreren Magnetfeldsensoren erfolgt, wobei insbesondere Orientierung und Spiel in der Sattelkupplung rechnerisch über einen linearen Ansatz getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sattelkupplung mit einem Königszapfen (12) zur Koppelung von Zugfahrzeug (1, 3) und Anhänger (2, 5, 7) oder zur Koppelung der beiden Anhängern (5, 7) vorgesehen ist, wobei der Winkel zwischen den Längsachsen durch Bestimmung der Feldorientierung einer Magnetfeldanordnung am freien Ende (28) des Königszapfens (12) durch einen bildgebenden Magnetfeldsensor mittels digitaler Bildauswertung erfolgt.
Verfahren zur berührungslosen Messung des Winkels zwischen der Längsachse eines Zugfahrzeugs (1, 3) und der Längsachse eines Anhängers (2, 5, 7) oder zwischen den Längsachsen von zwei Anhängern (5, 7) in einer Straßenebene, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Längsachsen mittels bildgebender optischer oder magnetischer Verfahren bestimmt wird, wobei • für den Fall eines optischen Systems selbstleuchtende oder beleuchtete optische Strukturen, oder • für den Fall eines magnetischen Systems magnetische Marker (20) an einer Deichsel oder Fahrzeugaufbauten angebracht sind, die von einem oder mehreren bildgebenden Sensoren (21) erkannt, einer Richtung zugeordnet und zu einer Lageinformation des Anhängers (2, 5, 7) zum damit gekoppelten Zugfahrzeug (1, 3) oder zweiten Anhängers ausgewertet werden.
Verfahren zur berührungslosen Messung des Winkels zwischen der Längsachse eines Zugfahrzeugs (1, 3) und der Längsachse eines Anhängers (2, 5, 7) oder zwischen den Längsachsen von zwei Anhängern (5, 7) in einer Straßenebene, die mittels einer Sattelkupplung mit einem Königszapfen (12) und einem Auflieger-Auflager (22) miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Längsachsen durch einen Resolver bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen des Resolvers resonant ausgeführt sind.
Verfahren zur berührungslosen Messung des Winkels zwischen der Längsachse eines Zugfahrzeugs (1, 3) und der Längsachse eines Anhängers (2, 5, 7) oder zwischen den Längsachsen von zwei Anhängern (5, 7) in der Straßenebene, wobei Zugfahrzeug (1, 3) und Anhänger (2, 5, 7) oder die beiden Anhänger (5, 7) ein System bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Längsachsen mittels einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle gemessen wird, wobei ein Sender und ein Empfänger der linear polarisierten elektromagnetischen Welle • auf gegenüberliegenden Seiten des Systems angeordnet sind, oder • auf der gleichen Seite des Systems angeordnet sind und die dieser Seite gegenüberliegende Seite des Systems einen polarisierenden Reflektor aufweist.