DE102021117213A1

DE102021117213A1 - Kraftmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102021117213A1
Application number: DE102021117213.6A
Authority: DE
Inventors: Oliver Topic; Thomas Wolf
Original assignee: ZF CV Systems Europe BV
Current assignee: ZF CV Systems Europe BV
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2023-01-05
Also published as: US20240140158A1; BR112023027155A2; EP4367486A1; WO2023280843A1; CN117529639A

Abstract

Einrichtung zur Messung von Kräften in einem gefederten Fahrwerk eines ein- oder mehrachsigen Fahrzeugs im Kraftübertragungsweg zwischen Aufbau und Achse, wobei zwischen Achse und Aufbau angeordnete Federelemente jeweils über ein lasttragendes Element mit der Achse und/oder mit dem Aufbau verbunden sind, wobei das lasttragende Element aus elastisch verformbarem Kunststoff oder elastomerem Material ausgebildet ist und innerhalb des lasttragenden Elements voneinander beabstandete und voneinander isolierte Elektroden, elektrisch leitfähige Schichten oder elektrisch leitfähige Elemente eingebunden sind, welche durch eine unter Last erfolgende Verformung des lastragenden Elements in ihrer Position oder Geometrie absolut und/oder relativ zueinander veränderbar sind und dadurch eine zur elastischen Verformung der lasttragenden Elements proportionale, detektierbare elektrische Größe erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Kräften in einem gefederten Fahrwerk eines ein- oder mehrachsigen Fahrzeugs, wobei die Kraftmesseinrichtung als lasttragendes Element ausgebildet und im Kraftübertragungsweg zwischen Aufbau und Achse so vorgesehen ist, dass zwischen Achse und Aufbau angeordnete Federelemente jeweils über das lasttragende Element mit der Achse und/oder mit dem Aufbau verbunden sind.
Insbesondere bei Lastkraftwagen hat das Gewicht der Ladung einen wesentlichen Einfluss auf das Fahrverhalten und damit auf die Fahrsicherheit. Die Ermittlung oder Messung des Fahrzeuggewichts bzw. der Fahrzeugmasse sowie deren Verteilung auf einzelne Achsen oder Räder ist somit eine wichtige Grundlage für einen sicheren Transport. Daher existieren auch weltweit gesetzliche Regelungen, nach denen die Überladung von Schwerlastfahrzeugen oder auch anderer Fahrzeuge verboten ist. So gibt in der Bundesrepublik Deutschland das Kraftfahrt-Bundesamt im Rahmen der allgemeinen Betriebserlaubnis die Zuladung und das zulässige Gesamtgewicht als feste Größen vor.
Gleichermaßen ist es oft vorgeschrieben, die Beladung bzw. die Achslast solcher Fahrzeuge bereits vor Fahrtantritt oder während der Beladung zu überprüfen. Die übliche Methode zur Ermittlung des Gewichts von Lastkraftwagen ist dabei das Wiegen des Fahrzeugs auf einer stationären Waage, die vor Fahrtantritt befahren werden muss. Darüber hinaus ist des Öfteren auch eine Kontrolle während der Fahrt bzw. nach mehrfacher Be- und Entladung während einer Auslieferungsfahrt erforderlich. Dies kann dann mit entsprechenden mobilen Waagen realisiert werden, die aber nicht immer zur Verfügung stehen.
Vorteilhafter ist es daher, wenn die Gewichtsermittlung mit Messeinrichtungen erfolgt, die im Fahrzeug eingebaut sind. An solchen Lösungen sind natürlich neben den Automobil- bzw. Lkw-Herstellern auch die Flottenbetreiber und Spediteure außerordentlich interessiert, da hier eine genaue und vorausschauende Ladungsplanung erfolgen kann.
Das Problem einer Gewichtsermittlung innerhalb eines Fahrzeuges besteht weniger bei luftgefederten Fahrzeugen, da hier z.B. durch eine Auswertung des Luftdrucks in den Federn eine Belastung des Fahrzeuges ermittelt werden kann. Bei Lastkraftwagen mit Blattfederung/Stahlfederung ist dies natürlich so nicht möglich. Im Stand der Technik existieren zur Gewichtsermittlung für Fahrzeuge mit mechanischer Federung/Blattfederung bereits Lösungen, bei denen das Gewicht bzw. die Fahrzeugmasse und die Belastung einzelner Achsen mithilfe von Messeinrichtungen oder -vorrichtungen im Fahrzeug gemessen werden kann.
Eine solche Messvorrichtung offenbart die DE 10 2019 202 763 A1 , jedoch nur für eine Messung bei stehendem Fahrzeug. Dort ist die Messvorrichtung in einer Federlasche angeordnet, mit der ein Blattfederelement mit dem Aufbauelement bzw. der Karosserie verbunden ist. Die Deformation der Federlasche wird mittels Dehnungsmeßstreifen ermittelt. Eine solche Konstruktion ist relativ aufwendig und wartungsintensiv.
Die DE 199 18 679 A1 offenbart ein elektronisches Messsystem mit einem am Fahrzeug befestigten Messwertaufnehmer zur Bestimmung der Auflagermasse eines Fahrzeugs. Der Messwertaufnehmer kann hierbei in einem Stoßdämpfer integriert sein und die dort wirkende Kraft erfassen. Ein Stoßdämpfer in einem Fahrwerk ist jedoch einer von mehreren Lastaufnahmepunkten an einer Achse und parallel zu einer Federung angeordnet, welche die „eigentliche“ Gewichtslast aufnimmt. Ein solcher Stoßdämpfer ist in sinnvoller Weise zur Ermittlung von dynamischen Kräften eher geeignet als zur Ermittlung von statischen Auflagekräften. Für Lastmessungen im Stand ist daher ein am Stoßdämpfer angeordnetes Messsystem weniger geeignet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand demnach in der Bereitstellung einer verbesserten, im Fahrzeug integrierten Messeinrichtung, mit deren Hilfe auf einfache Weise Kräfte in einem gefederten Fahrwerk eines ein- oder mehrachsigen Fahrzeugs gemessen werden können, insbesondere Gewichtskräfte, die durch die Beladung des Fahrzeugs hervorgerufen werden. Zudem soll die Messung nicht nur im Stand erfolgen können, sondern zu jeder Zeit, also auch während der Fahrt oder im Rahmen von Kontrollen bei Fahrtunterbrechungen. Weiterhin bestand die Aufgabe, die Messeinrichtung möglichst einfach zu gestalten und innerhalb von üblichen Achs- oder Fahrwerksbauteilen zu integrieren.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs und der nebengeordneten Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Dabei ist die Kraftmesseinrichtung im Fahrzeug als lasttragendes Element aus im Wesentlichen elastisch verformbarem Kunststoff oder elastomerem Material im Kraftübertragungsweg zwischen Aufbau und Achse ausgebildet, wobei innerhalb des lasttragenden Elements voneinander beabstandete und durch den elastisch verformbaren Kunststoff oder das elastomere Material voneinander isolierte Elektroden, elektrisch leitfähige Schichten oder elektrisch leitfähige Elemente eingebunden sind, welche durch eine unter Last erfolgende Verformung des lasttragenden Elements in ihrer Position oder Geometrie absolut und/oder relativ zueinander veränderbar sind und dadurch eine zur elastischen Verformung des lasttragenden Elements proportionale, detektierbare elektrische Größe erzeugen.
Soweit im Übrigen in der folgenden Beschreibung von elastomerem Material die Rede ist, soll immer auch elastisch verformbarer Kunststoff mit eingeschlossen sein.
Der Vorteil einer solchen erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung besteht einerseits darin, dass auch statische Kräfte direkt gemessen werden können, also auch eine Gewichtsveränderung während der Beladung eines Fahrzeugs im Stand oder dynamische Veränderungen während der Fahrt. Die Verformung des lasttragenden Elements, beispielsweise eines lasttragenden Elements aus Gummi, führt zu Veränderung der Position bzw. der Geometrie der elektrisch leitfähigen Elemente oder Schichten innerhalb der Gummimatrix und kann als zur Verformung, d.h. zu Gewichtbelastung proportionale, detektierbare elektrische Größe ausgelesen werden.
Das Auslesen einer Änderung der elektrischen Größe kann z.B. über herkömmliche Kabel, über Antennen, Sensoren oder Felddetektoren erfolgen. Das Einbringen von elektrischer Energie in die elektrischen Elemente, in die leitfähigen Schichten oder in die Elektroden ist ebenfalls durch Kabel, Antennen oder entsprechende in der Nähe der lasttragenden Elemente angeordnete Sender möglich. Grundsätzlich sind solche Systeme dem Fachmann aus der Nahfeldkommunikations-, Transponder-, oder RFID-Technik bekannt.
Andererseits erlaubt die erfindungsgemäße Ausbildung eine sehr einfache Herstellung und Konstruktion der Kraftmesseinrichtung sowie deren Einbindung innerhalb von oder zwischen Fahrwerksbauteilen ohne größeren Montageaufwand. Es ergibt sich so die Möglichkeit der Bereitstellung von Standardbauteilen, die mit entsprechenden Lesegeräten oder Sendern kombiniert in alle Fahrwerkskonstruktionen eingebaut werden können.
Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass innerhalb des lasttragenden Elements angeordnete, voneinander beabstandete flächige Elektroden oder elektrisch leitfähige Schichten vorgesehen sind und einen kapazitiven Widerstand bilden, dessen Kapazität proportional zur elastischen Verformung des lasttragenden Elements veränderbar und detektierbar ist. Kapazitive Systeme sind einfach herzustellen und bereiten wenig Schwierigkeiten bei der Interpretation und Detektion einer Kapazitätsveränderung. Die hier maßgebliche Gleichung, welche die durch Verformung veränderbare Kapazität, nämlich die Veränderung der Position bzw. der Geometrie zweier flächig angeordneten Elektroden oder elektrisch leitfähige Schichten beschreibt, lautet $C = ε_{0} ε_{r} A / d$
wobei
ε0 = elektrische Feldkonstante im Vakuum
ε_r = relative Permittivität des elastomeren Materials (Dielektrikum)
A = Fläche der Elektrode
d = Abstand der Elektroden
Eine durch die Verformung des lasttragenden Elements, also des elastomeren Körpers, entstehende Veränderung des Abstands zweier paralleler Elektroden erzeugt also eine messbare Kapazitätsveränderung. Dasselbe geschieht, wenn die Elektrodenfläche durch eine Verformung des elastomeren Materials verändert wird. Diese Kapazitätsveränderung ist messbar durch die oben bereits genannten Sensoren und Einrichtungen und dient dann nach entsprechender Kalibrierung der Bestimmung des Ladungsgewichtes. Bei entsprechend ausgebildeten Schichten oder Elektroden sind beide Effekte, Abstandsänderung und Flächenänderung vorhanden, sodass sich das nach einer Kapazitätsveränderung auslesbare Signal verstärkt.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das lasttragende Element mehrteilig und/oder aus mehreren elastomeren Materialien ausgebildet ist.
So ist es bei einer mehrteiligen Ausbildung des lasttragenden Elements etwa möglich, dass das lasttragende Element aus mehreren Komponenten oder Schichten zusammengesetzt ist, von denen mindestens eine die Anordnung von voneinander isolierten Elektroden, elektrisch leitfähigen Schichten oder elektrisch leitfähigen Elemente aufweist. Eine derartige Konstruktion kann beispielsweise aus einer oberen Schicht eines üblichen elastomeren Materials bestehen, einer Zwischenlage aus einem erfindungsgemäß ausgebildeten lasttragenden Element, welches die Messeinrichtung darstellt, und aus einer unteren Schicht wieder aus üblichem elastomeren Material. Der Vorteil einer solchen Ausbildung besteht darin, dass die Messeinrichtung als separates Standardteil hergestellt werden kann und je nach Anwendungsfall mit unterschiedlich ausgebildeten Ober- und Unterteilen aus einem elastomeren Material vulkanisiert bzw. verbunden werden kann, sodass eine Anpassung auf den jeweiligen Einsatzzweck, auf das gewünschte Verformungsverhalten und auf den Einbauzustand problemlos möglich ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass mehrere Gruppen von jeweils zusammenwirkenden Elektroden, elektrisch leitfähigen Schichten oder elektrisch leitfähigen Elementen innerhalb des lasttragenden Elements in Gruppen nebeneinander so angeordnet sind, dass eine zur elastischen Verformung von Teilbereichen des lasttragenden Elements proportionale elektrische Größe erzeugbar ist. Mit einer solchen Anordnung kann dann die Belastung einzelner Teilbereiche des lasttragenden Elements gemäß obiger Gleichung ermittelt werden. Mit einer entsprechenden Kalibrierung und rechnerischen Auswertung können daraus bei stehendem Fahrzeug Rückschlüsse auf die Lastverteilung und auf eine etwa ungleiche Beladung gezogen werden. Bei der Nutzung der Messeinrichtung während der Fahrt lassen sich natürlich auch mit einer entsprechend schnellen Verarbeitung der Signale in einem Bordrechner Brems- oder Beschleunigungskräfte ermitteln und für die Fahrzeugsteuerung nutzen. Auch ist es möglich, Seitenkräfte oder auf das lasttragende Element wirkende Scherkräfte durch den Vergleich der Signale aus den einzelnen Gruppen von jeweils zusammenwirkenden Elektroden zu ermitteln.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass mehrere Gruppen von jeweils zusammenwirkenden Elektroden, elektrisch leitfähigen Schichten oder elektrisch leitfähigen Elementen innerhalb des lasttragenden Elements in Gruppen übereinander so angeordnet sind, dass eine zur elastischen Verschiebung oder Torsion des lasttragenden Elements proportionale elektrische Größe erzeugbar ist. Unter Nutzung einer darauf angepassten Kalibrierung und rechnerischen Auswertung können auf das lasttragende Element wirkende Scherkräfte ermittelt werden, insbesondere durch die Veränderung oder Verschiebung der Elektrodenflächen relativ zueinander. Durch die Anordnung von mehreren Gruppen von Elektroden, die übereinander, also in ihrer flächigen Ausdehnung quer zur Normallast angeordnet sind, ergibt sich auch eine ausgeprägte Verstärkung des Ausgangssignals.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das lasttragende Element mit einem dessen Verformungsenergie nutzenden Stromerzeuger versehen ist, vorzugsweise mit einem Piezo-Element. Das ist insbesondere in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung sinnvoll, bei der das lasttragende Element mit einer als Steuerungs- und Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildeten elektronischen Schaltung versehen ist, vorzugsweise mit einer daran angeschlossenen Sendeeinheit und Antenne, wobei durch die Steuerungs- und Signalverarbeitungseinrichtung eine zur elastischen Verformung des lasttragenden Elements proportionale elektrische Größe als Ausgangssignal an eine externe Empfangseinrichtung übermittelbar ist.
In einer solchen Anordnung kann die Stromversorgung der Steuerungs- und Signalverarbeitungseinrichtung und auch der Sendeeinheit durch das Piezo-Element erfolgen. Man ist dann nicht mehr auf das passive Einstrahlen von Energiemengen von außerhalb des lasttragenden Elements angewiesen. Durch eine solche eigene Energieversorgung wird es auch leichter, dass zur Verformung des lastragenden Elements proportionale Signal an Empfangseinrichtungen im Fahrzeug zu senden, sodass nicht nur der Fahrer ständig über den Ladungszustand informiert ist. So können über eventuell verbundene, im Fahrzeug vorhandene weitere Funkeinrichtungen Signale, die den Ladungszustand repräsentieren, auch an eine Zentrale einer Spedition oder eines Flottenbetreibers gesendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das lasttragende Element als Dämpfungselement für das jeweilige Federelement ausgebildet und vorzugsweise im Verbindungsbereich zwischen Federelement und Achse angeordnet ist. Da über diese Anschlusspunkte nahezu alle Ladungskräfte/Gewichtskräfte auf die Achse übertragen werden, erhält man durch eine solche Anordnung besonders genaue Werte für das Fahrzeuggewicht.
Bei einem mit einer Blattfederung versehenen Fahrwerk eines Lastkraftwagens oder zugehörigen Anhängers oder Aufliegers ist das lasttragende Element vorteilhafterweise als Dämpfungselement der Blattfeder ausgebildet und in Form eines zwischen Blattfeder und Achse eingespannten Dämpferblocks als Verbindung zwischen Blattfeder und Achse angeordnet. Die Anordnung solcher Blockdämpfer, die zwischen Achse und Blattfeder eingespannt sind, stellt eine übliche Bauweise bei der Blattfederung von Fahrwerken für Lastkraftwagen dar. Somit ist es sehr einfach, den normalen Herstellungsprozess von Fahrwerken so anzupassen, dass anstelle des Blockdämpfers aus dem Stand der Technik ein zwischen Blattfeder und Achse eingespannter Dämpferblock eingebaut wird, der die erfindungsgemäße Messeinrichtung enthält bzw. als solche ausgebildet ist.
Dementsprechend ist die Erfindung auch auf ein solcherart ausgebildetes Dämpfungselement mit integrierter Kraftmesseinrichtung gerichtet, welches in einem gefederten Fahrwerk eines ein- oder mehrachsigen Fahrzeugs eingebaut und als lasttragendes Element im Kraftübertragungsweg zwischen Aufbau und Achse angeordnet ist. Ebenso ist ein Fahrwerk eines Lastkraftwagens mit mechanischer Blattfederung beansprucht, das eine als lasttragendes Element ausgebildete Kraftmesseinrichtung aufweist.
Ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrzeuggewichtes mit einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung besteht, wie oben schon angedeutet, darin, dass insbesondere im Stand und während der Beladung des Fahrzeugs die Veränderung von elektrischen Größen, die abhängig von der Beladung des Fahrzeugs durch eine Positions- oder Geometrieveränderung der in dem lasttragenden Element aus elastomerem Material vorgesehenen Elektroden, elektrisch leitfähigen Schichten oder elektrisch leitfähigen Elemente entsteht, in entsprechend kalibrierten Recheneinrichtungen mit entsprechenden Referenzgrößen für das Leergewicht des Fahrzeugs im Stand verglichen und daraus das Ist-Gewicht des Fahrzeugs ermittelt wird. Durch eine solche Vorgehensweise ist es möglich, nicht nur vor Fahrtantritt die genaue Beladungssituation z.B. eines Lastkraftwagens festzustellen, sondern auch bei jeder Fahrtunterbrechung und bei jedem Halt an Zielpunkten, an denen Ladung entfernt und andere Ladung wieder zugefügt wird.
Ebenso besteht unter Verwendung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung die Möglichkeit der Bestimmung der auf ein Fahrwerk, etwa auf ein Fahrwerk eines Lkw, einwirkenden dynamischen Kräfte. Dabei werden während der Fahrt des Fahrzeugs die Veränderung von elektrischen Größen, die abhängig von auf das Fahrzeugs einwirkenden dynamischen Kräften entstehen und durch eine Positions- oder Geometrieveränderung der in dem lasttragenden Element aus elastomerem Material vorgesehenen Elektroden, elektrisch leitfähigen Schichten oder elektrisch leitfähigen Elemente erzeugt werden, in entsprechend kalibrierten Recheneinrichtungen mit entsprechenden Referenzgrößen oder Schwellwerten verglichen. Sobald solche vorgegebenen Schwellwerte erreicht oder überschritten werden, wird ein Signal ausgegeben, zum Beispiel ein Warnsignal an den Fahrer oder ein Signal an die Fahrzeugsteuerung.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

1 eine Skizze zur Übersicht und zur Einordnung der folgenden Figuren,
2 eine Skizze zur Fahrwerkskonstruktion der Hinterachse eines Lkw in einer perspektivischen Ansicht und die dortige Anordnung einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
3 eine mögliche Anordnung der erfindungsgemäßen als Dämpferblock ausgebildeten Messeinrichtung im Fahrwerk als Prinzipskizze,
4 eine weitere mögliche Anordnung der erfindungsgemäßen als Dämpferblock ausgebildeten Messeinrichtung im Fahrwerk als Prinzipskizze,
5 in Form einer Skizze eine erste Anordnung von Flächenelektroden innerhalb eines erfindungsgemäßen Dämpferblocks,
6 in Form einer Skizze eine weitere Anordnung von Flächenelektroden innerhalb eines erfindungsgemäßen Dämpferblocks,
7 eine Skizze einer weiteren Anordnung von Flächenelektroden innerhalb eines erfindungsgemäßen Dämpferblocks, der zwischen weiteren elastomeren Materialien vorgesehen ist,
8 eine Skizze einer als Dämpferblock ausgebildeten erfindungsgemäßen Messeinrichtung in einer Ausführung, bei der zwei Gruppen von jeweils zusammenwirkenden Flächenelektroden innerhalb des Dämpferblocks nebeneinander angeordnet sind,
9 eine Skizze einer als Dämpferblock ausgebildeten erfindungsgemäßen Messeinrichtung in einer weiteren Ausführung mit mehreren Gruppen von zusammenwirkenden Flächenelektroden innerhalb eines Dämpferblocks.

Die 1 zeigt in Form einer Skizze zur Übersicht und zur Einordnung der folgenden Figuren einen zweiachsigen Lastkraftwagen 1 mit einem Führerhaus 2, einer Ladefläche bzw. einem Ladekasten 3, mit der Vorderachse 4 und der Hinterachse 5.
2 zeigt, ebenfalls in Form einer Skizze, die Fahrwerkskonstruktion der Hinterachse 5 des Lkw in einer perspektivischen Ansicht von links hinten gesehen.
Erkennbar sind hier die Reifen bzw. Räder 6 an der Hinterachse 5, welche über das Antriebs- und Differenzialgetriebe 7 angetrieben werden. Die Hinterachse 5 ist über eine geschichtete Blattfeder 8 mit einem hier nicht dargestellten Rahmenträger verbunden, welcher den Ladekasten 3 trägt, der ebenfalls zur Vereinfachung der 2 nicht dargestellt ist.
Die Verbindung der Blattfeder 8 mit dem Rahmenträger erfolgt an beiden Enden der Blattfeder über als bewegliche gelagerte Federlaschen 9 ausgebildete Anlenkpunkte, die gelenkig im Rahmenträger gelagert sind.
Die Verbindung der Blattfeder 8 mit der Hinterachse 5 erfolgt über ein elastomeres Dämpfungselement, welches erfindungsgemäß als Messeinrichtung in Form eines lasttragenden Elements ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung ist hier in Form eines zwischen Blattfeder und Achse eingespannten Dämpferblocks 10 ausgebildet. Im Stand der Technik werden solche Dämpferblocks bereits genutzt, jedoch nicht in einer Ausbildung als Messeinrichtung, sondern lediglich als einfacher monolithischer Gummiblock.
Die Einspannung des hier zwischen der Unterseite der geschichteten Blattfeder 8 und der Oberseite der Hinterachse 5 angeordneten erfindungsgemäß ausgebildeten Dämpferblocks 10 erfolgt über Stahlklammern 11, die mithilfe von entsprechenden Formstücken Blattfeder 8 und Hinterachse 5 umgreifen und unter Spannung fest verschraubt sind. Erkennbar ist ebenfalls ein Stoßdämpfer 12, der einerseits an einem Flansch 13 der Achse und andererseits am hier nicht gezeigten Rahmenträger angeschlossen ist.
Der erfindungsgemäße Dämpferblock 10 ist hier aus elastomerem Material aufgebaut und als lastragendes Element zwischen Blattfeder 8 und Hinterachse 5 angeordnet, besitzt dabei aber im Dämpferblock integrierte elektrisch leitfähige Schichten, hier Schichten aus elektrisch leitfähigem Gummi, die einen kapazitiven Widerstand bilden, dessen Kapazität proportional zur elastischen Verformung des lasttragenden Elements, also des Dämpferblocks 10, veränderbar ist.
Da die Ladungskräfte/Gewichtskräfte im Wesentlichen über die jeweils als Dämpferblock 10 ausgebildeten lasttragenden Elemente auf die Achse(n) übertragen werden, erhält man durch die erfindungsgemäße Messeinrichtung besonders genaue Werte für das Fahrzeuggewicht.
3 und 4 stellen in Form von Prinzipskizzen mögliche Anordnungen einer erfindungsgemäßen, als Dämpferblock ausgebildeten Messeinrichtung im Fahrwerk und in Bezug auf die Blattfeder und den Rahmen bzw. den Aufbau des Fahrzeugs dar. Im Sinne einer möglichst einfachen Skizze wurde hier auf die unterschiedliche zeichnerische Darstellung von sichtbaren und unsichtbaren Linien verzichtet.
3 zeigt in Form einer Prinzipskizze einen erfindungsgemäß ausgebildeten Dämpferblock 10, der als lasttragendes Element zwischen einer Blattfeder 8 und einer Hinterachse 5 angeordnet ist. Die Blattfeder 8 ist mit ihren äußeren Enden über Anlenkpunkte an einer Karosserie 14 bzw. an dem unteren Rahmen eines Ladekastens 3 befestigt.
Innerhalb des Dämpferblocks 10 sind zwei Gruppen von jeweils vier Flächenelektroden 15 ausgebildet, die bei Verformung des elastomeren Dämpferblocks 10 ebenfalls verformt werden, wie später dargestellt.
4 zeigt beispielhaft dieselbe grundsätzliche Anordnung eines solchen erfindungsgemäß ausgebildeten Dämpferblocks 10, jedoch für eine Doppelachse, bei der zwei hintereinanderliegende Federn 8 vorgesehen und jeweils unter Einbindung des Dämpferblocks an eine Hinterachse 5 angeschlossen sind. Die 3 und 4 zeigen eine Ansicht von einer Seite. Die Anordnung von Federn und erfindungsgemäßen Dämpferblocks erfolgt spiegelsymmetrisch zur Mittelachse auf beiden Seiten der Achsaufhängung eines Fahrzeugs.
5 und 6 zeigen vergrößert in Form einer Skizze unterschiedliche Anordnungen von Flächenelektroden innerhalb eines erfindungsgemäßen Dämpferblocks 10. Auch hier wurde aus den bereits genannten Gründen auf die unterschiedliche zeichnerische Darstellung von sichtbaren und unsichtbaren Linien verzichtet. Die Wirkrichtung der Gewichtskraft bzw. des Ladungsgewichts wird in den folgenden Figuren durch den Pfeil 16 dargestellt.
5 zeigt in der oberen Darstellung eine Ansicht und in der unteren Darstellung eine Aufsicht auf eine als Dämpferblock ausgebildete erfindungsgemäße Messeinrichtung. Deutlich erkennbar ist hier, dass lediglich zwei Flächenelektroden 15 vorgesehen sind, die einen kapazitiven Widerstand bilden und durch Änderung der Kapazität proportional zur elastischen Verformung des lasttragenden Elements/Dämpferblocks reagieren.
6 zeigt in einer zur 5 analogen Darstellung im oberen Teil eine Ansicht und im unteren Teil eine Aufsicht auf eine als Dämpferblock 10 ausgebildete erfindungsgemäße Messeinrichtung, bei der insgesamt vier Flächenelektroden 15 vorgesehen sind. Durch eine solche Anordnung lässt sich die Stärke des der Veränderung der Kapazität entsprechenden Ausgangssignals maximieren.
7 zeigt skizzenartig in der oberen Darstellung eine Ansicht und in der unteren Darstellung eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Messeinrichtung, bei der der Dämpfungsblock 10 nur den mittleren Teil eines lasttragenden Elements darstellt. Oberhalb und unterhalb des Dämpfungsblocks 10 sind weitere Dämpfungsmaterialien/Dämpfungsblöcke 17 angeordnet, die jedoch keine erfindungsgemäße Ausbildung aufweisen. Durch eine solche Ausführung kann man ein Optimum zwischen Dämpfungseigenschaften durch verschiedene Materialien und Verformungseigenschaften im Dämpfungsblock 10 realisieren.
Auch hier sind in dem in der Mitte zwischen den Dämpfungsmaterialien 17 angeordneten Dämpfungsblock 10 vier Flächenelektroden 15 vorgesehen, die einen kapazitiven Widerstand bilden und durch Änderung der Kapazität proportional zur elastischen Verformung des lasttragenden Elements/Dämpferblocks reagieren.
8 zeigt im oberen Teil eine Ansicht und im unteren Teil eine Aufsicht auf eine als Dämpferblock 10 ausgebildete erfindungsgemäße Messeinrichtung in einer Ausführung, bei der zwei Gruppen von jeweils zusammenwirkenden Flächenelektroden 15 innerhalb des Dämpfungsblock 10 nebeneinander so angeordnet sind, dass eine zur elastischen Verformung von Teilbereichen des lasttragenden Elements proportionale elektrische Größe erzeugbar ist. Verformt sich beispielsweise der Dämpfungsblock 10 auf seiner in der Zeichnung linken Seite stärker als auf seiner rechten Seite, so ist dies durch unterschiedliche Kapazitätsänderungen der als kapazitive Widerstände ausgebildeten Gruppen von Flächenelektronen 15 detektierbar. Durch eine solche Anordnung kann man einerseits bei einer symmetrischen Belastung eine Verstärkung des elektrischen Signals erzielen oder aber auch Querkräfte oder Scherkräfte im Dämpfungsblock und damit im Fahrwerk messen.
Dasselbe gilt analog auch für die Ausführung, die in der 9 dargestellt ist. 9 zeigt im oberen Teil eine Ansicht und im unteren Teil eine Aufsicht auf eine als Dämpferblock 10 ausgebildete erfindungsgemäße Messeinrichtung in einer Ausführung, bei der vier Gruppen von jeweils zusammenwirkenden Flächenelektroden 15 innerhalb des Dämpfungsblock 10 nebeneinander so angeordnet sind, dass eine zur elastischen Verformung von Teilbereichen des lasttragenden Elements proportionale elektrische Größe erzeugbar ist. Verformt sich beispielsweise der Dämpfungsblock 10 auf seiner Zeichnung oberen, linken Seite stärker als auf seiner unteren rechten Seite, so ist dies durch unterschiedliche Kapazitätsänderungen der als kapazitive Widerstände ausgebildeten Gruppen von Flächenelektronen 15 detektierbar.
Auch durch diese Anordnung kann man Querkräfte oder Scherkräfte im Dämpfungsblock und damit im Fahrwerk messen, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn mehrere Blattfedern an mehr als einer Achse vorhanden sind.
Bezugszeichenliste

1: Lastkraftwagen (LKW)
2: Führerhaus des LKW
3: Ladefläche/Ladekasten
4: Vorderachse
5: Hinterachse
6: Räder
7: Antriebs- und Differentialgetriebe
8: Blattfeder
9: Federlasche
10: Dämpferblock (Messeinrichtung)
11: Stahlklammer
12: Stoßdämpfer
13: Flansch für Stossdämpfer
14: Karosserie / Aufbau
15: Flächen-Elektrode (leitfähige Schicht)
16: Wirkrichtung der Gewichtskraft, Ladungsgewicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019202763 A1 [0006]
DE 19918679 A1 [0007]

Claims

Einrichtung zur Messung von Kräften in einem gefederten Fahrwerk eines ein- oder mehrachsigen Fahrzeugs (1), wobei die Kraftmesseinrichtung als lasttragendes Element (10) ausgebildet und im Kraftübertragungsweg zwischen Aufbau (3, 14) und Achse (5) so vorgesehen ist, dass zwischen Achsen und Aufbau angeordnete Federelemente (8) jeweils über das lasttragende Element (10) mit der Achse und/oder mit dem Aufbau verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das lasttragende Element (10) im Wesentlichen aus einem elastisch verformbaren Kunststoff oder aus einem elastomeren Material ausgebildet ist und innerhalb des lasttragenden Elements voneinander beabstandete und durch den elastisch verformbaren Kunststoff oder das elastomere Material voneinander isolierte Elektroden (15), elektrisch leitfähige Schichten oder elektrisch leitfähige Elemente eingebunden sind, welche durch eine unter Last erfolgende Verformung des lasttragenden Elements (10) in ihrer Position oder Geometrie absolut und/oder relativ zueinander veränderbar sind und dadurch eine zur elastischen Verformung des lasttragenden Elements proportionale, detektierbare elektrische Größe erzeugen.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1, bei der innerhalb des lasttragenden Elements (10) voneinander beabstandete flächige Elektroden (15) oder elektrisch leitfähige Schichten angeordnet sind und einen kapazitiven Widerstand bilden, dessen Kapazität proportional zur elastischen Verformung des lasttragenden Elements (10) veränderbar und detektierbar ist.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das lasttragende Element (10, 17) mehrteilig und/oder aus mehreren elastisch verformbaren Kunststoffen oder elastomeren Materialien ausgebildet ist.
Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der mehrere Gruppen von jeweils zusammenwirkenden Elektroden (15), elektrisch leitfähigen Schichten oder elektrisch leitfähigen Elementen innerhalb des lasttragenden Elements (10) in Gruppen nebeneinander so angeordnet sind, dass eine zur elastischen Verformung von Teilbereichen des lasttragenden Elements proportionale elektrische Größe erzeugbar ist.
Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der mehrere Gruppen von jeweils zusammenwirkenden Elektroden (15), elektrisch leitfähigen Schichten oder elektrisch leitfähigen Elementen innerhalb des lasttragenden Elements (10) in Gruppen übereinander so angeordnet sind, dass eine zur elastischen Verschiebung oder Torsion des lasttragenden Elements proportionale elektrische Größe erzeugbar ist.
Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das lasttragende Element mit einem dessen Verformungsenergie nutzenden Stromerzeuger versehen ist, vorzugsweise mit einem Piezo-Element.
Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das lasttragende Element mit einer als Steuerungs- und Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildeten elektronischen Schaltung versehen ist, vorzugsweise mit einer daran angeschlossenen Sendeeinheit und Antenne, wobei durch die Steuerungs- und Signalverarbeitungseinrichtung eine zur elastischen Verformung des lasttragenden Elements proportionale elektrische Größe als Ausgangssignal an eine externe Empfangseinrichtung übermittelbar ist.
Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das lasttragende Element als Dämpfungselement für das jeweilige Federelement ausgebildet und vorzugsweise in Form eines Dämpferblocks (10) im Verbindungsbereich zwischen Federelement und Achse angeordnet ist.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 8 im Fahrwerk eines Lastkraftwagens oder zugehörigen Anhängers oder Aufliegers, bei der das lasttragende Element als Dämpfungselement einer Blattfeder ausgebildet und in Form eines zwischen Blattfeder (8) und Hinterachse (5) eingespannten Dämpferblocks (10) als Verbindung zwischen Blattfeder und Achse angeordnet ist.
Dämpfungselement mit einer Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1 bis 9 in einem gefederten Fahrwerk eines ein- oder mehrachsigen Fahrzeugs, wobei das Dämpfungselement als lasttragendes Element im Kraftübertragungsweg zwischen Aufbau und Achse angeordnet ist.
Fahrwerk eines Lastkraftwagens mit mechanischer Blattfederung, welches eine Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9 aufweist.
Verfahren zur Bestimmung des Fahrzeuggewichtes mit einer Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Stand des Fahrzeugs die Veränderung von elektrischen Größen, die abhängig von der Beladung des Fahrzeugs durch eine Positions- oder Geometrieveränderung der in dem lasttragenden Element aus elastisch verformbarem Kunststoff oder elastomerem Material vorgesehenen Elektroden, elektrisch leitfähigen Schichten oder elektrisch leitfähigen Elemente entsteht, in entsprechend kalibrierten Recheneinrichtungen mit entsprechenden Referenzgrößen für das Leergewicht des Fahrzeugs im Stand verglichen und daraus das Ist-Gewicht des Fahrzeugs ermittelt wird.
Verfahren zur Bestimmung der auf ein Fahrwerk wirkenden dynamischen Kräfte, dadurch gekennzeichnet, dass während der Fahrt des Fahrzeugs die Veränderung von elektrischen Größen, die abhängig von auf das Fahrzeug wirkenden dynamischen Kräften durch eine Positions- oder Geometrieveränderung der in dem lasttragenden Element aus elastisch verformbarem Kunststoff oder elastomerem Material vorgesehenen Elektroden, elektrisch leitfähigen Schichten oder elektrisch leitfähigen Elemente entsteht, in entsprechend kalibrierten Recheneinrichtungen mit entsprechenden Referenzgrößen oder Schwellwerten verglichen und deren bei Überschreitung ein Signal ausgegeben wird.