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Die Erfindung betrifft einen Königszapfen für eine Sattelkupplung eines Nutzfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Sattelkupplung mit solch einem Königszapfen nach Anspruch 12 und ein Nutzfahrzeug hiermit nach Anspruch 13.
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Sattelkupplungen dienen der Kopplung eines Sattelanhängers (nachfolgend Trailer) an eine Sattelzugmaschine. Typischerweise ist eine Sattelplatte mit einer Sattelkupplung auf Seiten der Zugmaschine montiert, in die ein auf Seiten des Trailers montierter Königszapfen (auch als Königsbolzen oder Zugsattelzapfen bezeichnet) eingekoppelt und gesichert werden kann. Über den Königszapfen und die Sattelkupplung werden dann sämtliche fahrdynamischen Lasten von der Zugmaschine auf den Trailer und umgekehrt übertragen.
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Königszapfen für Sattelkupplungen weisen in der Regel eine Zapfenwelle mit einem Zapfenkopf auf. Am gegenüberliegenden Ende weist die Zapfenwelle meist einen Befestigungsflansch auf, mit dem er über Befestigungsschrauben mechanisch an einer Karosserie bzw. an einem Fahrgestell eines Trailers festgelegt wird. Zur mechanischen Stärkung und Anbindung ist üblicherweise ein Aufnahmeflansch zwischen dem Fahrgestell des Trailers und dem Königszapfen vorgesehen, worüber der Königszapfen am Fahrgestell des Trailers angebunden ist.
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Im Stand der Technik werden verschiedene Messvarianten zur Bestimmung von mechanischen Reaktionskräften an der Sattelkupplung vorgeschlagen. Die Messung fahrdynamischer Reaktionskräfte kann beispielsweise im Kontext einer Hilfsantriebsachse des Trailers von großer Bedeutung sein. Dadurch können unabhängig von Antriebssignalen der Zugmaschine, Daten gewonnen werden, um darüber die Hilfsantriebsachse des Trailers unterstützend zu betreiben.
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So wird im Stand der Technik beispielsweise in
DE 10 2017 110 520 A1 vorgeschlagen, Reaktionskräfte die auf die Sattelkupplung wirken, unmittelbar über den trailerseitigen Königszapfen bzw. über die Zapfenwelle zu erfassen, um daraus das Fahrverhalten der Zugmaschine zu erschließen. Auch
EP 1 199 547 A2 ,
US 2020 / 0 238 990 A1 ,
DE 10 2020 126 374 A1 ,
EP 2 899 101 A1 und
WO 2021/ 046 091 A1 , offenbaren beispielsweise derartige Königszapfen mit Sensorvorrichtungen zur Ermittlung von Reaktionskräften und/oder Verfahren zur Messung von Kräften am Königszapfen. Alternativ werden Lösungen vorgeschlagen, wonach Dehnmessstreifen direkt in den Befestigungsschrauben positioniert sind. In Kenntnis dessen, ob die Zugmaschine gerade bremsend, ziehend oder richtungsändernd auf den Trailer einwirkt, kann die Hilfsantriebsachse treibend oder bremsend betrieben werden. Als Sensoren zur Erfassung der Kräfte werden unter anderen Dehnmessstreifen, Kraftmessdosen, Messunterlegscheiben und Piezosensoren vorgeschlagen.
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In der Variante mit den Messunterlegscheiben werden diese in die Schraubverbindung zwischen dem Königszapfen und dem Trailer eingebaut und messen so die Spannkräfte der Schrauben. Indem die Schrauben in Umfangsrichtung verteilt um den Königszapfen bzw. um den Befestigungsflansch angeordnet sind, lässt sich von den Zug- und Druckkräften in den Messunterlegscheiben auf die auf den Königszapfen wirkenden Kräfte schließen.
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Die Einbauten dieser Sensoren stellen sich im Stand der Technik jedoch als aufwändig zu montieren und zu warten dar. Ferner ist die Zapfenwelle des Königszapfens im bestimmungsgemäßen Gebrauch starken dynamischen Belastungen ausgesetzt, so dass die Beständigkeit von Messeinrichtungen, die unmittelbar an der Zapfenwelle oder in der Umgebung angeordnet sind, erheblich sinkt. Die direkte Anbringung der Messeinrichtung am Zapfen ist zudem aus bauraumtechnischen Aspekten unzweckmäßig.
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Weiter haben sich zum Beispiel Dehnmessstreifen für die Messung von Reaktionskräften am Königszapfen grundsätzlich als zu temperaturempfindlich erwiesen und weisen zu große Streuungen in ihren Messwertbereichen auf. Über eine Positionierung von Dehnmessstreifen innerhalb der Befestigungsschrauben kann man darüber hinaus kein differentielles Messverfahren umsetzen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Lösung bereitzustellen, mit der eine Messung am Königszapfen bzw. an der Sattelkupplung auf einfache Weise kostengünstig und leicht montierbar gelingt, insbesondere auch im Wartungsfall. Zudem soll die Lösung eine störungsunempfindliche Messung zulassen. Der Königszapfen bzw. die Zapfenwelle sollen ohne großen Aufwand ersetzbar sein, ohne die Einrichtung für die (Kraft-)Messung zu beeinträchtigen. Die Lösung soll sich insbesondere für den Einsatz im Nutzfahrzeugbereich und für Sattelzüge mit trailerseitigen Hilfsantrieben eignen sowie allgemein bei Anhängerkupplungen zwischen zwei Fahrzeugen anwendbar sein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 12 und 13 gelöst. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11.
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Bei einem Königszapfen für eine Sattelkupplung eines Nutzfahrzeugs, mit einer Zapfenwelle, die sich entlang einer Mittelachse erstreckt und an ihrem unteren Ende einen Zapfenkopf aufweist, wobei die Zapfenwelle an ihrem dem Zapfenkopf abgewandten oberen Ende einen Befestigungsflansch aufweist, und mit einem Aufnahmeflansch, der auf das obere Ende der Zapfenwelle aufgesetzt und an dem Befestigungsflansch fixiert ist, ist erfindungsgemäß eine Messeinrichtung zum Erfassen von fahrdynamischen Reaktionskräften vorgesehen, wobei die Messeinrichtung in einem Hohlraum angeordnet ist, der im fixierten Zustand zwischen dem Aufnahmeflansch und dem oberen Ende der Zapfenwelle gebildet wird.
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Durch die erfindungsgemäße räumliche und vor allem mechanische Trennung der Messeinrichtung von der Zapfenwelle, wird diese deutlich weniger durch die fahrdynamischen Kräfte belastet. Dadurch, dass die Messeinrichtung in einem Hohlraum zwischen dem Aufnahmeflansch und dem oberen Ende der Zapfenwelle angeordnet ist, wird sie effektiv vor Umwelteinflüssen und vor starken mechanischen Belastungen geschützt. Ferner muss die Messeinrichtung beim Ersetzen eines verschlissenen Königszapfens nicht erneuert oder neu verkabelt werden. Eine Kalibrierung der Messeinrichtung zur Abstimmung auf den neuen Königszapfen genügt.
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Die erfindungsgemäße Messeinrichtung ist vorzugsweise in erster Linie dazu ausgebildet, radial zur Mittelachse der Zapfenwelle wirkende, fahrdynamische Reaktionskräfte zu ermitteln, die infolge des Fahrverhaltens der Sattelzugmaschine im Bereich des Königszapfens bzw. im Bereich der Sattelkupplung resultieren. Beim Einwirken dieser radialen Kräfte verändern sich aufgrund von mechanischen Deformationen insbesondere die Abstände zwischen dem Aufnahmeflansch und dem oberen Ende der Zapfenwelle. Vorzugsweise ist die Messeinrichtung dazu ausgelegt, diese Abstandsänderungen zu messen und anhand der gemessenen Daten, die radialen Reaktionskräfte zu ermitteln.
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Durch das erfindungsgemäße Vorsehen der Messeinrichtung in dem Hohlraum zwischen dem Aufnahmeflansch und dem oberen Ende der Zapfenwelle, können vorteilhafterweise Abstandsänderungen zwischen dem Aufnahmeflansch und dem oberen Ende der Zapfenwelle erfasst werden, die im direkten Zusammenhang zu den einwirkenden, radialen Kräften stehen. Hierdurch werden gleichzeitig die Messeinrichtung sowie die vorzugsweise damit zusammenhängende elektronische Anbindung und Verkabelung weitestgehend vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt. Gerade im unteren Bereich des Trailers bzw. des Fahrgestells können hohe Feuchtigkeits- und Temperaturzustände herrschen, weshalb die sensible Messeinrichtung andernfalls starken Einflüssen ausgesetzt wäre. Vorzugsweise ist der Hohlraum scheibenförmig bzw. im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei der Hohlraum insbesondere tellerförmig ausgebildet ist. Diese Maßnahme unterstützt eine präzise Abstandsmessung zusätzlich, weil die Scheiben bzw. Tellerform prinzipbedingt keine zu weite Axialerstreckung entlang der Mittelachse des Königszapfens aufweist. Andernfalls wäre der Abstand zwischen dem Aufnahmeflansch und dem oberen Ende der Zapfenwelle möglicherweise zu groß für die vorliegende Messung. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass auch kleinere Verformungen bzw. Abstandsänderungen von der Messeinrichtung erfasst werden können.
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Der Aufnahmeflansch wird an dem oberen Ende der Zapfenwelle als separate Bauteilkomponente angebracht. Das obere Ende der Zapfenwelle ist vorzugsweise über den Befestigungsflansch an dem Aufnahmeflansch angeflanscht. Dabei kann der Befestigungsflansch der Zapfenwelle vorzugsweise über Fixiermittel lösbar mit dem Aufnahmeflansch fixiert sein. Bevorzugterweise sind die Fixiermittel dabei als Schrauben ausgebildet, wobei die Schrauben insbesondere Gewindeschrauben sind, die bei einem 2 Zoll Königszapfen gemäß der Richtlinie ECE R55-01 die Zapfenwelle an dem Aufnahmeflansch fixieren und den Normen DIN 74080 und ISO 337 genügen, wobei die Gewindeschrauben bei einem 3,5 Zoll Königszapfen gemäß der Richtlinie ECE R55-01 den die Zapfenwelle an dem Aufnahmeflansch fixieren und den Normen DIN 74083 und ISO 4086 genügen. Vorzugsweise liegt der Aufnahmeflansch auf Höhe der Fixiermittel vollflächig in Umfangsrichtung an dem Befestigungsflansch an und ist derart fixiert, dass der Hohlraum von der angeflanschten Fläche umrandet wird.
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Der Aufnahmeflansch fungiert in erster Linie als zusätzliches Befestigungs- bzw. Stärkungselement zwischen dem Trailer und der Zapfenwelle. Bevorzugterweise kann der Aufnahmeflansch gleichzeitig als Aufnahmeelement für die Messeinrichtung dienen. In diesem Zusammenhang sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, dass der Aufnahmeflansch einen Tellerboden aufweist, wobei der Tellerboden eine dem Hohlraum zugewandte Unterseite zur Aufnahme der Messeinrichtung aufweist. Vorzugsweise kann der Tellerboden dabei parallel zum oberen Ende der Zapfenwelle angeordnet sein. Weiter Vorzugsweise kann der Aufnahmeflansch im Wesentlichen tellerförmig ausgebildet sein, wobei der Tellerboden des Aufnahmeflansches insbesondere scheibenförmig ausgebildet sein kann. Ferner wird bevorzugt, dass die Unterseite des Tellerbodens plan ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltungen entsteht an der Unterseite des Tellerbodens eine ebene und gleichmäßige Lagerungsfläche für die Messeinrichtung, so dass diese beispielsweise vollflächig an der Unterseite des Fahrgestells aufliegen und befestigt werden kann. Die scheibenförmige Ausbildung des Tellerbodens unterstützt zudem die Ausbildung des Hohlraumes für die Aufnahme der Messeinrichtung.
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Weiter wird bevorzugt, dass der Tellerboden eine vom Hohlraum abgewandte Oberseite zum Fixieren des Aufnahmeflansches aufweist. Vorzugsweise kann die Oberseite Tellerbodens dabei stoffschlüssig mit einem Fahrgestell des Trailers verbunden sein. Dabei können die Oberseite und die Unterseite des Tellerbodens vorzugsweise jeweils plan ausgebildet sein. Weiter vorzugsweise ist die Oberseite des Tellerbodens parallel zu einer Unterseite des Fahrgestells angeordnet. Die Unterseite des Fahrgestells ist dabei bevorzugterweise parallel zu einer Fahrbahn angeordnet. Um die Oberseite sicher mit der Unterseite des Fahrgestells fixieren zu können, kann die Unterseite des Fahrgestells vorzugsweise plan ausgebildet sein. Dadurch entsteht an der Unterseite des Fahrgestells eine ebene und gleichmäßige Auflagefläche für die Oberseite des Tellerbodens, so dass der Tellerboden vollflächig an der Unterseite des Fahrgestells aufliegen und beispielsweise stoffschlüssig verbunden werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, weist das obere Ende der Zapfenwelle eine dem Hohlraum zugewandte innere Stirnfläche auf, wobei das obere Ende der Zapfenwelle eine dem Hohlraum zugewandte äußere Stirnfläche aufweist. Vorzugsweise können beide Stirnflächen plan ausgebildet sein, wobei die Stirnflächen parallel zur Unterseite des Aufnahmeflansches angeordnet sein können. Diese Maßnahme kann unter anderen die Messung der radialen Reaktionskräfte unterstützen.
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Vorzugsweise weist das obere Ende der Zapfenwelle eine ringförmige Erhebung auf, die sich in Richtung Tellerboden erstreckt, wobei die ringförmige Erhebung zwischen der inneren Stirnfläche und der äußeren Stirnfläche angeordnet ist. Die ringförmige Erhebung verkürzt den Abstand zwischen der Unterseite des Tellerbodens und dem oberen Ende der Zapfenwelle. Hierdurch könnte beispielsweise die Sensibilität der Messeinrichtung gesteigert werden, um auch kleinere Abstandsänderungen zu erfassen. Die ringförmige Erhebung bietet vorteilhafterweise eine Ringfläche an, die beispielsweise im Kontext der Messung als korrespondierende Gegenfläche zur Messeinrichtung genutzt werden könnte. Dabei wird bevorzugt, dass die ringförmige Erhebung an ihrer der Unterseite des Tellerbodens zugewandten Stirnseite, plan ausgebildet ist. Diese Maßnahme führt zu einer zusätzlichen Verbesserung der Messgenauigkeit der Messeinrichtung, wenn die ringförmige Erhebung als korrespondierende Messgegenfläche genutzt wird. Die Messung würde durch Unebenheiten an der Stirnseite der ringförmigen Erhebung effektiv gestört werden. Die Störfaktoren müssten in diesem Fall bei der Auswertung der gemessenen Daten entsprechend berücksichtigt werden. Eine plane Fläche gemäß der beschriebenen Ausführungsform dagegen, unterstützt und verbessert den Messvorgang signifikant. Die Ringform wirkt sich dabei besonders vorteilhaft aus, weil entlang der vorzugsweise geschlossenen Ringfläche entsprechende Messsensoren positioniert werden können.
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Nach einer weiteren Ausführungsvariante, ist die Messeinrichtung scheibenförmig ausgebildet, wobei die Messeinrichtung eine Kreuzform aufweist. Hierdurch kann die Messeinrichtung beispielsweise vollflächig an einer geeigneten Stelle aufliegen und sicher festgelegt werden. Durch die Scheibenform und Ausrichtung der Messeinrichtung, wird einerseits die vorstehend beschriebene Messung radial wirkender Kräfte unterstützt, und andererseits wird die Messeinrichtung dadurch kompakter. Dies hat wiederum einen vorteilhaften Effekt auf bauraumtechnische Aspekte. Die Messeinrichtung passt dadurch in den prinzipbedingt klein gehaltenen Hohlraum zwischen der Unterseite des Tellerbodens und dem oberen Ende der Zapfenwelle. Ferner unterstützt die scheibenförmige Ausbildung die differentielle Messung zusätzlich. Die Kreuzform der Messeinrichtung kann dabei beispielsweise genutzt werden, um die entsprechenden Richtungen der zu ermittelnden, radial wirkenden Reaktionskräfte vorzugeben. Ferner kann aufgrund dieser speziellen Anordnung vorteilhafterweise eine zusätzliche Verbesserung der Messgenauigkeit resultieren. Dabei wird weiter bevorzugt, dass die Messeinrichtung symmetrisch ausgebildet. Dies vereinfacht unter anderen den Fertigungsaufwand und senkt gleichzeitig die Fertigungskosten.
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Bevorzugterweise ist die Messeinrichtung zentriert zur Mittelachse der Zapfenwelle angeordnet, wobei die Messeinrichtung dazu ausgebildet ist, Abstandsänderungen in Bezug auf das obere Ende der Zapfenwelle zu messen. Erfindungsgemäß umfasst die Messeinrichtung wenigstens zwei Abstandssensoren, vorzugsweise wenigstens vier Abstandssensoren, zur Messung von Abstandsänderungen zwischen dem Tellerboden und dem oberen Ende der Zapfenwelle. Dabei wird bevorzugt, dass sich die einzelnen Abstandssensoren der Messeinrichtung radial zur Mittelachse erstrecken. Vorzugsweise sind berührungslose Abstandssensoren vorgesehen. Hierdurch wird ein physischer Verschleiß während der Messung vermieden. Berührungslose Abstandssensoren sind insbesondere für schnelle Messungen geeignet. Ferner sind beispielsweise kapazitiv ausgeführte Abstandssensoren vorteilhafterweise unempfindlich gegen Magnetfelder und können deshalb problemlos bei elektrifizierten Trailern eingesetzt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung unmittelbar an der Unterseite des Tellerbodens angeordnet ist, wobei die Messeinrichtung gegenüberliegend zu der inneren Stirnfläche und zu der ringförmigen Erhebung positioniert ist. Dabei wir weiter bevorzugt, dass die Messeinrichtung, die Unterseite des Tellerbodens, die innere Stirnfläche und die ringförmige Erhebung jeweils an der Mittelachse zentriert angeordnet sind. Mit gegenüberliegend ist folglich eine koaxiale bzw. konzentrische Anordnung der Messeinrichtung gemeint, wobei die Messeinrichtung axial zur Mittelachse von der inneren Stirnfläche und der ringförmigen Erhebung beabstandet angeordnet ist. Das unmittelbare Anordnen und Festlegen der Messeinrichtung an der Unterseite des Tellerbodens unterstützt die mechanische Entkopplung der Messeinrichtung von der Zapfenwelle zusätzlich. Gleichzeitig wird die Messeinrichtung dadurch von Vibrationen entkoppelt die beispielsweise am oberen Ende der Zapfenwelle auftreten können. Vorzugsweise ist dabei die gesamte Verkabelung und Signalführung der Messeinrichtung ebenfalls von der Zapfenwelle getrennt ausgebildet. Die gesamte Verkabelung und Signalführung führt dabei vorzugsweise in Richtung der Unterseite des Trailers bzw. in Richtung Fahrgestell. Dies erleichtert die Anbindung der Messeinrichtung und schützt die Verkabelung und Elektronik zusätzlich vor äußeren Einflüssen und Belastungen.
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Weiter vorzugsweise ist die Messeinrichtung planparallel zu der Unterseite des Tellerbodens sowie planparallel zur inneren Stirnfläche und zur ringförmigen Erhebung angeordnet. Dadurch kann die Messeinrichtung vollflächig an der Unterseite des Tellerbodens anliegen und festgelegt werden. Zudem wird hierdurch ein ausreichender Abstand zu dem oberen Ende der Zapfenwelle geschaffen, so dass vorzugsweise eine Abstandsmessung zwischen der Messeinrichtung an der Unterseite des Tellerbodens und der ringförmigen Erhebung erfolgen kann. Die Planparallelität zwischen der Messeinrichtung, der Unterseite des tellerförmigen Aufnahmeflanschs und dem oberen Ende der Zapfenwelle verbessert die Messgenauigkeit erheblich. Gleichzeitig wird dadurch die Umsetzung einer differentiellen Messung unterstützt. Durch die planparallele Anordnung wird zudem gewährleistet, dass in erster Linie die eingangs beschriebenen, radial zur Mittelache wirkenden Reaktionskräfte ermittelt werden.
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Bevorzugterweise ist die Messeinrichtung insbesondere dazu ausgebildet, Abstandsänderungen in Bezug auf die ringförmige Erhebung zu messen. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Abstandssensoren der Messeinrichtung gegenüberliegend zu der ringförmigen Erhebung angeordnet sind, wobei die Abstandssensoren parallel zu der ringförmigen Erhebung angeordnet sind. Dabei wird bevorzugt, dass die radiale Erstreckung der einzelnen Abstandssensoren, einer radialen Erstreckung der ringförmigen Erhebung entspricht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Sensorflächen der Messeinrichtung zu der Gegenfläche der ringförmigen Erhebung korrespondieren. Erfindungsgemäß weist die Messeinrichtung dabei eine Signalverarbeitungselektronik auf, wobei die Signalverarbeitungselektronik der Messeinrichtung zentriert zur Mittelachse der Zapfenwelle angeordnet ist, und wobei die Signalverarbeitungselektronik von den einzelnen Abstandssensoren radial zur Mittelachse umgeben wird. Dies ist aus bauraumtechnischen Gründen vorteilhaft und schützt die Elektronik zusätzlich. Die Signal- bzw. Kabelführung und Anbindung der Elektronik wird dadurch ebenfalls stark vereinfacht. Neben einer Datenübertragung und Verarbeitung, kann die Signalverarbeitungselektronik ferner dazu genutzt werden, Messgrößen zu digitalisieren und die entsprechende Signalübertragung zu koordinieren. Die Signale können zur Weiterverarbeitung bzw. Auswertung in ein entsprechendes CAN-Netzwerk zugeführt werden und entsprechende Parameter für Steuerungs- und Regelkreise bilden.
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Bevorzugterweise ist wenigstens ein Abstandssensor radial zur Mittelachse und in Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtet, wobei wenigstens ein weiterer Abstandssensor radial zur Mittelachse und in Fahrzeugquerrichtung ausgerichtet ist. Weiter vorzugsweise sind wenigstens zwei Abstandssensoren radial zur Mittelachse und in Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtet, wobei wenigstens zwei weitere Abstandssensoren radial zur Mittelachse und in Fahrzeugquerrichtung ausgerichtet sind. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die in Fahrzeuglängsrichtung ausgerichteten Abstandssensoren, radial zur Mittelachse und in Fahrzeuglängsrichtung entgegengesetzt verlaufen, wohingegen die in Fahrzeugquerrichtung ausgerichteten Abstandssensoren, radial zur Mittelachse und in Fahrzeugquerrichtung entgegengesetzt verlaufen. Diese spezielle Anordnung der Messeinrichtung und der Abstandsensoren hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, weil dadurch in erster Linie die gewünschten Radialkräfte ermittelt werden können. Dabei werden über die Messeinrichtung vorzugsweise Radialkräfte, die in Fahrzeuglängsrichtung (longitudinale Kraftkomponenten) und in Fahrzeugquerrichtung (laterale Kraftkomponenten) wirken ermittelt. Mit lateral bzw. longitudinal sind im Kontext der Erfindung vor allem alle längsdynamisch und querdynamisch wirkenden Reaktionskräfte gemeint. Diese Reaktionskräfte wirken in Bezug auf die Mittelachse der Zapfenwelle radial und resultieren im Bereich der Sattelkupplung bzw. im Bereich des Königszapfens aufgrund der relativen Beschleunigungen und/oder Verzögerung und/oder Richtungsänderungen zwischen der Zugmaschine und dem Trailer. Gerade zur Steuerung eines Unterstützungsantriebs des Trailers, kann es erhebliche Vorteile bringen, wenn ausschließlich längs- und querdynamische Radialkräfte gemessen werden und axiale bzw. vertikale Kraftkomponenten sowie alle weiteren Kraftkomponenten weitestgehend bereits bei der Messung eliminiert, oder im Nachhinein für die Steuerung und Regelung des Unterstützungsantriebs ausgeblendet bzw. verrechnet werden können.
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Ferner gewährleistet die spezielle Anordnung der Abstandssensoren die Umsetzung eines differentiellen Messverfahrens. Dadurch können bei der Messung beispielsweise jeweils zwei vorstehend beschriebene, entgegengesetzte Abstandssensoren, differentiell ausgewertet werden. Hierdurch werden insbesondere mechanische Gleichtaktstörungen oder temperaturbedingte Abweichungen, die bei der Messung der Abstandsänderungen entstehen, kompensiert. Der zur weiteren Auswertung und Verarbeitung zu übertragende Wert (Ausgangssignal) kann dabei der Differenz dieser beiden Potentiale entsprechen. Der große Vorteil der differentiellen Messung besteht in ihrer deutlich reduzierten Anfälligkeit gegenüber Störgrößen. Dadurch wird die Störungsempfindlichkeit der Messeinrichtung signifikant verbessert. Jedes einzelne Signal der differentiellen Übertragung ist gleichermaßen gegenüber Störgrößen anfällig und kann, der Störung entsprechend, einen „verfälschten“ Wert annehmen. Die Differenz der beiden gestörten Signale entspricht dem zu übermittelnden Signal und wird dabei selbst nicht beeinflusst, da beide Signale in genau demselben Maß verfälscht werden. Diese Art der differentiellen Messung bietet sich insbesondere für die Applikation der Erfindung bei Trailern mit Hilfsantrieben an.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung vor, dass die Messeinrichtung als eine kapazitive Sensoreinheit ausgebildet ist, wobei die einzelnen Abstandssensoren der kapazitiven Sensoreinheit durch kapazitive Sensorflächen gebildet werden. Kapazitive Sensoren sind konzipiert für berührungslose Wegmessungen, Abstandsmessungen und Positionsmessaufgaben, werden aber auch zur Dickenmessung unterschiedlicher Werkstoffe eingesetzt. Der kapazitive Abstandssensor und die (bewegliche) Gegenfläche bilden einen elektrischen Kondensator, deren Abstand die Kapazität bestimmt. Die Gegenfläche bzw. Gegenflächen können bevorzugterweise durch das obere Ende der Zapfenwelle und/oder die Unterseite des Tellerbodens gebildet werden. Dank der hohen Signalstabilität und Auflösung werden kapazitive Sensoren für Messaufgaben in Labor und Industrie eingesetzt. Dabei liefern kapazitive Abstandssensoren vorteilhafterweise eine sehr zuverlässige und exakte Positionserfassung von Objekten nahezu aller Materialien unabhängig von Glanz, Reflexionsgrad, Farbe und Oberflächenbeschaffenheit. Zudem zeichnen sich kapazitive Sensoren durch eine lange Lebensdauer aus und können komplett berührungslose Messprinzipien umsetzen.
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Die Kreuzform des Sensors erweist sich im Kontext der Kraftmessung an der Sattelkupplung als besonders vorteilhaft, weil die Kreuzform mit ihren „Kreuzspitzen“ am tellerförmigen Aufnahmeflansch in Richtung der zu messenden, radialen Kraftkomponenten ausgerichtet werden kann. Vorzugsweise kann die kapazitive Sensoreinheit symmetrisch ausgebildet sein, so dass die Kreuzform beispielsweise durch vier identische Ausnehmungen erzeugt werden kann. Das vereinfacht die Fertigung und senkt die Produktionskosten der Messeinrichtung. Gleichzeitig wird dadurch eine radiale Messrichtung bzw. Ausrichtung der kapazitiven Sensorflächen bzw. der Abstandssensoren gewährleistet. Die vier kapazitiven Flächen bilden vorzugsweise die vorstehend erwähnten „Kreuzspitzen“. Durch das Vorsehen von vier kapazitiven Flächen können insgesamt ausreichend viele Messungen zur vollständigen Bestimmung der radialen Reaktionskräfte in Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquerrichtung durchgeführt werden. Dabei ist besonders bevorzugt, dass wenigstens vier kapazitive Sensorflächen vorgesehen sind, die radial zur Mittelachse verlaufen und eine Kreuzform bilden. Hierdurch wird insgesamt eine präzise und gleichmäßige Messung der Reaktionskräfte an der Sattelkupplung unterstützt. Zusätzlich kann die Kreuzform herangezogen werden, um zwischen zwei Sensorflächen weitere Kraftkomponenten bestimmen zu können.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Sattelkupplung mit einem Königszapfen wie er vor- und nachstehend beschrieben ist, wobei die Sattelkupplung eine Sattelplatte umfasst, und wobei die Sattelplatte und die Sattelkupplung zur Aufnahme eines Königszapfens an einer Sattelzugmaschine eines Nutzfahrzeuges angeordnet sind.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Nutzfahrzeug mit einer Sattelkupplung und einem Königszapfen wie sie vor- und nachstehend beschrieben sind.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, können zwischen den wenigstens vier Abstandssensoren, weitere Sensoren zur weiteren Segmentierung und Verfeinerung der Messeinrichtung angeordnet werden. Dies kann vor allen dann nützlich und vorteilhaft sein, wenn je nach Bedarf feinere Messungen durchgeführt werden müssen oder weitere, zwischen den Kreuzspitzen liegende Kraftkomponenten, direkt gemessen werden sollen.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsvariante, kann beispielsweise anstelle einer ringförmigen Erhebung, in dem Hohlraum eine Zwischenscheibe zur Aufnahme der Messeinrichtung platziert sein, die den Abstand zwischen der Unterseite des Tellerbodens und dem oberen Ende der Zapfenwelle verkürzt. Nach diese alternativen Ausführungsvariante, können dabei das obere Ende der Zapfenwelle und die Unterseite des Tellerbodens vorteilhafterweise plan ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsvariante, kann die Messeinrichtung unmittelbar am oberen Ende der Zapfenwelle angeordnet sein. Dabei ist bevorzugt, dass die gesamte Stirnseite des oberen Endes der Zapfenwelle zur Aufnahme der Messeinrichtung plan ausgebildet ist. Dementsprechend kann in umgekehrter Betrachtungsweise die Unterseite des Tellerbodens mit einer ringförmigen Erhebung versehen sein, die sich in Richtung oberes Ende der Zapfenwelle erstreckt. Dies vereinfacht unter anderen die Fertigung und spart Kosten ein.
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Nach einer weiteren alternativen Ausführungsform, kann beispielsweise die Signalverarbeitungselektronik getrennt von der Messeinrichtung bzw. von den Abstandssensoren der Messeinrichtung ausgebildet sein, so dass die Signalverarbeitungselektronik nicht in dem Hohlraum, sondern in einem Außenbereich angeordnet sein kann.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltungsvariante, können anstelle von berührungslosen kapazitiven Abstandssensoren, andere Typen von berührungslosen Abstandssensoren, wie beispielsweise Magnetband-Sensoren, für die Abstandsmessung eingesetzt werden. Auch weitere Sensortypen und Ausgestaltungen sind denkbar, sofern die Bestimmung der gewünschten fahrdynamischen Lasten gewährt ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
- 1. eine schematische Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Königszapfens für die Kopplung eines Trailers an eine Sattelkupplung einer Zugmaschine;
- 2 eine Teildraufsicht eines erfindungsgemäßen Königszapfens und eine schematische Darstellung der Messeinrichtung;
- 3a eine Untersicht eines erfindungsgemäßen Königszapfens;
- 3b eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Königszapfens.
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In 1 wird ein allgemein mit 10 bezeichneter Königszapfen für eine Sattelkupplung eines Nutzfahrzeuges beleuchtet. Der Königszapfen 10 umfasst eine Zapfenwelle 3, die sich entlang einer Mittelachse M des Königszapfens 10 erstreckt. Die Zapfenwelle 3 ist an ihrem unteren Ende mit einem Zapfenkopf 2 versehen. Das untere Ende der Zapfenwelle 3 bzw. der Zapfenkopf 2 wird beim Koppelvorgang senkrecht zu einer Fahrbahn (nicht dargestellt) ausgerichtet und in die Sattelkupplung (nicht gezeigt) der Zugmaschine eingesetzt und fixiert.
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Am gegenüberliegenden oberen Ende der Zapfenwelle 3, die einem Fahrgestell bzw. einer Unterseite eines Fahrgestells eines Trailers zugewandt ist, sind ein Befestigungsflansch 4 und ein tellerförmiger Aufnahmeflansch 5 zum Fixieren des Königszapfens 10 angeordnet. Dabei ist der tellerförmige Aufnahmeflansch 5 für gewöhnlich stoffschlüssig an dem Fahrgestell des Trailers vormontiert und kann den Befestigungsflansch 4 der Zapfenwelle 3 Aufnehmen und Fixieren. Der tellerförmige Aufnahmeflansch 5 ist dafür auf das obere Ende der Zapfenwelle 3 aufgesetzt und an dem Befestigungsflansch 4 fixiert. Zur Befestigung der Zapfenwelle 3 mit dem tellerförmigen Aufnahmeflansch 5, sind im Bereich des Befestigungsflansches 4 Fixiermittel angeordnet. Die Fixiermittel sind als Gewindeschrauben 7 ausgebildet und in Umfangsrichtung um die Zapfenwelle 3 herum in gleichbleibenden Abständen angeordnet.
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Durch Hinzunahme von 2 wird ersichtlich, dass an einer Oberseite des tellerförmigen Aufnahmeflanschs 5 eine Messeinrichtung zum Erfassen von fahrdynamischen Reaktionskräften vorgesehen ist, wobei die Messeinrichtung als eine kapazitive Sensoreinheit 20 ausgebildet ist.
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Dabei ist die kapazitive Sensoreinheit 20 scheibenförmig ausgebildet und weist eine Kreuzform auf. Die kapazitive Sensoreinheit 20 ist unmittelbar am tellerförmigen Aufnahmeflansch 5 angeordnet. Der tellerförmige Aufnahmeflansch 5 weist an seiner Oberseite normalerweise keine Öffnung auf. Zur Veranschaulichung der kapazitiven Sensoreinheit 20 ist in Draufsicht ein Ausschnitt dargestellt.
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Die kapazitive Sensoreinheit 20 weist weiter vier Abstandssensoren auf, die sich radial zur Mittelachse M der Zapfenwelle 3 erstrecken. Die Abstandssensoren sind als kapazitive Sensorflächen S1, S2, S3, S4 ausgebildet. Die Sensorflächen S1, S3 erstrecken sich radial zur Mittelachse M und gleichzeitig in Fahrzeuglängsrichtung FL. Dabei erstrecken sich die Sensorflächen S1, S3 entlang der Fahrzeuglängsrichtung FL in entgegengesetzte Richtungen. Die Sensorflächen S2, S4 erstrecken sich radial zur Mittelachse M und gleichzeitig in Fahrzeugquerrichtung FQ. Dabei erstrecken sich die Sensorflächen S2, S4 entlang der Fahrzeugquerrichtung FQ in entgegengesetzte Richtungen.
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Weiter weist die kapazitive Sensoreinheit 20 eine Signalverarbeitungselektronik 22 auf. Die Signalverarbeitungselektronik 22 der kapazitiven Sensoreinheit 20 ist zentriert zur Mittelachse M der Zapfenwelle 3 angeordnet. Dabei wird die Signalverarbeitungselektronik 22 von den einzelnen kapazitiven Sensorflächen S1, S2, S3, S4 radial zur Mittelachse M umgeben.
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In Zusammenschau mit 3a und 3b erkennt man, dass der tellerförmige Aufnahmeflansch 5 und der Befestigungsflansch 4 derart aneinander geflanscht und lösbar miteinander fixiert sind, dass der Aufnahmeflansch 5 auf Höhe der Gewindeschrauben 7 vollflächig in Umfangsrichtung an dem Befestigungsflansch 4 anliegt, so dass ein Hohlraum 15 von der angeflanschten Fläche umrandet wird.
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Man erkennt ferner, dass die kapazitive Sensoreinheit 20 in dem Hohlraum 15 angeordnet ist. Der Hohlraum 15 wird im fixierten Zustand zwischen dem tellerförmigen Aufnahmeflansch 5 und dem oberen Ende der Zapfenwelle 3 gebildet. Dabei ist der Hohlraum 15 scheibenförmig und insbesondere tellerförmig ausgebildet.
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Der tellerförmige Aufnahmeflansch 5 weist einen Tellerboden 8 auf, wobei der Tellerboden 8 eine dem Hohlraum 15 zugewandte Unterseite zur Aufnahme der kapazitiven Sensoreinheit 20 aufweist. Der Tellerboden 8 ist parallel zum oberen Ende der Zapfenwelle 3 angeordnet und die Unterseite des Tellerbodens 8 ist plan ausgebildet. Die kapazitive Sensoreinheit 20 ist insbesondere unmittelbar an der Unterseite des Tellerbodens 8 angeordnet. Die kapazitive Sensoreinheit 20 liegt dabei vollflächig an der Unterseite des Tellerbodens 8 auf und ist festgelegt. Die kapazitive Sensoreinheit 20 ist weiter planparallel zu der Unterseite des Tellerbodens 8 und planparallel zum oberen Ende der Zapfenwelle 3 angeordnet.
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Der Tellerboden 8 des Aufnahmeflanschs 5 weist zudem eine von dem Hohlraum 15 abgewandte, plane Oberseite zum Fixieren des Aufnahmeflansches 5 auf. Die Oberseite Tellerbodens 8 wird regelmäßig stoffschlüssig mit dem Fahrgestell des Trailers verbunden (nicht dargestellt). Die Unterseite des Fahrgestells ist dabei parallel zur Fahrbahn angeordnet.
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Das obere Ende der Zapfenwelle 3 weist eine dem Hohlraum 15 zugewandte innere Stirnfläche 6 auf, wobei das obere Ende der Zapfenwelle 3 eine dem Hohlraum 15 zugewandte äußere Stirnfläche 14 aufweist. Beide Stirnflächen 6, 14 sind plan ausgebildet und zur Mittelachse M zentriert angeordnet. Dabei sind die Stirnflächen 6, 14 gleichzeitig parallel zur Unterseite des Tellerbodens 8 angeordnet.
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Das obere Ende der Zapfenwelle 3 weist weiter eine ringförmige Erhebung 9 auf, die sich in Richtung Tellerboden 8 erstreckt, wobei die ringförmige Erhebung 9 zwischen der inneren Stirnfläche 6 und der äußeren Stirnfläche 14 angeordnet ist. Die kapazitive Sensoreinheit 20 ist unmittelbar an der Unterseite des Tellerbodens 8 angeordnet, wobei die kapazitive Sensoreinheit 20 gegenüberliegend zu der inneren Stirnfläche 6 und zu der ringförmigen Erhebung 9 positioniert ist. Die Messeinrichtung bzw. die kapazitive Sensoreinheit 20, die Unterseite des Tellerbodens 8, die innere und äußere Stirnfläche 6, 14 und die ringförmige Erhebung 9 sind allesamt jeweils zu der Mittelachse M zentriert angeordnet.
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Die ringförmige Erhebung 9 stellt vorteilhafterweise eine der kapazitiven Sensoreinheit 20 bzw. den kapazitiven Sensorflächen S1, S2, S3, S4 gegenüberliegende Ringfläche als Messgegenfläche bereit. Die ringförmige Erhebung 9 ist dabei an ihrer der Unterseite des Tellerbodens 8 zugewandten Ringfläche plan ausgebildet.
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Die kapazitive Sensoreinheit 20 ist dazu ausgebildet, Abstandsänderungen in Bezug auf das obere Ende der Zapfenwelle 3 zu messen, um aus den gemessenen Daten, radial zur Mittelachse M wirkende Reaktionskräfte ermitteln zu können. Die kapazitive Sensoreinheit 20 ist insbesondere dazu ausgebildet, Abstandsänderungen in Bezug auf die ringförmige Erhebung 9 zu messen. Wie man insbesondere anhand von 3 erkennt, entspricht die radiale Erstreckung der einzelnen kapazitiven Sensorflächen S1, S2, S3, S4 einer radialen Erstreckung der ringförmigen Erhebung 9.
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Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. So können beispielsweise mehrere oder weniger Sensorpositionen an der kapazitiven Sensoreinheit vorgesehen sein.
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Der erfindungsgemäße Königszapfen kann allgemein zur Messung von Reaktionskräften an einem Koppelelement zwischen zwei Fahrzeugen eingesetzt werden. Primär bezieht sich die Erfindung auf die Messung von Reaktionskräften die auf eine Sattelkupplung bzw. auf den Königszapfen eines Trailers wirken. Dabei dient die Messung zur Steuerung und Regelung eines Unterstützungsantriebs des Trailers. Die Erfindung kann weiter zur Regelung von andersartigen Antrieben im Trailer, wie zum Beispiel zur Regelung von hydraulischen Antriebsachsen zweckdienlich sein. Alternativ bietet es sich an, die Messeinrichtung an gesonderten Stellen zur Messung von Fahrwiderstandskräften einzusetzen.
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Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Ausgestaltungsformen und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- M
- Mittelachse Königszapfen
- FL
- Fahrzeuglängsrichtung
- FQ
- Fahrzeugquerrichtung
- A-A
- Querschnittsebene
- S1
- Kapazitive Sensorfläche
- S2
- Kapazitive Sensorfläche
- S3
- Kapazitive Sensorfläche
- S4
- Kapazitive Sensorfläche
- 2
- Zapfenkopf
- 3
- Zapfenwelle
- 4
- Befestigungsflansch
- 5
- Aufnahmeflansch
- 6
- innere Stirnfläche
- 7
- Schrauben
- 8
- Tellerboden
- 9
- ringförmige Erhebung
- 10
- Königszapfen
- 14
- äußere Stirnfläche
- 15
- Hohlraum
- 20
- Kapazitive Sensoreinheit
- 22
- Signalverarbeitungselektronik
