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Die
Erfindung betrifft ein Kugelgelenk für ein Fahrzeug, mit
einer einen Hohlraum umfassenden und ein erstes Kupplungsteil bildenden
Kugelaufnahme und einer in dem Hohlraum beweglich gelagerten und
ein zweites Kupplungsteil bildenden Gelenkkugel.
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Ein
solches Kugelgelenk wird z. B. in einer Anhängerkupplung
zum Kuppeln eines Anhängers mit einem Zugfahrzeug eingesetzt.
Um den Anhänger zu stabilisieren oder dem Fahrer des Zugfahrzeugs
beim Lenken des Anhängers zu assistieren, wird unter anderem
der aktuelle Knickwinkel zwischen der Zugfahrzeuglängsachse
und der Anhängerlängsachse verwendet. Da die Schnittstelle
zwischen Anhänger und Zugfahrzeug die Anhängerkupplung,
insbesondere deren Kugelkopf, ist, kann als Knickwinkel derjenige
Winkel angegeben werden, um den die Kugelpfanne der Anhängerkupplung
relativ zu dem Kugelkopf um dessen Hochachse verdreht ist. Es gibt
mehrere Möglichkeiten zur Winkelmessung, allerdings sind
diese in der Regel mit Änderungen am Serienfahrzeug verbunden
und funktionieren nicht unabhängig vom Zugfahrzeug oder
unabhängig vom Anhänger. Daher sind die bekannten
Möglichkeiten ungünstig für den universellen
Einsatz, sodass der Bedarf an einer weniger aufwändigen
Möglichkeit zur Bestimmung des Knickwinkels besteht.
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Aus
der
DE 199 13 342
C2 ist eine Einrichtung zum Dämpfen von Schlingerbewegungen
für mindestens ein von einem Zugfahrzeug gezogenes Anhängersegment
bekannt, wobei die Winkelgeschwindigkeit des Anhängers
um einen Momentanpol in Gierrichtung erfasst wird. Dabei wird als
die Relativbewegungen um den Momentanpol erfassender Sensor ein
Winkelsensor genutzt, der an oder in der Nähe der Anhängerkupplung
am Anhänger angebracht ist. Insbesondere ist der Sensor
zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit des Zugfahrzeugs um die Hochachse
in oder auf einem Gehäuse eines Steckers, der die Energieversorgung
oder Informationsübertragung zwischen Zugfahrzeug und Anhänger herstellt,
oder am Zugfahrzeug selbst befestigt ist. Ferner wird die Möglichkeit
beschrieben, die seitliche Auslenkung des Anhängers optisch
zu nutzen und diese Information zu differenzieren oder seitliche
Beschleunigungen zu integrieren. Ein Einbau des Winkelsensors in
ein Kugelgelenk ist nicht beschrieben.
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Die
DE 10 2004 025 252
A1 offenbart eine Anordnung zur Bestimmung eines Gespannwinkels eines
Gliederzugs, der aus einem Zugfahrzeug und einem Anhänger
besteht, der mittels einer Anhängerkupplung mit dem Zugfahrzeug
gekuppelt ist. Die Anordnung weist einen optischen Sender, drei
Reflektoren, sowie eine optische Sensoreinrichtung auf. Der optische
Sender und die optische Sensoreinrichtung sind an einer Frontfläche
des Zugfahrzeugs angeordnet, wohingegen die Reflektoren an einer
Frontfläche des Anhängers angeordnet sind. Der
als Infrarotsender ausgebildete Sender sendet großflächig
Infrarotsignale zu den verschiedenen Reflektoren, von denen die
Lichtstrahlen unter einem bestimmten Winkel zurück reflektiert
und von der als CCD-Messzeile ausgebildeten optischen Sensoreinrichtung
aufgenommen werden. Das so zurückreflektierte Bild besteht
aus drei Bildpunkten entsprechend der Anzahl der drei Reflektoren.
Aus der Abweichung der einzelnen Bildpunkte von einer Nullposition
kann der Gespannwinkel berechnet werden.
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Für
diese Anordnung müssen Bauelemente sowohl am Anhänger
als auch am Zugfahrzeug befestigt und ausgerichtet werden, sodass
der Montage- und Justageaufwand vergleichsweise hoch ist.
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Aus
der
DE 10 2005
027 826 B3 ist ein Kugelgelenk mit einer Winkelsensoreinrichtung
bekannt, die einen im Bereich der Oberfläche der Gelenkkugel
angeordneten Feldgeber und eine am Gelenkgehäuse angeordnete
Feldsensoreinrichtung aufweist. Der Feldgeber ist insbesondere als
Magnet ausgebildet, wobei die Feldsensoreinrichtung als CMOS-Hallsensoranordnung
ausgebildet ist.
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Zur
Winkelmessung werden Bauelemente sowohl an der Gelenkkugel als auch
am Gehäuse befestigt, sodass auch hier ein nicht unerheblicher
Montage- und Justageaufwand erforderlich ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Kugelgelenk der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, dass eine Erfassung einer Lageänderung
oder Bewegung der beiden Kupplungsteile relativ zueinander mit möglichst
wenig Montageaufwand möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Kugelgelenk
nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
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Das
erfindungsgemäße Kugelgelenk für ein Fahrzeug,
insbesondere Kraftfahrzeug, weist eine einen Hohlraum umfassende
und ein erstes Kupplungsteil bildende Kugelaufnahme, eine in dem
Hohlraum beweglich gelagerte und ein zweites Kupplungsteil bildende
Gelenkkugel, eine an oder ortsfest zu einem der Kupplungsteile befestigte
optische Bilderfassungseinrichtung, mittels welcher Bilder einer Oberfläche
des anderen Kupplungsteils aufgenommen werden oder werden können,
und eine Bildverarbeitungseinrichtung auf, mittels welcher durch
Verarbeitung der Bilder wenigstens eine Lageänderung oder
Bewegung der beiden Kupplungsteile relativ zueinander erfasst wird
oder werden kann.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Kugelgelenk ist es möglich,
eine Lageänderung oder Bewegung der Kugelaufnahme relativ
zu der Gelenkkugel zu erfassen, ohne dafür an einem der
Kupplungsteile zusätzlich einen Feldgeber oder Reflektor
montieren und justieren zu müssen, da insbesondere die
Oberfläche des anderen Kupplungsteils selbst als Reflektor dient.
Die Erfassung der Lageänderung oder Bewegung ist dann durch
Verarbeitung der aufgenommenen Bilder mittels der Bildverarbeitungseinrichtung möglich.
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Geeignete
Bilderfassungs- und Bildverarbeitungseinrichtungen sind als Massenprodukte
kostengünstig auf dem Markt verfügbar und werden
herkömmlich z. B. in einem als „optische Maus” bezeichneten
Zeigegerät für digitale Datenverarbeitungsgeräte
eingesetzt. Ein unter dem Begriff Maussensor-Chip bekanntes Bauelement
vereint z. B. die Funktionen von Bilderfassung und Bildverarbeitung.
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Die
Bilderfassungseinrichtung und die Bildverarbeitungseinrichtung sind
bevorzugt in einem Bauelement zusammengefasst oder integriert. Das Bauelement
kann somit auch als Sensorbauelement oder als intelligentes Sensorbauelement
bezeichnet werden. Gemäß einer zweckmäßigen
Ausgestaltung ist das Bauelement oder wenigstens die Bilderfassungseinrichtung
von einem Maussensor-Chip gebildet.
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Die
Bilderfassungseinrichtung weist bevorzugt einen Bildsensor oder
elektronische Kamera auf, die z. B. einen Bildpixel-Chip umfasst.
Solche Bildsensoren oder Bildpixel-Chips sind z. B. als ladungsgekoppelte
Bauelemente (CCD) oder als CMOS verfügbar. Insbesondere
die CMOS-Technologie ermöglicht eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung
von stromsparenden Bildsensoren.
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Gemäß einer
Weiterbildung kann die Bildverarbeitungseinrichtung wenigstens einen
Weg ermitteln, um welchen die beiden Kupplungsteile aufgrund der
Lageänderung oder Bewegung relativ zueinander bewegt worden
sind. Ergänzend oder alternativ kann die Bildverarbeitungseinrichtung
wenigstens einen Winkel ermitteln, um welchen die beiden Kupplungsteile
aufgrund der Lageänderung oder Bewegung relativ zueinander
verdreht sind. Ferner kann die Bildverarbeitungseinrichtung ergänzend
oder alternativ wenigstens eine Geschwindigkeit ermitteln, mit welcher
die Lageänderung oder Bewegung der beiden Kupplungsteile
relativ zueinander erfolgt.
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Die
Bilderfassungseinrichtung umfasst insbesondere einen Digitalrechner,
mit dem die Bildverarbeitung durchgeführt wird oder werden
kann. Bevorzugt ist der Digitalrechner ein digitaler Signalprozessor.
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Die
Bilder werden mittels der Bilderfassungseinrichtung insbesondere
aufeinanderfolgend aufgenommen. Zur Erzielung einer hohen Genauigkeit
bei der Bestimmung der Lageänderung oder Bewegung ist die
Frequenz, mit der die Bilder aufeinanderfolgend aufgenommen werden,
vorzugsweise deutlich höher als die Winkelgeschwindigkeit,
mit der sich die Gelenkkugel relativ zu der Kugelaufnahme bewegt. Dies
ist mit moderner Elektronik kostengünstig realisierbar,
sodass z. B. 1000 oder mehr Bilder pro Sekunde aufgenommen werden
können.
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Die
Auswertung der Bilder erfolgt bevorzugt auf Basis von Änderungen
in den Bildern, wobei sich die Änderungen insbesondere
aus örtlichen Unterschieden in der Beschaffenheit der Oberfläche
ergeben. Diese Unterschiede beeinflussen das Reflexionsverhalten
der Oberfläche und somit die von der Bilderfassungseinrichtung
aufgenommenen Bilder. Gemäß einer Ausgestaltung
wird zunächst die Geschwindigkeit der beiden Kupplungsteile
relativ zueinander bestimmt, wonach aus den ermittelten Geschwindigkeitswerten
der wenigstens eine Weg und/oder der wenigstens eine Winkel berechnet
wird, um welchen die beiden Kupplungsteile aufgrund der Lageänderung
oder Bewegung relativ zueinander bewegt oder verdreht worden sind.
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Die
Bilderfassungseinrichtung ist vorzugsweise an oder ortsfest zu dem
ersten Kupplungsteil befestigt. Somit werden mittels der Bilderfassungseinrichtung
Bilder der Oberfläche der Gelenkkugel aufgenommen. Es ist
aber auch eine umgekehrte Anordnung möglich, sodass die
Bilderfassungseinrichtung an oder ortsfest zu dem zweiten Kupplungsteil befestigt
ist.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist eine Lichtquelle vorgesehen, mittels welcher die
Oberfläche des anderen Kupplungsteils beleuchtet wird oder werden
kann. Die vorzugsweise wenigstens eine Leuchtdiode oder Laserdiode
umfassende Lichtquelle dient insbesondere dazu, die Oberfläche
für die Aufnahme der Bilder ausreichend zu beleuchten.
Die Lichtquelle ist bevorzugt an oder ortsfest zu dem einen Kupplungsteil
befestigt, welches insbesondere das erste Kupplungsteil ist. Durch
den Einsatz der Lichtquelle ist es möglich, auch bei dunkler
Umgebung Bilder der Oberfläche aufnehmen zu können.
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Die
Gelenkkugel ist bevorzugt drehbar in der Kugelaufnahme gelagert.
Ferner ist die Gelenkkugel bevorzugt gleitbeweglich in der Kugelaufnahme
gelagert. Die Kugelaufnahme ist z. B. ein Kugelgelenkgehäuse
oder eine Kugelpfanne. Ferner ist die Gelenkkugel z. B. Teil eines
Kugelzapfens oder eines anderen Bauteils, der bzw. das sich insbesondere
aus der Kugelaufnahme heraus erstreckt und vorzugsweise gegenüber
dieser drehbar und/oder schwenkbar ist. Das Bauteil ist z. B. eine
Halterung mit Kugelkopf, der von der Gelenkkugel gebildet ist.
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Das
erfindungsgemäße Kugelgelenk ist z. B. in einer
Radaufhängung eines Fahrzeugs eingebaut. Bevorzugt ist
das erfindungsgemäße Kugelgelenk aber Teil einer
Anhängerkupplung, mittels der ein Zugfahrzeug mit einem
Anhänger gekuppelt ist oder werden kann. Gemäß einer
Ausgestaltung ist die Kugelaufnahme von einer Kugelpfanne einer
Deichsel eines Anhängers gebildet, wobei die Gelenkkugel von
einem Kugelkopf einer an einem Zugfahrzeug befestigten Halterung
gebildet ist.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung wird somit ein berührungsloser
Bildsensor (optisches Sensorbauelement) auf Reflektions- und Bildverarbeitungsbasis
benutzt, wobei der Sensor nur an der Kugelpfanne oder dem Kugelkopf
befestigt ist. Die Erfindung kann auf einfache Art durch die Verwendung
eines CMOS-Bildpixelchips (Kamera) als Sensor und einer Lichtquelle
(LED oder Laserdiode) verwirklicht werden. Das von der Lichtquelle
ausgestrahlte Licht beleuchtet die Gegenfläche, von welcher
der Bildsensor Bilder aufnimmt. Da während der Relativbewegung
von Kugelkopf und Kugelpfanne sich das Bild ständig ändert,
können diese Änderungen sensiert und auf den wenigstens
einen Weg bzw. auf den wenigstens einen Winkel umgerechnet werden.
Ein gängiges Anwendungsbeispiel für einen solchen
Bildsensor sind optische Computermäuse. Diese funktionieren
unabhängig von der Unterlage und sensieren die Mausbewegungen
in ihrer Richtung und/oder Geschwindigkeit. Schwierigkeiten ergeben sich
nur dann, wenn die Oberfläche der Unterlage so glatt wie
ein Spiegel ist. Derart glatte Oberflächen kommen bei einem
erfindungsgemäßen Kugelgelenk für ein
Fahrzeug, insbesondere im Rahmen einer Anhängerkupplung,
in der Praxis aber nicht vor.
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Durch
die Erfindung ist es möglich, einen Anhänger unabhängig
vom Zugfahrzeug oder ein Zugfahrzeug unabhängig vom Anhänger
mit der Bilderfassungseinrichtung und der Bildverarbeitungseinrichtung
auszustatten, wobei keine zusätzlichen Maßnahmen
an der jeweiligen Gegenseite zu treffen sind. Da die Bilderfassungseinrichtung
und die Bildverarbeitungseinrichtung, insbesondere in einem Sensorbauelement
zusammengefasst, in Millionen-Stückzahlen in der Produktion
und in der Anwendung sind, sind diese Einrichtungen bzw. das Sensorbauelement
sehr kostengünstig beschaffbar. Ferner ermöglichen
die kompakten Abmessungen und die abgekapselte, robuste Bauweise
der Einrichtungen bzw. des Sensorbauelements eine ideale Knickwinkelmessung.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Anhängerkupplung für
ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen
Kugelgelenk, welches gemäß allen in diesem Zusammenhang
beschriebenen Ausgestaltungen weitergebildet sein kann.
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Ferner
betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks
zur Kupplung eines Anhängers mit einem Zugfahrzeug. Bevorzugt
wird dabei mittels der Bildverarbeitungseinrichtung oder einer dieser
nachgeschalteten Auswerteeinrichtung wenigstens ein Winkel zwischen
der Anhängerlängsachse und der Zugfahrzeuglängsachse
bestimmt. Dieser Winkel liegt insbesondere in einer zu der Fahrzeughochachse
oder zu der Anhängerhochachse senkrechten Ebene und wird
auch als Knickwinkel bezeichnet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf ein Zugfahrzeug mit angekuppeltem Anhänger,
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2 eine
geschnittene Ansicht der Anhängerkupplung aus 1 und
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3 eine
schematische Prinzipdarstellung zur Bestimmung des Knickwinkels
aus 1.
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Aus 1 ist
eine schematische Draufsicht auf ein als PKW ausgebildetes Zugfahrzeug 1 und
einen Anhänger 2 ersichtlich, der mittels einer
Anhängerkupplung 3 an das Zugfahrzeug 1 angekuppelt
ist. Die Längsachse 4 des Zugfahrzeugs 1 schließt
mit der Längsachse 5 des Anhängers 2 einen
Winkel α ein, der nachfolgend als Knickwinkel bezeichnet
wird. Ferner sind eine an dem Zugfahrzeug 1 befestigte Halterung 6 und
eine an dem Anhänger 2 befestigte Deichsel 7 dargestellt.
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Aus 2 ist
eine Schnittansicht der Anhängerkupplung 3 ersichtlich,
die ein Kugelgelenk gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst, welches eine Kugelpfanne 8 und eine
Gelenkkugel 9 aufweist. Die Kugelpfanne 8 umfasst
einen Hohlraum 25, in den die Gelenkkugel 9 eingreift,
die einen Kugelkopf der Halterung 6 bildet. Ferner ist
die Kugelpfanne 8 Teil der Deichsel 7. Die Gelenkkugel 9 ist drehbar
in der Kugelpfanne 8 gelagert, sodass diese relativ zu
der Gelenkkugel 9 um deren Mittelpunkt 10 schwenken
kann. Die Fahrzeughochrichtung ist durch den Pfeil 26 angedeutet.
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In
der Wandung der Kugelpfanne 8 ist eine Ausnehmung 11 vorgesehen,
in der eine, insbesondere durch eine Leucht- oder Laserdiode gebildete, Lichtquelle 12 und
ein Sensorbauelement 13 angeordnet und an der Kugelpfanne 8 befestigt
sind. Die Lichtquelle 12 emittiert Licht 14, welches
auf die Oberfläche 15 der Gelenkkugel 9 auftrifft,
dort reflektiert wird und danach auf das Sensorbauelement 13 auftrifft.
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Aus 3 ist
eine schematische Darstellung zur Bestimmung des Knickwinkels α ersichtlich.
Fährt das Zugfahrzeug 1 in Vorwärtsfahrtrichtung 16 (siehe 1)
um eine Kurve, so dreht sich die Gelenkkugel 9 relativ
zu der Gelenkpfanne 8 um den Winkel α, und zwar
um eine durch den Mittelpunkt 10 und in Fahrzeughochrichtung 26 verlaufende
Gerade 27. Dabei bewegt sich die Oberfläche 15 in
Richtung des Pfeils 17 an der Lichtquelle 12 und
an dem Sensorbauelement 13 vorbei. Dies führt
dazu, dass zu einem Zeitpunkt t1 das von der Lichtquelle 12 emittierte
Licht 14 von einem Ort 21 der Oberfläche 15 auf
das Sensorbauelement 13 reflektiert wird, wohingegen zu
einem späteren Zeitpunkt t2 (t2 > t1) das von der Lichtquelle 12 emittierte
Licht 14 von einem Punkt 22 der Oberfläche 15 auf
das Sensorbauelement 13 reflektiert wird. Solange die Bewegung
der Oberfläche 15 andauert setzt sich dies fort,
sodass zu einem Zeitpunkt t3 (t3 > t2)
das Licht 14 von einem Punkt P3, zu einem Zeitpunkt t4
(t4 > t3) das Licht 14 von
einem Punkt 24, zu einem Zeitpunkt t5 (t5 > t4) das Licht 14 von
einem Punkt 25 etc. reflektiert wird.
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Das
Sensorbauelement 13 weist eine, insbesondere durch einen
CMOS Bildpixel-Chip gebildete, Bilderfassungseinrichtung 18 auf,
mittels der aufeinanderfolgend Bilder von der Oberfläche 15 aufgenommen
werden. Da die Bilder aber von dem an der Oberfläche 15 reflektierten
Teil 19 des Lichts 14 beeinflusst sind, tragen
die Bilder Informationen über die Beschaffenheit der Oberfläche 15 am
Ort der Reflektion. Somit umfasst das zum Zeitpunkt t1 auf das Sensorbauelement 13 auftreffende
Licht 19 Informationen über die Beschaffenheit
der Oberfläche 15 am Ort 21 und das zum
Zeitpunkt t2 auf das Sensorbauelement 13 auftreffende Licht
Informationen über die Beschaffenheit der Oberfläche 15 am
Ort 22 usw. Diese Informationen sind in den Bildern enthalten, welche
die Bilderfassungseinrichtung 18 aufnimmt und in Form von
Bilddaten 20 an eine, insbesondere durch einen digitalen
Signalprozessor gebildete, Bildverarbeitungsseinrichtung 21 weitergibt.
Die Bildverarbeitungsseinrichtung 21 verarbeitet die Bilddaten 20 zu
Bewegungsdaten 22, welche die Bewegung und/oder den zurückgelegten
Weg der Oberfläche 15 relativ zur Bilderfassungseinrichtung 18 charakterisieren.
Die Bewegungsdaten 22 werden dann einer Auswerteeinrichtung 23 zugeführt,
die aus den Bewegungsdaten 22 Winkeldaten 24 bestimmt,
welche den Winkel α charakterisieren. Alternativ ist es
möglich, dass die Bildverarbeitungsvorrichtung 21 direkt die
Winkeldaten 24 berechnet. In diesem Fall kann die nachgeschaltete
Auswerteeinrichtung 23 entfallen oder andere Aufgaben übernehmen.
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- 1
- Zugfahrzeug
- 2
- Anhänger
- 3
- Anhängerkupplung
- 4
- Längsachse
des Zugfahrzeugs
- 5
- Längsachse
des Anhängers
- 6
- Halterung
an Zugfahrzeug
- 7
- Deichsel
des Anhängers
- 8
- Kugelpfanne
- 9
- Gelenkkugel
- 10
- Mittelpunkt
der Gelenkkugel
- 11
- Ausnehmung
in Wandung der Kugelpfanne
- 12
- Lichtquelle
- 13
- Sensorbauelement
- 14
- Licht
- 15
- Oberfläche
der Gelenkkugel
- 16
- Vorwärtsfahrtrichtung
des Zugfahrzeugs
- 17
- Bewegungsrichtung
der Oberfläche der Gelenkkugel
- 18
- Bilderfassungseinrichtung
- 19
- reflektierter
Teil des Lichts
- 20
- Bilddaten
- 21
- Bildverarbeitungsvorrichtung
- 22
- Bewegungsdaten
- 23
- Auswerteeinrichtung
- 24
- Winkeldaten
- 25
- Hohlraum
- 26
- Fahrzeughochrichtung
- 27
- Gerade
- α
- Knickwinkel
- P1,
P2, P3, P4, P5
- Orte
an der Oberfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19913342
C2 [0003]
- - DE 102004025252 A1 [0004]
- - DE 102005027826 B3 [0006]