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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anhängerkupplung für ein Zugfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Zugfahrzeug mit dieser Anhängerkupplung.
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Die
DE 10 2010 033 641 A1 offenbart eine Anhängerkupplung für ein Zugfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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DE 20 2009 011 278 U1 beschreibt eine Kugelkopfkupplung für einen Anhänger, welche derart ausgestaltet ist, dass sich ein dauerhaft konstantes Drehmoment zwischen einer Kugelpfanne der Kugelkopfkupplung und einer Kugel eines Zugfahrzeugs ergibt.
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Die
DE 103 34 000 A1 offenbart eine Anhängerkupplung für ein Zugfahrzeug, wobei ein Winkelsensor eine Relativbewegung eines Kupplungsgegenstücks um eine Hochachse eines Kupplungsschafts der Anhängerkupplung aufnimmt. Dabei ist ein Kupplungskopf der Anhängerkupplung entweder drehbar um die Hochachse gelagert, oder der Kupplungskopf ist fester Bestandteil des Kupplungsschafts und damit des Zugfahrzeugs.
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Die
DE 10 2008 019 713 A1 beschreibt eine Anhängerkupplung für ein Zugfahrzeug. Dabei ist ein Drehwinkelsensor in einer Nut am Außenumfang eines Kugelkopfs der Anhängerkupplung angeordnet.
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Die
WO 2007/ 093 069 A1 offenbart eine Kupplungsvorrichtung zur Messung eines Winkels zwischen einem Anhänger und einem Zugfahrzeug, welche zwei Kupplungskörper umfasst. Dabei ist an einem dieser Kupplungskörper eine Messfläche angeordnet, und am anderen Kupplungskörper befindet sich ein Messmittel zur Messung der Messfläche.
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Die
DE 10 2005 045 195 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Knickwinkels, welche zwei Elemente umfasst. Dabei ist ein als Ring ausgebildeter Codeträger drehfest an dem einen Element angeordnet, welcher von einem an dem anderen Element befestigten Sensor abtastbar ist.
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Der vorab beschriebene Stand der Technik weist zum einen den Nachteil auf, dass zur Erfassung des Knickwinkels teilweise auch ein Element am Kupplungsgegenstück benötigt wird. Zum anderen ist es nach dem beschriebenen Stand der Technik bei einem drehbaren Kugelkopf nicht möglich, einen Fahrradträger anzubringen oder eine dämpfende Kupplung zu realisieren.
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Für die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Anhängerkupplung mit Knickwinkelsensierung bereitzustellen, bei welcher die vorab genannten Probleme nicht auftreten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anhängerkupplung nach Anspruch 1 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Anhängerkupplung für ein Zugfahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst die Anhängerkupplung einen Kupplungskopf (Kugelkopf) zur Ankopplung eines Kupplungsgegenstücks eines Anhängers, einen Ring, insbesondere einen Metallring oder Magnetring, und einen Sensor. Der Kupplungskopf ist drehfest mit dem Zugfahrzeug verbunden oder an diesem befestigt. Der Ring ist drehend bzw. drehbar in einem Umfangsspalt des Kupplungskopfes angeordnet, wobei der Ring, da er insbesondere einen größeren Durchmesser als der Kupplungskopf an der Stelle des Umfangsspalts aufweist, von dem Kupplungskopf hervorragt. Dadurch kommt bei der Ankopplung des Kupplungsgegenstücks an dem Kupplungskopf der Ring derart mit dem Kupplungsgegenstück in Eingriff, dass sich der Ring bezüglich des Kupplungskopfes jeweils um einen Drehwinkel dreht, welcher einer Winkeländerung eines Knickwinkels zwischen dem Anhänger und dem Zugfahrzeug entspricht. Der Sensor ist zum Messen dieses Drehwinkels und damit des Knickwinkels ausgestaltet.
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Da der Kupplungskopf drehfest mit dem Zugfahrzeug verbunden ist, kann beispielsweise ein Fahrzeugträger derart an dem Kupplungskopf angebracht werden, dass der Fahrzeugträger drehfest mit dem Zugfahrzeug verbunden ist. Auch das Anbringen des Kupplungsgegenstücks des Anhängers kann derart realisiert werden, dass eine dämpfende Kopplung realisiert wird, durch welche eine Drehung des Kupplungsgegenstücks um den Kupplungskopf durch eine Reibung zwischen dem Kupplungsgegenstück und dem Kupplungskopf vorteilhafterweise gedämpft wird. Trotzdem wird eine Drehung des Kupplungsgegenstücks um den Kupplungskopf durch eine entsprechende Drehung des Rings erfasst. Dabei sind vorteilhafterweise sowohl der Ring als auch der die Drehung des Rings erfassende Sensor Bestandteile der Anhängerkupplung, so dass beliebige Kupplungsgegenstücke zusammen mit der erfindungsgemäßen Anhängerkupplung eingesetzt werden können, ohne dass das jeweilige Kupplungsgegenstück zur Erfassung des Drehwinkels (Knickwinkels) durch den Sensor eine Besonderheit (z.B. ein magnetisches Element) aufweisen muss.
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Vorteilhafterweise ist die Anhängerkupplung derart ausgestaltet, dass durch die Ankopplung des Kupplungsgegenstücks an dem Kupplungskopf das Kupplungsgegenstück derart mit dem Kupplungskopf in Eingriff kommt, so dass eine Änderung des Knickwinkels nur möglich ist, wenn ein auf die Anhängerkupplung aufgebrachtes Drehmoment größer als ein vorbestimmtes Drehmoment ist, welches durch eine Reibung zwischen dem Kupplungsgegenstück und dem Kupplungskopf bestimmt ist. Anders ausgedrückt kommt das Kupplungsgegenstück derart mit dem Kupplungskopf in Eingriff, dass durch die entstehende Reibung Knickwinkelschwingungen gedämpft werden.
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Beispielsweise indem ein Abstand, um welchen der Ring gegenüber dem Kupplungskopf hervorragt entsprechend klein dimensioniert oder indem der Ring entsprechend nachgiebig konstruiert ist, wird dafür gesorgt, dass das Kupplungsgegenstück nicht nur mit dem Ring sondern auch mit dem Kupplungskopf in Eingriff kommt. Dadurch existiert beispielsweise im Vergleich zum drehbar gelagerten Kupplungskopf der
DE 103 34 000 A1 eine Reibung zwischen dem Kupplungsgegenstück und dem Kupplungskopf. Aufgrund dieser Reibung kann der Knickwinkels nur geändert werden, wenn das entsprechende auf die Anhängerkupplung aufgebrachte Drehmoment groß genug ist, um diese Reibung zu überwinden. Diese Reibung zwischen dem Kupplungsgegenstück und dem Kupplungskopf verbessert die Verbindung zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhänger, da diese Verbindung durch die Reibung stabiler wird. Durch diese stabile Verbindung (d.h. durch die Reibung) werden schlingernde Bewegungen des Anhängers, welche insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten des Zugfahrzeugs mit Anhänger auftreten, gedämpft. Mit anderen Worten sorgt die Reibung vorteilhafterweise für eine Dämpfung im Schwingungssystem, welches von dem Zugfahrzeug und dem Anhänger gebildet wird. Darüber hinaus ist es dadurch vorteilhafterweise möglich, einen Fahrradträger an dem Kupplungskopf zu befestigen, was z.B. bei dem drehbar gelagerten Kugelkopf der
DE 103 34 000 A1 nicht möglich ist.
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Beispielsweise kann der Ring einen Spalt aufweisen, so dass der Ring den Umfang des Kupplungskopfes (insbesondere dort, wo sich der Umfangspalt befindet) nicht vollständig umspannt.
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Durch den Spalt wird vorteilhafterweise dafür gesorgt, dass sich der Durchmesser des offenen Rings bei einer von außen einwirkenden Kraft auf den Ring (was bei einer Ankopplung des Kupplungsgegenstücks der Fall ist) verkleinert, so dass das Kupplungsgegenstück auch mit dem Kupplungskopf (und nicht nur mit dem Ring) in Eingriff kommt.
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Zur Erfassung des Drehwinkels, um welchen sich der Ring gegenüber dem Kupplungskopf dreht, gibt es mehrere Möglichkeiten im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform kann es sich bei dem Ring um einen Magnetring handeln, wobei die Drehung dieses Magnetrings gegenüber dem Kupplungskopf mittels eines Hallsensors erfasst wird. Es ist allerdings gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform auch möglich, dass der Ring (beispielsweise ein Metallring) mit einem Magnetring fest verbunden ist, welcher innerhalb des Umfangsspalts innerhalb des Rings angeordnet ist. Bei beiden Ausführungsformen ist der Hallsensor ortsfest innerhalb des Kupplungskopfes angeordnet und erfasst eine Drehung des Magnetrings. Anstelle eines Hallsensors kann auch ein Magnetfeldsensor eingesetzt werden, welcher auch die Richtung der Drehung des Magnetrings gegenüber dem Kupplungskopf erfasst. Es ist allerdings auch möglich, dass ein optischer Sensor eingesetzt wird, um die Drehung (den Drehwinkel) des Rings gegenüber dem Kupplungskopf zu erfassen.
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Dabei wird unter einem Magnetring ein Ring verstanden, bei welchem entlang der Innenseite des Magnetrings eine bestimmte Anzahl von magnetischen Nordpolen und magnetischen Südpolen jeweils mit demselben Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei folgt jeweils in Innenumfangsrichtung des Magnetrings im selben Abstand ein magnetischer Südpol einem magnetischen Nordpol und im selben Abstand ein magnetischer Nordpol einem magnetischen Südpol, so dass die Anzahl der magnetischen Nordpole der Anzahl der magnetischen Südpole entspricht. Der Hallsensor ist derart innerhalb des Kupplungskopfes an der Innenseite des Magnetrings angeordnet, dass der Hallsensor erfasst, wie viele magnetische Pole an ihm in der jeweiligen Richtung (Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung) vorbei laufen. Aus der Differenz der Anzahl der Pole, welche an dem Hallsensor in Vorwärtsrichtung vorbeilaufen, und der Anzahl der Pole, welche an dem Hallsensor in Rückwärtsrichtung vorbeilaufen, kann der Hallsensor ausgehend von einem Anfangszustand die Änderung des Drehwinkels des Magnetrings um den Kupplungskopf und dadurch die Änderung des Knickwinkels bestimmen.
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Von dem Anfangszustand hängt es ab, ob der Hallsensor bzw. die erfindungsgemäße Anhängerkupplung nur die Änderung des Knickwinkels oder den absoluten Knickwinkel bestimmt. Wenn ein Anhänger mit dem Zugfahrzeug verbunden wird, indem das Kupplungsgegenstück mit dem Kupplungskopf in Eingriff gebracht wird, kennt die erfindungsgemäße Anhängerkupplung in aller Regel den absoluten Knickwinkel nicht. Erfindungsgemäß setzt die Anhängerkupplung den absoluten Knickwinkels beispielsweise auf 0°, wenn das Zugfahrzeug mit dem an gekoppelten Anhänger eine vorbestimmte Strecke lang geradeaus gefahren ist. Ab diesem Zeitpunkt (zu welchem der absolute Knickwinkels auf 0° gesetzt wird) kann die erfindungsgemäße Anhängerkupplung mit Hilfe des Hallsensors den absoluten Knickwinkel bestimmen.
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Aber auch wenn der absolute Knickwinkel noch nicht bestimmt werden konnte (da beispielsweise noch keine Geradeausfahrt über die vorbestimmte Streckenlänge stattgefunden hat) kann die Kenntnis der Knickwinkeländerung ausgehend von dem Anfangszustand vorteilhafterweise zur manuellen oder automatisch unterstützten Steuerung des Zugfahrzeugs mit Anhänger eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei einer Rückwärtsfahrt des Zugfahrzeugs mit Anhänger die Knickwinkeländerung dem Fahrer bekannt gemacht werden, so dass der Fahrer in der Lage ist, sein Lenkverhalten entsprechend zu korrigieren. Bei einer automatisch unterstützten Steuerung kann eine automatische Regelung das Fahrzeug derart lenken, dass der Knickwinkel konstant auf einem bestimmten Wert (z.B. auf dem Wert zu Beginn der Rückwärtsfahrt) gehalten wird.
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Die Anhängerkupplung weist ein Gleitlager in dem Umfangsspalt auf, mit welchem der Ring oder die Kombination aus Ring und Magnetring gelagert ist.
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Durch den Einsatz des Gleitlagers wird eine sichere Mitnahme des Rings oder der Kombination aus Ring und Magnetring gewährleistet.
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Der Umfangsspalt ist vorteilhafterweise am so genannten Äquator des Kupplungskopfes vorhanden. Dabei wird unter dem Äquator derjenige Außenumfangskreis des Kupplungskopfes verstanden, welcher den größten Durchmesser aufweist und in einer Ebene parallel zur Fahrbahn des Fahrzeugs, an welchem die Anhängerkupplung angebracht ist, liegt.
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Die Anordnung des Umfangsspalts oder der Umfangsnut am Äquator des Kupplungskopfes weist den Vorteil auf, dass der Umfangsspalt und damit der Ring bzw. der Magnetring an dieser Stelle den größtmöglichen Umfang besitzt, wodurch eine relativ hohe Anzahl von magnetischen Polen auf der Innenseite des Magnetrings ausgebildet werden kann, was wiederum einen positiven Einfluss auf die Genauigkeit der Drehwinkelsensorik (des Hallsensors) ausübt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Fahrzeug oder ein Zugfahrzeug bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Anhängerkupplung umfasst.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Erfassung des Knickwinkels zwischen einem Kraftfahrzeug und einem Anhänger geeignet. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt, da die vorliegende Erfindung prinzipiell auch bei Schiffen sowie gleisgebundenen oder spurgeführten Fahrzeugen eingesetzt werden kann.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
- 1 stellt eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Anhängerkupplung dar.
- 2 stellt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer Anhängerkupplung dar.
- In 3 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anhängerkupplung dargestellt.
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Bei der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Anhängerkupplung 1 befindet sich ein Magnetring 2 in einem Umfangsspalt 11 eines Kupplungskopfes 4 der Anhängerkupplung 1. Man erkennt, dass der Außenumfang des Magnetrings 2 etwas größer als der Umfang des Kupplungskopfes 4 am Rand des Umfangsspalts 11 ist, so dass der Magnetring 2 um einen bestimmten (geringen) Abstand von dem Kupplungskopf 4 hervorragt.
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Wenn ein Kupplungsgegenstück mit dem Kupplungskopf 4 zur Ankopplung eines Anhängers in Eingriff gebracht wird, kommt zwangsläufig auch der Magnetring 2 mit dem Kupplungsgegenstück in Eingriff. Da der Magnetring 2 im Bezug auf den Kupplungskopf 4 drehbar angeordnet ist, dreht sich der Magnetring 2 gegenüber dem Kupplungskopf 4 jeweils um einen Drehwinkel, welcher einer entsprechenden Änderung des Knickwinkels zwischen einem Zugfahrzeug und dem Anhänger entspricht. Der Drehwinkel wird dabei von einem Hallsensor 3 erfasst oder gemessen, welcher innerhalb des Kupplungskopfes 4 in unmittelbarer Nähe der Innenseite des Magnetrings 2 angeordnet ist.
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In 2 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Anhängerkupplung 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform besteht der Kupplungskopf aus einem oberen Teil 41 und einem unteren Teil 42, welche beispielsweise mittels Bolzen miteinander befestigt sind. Am Äquator des Kupplungskopfes 41, 42 ist ein Umfangsspalt bzw. eine umlaufende Nut 11 vorhanden, welche sich um den Umfang des Kupplungskopfes 41, 42 herum erstreckt und eine Höhe von circa 10 mm (5 mm oberhalb des Äquators und 5 mm unterhalb des Äquators) aufweist. In diesem Umfangsspalt ist ein offener Metallring (d.h. der Metallring weist einen Spalt auf, so dass sich der Metallring nicht vollständig um den Umfang des Umfangs Spalt 11 erstreckt) derart angeordnet, dass der Metallring 6 aus dem Umfangsspalt 11 hervorragt und somit etwas von dem Kupplungskopf 41, 42 abhebt. An der Innenseite des Metallrings 6 ist ein Gummiring 7 auf den Metallring 6 aufvulkanisiert. Ein Magnetring 2 ist mit der Innenseite des Gummirings 7 und damit mit dem Metallring 6 verbunden. Auch bei dem Gummiring 7 und dem Magnetring 2 handelt es sich insbesondere um offene Ringe.
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Im Inneren des Kupplungskopfes 41, 42 befindet sich ein Hallsensor 3, welcher im unteren Teil 42 des Kupplungskopfes vergossen ist und welcher einen Drehwinkel erfasst, um welchen sich die Kombination aus Metallring 6, Gummiring 7 und Magnetring 2 um eine Mittelachse 8 des Kupplungskopfes 41, 42 herum und damit gegenüber dem Kupplungskopf 41, 42 dreht. Die Kombination aus Metallring 6, Gummiring 7 und Magnetring 2 wird durch ein Gleitlager 9, welches in dem Umfangsspalt 11 angeordnet ist, drehbar gelagert.
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Der Hallsensor 3 zählt dabei die auf der Innenseite des Magnetrings 2 vorhandenen magnetischen Pole, welche sich aufgrund der Drehung des Magnetrings 2 um die Mittelachse 8 in einer bestimmten Richtung an dem Hallsensor 3 vorbei bewegen. Die erfindungsgemäße Ermittlung des Drehwinkels mit dem Hallsensor weist dabei eine Analogie zu bekannten Raddrehzahlsensoren auf, welche beispielsweise zur Ermittlung der Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeugs aufgrund der Umdrehungen eines Rades des Fahrzeugs pro Zeiteinheit eingesetzt werden.
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Wenn ein Kupplungsgegenstück in Form von Bremsklötzen 5 mit der Anhängerkupplung 1 in Eingriff gebracht wird, kommt die Kombination aus dem Metallring 6, dem Gummiring 7 und dem Magnetring 2 derart mit den Bremsklötzen 5 in Eingriff, dass der Metallring 6 und damit auch der Gummiring 7 und der Magnetring 2 zusammengedrückt werden, so dass die Bremsklötze 5 auch mit dem oberen Teil 41 und dem unteren Teil 42 des Kupplungskopfes in Eingriff kommen. Dadurch wird zum einen eine Drehung der Bremsklötze 5 gegenüber dem Kupplungskopf 41, 42 direkt auf den Metallring 6 und damit auf den mit Magnetring 2 übertragen, so dass eine entsprechende Änderung des Knickwinkels über den Hallsensor 3 erfasst werden kann. Zum anderen ist die Fläche auf dem Kupplungskopf 41, 42, auf welcher sich die Bremsklötze 5 und der Kupplungskopf 41, 42 berühren, ausreichend groß, so dass die Reibung zwischen den Bremsklötzen 5 und dem Kupplungskopf 41, 42 eine ausreichend große dämpfende Wirkung aufgrund der Reibung zwischen den Bremsklötzen 5 und dem Kupplungskopf 41, 42 aufweist.
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In 3 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 dargestellt, welches die erfindungsgemäße Anhängerkupplung 1 umfasst.
