DE102013213663A1 - Anhängerkupplung - Google Patents

Abstract

Anhängekupplung für ein Kraftfahrzeug, mit einer fahrzeugfest angeordneten Zugstange (4), die an ihrem freien Ende eine Kupplungskugel (3) aufweist, wobei die Kupplungskugel (3) wenigstens einen Sensor (15) zur Winkelerfassung aufweist, um einen Winkel (α) zwischen dem Kraftfahrzeug und einem Anhänger zu ermitteln, wenn eine Kupplungskugelaufnahme (2) des Anhängers auf der Kupplungskugel (3) drehbar gelagert und mittels eines Verschlussstücks (7) auf der Kupplungskugel (3) gesichert ist, wobei wenigstens ein Sensor an der Kupplungskugel (3) durch wenigstens einen Foliensensor (15), insbesondere aus einem MID-fähigen Kunststoffträger gebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anhängekupplung für ein Kraftfahrzeug, mit einer fahrzeugfest angeordneten Zugstange, einer Kupplungskugel, die an einem freien Ende der Zugstange angeordnet ist, wobei die Kupplungskugel wenigstens einen Sensor zur Winkelerfassung aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Foliensensor zur Verwendung an einer Anhängerkupplung sowie ein Verfahren zur Winkelerfassung zwischen Zugfahrzeug und Anhänger gemäß den Oberbegriffen der weiteren unabhängigen Ansprüche.
• Eine Anhängerkupplung mit der Möglichkeit zur Winkelerfassung ist aus der EP 1 796 926 B1 bekannt, wobei die Winkelerfassungsvorrichtung einen Permanentmagneten und magnetfeldempfindliche Sensoren aufweist. Hierbei sind jedoch Komponenten der Winkelerfassungsvorrichtung sowohl an der Kupplungskugel als auch an der Kupplungskugelaufnahme vorgesehen. Beim Verwenden eines Anhängers mit einfacher Kupplungskugelaufnahme, in der keine Komponenten der Winkelerfassungsvorrichtung zusätzlich eingebaut sind, funktioniert daher die Knickwinkelmessung nicht.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Knickwinkelmessung auch mit einer einfachen Kupplungskugel bzw. Kupplungskugelaufnahme ermöglichen zu können, die nicht in besonderer Weise für eine solche Winkelmessung ausgebildet ist.
• Diese Aufgabe wird durch eine Anhängerkupplung nach Anspruch 1, mittels eines Foliensensors nach Anspruch 9 sowie eines Verfahrens nach Anspruch 14 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Anhängerkupplung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
• Die Anhängerkupplung weist eine Zugstange auf, die an ihrem freien Ende eine Kupplungskugel trägt, wobei die Kupplungskugel wenigstens einen Sensor zur Winkelerfassung aufweist, um einen Winkel zwischen dem Kraftfahrzeug und einem Anhänger zu ermitteln, wenn eine Kupplungskugelaufnahme des Anhängers auf der Kupplungskugel drehbar gelagert und mittels eines Verschlussstücks auf der Kupplungskugel gesichert ist. Wenigstens ein Sensor ist dabei an der Kupplungskugel durch wenigstens einen Foliensensor gebildet.
• Der Foliensensor ist im nicht verbauten Zustand nach Art eines flachen bzw. ebenen Papier- oder Kunststoffstreifens ausgebildet. Die Dicke der Folie beträgt vorzugsweise etwa 0,1–1mm. Der Foliensensor ist somit flexibel in dem Sinne, dass die Folie bzw. der Folienstreifen rings um einen Zylinder anlegbar ist und diesen zumindest teilweise umschließt. Die Folie mit aufgebrachtem Sensormaterial ergibt den eigentlichen Foliensensor. Die Folie stellt ein Trägermaterial dar, auf welches ein Sensormaterial z.B. aus Metall angeordnet ist. Als Metalle eignen sich z.B. Kupfer, Silber, Gold, Aluminium oder Derivate aus Legierungen dieser Metalle. Insbesondere ist das Trägermaterial ein Kunststoffträger aus MID-fähigem Kunststoffmaterial, auf dem elektrische Leitungen beispielsweise mittels des LDS-Verfahrens (Laser Direkt Strukturierung) aufgebracht sind. Alternativ können die elektrischen Leitungen auch mittels MID-Heißprägen aufgeprägt werden. MID ist die Kurzform für Molded Interconnect Device (englisch für Spritzgegossene Schaltungsträger). Mit MID werden elektronische Bauteile bezeichnet, bei denen metallische Leiterbahnen auf spritzgegossene Kunststoffträger aufgetragen sind.
• Über den wenigstens einen Foliensensor ist die Verdrehung der Kupplungskugelaufnahme relativ zu der Kupplungskugel um eine Drehachse bzw. die Hochachse der Kugel erfassbar, wenn die Kupplungskugelaufnahme auf der Kupplungskugel positioniert ist (Anhänger an Zugfahrzeug angekuppelt), wobei mittels des Foliensensors die Position des Verschlussstücks relativ zu der Kupplungskugel erfassbar ist.
• Das Verschlussstück verhindert, dass sich die Kupplungskugelaufnahme von der Kupplungskugel lösen kann. In der Regel ist ein solches Verschlussstück bei standardmäßigen Kupplungskugelaufnahmen vorhanden, sodass diese für die Winkelerfassung verwendbar sind, ohne Änderungen vornehmen zu müssen. Aus der Information über die Position des Verschlussstücks kann die Verdrehung der Kupplungskugelaufnahme relativ zu der Kupplungskugel bestimmt werden. Insbesondere müssen an der Kupplungskugelaufnahme zur Winkelerfassung keine baulichen Änderungen vorgenommen werden, sodass auch eine mögliche Schwächung der Anhängerkupplung aufgrund solcher Änderungen vermeidbar ist. Die Drehachse verläuft insbesondere durch den Mittelpunkt der Kupplungskugel und beschreibt in diesem Fall die Hochachse der Kupplungskugel, die zumindest senkrecht zur Fahrzeuglängs- bzw. -querachse verläuft.
• Mittels des Foliensensors ist die Position des Verschlussstücks relativ zu der Kupplungskugel bevorzugt in einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebene erfassbar. Vorteilhaft verläuft diese Ebene durch den Mittelpunkt der Kupplungskugel. Die Position des Verschlussstücks relativ zu der Kupplungskugel ist insbesondere eine Drehstellung. Bevorzugt wird die Position des Verschlussstücks relativ zu der Kupplungskugel durch einen Winkel charakterisiert, um den das Verschlussstück relativ zu der Kupplungskugel um die Drehachse verdreht ist. Dieser Winkel kann auch als Drehwinkel oder Verdrehwinkel des Verschlussstücks bezeichnet werden. Insbesondere ist der Verdrehwinkel des Verschlussstücks mittels des Foliensensors erfassbar. Vorzugsweise entspricht das Erfassen des Verdrehwinkels des Verschlussstücks dem Erfassen der Position des Verschlussstücks.
• Es ist möglich, dass der Foliensensor den Verdrehwinkel des Verschlussstücks lediglich relativ erfasst. Bevorzugt erfasst der Foliensensor den Verdrehwinkel des Verschlussstücks aber absolut. Somit ist ein Offsetabgleich, d.h. ein manuelles Festlegen einer absoluten Nullposition durch den Fahrer, beispielsweise in einer Rangierassistenzfunktion, nicht erforderlich. Unter Offsetabgleich ist die Feststellung einer bestehenden Abweichung zu verstehen, wobei die Abweichung z.B. durch Fertigungstoleranzen der zueinander in Bezug stehenden Bauteile hervorgerufen sein kann. Bevorzugt wird der Verdrehwinkel ausgehend von einer Referenzlage des Verschlussstücks (Nullmarke) bestimmt, der vorteilhaft ein Wert von 0° zugeordnet wird. Die Erfassung der Position des Verschlussstücks kann z.B. induktiv, kapazitiv und/oder resistiv oder auch piezoresistiv durchgeführt werden, wenn der Foliensensor als ein solcher entsprechender Sensor ausgebildet ist.
• Das Verschlussstück ist in Umfangsrichtung insbesondere durch Seitenränder begrenzt, deren Lage relativ zu der Kupplungskugel mittels des Foliensensors erfassbar ist. Die Umfangsrichtung bezieht sich insbesondere auf die Drehachse. Somit verläuft die Umfangsrichtung bevorzugt um die Drehachse herum. Die Lage jedes Seitenrands relativ zu der Kupplungskugel ist insbesondere eine Drehstellung bzw. konzentrisch ausgebildet. Bevorzugt wird die Lage jedes Seitenrands relativ zu der Kupplungskugel durch einen Verdrehwinkel charakterisiert, um den der jeweilige Seitenrand relativ zu der Kupplungskugel um die Drehachse verdreht ist. Vorteilhaft ist dieser Verdrehwinkel für jeden der Seitenränder mittels des Foliensensors erfassbar. Aus den Verdrehwinkeln der Seitenränder ist insbesondere der Verdrehwinkel des Verschlussstücks bestimmbar. Vorzugsweise entspricht das Erfassen der Verdrehwinkel der Seitenränder dem Erfassen der Position des Verschlussstücks.
• Bevorzugt ist im Bereich der Seitenränder jeweils mindestens ein Freiraum vorgesehen, dessen Lage mittels des Foliensensors erfassbar ist. Die Freiräume entstehen insbesondere dadurch, dass die Seitenränder in Umfangsrichtung nach außen hin abgerundet sind. Beispielsweise sind die Freiräume zwischen den Seitenrändern und der Kupplungskugel vorgesehen. Die Lage der Freiräume kann relativ einfach mittels des Foliensensors erfasst werden, wie später noch erläutert wird. Die Lage jedes Freiraums relativ zu der Kupplungskugel entspricht insbesondere einer Drehstellung. Bevorzugt wird die Lage jedes Freiraums relativ zu der Kupplungskugel durch einen Verdrehwinkel charakterisiert, um den der jeweilige Freiraum relativ zu der Kupplungskugel um die Drehachse verdreht ist. Vorteilhaft ist dieser Verdrehwinkel für jeden der Freiräume mittels des Foliensensors erfassbar. Aus den Verdrehwinkeln der Freiräume ist insbesondere der Verdrehwinkel des Verschlussstücks bestimmbar. Vorzugsweise entspricht das Erfassen der Verdrehwinkel der Freiräume dem Erfassen der Position des Verschlussstücks. Insbesondere entspricht das Erfassen der Verdrehwinkel der Freiräume dem Erfassen der Verdrehwinkel der Seitenränder.
• Die vorgenannten Seitenränder und/oder Freiräume sind in der Regel bei standardmäßigen Kupplungskugelaufnahmen vorhanden, sodass an diesen für die Winkelmessung keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden müssen. Auch sogenannte Anti-Schlinger-Kupplungen weisen diese Freiräume auf. Diese unterscheiden sich von den Standardkupplungen dadurch, dass in dem Verschlussstück zumindest ein zusätzlicher Bremsbelag angebracht ist, der mit einer Federkraft beaufschlagt ist. Der Bremsbelag drückt durch die Federkraft auf den Kugelkopf und kann mögliche Schlinger- und/oder Kippbewegungen reduzieren, in dem die Verdreh- und/oder Kippneigung gegenüber der Kupplungskugel durch die zusätzliche Reibkraft gemindert wird. Schlingerbewegungen sind dabei Bewegung nahezu um die Hochachse, während unter Kippbewegungen Bewegungen um Achsen zu verstehen sind, die in etwa senkrecht zur Hochachse verlaufen. Generell eignen sich alle vorhandenen Freiräume für die Ermittlung des Verdrehwinkels.
• Vorteilhaft bildet die Kupplungskugelaufnahme, auch Zugmaul genannt, zusammen mit dem Verschlussstück eine die Kupplungskugel umschließende Kugelpfanne. Bevorzugt liegt die Kugelpfanne, insbesondere mit Ausnahme der Freiräume, in Umfangsrichtung und/oder umlaufend an der Kupplungskugel an. Die Kugelpfanne weist insbesondere eine hohlkugelförmige Lagerfläche auf, die an der kugelförmigen Außenfläche der Kupplungskugel anliegt. Bevorzugt ist ein Teil der hohlkugelförmigen Lagerfläche an der Kupplungskugelaufnahme vorgesehen, wobei ein anderer Teil der hohlkugelförmigen Lagerfläche an dem Verschlussstück vorgesehen ist. Vorteilhaft weist die Kupplungskugelaufnahme eine Ausnehmung auf, in welcher der eine Teil der hohlkugelförmigen Lagerfläche vorgesehen ist. Bevorzugt ist das Verschlussstück in der Ausnehmung oder an deren Rand angeordnet.
• Die Kupplungsaufnahme und/oder das Verschlussstück bestehen bevorzugt aus Metall, insbesondere aus Stahl. Bevorzugt bestehen die Kupplungskugelaufnahme und/oder das Verschlussstück aus Magnetwerkstoff, insbesondere aus einem ferromagnetischen Material. Somit können z.B. elektrische Spulen auf dem Foliensensor als Sensoren eingesetzt werden, um die Lage der Freiräume zu erfassen. Die Kugelpfanne beeinflusst den Scheinwiderstand, insbesondere die Induktivität der jeweiligen Spulen des Foliensensors. Im Bereich der Freiräume fehlt aber diese Beeinflussung, was eine Änderung des Scheinwiderstands, insbesondere der Induktivität, zur Folge hat. Diese Änderung des Scheinwiderstandes, insbesondere der Induktivität, ist messbar und somit die Lage des Freiraums erfassbar. Vorzugsweise ist der Foliensensor durch induktive Abstandssensoren gebildet.
• Bei Ausbildung des Foliensensors als induktiver Sensor kann die sich im Bereich der Freiräume ändernde Induktivität gemessen werden. Der Freiraum ist dabei als Luftspalt zu verstehen. Da sich in diesem Bereich das magnetische Feld ändert, lässt sich die Änderung der durch einen elektrischen Schwingkreis an die Spule des Foliensensors angelegten elektrischen Spannung über eine Auswerteeinheit ermitteln. Über die Spannungsänderung über den Umfang der Kupplungskugel lässt sich der Verdrehwinkel ableiten.
• Bevorzugt ist die elektrische Spule als Planarspule auf der Folie aufgebracht und bildet somit den Foliensensor aus. Bei einer Planarspule handelt es sich um eine flach bzw. eben ausgebildete Spule, die auch als Leiterzug oder Leiterbahn auf einer elektrischen Leiterplatte bzw. Leiterfolie hergestellt sein kann. Die Leitung ist flachbauend auf dem Trägermaterial, vorliegend der Folie, aufgebracht, insbesondere aufgedampft oder aufgeätzt, geklebt oder per Laserdirektstrukturierung aufgebracht. Denkbar ist auch, dass das Sensormaterial zwischen zwei Folienteilen eingebracht ist. So kann z.B. nach dem Aufdampfen der Spule eine weitere Folie über die Folie mit Spule aufgeklebt werden, so dass das Spulenmaterial, geschützt zwischen den Folien angeordnet ist. Weiterhin ist es denkbar, dass das Sensormaterial innerhalb einer oder zwischen zwei Kunststoffschichten eingebracht ist. So kann z.B. nach dem Aufdampfen der Spule eine weitere Kunststoffschicht über den zuvor strukturierten Kunststoff (MID-fähiger Kunststoffträger) oder die Folie gespritzt werden, so dass das Spulenmaterial, geschützt zwischen den Kunststoffschichten angeordnet ist.
• Die Planarspule kann in bevorzugter Weise als archimedische Spirale ausgebildet sein. Dabei handelt es sich um eine ebene Spirale, die anschaulich gesprochen z.B. beim Aufwickeln eines gleichmäßig dicken Teppiches oder Papier- oder Folienstreifens entsteht. Die Planarspule kann dabei alternativ als eckige bzw. rechteckige archimedische Spirale oder auch als eine an wenigstens zwei Längsseiten verjüngte rechteckige archimedische Spirale ausgebildet sein. Mit der Verjüngung ist gemeint, dass die an den Längsseiten verlaufenden Leiterbahnen zum Kern bzw. Spulenmittelpunkt hin einen geringeren Durchmesser aufweisen als an den jeweiligen Eckpunkten. Darüber hinaus können die Planarspulen als Luftspulen ohne Kern oder als Spulen mit Kern ausgebildet sein. Die Form der Planarspule ist grundsätzlich frei wählbar. Es ist lediglich vorzusehen, dass sich das Feld in radialer Richtung, also in Richtung der Kupplungskugelaufnahme bzw. der Seitenränder bzw. des Verschlussstücks ausbreiten kann.
• In einer bevorzugten Ausbildung sind zwei und mehr Spulen auf der Folie angeordnet. Vorzugsweise sind die Spulen linear hintereinander angeordnet, so dass die Spulenmitten bzw. der Spulenkern auf einer Geraden liegen, die in etwa mittig auf der Folie bzw. dem Kunststoffträger, insbesondere an oder auf deren Längsachse liegen. Alternativ können die Spulen zumindest parallel der Längsachse angeordnet sein. Bei zwei oder mehr Spulen sind die Spulen bevorzugt elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet.
• Gemäß einer Weiterbildung ist der Foliensensor auf einem Bogen um die Drehachse angeordnet. Vorteilhaft ist dieser Bogen ein Kreisbogen. Alternativ können auch mehrere Foliensensoren im Abstand zueinander angeordnet sein. Beispielsweise sind die Foliensensoren rings der Drehachse an der Kupplungskugel angeordnet. Vorzugsweise ist der Foliensensor bzw. sind die Spulen konzentrisch zur bzw. um die Hochachse angeordnet. Mittels des Foliensensor ist insbesondere die Position des Verschlussstücks und/oder die Lage der Seitenränder und/oder oder die Lage der Freiräume erfassbar. Vorteilhaft ist dem oder jedem Foliensensor oder der oder jeder Spule ein Abstand zwischen dem Kupplungskugelabschnitt, auf dem die Spulen angeordnet sind, und der Kupplungskugelaufnahme zugeordnet. Vorzugsweise sind dabei unterschiedlichen Foliensensoren oder Spulen auch unterschiedliche Abstände zugeordnet. Erfasst einer der Spulen einen der Seitenränder oder einen der Freiräume, so entspricht die Lage des erfassten Seitenrands oder Freiraums insbesondere dem Verdrehwinkel des Freiraums bezogen auf die Drehachse bzw. dem Messwinkel dieser Spule. Die Anzahl der Foliensensoren beträgt beispielsweise eins bis vier.
• Bevorzugt ist der Foliensensor in die Kupplungskugel eingelassen. Somit ist es nicht nur in sensorischer, sondern auch in mechanischer Hinsicht möglich, standardmäßige Kupplungskugelaufnahmen zu verwenden. Bevorzugt ist in die Kupplungskugel eine um die Drehachse bzw. Hochachse umlaufende Ringnut eingebracht, in der der Foliensensor angeordnet ist. Die Position der Nut in Richtung der Hochachse ist dabei nicht festgelegt, verläuft jedoch senkrecht zur Hochachse. Das bedeutet, dass die Nut oberhalb oder unterhalb des Äquators der Kupplungskugel oder auf dem Äquator sitzen kann. Vorteilhafterweise liegt die Nut nicht direkt auf dem Äquator sondern etwas ober- bzw. unterhalb, da der Kugelkopf auf dem Äquator die größte Kraft aufnehmen kann und der Foliensensor bzw. dessen Kapselung in diesem Bereich beschädigt werden könnte. Der Foliensensor ist in der Ringnut stoffschlüssig (z.B. geklebt) oder formschlüssig festgelegt, insbesondere gekapselt.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist ein Kapselmittel vorhanden, in das der Foliensensor eingebettet bzw. angeordnet ist. Das Kapselmittel kann aus einem Kunststoffring gebildet sein, der den Foliensensor vollständig umschließt. Als Kunststoffe eignen sich beispielsweise PBT (Polybutylenterephthalat) oder PEEK (Polyetheretherketon), die beide sehr gute Spritzgusseigenschaften aufweisen und abriebfest sind. In einer weiteren Variante kann der Foliensensor zwischen der Oberfläche der Ringnut der Kupplungskugel und dem Kapselmittel (Kunststoffring) angeordnet sein bzw. ist zwischen diesen Bauteilen eingeschlossen.
• Eine einfache Kupplungskugel weist eine kugelige, ununterbrochene Oberfläche auf. Diese Form ist für das Zusammenwirken mit der Kugelpfanne der Kupplungskugelaufnahme besonders vorteilhaft. Verdrehen um die Hochachse und auch Kippbewegungen um weitere Achsen, z.B. bei Fahrbahnunebenheiten sind problemlos möglich, ohne dass die Kupplungskugelaufnahme und die Kupplungskugel verkanten. Besonders zu bevorzugen ist es somit, wenn das Kapselmittel so ausgebildet ist, dass die Ringnut vollständig ausgefüllt ist. Es ergibt nach Einsetzen der Ringnut wieder die vorteilhafte kugelige Oberfläche bzw. Außenform mit den zuvor genannten Vorteilen. Ein Verhaken der Ringnut an der Kupplungskugelaufnahme wird somit wirkungsvoll vermieden.
• Der Foliensensor eignet sich somit insbesondere zur Verwendung in der Ringnut einer Kupplungskugel, insbesondere wenn der Foliensensor in dem Ringkörper eingeschlossen ist. Denkbar sind auch Anwendungen an z.B. einem zylindrischen Bauteil, wie z.B. einem Fahrzeuglenker oder einer Welle. Auch an diesen Bauteilen sind Messungen zur Erfassung von Bauteilverdrehungen oder Bauteiländerungen (Zug-Druck-Torsion) denkbar.
• Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen Zugfahrzeug und Anhänger, wobei das Zugfahrzeug eine Anhängerkupplung für ein Kraftfahrzeug aufweist, das mit einer fahrzeugfest angeordneten Zugstange, ausgerüstet ist, die an ihrem freien Ende eine Kupplungskugel aufweist. Die Kupplungskugelaufnahme des Anhängers, ist bei angekuppeltem Anhänger auf der Kupplungskugel zumindest um deren Hochachse drehbar gelagert und mittels eines Verschlussstücks auf der Kupplungskugel gesichert. Dabei weist die Kupplungskugel wenigstens einen Sensor zur Winkelerfassung auf, so dass ein sich zwischen Kupplungskugel und Kupplungskugelaufnahme und/oder Verschlussstück befindlicher Freiraum mittels des wenigstens eines Foliensensors, wie oben beschrieben, erfasst wird.
• Durch die Erfassung der Lage beider Seitenränder am Verschlussstück und/oder beider Freiräume zwischen Verschlussstück und Kupplungskugel werden insbesondere die Position und/oder der Verdrehwinkel des Verschlussstücks absolut erfasst. Bevorzugt sind die Abmessungen des Verschlussstücks in Umfangsrichtung bekannt. Insbesondere sind die Abmessungen des Verschlussstücks in Umfangsrichtung kleiner als der halbe Außendurchmesser der Kupplungskugel und/oder kleiner als der halbe Innendurchmesser der Kugelpfanne. In diesem Fall kann die Position und/oder der Verdrehwinkel des Verschlussstücks automatisch erkannt werden, insbesondere auch ohne Informationen über die Abmessungen des Verschlussstücks in Umfangsrichtung.
• Für die Signalauswertung kann der Abstand des Foliensensors zur Kupplungskugelaufnahme verwendet werden. Dreht sich die Kupplungskugelaufnahme um die Kupplungskugel um die Hochachse und trägt man den Abstand des Foliensensors über dem Winkel ψ_i (Winkel bzw. Lager der Spulen um die Hochachse) auf, dann werden in einem Signal f_i, die Positionen der Freiräume kodiert bzw. erfasst. Die Spulen befinden sich auf der Kupplungskugel an definierter Position verteilt um bekannte Winkel ψ_i. Über die Betrachtung des Signals f_i kann über eine geometrische Auswertung unter Einbeziehung der bekannten Winkel ψ_i der Abstände bzw. der Signale f_i der Verdrehwinkel ß ermittelt werden. Für die Signalauswertung eignen sich auch andere Methoden, wie beispielsweise das Auffinden von Schwerpunkten oder Scheitelpunkten. Die Freiräume spiegeln sich in den Signalen f_i in Form von Maximal- oder Minimalstellen wieder.
• Eine weitere Auswertemöglichkeit ist gegeben mit aus der Bildverarbeitung bekannten Methoden. Hierfür werden vorteilhafterweise mehrere Spulen auf einem Foliensensor um den Umfang der Kugel verteilt. Die Mittelpunkte der Spulen liegen vorteilhafterweise in einer Schnittebene, die senkrecht zur Hochachse der Kupplungskugel steht. Die Mittelpunkte können als diskrete Abtastpunkte, ähnlich einer CCD-Matrix aus der Bildverarbeitung, angesehen werden. Bei bildverarbeitenden Methoden steht nach der Bildaufnahme durch die Sensoreinheit für jedes Pixel ein Grauwert für die weitere Auswertung zur Verfügung. In diesem Fall werden die Grauwerte der diskreten Punkte durch die Abstände gebildet. Somit ergibt sich eine Abtastung der Abstände zwischen Kupplungskugelaufnahme und Foliensensor in der senkrecht zur Hochachse stehenden Schnittebene. Das Signal f_i, dass durch die Abtastung der Abstände und aufgetragen über die bekannten Winkel ψ_i entsteht, ist periodisch über 360° bzw. den Umfang der Kupplungskugel verteilt. In einem Graphen kann der Abstand auf der y-Achse und der bekannte Winkel ψ_i auf der x-Achse aufgetragen werden. Rotiert die Kugelkupplungsaufnahme und somit die Lage der Freiräume, dann verschiebt sich das Signal f_i in Richtung der x-Achse abhängig von der Stellung der Kugelkupplungsaufnahme. Die Verschiebung des Signals f_i spiegelt den gesuchten Verdrehwinkel ß wieder und kann über die in der Bildverarbeitung gängigen Methoden bestimmt werden. Das Verschlussstück ist insbesondere an der Kupplungskugelaufnahme gelagert, vorzugsweise bewegbar. Vorteilhaft ist das Verschlussstück an die Kupplungskugel angelegt oder anlegbar, insbesondere mittels eines Betätigungselements. Bevorzugt umfasst die Kupplungskugelaufnahme das Betätigungselement, welches beispielsweise als Hebel ausgebildet ist. Vorteilhaft ist das Verschlussstück in seiner an die Kupplungskugel angelegten Stellung fixiert oder fixierbar, insbesondere mittels einer Verschlussmechanik und/oder mittels des Betätigungselements und/oder mittels des Betätigungselements unter Zwischenschaltung der Verschlussmechanik. Beispielsweise ist die Verschlussmechanik mittels des Betätigungselements betätigbar. Ferner kann das Betätigungselement einen Teil der Verschlussmechanik bilden. Das Verschlussstück ist insbesondere von der Kupplungskugel abrückbar, vorzugsweise mittels des Betätigungselements und/oder der Verschlussmechanik. Somit ist es möglich, die Kupplungskugelaufnahme von der Kupplungskugel zu lösen, insbesondere abzuheben. Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Kupplungskugelaufnahme das Spannelement, mittels welchem das Verschlussstück gegen die Kupplungskugel gespannt oder spannbar ist. Das Spannelement kann einen Teil der Verschlussmechanik bilden.
• Die Kupplungskugel ist insbesondere fest, vorzugsweise starr, mit der Zugstange verbunden. Beispielsweise sind die Zugstange und die Kupplungskugel einstückig, vorzugsweise materialhomogen oder stoffschlüssig, miteinander ausgebildet. Somit kann ein Heckträger, wie z.B. ein Fahrradträger, an der Kupplungskugel montiert werden. Auch ist der Einsatz eines Anhängers mit Schlingerdämpfung möglich. Der Durchmesser der Kupplungskugel beträgt vorzugsweise 50 mm.
• Die Zugstange ist bevorzugt an einem Zugfahrzeug vorgesehen, welches insbesondere einen Kraftwagen bildet. Beispielsweise ist die Zugstange fest, insbesondere starr, mit einem Fahrzeugaufbau und/oder einem Fahrgestell und/oder einem Querträger des Zugfahrzeugs verbunden. Die Drehachse verläuft bevorzugt parallel zu einer Hochachse des Zugfahrzeugs. Vorzugsweise schneidet die Drehachse eine Mittellängsachse des Zugfahrzeugs. Die Kupplungskugelaufnahme ist bevorzugt an einem Anhängerfahrzeug vorgesehen. Insbesondere ist die Kupplungskugelaufnahme an einem vorderen Ende einer Deichsel des Anhängerfahrzeugs angeordnet.
• Das Zugfahrzeug und das Anhängerfahrzeug sind durch die Anhängerkupplung miteinander verbunden und bilden ein Gespann. Der zwischen der Längsachse des Zugfahrzeugs und einer Längsachse des Anhängerfahrzeugs eingeschlossene Winkel wird auch als Knickwinkel bezeichnet. Insbesondere liegt der Knickwinkel dabei in einer senkrecht zur Hochachse des Zugfahrzeugs verlaufenden Ebene. Die Position des Verschlussstücks, insbesondere dessen Verdrehwinkel, ist oder repräsentiert vorzugsweise den Knickwinkel. Die Referenzlage ist insbesondere durch die Lage der Längsachse des Zugfahrzeugs gegeben, mit welcher die Längsachse des Anhängerfahrzeugs im nicht ausgelenkten Zustand des Anhängers fluchtet und einen Knickwinkel von 0° einschließt.
• Gemäß einer Weiterbildung ist mit dem Foliensensor eine Auswerteeinrichtung verbunden, mittels welcher die Position, insbesondere der Verdrehwinkel, des Verschlussstücks und/oder der Knickwinkel bestimmt wird, insbesondere aus den Verdrehwinkeln der Seitenränder und/oder Freiräume gegenüber der Kupplungskugel mittels der Spule, die auf dem Foliensensor aufgebracht ist. Die Winkelerfassungsvorrichtung kann die Auswerteeinrichtung umfassen. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung auch separat von der Winkelerfassungsvorrichtung vorgesehen sein.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
• 1 eine schematische Seitenansicht einer Anhängerkupplung,
• 2 eine Unteransicht der aus 1 ersichtlichen Kupplungskugelaufnahme ohne Kupplungskugel,
• 3 eine teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht der Kupplungskugel ohne Kupplungskugelaufnahme, mit Foliensensor und Kapselmittel bzw. mit MID-fähigem Kunststoffträger
• 4 eine schematische Schnittansicht der Anhängerkupplung entlang der aus 1 ersichtlichen Schnittlinie A-A mit Foliensensor,
• 5–7 jeweils einen Foliensensor mit unterschiedlichen Spulenausbildungen,
• 8 ein Foliensensor, der um eine Ringkörper angeordnet ist, sowie
• 9 ein Diagramm hinsichtlich Spulenlage und Abstand zum Freiraum.
• Aus den 1 bis 4 sind unterschiedliche Darstellungen und Teildarstellungen einer Anhängerkupplung 1 gemäß einer Ausführungsform ersichtlich, wobei eine Kupplungskugelaufnahme 2 auf eine Kupplungskugel 3 einer gekrümmten Zugstange 4 aufgesetzt ist. Die nach oben weisende Kupplungskugel 3 ist an einem freien Ende der Zugstange 4 vorgesehen und insbesondere einstückig mit dieser ausgebildet. Ferner ist die Zugstange 4 starr mit einem hinteren Querträger 5 eines Zugfahrzeugs verbunden, und die Kupplungskugelaufnahme 2 ist fest mit einem vorderen Ende einer Deichsel 6 eines Anhängerfahrzeugs verbunden. Damit die Kupplungskugelaufnahme 2 nicht unbeabsichtigt von der Kupplungskugel 3 abgehoben werden kann, umfasst die Kupplungskugelaufnahme ein Verschlussstück 7, welches durch Betätigen eines Hebels 8 mit der Kupplungskugel 3 zur Anlage gebracht werden kann. Das Verschlussstück 7 sichert die Kupplungskugelaufnahme 2 formschlüssig an der Kupplungskugel 3 und ist zusätzlich gegen diese mittels einer schematisch angedeuteten Feder 9 gespannt. Die Kupplungskugelaufnahme 2 und das Verschlussstück 7 bilden zusammen eine die Kupplungskugel 3 umschließende Kugelpfanne 10 (siehe 2), welche auf der Kupplungskugel 3 drehbar gelagert ist.
• In die Kupplungskugel 3 ist eine um eine Drehachse 11 umlaufende Ringnut 12 eingebracht, die in einer senkrecht zur Drehachse 11 ausgerichteten Ebene 13 verläuft, in welcher vorzugsweise der Mittelpunkt 14 der Kupplungskugel 3 liegt. Die auch als Hochachse bezeichnete Drehachse 11 verläuft insbesondere parallel zu einer Hochachse des Zugfahrzeugs. Bevorzugt schneidet die Drehachse 11 auch eine Mittellängsachse 20 des Zugfahrzeugs. In der Ringnut 12 ist rings der Drehachse 11 ein Ringkörper 27 angeordnet. Dieser beinhaltet einen oder mehrere konzentrisch um die Drehachse 11 angeordnete(n) Foliensensor(en), wobei in 4 zwei Foliensensoren dargestellt sind.
• 3 zeigt die Kupplungskugel mit einem Foliensensor 15, der in einem Ringkörper 27 bzw. Kapselmittel 25 eingebettet ist und in der Ringnut 12 an der Kupplungskugel 3 anliegt. Der Foliensensor wird durch einen MID-fähigen Kunststoffträger 15 ausgebildet. Die sich radial von der Drehachse 11 weg erstreckende Messrichtung jedes Foliensensors 15 schließt mit der Mittellängsachse 20 einen definierten Abstand L ein, der für jeden Foliensensor 15 unterschiedlich ist. Für einen der Sensoren 15 ist der Messwinkel ß in 4 dargestellt.
• In einer auf die Drehachse 11 bezogenen Umfangsrichtung 24 ist das Verschlussstück 7 durch Seitenränder 16 und 17 begrenzt, die jeweils nach außen abgerundet sind. Dadurch ergeben sich im Bereich der Seitenränder 16 und 17 Freiräume 18 und 19, die mittels der Sensoren 15 erfasst werden können. Da die Position bzw. Lage ψ_i der Sensoren 15 bekannt sind, ist durch Ermitteln derjenigen Sensoren, welche die Freiräume erfassen, auch die Lage der Freiräume und deren Abstände L zu den Sensoren 15 und somit der Verdrehwinkel β bzw. der Knickwinkel α bekannt. Die Lage jedes Freiraums wird dabei insbesondere in Form eines Verdrehwinkels ß angegeben. Wird ein und derselbe Freiraum von mehreren, beispielsweise von zwei benachbarten der Sensoren 15 bzw. Spulen 26 erfasst, ist zur Ermittlung des Verdrehwinkels ß bzw. Knickwinkels α auch eine mathematische Approximation möglich.
• Für die Bestimmung der Lage der Freiräume werden die Foliensensoren 15 mit den Planarspulen 26 elektrisch mit einer Auswerteeinrichtung verbunden, die beispielsweise an der Zugstange 4 angeordnet sind. Die Auswerteeinrichtung erfasst den Abstand des jeweiligen Foliensensors 15 bzw. der Planarspulen 26 zur Kupplungskugelaufnahme. Durch Auswerten aller Abstände ergeben sich die Lagen der Freiräume 18 und 19 und hieraus in Relation zur Anordnung der Planarspulen der Knickwinkel α, der zwischen der Längsachse 20 des Zugfahrzeugs und der Längsachse 21 des Anhängerfahrzeugs eingeschlossen wird. Es ist auch denkbar, andere Freiräume zu erfassen und hierüber den Knickwinkel zu bestimmen. Beispielsweise bieten sich hierfür die Freiräume an, die bei der Anti-Schlinger-Kupplung durch die zusätzlichen Reibbeläge auftreten, an.
• Die gestrichelte Linie 23 kennzeichnet eine Referenzlage, von der aus der Knickwinkel α bestimmt wird. Insbesondere fällt die Linie 23 mit der Längsachse 20 zusammen und kennzeichnet somit den nicht ausgelenkten Zustand des Anhängerfahrzeugs, d.h. α = 0°. Der Winkel α repräsentiert auch die Position und/oder den Verdrehwinkel des Verschlussstücks 7. Insbesondere ergibt sich der Winkel α aus dem arithmetischen Mittel derjenigen Verdrehwinkel, die für die Freiräume 18 und 19 ermittelt worden sind. Ist der für den Freiraum 18 erfasste Verdrehwinkel β1 und der für den Freiraum 19 erfasste Verdrehwinkel β2, so ergibt sich der Winkel α beispielsweise zu: α = (β1 + β2)/2.
• Die 5, 6 und 7 zeigen schematisch einen nicht eingebauten Foliensensor mit unterschiedlichen Planarspulenausbildungen. In 5–7 sind drei in Längsrichtung der Folie hintereinander angeordnete Planarspulen 26a, b, c dargestellt. Diese verlaufen etwa mittig entlang der Längsachse 15b der Folie 15a, zumindest aber parallel zu dieser. Die jeweiligen Spulen 26a, b, c sind mit je zwei Leiterbahnen verbunden, wobei eine strichliniert gezeigte Leiterbahn vom Mittelpunkt der Spule ausgeht, wobei die durchgehend gezeigte Leiterbahn mit dem äußeren Ende der Spule verbunden ist. Die Leiterbahnen werden von der Kupplungskugel 3 über eine Versorgungsbohrung 4a (s. 4) geführt und schließlich mit der Auswerteeinrichtung 22 verbunden. Die 5 zeigt eine Planarspule 26a, die wie eine archimedische Spirale ausgebildet ist. Die 6 zeigt eine Planarspule 26b, die wie eine eckige bzw. rechteckige, hier sogar quadratisch ausgebildete archimedische Spirale ausgebildet ist. 6 zeigt eine weitere als rechteckige archimedische Spirale ausgebildete Planarspule 26c. Bei Letzterer verlaufen die Längsseiten des Spulenwerkstoffes jeweils verjüngt zur Mitte der Spule.
• 8 zeigt schematisch, wie ein aus MID-fähigem und strukturierten Kunststoffmaterial bestehender Foliensensor 15 mit mehreren Planarspulen 26 konzentrisch um einen Ringkörper 27 angeordnet sein kann. Der Ringkörper 27 ist in dieser Ansicht zweigeteilt dargestellt. Jede Ringhälfte stellt einen Foliensensor 15 mit jeweils vier Planarspulen 26 dar. Die Ringkörper 27 umgeben dann die Kupplungskugel 3 gemäß 3 in der Ringnut 12 und werden nach außen durch ein Kapselmittel 25 gesichert bzw. geschützt.
• 9 stellt exemplarisch die Form des Sensorsignals f_i für die unterschiedlichen Stellungen der Kupplungskugelaufnahme in Bezug zur Kupplungskugel dar. Auf der X-Achse sind die bekannten Lagen ψ_i der einzelnen Spulen 26 und auf der Y-Achse sind die Abstände L von den Sensoren 16 bzw. der Spulen 26 zur Kupplungskugelaufnahme 2 abgetragen. Bei einer Verdrehung der Kupplungskugelaufnahme 2 verschiebt sich das Signal f_i entlang der X-Achse. Die Signalverschiebung gibt hier den Verdrehwinkel β an. f_ref gibt das Signal in der Referenzstellung der Kupplungskugelaufnahme an. f_i,1 bzw. f_i,2 geben ein Signal in einer Stellung 1 bzw. 2 an, die jeweils Verdrehstellungen der Kupplungskugelaufnahme zur Kupplungskugel an. Über die jeweiligen Phasenverschiebungen kann der Verdrehwinkel, hier ß₁ oder ß₂ ermittelt werden. Aus dem Verdrehwinkel lässt sich dann der Knickwinkel ermitteln.
• Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

1

Anhängerkupplung

2

Kupplungskugelaufnahme

3

Kupplungskugel

4

Zugstange

5

hinterer Querträger des Zugfahrzeugs

6

Deichsel des Anhängerfahrzeugs

7

Verschlussstück

8

Hebel

9

Feder

10

Kugelpfanne

11

Drehachse, Hochachse der Kupplungskugel

12

Ringnut

13

Ebene

14

Mittelpunkt der Kupplungskugel

15

Foliensensor, MID-fähiger Kunststoffträger

16

Seitenrand des Verschlussstücks

17

Seitenrand des Verschlussstücks

18

Freiraum

19

Freiraum

20

Längsachse des Zugfahrzeugs

21

Längsachse des Anhängerfahrzeugs

22

Auswerteeinrichtung

23

Linie

24

Umfangsrichtung

25

Kapselmittel

26a, b, c

Spule, Planarspule

27

Ringkörper

α

Knickwinkel / Position des Verschlussstücks

β

Messwinkel, Verdrehwinkel

L

Abstand

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• EP 1796926 B1 [0002]

Claims (16)

1. Anhängekupplung für ein Kraftfahrzeug, mit einer fahrzeugfest angeordneten Zugstange (4), die an ihrem freien Ende eine Kupplungskugel (3) aufweist, wobei die Kupplungskugel (3) wenigstens einen Sensor (15) zur Winkelerfassung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor an der Kupplungskugel (3) durch wenigstens einen Foliensensor (15), insbesondere aus einem MID-fähigen Kunststoffträger, gebildet ist.
2. Anhängekupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Foliensensor (15) als induktiver, kapazitiver oder resistiver ausgebildet ist.
3. Anhängekupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Foliensensor (15) wenigstens eine Spule (26), insbesondere eine Planarspule (26) aufgebracht ist.
4. Anhängekupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarspule (26) als archimedische Spirale (26a), als eckige archimedische Spirale (26b) oder als rechteckige archimedische Spirale (26c), die an ihren wenigstens zwei Längsseiten eine Verjüngung aufweist, ausgebildet ist.
5. Anhängekupplung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung von wenigstens zwei Spulen (26) auf dem Foliensensor (15) diese Spulen (26) elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind.
6. Anhängekupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Foliensensor (15) konzentrisch zur Hochachse (11) der Kupplungskugel an dieser angeordnet ist.
7. Anhängekupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Foliensensor (15) an der Kupplungskugel (3) in einer Ringnut (12) angeordnet ist.
8. Anhängekupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Foliensensor (15) in der Ringnut 12, insbesondere stoffschlüssig oder formschlüssig, insbesondere gekapselt angeordnet ist.
9. Anhängekupplung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Foliensensor (15) in einem Kapselmittel (25) angeordnet ist oder zwischen Kupplungskugel (3) und Kapselmittel (25) eingeschlossen ist.
10. Anhängekupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapselmittel (25) die Ringnut (12) derart ausfüllt, dass die Kugeloberfläche im Bereich der Ringnut (12) vollständig hergestellt ist, so dass sich eine kugelige Außenform ergibt.
11. Foliensensor zur Verwendung an einer Anhängerkupplung, insbesondere an der Kupplungskugel der Anhängerkupplung, ausgebildet nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Foliensensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Foliensensor (15) in oder an einem Ringkörper (27) angeordnet ist.
13. Foliensensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (27) aus einem Kunststoff gebildet ist.
14. Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen Zugfahrzeug und Anhänger, wobei das Zugfahrzeug eine Anhängerkupplung für ein Kraftfahrzeug aufweist, mit einer fahrzeugfest angeordneten Zugstange (4), die an ihrem freien Ende eine Kupplungskugel (3) aufweist, und eine Kupplungskugelaufnahme (2) des Anhängers, die auf der Kupplungskugel (3) um deren Hochachse (11) drehbar gelagert und mittels eines Verschlussstücks (7) auf der Kupplungskugel (2) gesichert ist, wobei die Kupplungskugel (2) wenigstens einen Sensor (15) zur Winkelerfassung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein sich zwischen Kupplungskugel (3) und Kupplungskugelaufnahme (2) und/oder Verschlussstück (7) befindlicher Freiraum (18, 19) mittels wenigstens einer Anhängekupplung nach einem der Ansprüche von 1–10 oder eines Foliensensors (15) nach einem der Ansprüche von 11–13, erfasst wird.
15. Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen Zugfahrzeug und Anhänger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Freiraum (18, 19) durch wenigstens eine auf dem Foliensensor (15) aufgebrachte Spule (26) erfasst wird, die mit einer Auswerteeinrichtung (22) verbunden ist.
16. Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen Zugfahrzeug und Anhänger nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteeinrichtung (22) der Abstand L des wenigstens einen Foliensensors (15) oder der wenigstens einen Planarspule (26) zur Kupplungskugelaufnahme erfasst wird, und durch das Auswerten aller Abstände über die Lagen ψ_i der Spulen 26 in Relation zur Anordnung der wenigstens einen Planarspule (26) der Verdrehwinkel ß und/oder der Knickwinkel α erfasst wird.

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