DE102014224428A1

DE102014224428A1 - Verfahren zur Zustandserkennung und Winkelerfassung bei einer Anhängerkupplung sowie Anhängerkupplung und Sensor für Anhängerkupplung

Info

Publication number: DE102014224428A1
Application number: DE102014224428.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Klank; Klaus Haskamp
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-06-02
Also published as: WO2016083054A1

Abstract

Verfahren zur Erkennung des Zustands einer Anhängerkupplung sowie Ermittlung eines Knickwinkels zwischen einem Zugfahrzeug und einem 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, wenn diese auf der Kupplungskugel (3) um deren Hochachse (11) drehbar gelagert und, insbesondere mittels eines Verschlussstücks (7), auf der Kupplungskugel (3) gesichert ist, wobei die Kupplungskugel (2) wenigstens einen Sensor (15) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte, – Abtastung des Kupplungskugelumfelds, – Detektieren von Freiräumen (18, 19) zwischen Kupplungskugel (3) und Kupplungskugelaufnahme (2), insbesondere unter Bezugnahme auf das Verschlussstück, – Auswerten der Lage der Freiräume (18, 19, 28, 29), – Festlegen der nutzbaren Freiräume (18, 19, 28, 29), – Ermittlung des Knickwinkels (α)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des Zustands einer Anhängerkupplung sowie Winkelerfassung zwischen Zugfahrzeug und Anhänger für ein Kraftfahrzeug, mit einer fahrzeugfest angeordneten Zugstange, die an einem freien Ende eine Kupplungskugel aufweist, und eine Kupplungskugelaufnahme des Anhängers, wenn diese auf der Kupplungskugel um deren Hochachse drehbar gelagert und insbesondere mittels eine Verschlussstücks auf der Kupplungskugel gesichert ist. Die Kupplungskugel weist wenigstens einen Sensor zur Winkelerfassung auf, der an der Kupplungskugel durch wenigstens einen Foliensensor gebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anhängerkupplung zur Durchführung des Verfahrens und einen Sensor zur Verwendung an einer Anhängerkupplung gemäß den Oberbegriffen der weiteren unabhängigen Ansprüche.
Eine Anhängerkupplung mit der Möglichkeit zur Winkelerfassung mittels eines Sensors ist aus der DE 10 2013 213 663.3 bekannt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erkennung des Zustands einer Anhängerkupplung sowie der Winkelerfassung zwischen Zugfahrzeug und Anhänger bereitzustellen und zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, mittels einer Anhängerkupplung nach Anspruch 9 sowie einen Sensor nach Anspruch 14 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des Zustands einer Anhängerkupplung sowie der Ermittlung 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 insbesondere mittels eines Verschlussstücks auf der Kupplungskugel gesichert. Dabei weist die Kupplungskugel wenigstens einen Sensor zur Erkennung einer auf der Kupplungskugel vorhandenen Kupplungskugelaufnahme und/oder eines Verschlussstück auf, wobei mittels des Sensors ebenfalls ein Winkel zwischen Kupplungskugel und Kupplungskugelaufnahme erfasst werden kann.
Das Verfahren zeichnet sich durch die nachfolgend genannten Schritte aus, nämlich:

– Abtastung des Kupplungskugelumfelds,
– Detektieren von Freiräumen zwischen Kupplungskugel und Kupplungskugelaufnahme,
– Auswerten der Lage der Freiräume,
– Festlegen der nutzbaren Freiräume.

Durch den vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, induktiv arbeitenden Sensor ist zumindest eine 360°-Umfeldabtastung der Kupplungskugel möglich. Mittels eines in der Kugel vorzugsweise innerhalb eines Ringes um die Kugel verlaufenden Foliensensors kann festgestellt werden, ob eine üblicherweise aus Metall bestehende Kupplungskugelaufnahme auf der Kupplungskugel gelagert ist. Der Foliensensor verläuft dabei bevorzugt in einer Nut der Kupplungskugel in einer horizontalen Ebene, die quer zur Hochachse der Kupplungskugel verläuft. Eine mit dem Sensor an der Kupplungskugel verbundene Auswerteeinrichtung bzw. Steuereinheit wertet das Signal des Sensors aus und gibt dieses z. B. über einen Fahrzeugbus, insbesondere CAN-Bus, weiter an eine Anzeigeeinrichtung, so dass dem Fahrer die Erkennung des Zustands der Anhängerkupplung (Vorhandensein einer Zugkupplung bzw. Kupplungskugelaufnahme) im Display des Fahrzeugs angezeigt wird.
In einem nächsten Schritt werden Freiräume zwischen Kupplungskugel und Kupplungskugelaufnahme detektiert, nachdem festgestellt wurde, dass die Kupplungskugelaufnahme auf der Kupplungskugel gelagert ist. Wie zuvor bereits gesagt, weist die Kupplungskugelaufnahme insbesondere ein Verschlussstück auf.
Bei üblichen Kupplungsaufnahmen verhindert das Verschlussstück, dass sich diese von der Kupplungskugel lösen kann. In der Regel ist ein solches Verschlussstück bei standardmäßigen Kupplungskugelaufnahmen vorhanden. Betrachtet man die Kupplungskugelaufnahme mit dem Verschlussstück in einer quer zur Hochachse und etwa durch den Mittelpunkt der Kupplungskugel verlaufenden Ebene, so ist erkennbar, dass die Kupplungskugel nicht vollumfänglich umschlossen ist. Es verbleiben üblicherweise Freiräume zwischen Kupplungskugelaufnahme und Verschlussstück, wenn das Verschlussstück an der Kupplungskugel anliegt. Bei einer üblichen Kupplungskugelaufnahme mit Verschlussstück liegen, insbesondere zwei, Freiräume vor, etwa in einer rückwärtigen von dem Zugfahrzeug abgewandten Richtung. Je nach verwendeter Kupplungskugelaufnahme kann die Lage der Freiräume jedoch variieren, z.B. bei Kupplungskugelaufnahmen mit Anti-Schlinger-Reibbelägen, sogenannten Anti-Schlinger-Kupplungen, wobei ggfs. auch das Verschlussstück zusätzlich mit einem Reibbelag ausgerüstet sein kann. Auch diese Anti-Schlinger-Kupplungen weisen Freiräume auf. Die Freiräume werden von dem Sensor erfasst, ohne dass Änderungen an der Kupplungskugelaufnahme vorgenommen werden müssen.
In einem nächsten Schritt wird die genaue Lage der Freiräume ausgewertet. Der nutzbare Freiraum liegt in der Kupplungskugelaufnahme. Also liegt der Freiraum in unmittelbarer Nähe der Kupplungskugel bzw. dessen Oberfläche vor. Mit genauer Lage ist somit der Abstand vom Sensor bzw. der Kupplungskugeloberfläche gemeint.
In einem weiteren Schritt werden die nutzbaren Freiräume, die sich für eine Winkelerfassung eignen, festgelegt. Bezogen auf die Längsachse der Kupplungskugelaufnahme liegen die für eine Winkelerfassung nutzbaren Freiräume etwa spiegelsymmetrisch vor.
Schlussendlich wird anhand der nutzbaren Freiräume ein Winkel zwischen Kupplungskugel und Kupplungskugelaufnahme ermittelt. Dieser steht für den Knickwinkel zwischen Zugfahrzeug und Anhänger.
Aus der Information der Freiräume ergibt sich insbesondere das Vorhandensein und/oder die Position des Verschlussstücks und es kann die Verdrehung der Kupplungskugelaufnahme relativ zu der Kupplungskugel bestimmt werden. Vorteilhafter Weise müssen an der Kupplungskugelaufnahme zur Winkelerfassung keine baulichen Änderungen vorgenommen werden, sodass auch eine mögliche Schwächung dieser 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 und parallel zur Hochachse des Fahrzeuges verläuft.
Durch die Erfassung der Lage beider Seitenränder am Verschlussstück und/oder der 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.
Vorzugsweise kann für die Signalauswertung der Abstand des Sensors, insbesondere Foliensensors, zur Kupplungskugelaufnahme verwendet werden (die genauere Funktionsweise des Sensors wird weiter unten erklärt). Dreht sich die Kupplungskugelaufnahme um die Kupplungskugel um die Hochachse und trägt man den Abstand des Foliensensors über einem Winkel ψ_i (Winkel bzw. Lage der Sensorspulen um die Hochachse) auf, dann werden in einem Signal f_i die Positionen der Freiräume kodiert bzw. erfasst. Die Sensorspulen des Foliensensors befinden sich auf bzw. an 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. Es ergibt sich somit eine Bestimmung des Abstands der Freiräume von der Kupplungskugel bzw. dessen Mittelpunkt und/oder der Hochachse bzw. Drehachse der Kupplungskugel bzw. der Kupplungskugelaufnahme.
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.
Bevorzugt wird beim Auswerten der Lage der Freiräume in Bezug auf den Mittelpunkt und/oder der Hochachse der Kupplungskugel ein Winkel λ_ges bestimmt. Der Winkel λ_ges repräsentiert den Winkel zwischen zwei Freiräumen, welcher zum Festlegen der für die Winkelerfassung nutzbaren Freiräume herangezogen wird. Wie zuvor bereits angesprochen, liegen die Freiräume bei einer üblichen Kupplungskugelaufnahme in einem rückwärtigen zur Deichsel des Hängerfahrzeuges bzw. zum Anhängerfahrzeug hin liegenden Bereich. Ist die Kupplungskugelaufnahme auf der Kupplungskugel gelagert und die Kupplungskugelaufnahme geschlossen, d. h. dass das vorhandene Verschlussstück ebenfalls an der Kugel anliegt, so bildet die geschlossene Kupplungskugelaufnahme eine Kugelpfanne. In Bezug auf den Mittelpunkt der Kupplungskugel lässt sich der Winkel zwischen den Freiräumen bestimmen. Je nach Auflösung des Sensors können die Grenzen des Freiraums zwischen Kupplungskugelaufnahme und Verschlussstück relativ genau bestimmt werden. Folglich ist ein von den seitlichen Rändern des Verschlussstücks eingeschlossener Winkel λ_ges2 kleiner als ein von den Seitenrändern der Kupplungskugelaufnahme eingeschlossener Winkel λ_ges1. Die Seitenränder an Kupplungskugelaufnahme ergeben sich durch die Kontaktstelle zwischen Kupplungskugel und auf dieser lagernden Kupplungskugelaufnahme. Die Seitenränder liegen sich somit etwa gegenüber. Mittels einer mit dem Sensor verbundenen Auswerteeinheit kann so die Lage der Freiräume bestimmt werden. Aufgrund der vorgenannten Gesetzmäßigkeit bezogen auf die Winkel zwischen den Seitenrändern (λ_ges1 – λ_ges2 = λ_ges) kann die Auswerteeinheit die für die Ermittlung des Knickwinkels nutzbaren Freiräume festlegen.
Bevorzugt wird nach Auswerten der Lage der Freiräume eine Erkennung einer Kupplungskugelaufnahme anhand der Lage der Freiräume und/oder der Abstände zum Sensor durchgeführt. Je nach Hersteller oder Typ der Kupplungskugelaufnahme können die Freiräume hinsichtlich der Abstände bzw. zwischen den Freiräumen liegenden Winkel Unterschiede aufweisen. Dieses ist z.B. in unterschiedlich großen Verschlusstücken begründet. Die Abstände und Winkel der Freiräume der verschiedenen am Markt erhältlichen Kupplungskugelaufnahmen können als Daten in der Auswerteeinheit hinterlegt werden. So ist es mittels der Sensorik und der Auswerteeinheit nach Aufsetzen der Kupplungskugelaufnahme auf die Kupplungskugel möglich, die Kupplungskugelaufnahme sicher zu erkennen und somit eine hochgenaue Knickwinkelerfassung durchführbar.
Bevorzugt wird nach Erkennung der Kupplungskugelaufnahme der Knickwinkel (α) bestimmt. Der Schritt des Festlegens der nutzbaren Freiräume erübrigt sich dadurch, dass die Kupplungskugelaufnahme erkannt wird und damit die für die Knickwinkelerfassung benötigten Freiräume und Winkel bekannt sind und nicht zuvor ermittelt werden müssen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird für die Erkennung der Kupplungskugelaufnahme der auf die Kupplungskugel wirkende Druck ermittelt.
Bevorzugt ist das Verschlussstück gegen die Kupplungskugel gespannt, insbesondere mittels eines Spannelements. Die Kugelpfanne übt somit außerhalb der Freiräume Druck auf die Kupplungskugel aus. Daher ist die Lage der Freiräume auch mittels der Sensoren durch Druck- oder Kraftmessung erfassbar. Insbesondere ergibt sich eine deutliche Signaländerung zwischen den Freiräumen (geringer Druck) und den Bereichen, an denen die Kugelpfanne an der Kupplungskugel anliegt (hoher Druck). Der oder die Sensoren sind in diesem Fall insbesondere Druck- oder Kraftsensoren. Das Spannelement bildet oder umfasst z. B. eine Feder.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach Erkennung des Kupplungskugelaufnahmetyps eine Reibbelagprüfung durchgeführt. Aufgrund der stetigen Signalauswertung der Freiräume ist es möglich, den oder die Reibbeläge bei einer Anti-Schlinger-Kupplung auf Abnutzung zu prüfen, und dabei ein Warnsignal z. B. in die Anzeigetafel des Fahrzeugs an den Fahrer abzugeben, falls die Reibbeläge soweit abgenutzt sind, dass eine ausreichende Funktion nicht weiter gewährt ist. Hierzu können wiederum, wie zuvor bereits genannt, bestimmte Abstandswerte in der Auswerteeinheit abgelegt werden, so dass bei Überschreiten dieser Werte von einer Abnutzung der Reibbeläge auszugehen ist. So können die Reibbeläge in einer Reibbelagaufnahme vorgesehen sein, die einen Hohlraum oder eine Bohrung aufweist. Ist der Reibbelag bis zu einer definierten Stärke abgenutzt, so kann sich bei entsprechender Abnutzung des Reibbelages ein Freiraum ergeben, der zwischen Kupplungskugel und Reibbelagaufnahme sich ergibt. Der Sensor bzw. die Auswerteeinheit würde diesen zusätzlich auftretenden Freiraum detektieren, wobei dann ein Signal wie zuvor vorgesehen an den Fahrer gemeldet werden kann. So kann das Detektieren der Freiräume einen zusätzlichen Sicherheitsaspekt aufweisen.
Zur Ausführung des zuvor beschriebenen Verfahrens ist des Weiteren eine Auswerteeinheit vorgesehen, die die Daten und Werte von Freiräumen, insbesondere Drücke auf die Kupplungskugel, Abstände vom Mittelpunkt und/oder vom Sensor der Kupplungskugel und/oder Winkel zwischen Freiräumen speichern kann und/oder solche gespeicherten Daten und Werte mit den aktuell ermittelten Daten und Werte vergleichen kann. Es ist davon auszugehen, dass Kupplungskugelaufnahmen desselben Herstellers, abgesehen von Fertigungstoleranzen, sich gleichen. Diese werden somit auch die immer gleichen Freiräume und/oder Abstände aufweisen. Selbiges gilt für verschiedenste Varianten von den zuvor bereits genannten Anti-Schlinger-Kupplungen, welche federbelastete Reibbeläge aufweisen, die etwa 90° versetzt bzw. quer zur Längsachse der Kupplungskugelaufnahme verlaufen. Wenn hier von Daten und Werte und/oder von Freiräumen oder Drücken auf die Kupplungskugel gesprochen wird, so ist damit gemeint, dass genau diese Werte in der Auswerteeinheit abgespeichert sind, herstellerseitig, d. h. sozusagen bereits bei der Produktion der Anhängerkupplung mit integriertem Sensor bzw. Sensorik oder aber, dass während des Gebrauchs der Anhängerkupplung diese Daten und Werte beim Aufsetzen einer Kupplungskugelaufnahme auf die Kupplungskugel ermittelt und gespeichert werden. Es ist somit ermöglicht, dass Kupplungskugelaufnahmen nach dem Aufsetzen identifiziert werden können. In der Auswerteeinheit kann somit noch schneller eine Winkelerfassung erfolgen, da die Lage der nutzbaren Freiräume sich durch die erkannte Kupplungskugelaufnahme bereits ergeben. Ebenfalls kann die Reibbelegstärke bei Anti-Schlinger-Kupplungen in der Auswerteeinheit hinterlegt sein, so dass sich hinsichtlich des zuvor bereits beschriebenen Sicherheitsaspektes zur Anti-Schlinger-Kupplung eine weitere Verbesserung herbeiführen lässt.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anhängerkupplung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens auf. Sie weist eine Zugstange auf, die an ihrem freien Ende eine Kupplungskugel trägt, wobei die Kupplungskugel wenigstens einen Foliensensor zur Erkennung des Zustands der Anhängerkupplung sowie 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 insbesondere mittels eines Verschlussstücks auf der Kupplungskugel gesichert ist. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass der wenigstens eine Sensor an der Kupplungskugel durch wenigstens einen Foliensensor gebildet ist, wobei der Foliensensor vom Kugelmittelpunkt gesehen vorzugsweise wenigstens zwei radial hintereinander angeordnete Spulen aufweist, die mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind.
Der Foliensensor ist im nicht verbauten Zustand nach Art eines flachen bzw. ebenen Papier- oder Kunststoffstreifens ausgebildet. Die Dicke der Folie beträgt vorzugsweise etwa 0,1–1 mm. 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. eine Spule aus Metall angeordnet ist. Als Metalle eignen sich z.B. Kupfer, Silber, Gold, Aluminium oder Derivate aus Legierungen dieser Metalle. Das Trägermaterial ist ein Kunststoffträger, insbesondere 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 und anderen geeigneten Verfahren 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. Alternativ eignen sich auch Verfahren, bei denen die elektrischen Leitungen aufgedampft werden.
Radial hintereinander bedeutet dabei, dass der Foliensensor wenigstens zwei hintereinander angeordnete Spulen aufweist. Der Foliensensor ist damit wie eine mehrlagige Platine bzw. Leiterplatte aufgebaut, wobei die Spulen voneinander separiert und elektrisch isoliert mit gleicher Wirkungsrichtung direkt hintereinander angeordnet sind. Direkt hintereinander bedeutet dabei, dass die Spulen mit ihrem Mittelpunkt bzw. Spulenkern annähernd, vorzugsweise genau, hintereinander liegen. Mit anderen Worten liegen die Spulen annähernd, vorzugsweise genau, deckungsgleich hintereinander. Die Spulen weisen damit die gleiche Wirkungsrichtung auf und es erhöht sich damit deren Wirkung. Die resultierende Induktivität des Foliensensors erhöht sich bei Reihenschaltung der hintereinander liegenden Spulen vorteilhafter Weise aus den Einzelinduktivitäten der hintereinander liegenden Spulen als Summe der Einzelinduktivitäten. Hinzu zählen noch die Koppelinduktivitäten zwischen den Spulen. Das sich ausbildende magnetische Feld ist damit robuster als bei einer einzelnen Spule. Ein weiterer Vorteil ergibt sich in Form eines geringeren elektrischen Stromes zum Betrieb des Sensors durch die größere Induktivität. Durch den geringeren Strom ist die Störanfälligkeit mit Blick auf die elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) gegenüber einem Sensor mit nur einer Spule deutlich herabgesetzt.
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.
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.
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 sind die elektrischen Spulen als Planarspule ausgebildet und als solche auf der Folie aufgebracht. Der Foliensensor ist somit in Form einer mehrlagigen Leiterplatte bzw. Leiterfolie ausgebildet. 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. Das Sensormaterial ist zwischen zwei oder mehreren voneinander elektrisch isolierten Folienteilen eingebracht. So kann z. B. nach dem Aufdampfen der Spule auf einen ersten Folienteil eine weitere Folie aufgeklebt werden, die die erste Folie abdeckt. Über diese wird dann eine weitere Spule aufgebracht und fixiert. Der wenigstens eine Sensor an der Kupplungskugel wird damit durch wenigstens einen Foliensensor gebildet, so dass die mehrlagige Spule geschützt zwischen den Folienbestandteilen angeordnet ist. Die zuvor angesprochene Reihenschaltung wird durch geeignete Kontaktierung der Spulen vorgenommen. 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, auf den dann wiederum eine weitere Spule aufgedampft wird. Abschließend wird eine abschließende Kunststoffschicht aufgebracht, so dass das mehrlagige Spulenmaterial geschützt zwischen den Kunststoffschichten angeordnet ist und einen mehrlagigen Foliensensor bildet.
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 mehrlagige Spulen auf der Folie oder dem Trägermaterial angeordnet. Vorzugsweise sind die Spulen linear nebeneinander angeordnet, so dass die Spulenmitten bzw. der Spulenkern nebeneinander 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 mehrlagigen linear angeordneten 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 hintereinander 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. Alternativ können mehrere Foliensensoren radial voneinander beabstandet konzentrisch um die Kupplungskugel angeordnet sein.
Mittels des Foliensensors 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 mehrlagigen Spule ein Abstand zwischen dem Kupplungskugelabschnitt, auf dem die Spulen angeordnet sind, und der Kupplungskugelaufnahme zugeordnet. Vorzugsweise sind dabei unterschiedlichen Foliensensoren oder mehrlagigen 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 bevorzugt 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 oder die Foliensensoren eingebettet bzw. angeordnet sind. 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. Im Falle eines Kunststoffrings kann dieser auch aus mehreren Teilen bestehen, die während der Montage in die Nut eingesetzt werden. Die Ringteile können miteinander verrastet (Formschluss) oder miteinander verklebt sein (Stoffschluss).
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 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. Alternativ kann die Kupplungskugel auch Teil eines Kugelzapfens sein, der zusammen mit einem Teilhals die Zugstange bildet. Hierzu kann der Kugelzapfen mit dem Teilhals formschlüssig, insbesondere durch eine Schraubverbindung, oder aber stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben oder Schweißen, verbunden sein. Die Kugel kann auch aus zwei Teilkugeln gebildet sein, die stoff- oder formschlüssig mit dem Kugelzapfen verbunden sind. Die Kugel kann alternativ auch als Teilkugel, z. B. etwa einer Kugelhälfte gebildet sein, wobei die andere Teilkugel Teil des Kugelzapfens ist, die an diesem ebenfalls durch Stoffschluss- oder Formschluss festlegbar ist. Bei der so gebildeten Kugel kann durch Materialaussparung an der Teilkugel die Nut für den Foliensensor ausgebildet sein. Der Kugelzapfen kann Rillen, Nuten, Löcher oder Kanäle bzw. Bohrungen für Kabel oder Sensorikbauteile (Sensor, Platine, Kabel usw.) vorsehen.
Das Verschlussstück ist, wie zuvor bereits beschreiben, insbesondere in bzw. an der Kupplungskugelaufnahme gelagert, vorzugsweise in dieser bewegbar. Vorteilhaft ist das Verschlussstück bei auf der Kupplungskugel gelagerter Kupplungskugelaufnahme 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.
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 Sensors bzw. Foliensensors erfasst werden. 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 die zuvor bereits erwähnten 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 oder Zugkupplung 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 aus abriebfesten Werkstoffen, bevorzugt aus Metall, insbesondere aus Stahl. Bevorzugt bestehen die Kupplungskugelaufnahme und/oder das Verschlussstück aus Magnetwerkstoff, insbesondere aus einem ferromagnetischen Material. Daher lassen sich vorteilhaft elektrische Spulen auf dem Foliensensor als Sensoren einsetzen, 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.
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,
2a eine schematische Schnittansicht der Anhängerkupplung entlang der aus 1 ersichtlichen Schnittlinie A-A mit Verschlussstück
2b eine schematische Schnittansicht einer Anhängerkupplung entlang der aus 1 ersichtlichen Schnittlinie A-A mit Verschlussstück und Reibbelägen
3a eine teilgeschnittene Seitenansicht einer Kugel sowie eines Teils einer Zugstange
3b eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Zugstange bzw. Kugelzapfens
4 eine schematische Schnittansicht der Anhängerkupplung entlang der aus 1 ersichtlichen Schnittlinie A-A mit zweiteiligem Foliensensor,
5 einen Foliensensor mit mehrlagiger Planarspule,
5a vergrößerten Ausschnitt eines Foliensensors mit mehrlagiger Planarspule gem. 5 in Draufsicht
6 ein Ablaufdiagramm mit verschiedenen Verfahrensschritten.
Aus den 1 bis 4 sind unterschiedliche Darstellungen und Teildarstellungen einer Anhängerkupplung 1 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 mehrteilig 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 (s. 3 bzw. 3a), 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, auf den jeweils zwei hintereinander liegende Spulen aufgebracht sind, dargestellt sind.
2a zeigt eine Darstellung analog zu 4. In der 2a sind Winkel λ_d1 und λ_d2 abgetragen, wobei sich die Winkel aus den Begrenzungen der Seitenränder begrenzt durch das Verschlussstück 7 und die Kupplungskugelaufnahme 2 ergeben. Es ist ersichtlich, dass λ_d1 und λ_d2 einen etwa gleichen Betrag, insbesondere genau gleichen Betrag aufweisen. Des Weiteren sind Winkel λ_ges1 und λ_ges2 abgetragen, die sich ebenfalls aufgrund der Seitenrandbegrenzung ergeben. λ_ges1 ergibt sich durch die Seitenränder an der Kupplungskugelaufnahme begrenzt durch die Kupplungskugel bzw. den Kontakt zwischen diesen Teilen. λ_ges2 ergibt sich durch die Seitenränder des Verschlussstücks 7. Es ist ersichtlich, dass λ_ges1 vom Betrag her wesentlich größer ist, als λ_ges2. Bei der vorliegend gezeigten Kupplungskugelaufnahme ergibt sich λ_ges1 zu ca. 120° und λ_ges2 zu ca. 90°. Werden durch die Foliensensoren Freiräume detektiert und wird von der Auswerteeinheit registriert, dass der Winkel λ_ges zwischen den Extremen λ_ges1 und λ_ges2, d.h. zwischen 90° und 120° liegt, so wertet die Auswerteeinheit die Freiräume als repräsentativ für die Knickwinkelerfassung. Die Auswerteeinheit verschafft sich quasi ein Bild von der Kupplungskugelaufnahme 2 und den an der Kupplungskugelaufnahme 2 vorliegenden Freiräumen 18, 19.
2b zeigt eine Kupplungskugelaufnahme 2, die ebenfalls ein Verschlussstück 7 aufweist. Die Kupplungskugelaufnahme 2 ist in diesem Fall als Anti-Schlinger-Kupplung ausgelegt und weist daher quer ab der Längsachse 21 des Anhängerfahrzeugs jeweils einen Reibbelag 30 und einen Reibbelag 31 auf. Die Reibbeläge 30, 31 sind gegenüberliegend angeordnet, wobei diese mit ihrer Längsachse auf der durch den Mittelpunkt 14 verlaufenden Querachse 21a liegen. Die in Richtung Kugel verlaufenden Ausnehmungen der Reibbeläge sind kugelig ausgeführt, so dass der Reibbelag einen maximalen Kontakt mit der Kugel hat, wenn er an dieser anliegt. Dargestellt ist an den Reibbelägen jeweils ein Freiraum 28, 29, der somit auch von dem Sensor bzw. Foliensensor detektiert werden kann. Denkbar ist auch, dass die Freiräume 28, 29 erst dann entstehen, wenn die Reibbeläge soweit abgenutzt sind, dass die jeweils dahinter liegende Bohrung 32 frei wird. Eine übermäßige Abnutzung der Reibbeläge 30,31 kann so durch den Sensor 15 detektiert werden. Die Auswerteeinrichtung 22 erkennt die gegenüberliegenden Freiräume, zwischen denen ein Winkel von etwa 180° vorliegt. Die in der 2b gezeigten bzw. abgetragenen Winkel an den Seitenrändern der Freiräume 28, 29 (λ_ges3, λ_ges4) liegen nahe 180°. Es verhält sich hier ähnlich wie bei den zuvor genannten Winkeln λ_ges1 und λ_ges2, wobei λ_ges3 etwas größer als 180° und λ_ges4 etwas geringer als 180° betragen muss, damit diese Winkel von der Auswerteeinrichtung als Freiräume erkannt werden, die zu einer Anti-Schlinger-Kupplung bzw. zu deren Reibbeläge gehören.
3a zeigt eine teilgeschnittene Seitenansicht der einstückig mit der Zugstange 4 verbundenen 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 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 (vergl. 4).
Die 3b zeigt eine perspektivische Darstellung eines Kugelzapfens, ähnlich der Darstellung in 3a. Im Gegensatz zu der einstückig mit der Zugstange 4 verbundenen Kupplungskugel 3 gemäß 3a ist es in 3b dergestalt, dass die Kupplungskugel 3 geteilt ist, in einen oberen Kugeldeckel 3a und ein Kugelunterteil 3b. Der Darstellung ist zu entnehmen, dass dem Kugelzapfen 4a eine Versorgungsbohrung bzw. Quernut 4a beigebracht ist, wobei diese durch den ganzen Kugelzapfen verläuft und diese so mit einer Kabelverbindung oder Auswerteelektronik bestückt werden kann. An der Oberseite ist ein Außengewinde 3c zu verzeichnen, welches bei Verschraubung des Kugeldeckels 3a mit dem Kugelzapfen 4 zu einer formschlüssigen Verbindung führt. Es ist offensichtlich, dass nach der Verschraubung des Kugeldeckels 3a auf den Kugelzapfen eine Ringnut 12 verbleibt, wie diese auch aus 3a ersichtlich ist. Die Ringnut kann, wie in 3a bereits beschrieben, mit einem Ringkörper 27 bzw. Kapselmittel 25 samt Foliensensor bestückt werden. An der von der Kugel abgewandten Seite weist der Kugelzapfen ein Gewinde 4b auf, welches zum Anschrauben des Kugelzapfens in eine Kugelstange geeignet ist. In bevorzugter Weise wird der Kugelzapfen mit den notwendigen Kabeln und der Auswerteelektronik bestückt sowie mit dem Sensor versehen, so dass sich hinsichtlich der Sensorik und der notwendigen elektrischen Verbindungen ein vormontierter Kugelzapfen ergibt, der einfach zu montieren ist, um diesen dann als vorgefertigtes Bauteil mit der Kugelstange zu verbinden.
In einer z.B. in 4 gezeigten, 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. hintereinander liegenden und nebeneinander liegenden mehrlagigen 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 mehrlagigen Planarspulen 26 elektrisch mit einer Auswerteeinrichtung 22 verbunden, die beispielsweise an der Zugstange 4 angeordnet sind und per Kabel oder drahtlos mit der weiteren Fahrzeugelektronik verbunden sein kann. Die Auswerteeinrichtung erfasst den Abstand des jeweiligen Foliensensors 15 bzw. der mehrlagigen 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 ein für den Freiraum 18 erfasster Verdrehwinkel β1 und ein für den Freiraum 19 erfasster Verdrehwinkel β2, so ergibt sich der Winkel α beispielsweise zu: α = (β1 + β2)/2.
Die 5 und 5a zeigen schematisch einen nicht eingebauten Foliensensor mit mehrlagigen Planarspulenausbildungen. 5 zeigt schematisch, wie ein, insbesondere aus MID-fähigem und strukturierten, aus Kunststoffmaterial bestehender, Foliensensor 15 mit mehreren radial hintereinander liegenden und mehrlagigen nebeneinander liegenden 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 solcher Planarspulen 26 dar. Die Ringkörper 27 umgeben dann die Kupplungskugel 3 gemäß den 3a und/oder 3b in der Ringnut 12 und werden nach außen durch ein Kapselmittel 25 gesichert bzw. geschützt.
In 5a ist eine Draufsicht auf den gekennzeichneten Teilbereich der 5 dargestellt. Die Planarspule 26 ist aus mehreren, hier konkret zwei, radial hintereinander liegenden Spulenlagen 26d, 26e gebildet. Die Spulenlagen 26d, 26e befinden sich direkt hintereinander, wobei der durch den vom Zentrum des Ringkörpers 27 radial auswärts weisende Pfeil r jeweils durch den Mittelpunkt der jeweils hintereinander liegenden Spulen reicht und die radial hintereinander liegende Anordnung der Spulen verdeutlicht. Die Spulen sind mit gleicher Wirkrichtung elektrisch in Reihe geschaltet, wodurch sich eine Erhöhung der Induktivität der resultierenden mehrlagigen Planarspule als Summe der Einzelinduktivitäten zuzüglich der Koppelinduktivitäten zwischen den einzelnen Spulen ergibt.
6 zeigt einen Ablauf der Verfahrensschritte gemäß der Erfindung. In einem ersten Schritt KU wird das Kugelumfeld abgetastet. Der in der Kupplungskugel 3 verwendete Sensor 15 ist in der Lage, wie zuvor bereits beschrieben, Freiräume zu detektieren. Ist keine Kupplungskugelaufnahme 2 auf der Kupplungskugel 3 gelagert, so ergibt sich ein umlaufender Freiraum, der von der Auswerteeinrichtung detektiert wird. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung signalisieren, dass auf der Kupplungskugel 3 keine Kupplungskugelaufnahme 2 vorhanden ist. Bei Vorhandensein einer Kupplungskugelaufnahme 2 auf der Kupplungskugel 3 werden in einem nächsten Schritt DF etwaig vorhandene Freiräume zwischen der Kupplungskugel 3 und der Kupplungskugelaufnahme 2 detektiert. Hierbei spielt hinsichtlich der Freiräume das Verschlussstück 7 eine maßgebliche Rolle. In einem nächsten Schritt, bezeichnet mit ALF, wird die Lage der etwaig festgestellten Freiräume 18, 19, 28, 29 ausgewertet. Dabei werden die Freiräume bzw. die Seitenränder 16, 17 erfasst und so die bereits zu den 2a und 2b besprochenen Winkel λ_ges1, λ_ges2, λ_ges3, λ_ges4 bzw. λ_d1 und λ_d2 bestimmt. Nach Vorliegen dieser Daten erfolgt in einem nächsten Schritt FNF durch die Auswerteeinheit das Festlegen der nutzbaren Freiräume dahingehend, dass eine Knickwinkelbestimmung, wie zuvor bereits beschrieben, ermöglicht wird. Dieses erfolgt schlussendlich in einem weiteren Schritt EK, in dem der Knickwinkel anhand der Freiräume 18, 19, 28, 29 bestimmt wird.
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, -umfeld
3a: Kugeldeckel
3b: Kugelunterteil
3c: Gewinde
4: Zugstange, Kugelzapfen
4a: Versorgungsbohrung, Quernut
4b: Gewinde Kugelzapfen
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: Sensor, Foliensensor, (MID-fähiger) Kunststoffträger
16: Seitenrand des Verschlussstücks
17: Seitenrand des Verschlussstücks
18: Freiraum
19: Freiraum
20: Längsachse des Zugfahrzeugs
21: Längsachse des Anhängerfahrzeugs
21a: Querachse
22: Auswerteeinrichtung
23: Linie
24: Umfangsrichtung
25: Kapselmittel
26: Spulen, mehrlagige Planarspule
26d, e: Spulenlage
27: Ringkörper
28: Freiraum
29: Freiraum
30: Reibbelag
31: Reibbelag
32: Bohrungen
α: Knickwinkel / Position des Verschlussstücks
β: Messwinkel, Verdrehwinkel
L: Abstand
r: radiale auswärts weisende Richtung
f_i: Signal
ψ_i: Winkel bzw. Lage der Spulen um die Hochachse
λ_d1: Winkel zwischen Freiräumen
λ_d2: Winkel zwischen Freiräumen
λ_ges1, λ_ges2: Winkel zwischen Freiräumen
λ_ges3, λ_ges4: Winkel zwischen Freiräumen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013213663 [0002]

Claims

Verfahren zur Erkennung des Zustands einer Anhängerkupplung sowie Ermittlung eines Knickwinkels zwischen einem Zugfahrzeug und einem 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, wenn diese auf der Kupplungskugel (3) um deren Hochachse (11) drehbar gelagert und, insbesondere mittels eines Verschlussstücks (7), auf der Kupplungskugel (3) gesichert ist, wobei die Kupplungskugel (2) wenigstens einen Sensor (15) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte, – Abtastung des Kupplungskugelumfelds (3), – Detektieren von Freiräumen (18, 19) zwischen Kupplungskugel (3) und Kupplungskugelaufnahme (2), insbesondere unter Bezugnahme auf das Verschlussstück (7), – Auswerten der Lage der Freiräume (18, 19, 28, 29), – Festlegen der nutzbaren Freiräume (18, 19, 28, 29), – Ermittlung des Knickwinkels (α).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Auswerten der Lage der Freiräume (18, 19, 28, 29) eine Abstandsbestimmung der Freiräume vom Mittelpunkt (14) der Kupplungskugel (3) und/oder der Freiräume vom Sensor (15) mittels des Sensors (15) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei beim Auswerten der Lage der Freiräume (18, 19, 28, 29) in Bezug auf den Mittelpunkt (14) und/oder der Hochachse (11) der Kupplungskugel (3) ein oder mehrere Winkel (λ_ges1,2,3,4) bestimmt werden, welche Winkel zwischen zumindest zwei Freiräumen repräsentieren und welche zum Festlegen der für die Winkelerfassung nutzbaren Freiräume herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei nach Auswerten der Lage der Freiräume (18, 19, 28, 29) eine Erkennung einer Kupplungskugelaufnahme (2) anhand der Lage der Freiräume und/oder der Abstände zum Sensor (15) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei nach Bestimmung der repräsentativen Freiräume die Bestimmung des Knickwinkels (α) zwischen Zugfahrzeug und Anhänger durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei für die Erkennung der Kupplungskugelaufnahme (2) der auf die Kupplungskugel (3) wirkende Druck ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei nach Erkennung der Kupplungskugelaufnahme eine Reibbelagprüfung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Durchführung der Verfahrensschritte eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die Daten und Werte von Freiräumen, insbesondere Drücke auf die Kupplungskugel (3), Abstände vom Mittelpunkt (14) und/oder vom Sensor (15) der Kupplungskugel (3) und/oder Winkel (λ_ges1,2,3,4) zwischen Freiräumen (18, 19, 28, 29) speichern kann und/oder solche gespeicherten Daten und Werte mit den aktuell ermittelten Daten und Werte vergleichen kann, um auf die Kupplungskugel aufgesetzte Kupplungskugelaufnahmen zu identifizieren.
Anhängerkupplung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (15) an der Kupplungskugel (3) durch wenigstens einen Foliensensor (15) gebildet ist, wobei der Foliensensor (15) vom Mittelpunkt (14) gesehen wenigstens zwei radial hintereinander angeordnete Spulen (26) aufweist, die mit einer Auswerteeinrichtung (22) verbunden sind.
Anhängerkupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Spulen (26) auf dem Foliensensor (15) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Anhängerkupplung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Foliensensor (15) aufgebrachten Spulen (26) als Planarspulen (26) ausgebildet sind.
Anhängerkupplung nach einem der Ansprüche von 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (15) als induktiver, kapazitiver oder resistiver oder piezoresistiver Sensor ausgebildet ist.
Anhängerkupplung einem der Ansprüche von 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (15) in der Kupplungskugel (3), insbesondere in einer Ringnut (12), eingelassen ist, wobei der Sensor (15), insbesondere in der Ringnut, bevorzugt oberhalb und/oder unterhalb des Äquators der Kupplungskugel (3) verläuft, insbesondere in einem Kapselmittel (25) angeordnet ist oder zwischen Kupplungskugel (3) und Kapselmittel (25) eingeschlossen ist, insbesondere 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.
Sensor zur Verwendung an einer Anhängerkupplung einem der Ansprüche von 9 bis 13 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche von 1 bis 8.
Sensor nach Anspruch 14, wobei der Sensor (15) als Foliensensor in oder an einem Ringkörper (27) angeordnet ist und der Ringkörper (27) aus einem Kunststoff, insbesondere aus Halbringen, gebildet ist.