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Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Vorrichtungen zum gelenkigen Verbinden zweier Komponenten, die bei spurgeführten Fahrzeugen zum Einsatz kommen.
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Als Beispiel für derartige Vorrichtungen seien Kreuzgelenkkupplungen genannt, insbesondere solche, die zwei Gelenkgabeln und ein Zwischenglied aufweisen, das zwei in zueinander senkrechten Achsen angeordnete Paare von Zapfen aufweist, auf denen die Gelenkgabeln mit ihren Gabelaugen schwenkbar gelagert sind.
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Als weiteres Beispiel für Vorrichtungen zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente seien Kupplungsanlenkungen genannt, insbesondere solche mit einer Gelenkanordnung zum gelenkigen Verbinden einer Zugstange mit einem Lagerbock eines Wagenkastens. Die Gelenkanordnung kann hierzu ein am wagenkastenseitigen Ende der Zugstange angeordnetes Energieverzehrelement mit zumindest einem regenerativ ausgebildeten und in einem Gehäuse eingeschlossenen Energieverzehrglied aufweisen. Dabei ist es denkbar, dass das Energieverzehrelement derart ausgelegt ist, dass der Kraftfluss der von der Zugstange auf den Lagerbock übertragenen Zug-/Stoßkräfte vollständig durch das zumindest eine Energieverzehrglied geleitet wird.
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Eine derartige Kupplungsanlenkung ist dem Prinzip nach beispielsweise aus der Schienenfahrzeugtechnik für automatische Kupplungen und Kurzkupplungen von Schienenfahrzeugen bekannt. Sie dienen zum einen dazu, eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Zugstange der Gelenkanordnung und dem Wagenkasten herzustellen. Andererseits übernehmen Kupplungsanlenkungen, in denen ein Energieverzehrelement integriert ist, auch Zug-/Stoßsicherungsfunktionen, da das Energieverzehrelement Zug- und Druckkräfte, die von der Zugstange auf den Lagerbock übertragen werden, bis zu einer definierten Größe aufnehmen kann, so dass die Kräfte abgedämpft über den Lagerbock in das Fahrzeuguntergestellt weitergeleitet werden. Das Energieverzehrelement ist in der Regel zur Absorption von Zug- und Stoßkräften vorgesehen, welche während des normalen Fahr- und Kupplungsbetriebes zwischen den einzelnen Wagenkästen auftreten.
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1a zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Kupplungsanlenkung, die eine Gelenkanordnung der eingangs genannten Art in der Gestalt eines Elastomer-Federgelenkes aufweist. Dieses Federgelenk weist ein am wagenkastenseitigen Ende der Zugstange 101 angeordnetes Energieverzehrelement auf, in welchem zwei ringförmige Gummifedern als Energieverzehrglieder 111 enthalten sind. Die beiden Energieverzehrglieder 111 (Gummifedern) sind hier in einem Gehäuse 112 angeordnet, welches über einen Drehzapfen 102 mit dem Lagerbock 103 des zugehörigen Wagenkastens (nicht explizit dargestellt) angelenkt ist. Die Energieverzehrglieder 111 selber sind in Längsachse auf die Zugstange 101 aufgeschoben und werden dort mit Hilfe von jeweiligen Ringnuten entsprechend fixiert.
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In 1b ist die aus dem Stand der Technik bekannte Kupplungsanlenkung gemäß 1 in einem belasteten Zustand gezeigt. Im Einzelnen ist hier ein Zustand gezeigt, bei welchem Druckkräfte von der Zugstange 101 über die Energieverzehrglieder 111 (Federelemente) auf das Gehäuse 112 des Energieverzehrelementes und von dort über den Drehzapfen 102 in den Lagerbock 103 des Wagenkastens geleitet werden. Die Konfiguration und Anordnung des in der bekannten Gelenkanordnung integrierten Energieverzehrelements bewirken, dass sich die Energieverzehrglieder 111 bei der Übertragung der Druckkräfte von der Zugstange 101 auf das Gehäuse 112 stark verformen, wobei sie in erster Linie auf Schub belastet werden. Von dem Gehäuse 112 aus erfolgt die Übertragung der Kräfte über den Drehzapfen 102 in den Lagerbock 103 und damit in das Untergestell des Wagenkastens. Der Verlauf des Kraftflusses bei einer Zugbeanspruchung erfolgt in umgekehrter Weise, wobei die Kräfte vom Lagerbock 103 über das Gehäuse 112 auf die jeweiligen Energieverzehrglieder 111 (Federelemente) und anschließend über die Federelemente 111 auf die Zugstange 101 übertragen werden.
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Die Belastungsart der als Energieverzehrglieder 111 in dem Energieverzehrelement vorgesehenen Federelemente, bei der die Gummiteile vorrangig auf Schub belastet werden, hat allerdings zur Folge, dass das im Energieverzehrelement eingebrachte Gummimaterial der Energieverzehrglieder 111 nur teilweise für eine Verformung und somit Kraftabsorption ausgenutzt werden kann.
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Dies hat zur Folge, dass der bei der Übertragung von Zug-/Stoßkräften über das Energieverzehrelement stattfindende Ereignisablauf der Energieabsorption bzw. Energieübertragung nur bedingt vorhersehbar ist. Insbesondere ist es mit der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung nicht möglich, die beim Übertragen von Zug- und Druckkräften auftretende Verformung der einzelnen Energieverzehrglieder zu steuern oder aber auch zu begrenzen, um das in der Kupplungsanordnung integrierte Energieverzehrelement an einzelne Anwendungen speziell anzupassen.
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Ferner haben Energieverzehrglieder, die dahingehend ausgelegt sind, vorrangig auf Schub belastet zu werden, den Nachteil, dass der bei der Übertragung der Kräfte auftretende Kraftfluss nicht in definierter und insbesondere vorab festlegbarer Weise gelenkt werden kann.
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Darüber hinaus unterliegen die Kupplungsanlenkungen, in denen die Energieverzehrglieder vorrangig auf Schub belastet werden, einem relativ hohen Verschleiß.
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Um eine sichere und zuverlässige Funktionsweise des in der Kupplungsanlenkung vorgesehenen Energieverzehrelementes sicherstellen zu können, sind regelmäßige Wartungen der einzelnen im Energieverzehrelement integrierten Energieverzehrglieder notwendig. Insbesondere werden in der Kupplungsanlenkung bei der Kraftübertragung die Energieverzehrelemente insbesondere an ihren Kanten stark beansprucht und deformiert (gequetscht), was zu einer schnelleren Materialermüdung führen kann. Dabei kann grundsätzlich ein nicht zu vernachlässigbares Risiko eines außerplanmäßigen und vorzeitigen Ausfalls der Energieverzehrelemente bestehen.
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Diese im Zusammenhang mit Kupplungsanlenkungen diskutierten Probleme treffen im übertragenen Sinne auch für andere Vorrichtungen zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente zu, insbesondere für solche Vorrichtungen, die als Kreuzgelenkkupplung bzw. Kreuzgelenk ausgebildet sind.
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Ausgehend von den diskutierten Problemen liegt der vorliegenden Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtungen zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass bei der Übertragung von Zug- und Druckkräften von der Zugstange über das Energieverzehrelement in den Lagerbock des Wagenkastens der Ereignisablauf der im Energieverzehrelement stattfindenden Energieabsorption und somit das Dämpfungsverhalten des Energieverzehrelements im Hinblick auf die übertragenen Kräfte zuverlässiger bestimmbar ist, wobei gleichzeitig die Überlastsicherheit verbessert werden soll.
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Insbesondere soll eine sichere und zuverlässige Funktionsweise der Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Komponenten sichergestellt werden. Dies gilt vor allem bei solchen Vorrichtungen, in denen ein regenerativ ausgebildetes Energieverzehrelement zum Einsatz kommt, welches im Betrieb der Vorrichtung regelmäßig einem Verschleiß unterworfen ist. Insbesondere sollen in diesem Zusammenhang die vorzunehmenden Wartungen der einzelnen im Energieverzehrelement integrierten Energieverzehrglieder besser vorhersehbar sein.
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Ferner besteht ein Bedarf dahingehend, dass Vorrichtungen zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente möglichst optimal an die jeweilige Anwendung angepasst/adaptiert werden können.
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Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 bzw. gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 20 gelöst.
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Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Komponenten mit einer Einrichtung versehen ist zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird insbesondere eine Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente angegeben, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente aufweist, und wobei die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente mindestens einen an der relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente angeordneten Beschleunigungs- und/oder Drehratensensor aufweist.
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Unter dem hierin verwendeten Ausdruck „Ausmaßes einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente“ ist insbesondere die Wegstrecke der Relativbewegung zwischen der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente zu verstehen, während der Ausdruck „Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente“ die Bewegungsrichtung in der Richtung der X-, Y- und/oder Z-Achse bzw. eine Torsionsbewegung bezeichnet.
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Die Z-Achse bezeichnet hierin die Längsachse, während die X- und Y-Achse die jeweiligen orthogonal zur Z-Achse stehenden Achsen bezeichnen.
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Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbaren Vorteile liegen auf der Hand: indem die die Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Komponenten mit einer Einrichtung versehen ist zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente, ist im Betrieb der Vorrichtung zu jeder Zeit möglich, die tatsächlich im Betrieb auftretenden und in die Vorrichtung eingeleiteten Kräfte sowie das Ansprechverhalten der Vorrichtung zu überwachen/aufzuzeichnen. Insofern ist der Ereignisablauf einer beispielsweise in einem Energieverzehrelement der Vorrichtung stattfindenden Energieabsorption und somit das Dämpfungsverhalten des Energieverzehrelements im Hinblick auf die übertragenen Kräfte zuverlässig überwachbar und vorhersehbar.
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Insbesondere kann stets eine sichere und zuverlässige Funktionsweise der Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Komponenten sichergestellt werden. Dies gilt vor allem bei solchen Vorrichtungen, in denen ein regenerativ ausgebildetes Energieverzehrelement zum Einsatz kommt, welches im Betrieb der Vorrichtung regelmäßig einem Verschleiß unterworfen ist. Insbesondere ist es mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich, zeitlich genau anzugeben, wann eine Wartung der Vorrichtung und insbesondere der einzelnen in der Vorrichtung ggf. integrierten Energieverzehrglieder erforderlich ist.
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Darüber hinaus ermöglicht es die vorliegende Erfindung, dass die Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente optimal an die jeweilige Anwendung angepasst/adaptiert werden kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in der jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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So ist bei diversen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, dass die zweite Komponente der Vorrichtung relativ zu der ersten Komponente der Vorrichtung um die X-, Y- und Z-Achse bewegbar ist, und wobei die zweite Komponente ferner bezüglich der ersten Komponente verdrehbar ist.
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Im Hinblick auf beispielsweise eine Kupplungsanlenkung als Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente sei erwähnt, dass mit der erfindungsgemäßen Lösung jede Bewegung einer Zugstange relativ zu dem Lagerbock eines Wagenkastens erfassbar ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente als berührungslos arbeitende Einrichtung ausgebildet. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die berührungslos arbeitende Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente mindestens einen Signalgeber und mindestens eine dem mindestens einen Signalgeber zugeordneten Empfänger aufweist.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere denkbar, dass die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente mindestens einen vorzugsweise an der zweiten Komponente angeordneten Lichtemitter und mindestens einen vorzugsweise an der ersten Komponente angeordneten optischen Positionssensor aufweist, wobei der optische Positionssensor vorzugsweise ausgelegt ist, die ein- oder zweidimensionale Position eines von dem Lichtemitter ausgesandten Lichtpunktes zu messen. In vorteilhafter Weise ist der mindestens eine vorzugsweise an der zweiten Komponente angeordnete Lichtemitter derart hinsichtlich des mindestens einen vorzugsweise an der ersten Komponente angeordneten optischen Positionssensors ausgerichtet und gebildet, dass zumindest in einem nicht-ausgelenkten Zustand der zweiten Komponente der Lichtemitter ein Lichtmuster auf mindestens einen Lichtempfänger des optischen Positionssensors abbildet.
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Beispielsweise kann der mindestens eine Lichtempfänger eine Vielzahl von 2- dimensional angeordneten, lichtempfindlichen Sensorbereichen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es denkbar, dass der mindestens eine Lichtempfänger mindestens eine Photodiodenzeile und/oder mindestens eine zweidimensionale, flächige oder gebogene Sensoranordnung, insbesondere CMOS- oder CCD-Array-Sensoranordnung aufweist.
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Andererseits ist es aber auch denkbar, dass der mindestens eine Lichtemitter derart hinsichtlich des mindestens einen Lichtempfängers ausgerichtet und gebildet ist, dass zumindest in einem nicht-ausgelenkten Zustand der zweiten Komponente der Lichtemitter ein punktförmiges Lichtmuster auf den mindestens einen Lichtempfänger abbildet, wobei das auf dem mindestens einen Lichtempfänger abgebildete Lichtmuster vorzugsweise mindestens zwei voneinander beabstandete Lichtpunkte aufweist.
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Beispielsweise kann der mindestens eine Lichtemitter derart hinsichtlich des mindestens einen Lichtempfängers ausgerichtet und gebildet sein, dass zumindest in einem nicht-ausgelenkten Zustand der zweiten Komponente der Lichtemitter ein linienförmiges Lichtmuster auf den mindestens einen Lichtempfänger abbildet, wobei das auf dem mindestens einen Lichtempfänger abgebildete Lichtmuster vorzugsweise mindestens zwei voneinander getrennte Lichtlinien aufweist.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere denkbar, wenn das auf dem mindestens einen Lichtempfänger abgebildete Lichtmuster mindestens zwei voneinander getrennte Lichtlinien aufweist, welche unterschiedlich geneigt sind und sich vorzugsweise kreuzen. Insbesondere kann das auf dem mindestens einen Lichtempfänger abgebildete Lichtmuster X-, T- oder L-förmig sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine vorzugsweise an der ersten Komponente angeordnete Lichtempfänger ausgebildet ist, kontinuierlich oder zu vorgegebenen Zeiten und/oder Ereignissen das von dem mindestens einen Lichtemitter auf dem mindestens einen Lichtempfänger abgebildete Lichtmuster als entsprechender Datensatz zur weiteren Verarbeitung aufzunehmen, und wobei ferner eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist zum Auswerten des von dem mindestens einen Lichtempfänger aufgenommenen Datensatzes.
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In diesem Zusammenhang ist es denkbar, wenn die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, den von dem mindestens einen Lichtempfänger aufgenommenen Datensatz mit einem Referenzdatensatz zu vergleichen und anhand des Vergleiches auf das Ausmaß und die Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente rückzuschließen, wobei der Referenzdatensatz vorzugsweise einem Lichtmuster entspricht, welches einem in einem nicht-ausgelenkten Zustand der zweiten Komponente auf dem mindestens einen Lichtempfänger abgebildeten Lichtmuster entspricht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente mindestens einen vorzugsweise an der zweiten Komponente angeordneten Magneten und mindestens einen vorzugsweise an der ersten Komponente angeordneten Magnetsensor, insbesondere Hall-Sensor aufweist.
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In diesem Zusammenhang ist es denkbar, wenn die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente mindestens drei vorzugsweise an der ersten Komponente angeordnete Magnetsensoren, insbesondere Hall-Sensoren oder dergleichen aufweist, welche zur 3-D-Positionsmessung räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.
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Andererseits ist gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente mindestens einen vorzugsweise an der ersten Komponente angeordneten kapazitiven und/oder induktiven Sensor aufweist.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere denkbar, wenn die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente mindestens drei vorzugsweise an der ersten Komponente angeordnete kapazitive Sensoren aufweist, welche zur 3-D-Positionsmessung räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.
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Insbesondere ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung als Gelenkanordnung zum gelenkigen Verbinden einer Kupplungsstange mit einem Lagerbock eines spurgeführten Fahrzeuges ausgebildet ist, wobei die erste Komponente der Lagerbock ist, und wobei die zweite Komponente der lagerbockseitige Endbereich der Kupplungsstange ist, welche vorzugsweise über ein Spärolastiklager mit dem Lagerbock gelenkig verbunden ist.
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Alternativ hierzu ist es denkbar, dass die erste Komponente über eine Kreuzgelenkwellenanordnung mit der zweiten Komponente verbunden ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente angegeben, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente aufweist, wobei die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente mindestens einen an der relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente angeordneten Beschleunigungs- und/oder Drehratensensor aufweist.
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In diesem Zusammenhang ist es denkbar, wenn die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente mindestens drei an der relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente angeordnete Beschleunigungs- und/oder Drehratensensor aufweist, welche zur 3-D-Positionsmessung räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.
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Alternativ oder zusätzlich hierzu ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Vorrichtung als Gelenkanordnung zum gelenkigen Verbinden einer Kupplungsstange mit einem Lagerbock eines spurgeführten Fahrzeuges ausgebildet ist, wobei die erste Komponente der Lagerbock ist, und wobei die zweite Komponente der lagerbockseitige Endbereich der Kupplungsstange ist, welche vorzugsweise über ein Spärolastiklager mit dem Lagerbock gelenkig verbunden ist.
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Andererseits kann die erste Komponente über eine Kreuzgelenkwellenanordnung mit der zweiten Komponente verbunden sein.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
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1a eine Schnittansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Kupplungsanlenkung als Beispiel einer Vorrichtung zum gelenkigen verbinden zweier Komponenten bei einem spurgeführten Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug;
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1b eine Schnittansicht der in 1a gezeigten Kupplungsanlenkung in einem kraftbeaufschlagten Zustand;
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2 eine perspektivische Seitenansicht einer exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Komponenten bei einem spurgeführten Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug;
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3 eine Ansicht der in 2 gezeigten exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Teilschnitt;
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4a ein auf einem Lichtempfänger der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 abgebildetes Lichtmuster in einem Zustand der Vorrichtung, in welchem die Kupplungsstange (= zweite Komponente) der exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinsichtlich des Lagerbocks (= erste Komponente) der exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht relativversetzt/verschoben oder verdreht ist;
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4b ein auf einem Lichtempfänger der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 abgebildetes Lichtmuster in einem Zustand der Vorrichtung, in welchem die Kupplungsstange (= zweite Komponente) der exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinsichtlich des Lagerbocks (= erste Komponente) der exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung verdreht ist;
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4c ein auf einem Lichtempfänger der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 abgebildetes Lichtmuster in einem Zustand der Vorrichtung, in welchem die Kupplungsstange (= zweite Komponente) der exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinsichtlich des Lagerbocks (= erste Komponente) der exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Richtung der X-Achse, und in Richtung der Y-Achse versetzt/ausgelenkt ist, wobei ferner die Kupplungsstange (= zweite Komponente) hinsichtlich des Lagerbocks (= erste Komponente) verdreht ist;
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4d ein auf einem Lichtempfänger der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 abgebildetes Lichtmuster in einem Zustand der Vorrichtung, in welchem die Kupplungsstange (= zweite Komponente) der exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinsichtlich des Lagerbocks (= erste Komponente) der exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur in Richtung der Z-Achse versetzt/ausgelenkt ist; und
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5 eine schematische Ansicht einer Anordnung von 3-D-Positionssensoren zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform.
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1a und 1b zeigen eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Komponenten in Gestalt eines Elastomer-Federgelenkes einer Kupplungsanlenkung. Wie bereits zuvor beschrieben, sind im Betrieb die in dieser Kupplungsanlenkung integrierten Energieverzehrelemente einem erhöhten Verschleiß unterworfen, so dass eine sichere und zuverlässige Funktionsweise der in der Kupplungsanlenkung vorgesehenen Energieverzehrelemente tatsächlich u.a. nur dann sichergestellt werden kann, wenn diese regelmäßig gewartet werden.
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Um insbesondere den Verschleiß der in der Kupplungsanlenkung vorgesehenen Energieverzehrelemente überwachen zu können, und um auf diese Weise die Wartungsintervalle zuverlässig angeben zu können, ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Relativbewegung vorgesehen.
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Der Aufbau und die Funktionsweise von exemplarischen Ausführungsformen dieser Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Relativbewegung werden nachfolgend anhand exemplarischer Ausführungsformen beschrieben.
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Im Einzelnen zeigt 2 eine perspektivische Seitenansicht einer exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Komponenten bei einem spurgeführten Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug. Hierbei ist die Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Komponenten als eine in einer aus dem Stand der Technik an sich bekannten Mittelpufferkupplung verwendete Anlenkung 2 ausgeführt.
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In 3 ist die Anlenkung 2 gemäß 2 in einer Seitenschnittansicht gezeigt.
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Wie dargestellt, ist in der Anlenkung 2 ein Elastomer-Federelement 10 als Zug-/Stoßeinrichtung integriert. Dieses Federelement 10 ist derart ausgelegt, dass Zug und Druck bis zu einer fest definierten Größe aufgenommen und darüber hinausgehende Kräfte über den Lagerbock 4 in das Fahrzeuguntergestell weitergeleitet werden. Die in 2 und 3 dargestellte Anlenkung 2 umfasst den hinteren Teil der Kupplungsanordnung und dient dazu, den Kupplungsschaft 1 über den Lagerbock 4 an der (hier nicht explizit dargestellten) Anschraubplatte des Wagenkastens horizontal schwenkbar anzulenken.
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Wie in 3 angedeutet, weist die Anlenkung 2 ferner eine Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung des Kupplungsschafts 1 relativ zu dem Lagerbock 4 auf. Im Einzelnen ist bei der in 2 und 3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform vorgesehen, dass – u.a. aufgrund der Federelemente 10 – der Kupplungsschaft 1 relativ zu dem Lagerbock 4 um die X-, Y- und Z-Achse bewegbar ist, wobei der Kupplungsschaft 1 ferner bezüglich des Lagerbocks 4 verdrehbar (Torsion) ist.
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Im Einzelnen ist bei der in 3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform vorgesehen, dass die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung des Kupplungsschafts 1 (= zweite Komponente) relativ zu dem Lagerbock 4 (= erste Komponente) als berührungslos arbeitende Einrichtung ausgebildet ist und mindestens einen Signalgeber und mindestens eine dem mindestens einen Signalgeber zugeordneten Empfänger aufweist. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass die Einrichtung mindestens einen an dem Kupplungsschaft 1 angeordneten Lichtemitter 3 und mindestens einen an dem Lagerbock 4 angeordneten optischen Positionssensor 5 aufweist. Der optische Positionssensor 5 ist ausgelegt, die ein- oder zweidimensionale Position eines von dem Lichtemitter ausgesandten Lichtpunktes zu messen bzw. zu erfassen.
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Im Einzelnen, und wie es anschließend unter Bezugnahme auf 4a bis 4d beschrieben wird, ist bei der in 3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Komponenten vorgesehen, dass der mindestens eine an der Kupplungsstange 1 angeordnete Lichtemitter 3 derart hinsichtlich des mindestens einen an dem Lagerbock 4 angeordneten optischen Positionssensors 5 ausgerichtet und gebildet ist, dass zumindest in einem nicht-ausgelenkten Zustand der Kupplungsstange 1 der Lichtemitter 3 ein Lichtmuster auf mindestens einen Lichtempfänger 5 des optischen Positionssensors abbildet.
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Wie es der Darstellung in 4a entnommen werden kann, ist bei der in den Zeichnungen gezeigten exemplarischen Ausführungsform vorgesehen, dass das auf dem mindestens einen Lichtempfänger 5 abgebildete Lichtmuster insbesondere X-förmig ist.
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Im Einzelnen zeigt 4a ein auf einem Lichtempfänger 5 der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 abgebildetes Lichtmuster in einem Zustand der Vorrichtung, in welchem die Kupplungsstange 1 (= zweite Komponente) der exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinsichtlich des Lagerbocks 4 (= erste Komponente) der exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht relativ versetzt/verschoben oder verdreht ist.
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In 4b hingegen ist das auf den Lichtempfänger 5 abgebildete Lichtmuster in einem Zustand der Vorrichtung gezeigt, in welchem die Kupplungsstange 1 hinsichtlich des Lagerbocks 4 verdreht ist, während 4c ein auf dem Lichtempfänger 5 abgebildetes Lichtmuster in einem Zustand der Vorrichtung zeigt, in welchem die Kupplungsstange 1 hinsichtlich des Lagerbocks 4 in Richtung der X-Achse, und in Richtung der Y-Achse versetzt/ausgelenkt ist, wobei ferner die Kupplungsstange 1 hinsichtlich des Lagerbocks 4 verdreht ist.
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In 4d ist ein auf dem Lichtempfänger 5 abgebildetes Lichtmuster in einem Zustand der Vorrichtung gezeigt, in welchem die Kupplungsstange 1 hinsichtlich des Lagerbocks 4 nur in Richtung der Z-Achse versetzt/ausgelenkt ist.
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Der mindestens eine an dem lagerbockseitigen Endbereich der Kupplungsstange 1 angeordnete Lichtempfänger 5 ist insbesondere ausgebildet, kontinuierlich oder zu vorgegebenen Zeiten und/oder Ereignissen das von dem Lichtemitter 3 auf dem Lichtempfänger 5 abgebildete Lichtmuster als entsprechender Datensatz zur weiteren Verarbeitung aufzunehmen. Vorzugsweise ist ferner eine Auswerteeinrichtung vorgesehen zum Auswerten des von dem Lichtempfänger 5 aufgenommenen Datensatzes.
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Denkbar ist in diesem Zusammenhang, dass die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, den von dem Lichtempfänger 5 aufgenommenen Datensatz mit einem Referenzdatensatz zu vergleichen und anhand des Vergleiches auf das Ausmaß und die Richtung einer Bewegung der Kupplungsstange 1 relativ zu dem Lagerbock 4 rückzuschließen. Der Referenzdatensatz entspricht vorzugsweise einem Lichtmuster, welches einem in einem nicht-ausgelenkten Zustand der Kupplungsstange 1 auf dem Lichtempfänger 5 abgebildeten Lichtmuster entspricht.
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Die Erfindung ist nicht auf Ausführungsformen beschränkt, bei welchen zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der Kupplungsstange 1 relativ zu dem Lagerbock 4 ein optisches Positionssensorsystem zum Einsatz kommt. Vielmehr ist es auch denkbar, wenn die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der Kupplungsstange 1 relativ zu dem Lagerbock 4 einen vorzugsweise an der Kupplungsstange 1 angeordneten passiven Geber G, wie beispielsweise einen Magneten, und mindestens einen vorzugsweise an dem Lagerbock angeordneten Sensor S1, S2, S3, wie beispielsweise Magnetsensor, kapazitiven Sensor oder induktiven Sensor aufweist. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Anzahl der Sensoren, um den Raum zu bestimmen, nicht mindestens drei betragen muss; vielmehr reichen – wenn beispielsweise 3D-Sensoren zum Einsatz kommen – auch bereits zwei Sensoren aus.
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In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn mindestens drei vorzugsweise an dem Lagerbock 4 angeordnete Sensoren S1, S2, S3 zum Einsatz kommen, welche – wie in 5 gezeigt – zur 3-D-Positionsmessung räumlich voneinander getrennt angeordnet sind. Die Auswertung der durch die Sensoren S1, S2, S3 aufgenommenen Daten erfolgt vorzugsweise durch trigometrische Berechnungen.
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Im Einzelnen zeigt 5 den grundsätzlichen Messaufbau. Es wird dabei vorzugsweise ein passiver Geber (G), z. B. ein Magnet, verwendet. Dieser wird wie der Bildgeber/Lichtemitter 3 in der vorherigen Variante an der zweiten Komponente (Kupplungsstange 1) der Vorrichtung befestigt. Die drei Sensoren S1, S2, S3 befinden sich auf der gegenüberliegenden Seite wie der Lichtempfänger 5 und sind an der erste Komponente (Lagerbock 4) der Vorrichtung befestigt.
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Jeder der drei Sensoren S1, S2, S3 ermittelt die beiden Winkel Sxalpha und Sxbeta. Daraus lassen sich die Geraden im dreidimensionalen Raum berechnen. Anschließend wird der Schnittpunkt und somit der Ort des Gebers G bestimmt.
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Da ein gemeinsamer Schnittpunkt nur selten erreicht wird, wird die kleinste Fläche bzw. der kleinste Körper berechnet, der sich aus dem Verlauf der Geraden ergibt. Der Schwerpunkt dieser Fläche bzw. des Körpers ist dann die Position des Gebers G.
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Wie bereits erwähnt, kommen als 3D-Positionssensor S1, S2, S3 unter anderem Magnetsensoren, insbesondere Hall-Sensoren in Betracht.
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In einer bevorzugten Realisierung der vorliegenden Erfindung wird auf dem beweglichen Teil eines Federgelenkes ein bildgebendes Element befestigt, das ein Kreuz mit einem definierten Öffnungswinkel auf einen Sensor projiziert. Der Sensor ist auf dem festen Teil des Federgelenkes montiert.
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Der Bildsensor erfasst das projizierte Bild und leitet die Informationen an einen Rechner (Mikrocontroller) weiter, der die Daten auswertet und die Auslenkung des Elastomerfedergelenks oder anderes Gelenk oder Sphärolastiklager ermittelt. Dabei sind u. a. die in 4a bis 4d dargestellten Projizierungen möglich.
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Die Erfindung ist nicht auf Vorrichtungen beschränkt, welche als Gelenkanordnung zum gelenkigen Verbinden einer Kupplungsstange mit einem Lagerbock eines spurgeführten Fahrzeuges ausgebildet sind, wobei die erste Komponente der Lagerbock ist, und wobei die zweite Komponente der lagerbockseitige Endbereich der Kupplungsstange ist, welche vorzugsweise über ein Spärolastiklager mit dem Lagerbock gelenkig verbunden ist. Vielmehr betrifft die Erfindung gleichwohl Vorrichtungen, bei denen die erste Komponente über eine Kreuzgelenkwellenanordnung mit der zweiten Komponente verbunden ist.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden einer ersten Komponente mit einer relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente eine Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente aufweist, wobei die Einrichtung zum Erfassen des Ausmaßes und/oder der Richtung einer Bewegung der zweiten Komponente relativ zu der ersten Komponente mindestens einen an der relativ zu der ersten Komponente bewegbaren zweiten Komponente angeordneten Beschleunigungs- und/oder Drehratensensor aufweist.
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Im Einzelnen werden bei dieser Ausführungsform die Beschleunigungs- und/oder Drehratensensoren an der beweglichen Komponente der Vorrichtung montiert und es werden die auftretenden Werte von Beschleunigung und Drehrate erfasst und ausgewertet. Der Vorteil an dieser Lösung liegt darin, dass es nur einen Montageort gibt, was die Handhabung vereinfacht.
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Bei der Verwendung von Beschleunigungs- und Drehratensensoren sind die zulässigen Werte bekannt. Durch die Veränderung der Auslenkung werden Werte gemessen, die nicht im zulässigen Wertebereich liegen. Um dieses Verfahren anwenden zu können, muss vorher ein Bewegungsprofil und die damit zusammenhängenden Werten ermittelt werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausführung der Erfindung nicht auf die in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern auch in einer Vielzahl von Varianten möglich ist.
