DE102017110520A1

DE102017110520A1 - Anhänger mit Hilfsantrieb

Info

Publication number: DE102017110520A1
Application number: DE102017110520.4A
Authority: DE
Inventors: Kurt Wahlmueller; Michael Aschaber
Original assignee: Steyr Motors GmbH
Current assignee: Steyr Motors GmbH
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2017-05-15
Publication date: 2018-11-15
Also published as: WO2018210865A1

Abstract

Es wird ein Anhänger für ein Fahrzeug beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Anhänger mindestens einen Sensor auf, der dazu ausgebildet ist, direkt oder indirekt eine auf den Anhänger wirkende Kraft zu messen. Der Anhänger weist weiter einen Elektromotor auf, der mit mindestens einem Rad des Anhängers gekoppelt ist. Eine Steuereinheit ist dazu ausgebildet, den Elektromotor anzusteuern. Dabei wird basierend auf von dem zumindest einen Sensor ermittelten Daten ein Fahrzustand des Anhängers ermittelt, und abhängig von dem ermittelten Fahrzustand wird der Elektromotor im Motorbetrieb, im Generatorbetrieb oder in einem Leerlaufbetrieb betrieben.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Anhänger, insbesondere einen Sattelauflieger (semi-trailer) mit Hilfsantrieb sowie ein Verfahren zum Betrieb dieses Anhängers.
HINTERGUND
Ein Großteil der Waren wird im modernen Güterverkehr unmittelbar oder mittelbar über Straßen zum Endverbraucher geliefert. Zu diesem Zweck ist eine große Anzahl an Lastwägen notwendig, die eine große Menge an Kraftstoff verbrauchen und die Umwelt mit Abgasen belasten. Außerdem herrscht im modernen Güterverkehr ein hoher Preisdruck, der die Spediteure dazu zwingt, Kosten für den Betrieb ihrer Flotte einzusparen und gleichzeitig die Flexibilität der Flotte zu erhöhen. Deshalb werden für den Güterverkehr in zunehmenden Maße kraftstoffsparende Lastwägen eingesetzt, die gleichzeitig mit modernen Abgasreinigungssystemen ausgestattet sind. Leider werden die Fortschritte, die im Bereich der Effizienz von Lastwägen mit Verbrennungsmotoren erzielt werden können, immer kleiner. Insbesondere die Effizienz von Sattelzugmaschinen ist bereits auf einem sehr hohen Niveau angelangt und es können in der Zukunft und auf Basis von Verbrennungsmotoren nur noch moderate Verbesserungen erzielt werden. Ausgenommen davon sind Entwicklungen im Bereich der Elektromobilität für Sattelzugmaschinen, die jedoch aufgrund einer geringen Reichweite bisher im Fernverkehr noch nicht mit Nachdruck vorangetrieben wurde. Die bisherigen Bestrebungen in Sachen Elektromobilität beschränken sich außerdem weitgehend auf den Bereich von Sattelzugmaschinen. Hingegen wurden Modifikationen an den Sattelaufliegern bisher nicht in Betracht gezogen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann also darin gesehen werden, die Effizienz von Anhängern zu steigern und diese dadurch preiswerter und umweltschonender zu betreiben.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben genannte Aufgabe wird durch einen Sattelauflieger mit Hilfsantrieb nach Anspruch 1, einen Anhänger gemäß Anspruch 17 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines Sattelaufliegers mit Hilfsantrieb nach Anspruch 13 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird ein Anhänger für ein Fahrzeug beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Anhänger mindestens einen Sensor auf, der dazu ausgebildet ist, direkt oder indirekt eine auf den Anhänger wirkende Kraft zu messen. Der Anhänger weist weiter einen Elektromotor auf, der mit mindestens einem Rad des Anhängers gekoppelt ist. Eine Steuereinheit ist dazu ausgebildet, den Elektromotor anzusteuern. Dabei wird basierend auf von dem zumindest einen Sensor ermittelten Daten ein Fahrzustand des Anhängers ermittelt, und abhängig von dem ermittelten Fahrzustand wird der Elektromotor im Motorbetrieb, im Generatorbetrieb oder in einem Leerlaufbetrieb betrieben.
Des Weiteren wird ein Sattelauflieger mit Hilfsantrieb beschrieben. Gemäß einem Ausführungbeispiel umfasst der Sattelauflieger einen Königszapfen, der mechanisch mit einer Karosserie des Sattelaufliegers verbunden ist, zumindest einen Sensor, der mit dem Königszapfen gekoppelt und dazu ausgebildet ist, auf den Königszapfen einwirkende Kräfte zu ermitteln, und einen Elektromotor, der mit mindestens einem Rad des Sattelaufliegers gekoppelt ist. Eine Steuereinheit ist dazu ausgebildet, den Elektromotor anzusteuern, basierend auf von dem zumindest einen Sensor ermittelten Daten, einen Fahrzustand des Sattelaufliegers zu ermitteln, und abhängig von dem ermittelten Fahrzustand den Elektromotor im Motorbetrieb, im Generatorbetrieb oder in einem Leerlaufbetrieb zu betreiben.
Schließlich wird ein Verfahren beschrieben, das gemäß einem Ausführungsbeispiel folgendes umfasst: ein direktes oder indirektes Messen von mindestens einer Kraft, die auf einen Anhänger wirkt, und das Ermitteln eines Fahrzustandes des Anhängers abhängig von der gemessenen Kraft. Ein mit einem Rad des Anhängers gekoppelter Elektromotors wird derart angesteuert, dass abhängig von dem ermittelten Fahrzustand der Elektromotor im Motorbetrieb, im Generatorbetrieb oder in einem Leerlaufbetrieb betrieben wird.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Figuren dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Ausführungsbeispiele und Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleicher bzw. ähnlicher Bedeutung bzw. Funktion. Zu den Abbildungen:

1 zeigt ein Beispiel eines Sattelauflieger in einer Seitenansicht.
2 zeigt exemplarisch einen Sattelzug mit einem Sattelauflieger gemäß 1 in einer Seitenansicht.
3 zeigt eine ein Beispiel einer Sattelplatte für eine Sattelzugmaschine in einer Seitenansicht.
4 zeigt die Sattelplatte aus 3 in einer Draufsicht.
5 zeigt ein Beispiel eines Königszapfens eines Sattelaufliegers in einer Draufsicht.
6 zeigt ein weiteres Beispiel eines Königszapfens in einer Seitenansicht.
7 zeigt ein weiteres Beispiel eines Königszapfen in einer Seitenansicht.
8 zeigt den Königszapfen gemäß 7 in einer Draufsicht.
10 illustriert exemplarisch die am Königszapfen bei konstanter Geschwindigkeit auftretenden Kräfte.
11 illustriert exemplarisch die am Königszapfen bei größer werdender Geschwindigkeit (Beschleunigung) auftretenden Kräfte.
12 illustriert exemplarisch die am Königszapfen bei kleiner werdender Geschwindigkeit (Verzögerung) auftretenden Kräfte.
13 illustriert exemplarisch einen Sattelzug bei Geradeausfahrt in einer Draufsicht.
14 illustriert exemplarisch einen Sattelzug bei Kurvenfahrt in einer Draufsicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt exemplarisch eine Seitenansicht eines Sattelaufliegers 100, der eine oder mehrere Achsen aufweisen kann. In vorliegenden Beispiel weist der Sattelauflieger die drei die Achsen 111, 112 und 113 auf. Der Sattelauflieger 100 ist in abgekoppeltem Zustand (das heißt ohne Zugmaschine) dargestellt und steht, abgestützt durch eine Stütze 101, auf einer beispielsweise ebenen Fläche 1. Um eine Verbindung mit der Zugmaschine zu ermöglichen kann der Sattelauflieger 100 einen Königszapfen 121 (auch als Königsbolzen oder Zugsattelzapfen bezeichnet) aufweisen, der an einer Unterseite 102 des Sattelaufliegers 100 angebracht ist.
Der Sattelauflieger 100 kann zumindest eine (wiederaufladbare) Batterie 123 und zumindest einen Elektromotor 124, der auch als Generator betrieben werden kann, sowie zumindest eine Steuereinheit 125 aufweisen. Die Batterie 123 kann auch ein Akku sein. Die Sensoren 122, die Batterie 123, der Elektromotor 124 und die Steuereinheit 125 sind elektrisch miteinander verbunden sein und bilden ein elektrisches Antriebssystem. Der Sattelauflieger 100 kann einen oder mehrere Sensoren aufweisen, die mit dem Königszapfen 121 mechanisch in Verbindung stehen. Darunter kann verstanden werden, dass der oder die Sensoren beispielsweise direkt am Königszapfen 121 oder in dessen Nähe angebracht sind. Im dargestellten Beispiel ist stellvertretend für den ein oder die mehreren Sensoren der Sensor 122 dargestellt, der in 1 exemplarisch auf einer Oberseite 132 (siehe 6 und 7) des Königszapfens 121 angebracht ist.
Über den Sensor 122 können am Königszapfen 121 auftretende Dehnungen oder Kräfte während der Fahrt des Sattelaufliegers 100 gemessen werden. Werden Dehnungen gemessen, so können aus den gemessenen Dehnungen die auftretenden Kräfte ermittelt werden. Wird im Folgenden von Kraftmessung oder gemessenen Kräften gesprochen, so kann darunter sowohl die direkte Messung einer Kraft als auch die Ermittlung einer Kraft aus gemessenen Dehnungen verstanden werden. Die Werte der gemessenen Kräfte oder gemessenen Dehnungen können mithilfe von Sensorsignalen an die Steuereinheit 125 weitergegeben werden, die z.B. von der Batterie 123 mit Energie versorgt wird und die eingehenden Sensorsignale des Sensors 122 auswertet. Die Steuereinheit 125 kann abhängig von den Sensorsignalen (und ggf. weiteren Parametern) den Elektromotor 124 der Signale ansteuern. Die Steuereinheit 125 kann basierend auf den Sensorsignalen z.B. einen Fahrzustand des Sattelaufliegers 100 (bzw. den Fahrzustand des Sattelaufliegers 100 in Kombination mit einem beliebigem Zugfahrzeug) ermitteln und gegebenenfalls mit vordefinierten Grenzwerten abgleichen und den Elektromotor 124 abhängig von dem ermittelten Fahrzustand ansteuern.
Der Elektromotor 124 kann mit zumindest einem Rad oder zumindest einer Achse des Sattelaufliegers 100 mechanisch verbunden sein und dazu ausgebildet sein, ein Antriebsmoment oder ein Bremsmoment auf das Rad oder die Achse des Sattelaufliegers 100 auszuüben. Beispielsweise kann der Elektromotor 124 ein Radnabenmotor sein, der an zumindest einem Rad des Sattelaufliegers 100 angebracht ist und das Rad direkt antreibt. In der Praxis werden im Fall von Radnabenmotoren beide Räder einer Achse angetrieben. In einem weiteren Beispiel kann der Elektromotor 124 auch über ein Getriebe mechanisch mit einer Achse des Sattelaufliegers 100 verbunden sein. In dieser Anordnung kann der Elektromotor 124 eine Achse des Sattelaufliegers 100 beschleunigen oder abbremsen.
Die auftretenden Kräfte, die im angekoppelten Zustand von der Zugmaschine 200 auf den Königszapfen 121 übertragen werden, können in der Ebene 2 (siehe 1, Ebene 2 parallel zur Unterseite 102 des Sattelaufliegers) liegen und für den Betrieb des Sattelaufliegers 100 kann am Königszapfen 121 näherungsweise ein ebenes Kraftsystem in der Ebene 2 angenommen werden.
In 2 ist ein beispielhafter Sattelauflieger 100 dargestellt, der an eine Zugmaschine 200 angekoppelt ist. Der angekoppelte Zustand stellt auch den vorgesehenen Betriebszustand des Sattelaufliegers 100 während der Fahrt dar. Die Zugmaschine 200 kann zwei oder mehrere Achsen aufweisen. Der Königszapfen 121 ist in angekoppeltem Zustand des Sattelaufliegers 100 im Eingriff mit einer Sattelplatte 210 (siehe 3), die am Heck der Zugmaschine 200 angebracht ist. Die dadurch entstehende Verbindung zwischen Sattelplatte 210 und dem Königszapfen 121 überträgt die im Betrieb auftretenden Kräfte zwischen der Zugmaschine 200 und dem Sattelauflieger 100. Folglich ist insbesondere der Königszapfen 121 ein im Betrieb des Gespanns stark belastetes Bauteil. Die dargestellte Kombination aus Zugmaschine 200 und Sattelauflieger 100 wird auch als Sattelzug 300 bezeichnet.
In 2 ist außerdem eine Vorwärtsfahrtrichtung v eingezeichnet. Die Vorwärtsfahrtrichtung v entspricht in dieser und in allen weiteren Abbildungen der Vorwärtsfahrtrichtung v der Zugmaschine 200. Die Vorwärtsfahrtrichtung v der Zugmaschine 200 entspricht folglich nicht in jedem Fahrzustand des Sattelzuges 300 der Vorwärtsfahrtrichtung des Sattelaufliegers 100. Insbesondere in Kurvenfahrt des Sattelzuges 300 wird die Vorwärtsfahrtrichtung v der Zugmaschine 200 von der Vorwärtsfahrtrichtung des Sattelaufliegers 100 abweichen.
In 3 ist eine Seitenansicht eines Beispiels einer Sattelplatte 210 dargestellt. Die Sattelplatte 210 kann eine Montageplatte 211 sowie eine Auflagefläche 212 aufweisen. Die Montageplatte 211 dient zur Befestigung der Sattelplatte 210 auf der Zugmaschine 200. Die Auflagefläche 212 kann um eine Achse 213 zur Montageplatte 211 drehbar gelagert sein. Die Achse 213 kann eine Achse sein, die quer zur Vorwärtsfahrtrichtung v und gleichzeitig parallel zur Montageplatte 211 liegt. Auf der Auflagefläche 212 kommt in angekoppeltem Zustand die Unterseite 102 des Sattelaufliegers 100 zum Liegen. Die drehbare Lagerung der Auflagefläche 212 um die Achse 213 dient dazu, Fahrbahnunebenheiten auszugleichen und daraus resultierende Verspannungen in der Verbindung aus Sattelplatte 210 und dem Königszapfen 121 zu minimieren. Gemäß einem weiteren Beispiel kann die Sattelplatte 210 zusätzlich zur Drehbarkeit um die Achse 213 um eine weitere Achse drehbar gelagert sein. Diese weitere Achse kann senkrecht auf der Achse 213 stehen und in der gleichen Ebene wie die Achse 213 verlaufen. Gegenüber der Sattelplatte 210 weist diese Sattelplatte einen zusätzlichen Freiheitgrad auf. Eine derartige Sattelplatte wird auch als kardanisch gelagerte Sattelplatte bezeichnet.
In 4 ist die Sattelplatte 210 aus 3 in einer Draufsicht auf die Auflagefläche 212 dargestellt. Zur besseren Verständlichkeit ist auch der Königszapfen 121 während des Einführens in die Sattelplatte 210 dargestellt. Neben einem Hebelwerk 230 zum Öffnen und Verriegeln einer Verschlussklaue 215 der Sattelplatte 210 ist ein Verschleißring 214 dargestellt. Der Königszapfen 121 ist in angekoppeltem Zustand im Verschleißring 214 drehbar gelagert und der Königszapfen 121 kann sich bei Kurvenfahrt im Verschleißring 214 drehen. Zu diesem Zweck kann der Verschleißring 214 beispielsweise aus Metall oder einem Kunststoff gefertigt sein. Die während der Fahrt auftretenden Kräfte zwischen Sattelauflieger 100 und Zugmaschine 200 werden vom Königszapfen 121 auf den Verschleißring 214 und umgekehrt übertragen.
In 5 ist der Königszapfen 121 in einer Draufsicht ausgehend vom Sattelauflieger 100 dargestellt. Neben dem Königszapfen 121 sind zwei Geraden 3 und 4 gezeigt (Symmetrieachsen). Die Kräfte, die am Königszapfen während der Fahrt auftreten können, können in Kraftkomponenten zerlegt werden, deren Wirkrichtung auf den Geraden 3 und 4 liegen. Im vorliegenden Beispiel liegen die Geraden 3 und 4 in der Ebene 2 (vgl. 1). Folglich können die in Ebene 2 auftretenden Kräfte am Königszapfen 121 jeweils in eine Kraftkomponente entlang der Gerade 3 und in eine Kraftkomponente entlang der Gerade 4 zerlegt werden. Die Gerade 3 kann parallel zu einer Längsachse 10 (siehe 9-13) des Sattelaufliegers 100 verlaufen, die Gerade 4 entsprechend parallel zu einer Querachse des Sattelaufliegers.
Der Sensor 122 bzw. die Sensoren können am Königszapfen 121 oder in dessen Nähe angebracht sein und mit diesem mechanisch verbunden sein. Die Sensoren können dazu ausgebildet sein, jene Kräfte in der Ebene 2 messen, die während der Fahrt des Sattelaufliegers 100 auf den Königszapfen wirken. Anhand der gemessenen Kräfte in der Ebene 2 kann ein Fahrzustand des Sattelzuges 300 ermittelt werden. Es kann beispielsweise ermittelt werden, ob sich der Sattelzug 300 in Geradeausfahrt oder in Kurvenfahrt befindet und/oder ob sich der Sattelzug 300 mit konstanter Geschwindigkeit bewegt oder beschleunigt wird.
6 zeigt in einer Seitenansicht ein Beispiel eines Königszapfens 121 mit einer Unterseite 131, der Oberseite 132 und einer um den Königszapfen 121 umlaufenden Nut 133. Der Königszapfen 121 kann außerdem einen Schaft 134 sowie eine Adapterplatte 135 aufweisen. Über die Adapterplatte 135 kann der Königszapfen 121 am Sattelauflieger 100 befestigt werden. Im angekoppelten Zustand liegt der Schaft 134 am Verschleißring 214 der Sattelplatte 210 an und die Verschlussklaue 215 der Sattelplatte 210 hält den Königszapfen 121 über dessen Nut 133 zuverlässig in der Sattelplatte 210. Der Königszapfen 121 kann einen oder mehrere Sensoren 140, 141 und 142 aufweisen. Diese Sensoren 140, 141 und 142 können radial gleichmäßig um den Schaft 134 verteilt sein und mechanisch mit dem Schaft 134 verbunden sein. Im Beispiel der 6 können vier Sensoren am Schaft 134 angebracht sein, wobei der erste und zweite Sensor 140 und 141 entlang der Geraden 3 (siehe 5) am Königszapfen 121 angebracht sein kann und wohingegen der dritte Sensor 142 und der vierte Sensor (nicht dargestellt) entlang der Geraden 4 (siehe 5) am Königszapfen angebracht sein können.
Die Sensoren 140, 141 und 142 können beispielsweise Dehnmessstreifen (DMS) sein, die derart am Schaft 134 angebracht sind, dass deren größte Empfindlichkeit auf Dehnungen parallel zu einer Längsachse 5 des Königszapfens 121 verläuft. Der oder die Sensoren 140, 141 oder 142 können beispielsweise auf den Schaft 134 aufgeklebt sein. In einem weiteren Beispiel kann der Schaft 134 auch mit Nuten versehen sein, in denen die Sensoren eingelegt und eingeklebt werden können. Die Sensoren 140, 141 oder 142 sind dadurch von der Reibung zwischen Verschleißring 214 und Schaft 134 weitgehend geschützt. Selbstverständlich müssen die Dehnmesstreifen vor äußeren Einflüssen geschützt werden.
7 zeigt den Königszapfen 121 in einer Seitenansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. 8 ist eine entsprechende Draufsicht. Der Königszapfen 121 ist abgesehen von der Art und der Positionierung der Sensoren gleich aufgebaut wie im vorherigen Beispiel. Im vorliegenden Beispiel sind die verwendeten Sensoren auf Druck empfindlich. Entsprechend können zumindest Sensoren 150, 151, 152 oder 153 (siehe Fig. 8) an einer um die Achse 5 radial umlaufende Fläche (Umfangsfläche) der Adapterplatte 135 angebracht sein.
Wie in 8 dargestellt, sind die Sensoren 150, 152, 151 und 153 jeweils um einen Winkel von 90° versetzt um die Achse 5 angeordnet. Die Sensoren 150, 151, 152 und 153 sind wie erwähnt auf Druckkräfte empfindlich und können beispielsweise Piezosensoren sein. Wird eine äußere Kraft in der Ebene 2 auf den Königszapfen 121 ausgeübt (z.B. wenn das Zugfahrzeug beschleunigt, abbremst oder in eine Kurve fährt), so werden je nach Richtung der äußeren Kraft Druckkräfte auf die Sensoren 150, 151, 152 und 153 ausgeübt. Die Sensorsignale können zur Auswertung an die Steuereinheit 125 geleitet werden. Die am Königszapfen 121 angebrachten Sensoren können beispielsweise auch Kraftmessdosen (load cells) oder eine Kombination aus den bereits genannten Sensoren sein. Die Sensoren können sowohl direkt am Königszapfen 121 angebracht sein als auch mechanisch mit dem Königszapfen 121 in Verbindung stehen.
9 illustriert ein weiteres Beispiel eines Königszapfens 121 inklusive Sensorik zur Kraftmessung. Der dargestellte Königszapfen 121 entspricht im Wesentlichen dem Beispiel aus 7, wobei als Kraftsensoren mindestens zwei (im vorliegenden Beispiel vier) Messunterlegscheiben 160, 161, 162, und 163 (load waschers) verwendet werden, welche dazu ausgebildet sind, die Vorspannkräfte F_B0 , F_B1 , F_B2 und F_B3 jener Schraubverbindungen zu messen, welche den Königszapfen 121 mit einer Unterseite des Sattelaufliegers 100 verbinden. Die betreffenden Schrauben sind mit 170, 171, 172 und 173 bezeichnet (Schraube 173 und Messunterlegscheibe 163 sind verdeckt und in 9 nicht dargestellt. Beim Beschleunigen oder Verzögern (Bremsen) wirkt zwischen Sattelauflieger 100 und Zugmaschine 200 eine Kraft F_A , die auf den Königszapfen 121 wirkt und in diesem ein Biegemoment bewirkt. Das Biegemoment hat wiederum eine Veränderung der Vorspankräfte F_B0 , F_B1 , F_B2 und F_B3 zur Folge, die mit den Messunterlegscheiben 160, 161, 162, und 163 detektiert werden können. Durch Messung der Vorspannkräfte der Schraubverbindungen zwischen Königszapfen und Sattelauflieger kann also eine Beschleunigung und eine Verzögerung des Sattelzuges detektiert werden. Bei genauer Messung kann sogar die Größe der Beschleunigung oder Verzögerung näherungsweise gemessen werden.
Zusätzlich oder alternativ zu den bereits beschriebenen Sensoren (DMS, Kraftmessdosen, Messunterlegscheiben, Piezosensoren, etc.) kann auch ein intertiales Navigationssystem (Inertial Navigation System, Trägheitsnavigationssystem) verwendet werden. Ein solches Trägheitsnavigationssystem kann verschiedene Sensoren zur Messung von Trägkeitskräften umfassen. Die zentrale Messeinheit eines Trägheitsnavigationssystems wird üblicherweise als intertiale Messeinheit 126 (IMU, inertial measurement unit) bezeichnet, die dazu ausgebildet ist, Beschleunigungen und Drehraten zu messen. Bei elektromechanischen Systemen kann die IMU 126 beispielsweise als Kreiselplattform (gyroscopic platform) ausgebildet sein, die üblicherweise einen elektrisch angetriebenen, kardanisch aufgehängten (gimbal-mounted) Kreisel aufweist. Des Weiteren weist die Kreiselplattform Winkelsensoren auf, die dazu ausgebildet sind, die Orientierung der Kreiselachse zu messen. Derartige Kreiselplattformen sind an sich bekannt und werden daher nicht weiter erläutert. Alternativ sind auch Kreiselplattformen ohne mechanische Teile bekannt (Laser-Gyroskop). Des weiteren können mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) als Gyroskope in IMUs verwendet werden. Diese lassen sich in elektronische Schaltungen integrieren und ermöglichen einen sehr kompakten Aufbau einer der IMU 126.
Wie erwähnt kann die IMU 126 zumindest eine Rotation oder eine Translation des Sattelaufliegers 100 in zumindest einer Raumrichtung erfassen (d.h. translatorische oder rotatorische Beschleunigungen). Das heißt, IMUs messen Beschleunigungen, die dann durch Integration in Geschwindigkeiten und Positionsänderungen (bzw. Winkelgeschwindigkeiten und Winkeländerungen) umgerechnet werden können. Die IMU 126 kann auch Rotationen und Translationen des Sattelaufliegers 100 in allen 3 Raumrichtungen erfassen. Mithilfe der inertialen Messeinheit 126 können Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Sattelaufliegers 100 erfasst werden. Die inertiale Messeinheit 126 kann mit der Steuereinheit 125 und der Batterie 123 elektrisch verbunden sein und die erfassten Daten können über Signale an die Steuereinheit 125 geleitet werden. Die von der IMU 126 erfassten Daten können ebenfalls von der Steuereinheit 125 ausgewertet werden und zur Ermittlung des Fahrzustandes des Sattelzuges 300 durch die Steuereinheit 125 verwendet werden (anstatt oder zusätzlich zu den am Königszapfen angeordneten Sensoren). Wie erwähnt ist bei Verwendung eines Trägheitsnavigationssystems eine Kraftmessung am Königszapfen nicht zwingend nötig. In diesem muss der Anhänger auch nicht notwendigerweise ein Sattelauflieger sein, sondern das hier beschriebene Konzept kann auch auf beliebige Anhänger übertragen werden.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird der Sattelauflieger mit Hilfsantrieb genauer detaillierter beschrieben. Insbesondere wird exemplarisch ein Beispiel eines Verfahrens zum Betrieb dieses Sattelaufliegers 100 beschrieben. Ermittelt die Steuereinheit 125 anhand der gemessenen Kräfte oder anhand der gemessenen Dehnungen am Königszapfen 121 (und ggf. basierend auf den von der IMU gelieferten Daten), dass sich der Sattelzug 300 in einer Geradeausfahrt befindet und die Zugmaschine 200 gleichzeitig beschleunigt (d.h. Fahrzustand „Geradeausfahrt, beschleunigt“), so kann die Steuereinheit 125 den Elektromotor 124 im Motorbetrieb betreiben (sofern die Batterie ausreichend geladen ist). Folglich werden die Räder oder eine Achse des Sattelaufliegers 100 durch den Antrieb des Elektromotors 124 in vordefinierter Weise angetrieben und die Beschleunigung des Sattelzuges 300 durch den Hilfsantrieb im Sattelauflieger 100 unterstützt. Ermittelt die Steuereinheit 125 anhand der gemessenen Kräfte oder anhand der gemessenen Dehnungen am Königszapfen 121 (und ggf. basierend auf den von der IMU gelieferten Daten), dass sich der Sattelzug in eine Kurvenfahrt befindet und nicht verzögert, kann der Elektromotor z.B. im Leerlauf geschaltet werden.
Wird von der Steuereinheit 125 ermittelt, dass sich der Sattelzug 300 in Geradeausfahrt befindet und die Zugmaschine 200 verzögert, so kann die Steuereinheit 125 den Elektromotor 124 auch im Generatorbetrieb betreiben. Dadurch wird die Verzögerung des Sattelzuges 300 durch die Zugmaschine 200 vom Hilfsantrieb des Sattelaufliegers 100 unterstützt. Im Generatorbetrieb des Elektromotors 124 kann elektrische Leistung in die Batterie 123 eingespeist werden (Rekuperation). Insbesondere bei Fahrstrecken, bei denen der Sattelzug 300 häufig abgebremst werden muss, kann ein Großteil der Bremsenergie rekuperiert und in die Batterie 123 eingespeist werden. Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Sensoren kann die Steuereinheit 125 auch ein von der Zugmaschine hin zum Sattelauflieger übertragenes Bremssignal (das z.B. auch zum Ansteuern der Bremslichter verwendet wird) auswerten, um den Fahrzustand zu ermitteln (z.B. „Geradeausfahrt, gebremst“ oder „Kurvenfahrt, gebremst“).
Wird von der Steuereinheit 125 ermittelt, dass sich der Sattelzug 300 in einer Kurvenfahrt befindet, so kann der Elektromotor 124 von der Steuereinheit 125 derart angesteuert werden, dass er im Freilauf betrieben wird (z.B. unabhängig von der Beschleunigung in Längsrichtung). Im Freilauf überträgt der Elektromotor 124, abgesehen von geringen (und von der konkreten Konstruktion abhängigen) Leerlaufmomenten keinerlei Drehmomente auf die Räder oder die Achse des Sattelaufliegers 100. Gleiches gilt auch, sofern die Steuereinheit 125 anhand der Signale der Sensoren (z.B. Kraftsensoren am Königszapfen, IMU, Bremssignal von der Zugmaschine) einen kritischen Fahrzustand ermittelt.
Im extremen Fällen kann es auch zu plastischen Verformungen im Bereich des Königszapfens 121 kommen. Deshalb kann die Steuereinheit 125 derart ausgestaltet sein, dass eine Kalibrierung der Kraftsensoren manuell oder automatisch durchgeführt werden kann. Dadurch ist es möglich, z.B. einen Offsetwert der Sensorsignale zu kompensieren und dadurch geringfügige plastische Verformungen im Bereich des Königszapfens 121 auszugleichen. In manchen Situationen kann der Königszapfen 121 durch einen unsachgemäßen Ankoppelvorgang von Sattelauflieger 100 und Zugmaschine 200 geringfügig plastisch verformt worden sein. Ein Offset in den Sensorsignalen könnte von der Steuereinheit 125 so interpretiert werden, dass sich der Sattelzug 300 beschleunigt, obwohl dieser still steht und keine Verspannungen zwischen Sattelauflieger 100 und Zugmaschine 200 auftreten. In diesem Fall können die Sensoren über die Steuereinheit 125 kalibriert werden und die Messwerte, die aus der plastischen Verformung des Königszapfens 121 resultieren, durch die Steuereinheit 125 eliminiert werden oder herausgerechnet werden. Das bedeutet, dass deterministische, systematische Messfehler, die durch die plastische Verformung entstanden ist, kompensiert werden.
Es ist außerdem möglich, dass im Betrieb des Sattelaufliegers 100 Informationen über Fahrzustände der Zugmaschine 200 an die Steuereinheit 125 geleitet werden. Im einfachsten Fall kann die Steuereinheit 125 einen Bremsvorgang an einem Bremssignal erkennen, das auch zur Ansteuerung der Bremslichter verwendet wird. Je nach Konstruktion des Sattelaufliegers können auch Informationen aus einem ABS- oder ESP-Steuergerät, Informationen eines Lenkwinkelsensors, Informationen einer aktuellen Pedalstellung, Informationen aus dem Getriebe, insbesondere über den aktuell eingelegten bzw. vorgewählten Gang oder eine Kombination aus diesen Informationen sein. Es ist auch möglich, dass ein Fahrer des Sattelzuges 300 über ein Eingabemodul, das über Funk oder über Kabel mit der Steuereinheit 125 verbunden ist, Einstellungen an der Steuereinheit 125 vornimmt und damit direkten Einfluss auf die Ansteuerung des Elektromotors 124 nimmt. Beispielsweise kann der Fahrer auf diese Weise das Ansprechverhalten der Steuereinheit 125 auf die gemessenen Kräfte oder Dehnungen anpassen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Fahrer den Elektromotor manuell in den Generatorbetrieb und in den Leerlaufbetrieb schalten. In diesem Beispiel könnte der Fahrer den Generatorbetrieb in ähnlicher Weise aktivieren und deaktivieren wie auch ein Retarder manuell aktiviert und deaktiviert werden kann. Bei schwierigen Straßenverhältnissen wie Nässe, Eis oder Schnee kann der Fahrer den Elektromotor 124 im Sattelauflieger 100 als Traktionshilfe, insbesondere beim Anfahren, benutzen.
Der Steuereinheit 125 können außerdem Informationen über einen Fahrzustand des Sattelaufliegers 100 zugeleitet werden. Beispielsweise kann ein Bremslichtsignal oder ein Rückfahrlichtsignal des Sattelaufliegers 100 der Steuereinheit 125 zugeleitet und von der Steuereinheit 125 verarbeitet werden. Die zusätzlichen Informationen können von der Steuereinheit 125 ebenfalls bei der Auswertung miteinbezogen werden und auf das Auswerteergebnis, auf dessen Basis der Elektromotor 124 angesteuert wird, Einfluss nehmen. Die Signale aus der Zugmaschine 200 oder dem Sattelauflieger 100 können beispielsweise über Funk oder über elektrische (Kabel-) Verbindungen zur Steuereinheit 125 des Sattelaufliegers 100 übertragen werden.
In 10 ist exemplarisch in Draufsicht schematisch ein Sattelzug 300 bei einer ungebremsten Geradeausfahrt mit konstanter Geschwindigkeit dargestellt (Längsbeschleunigung a=0). Der dargestellte Sattelzug 300 weist eine Zugmaschine 200 mit einer Längsachse 11 und einen Sattelauflieger 100 mit der Längsachse 10 auf. Der Sattelauflieger 100 ist an die Zugmaschine über den Königszapfen 121 angekoppelt. In 9 sind die Kräfte F_A und F_B dargestellt. Die Kraft F_B wirkt entgegen der Fahrtrichtung des Sattelzuges 300 und entspricht jener Kraft, die vom Sattelauflieger 100 auf die Sattelplatte 210 eingeleitet wird. In anderen Worten, die Kraft FB repräsentiert die von der Zugmaschine 200 zu ziehende Last. Die Kraft F_A wirkt in Fahrtrichtung und ist jene Kraft, die von der Zugmaschine 200 in den Königszapfen 121 eingeleitet wird. Im dargestellten Beispiel (Geradeausfahrt, unbeschleunigt) sind die beiden Kräfte F_A und F_B annähernd gleich groß, jedoch entgegengesetzt gerichtet, was im Idealfall eine resultierende Kraft F_R von Null zur Folge hat (F_A+F_B=0). Die Kraft F_B repräsentiert die Summe aller vom Sattelauflieger 100 auf die Zugmaschine 200 ausgeübten Kräfte (verursacht z.B. durch Rollwiderstand und Luftwiderstand des Sattelaufliegers 100). Die Kraft F_A repräsentiert die Summe aller von der Zugmaschine 200 auf den Sattelauflieger 100 ausgeübten Kräfte (z.B. Antriebskraft des Motors abzüglich Verluste durch Roll- und Luftwiderstand der Zugmaschine 200).
In diesem Fahrzustand (Geradeausfahrt, unbeschleunigt) werden an den Sensoren am Königszapfen (vgl. 6 und 7, Sensoren 140, 141, 142, 143, 150, 151, 152, 153) nur sehr geringe bis gar keine Dehnungen oder Kräfte gemessen. Bei Verwendung einer IMU zeigt diese eine Längsbeschleunigung von ungefähr null an. Die Steuereinheit 125 kann ausgehend von diesen Messwerten den Elektromotor 124 derart ansteuern, dass der Elektromotor 124 z.B. im Freilauf betrieben wird. Alternativ (z.B. aufgrund manueller Steuerung durch den Fahrer) kann der Elektromotor 124 von der Steuereinheit 125 auch im Antriebsbetrieb oder im Generatorbetrieb betrieben werden (z.B. zum Laden der Batterie).
11 ist im Wesentlichen identisch mit 9, jedoch repräsentieren die eingezeichneten Kräfte F_A und F_B eine Situation, in der die Zugmaschine 200 den Sattelzug 300 beschleunigt. In diesem Fall ist die Kraft F_A betragsmäßig größer als die Kraft F_B und die resultierende Kraft F_R=F_A+F_B wirkt in Fahrtrichtung, um den Sattelzug zu beschleunigen. Diese resultierende Kraft kann mittels der am Königszapfen angeordneten Kraftsensoren gemessen werden. Bei Verwendung einer IMU wird eine Beschleunigung (a>0) in Vorwärtsrichtung detektiert. Dieser Fahrzustand (Zugmaschine beschleunigt) kann von der Steuereinheit 125 basierend auf den Sensorsignalen (von den Kraftsensoren am Königszapfen, von der IMU, etc.) detektiert werden, und die Steuereinheit 125 kann (bei ausreichender Batterieladung) den Elektromotor 124 (vgl. 2) im Motorbetrieb betreiben, damit den Sattelauflieger 100 über die Räder (z.B. an der Achse 112) antreiben und so die von der Zugmaschine zu ziehende Last (repräsentiert durch die Kraft F_B ) reduzieren.
In 12 ist im Wesentlichen identisch mit 9, jedoch repräsentieren die eingezeichneten Kräfte F_A und F_B eine Situation, in der die Zugmaschine 200 den Sattelzug 300 bremst (z.B. bei einer Bergabfahrt die Geschwindigkeit zu halten). In diesem würde der Sattelauflieger 100 aufgrund dessen Massenkräfte die Zugmaschine schieben. Das heißt, die Kraft F_A wirkt entgegen der Fahrtrichtung (von der Zugmaschine 200 auf den Sattelauflieger 100) und die Kraft F_B wirkt in Fahrtrichtung (vom Sattelauflieger 100 auf die Zugmaschine 200). Die Höhe der Kräfte hängt natürlich davon ab, wie stark der Sattelauflieger 200 selbst gebremst wird. Dieser Fahrzustand (z.B. Bergabfahrt, gebremst) kann basierend auf den Sensorsignalen von der Steuereinheit 125 detektiert werden. Eine IMU kann z.B. negative Beschleunigung (Verzögerung) oder eine Neigung des Sattelzuges messen. Beispielsweise kann basierend auf der gemessenen Neigung einfach eine Bergabfahrt detektiert werden. Anstatt oder zusätzlich zu einer IMU könnte ein einfacher Neigungssensor in der Steuereinheit 125 enthalten (oder woanders im Sattelauflieger angeordnet) sein. Ein aktives Bremsen kann z.B. über ein von der Zugmaschine zum Anhänger hin übertragenes Bremssignal ermittelt werden, das auch zum ein- und ausschalten der Bremslichter verwendet wird. Sobald ein Fahrtzustand erkannt wird, in dem der Sattelauflieger 100 gebremst wird oder bergab fährt, kann die Steuereinheit 125 den Elektromotor im Generatorbetrieb betrieben und die erzeugte elektrische Energie z.B. in der Batterie speichern. Die elektrische Last des Generators könnte elektronisch so geregelt werden, dass die vom Elektromotor 124 (im Generatorbetrieb) bewirkte Bremskraft so groß ist, dass die Kraft F_B möglichst klein wird. Bei einer Bergabfahrt mit einer Neigung von α Grad wäre der Sattelauflieger dann in einem stationären Zustand konstanter Geschwindigkeit, wenn die Kraft F_B verschwindet (F_B=0). In diesem Fall würde die potentielle Energie des Sattelaufliegers 100 (abzüglich Verluste durch Rollreibung und Luftwiderstand und elektrische Verluste) beim Bergabfahren rekuperiert ohne den Sattelzug abzubremsen.
In 13 ist im Wesentlichen identisch mit 9. In 13 sind jedoch nicht die Kräfte in Längsrichtung des Sattelaufliegers 100 dargestellt sondern der Winkel φ eingezeichnet, der von der Längsachse 10 des Sattelaufliegers 100 und der Längsachse 11 der Zugmaschine 200 eingeschlossen ist. Bei Geradeausfahrt des Sattelzuges 300 beträgt der Winkel φ im Wesentlichen 180°. Die in 13 eingezeichnete Querkraft F_T ist bei einem Winkel φ von 180° (d.h. beim Geradeausfahren) im Wesentlichen Null.
In 14 zeigt nun den Sattelzug 200 aus 13 in einer Kurvenfahrt (Rechtskurve, φ<180°). In der dargestellten Situation ist φ=170°. Um den Sattelauflieger 100 um die Kurve zu ziehen, muss die Zugmaschine 200 eine Querkraft F_T normal auf die Längsachse 10 des Sattelaufliegers 100 ausüben. Diese Querkraft F_T kann z.B. von den am Königszapfen 121 angeordneten Kraftsensoren gemessen werden. Zusätzlich oder alternative können auch mittels der IMU Querbeschleunigungen (oder Geschwindigkeiten in Querrichtung) gemessen und in ähnlicher Weise verarbeitet werden, wie die Sensorsignale der Kraftsensoren am Königszapfen. Die Steuereinheit 125 kann dann basierend auf den Sensorsignalen oder anderen Messdaten eine Kurvenfahrt detektieren (z.B. dann, wenn die Querkraft F_T oder eine entsprechende Querbeschleunigung einen vordefinierten Schwellwert übersteigt) und, als Reaktion darauf, den Elektromotor 124 in den Leerlauf- oder Generatorbetrieb schalten. Dadurch kann z.B. verhindert werden, dass der Elektromotor 124 im Motorbetrieb in der Kurve den Sattelauflieger 100 aus der Kurve schiebt.

Claims

Sattelauflieger mit Hilfsantrieb, umfassend: einen Königszapfen, der mechanisch mit einer Karosserie des Sattelaufliegers verbunden ist; zumindest einen Sensor, der mit dem Königszapfen gekoppelt und dazu ausgebildet ist, auf den Königszapfen einwirkende Kräfte zu ermitteln; einen Elektromotor, der mit mindestens einem Rad des Sattelaufliegers gekoppelt ist, und eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den Elektromotor anzusteuern, basierend auf von dem zumindest einen Sensor ermittelten Daten, einen Fahrzustand des Sattelaufliegers zu ermitteln, und abhängig von dem ermittelten Fahrzustand den Elektromotor im Motorbetrieb, im Generatorbetrieb oder in einem Leerlaufbetrieb zu betreiben.
Sattelauflieger gemäß Anspruch 1, umfassend: einen Speicher für elektrische Energie, der dazu ausgebildet ist, elektrische Energie für einen Motorbetrieb des Elektromotors zur Verfügung zu stellen und vom Elektromotor in einem Generatorbetrieb erzeugte elektrische Energie aufzunehmen.
Sattelauflieger gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der zumindest eine Sensor ein Dehnmesstreifen, ein Piezosensor eine Messunterlegscheibe oder eine Kraftmessdose ist.
Sattelauflieger gemäß Anspruch 3, wobei der zumindest eine Sensor eine Messunterlegscheibe ist, die dazu ausgebildet ist, eine Vorspannkraft einer Schraubverbindung zu messen, die den Königszapfen mit dem Sattelauflieger verbindet.
Sattelauflieger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Königszapfen rotationssymmetrisch zu einer Achse (5) ist und einen Schaft und eine Adapterplatte mit einer Umfangsfläche aufweist.
Sattelauflieger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Elektromotor dazu ausgebildet ist, im Motorbetrieb zumindest ein Rad des Sattelaufliegers anzutreiben, und im Generatorbetrieb von dem zumindest einen Rad des Sattelaufliegers angetrieben zu werden.
Sattelauflieger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Elektromotor mit einer oder mehreren Achsen des Sattelaufliegers mechanisch verbunden ist und dazu ausgebildet ist, zumindest eine der Achsen anzutreiben.
Sattelauflieger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, der weiter umfasst: ein Trägheitsnavigationssystem, das dazu ausgebildet ist, translatorische Beschleunigungen und/oder Drehraten des Sattelaufliegers zu messen
Sattelauflieger gemäß Anspruch 8, bei dem das Trägheitsnavigationssystem eine inertiale Messeinheit aufweist, die mit der Steuereinheit verbunden ist.
Sattelauflieger gemäß Anspruch 9, wobei die inertiale Messeinheit eine Kreiselplattform aufweist.
Sattelauflieger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Trägheitsnavigationssystem mit der Steuereinheit verbunden oder in diese integriert ist und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, abhängig von den vom Trägheitsnavigationssystem ermittelten Daten, den Fahrzustand des Sattelaufliegers zu ermitteln
Sattelauflieger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der von der Steuereinheit ermittelte Fahrzustand zumindest einen der folgenden umfasst: unbeschleunigte ebene Geradeausfahrt, beschleunigte Geradeausfahrt, gebremste Fahrt, Bergabfahrt, Kurvenfahrt.
Verfahren, das folgendes umfasst: direktes oder indirektes Messen von mindestens einer Kraft, die auf einen Anhänger wirkt; Ermitteln eines Fahrzustandes des Anhängers abhängig von der gemessenen Kraft; Ansteuern eines mit einem Rad des Anhängers gekoppelten Elektromotors derart, dass abhängig von dem ermittelten Fahrzustand der Elektromotor im Motorbetrieb, im Generatorbetrieb oder in einem Leerlaufbetrieb betrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Anhänger ein Sattelauflieger ist und die mindestens eine gemessene Kraft auf einen Königszapfen des Sattelaufliegers wirkt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die mindestens eine Kraft indirekt mittels eines Trägheitsnavigationssystems gemessen wird, welches Beschleunigungen und/oder Drehraten misst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem der Fahrzustand zumindest einen der folgenden umfasst: unbeschleunigte ebene Geradeausfahrt, beschleunigte Geradeausfahrt, gebremste Fahrt, Bergabfahrt, Kurvenfahrt.
Anhänger, der folgendes aufweist: mindestens einen Sensor der dazu ausgebildet ist, direkt oder indirekt eine auf den Anhänger wirkende Kraft zu messen; einen Elektromotor, der mit mindestens einem Rad des Anhängers gekoppelt ist, eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den Elektromotor anzusteuern, basierend auf von dem zumindest einen Sensor ermittelten Daten, einen Fahrzustand des Anhängers zu ermitteln, und abhängig von dem ermittelten Fahrzustand den Elektromotor im Motorbetrieb, im Generatorbetrieb oder in einem Leerlaufbetrieb zu betreiben.