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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Ermittlung der räumlichen Lage der Karosserie oder des Aufbaus eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, insbesondere eines LKW, wobei mittels der Sensoreinrichtung Neigungen oder jeweils relativ zueinander bestehende Abstände von
- - Aufbau oder Karosserie und
- - Achsen oder Fahrwerk und/oder
- - Fahrbahnoberfläche
messbar sind und die den ermittelten Neigungen oder Abständen entsprechenden Signale der Sensoreinrichtung einer elektronischen Steuerungseinrichtung einer Niveauregelanlage übermittelbar und dort in einem Regelalgorithmus verarbeitbar sind. Ebenfalls offenbart sind eine Niveauregelanlage mit einer solchen Sensoreinrichtung, ein elektronisch gesteuertes Luftfederungssystem eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, mit einer solchen Niveauregelanlage sowie ein mit einer Niveauregelanlage versehenes Fahrzeug.
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Die Karosserie oder der Aufbau eines Fahrzeugs werden auch als Fahrzeugchassis bezeichnet. Mit dem Begriff „Fahrbahnoberfläche“ ist hier die Fahrbahn im Allgemeinen bezeichnet, also auch etwa unbefestigte Fahrwege oder Feldwege. Der Begriff „räumliche Lage“ betrifft die Position des Chassis im dreidimensionalen Raum, insbesondere aber die Höhe und die Position des Chassis im Verhältnis zu den übrigen Fahrzeugbauteilen, wie etwa der Achse oder dem Fahrwerk.
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Gattungsgemäße Sensoreinrichtungen sind in elektronischen Fahrwerkssteuerungen üblich und liefern die Signale, mit deren Hilfe die Höhe des Aufbaus oder der Karosserie über der Achse bzw. über der Fahrbahn gesteuert und verändert werden kann, d.h., die Signale, die eine Niveauregelanlage benötigt, damit der dort hinterlegte Regelalgorithmus überhaupt arbeitsfähig ist.
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Bekannt als relativ einfache Sensoren sind dabei mechanische Höhensensoren, beispielsweise die häufig eingesetzten Drehwinkelsensoren, mit deren Hilfe ein Federweg über eine Hebelmechanik in eine Drehbewegung umgesetzt wird, wodurch sich eine Höhenänderung etwa einer Fahrzeugachse oder eines Fahrwerkselements bestimmen lässt. Die Hebelmechanik solcher Drehwinkelsensoren ist natürlich relativ anfällig gegenüber Beschädigungen oder Verschmutzungen.
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Eine andere Art von Höhensensoren offenbart die
DE 10 2005 008 403 A1 . Dort ist eine Sensoreinrichtung beschrieben zur Messung eines Federwegs von Rädern oder Achsen von Fahrzeugen, insbesondere von Nutzfahrzeugen. Dabei ist vorgesehen, dass in einem Niveauregelsystem bei pneumatisch gefederten Fahrzeugen von einem als Sender/Empfänger ausgebildeten Sensor ein Strahl eines Radar- oder Hochfrequenzsignals ausgesendet und nach Reflexion an einer Referenz oder Reflexionsfläche wieder empfangen wird.
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Damit sollen einerseits die mechanisch aufwändigen und mit einem Hebelsystem ausgerüsteten Drehwinkelsensoren ersetzt und andererseits erreicht werden, dass das Sensorsignal im Wesentlichen unbeeinflusst von Temperaturänderungen, Druckänderungen und Umgebungsbedingungen ist. Durch die dort vorgesehene Sensorik können der Federweg und auch die Geschwindigkeit der Einfederung ermittelt werden. Eine Aussage in Bezug auf die Lage des Fahrzeugchassis ist jedoch durch eine solche Sensoreinrichtung schwerlich zu erhalten.
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Die
DE 10 2019 212 469 A1 offenbart eine Luftfeder mit einem Balg, in dessen Innenvolumen ein Radarsensor angeordnet ist (Sender-Empfänger), welcher sowohl den Abstand zwischen dem an der Deckelplatte der Luftfeder angeordneten Sensor und dem an der Grundplatte der Luftfeder angeordneten Reflektorelement erfasst als auch eine Neigung zwischen Sensor und Reflektorelement. Die Erfassung der Neigung ist dort wichtig, um eine durch Materialermüdung oder Schwingungen auftretende Abweichung von einer exakt senkrechten Ausrichtung von Sensor und Reflektorelement zu kompensieren. Die so ermittelte Neigung lässt jedoch ebenfalls keine Rückschlüsse auf das Verhalten bzw. die Lage der Karosserie oder des Fahrwerks zu und ist für die Fahrwerkssteuerung weniger einsetzbar.
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Bei vielen Anwendungen im Bereich der Niveauregulierung von Fahrzeugen wird zudem aus Kostengründen auf konventionelle, einfache Lösungen zurückgegriffen, beispielsweise auf Drehwinkelsensoren, mit denen durch einen Sensor lediglich eine einzige Höheninformation in Bezug auf das gesamte Fahrzeug zu ermitteln ist. Auch wenn im Stand der Technik weitere sehr genau messende Sensoren für die Höhenmessung zur Verfügung stehen, wie zum Beispiel Hall-Sensoren oder induktiv messende Drehwinkelsensoren, so ist die Relevanz und Aussagekraft solcher Höhenmessungen natürlich auch von einer gleichmäßigen Ladungsverteilung abhängig, also von einer angenommenen horizontalen Lage des Chassis. Will man hier auch eine valide Aussage bezüglich der Neigung des Aufbaus treffen, etwa bezogen auf die Fahrbahn oder auf eine Achse, so wären mehrere Höhensensoren/Sensoren an verschiedenen Fahrzeugecken oder Achsen notwendig. Das wiederum erhöht den Montageaufwand, die Komplexität und die Wartung.
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Daneben existieren im Stand der Technik eine Reihe von Sensoren, mit deren Hilfe Neigungen gegenüber der durch die Schwerkraft vorgegebenen Lotrichtung gemessen werden können. In aller Regel wird dabei die Lageänderung von Messkörpern elektronisch, induktiv, kapazitiv oder optisch gemessen. Bekannt sind auch miniaturisierte und als MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) aufgebaute Sensoren, beispielsweise piezoelektrische Sensoren, die im Maschinenbau auch zur Steuerung von Robotern Anwendung finden. Auch hochauflösende Beschleunigungssensoren, so genannte „low-g“ Beschleunigungssensoren, werden als Sensoren zur Bestimmung einer Neigung genutzt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach in der Bereitstellung einer robusten und leicht zu montierenden Sensoreinheit, mit deren Hilfe innerhalb einer Niveauregelanlage eine von Umgebungseinflüssen möglichst unbeeinflusste Messung von Abständen und Neigungen erfolgen kann, die wenig Bauraum erfordert, die einfach zu montieren ist, die sichere Messungen erlaubt und die auf einfache Weise in eine Steuerung einer Niveauregelanlage zu integrieren ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Dabei weist die Sensoreinrichtung eine Kombination aus mindestens einem abstandsmessenden Sensor und einem Neigungssensor auf sowie eine elektronische Auswerteeinheit, wobei die Sensorsignale beider Sensoren durch die vorhandene elektronische Auswerteeinheit, insbesondere durch einen Microcontroller, verarbeitbar und der elektronischen Steuerungseinrichtung oder weiteren elektronischen Verarbeitungen übermittelbar sind.
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Durch eine solche Kombination eines abstandsmessenden Sensors und eines Neigungssensors innerhalb einer einzigen Sensoreinrichtung und durch die Verarbeitung der beiderseitigen Signale durch eine einzige, zur Sensoreinheit gehörige, elektronische Auswerteeinheit entsteht eine sehr kompakte Einrichtung, in der mehrere Sensoren gemeinsam und zusammenwirkend ein aussagestarkes Signal erzeugen, das sowohl den Abstand zu einem Referenzobjekt als auch die Neigung des Referenzobjektes bestimmen lässt oder aber die Neigung des Gegenstandes bestimmen lässt, an dem die Sensoreinrichtung befestigt ist. Das führt dazu, dass auf eine Vielzahl von Einzelsensoren und auf deren jeweilig einzelne elektronische Signalverarbeitungen verzichtet und damit die Komplexität des Gesamtsystems erniedrigt werden kann. Natürlich ergeben sich dadurch auch eine Reihe von ökonomischen Vorteilen, da auch auf eine Reihe von Zuleitungen und Einrichtungen zur Halterung und zum Aufbau einer Sensorvielfalt verzichtet werden kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der abstandsmessende Sensor als Radarsensor mit einer zugehörigen, das Radarsignal verarbeitenden Auswerteeinheit in Form eines Microcontrollers ausgebildet ist und die Auswerteeinheit des Radarsensors auch zur Verarbeitung der Signale des Neigungssensors vorgesehen und eingerichtet/programmiert ist. Die Bezeichnung Radarsensor umfasst hier natürlich auch als Sender/Empfänger ausgebildete Sensoren.
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Zur Durchführung einer Abstandsmessung mittels eines Radarsignals oder eines hochfrequenten Signals gehört in jedem Fall eine nachgeschaltete Elektronik, die dazu ausgelegt ist, die Laufzeitunterschiede von ausgesendetem und reflektiertem Strahl zu ermitteln. Wird diese nachgeschalteten Elektronik durch entsprechende zusätzliche Programmierung oder zusätzliche Funktionen ertüchtigt, auch die Signale eines Neigungssensors zu verarbeiten, beispielsweise Signale eines Sensors, der die oben genannten Messprinzipien verwirklicht, so erhält man eine sehr kompakte und im Grunde einfache Sensoreinrichtung, die ein sehr aussagestarkes Signal liefert.
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Zudem lässt sich ein Neigungssensor, der in Form eines miniaturisierten MEMS aufgebaut ist, in problemloser Weise in der Baueinheit eines Radarsensors integrieren.
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Die Empfindlichkeit eines solchen Radarsensors ist durchaus dazu geeignet, auch Abstandsänderungen in Form von kleinsten Schwingungen des Referenzbauteils zu erfassen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Neigungssensor als Beschleunigungssensor ausgebildet ist, durch den sowohl die Erdbeschleunigung als auch andere Beschleunigungen im Raum in mehreren Achsen erfassbar sind, wodurch dann eine vorhandene Neigung im Raum ermittelbar ist. Durch einen solcherart ausgebildeten Neigungssensor ist es beispielsweise möglich, zu erfassen, ob die Neigung des Referenzobjektes zu den ermittelten Beschleunigungen passt, z.B. zu aktuell vorhandenen Fliehkräften, Bremskräften und zur Erdbeschleunigung.
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Vorstellbar ist beispielsweise das Durchfahren einer Steilkurve, bei dem das Fahrzeug sich auch mit einem im absoluten Koordinatensystem geneigten Aufbau in einer dieser Situation entsprechenden „richtigen“ Schräglage befindet, nämlich in Bezug auf seine Achsen und die durch die Kurvengeschwindigkeit erzeugte Fliehkraft. Würde dieser Zustand nicht erkannt und beispielsweise die gemessene absolute Schrägstellung der Karosserie des Fahrzeugs auch in einer Steilkurve zu einer Regelantwort des Systems führen, welche die Karosserie im Raum horizontal einstellen wollte, so ergäben sich größte Schwierigkeiten für Ladung oder Passagiere. Gleiches ließe sich in umgekehrter Weise verwenden, wenn nämlich in einer schnellen durchfahrenen Kurve eine angepasste Schrägstellung des Aufbaus erreicht werden soll, um Einwirkung von Fliehkräften auf Passagiere oder Ladung zu vermindern.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Sensoreinrichtung so an Karosserie oder Aufbau des Fahrzeugs (Fahrzeugchassis) angeordnet ist, dass mindestens der Abstand einer Fahrzeugachse zum Aufbau sowie die Aufbauneigung messbar sind. Eine solche Anordnung bringt insbesondere dadurch Vorteile, dass ein am Fahrzeugchassis angeordneter Radarsensor bei entsprechenden Einstellungen von Strahlwinkel (Strahlkeule) und Reflektoren am Referenzobjekt durchaus in der Lage ist, auch den Abstand von nicht zur Achse gehörigen Gegenständen zu messen, beispielsweise also den Abstand zum Fahrbahnniveau. Die unterschiedlichen Laufzeiten und die Intensitäten des von Achse oder Fahrbahn reflektierten Strahls sind mit entsprechenden Referenzwerten durch die Auswerteeinheit ermittelbar.
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Eine weitere relativ einfach zu realisierende und auch deshalb vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Sensoreinrichtung so an einer Achse des Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, angeordnet ist, dass der Abstand der Fahrzeugachse zum Aufbau sowie die Neigung der Achse messbar sind.
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Vorteilhafterweis ist erfindungsgemäße Sensoreinrichtung innerhalb einer Niveauregelanlage eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, vorgesehen. Die präzisen und nach der elektronischen Vorverarbeitung durch die Auswerteeinheit aussagestarken Signale einer solchen Sensoreinrichtung erlauben eine sehr präzise Niveauregelung, die auch auf Neigungen des Chassis durch fehlerhaft angeordnete Ladung und auf besondere Fahrsituationen auf geneigtem Untergrund reagieren kann. Dies ist insbesondere bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung einer solchen Niveauregelanlage der Fall, die darin besteht, dass zusätzlich zu der Sensoreinrichtung mit kombiniertem abstandsmessendem Sensor und Neigungssensor mindestens ein weiterer Neigungssensor entweder am Aufbau oder an der Fahrzeugachse vorgesehen ist.
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Gleiches gilt für eine weitere vorteilhafte Ausbildung einer solchen Niveauregelanlage, die darin besteht, dass zusätzlich zu der Sensoreinrichtung mit kombiniertem abstandsmessendem Sensor und Neigungssensor mindestens ein weiterer Neigungssensor in oder an einer zentralen elektronischen Steuerungseinrichtung (CCU; engl. central control unit) vorgesehen ist, also etwa mechanisch mit einer CCU verbunden ist.
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Eine Niveauregelanlage mit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung eignet sich besonders für ein elektronisch gesteuertes Luftfederungssystem eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs. Luftgefederte Lastkraftwagen (LKW), auch solche mit LKW-Anhänger oder Auflieger, die Anhänger als solche oder aber Autobusse mit einem elektronisch gesteuertem Luftfederungs- oder Liftsystem stellen hier besonders geeignete Anwendungen dar. Aufgrund der erhöhten Sicherheitsanforderungen im Schwerlastverkehr und in der der Personenbeförderung ist eine exakt reagierende Niveauregulierung wichtig, die natürlich nur durch eine sichere und umfassende Sensorik realisiert werden kann.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
- 1 in ihrem oberen und unteren Teil jeweils schematisch einen Lkw mit einem Aufbau sowie einer seiner Achsen, der eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung aufweist,
- 2 in ihrem oberen Teil schematisch einen LKW mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an der Unterseite des Aufbaus, in ihrem unteren Teil schematisch einen LKW mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einer Achse, wobei beide Versionen jeweils einen weiteren Neigungssensor aufweisen,
- 3 in ihrem oberen Teil schematisch einen LKW mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an der Unterseite des Aufbaus und einem weiteren Neigungssensor an einer zentralen elektronischen Steuerungseinrichtung des LKW bzw. der Niveauregelanlage, in ihrem unteren Teil schematisch einen LKW mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einer Achse und ebenfalls einem weiteren Neigungssensor an einer zentralen elektronischen Steuerungseinrichtung.
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1 zeigt schematisch und in Form einer Skizze im oberen Bereich einen LKW 1 mit einem Aufbau 2 sowie mit einer seiner Achsen 3 mit Doppelrädern 4. Der LKW 1 ist luftgefedert und mit einer Niveauregulierung versehen, welche eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 6 aufweist. Luftfederung und Niveauregulierung sind hier und in den übrigen Figuren der Übersicht halber nicht näher dargestellt.
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Im oberen Teil der 1 ist die Achse 3 gegenüber dem Aufbau 2 des LKW schräg geneigt, da der LKW sich mit seinen Rädern 4 auf einer geneigten Fahrbahn 5 befindet.
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Eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 6 ist unterhalb des Aufbaus befestigt und beinhaltet neben einem Radarsensor 6.1, mit dessen Hilfe der Abstand der Fahrzeugachse 3 zum Aufbau 2 messbar ist, auch einen Neigungssensor 6.2, mit dem die Aufbauneigung als solche messbar ist. Auf diese Weise ist lediglich mithilfe einer einzigen Sensoreinrichtung 6 am Aufbau eine Situation des Fahrzeugs feststellbar, deren Detektion auf herkömmliche Weise den Einsatz mehrerer Sensoren an verschiedenen Stellen des Fahrwerks oder des Aufbaus erfordern würde.
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Im unteren Teil der 1 ist eine Situation dargestellt, bei der der LKW 1 sich auf einer annähernd horizontalen Fahrbahn 5 befindet, bei dem jedoch die Ladung 7 innerhalb des Aufbaus nicht regelgerecht gestapelt ist, nämlich in lateraler Richtung nicht symmetrisch zur Hochachse bzw. Längsachse des LKW 1 angeordnet ist. Auch hier ist es mit nur einer einzigen erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 6 möglich, eventuelle Schwankungen oder Schräglagen des Aufbaus aufgrund unsymmetrisch gelagerter Ladung festzustellen.
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2 zeigt in ihrem oberen Teil eine Ausführung, bei der eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 6 so an der Unterseite des Aufbaus 2 eines luftgefederten und mit einer Niveauregelanlage versehenen LKW 1 angeordnet ist, dass der Abstand einer Fahrzeugachse 3 zum Aufbau 2 sowie die Aufbauneigung messbar sind. Eine solche Anordnung ist, wie oben bereits dargestellt, in der Lage, auch den Abstand des Aufbaus zur Fahrbahn zu messen. Auch hier erreicht man durch ein Minimum an Sensoren ausreichende Abstands- und Neigungssignale für die Fahrzeugsteuerung bzw. für die Steuerung einer Niveauregelanlage. Zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 6 mit kombiniertem abstandsmessendem Sensor 6.1 und Neigungssensor 6.2 ist hier ein weiterer Neigungssensor 8 an der Fahrzeugachse 3 vorgesehen.
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Die weitere und im unteren Teil der 2 gezeigte Ausführung stellt einen luftgefederten LKW dar, der mit einer Niveauregelanlage versehen ist, welche eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 6 beinhaltet, die an einer Achse 3 des LKW angeordnet ist und mit der der Abstand der Fahrzeugachse 3 zum Aufbau 2 sowie die Neigung der Achse 3 als solche messbar sind. Auch hier ist zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 6 mit kombiniertem abstandsmessendem Sensor 6.1 und Neigungssensor 6.2 ein weiterer Neigungssensor 8 vorgesehen, hier jedoch am Aufbau 2.
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Beide Anordnungen weisen Vorteile auf. Mit einem zusätzlichen Neigungssensor an der Achse kann man leicht die Neigung der Straße detektieren, während man mit einem Neigungssensor am Aufbau bzw. Chassis eine weitere Eingangsgröße für die Steuerungseinrichtung erhält, mit der eine Regelung vereinfacht werden kann, mit der der Aufbau oder die Ladefläche zur Straßenneigung ausrichtbar ist.
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3 zeigt in ihrem oberen Teil eine Ausführung, bei der eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 6 an der Unterseite des Aufbaus 2 eines luftgefederten und mit einer Niveauregelanlage versehenen LKW 1 angeordnet ist, so dass der Abstand einer Fahrzeugachse 3 zum Aufbau 2 sowie die Aufbauneigung messbar sind. Zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 6 mit kombiniertem abstandsmessendem Sensor 6.1 und Neigungssensor 6.2 ist ein weiterer Neigungssensor 9 an einer elektronischen Steuerungseinrichtung 10 des LKW/Fahrzeugs bzw. der Niveauregelanlage vorgesehen. In dieser Ausführung ist der weitere Neigungssensor 9 mit einer CCU des LKW/Fahrzeugs bzw. der Niveauregelanlage verbunden, mit deren Hilfe Signale aufgenommen und verglichen werden können. Dieser separate Neigungssensor 9 detektiert die tatsächlich am Chassis vorhandene Neigung.
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Eine ähnliche Ausführung zeigt der untere Teil der 3, jedoch mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 6 an einer Achse 3 des LKW und einem weiteren Neigungssensor 11 an einer CCU bzw. zentralen elektronischen Steuerungseinrichtung 12 des Fahrzeugs bzw. der Niveauregelanlage, wobei die Steuerungseinrichtung 12 fest mit einem Bauteil verbunden ist, das wiederum mit der Achse in Verbindung steht. Auch in dieser Ausführung ist der weitere Neigungssensor 11 mit einer CCU des LKW/Fahrzeugs bzw. der Niveauregelanlage verbunden. Dadurch ergeben sich ähnliche Vorteile wie diejenigen, die bereits oben in Bezug auf die 2 geschildert wurden. Darüber hinaus erspart man sich ein weiteres Sensorgehäuse.
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Betrachtet man hierzu ein LKW-Gespann, etwa eine Zugmaschine mit Sattelauflieger, so kann die CCU z.B. auch am vorderen Teil des Trucks/Gespanns angebracht sein. Hier haben viele Zugmaschinen noch Blattfedern, die nur bedingt eine Neigung gegenüber der Achse zulassen. Somit würde man dann über so angeordneten Sensor auch eine Information über die Lage/Neigung der Straße erhalten. Die in der 3 gezeigten Anordnungen tragen damit diesen unterschiedlichen Anwendungsfällen Rechnung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lastkraftwagen (LKW)
- 2
- Aufbau des LKW
- 3
- Achse des LKW
- 4
- Räder, Doppelräder
- 5
- Fahrbahn/Fahrbahnoberfläche
- 6
- Sensoreinrichtung
- 6.1
- abstandsmessender Sensor/Radarsensor in der Sensoreinrichtung
- 6.2
- Neigungssensor in der Sensoreinrichtung
- 7
- Ladung
- 8
- Neigungssensor
- 9
- Neigungssensor
- 10
- Steuerungseinrichtung (CCU)
- 11
- Neigungssensor
- 12
- Steuerungseinrichtung (CCU)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005008403 A1 [0005]
- DE 102019212469 A1 [0007]
