DE102022001055A1 - Vorrichtung zur selbsttätigen Ausrichtung und Schließung zweiteiliger Kupplungssysteme - Google Patents

Abstract

Die Erfindung löst die Aufgabe des selbsttätigen Ausrichtens und Schließens annäherungsweise ausgerichteter, parallel- und/oder winkelversetzter Kupplungshälften durch eine Vorrichtung in einem Verfahrensschritt auf einer bevorzugt kurzen Verbindungsstrecke. Zu diesem Zweck ist eine Kupplungshälfte (3.7) mit einer trichterförmigen Leitfläche - Leittrichter - (3.3) form- oder stoffschlüssig als Einheit verbunden, in einem Angelpunkt gelagert und wird durch Stabilisatoren (4.1) in der Anfangslage gehalten. An den Leittrichter (3.3) schließt eine starre, zu diesem geneigte Leitfläche (3.2) flächig an. Die korrespondierende Kupplungshälfte (2.21) befindet sich am freien Ende eines in einem Angelpunkt gelagerten, lanzenförmigen Auslegers - Koppellanze, hier in einer teleskopischen Ausführung mit einem inneren (2.22) und einem äußeren Teleskoprohr (2.20) - der auch bei Translationen in den freien Raum durch Stabilisationselemente (1.13) in der Anfangslage gehalten wird. Bei einer Translation der Koppellanze wird sie beim Auftreffen auf die starre Leitfläche (3.2) - in transparenter Darstellung - durch deren Neigung zum Leittrichter (3.3) geführt, lenkt die Leittrichter-Kupplungshälften-Einheit (3.3, 3.7) in Richtung ihrer Koppelachse aus, wodurch, und durch die Verjüngung des Leittrichters (3.3), beide Kupplungshälften (2.21, 3.7) auf eine gemeinsame Koppelachse ausrichtbar und entlang dieser schließbar sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selbsttätigen Ausrichtung und Schließung zweiteiliger Kupplungssysteme zur Übertragung stofflicher Medien oder elektrischer Ströme zwischen zwei Objekten, die baulich mit jeweils einer Kupplungshälfte verbunden sind und von denen wenigstens eines mobil ist, dabei betrifft ein Aspekt die Ausführung der Kupplung zur Übertragung von Elektrizität. Ein weiterer bezieht sich auf eine Sensorik zur Abstandsüberprüfung der Kupplungshälften, dazu einer auf die Positionierung derselben in einem gemeinsamen Ausrichtbereich. Ein letzter Aspekt betrifft die Anordnung der funktionell zusammenwirkenden Vorrichtungskomponenten zur Nutzung im öffentlichen Verkehrsraum.
• Vorschläge zur selbsttätigen Ausrichtung und Schließung zweiteiliger Kupplungssysteme sind insbesondere aus dem Bereich Verkehr bekannt. Zur Versorgung von Kraftfahrzeugen mit Antriebsenergie werden Roboterarme, z. B. DE44 19 657 C1 , oder selbstfahrende Roboter, wie in der WO 2016/096194 A1 vorgeschlagen, die eine Zapfpistole oder einen Ladestecker zum Tank- bzw. Ladeanschluss des Fahrzeugs ausrichten und koppeln. Voraussetzung für deren Einsatz ist, dass der Park- oder Stellplatz für die Nutzung dieser Technik den Platz bietet und Gefährdungen von Personen durch Bewegungen der Aktoren oder Roboter ausgeschlossen werden können.
• Ein bekannter Ansatz mit einem potentiell geringem technischen Aufwand und Platzbedarf besteht darin, die Kupplungshälfte eines der Objekte annähernd genau gegenüber der korrespondierenden auszurichten, um danach mittels einer Vorrichtung eine Verbindung aufzubauen und verbleibende Versätze auszugleichen. Dafür wird von einer Seite eine der Kupplungshälften am freien Ende eines ausfahrbaren, lanzenförmigen Auslegers in Richtung der korrespondierenden bewegt, die von einer trichter- oder konusförmigen Leitfläche umgeben ist, womit die Kupplungshälfte am Ausleger zum Koppelpunkt gelenkt und schließlich die Kupplung geschlossen wird. Für einheitliche Bezeichnungen zur Beschreibung des Stands der Technik mit diesem Lösungsansatz und im Folgenden, werden lanzenförmige, entlang ihrer Hauptachse bewegliche, mit am freien Ende baulich mit einer Kupplungshälfte verbundene Ausleger als Koppellanzen, die sie beinhaltenden Vorrichtungen als Koppelvorrichtungen, sich in Richtung zu Kupplungshälften verjüngende Leitflächen als Leittrichter und bauliche Vereinigungen einer oder mehrerer Leitflächen, zusammen mit damit baulich verbundenen Kupplungshälften, als Leitvorrichtungen bezeichnet.
• Die US 5272431 A löst die Aufgabe dadurch, dass sie mittels einer Verfahrvorrichtung in einem Fahrzeug eine Koppelvorrichtung horizontal und vertikal zur Kupplungshälfte einer ortsfesten Andockstation ausrichtet, verbleibende Versätze zur korrespondierenden Kupplungshälften werden durch die Leitvorrichtung der Andockstation ausgeglichen. Zur Ausrichtung der Koppelvorrichtung wird ein von der Andockstation ausgesandtes Lichtsignal von Fahrzeugsensoren empfangen und die notwendigen Bewegungen der Koppelvorrichtung berechnet. Abhängig vom angestrebten Ausrichtbereich sind dafür Fahrzeuge erforderlich, die über den Raum für die Ausrichtung der Koppelvorrichtung verfügen.
• Eine stationäre Vorrichtung zur Ausrichtung der Koppelvorrichtung außerhalb des Fahrzeugs beschreibt die DE 10 2014 226 755 A1 . Wie in obiger US 5272431 A wird die Koppelvorrichtung horizontal und vertikal zum als Leittrichter ausgebildeten Karosserieabschnitt eines - oder abwechselnd mehrerer - grob ausgerichteten Fahrzeugs bewegt und in einem zweiten Schritt die Koppellanze durch den Leittrichter zur korrespondierenden Kupplungshälfte ausgerichtet. Ähnlich in der DE 10 2013 225 196 A1 , in der die Leitvorrichtung zur teleskopischen Koppellanze eines Fahrzeugs ausgerichtet wird. Der Leittrichter mit der verbundenen Kupplungshälfte ist in einer Ausführungsvariante kardanisch gelagert, um Winkelversätze zwischen der Koppellanze und der Leitvorrichtung auszugleichen. Diese Vorrichtungen können mutmaßlich mit nur geringen Bautiefen gestaltet werden, das detektieren der Kupplungshälften und das Ausrichten der Koppel- resp. Leitvorrichtungen ist jedoch technisch aufwändig.
• Im Unterschied zu obigen Lösungsvorschlägen offenbart die US 2011 / 0300738 A1 eine Ausrichtung und Schließung der Kupplungshälften in einem Verfahrensschritt, was die technischen Anforderungen deutlich reduziert, bei einem maximal ausgleichbaren Horizontal- und Vertikalversatz der dem Leittrichterradius entspricht. Durch einen großen Trichterwinkel wird eine nur begrenzte Auslenkung der Koppellanze bewirkt, die beim Koppeln durch einen gelenkigen Abschnitt der Lanze ausgeglichen wird. Als Resultat des Trichterwinkels und der großen Trichteröffnung ergibt sich allerdings auch eine entsprechend große Bautiefe der Leitvorrichtung, wodurch wiederum eine Koppellanze mit einer Länge erforderlich ist mit der die Kupplungshälfte am Trichterhals erreichbar ist. Zudem bergen gelenkige Abschnitte der Koppellanze - oder auch elastische Koppellanzen, wie in der DE 10 2009 010 120 A1 und der DE 10 2011 082 092 A1 in Betracht gezogen - das Risiko eines Verkantens der Kupplungshälften, um so mehr, je stärker die Kupplungshälften in ihren Anfangslagen parallel versetzt sind und sich mit der Schließung der Kupplung zwischen der Koppelachse und der Wirklinie des Lanzenantriebs ein Winkelversatz ergibt.
• Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, die Koppelachsen parallel versetzter Kupplungshälften in einem einzigen Verfahrensschritt auf eine gemeinsame auszurichten um die Kupplung entlang dieser ohne Verkantungsrisiko zu schließen. Dabei soll die zu überbrückende Distanz zwischen den Kupplungshälften bevorzugt gering gehalten und Versätze auf effiziente Weise ausgeglichen werden.
• Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur selbsttätigen Ausrichtung und Schließung zweiteiliger Kupplungssysteme gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den jeweiligen unabhängigen und abhängigen Ansprüchen sowie in der folgenden Beschreibung angegeben.
• Eine Komponente der Lösung besteht aus einer Koppelvorrichtung, beinhaltend eine Führung für die Koppellanze, die an der Austrittsseite der Lanze in einem Angelpunkt, z. B. einer kardanische Aufhängung oder einem Kugelgelenk, auslenkbar gelagert ist und an der entgegengesetzten Seite durch mindestens einen Stabilisator, beispielsweise federnde Mittel wie Zug-, Gasdruckfedern oder Elastomere, in der Anfangslage gehalten wird. Für eine durch Schwerpunktverlagerungen der Koppellanze unbeeinflusste, geradlinige Bewegung bei Translationen in den freien Raum ist mindestens ein Freiheitsgrad des Angelpunkts durch eine Rastung - etwa federnde Druckstücke - fixiert, die erst durch eine die Lanze in der Anfangslage haltenden Kräfte übersteigende Kraft aufhebbar ist. Für eine bevorzugt kleine Austrittsöffnung kragt die Koppellanze in ihrer Anfangslage nicht über die Koppelvorrichtung bzw. das sie beinhaltende Objekt, wodurch sie auch nahe zur korrespondierenden Leitvorrichtung positionierbar ist. Über eine flexible Leitung an ihrem nicht freien Ende wird das stoffliche Medium oder der elektrische Strom zu- oder abgeleitet.
• Die damit funktionell zusammenwirkende Leitvorrichtung beinhaltet einen Leittrichter, form- oder stoffschlüssig mit der korrespondierende Kupplungshälfte verbunden und als Einheit in einem gemeinsamen Angelpunkt, vorzugsweise am Übergang zwischen diesen oder in Richtung des Trichters liegend, auslenkbar gelagert. Flächig zum Rand des Leittrichters in dessen Anfangslage, die durch mindestens einen Stabilisator fixiert ist, schließt sich zumindest eine nicht bewegliche Leitfläche - Leitmulde - an, die den Leittrichter teilweise oder ganz umschließt und zu diesem geneigt ist. Die durch flache Leitmulden mitunter auch starken Auslenkungen der Koppellanze werden durch eine entsprechend große Beweglichkeit der Leittrichter-Kupplungshälften-Einheit kompensiert. Die Größe der Leitvorrichtung entspricht bevorzugt dem maximalen Ausrichtbereich, innerhalb dessen Parallelversätze, und ggf. auch Winkelversätze der die Kupplungshälften beinhaltenden Objekte, ausgeglichen werden. Zur Weiterleitung des stofflichen Mediums oder Stroms ist das nicht freie Ende der Kupplungshälfte als flexible Leitung fortgesetzt.
• Nach einer gegenüber ausgerichteten Anordnung der Koppel- und der Leitvorrichtung wird die Koppellanze in Richtung der Leitvorrichtung bewegt. Beim Auftreffen auf die Leitmulde bewirkt deren Neigung eine Ablenkung der Koppellanze in Richtung des Leittrichters, dabei wird für eine gute Lenkwirkung durch die Wölbung der Leitmulde die Koppellanze mittels deren Stabilisatoren an der Leitfläche anliegend gehalten. Die Neigung der Leitmulde muss dabei gerade so groß sein, dass die Haftreibung zwischen der Koppellanze und der Leitfläche überwindbar ist, die Vortriebskraft der Koppellanze groß genug, um diese gegen die Reibkraft und gegen die die Lanzenführung in der Anfangslage haltenden Stabilisations- und Rastkräfte auszulenken um der Lenkung durch die Leitmulde folgen zu können. Beim Erreichen des Leittrichters wird durch den Druck der Lanze auf den Trichterrand dieser mit der verbundenen Kupplungshälfte in Richtung der Koppellanze ausgelenkt, deren Koppelachse wiederum, bei anhaltender Translation und durch die Verjüngung des Leittrichters bis auf den Querschnitt der Koppellanze bzw. der Kupplungshälfte, auf eine gemeinsame Koppelachse der Kupplungshälften ausgerichtet wird und die Kupplung entlang dieser ohne Verkantungsrisiko schließbar ist. Die Koppellanze wird dabei, von den Stabilisatoren ständig an den Leitflächen anliegend gehalten und, da sie wegen der Kante des Leittrichter-Ausschnitts keine Ausweichmöglichkeit hat, sicher in den Leittrichter gelenkt. Erreicht die Koppellanze den Leittrichter auf direktem Weg, verhindern die Stabilisationselemente beider Vorrichtungskomponenten Auslenkungen über das notwendigen Maß und die Koppelachsen werden, wiederum durch ihre Beweglichkeiten und der zunehmenden Verengung des Leittrichters, zueinander ausgerichtet.
• Durch die Lage des Angelpunkts der Koppellanze, nahe an deren Austrittsstelle, und der der Leittrichter-Kupplungshälften-Einheit, nur durch die Leitmulde und die Trichterlänge zurückversetzt, ist die durch die Vorrichtung bedingte, zu überbrückende Distanz bevorzugt gering. Für den Leittrichter genügen Abmessungen, ausreichend für eine Führung und Ausrichtung der Koppellanze, diese sind jedoch auch durch die Größe des Leitmulden-Ausschnitts bestimmt, groß genug damit die Lanze bei einer maximalen Auslenkung des Trichters nicht durch die Ausschnittskante behindert wird. Zudem soll der Trichter auch bei größtmöglichen Auslenkungen nicht aus der Leitmulde ragen um selbst bei geringen Abständen zu korrespondierenden Objekten kein Kollisionsrisiko darzustellen, was wiederum Einfluss auf die Tiefe der Leitmulde haben kann. Für geringe Bautiefen der Leitvorrichtungen sind wenig geneigte Leitmulden und Leittrichter-Kupplungshälften-Einheiten mit bevorzugt kleinen Abmessungen vorteilhaft.
• Leitmulden mit geringer Neigung zum Leittrichter lenken wegen ihrer dann auch geringen Wölbung eine auftreffende Koppellanze weniger effektiv. Deshalb wird als vorteilhafte Ausgestaltung zur Lenkung eine wellenförmige Ausbildung der Leitflächen - zumindest die der Leitmulde/n und zumindest die Bereiche mit geringer Neigung - vorgeschlagen, deren einzelnen Erhebungen und Vertiefungen strahlenförmig zur Leittrichterachse bzw. der Koppelachse der verbundenen Kupplungshälfte konvergieren. Geführt in einer Vertiefung/ Wellental, anliegend gehalten durch die Stabilisatoren der Koppelvorrichtung und mit seitlich lenkenden Flanken der Wellenerhebungen wird eine direkte Bewegung der Koppellanze zur korrespondierenden Kupplungshälfte bewirkt.
• Wie beschrieben ist der Tiefenversatz der Kupplungshälfte der Leitvorrichtung, und damit deren Bautiefe, auch von der Größe des Leittrichters abhängig, dessen Abmessungen sind wiederum durch den Durchmesser der Koppellanze bzw. der damit verbundenen Kupplungshälfte bedingt. Während bei der Übertragung stofflicher Medien die Kupplungsquerschnitte durch Volumenströme vorgegeben sind, werden die Maße von Kupplungen zur Durchleitung elektrischer Ströme gewöhnlicherweise durch die Anzahl und Anordnung der Kontakte, unter Berücksichtigung einer sicheren Handhabbarkeit, bestimmt. Da die beschriebene Vorrichtung eine manuelle Kopplung ersetzt, kann die Wahl einer Stecker-Buchse-Kupplung mit einem bevorzugt geringen Querschnitt alleine unter dem Gesichtspunkt der Kontaktanordnung getroffen werden.
• Kompakte Steckerbauformen sind durch den Klinkenstecker bekannt, dessen radial umlaufende Kontakte mit Abständen entlang der Steckerachse angeordnet sind. Unter Spannung stehend stellt diese Anordnung insbesondere dann eine Kurzschlussgefahr dar, wenn axiale Verschiebungen des Steckers zur Buchse nicht ausgeschlossen sind oder die Kupplung unter Spannung gelöst werden kann. Obige US 2011 /0300738 A1 schlägt für jeden umlaufenden Kontakt einen zunehmenden Durchmesser, beginnend am freien Ende des Steckers, vor, was die Isolationsabstände der Kontakte erhöht, jedoch vergrößert sich mit jedem zusätzlichen Kontakt der Durchmesser der Steckverbindung. Die DE 10 2020 204 413 A1 offenbart eine Kupplung mit konkaven Abschnitten der Buchse und konvexen des Steckers mit jeweils einem Kontaktpunktpaar pro Abschnitt, die allerdings erst in der Endposition durch axialen Druck kontaktschlüssig sind.
• Deshalb betrifft ein Aspekt der Innovation die Ausführung kompakter, mehrpoliger Stecker-Buchse-Kupplungen, deren Querschnitte bevorzugt gering sind und auch bei axialen Bewegungen des Steckers zur Buchse keine Kontaktunterbrechungen oder Kurzschlüsse verursachen.
• Die Aufgabe wird durch einen zylinderförmigen Stecker mit radial an der Mantelfläche angeordneten und parallel zur Steckerachse ausgerichteten Kontakten gelöst. Die Bereiche zwischen den Kontakten die einer starken Isolation gegeneinander bedürfen sind als parallel zu den Kontakten verlaufende Einbuchtungen ausgebildet. Den Stecker umschließt die zu dessen Profil formschlüssig ausgebildete Buchse radial, wobei deren Kontakte in den sich ergebenden Einbuchtungen angeordnet sind und im gekoppelten Zustand denen des Steckers gegenüberliegen und durch Federwirkungen der Stecker- und / oder der Buchsenkontakte mit den Steckerkontakten kontaktschlüssig verbindbar sind. Die sich ergebenden Buchsen-Ausbuchtungen liegen im gekoppelten Zustand als Isolatoren in den Einbuchtungen des Steckers und zwischen den Kontakten. Im unverbundenen Zustand wird der Stecker mittels einer Rückhaltevorrichtung in einer zylinderförmigen, die radialen Kontakte abdeckende Vertiefung eines Objekts gehalten, aus der er erst durch eine die Rückhaltekraft überwindende axial bewegbar ist. Als vorteilhafte Ausgestaltung zum Ausgleich von Radialversätzen sind die ausgebildeten Kontaktstege des Steckers und / oder die Stege zwischen den Buchsenkontakten in den jeweils letzten Abschnitten derer freien Enden verjüngend auslaufend geformt.
• Die Lösung ähnelt im gekoppelten Zustand einer Kupplung in der Grundbauform mit Kontaktstiften und -öffnungen in einer kreisförmigen Anordnung. Im Unterschied dazu werden keine Kontaktstifte von Gegenkontakten umschlossen, sondern die Kontakte liegen aufeinander auf, zudem weisen die Ausbuchtungen der Buchse in die Einbuchtungen des Steckers, was eine Trennung von Stecker und Buchse an der Grenze zwischen den Kontaktpaaren und den Ein-/ Ausbuchtungen, mit einem Steckerdurchmesser in der Größe des Kontakt-Lochkreises einer entsprechenden Ausführung in der Grundbauform, ermöglicht. Die Größen der Kontaktflächen sind durch die Breiten und Längen der Kontakte bestimmbar. Wie die Grundbauform kann diese Ausführung auch weitere Kontakte innerhalb der kreisförmig angeordneten aufweisen. Bei Bewegungen des Steckers in der Buchse bleiben die Kontakte geschlossen und die Isolationsabstände zu den benachbarten erhalten. Fehlsteckungen der Kupplung können durch eine Kodierung mittels einer asymmetrisch-radialen Anordnung der Kontakte bzw. der ausgebildeten Stege ausgeschlossen werden. Zur Verwendung mit beschriebener Koppelvorrichtung befindet sich der unverbundene Stecker in einer hohlzylinderförmigen Ausbildung des freien Endes der Koppellanze, aus der er erst nach dem Aufsetzen auf die Buchse und gegen die Kraft einer Vorrichtung, z. B. einer Rückhaltefeder, bewegbar ist, wodurch die radialen Kontakte durchgängig gegen Berührung und äußere Einflüsse geschützt sind.
• Für eine Positionierung der Kupplungshälften innerhalb des Ausrichtbereichs kann es genügen wenn sie im Blickfeld des Bedieners liegen, wobei mit vorliegender Lösung berücksichtigt werden muss, dass die Koppellanze ein in einem Angelpunkt gelagerter Aktor mit begrenztem Auslenkwinkel ist, dessen Ausrichtbereich sich mit abnehmenden Abstand zur Leitvorrichtung verringert. Bei Sichtbeschränkungen auf die Kupplungshälften, was beispielsweise beim Ausrichten von Kraftfahrzeugen zu Tank- oder Ladevorrichtungen die Regel sein kann, sind in jedem Fall Positionierungshilfen erforderlich.
• Ein effizientes Verfahren zur Ausrichtung zweier funktionell zusammenwirkender Mittel, die jeweils mit einem Objekt verbunden sind und sich ausreichend genau in einer Bewegungsebene befinden besteht darin, eines der Mittel durch eine Translation des damit verbundenen Objekts parallel dem korrespondierenden Mittel gegenüber auszurichten um im Anschluss die orthogonal zur Bewegungsrichtung verbleibende Distanz zu überbrücken und bestehende Versätze auszugleichen. Ist der einzuhaltende Abstand zur Überbrückung nicht durch z. B. eine Schienenbindung oder einen begrenzten Bewegungsraum sichergestellt, ist dessen Überprüfung notwendig. Während Abstandsmessungen von sich aufeinander zubewegenden oder entfernenden Mitteln durch Laufzeitmessungen elektromagnetischer oder akustischer Wellen, oder durch die Messung der Lichtintensität eines auf lichtempfindlichen Halbleiter-Arrays reflektierten Lichtflecks, wie sie in der DE 3631373 A1 und der EP 71667 A1 offenbart werden, relativ einfach möglich sind da bestimmte Punkte anvisiert werden können, sind Abstandsmessungen parallel zueinander bewegter Mittel über Triangulationsmessungen oder Auswertungen digitaler Oberflächen-Topografien aufwändig, insbesondere wenn die Mittel mit unterschiedlichen und ungleichmäßig geformten Objekten, wie z. B. Fahrzeugkarosserien, verbunden sind.
• Als erster Aspekt der Sensorik ergibt sich dadurch die Aufgabe, mit einem ökonomischen Verfahren zur Abstandsüberprüfung zwischen einem Referenzpunkt an einem ersten Objekt und einem Referenzpunkt an einem zweiten Objekt bei einer Parallelbewegung der Objekte zueinander festzustellen, ob ein vorgegebener Abstand der Referenzpunkte eingehalten wird.
• Zur Lösung des Problems wird am Referenzpunkt des ersten Objekts ein durch optische Mittel - wie z. B. einer Blende - begrenztes, in der Grundform kreiskegelförmiges Lichtbündel ausgesandt. Die Empfangseinrichtung am zweiten Objekt weist am Referenzpunkt einen Lichtdetektor - Referenzdetektor - als Zentrum eines, ebenfalls in der Grundform kreisförmigen, oder mindestens eines kreissegmentförmigen, Arrays von Lichtdetektoren, die in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet sind, auf. Für eine Abstandsüberprüfung müssen die Sende- und die Empfangseinrichtung so ausgerichtet sein, dass der Referenzdetektor bei einer Parallelverschiebung eines der Objekte vom Lichtbündel erfasst wird. Der Abstand des Lichtdetektoren-Arrays zum Referenzdetektor ist so zu wählen, dass ein Bereich des Arrays dann in der Projektion des Lichtbündels liegt, wenn bei einem Abstand der Objekte im zu überprüfenden Bereich die Randstrahlen des Lichtbündels den Referenzdetektor erreichen.
• Beim Empfang der Randstrahlen durch den Referenzdetektor und einem gleichbleibenden Abstand, unabhängig von einem Versatz orthogonal zur Bewegungsrichtung, befinden sich immer die gleiche Anzahl von Array-Lichtdetektoren innerhalb der Lichtprojektion, mit einer Varianz von einem Detektor am Projektionsrand, der noch innerhalb oder schon außerhalb liegen kann. Mit der Prüfung der Anzahl der zu diesem Zeitpunkt innerhalb der Lichtprojektion befindlichen Lichtdetektoren des Arrays, der Kenntnis des Lichtbündel-Öffnungswinkels, des Radius und der Winkelabstände der Detektoren im Array ist der Abstand des Referenzdetektors zur Lichtquelle berechenbar. Dabei ist die Anzahl der Lichtdetektoren, inklusive derer Varianz, jeweils über einen Entfernungsabschnitt konstant was die Messauflösung bestimmt, welche durch die Anzahl und damit die Winkelabstände der Detektoren beeinflussbar ist.
• In einer zweiten Ausführung weicht das Lichtdetektoren-Array von der Grundform des Kreises zur Form einer Ellipse ab. Die Abstände der Lichtdetektoren zur Ellipsen-Hauptachse entsprechen denen einer Kreisanordnung, die zur Nebenachse sind um das Verhältnis vervielfacht, das dem der Haupt- zur Nebenachse entspricht. Das Lichtbündel muss ebenfalls in diesem Verhältnis als Ellipsenkegel begrenzt werden und deren Achsen parallel zu den entsprechenden des Lichtdetektoren-Arrays ausgerichtet sein. Auch hier kann das Array aus einer vollständigen Ellipse oder aus mindestens einem Ellipsensegment bestehen.
• Die Lichtquelle und die Empfangseinrichtung befinden sich bevorzugt an den Referenzpunkten deren Abstand ermittelt werden soll, oder die Messvorrichtung ist an beiden Objekten in gleichem Maße und gleicher Richtung parallel zu diesen versetzt. Bei Winkelversätzen der Objekte und einer zu den Referenzpunkten versetzten Messeinrichtung muss berücksichtigt werden, dass mit zunehmenden Abständen zu den Referenzpunkten die Messabweichungen zur tatsächlichen Distanz der Referenzpunkte zunehmen.
• Der Vorteil dieser Abstandsmessung besteht darin, dass die Entfernung zwischen den Referenzpunkten, unabhängig von den Formen der sie umgebenden Objekte, mit einer für die Anforderung bestimmbaren Genauigkeit entsprechend der Messauflösung ermittelbar ist. Für die Verwendung mit der Vorrichtung zur Kopplung zweiteiliger Kupplungssysteme besteht der Nutzen darin, dass mit Positionen der Lichtquelle und des Referenzdetektors bevorzugt an den Angelpunkten der Koppellanze und der Leittrichter-Kupplungshälften-Einheit der Abstand unabhängig von Winkelversätzen der Objekte überprüfbar und dadurch die gesamte Länge der Koppellanze effektiv nutzbar ist. Dabei genügt es für diese Anwendung durch die Sensorik sicherzustellen, dass die maximale Reichweite der Koppellanze nicht überschritten wird.
• Der zweite Aspekt der Sensorik bezieht sich auf die Ausrichtung von Mitteln innerhalb eines Bereichs, in dem ein funktionelles Zusammenwirken dieser möglich ist und von denen wenigstens eines ein in einem Angelpunkt gelagerten Aktor ist. Mit den erwähnten Methoden des Stands der Sensortechnik ist das möglich, jedoch ist auch hier eine relative Positionsbestimmung der Mittel zueinander aufwändig, weil, wie beschrieben, sich der Ausrichtbereich solcher Aktoren mit abnehmenden Abstand zum korrespondierenden Mittel verringert und bei unterschiedlichen äußeren Formen der die Mittel beinhaltenden Objekte jeweils deren genauen Positionen an diesen bekannt sein oder ermittelt werden müssen.
• Daher betrifft der zweite Aspekt der Sensorik ein einfaches Verfahren zur Überprüfung, ob ein in einem Angelpunkt gelagerter Aktor auf einen bestimmten, nicht mit dem Aktor verbundenen Zielpunkt ausrichtbar ist.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Auslenkbereich des Aktors durch ein mit optischen Mitteln, wie z. B. einer Linse oder einer Blende, auf diesen Bereich begrenztes, divergierendes Lichtbündel einer Lichtquelle, und der Zielpunkt durch einen Lichtdetektor repräsentiert wird. Die Lichtquelle und der Lichtdetektor können direkt am Angelpunkt des Aktors und am Zielpunkt sitzen, oder sie sind in gleichem Maße und gleicher Richtung parallel versetzt. Empfängt der Lichtdetektor am Zielpunkt das Signal der Lichtquelle, und liegt dementsprechend innerhalb des Lichtbündels / Auslenkbereichs, so ist eine Ausrichtung des Aktors auf diesen möglich. Ändert sich der Abstand, ändert sich auch die Größe des Ausrichtbereichs bei unverändertem Auslenkbereich des Aktors. Mit wiederholten Überprüfungen der Ausrichtbarkeit und ggf. notwendigen Parallelversätzen oder Abstandsänderungen ist der Aktor zum Zielpunkt positionierbar.
• Statt eines divergierenden Lichtbündels kann auch ein konvergierender Einfallsbereich eines Lichtdetektors am Aktor mit optischen Mitteln auf den Auslenkbereich begrenzt werden, der Zielpunkt wird in diesem Fall durch die Lichtquelle repräsentiert. Ist der Zielpunkt ebenfalls ein in einem Angelpunkt gelagerter Aktor, der zu dem auf ihn weisenden gleichfalls ausgerichtet werden soll, genügt es den Auslenkbereich des Aktors durch einen optisch begrenzten Raum darzustellen, dessen Auslenkwinkel in keiner Richtung größer ist als der des korrespondierenden Aktors. Für wechselnde Aktoren mit unterschiedlichen Auslenkbereichen werden die Bewegungsräume beider Aktoren durch optische Räume, einerseits durch das Lichtbündel, andererseits durch den Einfallsbereich auf den Lichtdetektor, begrenzt. Eine Ausrichtung zueinander ist dann nur möglich, wenn das auf den Auslenkbereich des sendenden Aktors begrenzte Lichtbündel vom Lichtdetektor des auf dessen Auslenkbereich eingeschränkten Einfallsbereich des korrespondierenden Aktors empfangbar ist.
• Bei einem Winkelversatz der die Lichtquelle und den Lichtdetektor enthaltenen Objekte kann der Auslenkwinkel des Aktors in den Fällen möglicherweise nicht ausreichend sein, in denen der Aktor stark in entgegengesetztem Drehsinn zum Winkelversatz ausgerichtet werden muss. Winkelversätze sind zwar mit beschriebener Sensorik nicht erkennbar, können jedoch durch eine vorteilhafte Weiterbildung berücksichtigt werden. Um Winkelversätze zuzulassen und auszugleichen wird eine Winkeldifferenz zwischen dem Auslenkwinkel des Aktors und dem Öffnungswinkel des Lichtbündels, bzw. bei einer Begrenzung des Empfangsbereichs, dem Empfangswinkel des Lichtdetektors, vorgeschlagen, um die der Aktor über den optischen begrenzten Raum hinaus auslenkbar ist und die dem ausgleichbaren Winkelversatz entspricht. Dabei sind zulässige Winkelversätze für jede Auslenkrichtung separat festlegbar.
• Diese Sensorik ermöglicht, trotz des geringen technischen Aufwands mit jeweils nur einem optischen Sender und Empfänger, eine sehr sichere Überprüfung ob ein in einem Angelpunkt gelagerter Aktor mit einem Zielpunkt interagieren kann und beansprucht zudem wenig Installationsraum. Mit beschriebenen Ausgleich von Winkelversätzen ist der Aktor innerhalb eines Ausrichtbereichs zu einem Zielpunkt positionierbar, in dem sowohl Parallel- als auch zugelassene Winkelversätze kompensierbar sind. Mit bevorzugten Positionen des Senders und des Empfängers direkt am Angelpunkt des Aktors des einen und am Zielpunkt des anderen Objekts ist dieses Prüfverfahren unabhängig von den äußeren Formen der Objekte. Für Vorrichtungen, die einen Aktor durch eine Leitfläche zum Zielpunkt ausrichten, wie obige zur selbsttätigen Ausrichtung und Schließung zweiteiliger Kupplungssysteme, bedeutet das, dass bei der Dimensionierung der Leitfläche zulässige Winkelversätze mit berücksichtigt werden müssen, damit der Aktor bei einem großen Parallel- und gleichzeitigem Winkelversatz die Leitfläche nicht verfehlen kann.
• Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Innovation ist die automatische Verbindung von Kraftfahrzeugen zu Tank- oder Ladepunkten. Durch die zunehmende Vielfalt von Kraftstoffen - Benzin, Diesel, BtL-Kraftstoffe, oder die Gasvarianten LPG, CNG, LNG und Wasserstoff, dazu elektrischer Strom - mit unterschiedlich zu handhabenden Anschlüssen, werden Tank- und Ladevorgänge durch selbsttätige Kopplungen vereinfacht. Während Betankungen mit flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen an zentralen Versorgungspunkten in relativ kurzer Zeit Treibstoffvorräte für weite Strecken oder lange Zeiträume ermöglichen, erfordert das Laden von Fahrzeugen mit batterieelektrischen Antrieben eine deutlich längere und/oder häufigere Verbindung mit den Ladepunkten, weshalb hier ein Bedarf an einer ausreichend großen Anzahl von Aufstellflächen mit Ladepunkten besteht, an denen diese Fahrzeuge auch über längere Zeiträume zur Strombetankung stehen können. Da Fahrzeuge gewöhnlicherweise ohnehin über lange Zeiträume abgestellt sind ist es vorteilhaft, wenn diese bestehenden Parkstände - statt zusätzlicher, zentraler Einrichtungen - für Strombetankungen nachrüstbar sind , weil dadurch häufigere Ladevorgänge mit entsprechend kürzeren Ladezeiten möglich sind.
• Damit Fahrzeuge an den üblichen Abstellorten mit selbsttätig aufbauenden Ladeverbindungen verbunden werden können muss das funktionell zusammenwirkende Ladesystem aus fahrzeugseitiger Technik und stationären Ladepunkten so angeordnet sein, dass dieses mit Fahrzeugen unterschiedlicher Abmessungen und Formen und an Parkständen mit Ausrichtungen längs, schräg und senkrecht zur Fahrbahn möglich ist. Die einschlägigen Patentschriften zum Thema selbsttätiger Ladeverbindungen ziehen als Anschlussstelle in der Summe nahezu alle Punkte an Fahrzeugen in Betracht, es ist jedoch kein Vorschlag und keine Lösung für eine einheitliche Anordnung mit fest installierten Ladepunkten bekannt, mit der an allen Park- und Stellplätzen alle Fahrzeuge selbsttätig gekoppelt und mit Strom versorgt werden können. Obige DE 10 2014 226 755 A1 und DE 10 2013 225 196 A1 sehen z. B. den Anschluss an der Fahrzeugfront oder dem -heck vor, was die Nutzung auf Parkflächen einschränkt an deren Enden Ladepunkte installierbar sind. Daneben gibt es im öffentlichen Verkehrsraum die Besonderheit, dass Parkplätze mit Ausrichtungen schräg oder senkrecht zur Fahrbahn häufig an die Verkehrsräume Geh- oder Radweg, mit einem dazwischenliegenden Überhangstreifen, grenzen. Über diesen Streifen dürfen oder müssen Fahrzeugüberhänge ragen um den nachfolgenden Verkehr nicht zu behindern. Die Nutzungsmöglichkeiten der Überhangstreifen für andere Verkehrssteilnehmer sollen jedoch nicht durch Hindernisse, wie z. B. auch Ladepunkte, eingeschränkt sein wenn keine Fahrzeuge abgestellt sind (Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: „Empfehlungen für Anlagen des ruhenden Verkehrs EAR 05“, FGSV-Verlag, Köln 2005, S. 24).
• Deshalb bezieht sich ein letzter Aspekt der Innovation auf die Anordnung von Mitteln an Fahrzeugen und den dazu korrespondierenden Mitteln an Parkständen, die nach ausreichend genau gegenüber ausgerichteten Positionen selbsttätig funktionelles Zusammenwirken ermöglichen, insbesondere zur Betriebsstoffversorgung von Kraftfahrzeugen und hier insbesondere im (semi-)öffentlichen Verkehrsraum, mit der Aufgabe diese so anzuordnen, dass damit bevorzugt an allen Parkständen und mit Fahrzeugen aller Segmente selbsttätig funktionelle Zusammenwirkungen möglich sind und ohne dass die stationären Mittel Behinderungen für andere Verkehrsteilnehmer darstellen.
• Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass als einheitliche Position des Mittels am Fahrzeug die vor dem vorderen Radhaus / Radausschnitt und in einer einheitlichen Höhe über dem Straßenniveau gewählt wird. Die Fahrzeugseite ist dabei diejenige, die gewöhnlicherweise der Seite des Fahrers gegenüber liegt. Dadurch sind die auszurichtenden Mittel unabhängig von den Längen der vorderen Überhänge und, bei Anschlägen der Reifen an Bordsteinkanten, nahe an den Begrenzungen zu angrenzenden Verkehrsräumen. Unterschiedliche Abstände der fahrzeugseitigen Mittel zu den Radachsen aufgrund unterschiedlich großer Radausschnitte werden bei Schräg- und Senkrechtaufstellungen mit den Reifen an den Bordsteinkanten durch die in gleichem Maß unterschiedlich dimensionierten Reifendurchmesser weitgehend ausgeglichen, weshalb die Differenzen der horizontalen Positionen der fahrzeugseitigen Mittel etwa in dem Bereich liegen, der dem der unterschiedlichen Reifenradien entspricht und deutlich innerhalb eines zu berücksichtigenden, ausreichend großen Ausrichtbereichs liegt. Die Höhe der Bordsteinkante hat dabei einen geringen Einfluss, da die Reifenanschlagpunkte jeweils in gleicher Höhe und nur wenig über den Aufstandsflächen liegen.
• Mit dieser Anordnung befindet sich das dem stationären Mittel gegenüber auszurichtende Mittel des Fahrzeugs und das stationäre Mittel selbst bei Aufstellungen längs zur Fahrbahn am Rand anschließender Geh- oder Radwege, an Überhangstreifen mit senkrechten Aufstellungen an dessen Begrenzung und bei Schrägaufstellungen an Überhangstreifen mit der Seite des Fahrzeugs, deren Vorderreifen nahe zur Überhangstreifen-Begrenzung positionierbar ist, ebenfalls an dieser Grenze, wodurch in keinem Fall das stationäre Mittel ein Hindernis für andere Verkehrsteilnehmer darstellt. An anderen Parkständen ist das stationäre Mittel an deren seitlichen Abgrenzungen und, bezogen auf die Fahrzeugfront, um den jeweiligen Abstand bis zum fahrzeugseitigen Mittel vor dem vorderen Radhaus / Radausschnitt zurückversetzt angeordnet.
• Mit wenigen Ausnahmen - etwa Parkplätze in Einbahnstraßen längs zur Fahrbahn und an der Seite des Fahrers liegend - können alle Parkstände mit selbsttätig zusammenwirkenden Mitteln ausgestattet und genutzt werden, bei geringen Abmessungen der stationären Mittel auch ohne bauliche Veränderungen der Aufstellflächen. Als einheitliche Höhe der fahrzeugseitigen Mittel eignet sich die Ebene unterhalb der der Scheinwerfereinheiten, weil hier regelmäßig keine oder keine nicht verlagerbaren Fahrzeugkomponenten verbaut sind und deshalb dieser Raum dafür verfügbar ist. Als weiterer Vorteil dieser Anordnung sind zur Ausrichtung des Fahrzeugs die Lagen der Mittel - wenn diese auch nicht direkt sichtbar sind - diagonal über die Fronthaube im Blickfeld des Fahrers. Diese Anordnung ist nicht nur zur Übertragung stofflicher Medien oder konduktiver Ströme geeignet, sondern ermöglicht auch Ausrichtungen von Sekundär- zu Primärspulen induktiver Ladelösungen an allen Parkständen.
• Die folgende beispielhafte Ausführung der Vorrichtung zur selbsttätigen Ausrichtung und Schließung zweiteiliger Kupplungssysteme zeigt die Lösung um batteriebetriebene Fahrzeuge mit Ladepunkten zu verbinden, dabei kann die Vorrichtung als zusätzliche Ladeoption oder alleine zur Versorgung des Fahrzeugs mit Fahrstrom dienen. In der Beschreibung der Ausführung werden, auch zur besseren Unterscheidung, für die Kupplungshälften die in diesem Kontext gebräuchlichen Bezeichnungen Ladestecker, baulich verbunden mit der Koppelvorrichtung, und die als Ladepunkt mit der Leitvorrichtung baulich verbundene Ladebuchse verwendet. Als grafische Darstellungen zeigen die Abbildungen
• 1 die Koppelvorrichtung, mit deren Gehäuse im Schnitt,
• 2 die in diesem Beispiel teleskopisch ausgeführte, teilweise aus der Lanzenführung ausgefahrene Koppellanze im Schnitt mit vergrößertem Ausschnitt des Ladesteckers,
• 3 die Leitvorrichtung, ausgeführt als Ladepunkt und befestigt an einem Rohrpfosten, mit den Leitflächen und der Ladebuchse im Schnitt,
• 4 die bewegliche Komponente der Leitvorrichtung mit der durch die Koppellanze geöffnete Buchsenabdeckung, zum Teil im Schnitt,
• 5 die Bestandteile der Sensorik an den mit ihnen verbundenen Bauteilen,
• 6A bis 6C Schnittdarstellungen der mit Hilfe der Sensorik zur Leitvorrichtung positionierten Koppelvorrichtung und die anschließende Ausrichtung und Kopplung der Kupplungshälften in Aufsicht,
• 7 die Einbauposition der Koppelvorrichtung in einem vorderen Überhang in Perspektive mit vergrößertem Ausschnitt der Zuleitungsführung,
• 8 die Einbauposition der Koppelvorrichtung in den Profilen von Fahrzeugen verschiedener Segmente und die Positionierungshilfe in Vorderansicht,
• 9A bis 9D unterschiedliche Aufstellsituationen von Fahrzeugen mit den Koppelvorrichtungen in Durchsicht und zu den Ladepunkten aufgebaute Ladeverbindungen,
• 10 das Schema der Prozesslogik zur Unterstützung der Fahrer beim Ausrichten der Fahrzeuge zu den Ladepunkten mit den Schritten des Verbindungsauf- und -abbaus.
• Die in 1 dargestellte Koppelvorrichtung bildet die fahrzeugseitige Technik. Mit schräg gestellten Stabilisatoren (1.3, 1.4, 1.13) - hier in einer Ausführung als Zugfedern - liegen diese bei starken Auslenkungen der Lanzenführung (1.6) platzsparend parallel zwischen dieser und dem Gehäuse (1.7), wodurch dessen Abmessungen bevorzugt gering gehalten werden. Durch die Schrägstellung wirkt eine Kraftkomponente in Richtung der Koppelachse (1.22), was eine einfach ausführbare Rastung in der Anfangslage durch Abflachungen der Lagerzapfen (1.8, 1.18) und den Lagerbuchsen an den Rastpositionen ermöglicht. Dieser Rasteffekt ist durch konkave Ausbildungen der Rastflächen der Lagerzapfen (1.8, 1.18) und konvexe der Lagerbuchsen verstärkbar. Bei Verwendung von Stabilisatoren (1.3, 1.4, 1.13) mit entgegengesetzter Kraftwirkung, z. B. Gasdruckfedern, befinden sich die Rastungen dementsprechend auf den gegenüberliegenden Seiten der Radiallager. Mit einer kardanischen Lagerung (1.19) an der Austrittsseite der Koppellanze, nicht größer als für Bewegungen der Lanzenführung (1.6) erforderlich, weist das Gehäuse (1.7) eine konische Form mit einem geringen Querschnitt an der Austrittsseite der Koppellanze auf, wodurch es auch nahe an gewölbten Abschnitten von Fahrzeugkarosserien positionierbar ist und die notwendigen Öffnungen in den Karosserien bevorzugt klein ausfallen können.
• Für einen geringen Platzbedarf der Koppellanze im eingefahrenen Zustand ist sie vorteilhaft teleskopisch, mit einem inneren (2.22) und einem äußeren Teleskoprohr (2.20), ausgeführt. Dadurch liegt auch ihr Schwerpunkt in der Anfangslage näher an der kardanischen Aufhängung (1.19) als mit einer einteiligen Koppellanze, wodurch die oberen Stabilisatoren (1.3, 1.4) weniger belastet werden. Um Ausweichbewegungen des als Schiebe-Zug-Kabel eingesetzten Zuleitungskabels (2.13) innerhalb der Koppellanze einzuschränken, begrenzen vorteilhafte Ausbildungen von Reduzierhülsen im Inneren der Lanzenführung (2.15) und des äußeres Teleskoprohrs (2.17) dessen Bewegungsraum. Zusätzlich wird das Zuleitungskabel (2.13) durch den kraft-, form- oder stoffschlüssig verbundenen Druckring (2.18) mittig gehalten. Damit die Teleskoprohre (2.20, 2.22) beim Ausfahren der Koppellanze voneinander gelöst werden, weisen die als Verbindungen zu den Reduzierhülsen (2.15, 2.17) ausgebildeten Kreisringflächen vorteilhafte Luftdurchlässe (2.14, 2.16) zur Drosselung der Luftströme auf, wodurch bei einer Translation des inneren Teleskoprohrs (2.22) das äußere (2.20) durch einen Sogeffekt mit bewegt wird. Beim Einfahren der Teleskoprohre (2.20, 2.22) werden deren Anschläge durch Luftstaus an den Luftdurchlässen (2.14, 2.16) gedämpft.
• Das Drehmoment des Schrittmotors (1.16) wird über ein Getriebe (1.15), hier in Form eines selbsthemmenden Schneckengetriebes damit Halteströme an den Endpositionen verzichtbar sind, und den Zahnriemen (1.12) auf das Reibrad (1.1) übertragen. Dabei ist als vorteilhafte Ausführung zur Entlastung der oberen Stabilisatoren (1.3, 1.4) das gesamte Gewicht des Antriebs (1.5, 1.15, 1.16) auf einen Antriebsträger (1.17), form- oder stoffschlüssig mit dem Kardanring (1.19) verbunden, verlagert. Durch den Kraftschluss mit dem Reibrad-Gegendruckrolle-Paar (1.1, 1.2) bewegt das Zuleitungskabel (2.13) über den verbundenen Druckring (2.18), die Rückhaltefeder (2.19) und dem als Ringsteg (2.2, s. a. 4) ausgeformten Bereich - alternativ kann an dieser Stelle auch ein Sprengring eingesetzt sein - das innere Teleskoprohr (2.22) aus der Lanzenführung (1.6) und dabei im ersten Bewegungsabschnitt, durch beschriebene Sogwirkung, auch das äußere Teleskoprohr (2.20). Durch die Rückhaltefeder (2.19) wird bei Translationen in den freien Raum oder gegen geringe Widerstände verhindert, dass der Ladestecker (2.21) aus seiner geschützten Lage im inneren Teleskoprohr (2.22) geschoben wird. Eine Zugkraft des Zuleitungskabels (2.13) auf den Ladestecker (2.21) bewirkt dessen Druck auf den Ringsteg (2.2) und ein Einfahren der Koppellanze. Horizontalen Auslenkungen der Lanzenführung (1.6) folgt der Antriebsträger (1.17) durch die Verbindung mit dem Kardanring (1.19) parallel, vertikale Auslenkungen verursachen Abstandsänderungen der Zahnscheiben (1.5, 1.11), die durch die federgespannte Spannrolle des Zahnriemens (1.14) ausgeglichen werden. In einer alternativen Ausführung (ohne Abbildung) strafft der gesamte Antrieb (1.5, 1.15, 1.16) als vorgespannte, auf dem Antriebsträger (1.17) bewegliche Einheit den Zahnriemen (1.12).
• Für ein funktionelles Zusammenwirken mit dem elliptischen Auslenkbereich der Koppellanze (1.21) weist die Leitmulde (3.2) ebenfalls eine elliptische Form mit einem ebenen, kreisrunden Ausschnitt für den Leittrichter (3.3) auf, mit gleichmäßig verlaufenden Übergängen zwischen dem Neigungswinkel an der Hauptzu dem an der Nebenachse. Deren Abmessungen berücksichtigen Winkelversätze zwischen den Vorrichtungskomponenten in allen Richtungen und durch ihre vertikale Abmessung liegen gewöhnliche Vertikalversätze der Koppelvorrichtung in einem Bereich um die Hauptachse der elliptischen Leitmulde (3.2) mit einem bevorzugt wenig verkürzten horizontalen Ausrichtbereich. Die Leittrichter-Ladebuchsen-Einheit (3.3, 3.7) ist kardanisch gelagert (3.8) und wird durch Stabilisatoren (4.1, 4.7, 4.12) in der Anfangslage gehalten. Als vorteilhafte Ausgestaltung kann diese durch Rastungen (ohne Abbildung) in dieser Lage fixiert werden, etwa an deren Radiallager (4.4, 4.10) ähnlich wie an denen der Lanzenführung (1.8, 1.18). Zusammen mit der Steuer- und Leistung-Elektronik (3.1) in einem gemeinsamen Gehäuse (3.9) bilden diese Komponenten den Ladepunkt.
• Der Ladestecker (2.21) ist für einen Lademodus nach IEC 61851-1 mit zwei Signal- (2.1, 6.4) und fünf Stromkontakten (2.4, 2.6, 2.12) ausgestattet, mit Einbuchtungen (2.5) zwischen den Steckerkontakten zur Aufnahme der Buchsenausbuchtungen (4.9, 4.11) als Isolatoren. Lediglich die Signalkontakte (2.1, 6.4) nutzen einen gemeinsamen Steg (2.3), der zur Vermeidung von Fehlsteckungen breiter ausgeformt ist. Die ausgebildeten Stege der Ladebuchse (4.9, 4.11) und die des Ladesteckers (2.7, 2.10) sind an deren freien Enden zum Ausgleich von Radialversätzen beim Schließen der Kupplung verjüngend auslaufend geformt. Der Ladestecker (2.21) weist innerhalb der radial angeordneten keine weiteren Kontakte auf, da der Bereich bevorzugt die Sende- (2.11) und die Empfangsdiode (2.8) der Koppelvorrichtung aufnimmt.
• In dieser Ausführung soll die Sensorik sowohl den Abstand zum Ladepunkt als auch Parallelversätze zu diesem überprüfen, wobei es von Vorteil ist, dass für beide Prüfverfahren ein durch optische Mittel begrenztes Lichtbündel (1.10) verwendet wird, wodurch für diese Aufgaben eine einzige Lichtquelle ausreichend ist. Für einen über die Dioden der Sensorik stattfindenden Datenaustausch sind diese (2.7, 2.11, 4.3, 4.5) mit optischen Empfindlichkeiten im Infrarotlichtbereich (IR) vorgesehen. Durch die Datenübertragung und Auswertung sind zudem die Strahlen des Lichtbündel (1.10) zuverlässig von Streulicht unterscheidbar. Das Lichtbündel (1.10) der Koppelvorrichtung, mit der Sendediode (2.11) in deren Anfangslage direkt am Angelpunkt der kardanischen Lagerung (1.19) befindlich, wird durch eine Blende (2.9) auf den maximalen Auslenkbereich der Leittrichter-Ladebuchsen-Einheit (3.11) begrenzt, wodurch die Fläche der Leitmulde (3.2) bis an deren Rändern nutzbar ist. Der über das Lichtbündel (1.10) hinausgehende Auslenkbereich (1.21) dient dem allseitigen Ausgleich von Winkelversätzen. Seitens des Ladepunkts befinden sich die Detektoren (5.5) des Lichtdetektoren-Arrays (5.2), in der Grundform eine in einer Ebene liegende Ellipse, zur Vermeidung von Lichtbrechungen direkt an der Rückseite der aus - zumindest vor den Detektoren (5.5) - IR-durchlässigen Material bestehenden Leitmulde (3.2). Sie sind so angeordnet, dass deren Positionen, bezogen auf den Strahlenverlauf des Lichtbündels (1.10), denen in einer Ebene entsprechen.
• Mit einer Reihe vorteilhafter Konstruktionsmerkmale sollen, neben dem Schutz der Kontakte des Ladesteckers (2.21) durch das innere Teleskoprohr (2.22), gesichert durch die Rückhaltefeder (2.19), und dem des Lichtdetektoren-Arrays (5.2) durch die Leitmulde (3.2), die elektrischen Bauteile vollständig gegen Berührung, Staub in schädigender Menge und allseitigem Spritzwasser, entsprechend den Anforderungen der Schutzart IP 54 nach DIN EN 60529, für einen Verwendung im Außenbereich schützbar sein. Diese sind unabhängig voneinander kombinierbar und beinhalten
1. a) eine IR-durchlässige Abdeckung (1.20) der Karosserieöffnung für die Koppellanze um damit im geschlossenen Zustand das Fahrzeug ausrichten zu können und eine Kommunikation mit dem Ladepunkt zu ermöglichen. Dafür ist diese im Bereich des Lichtbündels (1.10) als Kugelkalotte (1.9) mit dem Kugelmittelpunkt/Fokus an der Lichtquelle (2.11) ausgebildet, um Verfälschungen des Öffnungswinkels durch Lichtbrechungen zu vermeiden,
2. b) einen Faltenbalg (ohne Abbildung) mit einem Durchlass für - je nach Ausführung - die Koppellanze oder deren Zuleitung (2.13) zur Abdeckung der Rückseite des Koppelvorrichtungsgehäuses (1.7) gegen das Eindringen von Fremdkörpern. Ebenfalls zu diesem Zweck kann der Durchlass als Rundbürste mit einem Besatz nach innen ausgeführt sein,
3. c) eine Abdeckung (4.6) der Ladebuchse (3.7) am Übergang zwischen dieser und dem Leittrichter (3.3), die in diesem Beispiel durch den Tauchanker des Betätigungsmagneten (3.6) verriegelbar ist, mit dem Vorteil, dass die Empfangsdiode (4.5) in die Abdeckung (4.6) integriert direkt am Angelpunkt der Leittrichter-Ladebuchsen-Einheit (3.3, 3.7) positionierbar ist,
4. d) rückseitigen Abdeckschürzen (3.4, 4.2) in Form von Kugelzonen, anschließend an den Rändern des Leittrichters (3.3) und dessen Ausschnitt in der Leitmulde (3.2), die mit einem gemeinsamen Kugelmittelpunkt am Angelpunkt der Leittrichter-Ladebuchsen-Einheit (3.3, 3.7) bei Bewegungen dieser durch Überlappung das Entstehen von Öffnungen verhindern,
• Es wird im folgenden, beispielgebenden Szenario davon ausgegangen, dass es auch Fahrzeuge mit Koppelvorrichtungen unterschiedlicher Koppellanzen-Reichweiten gibt, deren Auslenkbereiche sich ebenfalls unterscheiden können, die jedoch - ohne die Bereiche zum Ausgleich von Winkelversätzen - in keiner Richtung über den Auslenkbereich der Leittrichter-Ladebuchsen-Einheit des Ladepunkts (3.11) hinausgehen, weshalb der Einfallsbereich der Empfangsdiode des Ladepunkts (4.5) optisch nicht begrenzt werden muss. Auch wird vorausgesetzt, dass die Lichtbündel (1.10) aller Koppelvorrichtungen bei ihren maximalen Abständen zum Ladepunkt zu dem Zeitpunkt, wenn deren Randstrahlen die Empfangsdiode des Ladepunkts (4.5) erreichen, auch ein Segment des Lichtdetektoren-Arrays (5.2) erfassen.
• Dabei wird auch Bezug auf die Prozesselemente 10 genommen, deren Prozesslogik als vorteilhafte Nutzung der Sensorik so angelegt ist, dass alleine mit dieser und einer Abfrage der Fahrtrichtung von der Fahrzeugelektronik, dem Fahrer über eine Positionierungshilfe (6.1) Signale zur Unterstützung bei der Ausrichtung des Fahrzeugs gegeben werden können. Mit einer zweiten Abfrage soll durch die Überprüfung ob der Fahrschlüssel gesteckt ist, der Verbindungsauf- und -abbau zum Ladepunkt bevorzugt automatisch ausgelöst werden. Es wird dabei angenommen, dass über die IR-Dioden (2.7, 2.11, 4.3, 4.5) eine Kommunikation zur Auswahl eines Ladepunkt-Stromanbieters mittels eines digitalen Endgeräts im Fahrzeug möglich ist und Ladepunkte oder deren Stromanbieter durch eindeutige Kennungen identifizierbar sind. In der ersten Spalte (10.1) der 10 sind die fahrzeugseitigen Prozesse, in der zweiten die der Ladepunktelektronik (3.1) und in der dritten die Signale der Positionierungshilfe (6.1) angeordnet. Für eine bessere Darstellung der Sensorik ist in 5 das Fahrzeug durch den orthogonal zur Fahrtrichtung (5.4) weisenden Ladestecker (2.21), der Ladepunkt durch die Leitmulde in transparenter Darstellung (3.2) und die Buchsenabdeckung (4.6) repräsentiert; zwischen dem Fahrzeug und dem Ladepunkt besteht in dieser Beispieldarstellung ein Vertikalversatz.
• Nach Fahrtbeginn (10.2) werden ab einer Geschwindigkeit (10.3) die auch zum Halt an einem Ladepunkt unterschritten werden muss, z. B. der Schrittgeschwindigkeit, über die Sendediode der Koppelvorrichtung (2.11) kontinuierlich die Informationen „Öffnungswinkel des Lichtbündels an der Ellipsen-Hauptachse“ und „Reichweite der Koppellanze ab deren Angelpunkt“, sowie die von der Fahrzeugelektronik abgefragte Fahrtrichtung bei geschlossener IR-durchlässiger Abdeckung der Koppellanze (1.20) gesandt (10.4). Die Identität des Fahrers oder des Fahrzeugs sind nicht erforderlich und sollen aus Datenschutzgründen auch nicht übertragen werden. Bei einer Annäherung (5.4) an einen Ladepunkt wird dessen Steuerelektronik (3.1) beim erstmaligen Erhalt der Informationen über die Randstrahlen des Lichtbündels (1.10) durch die Empfangsdiode (4.5) die Anzahl der Lichtdetektoren (5.5) des Detektoren-Arrays (5.2) ermitteln die sich in diesem Moment innerhalb der Lichtprojektion (5.3) des Lichtbündels (1.10) befinden und mit dieser, dem Öffnungswinkel des Lichtbündels und der Koppellanzereichweite einmalig berechnen (10.25) ob der Abstand eingehalten ist. Das Ergebnis wird zusammen mit der Fahrtrichtung gespeichert und bei jedem weiteren Empfang von Daten (10.18) evaluiert (10.22) ob bereits eine Abstandsüberprüfung stattfand und die Fahrtrichtung aktualisiert werden muss.
• In 5 ist als Beispiel für einen maximalen Abstand die Lichtprojektion (5.3) des Lichtbündels (1.10) dargestellt. Ist der Abstand überschritten, es befinden sich zu viele Dioden (5.5) innerhalb der Projektion, gekennzeichnet als Lichtprojektionsgrenze durch die äußere, gestrichelte Linie (5.1), wird das Signal „Abstand verkleinern!“ (10.35) aktiviert bzw. nach einer Evaluierung (10.22) beibehalten. Um den Abstand zum Ladepunkt zu korrigieren ist es unvermeidlich das Fahrzeug über den Ausrichtbereich hinaus zu bewegen. Dadurch, oder wenn das Fahrzeug beim Ausrichten zu weit bewegt wurde, sind keine Daten empfangbar (10.18) und es wird geprüft (10.19) ob solche vorhanden sind. Bei vorhandenen Daten wird über eine Präsenzschaltung mit einem Signal der Sendediode (4.5) überprüft (10.21) ob dieses als Reflektion von der Empfangsdiode (4.3) detektierbar ist, wodurch feststellbar ist ob sich das Fahrzeug noch vor dem Ladepunkts befindet. In diesem Fall wird das Ergebnis der Abstandsprüfung gelöscht um diesen erneut zu überprüfen und das Signal entgegen der zuletzt erhaltenen Fahrtrichtung aktiviert (10.23): „Vorwärts fahren!“ (10.33) oder „Rückwärts fahren!“ (10.34). Ist keine Präsenz des Fahrzeugs feststellbar (10.21) werden alle Daten gelöscht (10.20) und das Standardsignal „Vorwärts fahren!“ (10.33) gesetzt.
• Mit einem Öffnungswinkel des Lichtbündels (1.10) nicht größer als der Auslenkwinkel der Leittrichter-Ladebuchsen-Einheit (3.11) und ohne Überschreitung eines ausgleichbaren Winkelversatzes ist bei jedem Parallelversatz eine Ausrichtung der Koppelachsen (1.22, 3.10) zueinander möglich, bei dem die Ladepunkt-Empfangsdiode (4.5) innerhalb des Lichtbündels (1.10) Signale empfängt, dargestellt in 6A in Aufsicht zusammen mit dem über den Öffnungswinkel hinausgehenden, horizontalen Auslenkwinkel der Koppellanze (1.21) innerhalb dessen Winkelversätze durch Schrägstände des Fahrzeugs ausgeglichen werden. Der Ausrichtbereich nimmt mit abnehmenden Abstand des Angelpunkts der Koppelvorrichtung (6.2) zu dem des Ladepunkts, repräsentiert durch dessen Empfangsdiode (4.5), ab. Die Abnahme dieses Abstands ist jedoch nur bis zu dem Punkt möglich, an dem sich das Fahrzeug und der Ladepunkt berühren würden, weshalb immer ein Ausrichtbereich verbleibt. In dieser beispielhaften Ausführung reduziert sich dieser bei einem sehr geringen Abstand auf etwa die Hälfte gegenüber dem eines maximalen Abstands.
• Sind die Koppelachsen (1.22, 3.10) zueinander ausrichtbar und ist der Abstand überprüft und positiv (10.22, 10.24) wird signalisiert „Position OK!“ (10.36) und über die Sendediode (4.3) des Ladepunkts die Informationen „Ladepunkt-ID“ und ggf. „Stromanbieter und Tarife“ gesandt (10.26), falls dieser Ladepunkt nicht als abonniert gespeichert ist (10.6) werden die Informationen an das digitale Endgerät im Fahrzeug weitergeleitet. Bei einem abonnierten Ladepunkt oder nach der Wahl des angebotenen Stromanbieters / Tarifs (10.5) wird, wenn die Fahrbereitschaft mittels des Fahrschlüssels deaktiviert wurde (10.7), selbsttätig die elektrische Feststellbremse aktiviert (10.8), dem Ladepunkt die Aufforderung zum Entriegeln der Buchsenabdeckung (4.6) gesandt (10.9) und, nachdem die Abdeckung der Koppellanze (1.20) durch eine Betätigungsvorrichtung geöffnet ist, diese ausgefahren (10.10) bis das innere Teleskoprohr (2.22) die Leitmulde (3.2) erreicht - in 6B in transparenter Darstellung -, von der sie horizontal und vertikal zur Leittrichter-Kupplungshälften-Einheit (3.3, 3.7) gelenkt wird, deren Koppelachse (3.10) im weiteren Verlauf durch die Koppellanze in Richtung derer (1.22) ausgelenkt wird.
• Während sich die Koppellanze und die Leittrichter-Ladebuchsen-Einheit (3.3, 3.7) gegenseitig auf eine gemeinsame Koppelachse (6.5) ausrichten, die Buchsenabdeckung (4.6) wurde mit dem Erhalt (10.27) der Aufforderung (10.9) durch Anziehen des Tauchankers des Betätigungsmagneten (3.6) entriegelt (10.28), wird die Klinkenwelle (3.5) durch den Druck des inneren Teleskoprohrs (2.22) auf ihre Klinke gedreht und hebt über die beidseitig an ihren Hebeln angebrachten Koppelstangen (4.8) die Abdeckung (4.6) entlang der Führung (4.14) so weit an, dass der Ladestecker-Durchlass (4.13) den Zugang zur Ladebuchse (3.7) freilegt. Zum Auswurf möglicher Fremdkörper im Leittrichter (3.3) ist der Durchlass (4.13) an der Unterseite nicht geschlossen. Mit dem Aufliegen des inneren Teleskoprohrs (2.22) auf den Rand der Ladebuchse (3.7) ist die Kupplung gegen das Eindringen von Fremdstoffen gesichert und die Koppelachsen der Kupplungshälften (1.22, 3.10) sicher auf eine gemeinsame (6.5) ausgerichtet. Die fortwährende Schubkraft über das Zuleitungskabel (2.13) und den Druckring (2.18) bewegt den Ladestecker (2.21) gegen die Kraft der Rückhaltefeder (2.19) entlang der gemeinsamen Koppelachse (6.5) aus dem inneren Teleskoprohr (2.22) in die Ladebuchse (3.7), dargestellt in 6C. Radialversätze werden durch die verjüngend auslaufenden Stege des Ladesteckers (2.7, 2.10) und der Ladebuchse (4.9, 4.11) ausgeglichen.
• Der Einsatz des Zuleitungskabels (2.13) als Schiebe-Zug-Kabel ist in dieser Ausführung der Vorrichtung möglich, da die Kraftaufwände zur Auslenkung der Lanzenführung (1.6) während der Lenkung durch die Leitmulde (3.2), durch die Hebelwirkung der ausgefahrenen und nur punktuell aufliegenden Koppellanze, und die zur Kopplung, durch die Ausrichtung des Ladesteckers (2.21) und der Ladebuchse (3.7) auf eine gemeinsamen Koppelachse (6.5), vorzugsweise gering gehalten werden, zudem weisen Kabel zur Übertragung von Ladeströmen gewöhnlich einen großen Gesamtquerschnitt der Leiter mit einer entsprechend hohen mechanischen Belastbarkeit auf.
• Erkennt die Steuerelektronik der Koppelvorrichtung (ohne Abbildung) während der Bewegung des Ladesteckers (2.21) in die Ladebuchse (3.7), dass der kürzere Plug-Present-Kontakt (6.4) als letzter kontaktschlüssig ist (10. 14), wird der Schrittmotor (1.16) so angesteuert, dass der Ladestecker (2.21) noch so weit in die Ladebuchse (3.7) bewegt wird, dass ein axialer Bewegungsraum in beiden Richtungen zum Ausgleich unvermeidlicher Wankbewegungen des Fahrzeugs, z. B. durch das Aus- und Wiedereinsteigen des Fahrers, verbleibt. Bei stärkeren Wankbewegungen oder seitlichen Absenkungen - Kneeling -, insbesondere von ÖPNV-Bussen für barrierearme Zugänge, ist ein größerer Bewegungsausgleich notwendig, weshalb dafür als vorteilhafte Ausgestaltung eine Arretierung oder Rastung (ohne Abbildung) des Ladesteckers (2.21) an der Leittrichter-Kupplungshälften-Einheit (3.3, 3.7) vorgeschlagen wird. In dargestellter Ausführung muss dafür das Zuleitungskabel (2.13) frei beweglich sein, was nach einer Fixierung des Ladesteckers (2.21) an der Leittrichter-Kupplungshälften-Einheit (3.3, 3.7) mit einem Anheben der Gegendruckrolle (1.2) durch eine Betätigungsvorrichtung erreichbar ist. Die Fixierung ist insbesondere für batterieelektrisch betriebene ÖPNV-Busse vorteilhaft, da sie damit während längeren Aufenthalten, z. B. an Umsteige- oder Endhaltestellen, Strom für die Klimatisierung und zur Nachladung der Traktionsbatterien aus dem Stromnetz beziehen und gleichzeitig das Kneeling-Verfahren für den Zu- und Ausstieg ausführen können.
• Ab der Aufforderung (10.9) die Buchsenabdeckung (4.6) zu entriegeln, bzw. dem Erhalt dieser (10.27), wird eine für einen Verbindungsaufbau ausreichende Zeitspanne gewartet (10.12, 10.29) bevor der Tauchanker des Betätigungsmagneten (3.6) gelöst wird (10.30), damit nach einem Verbindungsabbau die Buchsenabdeckung (4.6) selbsttätig, ggf. unterstützt durch eine Betätigungsfeder (ohne Abbildung), schließt und verriegelt ist. Die Positionierungshilfe (6.1) wird, als Signal dass die Verbindung geschlossen und der Ladepunkt belegt ist, während des Ladevorgangs ausgeschaltet (10.38). Fahrzeugseitig wird nach einem erfolgreichen Verbindungsaufbau (10.14) die weitere Steuerung des Ladevorgangs einem Standardladeprotokoll, z. B. dem Open Charge Point Protocol (OCPP), übergeben (10.16). Mit Wiederholschleifen (10.15, 10.32) wird eine Trennung der Kupplungshälften überwacht und nach dieser der Ladepunkt in den Ausgangszustand gesetzt (10.32). Dabei wird die Koppellanze eingefahren (10.13), darauf folgend die Abdeckung (1.20) mittels derer Betätigungsvorrichtung geschlossen und die elektrische Feststellbremse gelöst (10. 11); dieser Vorgang kann manuell auch durch das Stecken des Fahrschlüssels (10.17) ausgelöst werden.
• In Fällen, in denen eine Kopplung misslingt, etwa durch einen zu großen Winkelversatz oder wenn wegen einer Fehlfunktion die Buchsenabdeckung (4.6) nicht entriegelt ist, wird nach der Wartezeit zum Aufbau der Verbindung (10.12, 10.29) mit der Prüfung ob die Kupplungskontakte kontaktschlüssig sind (10.14, 10.31) dem Fahrer durch die Positionierungshilfe (6.1) mitgeteilt, dass der Verbindungsaufbau fehlgeschlagen ist (10.37) - z. B. durch das Blinken aller Signalelemente - und die Koppellanze eingefahren (10.13). In solchen Fällen wird durch einen nicht vollständig ausgerichteten Leittrichter (3.3) oder der breiten, arretierten Klinke der Klinkenwelle (3.5) verhindert, dass der Ladestecker (2.21) aus dem inneren Teleskoprohr (2.22) geschoben wird. Mit ausreichend großen zulässigen Winkelversätzen, die auch ohne technische Hilfsmittel erkenn- und einhaltbar sind, lässt sich das Risiko eines Überschreitens minimieren. Bei einer unerwarteten Lösung der Ladeverbindung, z. B. durch Fremdeinwirkung, ist die Verriegelung der Ladebuchsenabdeckung durch den Betätigungsmagneten (3.6) bereits aktiviert (10.30), die Buchsenabdeckung (4.6) selbsttätig schließend und die Koppellanze wird bei einer Kontaktunterbrechung (10.15) eingefahren (10.13), gleichzeitig das innere Teleskoprohr (2.22) durch die gespannte Rückhaltefeder (2.19) über die Kontakte des Ladesteckers (2.21) geschoben.
• Die Anordnung der Koppelvorrichtung vor dem vorderen Radhaus (7.2) / Radausschnitt gestattet nicht nur die Ausrichtung des Fahrzeug zu Ladepunkten auf Stellflächen jeder Anordnung, sie ermöglicht auch eine Integration der Koppelvorrichtung in bestehende Fahrzeugkonstruktionen ohne aufwändigen Änderungen an diesen, da sich die Vorrichtung in dem Bereich befindet, der regelmäßig ohnehin für Fahrzeugtechnik vorgesehen ist. 7 zeigt die an zwei Montagelaschen (7.1, 7.3) befestigte Koppelvorrichtung vor dem vorderen Radhaus (7.2). Für eine Befestigung nahe an stark abgerundeten Karosserieabschnitten ist der in Richtung der Fahrzeugfront weisende Befestigungspunkt (6.3) so weit zurückversetzt, dass dieser auch mit einer an der Fahrzeugfront befindlichen Montagelasche (7.3) verbindbar ist (s. a. vergrößerter Ausschnitt 9A). Für das Zuleitungskabel (2.13) ist keine eigene Umhausung vorgesehen, da es sich in diesem, von der Karosserie umschlossenen Bereich befindet und dessen Befestigungspunkt am Fahrzeug (7.5) entsprechend den Gegebenheiten im vorderen Überhang mit einem ausreichenden Bewegungsraum für das Kabel frei wählbar ist. In der Anfangslage bildet es bevorzugt eine Schlaufe zwischen dem Reibrad-Gegendruckrolle-Paar (1.1, 1.2) und dem Befestigungspunkt (7.5), wodurch der Raumbedarf gering und ein Teil seines Gewichts auf den Befestigungspunkt (7.5) verlagert ist. Um Bewegungen der Schlaufe während der Fahrt zu verhindern und zur Entlastung der oberen Stabilisatoren (1.3, 1.4) wird das Zuleitungskabel (2.13) als vorteilhafte Ausgestaltung durch Leitflächen bis zum Aufliegen in eine V-förmige Ablage (7.4) gelenkt, nachdem es durch die Stabilisatoren (1.3, 1.4, 1.13) und den Rastungen (1.8, 1.18) bereits beim Einfahren der Koppellanze über der Zuleitungskabel-Ablage (7.4) ausgerichtet wurde.
• Auch für nachträgliche Installationen können Fahrzeuge mit Befestigungsmöglichkeiten für die Koppelvorrichtung (7.1, 7.3) und das Zuleitungskabel (7.5), dazu eine einheitliche Schnittstelle für den Anschluss des Kabels, vorbereitet werden, wobei die Karosserieöffnung statt der Abdeckung (1.20) durch eine Blende verschlossen sein kann. Die Zuleitungskabel-Ablage (7.4) kann entweder am Fahrzeug oder am Gehäuse der Koppelvorrichtung (1.7) befestigt sein. Ein einfacher Einbau, in dieser Ausführung werden zwei Zapfen des Gehäuses (1.7) in die hintere Befestigungslasche (7.1) geführt, mit einer Schraube an der vorderen (7.3) gesichert und das Kabel am Befestigungspunkt (7.5) fixiert, dieser mit dem Zuleitungskabel (2.13) raumbeanspruchenderen Vorrichtungskomponente ist damit jederzeit möglich, zudem kann diese durch den Antrieb (1.5, 1.15, 1.16) technisch aufwändigere Komponente auch in die regelmäßigen Fahrzeug-Inspektionen mit einbezogen werden. Der Ladepunkt als korrespondierende Komponente ist dadurch als Leitvorrichtung mit geringen Ausmaßen gestaltbar, wodurch Parkstände ohne bauliche Änderungen mit diesem ausgestattet werden können.
• Als Beispiele für den Platzbedarf der Koppelvorrichtung in Fahrzeugen verschiedener Segmente und zur Demonstration der horizontal abweichenden Positionen der Koppelvorrichtungen beim Anschlag gegensätzlicher Reifengrößen an eine Bordsteinkante (8.1), sind in 8 Koppelvorrichtungen mit gleichen Abständen der Zuleitungskabel-Ablagen (7.4) zu den Radhäusern (7.2) / Radausschnitten in den Profilen der Segmente obere Mittelklasse (8.3) und Kleinwagen/ Mini (8.4) abgebildet, dazu in Umrisslinien der Ladepunkt zusammen mit dessen Leitflächen (8.2). Bei einer zu den ausgerichteten Koppelvorrichtungen (8.3, 8.4) mittigen Anordnung des Ladepunkts (8.2) würden beide Koppellanzen am Leittrichter (3.3), erkennbar durch die konzentrischen Umrisskreise, auf die Leitvorrichtung treffen. Als drittes Beispiel ist die Koppelvorrichtung (8.5) im Profil eines Fahrzeugs der Mittelklasse mit einer dazwischenliegenden Reifengröße abgebildet, deren Position bei einem Anschlag an die Bordsteinkante (8.1) zwischen denen der gegensätzlichen Reifendurchmesser liegt. Bei der demonstrierten Anordnung genügt es den Ladepunkt (8.2) näher an die Bordsteinkante (8.1) zu positionieren, um einen für alle Fahrzeuge größtmöglichen Ausrichtbereich zur Verfügung zu stellen. In Fahrzeugen mit relativ langen vorderen Überhängen können die Koppelvorrichtungen auch weiter vor dem Radhaus (7.2) liegen, damit die Fahrzeuge nicht zu weit in Überhangstreifen ragen und auch Ladepunkte an anderen Stellflächen gut erreichbar sind.
• Die Ladepunkte (8.2) in geringer Höhe über dem Straßenniveau stellen keine Beeinträchtigung des Straßenbilds dar, jedoch sind sie durch ihre Lage, seitlich der vorderen Überhänge und den Fahrern gegenüberliegend, bei Annäherungen nicht direkt zu sehen. Deshalb werden als Orientierungspunkte und zur Unterstützung beim Ausrichten der Fahrzeuge Positionierungshilfen (6.1) über den Ladepunkten (8.2) als vorteilhafte Ausgestaltung empfohlen (8). Anders als bei einer Anzeige über ein digitales Endgerät im Fahrzeug, bleibt beim Ausrichten die Umgebung im Blickfeld des Fahrers. In einer zweiten Ausführungsform (ohne Abbildung) ist die Positionierungshilfe (6.1) und die Leitvorrichtung, zusammen mit einem Ladekabelanschluss und einem Bedienfeld, in einer schlanken Ladesäule integriert. Derartige Ladepunkte können bei gleicher Anordnung wie in 9A bis 9C gezeigt, sowohl der Strombetankung über Ladekabel als auch mittels der selbsttätig ausrichtenden und schließenden Vorrichtung zur Verfügung stehen.
• In 9A ist, bei einer Anordnung der Koppelvorrichtung im vorderen Überhang mit gegenüberstehendem Ladepunkt, die Aufstellung von Fahrzeugen schräg, in 9B senkrecht zur Fahrbahn, mit den vorderen Überhängen in die Überhangstreifen ragend, in Aufsicht abgebildet. Die Ladepunkte befinden sich nahe der Fahrzeuge und an den Übergängen von den befahrbaren Flächen zu den angrenzenden Verkehrsräumen und belassen auch ohne Verbreiterungen der Parkflächen Bewegungsräume für Personen. Lediglich bei einer Aufstellung senkrecht zur Fahrbahn mit anschließendem Gehweg kann bei geringen Parkstandbreiten der Ladepunkt ein Hindernis im Durchgang darstellen. Mit gleicher Anordnung zeigt 9C die Aufstellung längs zur Fahrbahn und 9D den Platzbedarf innerhalb einer Garage, dabei beansprucht die geringe Bautiefe des Ladepunkts kaum mehr Abstand als der für den überstehenden Seitenspiegel zur Wand einzuhalten ist. In allen Aufstellsituationen sind die Türen und Klappen der Fahrzeuge unbehindert durch die Ladepunkte zugänglich. Durch den Ausgleich auch von Vertikalversätzen und von Winkelversätzen in allen Richtungen dieser beispielhaften Ausführung bestehen keine besonderen Anforderungen an den Untergrund, weshalb auch grob gepflasterte oder geschotterte Flächen geeignet sind.
• Laut einer Studie (Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur: „Mobilität in Deutschland - MiD, Tabellarische Grundauswertung“, Bonn 2018, Auswertungsebene „Autos“ S. 25 ff.) betrug die durchschnittliche Entfernung der Fahrten von 77 Prozent der an einem Stichtag im Jahr 2017 privat genutzten PKW weniger als 20 km, weitere 16 Prozent lagen unter 50 km; die Tagesstrecken von 71 Prozent der Befragten lag unter 50 km, weitere 18 Prozent blieben unter 100 km. Das bedeutet, dass für einen großen Anteil privat genutzter PKW batterieelektrische Antriebe mit Reichweiten unter 100 km für die täglichen Strecken ausreichen, wenn regelmäßige Nachladungen gewährleistet sind. Ebenso können auch Plug-In-Hybrid-Fahrzeuge, zumindest innerorts, rein elektrisch betrieben werden und zur Reduktion von CO₂- und NO_x-Emissionen beitragen, wenn Parkplätze mit Ladepunkten in einer ausreichenden Anzahl nahe der Aufenthaltsorte der Fahrer zur Verfügung stehen. Eine weitere Fraktion die stark zur Entlastung innerörtlicher Emissionen beitragen kann sind die beruflich genutzten Fahrzeuge mit hohen Jahresfahrleistungen, die über den ganzen Tag, jedoch nicht ständig unterwegs sind und über eigene Stellplätze verfügen. Dazu gehören Taxis, Kranken- und Notarztwagen, Einsatzfahrzeuge der Polizei und der Feuerwehr oder ÖPNV-Busse. Da sich deren Fahrziele gewöhnlicherweise im näheren Umkreis ihrer Standorte/ (End-)Haltestellen befinden, sind Nachladungen an ihren Stellplätzen zwischen den Fahrten möglich und können durch selbsttätige Ladevorrichtungen sichergestellt werden.
• Voraussetzung für ein dichtes Ladenetz ist eine wirtschaftlich umsetzbare Lösung. Wie in 9A bis 9D gezeigt, können bestehende Park- und Stellplätze um die stationären Vorrichtungskomponenten ergänzt werden, die erforderlichen Eingriffe in Fahrzeugkonstruktionen zur Aufnahme der Koppelvorrichtung sind, wie beschrieben, relativ gering. Alle Formteile sind kostengünstig im Spritzgussverfahren oder als Stanz(biege)teile produzierbar und der Montageaufwand durch die einfach ausgeführte Konstruktion niedrig. Zudem genügt in gezeigter Ausführung ein elektromechanisches Bauteil pro Vorrichtungskomponente und die Sensorik besteht aus optoelektronischen Standardbauteilen. Dadurch, dass die Sensorik vollständig in die Vorrichtungskomponenten integriert ist und unabhängig von Fahrzeugmodellen oder Karosserieformen arbeitet, ist eine Ausführung der Koppelvorrichtung - auch durch ihre konische Ausformung - in einer Vielzahl von Fahrzeugmodellen einsetzbar was, wie beim einheitlichen Ladepunkt, eine Produktion großer Serien begünstigt. Damit ist ein dichtes Ladenetz realisierbar und Fahrzeuge die - auch während kürzerer Standzeiten - zuverlässig mit Ladepunkten verbunden sind ermöglichen weitere positive Nutzeffekte wie batterie- und netzschonende Ladeleistungen mit Verteilung der Netzbelastungen über den Tag, Klimatisierung der Fahrzeuge durch Netzstrom vor Fahrtantritt oder die Speicherung von Netzüberschüssen als Regelenergie (V2H, V2G) in den Traktionsbatterien.
• Bezugszeichenliste

10.1

Spalte mit den fahrzeugseitigen Prozessen

10.2

Start: Fahrtbeginn

10.3

Abfrage: Geschwindigkeit kleiner Maximum (Wiederholschleife)

10.4

Übertragung Sendediode (4.3): „Fahrtrichtung, Lanzenreichweite, Lichtbündel-Öffnungswinkel“

10.5

Abfrage: Strom-Anbieter/Tarif gewählt

10.6

Abfrage: Ladepunkt-ID oder Strom-Anbieter abonniert

10.7

Abfrage: Fahrbereitschaft durch Fahrschlüssel ausgeschaltet

10.8

Prozess: Anfahrsperre aktivieren

10.9

Übertragung Sendediode (4.3): Aufforderung „Ladebuchsenabdeckung (4.6) entriegeln“

10.10

Prozess: Abdeckung (1.20) öffnen, Koppellanze ausfahren

10.11

Prozess: Anfahrsperre deaktivieren

10.12

Verzögerung: Aufbauzeit für Ladeverbindung warten

10.13

Prozess: Koppellanze einfahren, Abdeckung (1.20) schließen

10.14

Abfrage: Ladestecker (2.21) und Ladebuchse (3.7) kontaktschlüssig

10.15

Abfrage: Ladestecker (2.21) und Ladebuchse (3.7) kontaktschlüssig (Wiederholschleife)

10.16

Prozess: Übergabe der Ladesteuerung an Standardladeprotokoll

10.17

Manuelle Aktion: Fahrbereitschaft mit Fahrschlüssel einschalten

3.1

Spalte mit den Prozessen der Steuerelektronik (3.1)

10.18

Abfrage: Parameter „Fahrtrichtung, Lanzenreichweite, Lichtbündel-Öffnungswinkel“ erhalten

10.19

Abfrage: Parameter „Ergebnis Abstandsüberprüfung, Fahrtrichtung“ vorhanden

10.20

Prozess: Alle Daten löschen

10.21

Prüfung: Fahrzeugpräsenz, Ergebnis Abstandsüberprüfung löschen

10.22

Abfrage: Abstand überprüft und dessen Ergebnis

10.23

Abfrage: Letzte gespeicherte Fahrtrichtung

10.24

Abfrage: Abstand überprüft

10.25

Prüfung: Abstand

10.26

Übertragung Sendediode (2.11): „Ladepunkt-ID, Stromanbieter / Tarife“

10.27

Abfrage: Aufforderung „Ladebuchsenabdeckung (4.6) entriegeln“ erhalten

10.28

Prozess: Betätigungsmagnet (3.6) anziehen

10.29

Verzögerung: Aufbauzeit für Ladeverbindung warten

10.30

Prozess: Betätigungsmagnet (3.6) lösen

10.31

Abfrage: Ladestecker (2.21) und Ladebuchse (3.7) kontaktschlüssig

10.32

Abfrage: Ladestecker (2.21) und Ladebuchse (3.7) kontaktschlüssig (Wiederholschleife)

6.1

Spalte mit den Signalen der Navigationshilfe (6.1)

10.33

Ausgabe: Aufforderung „Vorwärts fahren!“

10.34

Ausgabe: Aufforderung: „Rückwärts fahren!“

10.35

Ausgabe: Aufforderung: „Abstand verkleinern!“

10.36

Ausgabe: „Position OK!“

10.37

Ausgabe: „Störung/fehlgeschlagener Verbindungsaufbau“ (z.B. Blinken aller Anzeigeelemente)

10.38

Ausgabe: Ausgeschaltet (Ladevorgang aktiv)

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 4419657 C1 [0002]
• WO 2016096194 A1 [0002]
• US 5272431 A [0004, 0005]
• DE 102014226755 A1 [0005, 0034]
• DE 102013225196 A1 [0005, 0034]
• US 20110300738 A1 [0006, 0015]
• DE 102009010120 A1 [0006]
• DE 102011082092 A1 [0006]
• DE 102020204413 A1 [0015]
• DE 3631373 A1 [0020]

Claims (8)

1. Vorrichtung zur selbsttätigen Ausrichtung und Schließung zweiteiliger Kupplungssysteme, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Koppelvorrichtung (1) eine starre, in einer Lanzenführung (1.6) gehaltenen Koppellanze (2) beinhaltet, wobei die Lanzenführung (1.6) an der Austrittsseite des freien Endes der Koppellanze in einem Angelpunkt auslenkbar gelagert (1.19) ist und mindestens ein Freiheitsgrad des Angelpunkts durch ein Rastmittel (1.8, 1.18) und die entgegengesetzte Seite der Lanzenführung (1.6) durch mindestens einen Stabilisator (1.3, 1.4, 1.13) in der Anfangslage gehalten wird, b) eine Leitvorrichtung (3) einen Leittrichter (3.3), form- oder stoffschlüssig verbunden mit einer korrespondierenden Kupplungshälfte (3.7), in einem Angelpunkt auslenkbar gelagert (3.8) und durch mindestens einen Stabilisator (4.1, 4.7, 4.12) in der Anfangslage gehalten, beinhaltet, der von mindestens einer unbeweglichen, zum Leittrichter (3.3) geneigten Leitfläche (3.2) zumindest teilweise umgeben ist, wobei diese in der Anfangslage des Leittrichters (3.3) am Trichterrand flächig anschließt bzw. anschließen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen, zumindest die den Leittrichter (3.3) umgebende/n (3.2) und zumindest die Bereiche mit geringer Neigung, wellenförmig ausgebildet sind (ohne Abbildung), wobei die einzelnen Erhebungen und Vertiefungen strahlenförmig in Richtung der Koppelachse (3.10) konvergieren.
3. Stecker-Buchse-Kupplung, dadurch gekennzeichnet, dass c) der Stecker (2.21) in der Grundform eines Zylinders und aus elektrisch isolierendem Material bestehend mindestens zwei an der Mantelfläche, parallel zur Steckerachse ausgerichtete, elektrisch leitende Kontakte (2.1, 2.4, 2.6, 2.12) aufweist, wobei mindestens ein Bereich zwischen den radialen Kontakten als Einbuchtung (2.5) parallel zu den Kontakten ausgebildet ist, d) die Buchse (3.7), aus elektrisch isolierendem Material bestehend, einen Querschnitt aufweist der formschlüssig zum Steckerquerschnitt ausgebildet, den Stecker (2.21) im gekoppelten Zustand radial umschließt, wobei deren elektrisch leitende Kontakte im gekoppelten Zustand den radialen Kontakten des Steckers gegenüberliegen und durch Federwirkungen der Buchsen- und / oder der Steckerkontakte kontaktschlüssig verbindbar sind, e) der Stecker (2.21) im ungekoppelten Zustand durch eine Rückhaltevorrichtung (2.19) in einer zylinderförmigen, die radialen Kontakte (2.1, 2.4, 2.6, 2.12) abdeckenden Öffnung eines Objekts (2.22) gehalten wird.
4. Stecker-Buchse-Kupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Einbuchtungen (2.5) des Steckers (2.21) sich ergebenden Stege (2.7, 2.10) und/oder die sich durch den Formschluss mit dem Stecker (2.21) ergebenden Stege (4.9, 4.11) der Buchse (3.7) an den jeweils freien Enden im letzten Abschnitt verjüngend auslaufend geformt sind.
5. Verfahren zur Abstandsüberprüfung zwischen einem Referenzpunkt an einem ersten Objekt und einem Referenzpunkt an einem zweiten Objekt bei einer Parallelbewegung der Objekte zueinander, dadurch gekennzeichnet, dass f) das erste Objekt mit einem Lichtdetektor (4.5) am Referenzpunkt, oder zu diesem in gleichem Maße und gleicher Richtung wie das korrespondierende Mittel versetzt, baulich verbunden ist, wobei der Lichtdetektor als Mittelpunkt von einem Lichtdetektoren-Array (5.2) in Form eines Kreises oder einer Ellipse oder zumindest einem Kreis- oder Ellipsensegment umgeben ist, dessen Lichtdetektoren (5.5) bei einer Kreis- oder Kreissegmentform in gleichmäßigen Winkelabständen, bei einer Ellipsen- oder Ellipsensegmentform zusätzlich mit um das Verhältnis der Haupt- zur Nebenachse vervielfachten Abständen zur Nebenachse, angeordnet sind, g) das zweite Objekt mit einer Lichtquelle (2.11) am Referenzpunkt, oder zu diesem in gleichem Maße und gleicher Richtung wie das korrespondierende Mittel versetzt, baulich verbunden ist, deren konvergierendes Lichtbündel (1.10) auf einen Querschnitt begrenzt ist, der die gleiche Grundform wie das Lichtdetektoren-Array (5.2) - Kreis oder Ellipse - aufweist, wobei bei einer Ellipsenform die Haupt- zur Nebenachse das gleiche Verhältnis und deren entsprechenden Achsen die gleichen Orientierungen aufweisen wie die des Lichtdetektoren-Arrays (5.2).
6. Verfahren zur Überprüfung, ob ein in einem Angelpunkt gelagerter Aktor auf einen bestimmten, nicht mit dem Aktor verbundenen Zielpunkt ausrichtbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslenkbereich des Aktors durch ein optisch begrenztes, divergierendes Lichtbündel (1.10) einer Lichtquelle (2.11) und der Zielpunkt durch einen Lichtdetektor (4.5) repräsentiert wird, oder der Auslenkbereich des Aktors durch einen optisch begrenzten, konvergierenden Einfallsbereich eines Lichtdetektors und der Zielpunkt durch eine Lichtquelle repräsentiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das den Auslenkbereich repräsentierende divergierende Lichtbündel (1.10), bzw. der den Auslenkbereich repräsentierenden konvergierenden Einfallsbereich, in einer oder mehrere Richtungen um einen jeweils bestimmbaren Winkelbetrag unter dem möglichen Auslenkwinkel (1.21) des Aktors in der jeweiligen Richtung liegt.
8. Anordnung von Mitteln an Fahrzeugen und den dazu korrespondierenden Mitteln an Parkständen, die nach ausreichend genau gegenüber ausgerichteten Positionen selbsttätig funktionelles Zusammenwirken ermöglichen, insbesondere zur Betriebsstoffversorgung von Kraftfahrzeugen und hier insbesondere im (semi-)öffentlichen Verkehrsraum, dadurch gekennzeichnet, dass h) sich die fahrzeugseitigen Mittel in ausreichend einheitlichen Höhen vor den vorderen Radhäusern (7.2)/Radausschnitten und an der Seite der Fahrzeuge befinden, die der Straßenseite im gewöhnlichen Fahrgebiet entsprechen, die durch ein allgemeines Gebot beim Fahren zu benutzen ist, i) die stationären Mittel so angeordnet sind, dass sie sich bei gewöhnlichen Aufstellungen der Fahrzeuge auf Stellflächen (9A bis 9D) den fahrzeugseitigen Mitteln für funktionelle Zusammenwirkungen ausreichend genau gegenüber befinden.