DE19805687A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer auf ein federndes Element ausgeübten Kraft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer auf ein federndes Element ausgeübten Kraft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine diesbezügliche Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Die Notwendigkeit, die auf ein federndes Element ausgeübte Kraft zu ermit­ teln, ergibt sich bei sehr vielen und sehr unterschiedlichen Anwendungen und Aufgabenstellungen. Beispielsweise muß die auf eine Anhänger­ kupplung ausgeübte Kraft eines Fahrzeug-Anhängers bekannt sein, um die Bremsfunktion zu beeinflussen. Derartige Kupplungen sind üblicherweise über ein federndes Element mit der Karosserie eines Fahrzeuges, beispiels­ weise einer LKW-Zugmaschine, verbunden. Kraftmessungen an der An­ hänger-Kupplung können aber auch dazu dienen, sensorisch das Vorhan­ densein bzw die Größenklasse eines Anhängers festzustellen. Solche Fest­ stellungen ermöglichen die Implementierung einer automatischen Straßen­ benutzungsgebühren-Erfassungseinrichtung in der Zugmaschine, wobei die zusätzliche Gebühr für den Anhänger einer bestimmten Größenklasse mit erfaßt wird. Ein separates Gerät für den Anhänger erübrigt sich somit. Um die Krafteinwirkung auf ein federndes Element zu messen, sind insbeson­ dere Dehnungsstreifen gebräuchlich. Diese liefern jedoch nur ungenaue Ergebnisse und sind kaum manipulationssicher anbringbar. Für die Ab­ rechnung von Straßenbenutzungsgebühren besteht gerade das Erfordernis der Manipulationssicherheit in besonderer Weise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich­ tung der gattungsgemäßen Art hinsichtlich der Genauigkeit und der Mani­ pulationssicherheit zu verbessern.

Verfahrensgemäß wird die Aufgabenstellung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Kraft wird letztlich durch die Längenänderung des federnden Elementes und damit durch die Spalt­ weitenänderung des Luftspaltes gemessen. Der magnetische Fluß ist ein sehr genauer Indikator für geringste Kraftänderungen.

Bevorzugt erfolgt die Messing des magnetischen Flusses nach dem in An­ spruch 2 angegebenen Verfahren. Auf diese Weise ergibt sich ein einfacher Aufbau, der sehr robust und nicht ohne weiteres manipulierbar oder zerstörbar ist.

Bei einer Vorrichtung für eine Fahrzeug-Anhängerkupplung gemäß An­ spruch 3 ist die Einbeziehbarkeit bereits vorhandener Bauteile besonders vorteilhaft. An sich muß lediglich ein geeigneter Ort zur Unterbringung der Spule gefunden werden.

Da die ringförmige Gummifeder im allgemeinen von ringförmigen Stahl-Form­ teilen gehalten wird, kann eine Abwandlung mindestens eines der beiden Halter gemäß Anspruch 4 vorteilhaft sein. Das Joch und der magnetisch nicht leitfähige Formteil zur Abstützung der Gummifeder schließen zwischen sich einen Ringraum ein, in dem die Spule angeordnet ist.

Dabei kann gemäß Anspruch 5 eine vorhandene Schraube zur Anhängerfixierung als Stirnteil des Joches mitbenutzt werden.

Um das restliche Jochteil und die Schraube leicht miteinander verbinden zu können, ohne den magnetischen Fluß erheblich zu beeinflussen, können die Merkmale des Anspruchs 6 vorgesehen sein.

Zur Verstärkung des magnetischen Flusses kann zusätzlich mindestens eine magnetisch leitfähige Hülse auf mindestens einem der beiden Halter fest aufsitzend gemäß Anspruch 7 vorgesehen sein.

Vorzugsweise ist ein Meßkraftgeber gemäß Anspruch 8 aufgebaut. Dadurch ergibt sich eine große Empfindlichkeit der Kraftmessung, wobei die Spalt­ weite des Luftspaltes den magnetischen Fluß innerhalb eines sehr großen Meßbereiches moduliert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zeichnerischer Darstellungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Anwendungsbeispiel,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Signalverarbeitungsstrecke und

Fig. 3 einen Meßkraftgeber im Zusammenwirken mit einer An­ hängerkupplung.

Fig. 1 zeigt einen Lastkraftwagen 1 mit einer Anhängerkupplung 2. Ein Meßkraftgeber 3 ist mit der Anhängerkupplung 2 derart verbunden, daß eine Manipulation des Meßergebnisses soweit wie möglich ausgeschlossen ist. Diese Notwendigkeit ergibt sich daraus, daß die auf die An­ hängerkupplung 2 ausgeübte Kraft als Erkennungssignal für das Vorhan­ densein oder Nichtvorhandensein eines Anhängers 4 verwendet werden soll. Das Meßsignal wird einem im Lastkraftwagen 1 mitgeführten Erfas­ sungsgerät zur Ermittlung von Straßenbenutzungsgebühren zugeführt. Auf diese Weise läßt sich eine erhöhte Gebühr bei Mitführung eines Anhängers 4 realisieren, ohne daß der Anhänger 4 ein eigenes Straßenbenutzungs­ gebühren-Erfassungsgerät aufweisen muß.

Wie Fig. 2 veranschaulicht, wird das Meßsignal über einen Verstärker 5 einer Auswerteeinrichtung 6 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 6 detektiert Kraftänderungen, die sich aus dem Schwebungs- und Schwingungsverhal­ ten des gekoppelten Systems Lastkraftwagen 1/Anhängerkupplung 2 bzw. Lastkraftwagen 1/Anhängerkupplung 2/Anhänger 4 ergeben. Dabei werden niederfrequente elektrische Signale von ca. 2 bis 5 Hz bei An­ hängerbetrieb und höherfrequente elektrische Signale bis ca. 10 kHz bei anhängerlosem Betrieb unterschieden. Möglich ist auch eine Unterschei­ dung verschiedener die Ladekapazität des Anhängers 4 repräsentierender Anhängerklassen. Mindestens resultieren 3 verschiedene Ausgangssignale bzw. Ausganssignalbereiche, nämlich Anhänger vorhanden 7, Anhänger nicht vorhanden 8 und völliges Fehlen eines Ausgangssignals 9. Im letzte­ ren Fall ist das ein eindeutiges Indiz für einen Defekt des Meßsystems oder für eine unzulässige Manipulation. Da ein Signal - ob mit oder ohne An­ hänger 4 - immer vorhanden sein muß, ist somit eine einfache Kontroll­ möglichkeit seitens im Rahmen der Straßenbenutzungs-Gebührenerfassung bevollmächtigter Personen möglich.

Fig. 3 zeigt den anhängerseitigen Endabschnitt einer Anhängerkupplung 2 mit einem Meßkraftgeber 3. Ein wesentliches Bauteil der Anhängerkupplung 2 ist ein Dämpfungssystem, das üblicherweise mindestens eine ringförmige Gummifeder 10 aufweist. Die Kraft, die auf die Anhängerkupplung 2 wirkt, wird durch die Längenänderung der Gummifeder 10 gemessen. Zugmaschinenseitig ist die Gummifeder 10 in einen ersten Halter 11, der als Stahl-Formteil ausgebildet ist, eingebettet. Ein zweiter, anhängerseitiger Halter 12 besteht aus einem magnetisch nicht leitfähigen Formteil 13 zur Abstützung der Gummifeder 10 und einem Joch 14, wobei zwischen beiden Kaltern 11 und 12 ein ringförmiger Luftspalt 15 verbleibt. Die Breite a des Luftspaltes 15 ist mit der ausgeübten Kraft und damit mit der Verformung der Gummifeder 10 variabel. Um diese Variabilität möglichst genau und manipulationssicher zu ermitteln, wird der magnetische Fluß ø ermittelt, der sich über die magnetisch leitfähigen Teile einstellt, wenn eine bestromte Spule 16 im Bereich des Joches 14 eine Magnetisierung hervorruft. Um einen möglichst starken magnetischen Fluß ø hervorzurufen, ist der erste Halter 11 zusätzlich von einem magnetisch leitfähigen Hülse 17 umgeben. Der magnetische Kreis schließt sich über das Joch 14, den Luftspalt 15, die Hülse 17 und den ersten Halter 11. Die Spule 16 ist in einem Ringraum 18 zwischen dem Joch 14 und dem Formteil 13 gewickelt. Dadurch ist die Spule 16 in einem nicht nur gegenüber Witterungseinflüssen geschützen, sondern auch gegenüber unzulässigen Manipulationen abgeschirmten Raum untergebracht. Der spaltweitenabhängige Magnetfluß ø wirkt induktiv auf die Spule 16 zurück, so daß ein auswertbares Signal als Maß für die Krafteinwirkung zur Verfügung steht. Gegebenenfalls kann als Teil des Joches 14 eine Schraube 18 zur Befestigung des Anhängers 4 in den magnetischen Kreis einbezogen sein. Zur Erleichterung der Montage ist die Schraube 18 peripher mit einer Teflonschicht 19 versehen. Gleichzeitig ist damit gewährleistet, daß der magnetische Fluß ø wenig gestört wird.

Ausgewertet wird die Impedanzänderung des Ausgangssignals. Die er­ reichbare Empfindlichkeit ist problemlos auf eine Größenordnung einstell­ bar, bei der Schwebungen und Schwingungen des gekoppelten Systems leicht erkannt werden können. Auf diese Weise sind charakteristische Schwebungs- bzw. Schwingungszustände für ein System, bestehend aus Lastkraftwagen 1 und Anhängerkupplung 2 oder Lastkraftwagen 1, An­ hängerkupplung 2 und Anhänger 4 leicht unterscheidbar. Erfaßt werden letztlich elektrische Signale niederfrequenter Natur bei Anhängerbetrieb und höherfrequenter Natur bei anhängerlosem Betrieb.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene Aus­ führungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten auch bei grund­ sätzlich anders gearteter Ausführung denkbar.

Claims (8)

1. Verfahren zum Ermitteln einer auf ein federndes Element im wesent­ lichen in einer Richtung ausgeübten Kraft, wobei das federnde Element in magnetisch leitfähigen Haltern (11, 12) eingebettet ist, zwischen denen mindestens ein Luftspalt (15) verbleibt, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Fluß ø im Luftspalt (15) als Maß für die ausgeübte Kraft ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impe­ danz einer im Bereich der magnetischen Feldlinien angeordneten Spule (16) als Maß für den magnetischen Fluß ø ermittelt wird.

3. Vorrichtung zum Ermitteln einer auf eine ringförmige Gummifeder (10) einer Fahrzeuganhängerkupplung (2) im wesentlichen in axialer Rich­ tung ausgeübten Kraft, wobei die Gummifeder (10) in magnetisch leitfähigen Haltern (11, 12) eingebettet ist, zwischen denen mindestens ein Luftspalt (15) verbleibt, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ringraum zwischen einem der Halter (11, 12) und der Gummifeder (10) eine Spule (16) angeordnet ist, die mit einer Einrichtung zur Impedanzauswertung verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens einer der Halter (11, 12) ein magnetisch leitfähiges Joch (14) und ein magnetisch nicht leitfähiges Formteil (13) zur Abstützung der Gummifeder (10) aufweist, wobei der Ringraum zur Aufnahme der Spule (16) zwischen einem Stirnteil des Joches (14) und dem Formteil (13) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirn­ teil des Joches (14) durch ein Befestigungselement, insbesondere eine Schraube (18), zur Anhängerfixierung gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Befestigungselement und dem restlichen Jochteil eine Teflonschicht (19) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Halter (11, 12) von einer peripheren, magnetisch leitfähigen Hülse (17) umgeben ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Hülse (17) umgebene Halter (11) dem Fahrzeug (1) zugewandt ist und ein ein Joch (14) bildender Halter (12) dem Anhänger (4) zuge­ wandt ist, wobei sich gegenüberliegende Endabschnitte der Hülse (17) und des Joches (14) den Luftspalt (15) bilden, welcher nach innen von der Gummifeder (10) begrenzt ist.