DE19805687B4

DE19805687B4 - Vorrichtung zum Ermitteln einer Kraft

Info

Publication number: DE19805687B4
Application number: DE19805687A
Authority: DE
Inventors: Horst Idler
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1998-02-12
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2018-02-13
Also published as: DE19805687A1

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln einer im wesentlichen in axialer Richtung ausgeübten Kraft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Vorrichtung ist bekannt aus DE 740 762 A .
Die Notwendigkeit, die insbesondere auf ein federndes Element ausgeübte Kraft zu ermitteln, ergibt sich bei sehr vielen und sehr unterschiedlichen Anwendungen und Aufgabenstellungen. Beispielsweise muß die auf eine Anhängerkupplung 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, beispielsweise einer LKW-Zugmaschine, verbunden. Kraftmessungen an der Anhänger-Kupplung können aber auch dazu dienen, sensorisch das Vorhandensein bzw. die Größenklasse eines Anhängers festzustellen. Solche Feststellungen ermöglichen die Implementierung einer automatischen Straßenbenutzungsgebühren-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 insbesondere Dehnungsstreifen gebräuchlich. Diese liefern jedoch nur ungenaue Ergebnisse und sind kaum manipulationssicher anbringbar.
Ganz allgemein werden Kräfte dadurch gemessen, daß durch sie verursachte Formänderungen gemessen werden. Ein Beispiel hierfür ist aus US-Patent 3,084,297 bekannt.
Beispiele für die Messung von Krafteinwirkungen auf Anhängerkupplungen über die Messung von Dehnungen sind aus DE 41 42 671 A1 , DE 38 42 037 A1 oder DE 38 33 418 A1 bekannt.
Für die Abrechnung von Straßenbenutzungsgebühren besteht gerade das Erfordernis der Manipulationssicherheit in besonderer Weise.
Aus der DE 43 08 774 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die die auf eine Anhängerkupplung einwirkende Kraft mit optischen Mitteln bestimmt. Diese Lösung ist kaum manipulationssicher zu gestalten.
Aus der WO 91/11351 A1 ist ein kapazitiv arbeitender Messwertgeber zur Messung und elektrischen Auswertung der in einer Deichsel auftretenden Kräfte bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art hinsichtlich der Genauigkeit und der Manipulationssicherheit zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung durch die Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Die Kraft wird letztlich durch die Längenänderung des federnden Elementes und damit durch die Spaltweitenänderung des Luftspaltes gemessen. Der magnetische Fluß ist ein sehr genauer Indikator für geringste Kraftänderungen.
Bei einer solchen Vorrichtung für eine Fahrzeug-Anhängerkupplung ist die Einbeziehbarkeit bereits vorhandener Bauteile besonders vorteilhaft. An sich muß lediglich ein geeigneter Ort zur Unterbringung der Spule gefunden werden.
Für die rein mechanische Ausgestaltung einer Fahrzeug-Anhängerkupplung bietet die DE 44 33 722 A1 viele Hinweise.
Allgemeine Ausführungen zu elektrischen Auswerteschaltungen zur elektrischen Erfassung mechanischer Größen sind in DE 2 211 359 A zu finden.
Da die ringförmige Gummifeder im allgemeinen von ringförmigen Stahl-Formteilen gehalten wird, kann eine Abwandlung mindestens eines der beiden Halter gemäß Anspruch 2 vorteilhaft sein. Das Joch und der magnetisch nichtleitfähige Formteil zur Abstützung der Gummifeder schließen zwischen sich einen Ringraum ein, in dem die Spule angeordnet ist.
Dabei kann gemäß Anspruch 3 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 4 vorgesehen sein.
Zur Verstärkung des magnetischen Flusses kann zusätzlich mindestens eine magnetisch leitfähige Hülse auf mindestens einem der beiden Halter fest aufsitzend gemäß Anspruch 5 vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist ein Meßkraftgeber gemäß Anspruch 6 aufgebaut. Dadurch ergibt sich eine große Empfindlichkeit der Kraftmessung, wobei die Spaltweite des Luftspaltes den magnetischen Fluß innerhalb eines sehr großen Meßbereiches moduliert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zeichnerischer Darstellungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Anwendungsbeispiel,
2 den prinzipiellen Aufbau einer Signalverarbeitungsstrecke und
3 einen Meßkraftgeber im Zusammenwirken mit einer Anhängerkupplung.
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 Anhängerkupplung 2 ausgeübte Kraft als Erkennungssignal für das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Anhängers 4 verwendet werden soll. Das Meßsignal wird einem im Lastkraftwagen 1 mitgeführten Erfassungsgerät 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 Straßenbenutzungsgebühren-Erfassungsgerät aufweisen muß.
Wie 2 veranschaulicht, wird das Meßsignal über einen Verstärker 5 einer Auswerteeinrichtung 6 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 6 detektiert Kraftänderungen, die sich aus dem Schwebungs- und Schwingungsverhalten 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 Anhängerbetrieb und höherfrequente elektrische Signale bis ca. 10 kHz bei anhängerlosem Betrieb unterschieden. Möglich ist auch eine Unterscheidung 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 letzteren Fall ist das ein eindeutiges Indiz für einen Defekt des Meßsystems oder für eine unzulässige Manipulation. Da ein Signal – ob mit oder ohne Anhänger 4 – immer vorhanden sein muß, ist somit eine einfache Kontrollmöglichkeit seitens im Rahmen der Straßenbenutzungs-Gebührenerfassung bevollmächtigter Personen möglich.
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 Haltern 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 ϕ 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 ϕ hervorzurufen, ist der erste Halter 11 zusätzlich von einer 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 ϕ 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 ϕ wenig gestört wird.
Ausgewertet wird die Impedanzänderung des Ausgangssignals. Die erreichbare Empfindlichkeit ist problemlos auf eine Größenordnung einstellbar, 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, Anhängerkupplung 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 Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung denkbar.

Claims

Vorrichtung zum Ermitteln einer im wesentlichen in axialer Richtung ausgeübten Kraft, mit magnetisch leitfähigen Haltern (11, 12), zwischen denen mindestens ein Luftspalt (15) verbleibt, und mit einer Spule (16), die in einem Ringraum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Gummifeder (10) einer Fahrzeuganhängerkupplung (2), auf die die Kraft ausgeübt wird, zwischen den magnetisch leitfähigen Haltern (11, 12) eingebettet ist, daß die Spule (16) in einem Ringraum zwischen einem der Halter (11, 12) und der Gummifeder (10) angeordnet ist, und daß die Spule (16) mit einer Einrichtung zur Impedanzauswertung verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 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.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirnteil des Joches (14) durch ein Befestigungselement, insbesondere eine Schraube (18), zur Anhängerfixierung gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Befestigungselement und dem restlichen Jochteil eine Teflonschicht (19) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Halter (11, 12) von einer peripheren, magnetisch leitfähigen Hülse (17) umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, 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) zugewandt 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.