DE4308774A1

DE4308774A1 - Vorrichtung zur Messung der in eine Anhängevorrichtung eingeleiteten Stützkraft

Info

Publication number: DE4308774A1
Application number: DE19934308774
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl Ing Krieg
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1993-03-19
Publication date: 1994-06-09

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der in eine Anhängevorrichtung eingeleiteten Stützkraft nach dem Oberbe griff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der DE 37 25 917 A1 als bekannt hervorgeht.

Aus dieser Schrift ist eine Stützkraftmeßvorrichtung für Kugel kopfanhängerkupplungen bekannt, wobei die Stützkraft mittels einer Kraftmeßdose gemessen wird.

Aus der DE 39 35 479 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung der übertragenen Kräfte mittels Kraftmeßdosen an einer üblichen Nutzfahrzeuganhängerkupplung bekannt.

Eine andere Ausführungsform einer Deichselkraftmessung ist aus der DE 39 07 763 A1 bekannt, bei der die in eine Kupplung ein geleitete Längskraft mittels der über Dehnungsmeßstreifen er faßten Verformung der oberen Gabelklaue des Kupplungsmaules gemessen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Meßverfahren für die in eine Kupplungsvorrichtung eingeleitete Stützkraft zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk male des Anspruches 1 gelöst. Die optische Messung wird dadurch ermöglicht, daß das Verbindungsstück zwischen Fahrzeugrahmen und Kupplungselement durch die eingeleitete Stützkraft elastisch gebogen wird. Der Biegewinkel wird über die Auslen kung aus der stützkraftfreien Nullage des von der Lichtquelle ausgesandten, längs des Verbindungselementes gerichteten Licht strahles gemessen. Das Verfahren ist sowohl zur statischen als auch zur dynamischen Messung geeignet.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merk male der Unteransprüche gekennzeichnet. Wird ein Laser als Lichtquelle und ein optoelektronischer Positionsdetektor ver wendet, so ist es nicht nur möglich die Stützkraft zu messen, sondern gleichzeitig auch die Querkraft zu ermitteln.

Im übrigen ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Stütz- und Querkraftmessung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Auslenkung des Lichtstrahles bei Stütz- und Querkrafteinleitung für die Ausführung der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführung der Erfindung zur Stützkraft messung bei der das Kupplungsgegenstück in Form einer Deichsel öse 8 einer Anhängerdeichsel 9 ausgebildet ist. Das Kupplungs element wird aus einem Kupplungsmaul 1 und einem durch Kupp lungsmaul 1 und Deichselöse 8 durchführbaren Kupplungsbolzen 2 gebildet, wie es bei Kupplungsvorrichtungen für Nutzfahrzeuge allgemein üblich ist. Die Kraftübertragung der Quer- 21 und Längskräfte 22 der Deichsel 9 auf das Kupplungsmaul 1 erfolgt über den Kupplungsbolzen 2. Die Stützkraft F wird durch die Auflagekraft der Deichselöse 8 auf die untere Auflagefläche 23 des Kupplungsmaules 1 übertragen.

Das Kupplungsmaul 1 wird von einer, die Form eines Hohlzylin ders aufweisenden Zugstange 3 gehalten. Die Zugstange 3 ist in einer am Fahrzeugrahmen 7 lagedefiniert befestigten Lagerhülse 4 gelagert. An der Außenseite der Zugstange 3 sind zwei ring förmige Gleitelemente 5 angeordnet, die die Zugstange 3 mit definiertem Längsspiel in der Lagerhülse 4 halten. Die Zug stange 3 ist im Bereich der Gleitelemente 5 radialspielfrei be festigt. In den anderen Bereichen erstreckt sich ein Ringspalt 24 zwischen Zugstange 3 und Lagerhülse 4. Daraus ergibt sich das Verhalten der Zugstange 3 bei Querkraftbeaufschlagung, also bei Einleitung von Quer- 21 und Stützkraft F, als an zwei Stellen fest gelagerter, biegbarer Träger. Als Kraftspeicher 6 zur Aufnahme und Übertragung der Längskräfte sind Gummielemente 25 zwischen der Lagerhülse 4 und Zugstange 3 angeordnet.

Der Laser 10 ist im Kupplungsmaul 1 befestigt. Er durchsetzt das Kupplungsmaul 1 und ragt auf der Symmetrieachse in den Innenraum der Zugstange 3 hinein. In der stützlastfreien Nullage durchläuft der Laserstrahl 11 die Zugstange 3 auf ihrer Symmetrieachse. Auf der anderen Seite ist ein optoelektroni scher Positionsdetektor 14 angeordnet. Als Positionsdetektor 14 kann beispielsweise ein CCD oder ein PSD verwendet werden. Wird ein solcher Detektor verwendet, erhält man dann eine sehr hohe Auflösung, wenn der eintreffende Lichtstrahl 11 einen möglichst scharfen Rand aufweist. Dazu sollte der Laser 10 in einer mög lichst geringen Anzahl von Frequenzen Licht aussenden. Mit einem optoelektronischen Positionsdetektor 14 ist dann eine Lageauflösung im 10^-3 mm-Bereich möglich. Dadurch können bei einem Abstand zwischen den Gleitelementen 5 von circa 20 cm und Stützkräften F von circa 10 kN Auslenkungen Z des Lichtstrahles 11 aus der Nullage von ungefähr 1 mm gemessen werden. Daraus ergibt sich eine Auflösung von circa 10 N für die Stützkraft F. Durch diese optische Messung wird also eine sehr hohe Meßauflö sung für die Stützkraft F erzielt, wobei das Meßsystem an sich praktisch keine eigene Trägheit aufweist. Es zeichnet sich durch eine sehr hohe Meßdynamik aus. Die Dynamik des Meßsystems wird erst in der Auswerteschaltung der elektronischen Ausgangs signale des Positionsdetektors 14 begrenzt.

Anhand der Fig. 2, einer schematischen, stark überhöhten Dar stellung der Auslenkung Z, wird im Folgenden die grundlegende Beziehung zwischen Auslenkung Z und Stützkraft F für die An ordnung aus Fig. 1 dargestellt. Die Biegelinie 30 eines zwei fach gelagerten Trägers, der an einem hinter den Lagerpunkten liegenden Punkt stützkraftbeaufschlagt wird ist beispielsweise aus Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 17. Auflage, 1990 Seite C21 entnehmbar. In den Gleichungen werden folgende Zeichen verwendet:

Zeichen
Bedeutung
a
Abstand des Kraftangriffpunktes vom nächstgelegenen Lagerpunkt A
E	Elastizitätsmodul des Werkstoffes
F	eingeleitete Kraft
I	axiales Flächenmoment 2. Grades
l	Abstand zwischen den Lagern A und B
l_opt	Abstand Lichtquelle - Positionsdetektor
x	Abstand vom Lager A
x₁	Abstand des vorderen Endes der Lichtquelle vom Lager A
x₂	Abstand des hinteren Endes der Lichtquelle vom Lager A
w(x)	Ortspunktkurve der Biegelinie für 0< x <a
α	Auslenkungswinkel des Lichtstrahles aus der Nullagenrichtung
Z	Auslenkung des Lichtstrahles aus der Nullage im Positionsdetektor
l_s=x₂-x₁	Auf Nullagenrichtung projezierte Baulänge des Lasers

Die Auslenkung Z aus der Nullage des Lasers 10 ist entscheidend für die Strahlrichtung. Die Auslenkung Z wird bestimmt durch die Auslenkung Z der beiden Enden des Lasers 10 bei der Verbie gung des Trägers. Diese ist durch die Ortskurve

gegeben. Sie ist in den Punkten x=x₁ und x=x₂ zu berechnen. Außer der eingeleiteten Kraft 21 sind alle anderen Werte durch die konstruktive Ausführung festgelegt. Als einzige weitere unbekannte Variable kann die Länge l angesehen werden. Wird sie nicht als konstant und bekannt angenommen (erste Näherung) so kann über eine parallel erfolgende Längskraftmessung die Verände rung von l, soweit sie durch eine Veränderung der Länge der Kraftspeicher 6 bedingt ist, erfaßt werden. Der Auslenkungswin kel α ergibt sich dann aus der Beziehung:

Die Auslenkung Z im Positionsdetektor 14 ist dann durch die Beziehung

Z = l_opt _* tan(α) - w(x₁)

gegeben. Somit kann aus der gemessenen Auslenkung Z in ein facher Weise die eingeleitete Kraft 21 bestimmt werden.

Soll die eingeleitete Kraft F in Stützkraft und in Querkraft zerlegt werden, so ist die Auslenkung in Hochrichtung von der Auslenkung in Querrichtung zu trennen und jeweils für sich die dementsprechende Kraft zu berechnen.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der in eine Anhängevorrichtung ein geleiteten Stützkraft (F), mit einem fahrzeugseitig mittels eines Verbindungselementes angeordneten Kupplungselement zur lösbaren Befestigung eines hängerseitigen Kupplungsgegen stückes, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Seite des Verbindungselementes eine Lichtquelle angeordnet ist, wobei die Lichtquelle einen gebündelten Licht strahl (11) aussendet, der auf eine auf der anderen Seite des Verbindungselementes angeordnete lichtempfindliche Meßvorrich tung gerichtet ist, wobei die auf das Kupplungselement einwir kende Stützkraft (F) über die Auslenkung (Z) des Lichtstrahles (11) aus der stützlastfreien Nullage bestimmt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser (10), insbesondere ein Halblei terlaser ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Meßvorrichtung ein optoelektronischer Positionsdetektor (14) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Stützkraft (F) auch die Querkraft bestimmbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement als an einem Ende das Kupplungs element haltende Zugstange (3) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsgegenstück in Form einer Deichselöse (8) einer Anhängerdeichsel ausgebildet ist und daß das Kupplungselement aus Kupplungsmaul (1) und durch die Deichselöse (8) durchführ barer Kupplungsbolzen (2) gebildet wird.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugstange (3) die Form eines Hohlzylinders aufweist und daß der Laser (10) und der optoelektronische Positionsdetektor (14) auf der Symmetrieachse der Zugstange (3) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement in einer Lagerhülse (4) gelagert ist, die an dem Fahrzeugrahmen (7) befestigt ist, wobei das Verbindungselement in der Lagerhülse (4) von zwei ringförmigen Gleitelementen (5) gehalten wird, die eine Längsbewegung inner halb eines definierten Axialspieles erlauben, und wobei zwischen Lagerhülse (4) und Verbindungselement zumindest ein Längskräfte (22) aufnehmender Kraftspeicher (6) zur Übertragung der Längskräfte (22) vom Fahrzeugrahmen (7) auf Kupplungsmaul (1) und umgekehrt angeordnet ist.