EP4720598A1 - Messvorrichtung für ein anhängefahrzeug zur ermittlung eines knickwinkels, messsystem, anhängefahrzeug - Google Patents

Abstract

Eine Messvorrichtung (250) für ein Anhängefahrzeug (201) zur Ermittlung eines Knickwinkels (A) zwischen einem Zugfahrzeug (202) und dem Anhängefahrzeug (201) umfasst einen Königszapfen (210) und eine Sensorvorrichtung (215). Die Sensorvorrichtung (215) ist dazu eingerichtet, eine durch eine Kraft (F) zwischen dem Zugfahrzeug (202) und dem Anhängefahrzeug (201) hervorgerufene Durchbiegung (D) des Königszapfens (210) in zwei Richtungen (R1, R2) zu messen.

Description

Messvorrichtung für ein Anhänqefahrzeug zur Ermittlung eines Knickwinkels, Messsystem, Anhängefahrzeug

Die Offenbarung betrifft eine Messvorrichtung für ein Anhängefahrzeug zur Ermittlung eines Knickwinkels zwischen einem Zugfahrzeug und dem Anhängefahrzeug, wobei die Messvorrichtung einen Königszapfen und eine Sensorvorrichtung umfasst. Die Offenbarung betrifft ferner ein Messsystem für ein Anhängefahrzeug, umfassend eine Messvorrichtung und ein mit der Sensorvorrichtung verbundenes Steuergerät sowie ein Anhängefahrzeug.

Insbesondere betrifft die Offenbarung das Feld der Sattelauflieger mit elektrisch antreibbarer Achse und/oder automatischer Schleppachssteuerung, insbesondere also Anhängefahrzeuge mit einer elektrisch antreibbaren Achse, und Fahrzeuge der Stufe 4 oder höher gemäß SAE J3016 „Taxonomy and Definitions for Terms Related to Driving Automation Systems for On-Road Motor Vehicles“ vorn 30.04.2021.

Durch einen Königszapfen können ein Sattelauflieger beziehungsweise das Anhängefahrzeug und das Zugfahrzeug mit einer Sattelkupplung miteinander zu einem mehrgliedrigen Fahrzeug verbunden werden. Demnach können auf den Königszapfen im Betrieb Kräfte wirken, die Kräfte zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängefahrzeug widerspiegeln können. Derartige Kräfte können durch eine Beladung, also eine Masse, des Sattelaufliegers aber auch durch Lastwechsel beziehungsweise eine Fahrdynamik begründet sein. Beispielsweise kann bei einer Bremsung eine Kraft mit einer Komponente entgegen der Fahrtrichtung und beim Beschleunigen eine Kraft mit einer Komponente in Fahrtrichtung auf den Königszapfen wirken.

EP 0 548487 A2 offenbart eine Einrichtung zur Messung einer Verformung eines Bauteils. Zur Verminderung des Aufwands einer Verformungsmessung wird in dem Bauteil eine Anordnung aus einem Übertragungsglied und einem oder zwei Sensoren vorgesehen. Der Sensor ist von einer Bauart mit einer Messoberfläche, die ein von einer Verformung der Messoberfläche abhängiges elektrisches Signal abgibt. Das Übertragungsglied stützt sich einerseits an einem Sensor und andererseits an dem Bauteil oder dem anderen Sensor ab. Bei einer Verformung des Bauteils verändert sich der Abstand der Stützstellen des Übertragungsglieds. Diese Abstandsänderung erzeugt eine Verformung der Messoberfläche des Sensors, die als Maß der Verformung des Bauteils ausgewertet wird.

Damit ist ein Verfahren bekannt, mit dem die Durchbiegung eines Tragbolzens einer Sattelkupplung mit Hilfe einer Sensierung in dem Tragbolzen erfasst werden kann.

Ferner ist es bekannt, den Königszapfen beispielsweise mittels sensorischer Schrauben zu befestigen und die auf die Schrauben wirkenden Kräfte zu messen.

WO 2022/074010 A1 offenbart eine Schraube mit Dehnmessstreifen und einen Königszapfen und eine Maulkupplung. Die sensorische Schraube mit einem Schraubenkopf, einem sich an den Schraubenkopf entlang einer Schraubenachse anschließenden Schraubenschaft und einem am Schraubenschaft ausgebildeten Gewinde weist eine Messeinrichtung mit einem Dehnmessstreifen auf, der entlang oder im Inneren des Schraubenschaftes angeordnet ist und Dehnungen des Schraubenschaftes in Richtung der Schraubenachse erfasst, wobei die Messeinrichtung wenigstens zwei elektrische Anschlüsse aufweist, die als Kontaktstellen auf einer Außenseite der sensorischen Schraube liegen, und insbesondere derart angeordnet sind, dass sie beim Einbringen der sensorischen Schraube in eine Fassung mit zwei korrelierenden elektrischen Kontakten der Fassung in Kontakt treten. Außerdem ist ein Königszapfen für eine Sattelkupplung offenbart, mit einer Zapfenwelle, an dessen erstem Ende ein Zapfenkopf angeordnet ist und an dessen zweitem Ende ein Befestigungsflansch angeordnet ist, wobei der Befestigungsflansch wenigstens ein Schraubloch aufweist, und mit wenigstens einer Schraubverbindung, wobei die sensorische Schraube dieser Schraubverbindung durch das Schraubloch ragt.

Die am Anmeldetag der vorliegenden Offenbarung noch nicht offengelegte DE 10 2023 101 340.8 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen einer auf einen Königszapfen eines Sattelaufliegers Wirkendenden Kraft, wobei die Vorrichtung den Königszapfen und eine Sensorvorrichtung umfasst, und die Sensorvorrichtung dazu eingerichtet ist, eine durch die Kraft hervorgerufene Durchbiegung des Königzapfens zu ermitteln.

Damit sind die zwischen dem Anhängefahrzeug und dem Zugfahrzeug wirkenden horizontalen beziehungsweise radialen Kräfte am Königszapfen (engl. „Kingpin“) messbar, die insbesondere durch ein Bremsen oder Beschleunigen zwischen dem Sattelauflieger und dem Zugfahrzeug wirken können.

Insbesondere für eine automatisierte Fahrfunktion kann die Kenntnis von auf den Königszapfen wirkenden Kräften zu berücksichtigen sein, um beispielsweise ein Verzögern des Anhängefahrzeugs und/oder ein Antreiben des Anhängefahrzeugs durch eine Steuerung des Anhängefahrzeugs kontrollieren zu können. Dabei kann ein Knickwinkel zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängefahrzeug notwendig für eine autarke automatisierte Funktion des Anhängefahrzeugs sein, also für eine automatisierte Funktionen, die das Anhängefahrzeug ohne eine Eingabe von dem Zugfahrzeug durchführt.

EP 0 433 858 A2 offenbart einen Knickwinkelsensor, bei dem ein Magnet an einem Königszapfen angebracht wird und mit einem Hallsensor am Zugfahrzeug der Knickwinkel ermittelt wird.

Dabei sind jedoch im Zugfahrzeug und im Anhängefahrzeug Komponenten notwendig, um den Knickwinkel zu ermitteln. Eine autarke Lösung nur für das Anhängefahrzeug kann damit nicht realisiert werden.

DE 10 2017 110 520 A1 offenbart einen Anhänger für ein Fahrzeug. Dabei weist der Anhänger mindestens einen Sensor auf, der dazu ausgebildet ist, direkt oder indirekt eine auf den Anhänger wirkende Kraft zu messen. Der Anhänger weist weiter einen Elektromotor auf, der mit mindestens einem Rad des Anhängers gekoppelt ist. Eine Steuereinheit ist dazu ausgebildet, den Elektromotor anzusteuern. Dabei wird basierend auf von dem zumindest einen Sensor ermittelten Daten ein Fahrzustand des Anhängers ermittelt, und abhängig von dem ermittelten Fahrzustand wird der Elektromotor im Motorbetrieb, im Generatorbetrieb oder in einem Leerlaufbetrieb betrieben. Der Sattelauflieger kann einen oder mehrere Sensoren aufweisen, die mit dem Königszapfen mechanisch in Verbindung stehen. Darunter kann verstanden werden, dass der oder die Sensoren beispielsweise direkt am Königszapfen oder in dessen Nähe angebracht sind. Über den Sensor können am Königszapfen auftretende Dehnungen oder Kräfte während der Fahrt des Sattelaufliegers gemessen werden. Die Sensoren können dazu ausgebildet sein, Kräfte in einer Ebene zu messen, die während der Fahrt des Sattelaufliegers auf den Königszapfen wirken. Anhand der gemessenen Kräfte in der Ebene kann ein Fahrzustand des Sattelzuges ermittelt werden. Es kann beispielsweise ermittelt werden, ob sich der Sattelzug in Geradeausfahrt oder in Kurvenfahrt befindet und/oder ob sich der Sattelzug mit konstanter Geschwindigkeit bewegt oder beschleunigt wird. Die Sensoren können beispielsweise Dehnmessstreifen (DMS) sein, die derart am Schaft des Königszapfens angebracht sind.

Der Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu bereichern. Insbesondere löst die Offenbarung die Aufgabe, eine alternative autarke Ermittlung eines Knickwinkels zwischen einem Zugfahrzeug und einem Anhängefahrzeug durch eine alternative Sensierung im Anhängefahrzeug bereitzustellen.

Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird eine Messvorrichtung für ein Anhängefahrzeug zur Ermittlung eines Knickwinkels zwischen einem Zugfahrzeug und dem Anhängefahrzeug bereitgestellt, wobei die Messvorrichtung einen Königszapfen und eine Sensorvorrichtung umfasst und die Sensorvorrichtung dazu eingerichtet ist, eine durch eine Kraft zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängefahrzeug hervorgerufene Durchbiegung des Königszapfens in zwei Richtungen zu messen.

Es wurde erkannt, dass durch die auf den Königszapfen wirkende Kraft eine Deformierung des Königszapfens erfolgen kann, da der Königszapfen typischerweise aus einem Material, beispielsweise Metall, besteht, das eine insbesondere elastische Deformierung durch ein Wirken der Kraft ermöglicht. Die auf den Königszapfen wirkende Kraft kann durch die Sensorvorrichtung über die durch die Kraft bewirkte Deformierung beziehungsweise insbesondere Durchbiegung ermittelt werden. Dabei wurde erkannt, dass die Durchbiegung typischerweise in einem definierten Zusammenhang zu der wirkenden Kraft steht. Somit kann aus der Durchbiegung des Königszapfens auf die wirkende Kraft geschlossen werden.

Damit der Knickwinkel bestimmt werden kann, ist die Messvorrichtung zum Messen der Kraft beziehungsweise der Durchbiegung in den zwei Richtungen eingerichtet: Mit anderen Worten ist die Messvorrichtung zum Messen von Komponenten der Kraft bzw. der Durchbiegung in zwei voneinander verschiedenen, also linear unabhängigen, Richtungen eingerichtet. Durch die Messung der Komponenten in den zwei verschiedenen Richtungen kann die Richtung der Kraft bestimmt werden. Dabei wurde erkannt, dass durch die zwei Richtungen, in denen die Durchbiegungen gemessen werden kann, eine Ebene aufgespannt wird, in der die Richtung der Kraft messbar ist. Die Richtung der Kraft kann dabei zum Bestimmen des Knickwinkels herangezogen werden.

Damit ist eine unmittelbare Messung der Durchbiegung des Königszapfens und damit ein unmittelbares Ermitteln der auf den Königszapfen wirkenden Kraft möglich, was eine zuverlässige und präzise Messung ermöglicht. Ein indirektes Ermitteln der auf den Königszapfen wirkenden Kraft durch wirkende Kräfte auf eine oder mehrere sensorische Schrauben oder Bolzen, die beispielsweise einen Befestigungsflansch des Königszapfens an einer Scheuerplatte des Sattelaufliegers befestigen, kann somit entbehrlich sein.

Mit anderen Worten wird eine Messvorrichtung zur Ermittlung des Knickwinkels zwischen Zugfahrzeug und Anhängefahrzeug vorgeschlagen, wobei in dem Königszapfen die Durchbiegung durch die Zug- oder Druckkräfte zwischen Zugfahrzeug und Anhängefahrzeug in zwei Richtungen gemessen werden können und dadurch der Knickwinkel berechnet werden kann. Mit der Sensierung der Kräfte zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängefahrzeug ist es effektiv möglich, dynamische Knickwinkel bei der Fahrt zu messen.

Ein wesentlicher Vorteil ist, dass keine verschleißenden Sensorteile verwendet werden. Anhand des mit der Messvorrichtung im Trailer bestimmten Knickwinkels zwischen Truck und Trailer werden autarke Funktionen für den Trailer möglich. Optional schließen die zwei Richtungen einen Winkel von 80° bis 100° miteinander ein. Dabei wurde erkannt, dass ein Winkel von 80° bis 100° zwischen den zwei Richtungen ein besonders effektives und voneinander im Wesentlichen oder vollständig entkoppeltes Erfassen der Komponenten der Durchbiegung ermöglichen kann. Zudem kann ein Winkel von 90° zwischen den zwei Richtungen die Berechnung des Knickwinkels durch trigonometrische Relationen vereinfachen.

Optional weist die Sensorvorrichtung zwei Sensorelemente zum Messen der Durchbiegung in jeweils einer der zwei Richtungen auf. Dabei ist jedes der Sensorelemente dazu eingerichtet sein, die Durchbiegung des Königszapfens in einer der Richtungen zu erfassen. Dabei kann jede des Sensorelemente analog zu der aus DE 10 2023 101 340.8 bekannten Sensorvorrichtung ausgebildet sein, wobei jedoch die zwei Sensorelemente vorgesehen sind, um den Kraftangriffswinkel an dem Königszapfen und damit den dynamischen Knickwinkel ermitteln zu können.

Zudem ermöglichen zwei Sensorelemente eine Redundanz, um richtungsunabhängig eine Kraft und/oder deren Betrag zu plausibilisieren und/oder bei einem Ausfall eines der Sensorelemente zu erfassen.

Optional definiert das Anhängefahrzeug eine Vorwärtsfahrtrichtung und die zwei Sensorelemente sind derart angeordnet, dass eine Gerade zwischen dem Königszapfen und einem der Sensorelemente mit der Vorwärtsfahrtrichtung einen zweiten Winkel von 40° bis 50° einschließt. Dabei wurde erkannt, dass ein Winkel von 40° bis 50° zwischen der jeweiligen Geraden und der Vorwärtsfahrtrichtung ein besonders effektives und voneinander im Wesentlichen oder vollständig entkoppeltes Erfassen der Komponenten der Durchbiegung ermöglichen kann. Zudem kann ein Winkel von 45° zwischen der jeweiligen Geraden und der Vorwärtsfahrtrichtung die Berechnung des Knickwinkels durch trigonometrische Relationen vereinfachen.

Optional weist der Königszapfen zwei Öffnung auf und die Sensorvorrichtung ist in den zwei Öffnungen angeordnet. Mit den Öffnungen ist ein geschütztes Anbringen von Komponenten der Sensorvorrichtung, insbesondere der Sensorelemente, möglich. Bei einer Durchbiegung des Königszapfens deformieren sich auch die Öffnungen, was ermöglicht, dass die Durchbiegung des Königszapfens in den Öffnungen und/oder durch eine Deformierung der Öffnungen ermittelt werden kann. Dabei weist der Königszapfen eine Längsachse auf und die Öffnungen können parallel zu der Längsachse angeordnet sein. Mit anderen Worten können die Öffnungen derart angeordnet sein, dass sich die Öffnungen jeweils parallel zu der Längsachse erstrecken. Die Längsachse kann eine Rotationsachse des Königszapfens und insbesondere des Zapfenschafts und des Zapfenkopfes sein. Somit gibt es einen Abstand zwischen der jeweiligen Öffnung und der Längsachse, der die Empfindlichkeit der Messung der Durchbiegung beeinflussen kann. Alternativ oder zusätzlich weist der Königszapfen eine neutrale Faser auf und die Öffnungen sind jeweils außerhalb der neutralen Faser angeordnet. Dabei kann die neutrale Faser wie in der Festigkeitslehre als Nulllinie bezeichnet werden. Die neutrale Faser ist diejenige Faser oder Schicht eines Querschnitts des Königszapfens, deren Länge sich bei der Durchbiegung, oder allgemeiner einer Verdrehung und/oder Verbiegung, nicht ändert. In der neutralen Faser verursacht die Durchbiegung keine Zug- oder Druckspannung. Außerhalb der neutralen Faser verursacht die Durchbiegung eine Längenänderung und somit eine Zug- und/oder Druckspannung. Die neutrale Faser kann einer Längsachse des Königszapfen entsprechen. Die Anordnung der Öffnungen außerhalb der neutralen Faser ermöglicht ein zuverlässiges Messen der Durchbiegung. Der Abstand der jeweiligen Öffnung zu der neutralen Faser kann die Empfindlichkeit einer Messung und/oder der Sensorvorrichtung beeinflussen.

Optional weist der Königszapfen einen Zapfenschaft auf und die Öffnungen sind innerhalb des Zapfenschafts angeordnet. Der Zapfenschaft kann typischerweise einen relevanten Teil der Durchbiegung realisieren, womit die Öffnungen innerhalb des Zapfenschafts ebenfalls durchgebogen werden können, was ein effektives und zuverlässiges Ermitteln der Durchbiegung des Königszapfens ermöglicht.

Optional weist der Königszapfen einen Zapfenkopf auf und die Öffnungen erstrecken sich jeweils durch den Zapfenschaft bis in den Zapfenkopf. Der Zapfenkopf kann ein Ende des Königszapfen bilden und daher bei einer Durchbiegung des Königszapfens eine vergleichsweise große Auslenkung erfahren, die zu einem effektiven und zuverlässigen Ermitteln der Durchbiegung des Königszapfens beitragen kann.

Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Messsystem für ein Anhängefahrzeug bereitgestellt. Das Messsystem umfasst die oben beschriebene Messvorrichtung und ein mit der Sensorvorrichtung verbundenes Steuergerät, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, anhand der Durchbiegung des Königszapfens in zwei Richtungen einen Knickwinkel zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängefahrzeug zu bestimmen. Dabei wurde erkannt, dass es durch das Erfassen der Durchbiegung in zwei insbesondere linear unabhängige Richtungen möglich ist, Komponenten der auf den Königszapfen wirkenden Kraft zu ermitteln. Anhand der Kraft beziehungsweise anhand von deren Komponenten kann auf die Richtung der Kraft und somit auf den Knickwinkel geschlossen werden. Optional umfasst die Messvorrichtung eines oder mehrere der oben beschriebenen optionalen und/oder vorteilhaften Merkmale, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.

Optional ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Knickwinkel in Abhängigkeit eines Quotienten einer ersten Durchbiegung in einer ersten Richtung der zwei Richtungen und einer zweiten Durchbiegung in einer zweiten Richtung der zwei Richtungen und/oder einer Arkusfunktion des Quotienten zu bestimmen. Dabei wurde erkannt, dass der Quotienten der ersten Durchbiegung und der zweiten Durchbiegung einem Verhältnis von Komponenten der in der durch die zwei Richtungen aufgespannten Ebene wirkenden Kraft entsprechen kann. Durch das Betrachten einer Arkusfunktion kann aus den beiden Richtungen der Durchbiegung und somit der Kraft ein Winkel berechnet werden, der dem Knickwinkel entsprechen kann.

Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Anhängefahrzeug bereitgestellt. Das Anhängefahrzeug umfasst die oben beschriebene Messvorrichtung und/oder das oben beschriebene Messsystem. Optional umfasst die Messvorrichtung und/oder das Messsystem eines oder mehrere der oben beschriebenen optionalen und/oder vorteilhaften Merkmale, um einen damit verbunden technischen Effekt zu erzielen.

Weitere Merkmale der Offenbarung sowie deren technische Effekte ergeben sich aus den Figuren und der Beschreibung der in den Figuren gezeigten bevorzugten Ausführungsformen. Dabei zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines mehrgliedrigen Fahrzeugs mit einem Anhängefahrzeug gemäß einem Aspekt der Offenbarung;

Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung einer Seitenansicht eines mehrgliedrigen Fahrzeugs mit einem Anhängefahrzeug gemäß einem Aspekt der Offenbarung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines mehrgliedrigen Fahrzeugs mit einem Anhängefahrzeug gemäß einem Aspekt der Offenbarung;

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung einer Messvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß einem Aspekt der Offenbarung; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Königszapfens mit einer Messvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß einem Aspekt der Offenbarung und wirkenden und messbaren Kräften.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines mehrgliedrigen Fahrzeugs 200 mit einem Anhängefahrzeug 201 gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Das mehrgliedrige Fahrzeug 200 ist ein Nutzfahrzeug und ein Landfahrzeug.

Das mehrgliedrige Fahrzeug 200 umfasst ein Zugfahrzeug 202 und ein Anhängefahrzeug 201 , hier ausgebildet als ein Sattelauflieger. Das Zugfahrzeug 202 ist dazu eingerichtet, an das Anhängefahrzeug 201 gekuppelt zu werden, um das Anhängefahrzeug 201 ziehen zu können. Dafür weist das Zugfahrzeug 202 eine Sattelkupplung 205 auf.

Das Anhängefahrzeug 201 gemäß Fig. 1 weist ein Messsystem 260 zum Messen eines Knickwinkels A auf (siehe Fig. 3 und 5). Das Messsystem 260 umfasst eine Messvorrichtung 250 mit einer Sensorvorrichtung 215 und ein mit der Sensorvorrichtung 215 verbundenes Steuergerät 255.

Das mehrgliedrige Fahrzeug 200 und die Merkmale der Sattelkupplung 205, des Messystems 260, der Messvorrichtung 250 und des Steuergeräts 255 sind weiter mit Bezug zu Fig. 2 bis 5 beschrieben. Fig. 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Seitenansicht eines mehrgliedrigen Fahrzeugs 200 mit einem Anhängefahrzeug 201 gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Fig. 2 wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Dabei sind das Zugfahrzeug 202 und das Anhängefahrzeug 201 voneinander getrennt dargestellt, um den Aufbau und die Funktion der Sattelkupplung 210 zu verdeutlichen.

Das Anhängefahrzeug 201 umfasst einen Königszapfen 210. Der Königszapfen 210 und die Sattelkupplung 205 sind dazu eingerichtet, miteinander in Wirkverbindung gebracht zu werden, damit das Zugfahrzeug 202 das Anhängefahrzeug 201 ziehen oder allgemeiner bewegen kann.

Beim Bewegen des Anhängefahrzeugs 201 und/oder des Zugfahrzeugs 202 können zwischen dem Zugfahrzeug 201 und dem Anhängefahrzeug 201 Kräfte F wirken, beispielsweise durch eine Differenz der Beschleunigungen des Zugfahrzeugs 201 und des Anhängefahrzeugs 201 . Die Kräfte F zwischen dem Zugfahrzeug 201 und dem Anhängefahrzeug 201 bewirken und/oder sind Kräfte F auf den Königszapfen 210. Beispielsweise wirkt bei einer relativen Beschleunigung des Zugfahrzeugs 201 eine in Richtung des Zugfahrzeugs 205 wirkende Kraft F auf den Königszapfen 210; bei einer relativen Bremsung des Zugfahrzeugs 201 wirkt eine in Richtung des Anhängefahrzeugs 201 wirkende Kraft F. Der Königszapfen 210 weist eine Elastizität auf und ist somit durch die Kraft F deformierbar. Die Kraft F resultiert in einer Durchbiegung D des Königszapfens 210.

Das Anhängefahrzeug 201 umfasst das Messsystem 260 zum Messen der durch die Kraft F zwischen dem Zugfahrzeug 202 und dem Anhängefahrzeug 201 hervorgerufenen Durchbiegung D des Königszapfens 210 in zwei Richtungen R1 , R2 (siehe Fig. 3 und 5). Damit ist es möglich, die Verformung im Königszapfens 210 in zwei Richtungen R1 , R2 zu messen und somit die Radialkräfte beziehungsweise Horizontalkräfte insbesondere in einer durch die Richtungen R1 , R2 aufgespannten Ebene zwischen dem Zugfahrzeug 202 und dem Anhängefahrzeug 201 zu erfassen. Damit kann dann eine Regelung der Bremskräfte des Anhängefahrzeugs 201 und/oder eines elektrischen Antriebs 207 des Anhängefahrzeugs 201 realisiert werden und so eine elektrische antreibbare Achse 203 des Anhängefahrzeugs 201 geregelt werden (sieh Fig. 3). Dafür weist das Anhängefahrzeug 201 ein Bremssystem 206 und einen elektrischen Antrieb 207 auf, die mit dem Steuergerät 255 des Messystem 260 kommunikationstechnisch verbunden sind (nicht gezeigt).

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines mehrgliedrigen Fahrzeugs 200 mit einem Anhängefahrzeug 201 gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Fig. 3 wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschrieben.

Das mehrgliedrige Fahrzeug 200 beziehungsweise das Zugfahrzeug 202 und/oder das Anhängefahrzeug 201 weisen eine Vorwärtsfahrtrichtung V auf (siehe auch Fig. 2). Die Vorwärtsfahrtrichtung V ist die Fahrtrichtung des mehrgliedrigen Fahrzeugs 200 ohne eine Richtungsänderung und kann mit einer Längsachse des mehrgliedrigen Fahrzeugs 200 beziehungsweise des Zugfahrzeugs 202 und/oder des Anhängefahrzeugs 201 übereinstimmen.

Das Zugfahrzeug 202 kann durch eine Lenkbewegung und/oder beim Bremsen um eine Hochachse (schematisch durch einen Kreis mit einem Kreuz in dem Zugfahrzeug 202 angedeutet) rotieren. Dabei kann sich ein Knickwinkel A einstellen. Der Knickwinkel A ist der Winkel zwischen der Vorwärtsfahrtrichtung V und einer Anhängefahrzeuglängsachse AA, also einer Längsachse des Anhängefahrzeugs 201. Die Anhängefahrzeuglängsachse AA entspricht einer Geraden, die einen Schwerpunkt des Anhängefahrzeugs 201 (schematisch durch einen Kreis mit einem Kreuz in dem Anhängefahrzeug 201 angedeutet) und den Königszapfen 210 verbindet.

Das Anhängefahrzeug 201 weist eine elektrische antreibbare Achse 203 und einen elektrischen Antrieb 207 auf. Der elektrische Antrieb 207 kann zur Nutzbremsung eingerichtet sein. Damit kann der elektrische Antrieb 207 an Rädern der antreibbaren Achse 203 ein Brems- und/oder Antriebsmoment anlegen (schematisch durch Doppelpfeile gezeigt).

Durch ein Beschleunigen, Bremsen und/oder Lenken des Zugfahrzeugs 202 und/oder ein Antreiben und/oder Bremsen eines oder mehrerer Räder der antreibbaren Achse 203 des Anhängefahrzeugs 201 kann eine Kraft F zwischen dem Anhängefahrzeug 201 und dem Zugfahrzeug 202 wirken. Die Kraft F greift dabei an dem Königszapfen 210 an, an dem die Sensorvorrichtung 210 vorgesehen ist.

Das Steuergerät 255 ist dazu eingerichtet, anhand der Durchbiegung D des Königszapfens 210 in den zwei Richtungen R1 , R2 einen Knickwinkel A zwischen dem Zugfahrzeug 202 und dem Anhängefahrzeug 201 zu bestimmen. Dabei ist das Steuergerät 255 insbesondere dazu eingerichtet, den Knickwinkel A in Abhängigkeit eines Quotienten einer ersten Durchbiegung D1 in einer ersten Richtung R1 der zwei Richtungen R1 , R2 und einer zweiten Durchbiegung D2 in einer zweiten Richtung R2 der zwei Richtungen R1 , R2 und einer Arkusfunktion des Quotienten zu bestimmen (siehe Fig. 5 und deren Beschreibung).

Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Messvorrichtung 250 nach einer Ausführungsform gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Die Messvorrichtung 250 ist eine Messvorrichtung 250 für ein Anhängefahrzeug 201 zur Ermittlung eines Knickwinkels A zwischen einem Zugfahrzeug 202 und dem Anhängefahrzeug 201.

Ein derartiges Anhängefahrzeug 201 ist mit Bezug zu Fig. 1 bis 3 beschrieben. Fig. 4 wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 beschrieben.

Die Messvorrichtung 250 gemäß Fig. 4 umfasst den Königszapfen 210 und die Sensorvorrichtung 215.

Das Anhängefahrzeug 201 umfasst eine Scheuerplatte 220 und der Königszapfen 210 umfasst einen Befestigungsflansch 221. Das Anhängefahrzeug 201 weist mehrere Schraubverbindungen 225 auf, mit denen der Königszapfen 210 mit dem Befestigungsflansch 221 an der Scheuerplatte 220 des Anhängefahrzeugs 201 montiert ist.

Die Scheuerplatte 220 liegt auf der Sattelkupplung 205 des Zugfahrzeugs 201 auf und der Königszapfen 210 greift in die Sattelkupplung 205.

Die Sensorvorrichtung 215 ist dazu eingerichtet, eine durch die Kraft F zwischen dem Zugfahrzeug 202 und dem Anhängefahrzeug 201 hervorgerufene Durchbiegung D des Königszapfens 210 in zwei Richtungen R1, R2 zu messen. Die Durchbiegung D des Königszapfens 210 ist dabei eine insbesondere elastische Deformation des Königszapfens 210. Durch das Wirken der Kraft F kann der Königszapfen 210 derart deformiert werden, dass der Königszapfen 210 abschnittsweise senkrecht zu seiner Längsachse A ausgelenkt wird. Dabei können zwei Richtungen R1 , R2 der Durchbiegung D beziehungsweise der Kraft F gemessen werden, um die Durchbiegung D beziehungsweise die Kraft F und/oder deren Komponenten umfassend zu bestimmen. Dafür weist die Sensorvorrichtung 215 zwei Sensorelemente 216, 217 zum Messen der Durchbiegung D in jeweils einer der zwei Richtungen R1 , R2 auf.

Der Königszapfen 210 weist zwei Öffnungen 211 , 212 auf und die Sensorvorrichtung 215 und/oder die Sensorelemente 216, 217 sind teilweise beziehungsweise deren Komponenten sind teilweise in den Öffnung 211 , 212 und an einem Ende 112a der jeweiligen Öffnung 211 , 212 angeordnet. Dabei ist jedes der Sensorelemente 216, 217 einer der Öffnungen 211, 212 zugeordnet. Jeweils eines der Sensorelemente 216, 217 ist teilweise in einer der Öffnungen 211 , 212 angeordnet.

Die Öffnungen 211 , 212 sind jeweils Sacklöcher beziehungsweise Sackbohrungen in dem Königszapfen 210. Die Öffnungen 211 , 212 weisen jeweils einen Durchmesser d von 3 mm bis 6 mm auf.

Der Königszapfen 210 weist einen Zapfenschaft 218 auf und die Öffnungen 211 , 212 sind innerhalb des Zapfenschafts 218 angeordnet. Der Königszapfen 210 weist einen Zapfenkopf 219 auf und die Öffnungen 211 , 212 erstrecken sich durch den Zapfenschaft 218 bis in den Zapfenkopf 219. Dabei sind die Öffnungen 211 , 212 jeweils zylindrisch und definieren somit jeweils eine Hauptausdehnungsrichtung entlang einer Zylinderachse der jeweiligen Öffnung 211 , 212. Die Öffnungen 211 , 212 sind sich in der Hauptausdehnungsrichtung parallel zu der Längsachse A erstreckend angeordnet.

Der Königszapfen 210 weist eine neutrale Faser 214 auf und die Öffnungen 211 , 212 sind außerhalb der neutralen Faser 214 angeordnet. Dabei ist die neutrale Faser 214 nur schematisch außerhalb der Längsachse A eingezeichnet. Die neutrale Faser 214 kann mit der Längsachse A zusammenfallen. Die Messvorrichtung 250 weist in jeder der Öffnungen 211 , 212 ein Übertragungsglied 117 und einen Drucksensor 115b als eines der Sensorelemente 216, 217 auf. Mit anderen Worten umfasst jedes der Sensorelemente 216, 217 ein Übertragungsglied 117 und einen Drucksensor 115b.

Der Drucksensor 115b eines jeden Sensorelements 216, 217 weist eine deformierbare Membran 119 auf und das jeweilige Übertragungsglied 117 ist ein an dem Drucksensor 115 abgestützter und abschnittsweise gewindefreier Druckstab 117‘ mit einem gekrümmten Kopf 119a als balliges Ende des Druckstabs 117‘ zum Wechselwirken mit der Membran 119. Der Druckstab 117' ist beispielsweise aus Metall oder einem anderen geeigneten elastisch deformierbaren Material. Durch eine Durchbiegung des Königszapfens 210 erfolgt eine Durchbiegung des Druckstabs 117‘, die sich in einer Druck- oder Zugspannung äußern kann. Durch den Druck oder Zug wechselwirkt der Kopf 119a des Druckstabs 117‘ mechanisch mit der Membran 119. Das Wechselwirken des Kopfes 119a des Druckstabs 117‘ mit der Membran 119 führt zu einer Deformierung der Membran 119 und somit zu einem durch den jeweiligen Drucksensor 115b als ein elektrisches Signal messbaren Druck. Das Übertragungsglied 117 weist in einem unverformten Zustand des Königszapfens 210 eine Vorspannung auf.

Durch die Möglichkeit eine Durchbiegung des Königszapfens 210 durch die zwei voneinander unabhängigen Sensorelemente 216, 217 zu vermessen ist die Sensorvorrichtung 215 dazu eingerichtet, eine durch eine radiale Kraft F hervorgerufene Durchbiegung D in den zwei Richtungen R1 , R2 des Königzapfens 210 zu ermitteln.

Die Sensorvorrichtung 215 weist je Sensorelement 216, 217 eine elektronische Schnittstelle 116 zum kommunikationstechnischen Verbinden der Sensorvorrichtung 215 beziehungsweise des jeweiligen Sensorelements 216, 217 mit dem Steuergerät 255, dem Bremssystem 206 und/oder dem elektrischen Antrieb 207 auf. Die Sensorvorrichtung 215 gibt beispielsweise ein analoges Signal aus, das dem Druck und somit direkt der Durchbiegung des Königszapfens 210 entspricht. Anhand der Drücke der beiden Sensorelemente 216, 217 kann die Kraft F und/oder Durchbiegung D in jeweils einer der Richtungen R1 , R2 ermittelt werden. Alternativ zu dem Druckstab 117‘ als Übertragungsglied 177 kann ein Übertragungsfluid in einer oder mehreren der Öffnungen 211 , 212 vorgesehen sein, wobei eine Druckänderung aus einer Volumenänderung der Öffnung 211, 212 beim Durchbiegen des Königszapfens 210 resultieren kann. Alternativ zu dem Druckstab 117‘ als Übertragungsglied 177 kann ferner ein Dehnmesstreifen in einer oder mehreren der Öffnungen 211 , 212 angeordnet werden.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung 250 nach einer Ausführungsform gemäß einem Aspekt der Offenbarung und wirkenden und messbaren Kräften F. Eine derartige Messvorrichtung 250 ist mit Bezug zu Fig. 1 bis 4 beschrieben. Fig. 5 wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 beschrieben.

Gemäß Fig. 5 ist die Messvorrichtung 250 dazu eingerichtet, die Kraft F in den zwei Richtungen R1 , R2 zu messen. Dafür weist die Messvorrichtung 250 die zwei Sensorelemente 216, 217 auf. Dabei ist jedes der Sensorelemente 216, 217 zum Messen der Durchbiegung D beziehungsweise der Kraft F in jeweils einer der zwei Richtungen R1 , R2 eingerichtet.

Zwischen jedem der Sensorelemente 216, 217 und dem Königszapfen 210 beziehungsweise dessen Mittelpunkt (nicht indiziert) ist eine Gerade G1 , G2 angeordnet, die jeweils einem der Sensorelemente 216, 217 zugeordnet ist. Die Gerade G1 , G2 des jeweiligen Sensorelements 216, 217 definiert die Richtung R1 , R2, in der das Sensorelements 216, 217 die Durchbiegung D beziehungsweise die Kraft F detektieren kann, also die Komponente der Durchbiegung D beziehungsweise der Kraft F. Die erste Richtung R1 ist parallel zu der ersten Geraden G1 und die zweite Richtung R2 ist parallel zu der zweiten Geraden G2 angeordnet.

Die zwei Richtungen R1 , R2 schließen einen Winkel W von 90° miteinander ein. Mit anderen Worten schließen die zwei Geraden G1 , G2 zwischen den Sensorelementen 216, 217 einen Winkel von 90° miteinander ein.

Die zwei Sensorelemente 216, 217 sind derart angeordnet, dass jede der Geraden G1 , G2 zwischen dem Königszapfen 210 und dem jeweiligen Sensorelement 216, 217 mit der Vorwärtsfahrtrichtung V einen zweiten Winkel W2 von 45° einschließt. In einer anderen Ausführungsform kann der zweite Winkel W2 einen anderen Wert aufweisen und/oder für jede der Geraden G1, G2 beziehungsweise für jedes der Sensorelemente 216, 217 verschieden sein.

Das erste Sensorelement 216 ist dazu eingerichtet, eine erste Kraft F1 als eine Komponente der Kraft F zwischen dem Anhängefahrzeug 201 und dem Zugfahrzeug 202 zu messen, die entlang der ersten Richtung R1 wirkt. Das zweite Sensorelement 217 ist dazu eingerichtet, eine zweite Kraft F2 als eine Komponente der Kraft F zwischen dem Anhängefahrzeug 201 und dem Zugfahrzeug 202 zu messen, die entlang der zweiten Richtung R2 wirkt.

Durch zwei Sensorelemente 216, 217 kann die Kraft F in Komponenten zerlegt werden (siehe Pfeile mit gepunkteter Linie), die als die erste Kraft F1 und die zweite Kraft F2 messbar sind.

Es gilt für die Kraft F: F = F1 ■ cos (W2 + A) + F2 ■ cos (W2 - A) und mit dem zweiten Winkel W2 von 45° ergibt sich für den Knickwinkel A: A = arctan (F1/F2) - 45°, wobei cos die Cosinusfunktion und arctan die Arkustangensfunktion, also eine Arkusfunktion, ist. Dabei ist das Argument der Arkustangensfunktion ein Quotient der ersten Kraft F1 und der zweiten Kraft F2 und ist gleich einem Quotienten der Kraft F in der ersten Richtung R1 und der Kraft F in der zweiten Richtung R2 und somit einem Quotienten der Durchbiegung D in der ersten Richtung R1 und der Durchbiegung D in der zweiten Richtung R2.

Bezugszeichen (Teil der Beschreibung)

115b Drucksensor

116 elektronische Schnittstelle

117 Übertragungsglied

117‘ Druckstab

118 Metallgehäuse

119 Membran

119a Kopf

200 mehrgliedriges Fahrzeug

201 Anhängefahrzeug

202 Zugfahrzeug

203 antreibbare Achse

205 Sattelkupplung

206 Bremssystem

207 Antrieb

210 Königszapfen

211 erste Öffnung

212 zweite Öffnung

214 neutrale Faser

215 Sensorvorrichtung

216 erstes Sensorelement

217 zweites Sensorelement

218 Zapfenschaft

219 Zapfenkopf

220 Scheuerplatte

221 Befestigungsflansch

225 Schraubverbindung

250 Messvorrichtung

255 Steuergerät

260 Messsystem

A Knickwinkel

AA Anhängefahrzeuglängsachse d Durchmesser

D Durchbiegung

D1 erste Durchbiegung

D2 zweite Durchbiegung

F Kraft

F1 Kraft in erste Richtung

F2 Kraft in zweite Richtung

G1 erste Gerade

G2 zweite Gerade

L Längsachse

R1 erste Richtung

R2 zweite Richtung

V Vorwärtsfahrtrichtung

W Winkel

W2 zweiter Winkel

Claims

Patentansprüche

1. Messvorrichtung (250) für ein Anhängefahrzeug (201) zur Ermittlung eines Knickwinkels (A) zwischen einem Zugfahrzeug (202) und dem Anhängefahrzeug (201), wobei die Messvorrichtung (250) einen Königszapfen (210) und eine Sensorvorrichtung (215) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (215) dazu eingerichtet ist, eine durch eine Kraft (F) zwischen dem Zugfahrzeug (202) und dem Anhängefahrzeug (201) hervorgerufene Durchbiegung (D) des Königszapfens (210) in zwei Richtungen (R1 , R2) zu messen.

2. Messvorrichtung (250) nach Anspruch 1 , wobei die zwei Richtungen (R1, R2) einen Winkel (W) von 80° bis 100° miteinander einschließen.

3. Messvorrichtung (250) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensorvorrichtung (215) zwei Sensorelemente (216, 217) zum Messen der Durchbiegung (D) in jeweils einer der zwei Richtungen (R1 , R2) aufweist.

4. Messvorrichtung (250) nach Anspruch 3, wobei das Anhängefahrzeug (201) eine Vorwärtsfahrtrichtung (V) definiert, und die zwei Sensorelemente (216, 217) derart angeordnet sind, dass eine Gerade (G1 , G2) zwischen dem Königszapfen (210) und einem der Sensorelemente (216, 217) mit der Vorwärtsfahrtrichtung (V) einen zweiten Winkel (W2) von 40° bis 50° einschließt.

5. Messvorrichtung (250) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Königszapfen (210) zwei Öffnung (211 , 212) aufweist und die Sensorvorrichtung (215) in den zwei Öffnungen (211 , 212) angeordnet ist, und der Königszapfen (210) eine Längsachse (L) aufweist und die Öffnungen (211 , 212) parallel zu der Längsachse (L) angeordnet sind, und/oder der Königszapfen (210) eine neutrale Faser (214) aufweist und die Öffnungen (211 , 212) jeweils außerhalb der neutralen Faser (214) angeordnet sind.

6. Messvorrichtung (250) nach Anspruch 5, wobei der Königszapfen (210) einen Zapfenschaft (218) aufweist und die Öffnungen (211, 212) innerhalb des Zapfenschafts (218) angeordnet sind.

7. Messvorrichtung (250) nach Anspruch 6, wobei der Königszapfen (110) einen Zapfenkopf (219) aufweist und die Öffnungen (211, 212) sich jeweils durch den Zapfenschaft (218) bis in den Zapfenkopf (219) erstrecken.

8. Messsystem (260) für ein Anhängefahrzeug (201), umfassend eine Messvorrichtung (250) nach einem der vorherigen Ansprüche und ein mit der Sensorvorrichtung (215) verbundenes Steuergerät (255), wobei das Steuergerät (255) dazu eingerichtet ist, anhand der Durchbiegung (D) des Königszapfens (210) in zwei Richtungen (R1 , R2) einen Knickwinkel (A) zwischen dem Zugfahrzeug (202) und dem Anhängefahrzeug (201) zu bestimmen.

9. Messsystem (260) nach Anspruch 8, wobei das Steuergerät (255) dazu eingerichtet ist, den Knickwinkel (A) in Abhängigkeit eines Quotienten einer ersten Durchbiegung (D1) in einer ersten Richtung (R1) der zwei Richtungen (R1 , R2) und einer zweiten Durchbiegung (D2) in einer zweiten Richtung (R2) der zwei Richtungen (R1 , R2) und/oder einer Arkusfunktion des Quotienten zu bestimmen.

10. Anhängefahrzeug (201), umfassend eine Messvorrichtung (250) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder ein Messsystem (260) nach Anspruch 8 oder 9.