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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Aufliegerkräfte an einer Sattelkupplung eines Sattelzuges, wobei der Sattelzug eine Sattelzugmaschine mit Rahmen und daran befestigter Sattelkupplung sowie einen über die Sattelkupplung mit dem Rahmen der Sattelzugmaschine verbundenen Sattelauflieger umfasst.
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Die an der Sattelkupplung auftretenden Sattelaufliegerkräfte und die daraus resultierenden Momente stellen für eine Sattelzugmaschine die wesentlichen Belastungen dar. Auf die Sattelkupplung wirkt die gesamte dynamische Kraft zwischen der Sattelzugmaschine und dem Sattelauflieger, die während des Betriebs der Sattelzugmaschine erzeugt wird. Für die Auslegung der Sattelkupplung sowie deren Tragstruktur, die durch den Rahmen der Sattelzugmaschine gebildet wird, ist daher eine Kenntnis dieser Belastungen wesentlich, damit eine sicherheitskritische Unterdimensionierung aber auch eine mit erhöhten Kosten verbundene Überdimensionierung vermieden werden kann.
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Die Auslegung der Sattelkupplung sowie deren Tragstruktur basiert bisher auf Versuchen und Erfahrenswerten. Eine systematische Erfassung der Belastungen und daraus resultierend eine fundierte Festlegung der entsprechenden Dimensionen und sonstiger Auslegungen der Sattelkupplung sowie deren Tragstruktur ist bisher nicht bekannt. Dies führt dazu, dass einerseits die Gefahr besteht, dass die Sattelkupplung bzw. deren Tragstruktur unterdimensioniert werden, was im schlimmsten Fall zu einem Bruch der Sattelkupplung oder deren Tragstruktur und damit verbunden zu einem Unfall des Sattelzuges führen kann. Eine entsprechende Überdimensionierung führt andererseits zu erhöhten Kosten und darüber hinaus zu einem erhöhten Gewicht der Sattelzugmaschine, was ebenfalls unerwünscht ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Aufliegerkräfte an einer Sattelkupplung eines Sattelzuges anzugeben, mit der eine fundierte Aussage über die an der Sattelkupplung im Betrieb bei angekuppeltem Sattelauflieger wirkenden Belastungen getroffen werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die ein Basiselement umfasst, das zur Befestigung am Rahmen der Sattelzugmaschine ausgebildet ist, sowie eine an dem Basiselement befestigte Sattelplatte umfasst, in der eine Aufnahmeöffnung zur Aufnahme eines Königszapfens des Sattelaufliegers ausgebildet ist, wobei zwischen der Sattelplatte und dem Basiselement zumindest zwei 3-Komponenten-Kraftmesselemente angeordnet sind, mit denen jeweils die bei einer Bewegung der Sattelplatte auf das Basiselement übertragenen Kräfte messbar sind, und wobei die 3-Komponenten-Kraftmesselemente seitlich nebeneinander angeordnet sind und jeweils ein 3-Komponenten-Kraftmesselement auf einer und ein anderes 3-Komponenten-Kraftmesselement auf der anderen Seite einer im Wesentlichen durch die Aufnahmeöffnung verlaufenden Längsachse der Sattelzugmaschine liegt.
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Erfindungsgemäß wird somit erstmals eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, mit der die Aufliegerkräfte an einer Sattelkupplung eines Sattelzuges gemessen werden können, wie sie im Betrieb bei angekuppeltem Sattelauflieger tatsächlich auftreten. Durch die Ausbildung des Basiselements derart, dass dieses anstelle der Sattelkupplung am Rahmen der Sattelzugmaschine befestigt werden kann, sowie durch die Möglichkeit, den Sattelauflieger mit seinem Königszapfen, wie bei vorhandener Sattelkupplung, an der Sattelplatte zu befestigen, werden realistische Bedingungen geschaffen, die eine Ermittlung von der Praxis entsprechenden Messwerten ermöglichen.
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Die ermittelten Aufliegerkräfte und die daraus abgeleiteten Drehmomente können als Eingangsgrößen für experimentelle Betriebsfestigkeitsuntersuchungen, Simulationen und Lebensdauerberechnungen herangezogen werden. Mit der Erfindung ist es somit erstmals möglich, die Auslegung der Sattelkupplung sowie der Tragstruktur nicht nur auf Erfahrungswerte, sondern auf den Praxisbedingungen entsprechende, gemessene Werte zu stützen.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die 3-Komponenten-Kraftmesselemente jeweils zum Messen von drei senkrecht aufeinander stehenden Kraftkomponenten der übertragenen Kräfte ausgebildet. Über die gemessenen Kraftkomponenten können zusätzlich die entsprechenden drei Drehmomente ermittelt werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die 3-Komponenten-Kraftmesselemente im Wesentlichen entlang einer senkrecht zur Längsachse der Sattelzugmaschine verlaufenden Horizontallinie angeordnet. Die 3-Komponenten-Kraftmesselemente liegen somit in einer Horizontalebene, so dass die Ermittlung der resultierenden Kräfte und Momente besonders einfach durchgeführt werden kann.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Sattelplatte und dem Basiselement eine Trägerkonsole angeordnet, über die die Sattelplatte mit dem Basiselement verbunden ist, wobei die Sattelplatte an der Trägerkonsole um eine Schwenkachse verschwenkbar gelagert ist und die 3-Komponenten-Kraftmesselemente zwischen der Trägerkonsole und dem Basiselement angeordnet sind.
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Durch das Vorsehen einer zwischengelagerten Trägerkonsole ist es möglich, dass zum einen die Sattelplatte verschwenkbar ausgebildet ist, um die in der Praxis ebenfalls vorhandene Verschwenkbarkeit der Auflageplatte einer Sattelkupplung nachzubilden, und dass zum anderen die 3-Komponenten-Kraftmesselemente so zwischen die Trägerkonsole und das Basiselement eingebracht wird, dass die bei einer Bewegung der Sattelplatte auftretenden Kräfte von den 3-Komponenten-Kraftmesselementen erfasst werden können.
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Vorteilhaft verläuft die Horizontallinie parallel zur Schwenkachse und fällt insbesondere mit dieser zusammen. In diesem Fall können zwar keine Momente um die Schwenkachse bestimmt werden, was jedoch bei einer freien Verschwenkbarkeit der Sattelplatte um die Schwenkachse auch nicht erforderlich ist.
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Bevorzugt ist die Sattelplatte mit der Trägerkonsole über zumindest ein elastisches Auflager verbunden. Durch dieses elastische Auflager kann beispielsweise in einer Richtung senkrecht zur Schwenkachse der Sattelplatte eine quasi starre Verbindung zwischen Sattelplatte und Trägerkonsole geschaffen werden, über die Kräfte von der Sattelplatte auf die Trägerkonsole und damit zu den 3-Komponenten-Kraftmesselementen übertragen werden können. Das elastische Auflager kann dabei beispielsweise durch entsprechende Gummielemente oder sonstige geeignete elastische Elemente gebildet werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die 3-Komponenten-Kraftmesselemente unter Vorspannung zwischen der Trägerkonsole und dem Basiselement angeordnet. Aufgrund der Vorspannung werden die 3-Komponenten-Kraftmesselemente zwischen der Trägerkonsole und dem Basiselement eingeklemmt. Durch die Vorspannung wird aufgrund der auftretenden Reibungskräfte zwischen den 3-Komponenten-Kraftmesselementen und der Trägerkonsole bzw. dem Basiselement erreicht, dass von den 3-Komponenten-Kraftmesselementen nicht nur Kräfte in Klemmrichtung, sondern auch senkrecht dazu aufgenommen werden können.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Trägerkonsole gegenüber dem Basiselement beabstandet. Trägerkonsole und Basiselement sind somit lediglich über die vorgespannten 3-Komponenten-Kraftmesselemente miteinander verbunden, so dass gewährleistet ist, dass der Kraftfluss ausschließlich über die 3-Komponenten-Kraftmesselementen verläuft.
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Bevorzugt sind zwischen der Sattelplatte und dem Basiselement vier 3-Komponenten-Kraftmesselemente angeordnet. Durch die Anordnung von vier 3-Komponenten-Kraftmesselementen eindeutig die an der Sattelkupplung auftretenden Kräfte und Drehmomente in allen möglichen Richtungen erfassbar.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die 3-Komponenten-Kraftmesselemente symmetrisch um die Aufnahmeöffnung herum angeordnet. Aufgrund der symmetrischen Anordnung ist eine einfache Auswertung der gemessenen Kräfte sowie eine Bestimmung der entsprechenden Drehmomente in beliebigen ortsfesten Punkten möglich.
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Bevorzugt sind die 3-Komponenten-Kraftmesselemente als 3-axiale piezoelektrische Sensoren ausgebildet. Durch die 3-axialen piezoelektrischen Sensoren werden die aufgenommenen Kräfte in entsprechende elektrische Messsignale umgewandelt, die einfach über eine entsprechende Auswerteeinheit ausgewertet werden können.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die 3-Komponenten-Kraftmesselemente jeweils drei Signalausgänge auf, an denen den drei gemessenen Kraftkomponenten entsprechende Messsignale erzeugt werden. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die mit den Signalausgängen der 3-Komponenten-Kraftmesselemente verbunden und zum Berechnen einer resultierenden Kraft und/oder eines resultierenden Drehmoments in einem vorgegebenen Punkt basierend auf den Messsignalen der 3-Komponenten-Kraftmesselemente ausgebildet ist. Weiterhin kann die Auswerteeinheit zum Berechnen des resultierenden Drehmoments basierend auf den Messsignalen sowie der geometrischen Anordnung der 3-Komponenten-Kraftmesselemente ausgebildet sein. Anhand der bekannten geometrischen Anordnung der 3-Komponenten-Kraftmesselemente relativ zueinander können aus den Messsignalen der 3-Komponenten-Kraftmesselemente nämlich die resultierenden Drehmomente bestimmt werden. Rechnerisch können die auftretenden Kräfte und Momente grundsätzlich auf einen beliebigen Punkt bezogen werden, beispielsweise auf die Aufnahmeöffnung der Sattelplatte. Da im Bereich der Aufnahmeöffnung der Sattelplatte, die dem Sattelaufliegerpunkt entspricht, die gesamte Kraftübertragung von dem Sattelauflieger auf die Sattelplatte und damit auch auf die Sattelkupplung erfolgt, stellen die in diesem Punkt auftretenden Kräfte und Drehmomente die relevanten Daten für die Auslegung der Sattelkupplung sowie deren Tragstruktur dar.
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Vorteilhaft ist die Auswerteeinheit zum Berechnen von jeweils drei Komponenten der resultierenden Kraft und/oder des resultierenden Drehmoments ausgebildet. Durch die Berechnung der einzelnen Kraftkomponenten in drei insbesondere senkrecht zueinander stehenden Richtungen sowie der entsprechenden drei Drehmomentskomponenten sind mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Kräfte und Momente in allen Richtungen eindeutig und einfach ermittelbar sowie die ermittelten Kraft- und Drehmomentkomponenten entsprechend auswertbar.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; in dieser zeigen:
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1 einen Sattelzug,
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2 eine erfindungsgemäße ausgebildete Vorrichtung und
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3 eine teilweise geschnitten dargestellte Detailansicht der Vorrichtung nach 2.
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1 zeigt einen Sattelzug 1, der eine Sattelzugmaschine 2 sowie einen Sattelauflieger 3 umfasst. Die Sattelzugmaschine 2 umfasst in üblicher Weise ein Führerhaus 4 sowie einen entgegen der durch einen Pfeil 32 angedeuteten Fahrtrichtung überstehenden Rahmen 5, an dem Vorder- und Hinterachsen 6, 7 der Sattelzugmaschine 2 gelagert sind.
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Oberhalb der Hinterachse 7 ist eine mit dem Rahmen 5 fest verbundene Sattelkupplung 8 angeordnet, auf der der Sattelauflieger 3 aufliegt. Die Verbindung zwischen dem Sattelauflieger 3 und der Sattelkupplung 8 erfolgt dabei über einen Königszapfen 9, der in eine nicht dargestellte Aufnahmeöffnung der Sattelkupplung 8 eingreift.
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In 2 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung dargestellt, die zur Bestimmung der Aufliegerkräfte anstelle der Sattelkupplung 8 mit dem Rahmen 5 der Sattelzugmaschine 2 verbunden, insbesondere mit diesem verschraubbar ist. Die Befestigung der Vorrichtung erfolgt dabei bevorzugt identisch, d. h. an derselben Position und/oder mit denselben Befestigungsmitteln, wie die Befestigung der Sattelkupplung, um möglichst praxisnahe Messbedingungen zu gewährleisten.
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Die Vorrichtung umfasst ein Basiselement 10, das beispielsweise als Grundplatte ausgebildet sein kann, wie es aus 2 ersichtlich ist. Das Basiselement 10 ist dabei möglichst steif ausgebildet, um eine Verfälschung der Messergebnisse beispielsweise durch Verwinden des Basiselements 10 zu vermeiden. In dem Basiselement 10 sind Löcher 11 vorgesehen, über die das Basiselement 10 beispielsweise mittels Schrauben mit dem Rahmen 5 verbunden werden kann.
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An der Oberseite des Basiselements 10 sind vier im Wesentlichen zylinderförmige 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 angeordnet, von denen in 2 nur zwei sichtbar sind. Die beiden anderen 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 liegen symmetrisch zu den beiden dargestellten 3-Komponenten-Kraftmesselementen 12 im in 2 hinteren Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung, so dass die vier 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 an den Ecken eines gedachten Rechtecks positioniert sind.
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Oberhalb des Basiselements 10 ist eine zweiteilige Trägerkonsole 13 angeordnet, die jeweils mit vier zum Basiselement 10 hin gerichteten Bereichen 14 ihrer Unterseite auf den 3-Komponenten-Kraftmesselementen 12 aufliegt. Alternativ könnte die Trägerkonsole 13 auch einteilig ausgebildet sein oder aus mehreren Teilen bestehen.
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Weiterhin ist aus 3 zu erkennen, dass die 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 jeweils eine innen liegende Zentralbohrung 15 aufweisen, durch die jeweils eine Schraube 16 hindurchgeführt ist. Die Schrauben 16 liegen jeweils mit ihrem Schraubenkopf 17 in einer Ausnehmung 18 der Trägerkonsole 13 und sind mit ihren freien Enden 19 jeweils in in dem Basiselement 10 ausgebildeten Gewindebohrungen 20 eingeschraubt. Durch entsprechendes Anziehen der Schrauben 16 wird die Trägerkonsole 13 in Richtung zu dem Basiselement 10 hin gezogen, so dass die zwischen dem Basiselement 10 und der Trägerkonsole 13 angeordneten 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 zwischen der Trägerkonsole 13 und dem Basisteil 10 eingeklemmt sind und somit unter Vorspannung stehen.
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Wie weiterhin aus 3 zu erkennen ist, liegt die Trägerkonsole 13 ausschließlich auf den 3-Komponenten-Kraftmesselementen 12 auf, da außerhalb der Bereiche 14 der Trägerkonsole 13 jeweils ein Abstand 21 zwischen der Trägerkonsole 13 und dem Basiselement 10 ausgebildet ist. Sämtliche auf die Trägerkonsole 13 wirkenden Kräfte werden somit ausschließlich über die 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 auf das Basiselement 10 übertragen.
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Im oberen Mittelbereich der Trägerkonsole 13 sind zwei hier beispielsweise elastische Auflager 22 ausgebildet, über die die Trägerkonsole 13 mit einer aufliegenden Sattelplatte 23 verbunden ist. Alternativ kann eine Verschwenkbarkeit um eine horizontale Achse auch über eine gelenkige Verbindung realisiert werden.
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Die Sattelplatte 23 ist somit um eine Schwenkachse 24 verschwenkbar gelagert, die senkrecht zur Fahrtrichtung 32 des Sattelzugs 1 verläuft. Die Schwenkachse 24 entspricht dabei einer entsprechenden Schwenkachse der Sattelkupplung, welche es erlaubt, dass der Sattelauflieger 3 gegenüber der Sattelzugmaschine 2 Schwenkbewegungen ausführt, mit denen beispielsweise Niveauunterschiede der Fahrbahn und sonstige Unebenheiten ausgeglichen werden können.
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Die Sattelplatte 23 umfasst weiterhin eine Aufnahmeöffnung 25, die zur Aufnahme des Königszapfens 9 des Sattelaufliegers 3 ausgebildet ist. Weiterhin ist in der Sattelplatte 23 eine V-förmige Ausnehmung 26 vorgesehen, die eine seitliche Schwenkbewegung des Sattelaufliegers 3 um den in die Aufnahmeöffnung 25 eingesetzten Königszapfen 9 ermöglicht.
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Die 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 sind so ausgebildet und angeordnet, dass jeder von ihnen jeweils drei Kraftkomponenten (FX, FY, FZ) der von der Trägerkonsole 13 über die 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 auf das Basiselement 10 übertragenen Kräfte erfasst, wobei die einzelnen Kraftkomponenten jeweils entsprechend Pfeilen 27, 28, 29 senkrecht aufeinander stehen. Dabei zeigt der Pfeil 28 in Richtung der Schwenkachse 24, der Pfeil 27 entgegen der Fahrtrichtung 32 des Sattelzugs 1 und der Pfeil 29 senkrecht zu der von dem Pfeil 27 und 28 aufgespannten Ebene. Grundsätzlich können die 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 auch so angeordnet sein, dass die einzelnen Kraftkomponenten jeweils in entgegengesetzten Richtungen oder in völlig anderen Richtungen bestimmt werden.
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Sowohl während des Verschwenkens der Sattelplatte 23 um die Schwenkachse 24 auftretende Kräfte als auch seitliche Schwenkbewegungen der Sattelplatte 23, welche eine Komprimierung oder Entlastung der elastischen Auflager 22 bewirken und einem seitlichen Verkippen des Sattelaufliegers 3 bzw. des Sattelzugs 1 entsprechen, werden von der Trägerkonsole 13 auf die 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 übertragen und von diesen erfasst. Gleiches gilt auch für zwischen dem Königszapfen 9 und der Aufnahmeöffnung 25 wirkende Reibungskräfte, die bei einem seitlichen Verschwenken des Sattelaufliegers 3 gegenüber dem Sattelzug 1 (beispielsweise bei einer Kurvenfahrt) auftreten.
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Sämtliche von den 3-Komponenten-Kraftmesselementen 12 erfassten Kräfte bzw. deren einzelne X-, Y- und Z-Komponenten werden über eine Leitung 30 zu einer Auswerteeinheit 31 übertragen. Die Auswerteeinheit 31 berechnet aus den gemessenen Kraftkomponenten sowie der geometrischen Anordnung der einzelnen 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12, beispielsweise aus deren Abständen von der Aufnahmeöffnung 25, die jeweiligen Drehmomentkomponenten MX, MY und MZ, beispielsweise im Bereich der Aufnahmeöffnung 25.
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Die ermittelten Kraftkomponenten FX, FY und FZ sowie die Drehmomentkomponenten MX, MY und MZ können als Eingangsparameter für experimentelle Betriebsfestigkeitsuntersuchungen, Simulationen und Lebensdauerberechnungen verwendet werden, um eine korrekte Auslegung des Rahmens der Sattelzugmaschine 2 sowie der Sattelkupplung 8 zu ermöglichen. Zur Bestimmung unterschiedlicher Werte für die einzelnen Kraft- und Drehmomentkomponenten ist es möglich, dass ein mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüsteter Sattelzug 1 entweder in einem Simulator entsprechend unterschiedlich simulierter Fahrsituationen beansprucht wird oder dass ein entsprechend ausgerüsteter Sattelzug 1 unter realen Bedingungen, das heißt beispielsweise auf einer Straße gefahren wird, um der Realität entsprechende Messwerte zu erhalten. Die gemessenen Messwerte können dabei laufend oder in bestimmten Abständen gespeichert werden, um anschließend ausgewertet zu werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sattelzug
- 2
- Sattelzugmaschine
- 3
- Sattelauflieger
- 4
- Führerhaus
- 5
- Rahmen
- 6
- Vorderachse
- 7
- Hinterachse
- 8
- Sattelkupplung
- 9
- Königszapfen
- 10
- Basiselement
- 11
- Löcher
- 12
- 3-Komponenten-Kraftmesselemente
- 13
- Trägerkonsole
- 14
- Bereiche der Trägerkonsole 13
- 15
- Zentralbohrung
- 16
- Schrauben
- 17
- Schraubenköpfe
- 18
- Ausnehmungen
- 19
- freie Enden der Schrauben 16
- 20
- Gewindebohrungen
- 21
- Abstand
- 22
- elastische Auflager
- 23
- Sattelplatte
- 24
- Schwenkachse
- 25
- Aufnahmeöffnung
- 26
- V-förmige Ausnehmung
- 27
- Pfeil
- 28
- Pfeil
- 29
- Pfeil
- 30
- Leitung
- 31
- Auswerteeinheit
- 32
- Pfeil/Fahrtrichtung