DE102005040504B3

DE102005040504B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Störungen in Fahrwerken von durch Luftfedereinrichtungen gefederten Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102005040504B3
Application number: DE102005040504A
Authority: DE
Inventors: Peter Waldmann; Ulf Friesen
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-08-27
Also published as: ES2626789T3; EP1922235B1; WO2007022989A1; EP1922235B2; ES2626789T5; EP1922235A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Störungen, Fehlern oder kritischen Zuständen in Fahrwerken (6) von durch Luftfedereinrichtungen (1) gefederten Schienenfahrzeugen. DOLLAR A Die Erfindung sieht vor, dass es eine ständige oder zeitweise Überwachung wenigestens einer im Rahmen der Luftfederungseinrichtung (1) oder einer Bremseinrichtung des Fahrzeugs ohnehin erfassten und sich durch eine Störung oder einen Fehler im Fahrwerk (6) ändernden physikalischen Größe (T, p, s) beinhaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine ständige oder zeitweise Überwachung wenigstens einer im Rahmen einer Luftfederungseinrichtung oder einer Bremseinrichtung eines Schienenfahrzeugs ohnehin erfassten physikalischen Größe sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6.

Luftfedereinrichtungen in Schienenfahrzeugen haben die Aufgabe, eine Übertragung von Körperschall vom Fahrwerk auf den Wagenaufbau oder Wagenkasten zu dämpfen. Gleichzeitig dienen die Luftfederbälge zur Niveauregulierung des Wagenkastens bei unterschiedlicher Beladung. Aus der DE 103 53 416 A1 ist eine elektronisch geregelte Luftfedereinrichtung eines Schienenfahrzeugs bekannt, mit mehreren Luftfederbälgen, welche über von einem zentralen Steuergerät ansteuerbare Steuerventile be- und entlüftbar sind, sowie mit je einem Drucksensor und Wegsensor je Luftfederbalg zur Erfassung von Höhenänderungen zwischen Drehgestell und dem Wagenaufbau. Bei Abweichungen vom gewünschten Wert werden die Luftfederbälge gezielt so be- oder entlüftet, das sich das gewünschte Niveau des Wagenaufbaus wieder einstellt.

Im Schienenfahrzeugbereich besteht Nachfrage nach Überwachungssystemen für Fahrwerke. Von besonderem Interesse ist dabei eine Erfassung von Entgleisungen, unrunden Rädern, Flachstellen und Schäden an Fahrwerksteilen, welche kritische Fahrzustände auslösen können. Bekannte Überwachungs- und Diagnosesysteme erfordern jedoch den Einbau zusätzlicher Sensoren und deren Verkabelungen. Ein solches Überwachungs- und Diagnosesysteme mit zusätzlichen Sensoren ist aus der DE 199 26 164 A1 bekannt. Auch in der DE 20 2004 012 611 U1 ist ein Diagnosesystem eines Schienenfahrzeugs beschrieben, bei welchem Radachsen mit zusätzlichen Temperatursensoren und Lagerschadensensoren versehen sind.

Die EP 1 190 926 A2 beschreibt eine Luftfederung eines Schienenfahrzeugs mit jedem Wagenkasteneck zugeordneten Luftfederbälgen, bei welcher jedem Luftfederbalg ein Wegsensor und ein Drucksensor zugeordnet ist. Die Signale dieser Sensoren werden dazu benutzt, die fahrwerkbezogene Kräfteverteilung, den Wankwinkel, den Nickwinkel sowie die Hubhöhe zu bestimmen und bei Verlassen von zulässigen Bereichen dem Fahrzeugführer nach Abgabe einer Warnmeldung unsymmetrische Beladungszustände, Entgleisungsgefahr oder starke Windlasten zu signalisieren. Mit einer solchen Überwachung der fahrwerkbezogenen Kräfteverteilung eines Schienenfahrzeugs können zwar bestimmte kritische Zustände erfasst werden, jedoch nicht alle.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art derart weiter zu entwickeln, dass mit ihm weitere kritische Zustände einfach und kostengünstig erfassbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer ständigen oder zeitweisen Überwachung wenigstens einer im Rahmen der Luftfederungseinrichtung oder einer Bremseinrichtung des Fahrzeugs ohnehin erfassten und sich durch eine Störung oder einen Fehler im Fahrwerk ändernden physikalischen Größe. Hierzu zählt beispielsweise der Druck in einem Luftfederbalg und/oder ein lastproportionaler Steuerdruck für eine lastabhängige Bremskraftregelung und/oder der Abstand zwischen dem Fahrwerk und dem Fahrzeugchassis. Da wenigstens eine dieser Größen im Rahmen der Funktion der Luftfederungseinrichtung oder der Bremseinrichtung des Fahrzeugs ohnehin durch entsprechende Sensoren gemessen werden, benötigt das Überwachungsverfahren keine weiteren Sensoren oder zusätzliche Verkabelungen. Hierdurch sind das Verfahren und die zu seiner Ausführung vorgesehene Vorrichtung äußerst kostengünstig realisierbar.

Bei einer gebräuchlichen Luftfederungseinrichtung sind mechanisch betätigte Regelventile für jeden einzelnen Luftfederbalg bzw. für Gruppen von Luftfederbälgen vorhanden. Diese Regelventile tasten über ein Gestänge mit Umlenkmechanik die Höhenänderungen zwischen Drehgestell und Wagenkasten. Zusätzlich kann im Rahmen einer sog. Lastabbremsung, mit welcher eine Anpassung der Bremskraft an das Fahrzeuggewicht entsprechend seines Beladungszustandes erzielt wird, eine Regelung der Bremskraft durch einen lastabhängigen Steuerdruck erfolgen, der beispielsweise von dem in den Luftfederbälgen herrschenden Luftdruck abgeleitet wird. Dieser im Rahmen der Bremseinrichtung des Fahrzeugs ohnehin erzeugte Steuerdruck ändert sich in charakteristischer Weise, wenn eine Störung oder ein Fehler im Fahrwerk vorliegt.

Alternativ können auch die Weg- und/oder Drucksignale der ohnehin vorhandenen Weg- und Drucksensoren einer elektronisch geregelten Luftfederungseinrichtung wie sie beispielsweise in der eingangs diskutierten DE 103 53 416 A1 beschrieben ist, genutzt werden, um Störungen und Fehler im Fahrwerk zu detektieren.

Eine Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse erfolgt vorzugsweise durch Bilden einer Korrelation zwischen den Drucksignalen wie Luftfederbalgdruck und/oder lastproportionaler Steuerdruck einerseits und den Wegsignalen andererseits. Darüber hinaus ist durch die beiden unterschiedlichen Signale auch eine redundante, aber diversitäre Auswertung möglich.

Eine Auswertung der Sensorsignale kann beispielsweise durch Beobachtung erfolgen, ob die wenigstens eine überwachte physikalische Größe einen Schwellwert über- oder unterschreitet. Denkbar ist auch eine statistische Auswertung und/oder eine Frequenzanalyse der wenigstens einen überwachten physikalischen Größe, bevorzugt durch eine Fast-Fourrier-Transformation. Dadurch lassen sich Frequenzen von Schwingungen analysieren, welche von Fahrwerksfehlern und -störungen herrühren.

Für eine Entgleisungsdetektion eignet sich beispielsweise eine Auswertung der Dynamik der lastproportionalen Steuerdrücke oder der Drücke in den Luftfederbälgen, welche sich im entgleisten Zustand aufgrund des dann stark veränderten Rad-Untergrund-Laufverhaltens wesentlich ändern. Die Erkennung von Flachstellen und Unrundheiten der Räder wird bevorzugt durch eine Auswertung des zeitlichen Verlaufs der von den Wegsensoren gelieferten Wegsignale bewerkstelligt.

Eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Vorrichtung ist durch eine in ein Luftfederungssteuergerät oder in ein Bremssteuergerät integrierte Auswerteeinheit gekennzeichnet. In diesem Fall wird keine zusätzliche Hardware benötigt, weil bereits vorhandene Steuergeräte genutzt werden und die Überwachungsfunktion lediglich als zusätzliche Software installiert wird. Die Integration der Auswerteeinheit in die Steuerung der Luftfedereinrichtung oder in das Bremssteuergerät, dort bevorzugt in die Gleitschutz- oder Bremssteuerelektronik bietet die Möglichkeit, Systemkomponenten wie Stromversorgung, Schnittstellen zu Bedienpersonen und zu einem Fahrzeugleitsystem gemeinsam zu nutzen. Dies reduziert den gerätetechnischen Aufwand. Bei Verwendung einer entsprechend leistungsfähigen Rechnereinheit ist eine parallele Verarbeitung der Signale der Bremseinrichtung wie auch der Überwachungsvorrichtung möglich. Nicht zuletzt stehen der Auswerteeinheit sämtliche Signale des Bremsteuergeräts und der Gleitschutzeinrichtung zur Verfügung, wie beispielsweise Geschwindigkeitssignale. Folglich eignet sich das erfindungsgemäße System besonders zur Nachrüstung bereits vorhandener Fahrzeuge.

Die Auswerteeinheit kann weiterhin wenigstens eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einem Fahrzeugleitsystem aufweisen, insbesondere zur Meldung kritischer Zustände. Darüber hinaus können über die Schnittstelle Daten von anderen Systemen eingelesen werden, welche für die Überwachungsfunktion relevant sind. Nicht zuletzt kann die Auswerteeinheit auch mit einer Schnittstelle zur Bedienung durch eine Bedienperson ausgestattet sein.

Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Luftfedereinrichtung mit mechanisch betätigtem Regelventil, welche mit einer Vorrichtung zur Detektion von Störungen oder Fehlern im Fahrwerk gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zusammenwirken;
2 eine schematische Darstellung einer Luftfedereinrichtung mit mechanisch-pneumatischer 4-Punktregelung, welche mit einer Vorrichtung zur Detektion von Störungen oder Fehlern im Fahrwerk gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zusammenwirken;
3 eine schematische Darstellung einer Luftfedereinrichtung mit elektronischer 4-Punktregelung, welche mit einer Vorrichtung zur Detektion von Störungen oder Fehlern im Fahrwerk gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zusammenwirken.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Bei der in 1 gezeigten Luftfedereinrichtung 1 eines Schienenfahrzeugs ist für jeden einzelnen Luftfederbalg 2 bzw. für Gruppen von Luftfederbälgen ein mechanisch betätigtes, unter Vorratsdruck stehendes Regelventil 4 vorhanden. Die Luftfederbälge 2 sind dem Fahrwerk 6 und dem Wagenkasten 8 zwischengeordnet, so dass sich je nach Belüftungszustand der Luftfederbälge 2 das Niveau des Wagenkastens 8 ändert. Die Regelventilventile 4 tasten über ein Gestänge 10 mit Umlenkmechanik den Abstand s zwischen dem Fahrwerk 6 oder Drehgestell und dem Wagenkasten 8 ab. Bei Abweichungen vom gewünschten Wert werden die Luftfederbälge 2 durch die Regelventile 4 gezielt so be- oder entlüftet, das sich das gewünschte Niveau des Wagenkastens 8 wieder einstellt.
Das Schienenfahrzeug umfasst eine Überwachungsvorrichtung 12 zur Detektion von Störungen oder Fehlern im Fahrwerk 6, welche darauf basiert, dass ständig oder zeitweise wenigstens eine im Rahmen der Luftfederungseinrichtung 1 oder der Bremseinrichtung ohnehin erfasste und sich durch eine Störung oder einen Fehler im Fahrwerk 6 ändernde physikalischen Größe erfasst wird.
Im vorliegenden Fall erfolgt im Rahmen einer sog. Lastabbremsung, mit welcher eine Anpassung der Bremskraft an das Fahrzeuggewicht entsprechend seines Beladungszustandes erzielt wird, eine Regelung der Bremskraft durch einen lastabhängigen Steuerdruck T, der beispielsweise von dem in den Luftfederbälgen 2 herrschenden Luftdruck p abgeleitet wird. Dieser im Rahmen der Bremseinrichtung ohnehin erzeugte Steuerdruck T ändert sich in charakteristischer Weise, wenn eine Störung oder ein Fehler im Fahrwerk 6 vorliegt. Zur Messung des lastabhängigen Steuerdrucks T ist beispielsweise ein Drucksensor 14 vorgesehen, welcher über eine elektrische Leitung 16 ein entsprechendes Drucksignal an eine Auswerteeinheit 18 der Überwachungsvorrichtung 12 liefert. Diese Auswerteeinheit 18 ist im vorliegenden Fall in ein Bremssteuergerät 20 des Schienenfahrzeugs integriert. Alternativ könnte die Auswerteeinheit 18 auch als stand-alone-Einheit aufgebaut sein.
Eine Auswertung der Drucksensorsignale kann beispielsweise durch Beobachtung erfolgen, ob der lastabhängige Steuerdruck T einen Schwellwert überschreitet. Des weiteren kann auch eine statistische Auswertung und/oder eine Frequenzanalyse der Drucksignale erfolgen. Dadurch lassen sich Frequenzen von Schwingungen analysieren, welche von Fahrwerksfehlern und -störungen herrühren. Für eine Entgleisungsdetektion eignet sich beispielsweise eine Auswertung der Dynamik der lastproportionalen Steuerdrücke T oder der Drücke p in den Luftfederbälgen 2, welche sich im entgleisten Zustand aufgrund des dann stark veränderten Rad-Untergrund-Laufverhaltens wesentlich ändern.
Die Auswerteeinheit 18 kann weiterhin wenigstens eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einem Fahrzeugleitsystem aufweisen, insbesondere zur Meldung kritischer Zustände. Darüber hinaus können über die Schnittstelle Daten von anderen Systemen eingelesen werden, welche für die Überwachungsfunktion relevant sind. Nicht zuletzt kann die Auswerteeinheit 18 auch mit einer Schnittstelle zur Bedienung durch eine Bedienperson ausgestattet sein.
Gemäß einer weiteren, in 2 gezeigten Ausführungsform der Luftfedereinrichtung 1 ist eine mechanisch-pneumatische 4-Punkt-Regelung realisiert. Vorzugsweise sind je Drehgestell 22, 24 zwei Federbälge 26, 28 und 30, 32, jeweils rechtsseitig und linksseitig vorhanden, welche den beiden Radsätzen 34, 36 und 38, 40 je Drehgestell 22, 24 zwischengeordnet und über je ein Doppelüberströmventil mit Mitteldruckbildung 42, 44 in druckleitender Verbindung stehen, um aus Sicherheitsgründen größere Druckdifferenzen in den Luftfederbälgen 26, 28 und 30, 32 zu vermeiden. Bevorzugt in den Doppelüberströmventilen mit Mitteldruckbildung 42, 44 ist je ein Drucksensor 46, 48 integriert, welcher den Mitteldruck misst und der Auswerteeinheit 18 der Überwachungsvorrichtung 12 als beladungsproportionales Signal liefert, welche wiederum in das Bremssteuergerät 50 integriert ist.
In 3 ist eine Luftfedereinrichtung 1 mit elektronischer 4-Punkt-Regelung gezeigt. Vorzugsweise sind wiederum je Drehgestell 22, 24 zwei Luftfederbälge 26, 28 und 30, 32 vorhanden, welche über je einen Ventilblock mit Be- und Entlüftungsventilen 66, 68, die durch eine elektronische Regeleinheit angesteuert werden, in Verbindung stehen. Hierbei ist jedem Luftfederbalg 26, 28 und 30, 32 je ein Drucksensor 52, 53, 54, 55 zur Messung des Drucks im jeweiligen Luftfederbalg 26, 28 und 30, 32 und je ein Wegsensor 56, 58, 60, 62 zur Messung des Abstands s des Fahrwerks vom Wagenkasten zugeordnet. Diese Sensoren 52, 53, 54, 55 und 56, 58, 60, 62 liefern entsprechende Wegsignale und Drucksignale an die Auswerteeinheit 18, die in ein Gleitschutzsteuergerät 64 einer Gleitschutzeinrichtung integriert ist, welche beim Bremsen das Blockieren der Radsätze 34, 36, 38 und 40 verhindern soll. Bei der vorliegenden Ausführung als Mikroprozessor-Gleitschutz wird der Schlupf der Radsätze 34, 36, 38, 40 bei ungenügendem Kraftschlusswert zwischen Rad und Schiene geregelt. Dazu werden die Geschwindigkeiten aller Räder des Schienenfahrzeugs über Drehzahlgeber erfasst. Hieraus berechnet der Mikroprozessor die tatsächliche Zuggeschwindigkeit und reduziert den durch die Bremssteuerung vorgegebenen Bremszylinderdruck mittels elektropneumatischer Gleitschutzventile achs- oder drehgestellweise.
Die Erkennung von Flachstellen und Unrundheiten der Räder wird bevorzugt durch eine Auswertung des zeitlichen Verlaufs des von den Wegsensoren 56, 58, 60, 62 gelieferten Wegsignals bewerkstelligt. Durch die bei dieser Ausführungsform größere Anzahl von Sensoren im Fahrwerk und die direkte Ankoppelung dieser an die Luftfederbälge 26, 28 und 30, 32 ist eine genauere Detektion von fehlerhaften Zuständen als bei der Auswertung der Mitteldrucksignale bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform möglich. Eine Plausibilitätsprüfung der Auswertung erfolgt vorzugsweise durch Bilden einer Korrelation zwischen den Drucksignalen einerseits und den Wegsignalen andererseits.

1: Luftfedereinrichtung
2: Luftfederbalg
4: Regelventil
6: Fahrwerk
8: Wagenkasten
10: Gestänge
12: Überwachungsvorrichtung
14: Drucksensor
16: elektr. Leitung
18: Auswerteeinheit
20: Bremssteuergerät
22: Drehgestell
24: Drehgestell
26: Federbalg
28: Federbalg
30: Federbalg
32: Federbalg
34: Radsatz
36: Radsatz
38: Radsatz
40: Radsatz
42: Doppelüberströmventil mit Mitteldruckbildung
44: Doppelüberströmventil mit Mitteldruckbildung
46: Drucksensor
48: Drucksensor
50: Bremssteuergerät
52: Drucksensor
53: Drucksensor
54: Drucksensor
55: Drucksensor
56: Wegsensor
58: Wegsensor
60: Wegsensor
62: Wegsensor
64: Gleitschutzsteuergerät
66: Ventilblock
68: Ventilblock

Claims

Ständige oder zeitweise Überwachung wenigstens einer im Rahmen einer Luftfederungseinrichtung (1) oder einer Bremseinrichtung eines Schienenfahrzeugs ohnehin erfassten physikalischen Größe (T, p, s), dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung zur Detektion von Schwingungen, welche von Störungen, Fehlern oder kritischen Zuständen im Fahrwerk (6) herrühren, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine physikalische Größe den Druck (p) in einem Luftfederbalg (2; 26, 28, 30, 32) und/oder einen lastproportionalen Steuerdruck (T) für eine lastabhängige Bremskraftregelung und/oder den Abstand (s) zwischen dem Fahrwerk (6) und einem Fahrzeugchassis (8) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Bilden einer Korrelation zwischen dem Luftfederbalgdruck (p) und/oder dem lastproportionalen Steuerdruck (T) einerseits und dem Abstand (s) andererseits.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung dadurch erfolgt, ob die wenigstens eine überwachte physikalische Größe (T, p, s) einen Schwellwert über- oder unterschreitet.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine statistische Auswertung und/oder eine Frequenzanalyse der wenigstens einen überwachten physikalischen Größe (T, p, s).
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in ein Luftfederungssteuergerät, ein Bremssteuergerät (20) oder in ein Gleitschutzsteuergerät (64) integrierte Auswerteeinheit (18).
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (18) wenigstens eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einem Fahrzeugleitsystem aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur ständigen oder zeitweisen Überwachung der wenigstens einen sich durch eine Störung oder einen kritischen Zustand im Fahrwerk (6) ändernden physikalischen Größe (T, p, s) der Luftfedereinrichtung (1) wenigstens einen Wegsensor (56, 58, 60, 62) zur Erzeugung eines den Abstand zwischen dem Fahrwerk (6) und einem Fahrzeugchassis (8) charakterisierenden Wegsignals und/oder wenigstens einen Drucksensor (46, 48; 52, 53, 54, 55) zur Erzeugung eines den Luftfederbalgdruck (p) und/oder einen lastproportionalen Steuerdruck (T) für eine lastabhängige Bremskraftregelung charakterisierenden Signals beinhaltet.