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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Offenbarung in dem Oberbegriff
des Anspruches 1 und eine Vorrichtung gemäß Offenbarung in dem Oberbegriff
des Anspruches 6 für
die Erfassung defekter Eisenbahnräder auf Schienenfahrzeugen,
wie z.B. Lokomotiven und Eisenbahnwagen.
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Mit
den bisher bekannten Verfahren wird die Prüfung, ob die Räder defekt
sind, ausgeführt,
während
sich die Fahrzeuge im Stillstand befinden. Unter anderem ist es
somit bekannt, Ultraschallmessungen, siehe
EP 0 667 526 A1 , und elektromagnetische Wirbelstrommessungen
anzuwenden, wenn sich die Wagen im Stillstand befinden. Ferner ist
es allgemein bekannt eine rein manuelle Erfassung dahingehend auszuführen, dass
ein Hammer oder dergleichen verwendet wird, um nacheinander auf
die Räder
zu schlagen, wodurch die geübte
Testperson rein aus der Erfahrung aus dem Nachklington der Räder hören kann,
ob ein Rad defekt ist.
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WO
88/02713 offenbart eine Vorrichtung für eine Schienenbasierende Erfassung
eines Radprofils auf der Basis von Aussenden und Empfangen von Laserstrahlen,
welche auf die Profile gerichtet und von diesen Reflektiert werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens
und einer Vorrichtung, wodurch mit größerer Sicherheit als mit bekannten Techniken
und während
die Räder
rollen, erfasst werden kann, ob ein Rad defekt ist, d.h., während sich die
Lokomotiven und die Wagen in normaler Weise bewegen.
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Dieses
wird durch das Verfahren gemäß Anspruch
1 erreicht, wodurch während
die Lokomotive und/oder der Wagen fahren, ein Laserstrahl auf das Rad
in einer Richtung im wesentlichen im rechten Winkel zu der Ebene
des Rades gerichtet wird, dass eine Reihe von Signalen erfasst wird,
die den reflektierten Strahlen aus dem Rad im wesentlichen im rechten
Winkel zu der Ebenen des Rades entsprechen, dass eine Messung der
Doppler-Frequenzänderung
zwischen dem ausgesendeten Strahl und dem reflektierenden Stahl
ausgeführt
wird, dass auf Basis derselben eine Signalverarbeitung durchge führt wird,
um das Schwingungsmuster des betreffenden Rades zu ermitteln, und
dass auf der Basis des Schwingungsmusters eine Feststellung bezüglich des
Zustandes des betreffenden Rades getroffen wird.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung nach Anspruch 6, welche
dahingehend kennzeichnend ist, dass die Vorrichtung einen Lasersensor
aufweist der so ausgeführt
ist, dass er einen Laserstrahl auf das Rad in einer Richtung aussendet,
die im Wesentlichen rechtwinkelig zu der Ebene des Rades ist, dass
der Lasersensor so ausgeführt
ist, dass er von dem Rad reflektierte Strahlen empfängt, und
dass der Lasersensor einen Sensor zum Messen der Doppler-Frequenzänderungen
des reflektierten Strahls umfasst, dass die Vorrichtung eine Signal-Verarbeitungseinheit
umfasst, die ein Schwingungsmuster des Rades auf Basis der Doppler-Frequenzmessungen
bestimmt, die auf Basis der berechneten Biegeschwingungen von einer
Anzahl von Punkten an dem einzelnen Rad das Schwingungsmuster für die einzelnen
Räder feststellt,
und dass die Vorrichtung eine Computereinheit umfasst, die das festgestellte
Schwingungsmuster mit den in Speichereinheiten gespeicherten Mustern
vergleicht und dazu dient, die gemessenen Daten zu speichern.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. der Vorrichtung wird somit erreicht, dass die Erfassung der
einzelnen Schienenfahrzeuge, Lokomotiven, Wagen usw., während diese
in normaler Weise auf den Eisenbahnschienen fahren, dadurch ausgeführt werden
kann, dass eine oder mehrere Stellen an besonders befahrenen Eisenbahnabschnitten ausgewählt werden
kann, an welchen Messungen gemäß der Erfindung
unternommen werden. Es wird somit ein größerer Grad an Sicherheit gegenüber Unfällen erreicht,
welche sich aus defekten Rädern
ergeben, und eine größere Betriebssicherheit
wird ebenfalls dahingehend erreicht, dass mögliche zukünftige Ausfälle in solch ausreichender
Zeit erfasst werden können,
dass eine Ersetzung oder Reparatur geplant werden können.
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Zweckmäßige Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
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Mit
der Erfindung werden einer oder mehrere Lasersensoren oder dergleichen
in der Nähe
eines Schienenelementes, auf welcher die Wagen und die Lokomotiven
fahren so angeordnet, dass der gesendete Laserstrahl zu den Rädern hin
und im wesentlichen im rechten Winkel zu der Ebene der Räder ausgesendet
wird, und so, dass ein geeigneter Teil der Radscheibe durch den
Laserstrahl abgetastet wird. Beispielsweise kann der Lasersensor
so angeordnet werden, dass der Strahl auf die Radscheibe hauptsächlich zwischen
der Radachse und dem Radreifen auftrifft.
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Der
Lasersensor ist somit in der Lage, die Geschwindigkeit der lateralen
Radschwingungen zu messen. Diese Schwingungen, welche durch die physikalischen
Einflüsse
auf das Rad bewirkt werden, enthalten Information bezüglich des
Zustandes des betreffenden Rades, die der Information entspricht,
welche durch das Anschlagen eines stehenden Rades und anschließende Bewertung
des Nachklingtones aus dem Rad erhalten wird.
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Da
der Lasersensor mit seiner zugehörigen Apparatur
in einer permanenten Messstelle aufgebaut ist, können spezielle Messungen, wie
sie in den Ansprüchen
3 bzw. 9 offenbart sind, durchgeführt werden, um sicherzustellen,
dass die Räder
in einem ausreichenden Masse oder in einer speziellen Weise schwingen,
um das Erzielen ausreichend guter Messergebnisse zu ermöglichen.
Es können
somit Unregelmäßigkeiten
in der Schiene selbst vorhanden sein, oder eine Vorrichtung vorgesehen
sein, wodurch diese während
des Durchlaufs des Rades gegen ein Teil des Rades, wie z.B. den
Radflansch anschlägt.
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Wenn
der Lasersensor die reflektierten Signale erfasst hat, wird eine
anschließende
Verarbeitung der Signale mit der Aufgabe der Erzeugung von Signalen
ausgeführt,
welche für
die Schwingungen der Räder
repräsentativ
sind, und eine Speicherung aller Messsignale ausgeführt.
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Wie
es in den Ansprüchen
2 bzw. 7 offenbart ist, wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung
eine entsprechende Messung ausgeführt, welche eine Identifikation
der Räder
und/oder der Wagen/Lokomotiven sicherstellt, an welchen die Erfassung
ausgeführt
wird. Beispielsweise können
die Wagen/Lokomotiven und/oder die einzelnen Räder mit bekannten Arten von
Identifikationsmarken versehen sein, welche durch kontaktlose Messungen
erfasst und identifiziert werden können, wie z.B. mit magnetischen,
induktiven, kapazitiven oder optischen Identifikationsmarken. Daher
sollte die erfindungsge mäße Vorrichtung
bevorzugt auch Elemente für
die Identifikation dieser Identitätsmarken aufweisen, und eine anschließende Speicherung
dieser Daten wird in einer solchen Weise durchgeführt, dass
die Korrelation mit den aus den betreffenden Rädern gemessenen Schwingungen
sichergestellt ist.
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Eine
geeignet große
Anzahl von Messungen wird für
jedes Rad ausgeführt,
wodurch sichergestellt wird, dass das Schwingungsmuster des betreffenden Rades
in einem ausreichenden Grade ermittelt wird. Eine weitere Signalverarbeitung
kann dann mit der Aufgabe einer Ermittlung durchgeführt werden,
ob das entsprechende Rad defekt oder in Ordnung ist. Wie es in den
Ansprüchen
4 bzw. 8 offenbart ist, kann dieses ausgeführt werden, indem das Schwingungsmuster
mit repräsentativen
Schwingungsmustern verglichen wird, wobei eine Abweichung (innerhalb bestimmter
Toleranzen) dazu führen
kann, dass das betreffende Rad als defekt beurteilt wird. Wie es
in Anspruch 5 offenbart ist, kann eine derartige Bewertung möglicherweise
dazu führen,
dass eine Meldung an eine zentrale Überwachungseinheit zu dem Zweck
gesendet wird, dass das betreffende Rad einer näheren Überprüfung, z.B. durch eine Prüfung der
bekannten Typen in der Einführung
unterzogen wird, wenn der betreffende Wagen oder die betreffende
Lokomotive auf einem Bahnhof oder in einem Lokomotivschuppen zur
Verfügung
steht, in welchem die Überprüfung stattfinden
kann.
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Die
weitere Signalverarbeitung kann auch durch Vergleichen der aus einem
Rad erhaltenen Messungen mit früheren
Messungen von demselben Rad oder möglicherweise von Rädern, welche
derselbe Typ wie das betreffende Rad sind, was der Fall sein wird,
wenn die eingesetzten Räder
in Kategorien unterteilt sind, wobei Räder innerhalb derselben Kategorie
identische oder mehr oder weniger gleichartige Schwingungsmuster
besitzen. Wenn während
dieses Vergleichs das betreffende Rad eine nicht annehmbare Abweichung
zeigt, kann es somit als defekt beurteilt werden oder es kann möglicherweise, wie
es vorstehend ausgeführt
wurde, als ein Rad betrachtet werden, welches einer weiteren Untersuchung
unterzogen werden muss. In beiden Fällen wird eine diesbezügliche Meldung
von der Vorrichtung an eine zentrale Überwachungseinheit gesendet.
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Die
aufgezeichneten Messungen, die insbesondere die gemessenen Schwingungsmuster
enthalten, können
in einer Datenbank gesammelt werden, wo sie für die Ausführung verschiedener Analysen
verwendet werden können
und zur Verbesserung zukünftiger Diagnosen
dienen können.
Beispielsweise kann die Datenbank zur Erzeugung eines Bildes der
zeitlichen Entwicklung des Schwingungsmusters für spezifische Räder über ihrer
Lebensdauer verwendet werden, und die allgemeine Entwicklung von
Schwingungsmustern über
Zeitperioden kann ebenfalls verfolgt werden.
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Nachstehend
wird die Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
erläutert,
in welcher
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1 das
Prinzip gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung für
die Messung von Schwingungen in einem Rad für die Erfassung, ob ein Rad
defekt ist, zeigt, und
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2 ist
eine Blockdarstellung, welche die Mess- und Erfassungseinheit gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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Bei
der Beispielausführungsform
wird von einer Lasertechnik Gebrauch gemacht, in welcher ein Lasersensor
zum Messen der Geschwindigkeit eines Elementes verwendet wird, welches
einen Laserstrahl aus dem Sensor reflektiert, indem eine Messung
der Doppler-Frequenzveränderung
zwischen dem ausgesendeten Laserstrahl und dem reflektierten empfangenen
Laserstrahl durchgeführt
wird.
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Wie
es in 1 dargestellt ist, kann dieses gemäß der Erfindung
für die
Messung von Schwingungen in einem Rad auf einem Schienenfahrzeug angewendet
werden. In der Figur ist ein kleinerer Teil eines Schienenfahrzeugs 1 dargestellt,
welche eine Lokomotive, ein Trambahnwagen oder ein Waggon sein kann.
Dieses Fahrzeug fährt über eine
Bodenoberfläche
oder eine Unterlage 3, auf welcher Eisenbahnschienen 3 verlegt
sind, wobei das Fahrzeug eine Anzahl von Schienenrädern oder
Eisenbahnrädern 5 besitzt,
die auf Achsen 6 befestigt sind.
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Einer
oder mehrere Lasersensoren 8, der für die Messung der Schwingungen
oder Geschwindigkeit beschriebenen Art können an einer geeigneten Stelle
entlang der Schiene für
die Erfassung des Zustands des Rades angeordnet sein. Dieser oder
diese Lasersensoren sind in einem geeigneten Abstand zu der Schiene
so angeordnet, dass ein aus dem Lasersensor 8 gesendeter
Laserstrahl 9 auf einer geeigneten Stelle auf der Seitenoberfläche oder
Radscheibe des Rades 5 auftreffen kann.
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Wenn
dieser Laserstrahl auf die Radscheibe auftrifft, erfolgt eine Reflexion
von dem Reflexionspunkt 11 dahingehend, dass eine Reflexion
in allen möglichen
Richtungen stattfindet, und somit auch zurück zu der Lasereinheit 8.
Diese Lasereinheit weist einen Sensor für die Messung der Frequenz
des reflektierten Laserstrahls in der Weise auf, dass eine Messung
einer möglichen
Doppler-Frequenzveränderung
ausgeführt
werden kann. Es wird dadurch ein Ausdruck für die Geschwindigkeit einer
möglichen
lateralen Auslenkung oder Schwingung der Radscheibe erhalten.
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Für die Erzeugung
einer derartigen Schwingung in dem Rad 5 kann das Rad 3 selbst
mit einer Verformung, wie z.B. einer nach unten oder oben vorstehenden
Verformung konfiguriert sein, oder die Seite der Schiene 3 kann
mit einer Verformung, wie z.B. einer punktförmigen Wölbung oder dergleichen konfiguriert
sein, welche gegen den Flansch des Rades stößt und dessen Schwingung bewirkt,
wenn es die Stelle passiert, in welcher der, bzw. die Lasersensoren 8 der
Vorrichtung angeordnet ist, bzw. sind. Ferner können getrennten Einrichtungen
in Verbindung mit der Schiene vorgesehen sein, welche gegen das
Rad 5 anstoßen,
z.B. gegen den Radflansch, wenn das Rad die entsprechende Stelle
passiert. Diese Einrichtungen können
statische Einrichtungen oder können
Einrichtungen sein, welche beweglich sind und so gesteuert werden,
dass sie gegen das Rad 5 während dessen Durchlauf stossen.
Die für
die Erzeugung von Schwingungen in den Rädern diskutierten Einrichtungen
sind in 1 nicht dargestellt.
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Gemäß Darstellung
kann ein Lasersensor 8 so angeordnet sein, dass sein ausgesendeter
Strahl 9 angenähert
im rechten Winkel zu der Radscheibe des Rades 5 liegt,
wobei aber auch andere Richtungen möglich sind. Ferner kann der
Lasersensor 8 so positioniert sein, dass der ausgesendete
Strahl 9 (mit der dargestellten Position des Rades 5)
auf die Radscheibe angenähert
zwischen der Radachse 6 und dem Kranz des Rades 5 entweder
gemäß Darstellung
in 1 über
der Radachse 6 oder unter dieser auftrifft, wobei aber
auch andere Auftreffpunkte möglich
sind und der wichtige Punkt darin liegt, dass der Laserstrahl 9 auf
Punkte auf dem Rad 55 gerichtet wird, wo die Schwingungen
am größten sind.
Beispielsweise kann der Strahl in einer solchen Weise positioniert
werden, dass er in einem größeren Maße auf den äußeren Bereichen
der Radscheibe auftrifft, wo Schwingungen und/oder Belastungen am
größten sind,
und/oder auf Bereiche, wo das größte Risiko von
Brüchen
in dem Rad besteht. Ferner ist es ziemlich of fensichtlich, dass
der ausgesendete Laserstrahl 9 auf eine ganze Reihe von
Punkten auf der Radscheibe während
des Durchlaufs des Rades auftrifft, und mit der dargestellten Positionierung
des Lasers liegt die Möglichkeit
vor, eine Anzahl von Messungen an unterschiedlichen Stellen auf
ein und derselben Radscheibe während
des Durchlaufs des Rades auszuführen.
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Wie
erwähnt,
kann der Lasersensor die laterale Geschwindigkeit der einzelnen
Punkte messen, was in der Praxis eine lange Reihe von Messungen an
individuellen Punkten bedeutet, welche eine Spur auf der Radscheibe
ausbilden, welche von dem Laserstrahl 9 getroffen wird,
und hiermit eines Vibrationsmusters für die geschätzte oder provozierte Schwingung
des Rades. Dieses wird bewirkt, indem die gemessenen Signale aus
einem Lasersensor 8 ferner an eine Verarbeitungseinheit 10 gesendet
werden, welche detaillierter unter Bezugnahme auf 2 beschrieben
wird.
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1 stellt
nur einen Abschnitt einer auf der einen Seite eines Schienenelementes
angeordneten Vorrichtung dar, wobei es jedoch offensichtlich ist, dass
eine entsprechende Apparatur zweckmäßig an derselben Stelle auf
der anderen Seite des Schienenelementes für die Messung und Erfassung
von Rädern
auf der anderen Seite der Schienenfahrzeuge 1 angeordnet
sein könnte.
Die Signalverarbeitungseinheit 10 kann in einem derartigen
Falle möglicherweise
für beide
Lasersensoren auf beiden Seiten des Schienenelementes gemeinsam
sein. 1 stellt nur eine Lasereinheit 8 dar,
wobei es jedoch offensichtlich ist, dass mehrere Sensoren auf derselben
Seite angeordnet werden können,
wodurch unter anderem mehrere Messungen gleichzeitig auf ein und
derselben Radscheibe ausgeführt
werden können.
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Ferner
sind in Verbindung mit der Positionierung des Lasersensors 8 (nicht
dargestellte) Einrichtung für
die Identifikation des individuellen Schienenfahrzeugs und/oder
sogar die Identifikation des individuellen Rades vorgesehen. Beispielsweise
können die
Wagen/Lokomotiven und/oder die individuellen Räder mit bekannten Typen von
Identifikationsmarierungen versehen sein, welche durch kontaktlose Messungen
erfasst und identifiziert werden können, wie z.B. mit magnetischen,
induktiven, kapazitiven oder optischen Identifikationsmarkierungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
der Erfindung kann daher Elemente für die Identifikation dieser
Identitätsmarkierungen
umfassen, und diese Identifizierungssignale werden in ähnlicher
Weise an die Mess- und Erfassungseinheit 10 weitergeleitet.
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Diese
Mess- und Erfassungseinheit 10 wird nun detaillierter unter
Bezugnahme auf 2 diskutiert, welche eine Blockdarstellung
des Systems zeigt. Gemäß Darstellung
wird eine Reihe von Signalen, welche die Schwingungen in den Rädern repräsentieren,
während
diese den Messpunkt mit einer normalen Geschwindigkeit oder möglicherweise
mit reduzierter Geschwindigkeit passieren, von einem Messblock 20,
der einen oder mehrere Lasersensoren 8 enthält, an eine
Signalverarbeitungseinheit 30 gesendet, wo ein Schwingungsmuster
ermittelt und an eine Computereinheit 31 weiter übertragen
wird. Gleichzeitig empfängt
diese Computereinheit 31 Signale aus einer Einheit 32 für die Identifikation
des individuellen Fahrzeugs oder des individuellen Rades dahingehend,
dass wie erwähnt,
dieses durch herkömmlich
bekannte Verfahren bewirkt wird. In der Computereinheit 31 wird
somit eine Korrelation zwischen Identität und Schwingungsmuster ausgeführt, und
die sich ergebenden Datensätze
werden in einer Speichereinheit 33 gespeichert. Ferner
kann die Vorrichtung mit einem oder mehreren Sensoren für die Ermittlung
der Geschwindigkeit des Fahrzeugs bzw. der Fahrzeuge versehen sein,
wenn dieses oder diese den Messort passieren.
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In
der Speichereinheit 35 können auch eine Anzahl von Schwingungsmustern
gespeichert werden, welche für
den normalen Schwingungszustand eines Rades oder eine Anzahl unterschiedlicher
Typen von Rädern
typisch sind, so dass, wenn ein definiertes Schwingungsmuster für ein Rad
aufgezeichnet worden ist und eine Identifikation des Fahrzeugs und
damit des Radtyps ausgeführt
worden ist, oder möglicherweise
eine Identifikation des Rades selbst, die Computereinheit 31 zum
Ausführen
eines Vergleiches zwischen den zwei Mustern und für die Ermittlung
verwendet wird, in welchem Umfang eine solche Differenz vorliegt,
dass eine Anormalität
angezeigt wird, möglicherweise
eine Anormalität,
welche dazu führt,
dass das entsprechende Rad einer näheren Überprüfung zu unterziehen ist. In
diesen Fällen wird
ein Signal von der Computereinheit 31 an eine zentral angeordnete Überwachungseinheit 34 ausgesendet,
wobei dieses Signal eine Identifikation des betreffenden Schienenfahrzeugs
und möglicherweise
eine Identifikation des betreffenden Rades und Information bezüglich des
Zustands der Anormalität enthält, worauf
Maßnahmen
zur Bereinigung der Situation beispielsweise durch eine Ersetzung
oder Reparatur des entsprechenden Fahrzeuges unternommen werden
können.
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Die
Speichereinheit 33 kann auch zum Speichern von Schwingungsmustern
für Rädern derselben
Kategorie oder selbst für
ein und das selbe dahingehend verwendet werden, dass Schwingungsmuster über eine
Zeitperiode so aufgezeichnet werden, dass eine Bewertung bezüglich der
Entwicklung in den Schwingungsmustern durchgeführt werden kann und somit des
Zustandes des Rads in dessen Verlauf über einer Zeitperiode. Dieses
kann durch die Verwendung einer getrennten, anschließenden Verarbeitungs-
und Interpretationseinheit ausgeführt werden, wodurch verschiedene
Analysen auf der Basis der bisher aufgenommenen Schwingungsmuster durchgeführt werden
können,
was unter anderem dazu genutzt werden kann, die Verarbeitung zu
verbessern, welche in dem Vergleich von neu ermittelten Schwingungsmustern
mit normalen Mustern mit der Aufgabe der Ermittlung, ob der Zustand
normal oder anormal ist, dass ein Zustand, in welchem das entsprechende
Fahrzeug außer
Betrieb genommen werden muss oder einer zukünftigen Normalität, das heißt ein Zustand,
in welchem eine Renovierung der Räder des entsprechenden Fahrzeuges
geplant werden kann, implementiert ist.
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Man
kann sich somit vorstellen, dass die in der Speichereinheit 33 gespeicherten
normalen Muster unter Verwendung von Ergebnissen aus der anschließenden Verarbeitungs-
und Interpretationseinheit 35 verändert werden können, und
das die Toleranzschwellen und/oder -Verfahren, welche in der Vergleichsbewertung
verwendet werden unter der Steuerung der Einheit 35 angepasst
werden können.