DE102012108706B3

DE102012108706B3 - Prüfvorrichtung für ein Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102012108706B3
Application number: DE201210108706
Authority: DE
Inventors: Jörg Koch; Marcus Fischer
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2032-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung (20) zur Ermittlung wirksamer Kontaktflächen zwischen mindestens einem Prüfradsatz (10) für ein Schienenfahrzeug und einer Schieneneinrichtung (22), welche dazu vorgesehen ist, dass der Prüfradsatz (10) auf ihr abläuft. Die Prüfvorrichtung (20) ist mit einer Abbildungseinrichtung (42) verbunden oder verbindbar, welche dazu ausgebildet ist, eine virtuelle Abbildung des mindestens einen Prüfradsatzes (10) und der Schieneneinrichtung (22) zu erstellen und/oder bereitzustellen. Die Prüfvorrichtung umfasst eine Radbeeinflussungseinrichtung, welche es vermag, eine Radbeeinflussungswirkung auf den in Kontakt mit der Schieneneinrichtung (22) befindlichen mindestens einen Prüfradsatz (10) derart auszuüben, dass über die wirksame Kontaktflächen Kraft von mindestens einem Prüfrad (12, 14) des Prüfradsatzes (10) auf die Schieneneinrichtung (22) übertragen wird sowie eine Prüfradsatzlageerfassungseinrichtung (44), welche dazu ausgebildet ist, Lagedaten bezüglich der Lage des Prüfradsatzes (10) bereitzustellen. Ferner ist die Prüfvorrichtung (20) dazu ausgebildet, basierend auf der virtuellen Abbildung und den Lagedaten wirksame Kontaktflächen zwischen dem mindestens einen Prüfradsatz (10) und der Schieneneinrichtung (22) zu ermitteln. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Ermittlung wirksamer Kontaktflächen zwischen mindestens einem Prüfradsatz eines Schienenfahrzeugs und einer Schieneneinrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren.
Beim Bremsen oder Beschleunigen von Schienenfahrzeugen spielt der zwischen den Rädern und der Schiene vorliegende Reibungskoeffizient eine entscheidende Rolle. Denn dieser in der Regel μ genannte Reibungskoeffizient bestimmt, wie viel Bremskraft oder Beschleunigungskraft von den Rädern auf die Schiene übertragen werden kann. Wird beispielsweise von den Bremsen eines Schienenfahrzeugs eine größere Bremskraft ausgeübt, als auf die Schiene übertragen werden kann, kann dies zu unerwünschten Gleit- oder Schleuderzuständen führen. Zwar sind zur Vermeidung solcher Zustände bei der Bremsung häufig Gleitschutzvorrichtungen vorgesehen. Trotzdem sollten diese Zustände vermieden werden, da sie eine starke Belastung der Bremsen und Räder bedeuten und zu dauerhaften Schädigungen führen können, etwa zu Abflachungen an den Rädern. Andererseits wäre es vorteilhaft, vorliegende Reibungskoeffizienten zu kennen, um beispielsweise bei einer Schnellbremsung das höchstmögliche Maß an Bremswirkung bereitstellen zu können, ohne in einen Gleitzustand zu geraten. Da Schienen und Räder komplexe Formen aufweisen und sich die Räder bei der Fahrt relativ zu den Schienen auf verschiedene Arten bewegen können, hängen der wirksame Reibungskoeffizient und die übertragbare Kraft auch von der Lage der Räder relativ zu den Schienen ab, da bei unterschiedlichen Lagen unterschiedliche Kontaktflächen zur Kraftübertragung zwischen Rad und Schiene wirksam sein können. Durch unterschiedliche wirksame Kontaktflächen können sich unterschiedliche Reibungseigenschaften und insbesondere unterschiedliche Kraftverläufe bei der Übertragung von Kraft auf die Schiene ergeben, insbesondere unterschiedliche Kraftverläufe innerhalb eines Bremssystems oder eines Drehgestells eines Schienenfahrzeugs. Auch das Lauf- und Schwingungsverhalten von Rädern wird durch die wirksamen Kontaktflächen beeinflusst.
DE 10 2005 048 746 B3 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur Prüfung von Schienenfahrzeugrädern und -achsen, bei denen zur Verringerung des Verschleißes in Abhängigkeit der Axial- und/oder Radialkraft eine Sturzverstellung variabel eingestellt wird.
DE 26 01 259 A1 offenbart eine Einrichtung zur betriebsähnlichen Prüfung von Radsätzen für Schienenfahrzeuge, wobei das Rad in einer umlaufenden Trommel mit Schienenprofil abläuft. Es sind Einrichtungen vorgesehen, die das Rad und die Welle senkrecht und/oder seitlich belasten.
DE 36 04 186 A1 offenbart eine Einrichtung zur Prüfung von Schienenfahrzeugradsätzen unter betriebsähnlichen Belastungsbedingungen.
WO 2007 039 641 A1 offenbart ein Verfahren zur berührungslosen dynamischen Erfassung des Profils eines Festkörpers.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ermittlung mindestens einer wirksamen Kontaktfläche zwischen einem Prüfradsatz eines Schienenfahrzeugs und einer Schieneneinrichtung zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Im Rahmen dieser Beschreibung kann ein Schienenfahrzeug jegliche Art von schienengeführtem Fahrzeug oder Zug bezeichnen. Ein Schienenfahrzeug kann einen oder mehrere angetriebene und/oder antriebslose Wagen aufweisen, wie etwa Triebwagen, Wagen ohne einen eigenen Antrieb, usw. Als Prüfrad für ein Schienenfahrzeug kann ein Rad eines Schienenfahrzeugs oder ein einem Schienenfahrzeug zuordenbares oder zugeordnetes Rad angesehen werden, etwa ein Prüfling für einen Prüfstand. Ein Prüfradsatz kann allgemein mindestens ein Prüfrad, insbesondere ein oder zwei Prüfräder, umfassen. Es ist vorstellbar dass ein Prüfradsatz neben dem mindestens einen Prüfrad eine Radachse und/oder eine Radaufhängung und/oder Radlagerung umfasst, an welcher das oder die Prüfräder angebracht sein können. Entsprechend kann ein Prüfradsatz für ein Schienenfahrzeug ein Radsatz eines Schienenfahrzeugs oder ein einem Schienenfahrzeug zugeordneter Radsatz sein. Ein Prüfradsatz kann an einem Drehgestell befestigt oder befestigbar sein. Ein solches Drehgestell kann an einem Schienenfahrzeug befestigt sein oder separat davon auf einem Prüfstand aufgebaut oder aufbaubar sein. Ein Prüfradsatz kann allgemein ein oder mehrere Prüfräder umfassen. Insbesondere kann ein Prüfradsatz zwei Prüfräder aufweisen, die einander zugeordnet sein können. Insbesondere können die Prüfräder eines Prüfradsatzes starr über eine gemeinsame Prüfradachse miteinander verbunden sein, so dass sie um eine gemeinsame Rotationsachse rotierbar sind. Es ist vorstellbar, dass ein Prüfradsatz eine Aufhängung oder eine Radachse umfasst, an welcher das oder die Prüfräder befestigt oder befestigbar sind. Es ist auch vorstellbar, dass Räder eines Prüfradsatzes jeweils einzeln aufgehängt sind. Ein Prüfradsatz kann eine Prüfradachse und/oder ein oder mehrere Radlager zum rotierbaren Lagern der Achse und/oder eines oder mehrerer Prüfräder aufweisen. Eine Prüfvorrichtung kann auf einem Schienenfahrzeug vorgesehen und/oder eingebaut sein. Somit kann die Prüfvorrichtung bei Betrieb des Schienenfahrzeugs, etwa auf einer normalen Schiene unabhängig von einem Prüfstand, einsetzbar sein. Es ist auch vorstellbar, dass eine Prüfvorrichtung als Teil eines Prüfstandes ausgebildet ist, insbesondere eines Rollenprüfstandes, oder dass die Prüfvorrichtung ein entsprechender Prüfstand ist. Eine Schieneneinrichtung kann insbesondere eine Schiene sein, auf welcher ein Schienenfahrzeug fährt. Es ist allerdings auch vorstellbar, dass eine Schieneneinrichtung im Rahmen eines Prüfstandes einen Ablaufweg für mindestens einen Prüfradsatz bereitstellt und/oder als eine Einrichtung ausgebildet ist, auf welcher der mindestens eine Prüfradsatz abzulaufen vermag. Somit kann eine Schieneneinrichtung als eine Schiene oder ein Gleis repräsentierend angesehen werden. Eine Schieneneinrichtung kann beispielsweise zwei oder mehr Schienenräder umfassen, auf welchen ein Prüfradsatz ablaufen kann. Eine Schieneneinrichtung eines Prüfstandes kann auch gerade Schienenelemente umfassen. Es kann vorgesehen sein, dass eine Schieneneinrichtung einen Schienenradsatz aufweist, mindestens ein Schienenrad oder mindestens zwei Schienenräder aufweisen kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Schienenräder eines Schienenradsatzes jeweils einem Prüfrad des mindestens einen Prüfradsatzes zugeordnet oder zuordenbar sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass jeweils ein Schienenrad dazu vorgesehen ist, dass das ihm zugeordnete Prüfrad auf ihm ablaufen kann. Allgemein kann eine Schieneneinrichtung ein Schienenprofil aufweisen. Ein Prüfrad eines Prüfradsatzes kann ein Radprofil aufweisen. Das Radprofil und das Schienenprofil können ineinander greifend ausgebildet sein, wobei ein Spiel vorgesehen sein kann, so dass die Radprofile gegeneinander verschiebbar sein können. Eine Prüfradsatzlageerfassungseinrichtung kann allgemein dazu vorgesehen sein, Lagedaten bezüglich der Lage des Prüfradsatzes relativ zur Schieneneinrichtung bereitzustellen. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass der Prüfradsatz in berührendem Kontakt mit der Schieneneinrichtung steht und/oder auf der Schieneneinrichtung abläuft. Die Prüfradlageerfassungseinrichtung kann insbesondere dazu ausgebildet sein, Quer- und/oder Verkippbewegungen oder entsprechende Stellungen des Prüfradsatzes relativ zur Schieneneinrichtung zu erfassen. Eine Prüfradsatzlageerfassungseinrichtung kann zur Lageerfassung geeignete aktive und/oder passive Sensoren aufweisen. Beispielsweise kann eine Prüfradsatzlageerfassungseinrichtung dazu ausgebildet sein, optisch, akustisch, mit Hilfe von Lasern, allgemein elektromagnetisch, etwa über Hall-Elemente, eine Lage eines Prüfradsatzes erfassen und entsprechende Lagedaten bereitstellen. Insbesondere kann die Prüfradsatzlageerfassungseinrichtung dazu ausgebildet sein, die Lage eines oder mehrerer Prüfräder relativ zur Schienenreinrichtung zu erfassen, insbesondere relativ zu ihnen zugeordneten Schienenrädern. Die Lagererfassungseinrichtung kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, anhand der Lage und/oder Lageänderung einer oder mehreren Markierungen am Prüfradsatz, insbesondere auf einer zwei Prüfräder starr miteinander verbindenden Prüfradachse und/oder auf einem oder mehreren Prüfrädern, die Lage des Prüfradsatzes und/oder der Prüfräder zu erfassen. Die Lage eines Prüfradsatzes kann insbesondere eine Verschiebung des Prüfradsatzes quer zur Schieneneinrichtung, etwa parallel zu einer Rotationsachse eines Schienenradsatzes und/oder eine Rotation des Prüfradsatzes um eine Achse, insbesondere eine Hochachse, und/oder eine Verkippung der Prüfradsatzes und/oder eine Längsverschiebung und/oder Höhenverschiebung des Prüfradsatzes betreffen. Eine Hochachse kann eine Drehachse sein, die sich orthogonal zu einer Prüfradachse und/oder Schienenradachse und/oder einer Bodenfläche erstreckt. Eine Abbildungseinrichtung kann allgemein dazu ausgebildet sein, eine virtuelle Abbildung des mindestens einen Prüfradsatzes und/oder der Schieneneinrichtung zu erstellen.
Eine Abbildungseinrichtung kann insbesondere eine elektronische Steuereinrichtung wie einen Computer umfassen, die dazu ausgebildet sein kann, basierend auf den Prüfradsatz und/oder die Schieneneinrichtung beschreibenden Parametern die virtuelle Abbildung zu erzeugen. Die Abbildungseinrichtung kann eine Anzeigeeinrichtung wie einen Monitor umfassen. Die Parameter können dabei insbesondere als Formdaten bereitgestellte Formparameter sein, die der Beschreibung der Form, insbesondere der Oberflächenform, des Prüfradsatzes und/oder der Schienenreinrichtung dienen können. Es ist vorstellbar, dass die Abbildungseinrichtung zum Empfang derartiger Formdaten an eine geeignete Sensoreinrichtung und/oder eine Speichereinrichtung angeschlossen oder anschließbar ist. Die virtuelle Abbildung kann den Prüfradsatz und/oder die Schieneneinrichtung teilweise oder vollständig repräsentieren. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Abbildung diejenigen Teile des Prüfradsatzes und/der der Schieneneinrichtung repräsentiert, die für einen Kontakt miteinander vorgesehen sind und/oder die Kontaktflächen aufweisen, die bei einem Ablaufen des Prüfradsatzes auf der Schieneneinrichtung in Kontakt miteinander geraten können. Es ist vorstellbar, dass die Abbildung entsprechende Kontaktflächen des Prüfradsatzes und/oder der Schieneneinrichtung und diese jeweils starr miteinander verbindende oder starr damit verbundene Teile repräsentiert. Beispielsweise kann die Abbildung eine Prüfradachse und/oder eine Schienenradachse zumindest teilweise umfassen. Die Abbildung kann eine zweidimensionale oder dreidimensionale Abbildung insbesondere einer Oberfläche oder einer oder mehrerer Teiloberflächen des Prüfradsatzes und/oder der Schieneneinrichtung sein. Die Abbildung kann die Oberfläche oder Teiloberflächen durch eine Vielzahl von Polygonen repräsentieren, welche die Flächen überdecken. Es ist auch vorstellbar, dass die Abbildung durch eine Spline-Funktion oder mehrere Spline-Funktionen erfolgt. Die Polygone können insbesondere Dreiecke sein. Es ist vorstellbar, dass die Abbildung als geeignet formatierter Datensatz vorliegt, etwa als Matrix. Allgemein kann zur Vereinfachung die Annahme gemacht werden, dass der Prüfradsatz und/oder die Schieneneinrichtung während eines Betriebes ihre Form, insbesondere ihre Oberfläche, nicht oder zumindest nicht wesentlich ändern. Unter dieser Annahme kann die Abbildung im Wesentlichen konstant gehalten werden. Eine wirksame Kontaktfläche eines Prüfrades und/oder einer Schieneneinrichtung, insbesondere eines Schienenrades, kann eine Fläche sein, über welche ein Prüfrad mit der Schienenreinrichtung in berührendem Kontakt steht und/oder über welche Kraft zwischen dem Prüfrad und der Schieneeinrichtung übertragen wird oder werden kann. Somit entspricht im Allgemeinen einer wirksamen Kontaktfläche eines Prüfrades eine wirksame Kontaktfläche einer Schieneneinrichtung, wenn sich für eine Kraftübertragung jeweils zwei Flächen gegenüberliegen und berühren. Das Maß und die Richtung einer Kraftübertragung können von der Lage und Ausrichtung der Kontaktflächen sowohl zueinander als auch relativ zur Schienenreinrichtung und/oder dem Prüfradsatz abhängen. Eine Radbeeinflussungseinrichtung kann einen oder mehrere Aktuatoren und/oder eine oder mehrere Antriebseinrichtungen aufweisen. Ein Aktuator kann dazu ausgebildet sein, eine Beeinflussungswirkung auf einen Prüfradsatz und/oder ein Prüfrad und/oder eine Schieneneinrichtung auszuüben. Ein Aktuator kann insbesondere ein hydraulischer oder elektromagnetischer Aktuator sein. Es ist vorstellbar, dass eine Radbeeinflussungseinrichtung eine Bremsanlage zum Bremsen eines Prüfrades und/oder Prüfradsatzes und/oder der Schieneneinrichtung umfasst. Eine Beeinflussungswirkung kann insbesondere über ein Drehmoment und/oder eine Kraft erreichbar sein. Es ist vorstellbar, dass eine Beeinflussungswirkung eine Beschleunigung oder Abbremsung einer Rotation eines Prüfrades und/oder eines Prüfradsatzes und/oder einer Schieneneinrichtung umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann eine Beeinflussungswirkung durch eine lineare Kraft erzeugt sein, die beispielsweise zu einer Verschiebung und/oder Verkippung eines Prüfradsatzes durchgeführt wird. Ein Aktuator kann dazu ausgebildet sein, zur Kraftübertragung an ein Prüfrad und/oder einen Prüfradsatz anzugreifen, insbesondere an ein Radlager des Prüfradsatzes. Ein Prüfstand kann allgemein ein oder mehrere Schieneneinrichtungen aufweisen, um einem oder mehreren Prüfradsätzen ein Ablaufen zu ermöglichen. Der Prüfstand kann Aktuatoren und/oder Gewichte aufweisen, die dazu vorgesehen sein können, einen oder mehrere zu prüfende Prüfradsätze zu belasten, insbesondere in vertikaler, Quer- oder Längsrichtung. Es ist vorstellbar, dass der Prüfstand einen oder mehrere Antriebseinrichtungen oder Antriebsmotoren zum Antreiben des oder der Prüfradsätze und/oder des oder der Schienenradsätze aufweist. Eine Prüfvorrichtung, insbesondere ein Prüfstand, kann ein oder mehrere Sensoreinrichtungen zum Überwachen eines Prüfbetriebs, insbesondere des dynamischen und/oder statischen Verhaltens der Schieneneinrichtung und/oder des mindestens einen Prüfradsatzes und/oder von Antriebsmotoren und/oder Aktuatoren aufweisen. Der oder die Sensoreinrichtungen können dazu ausgebildet sein, entsprechende Betriebsdaten bereitzustellen. Es ist vorstellbar, dass die Prüfvorrichtung oder der Prüfstand eine oder mehrere elektronische Steuereinrichtungen zum Auswerten von der oder den Sensoreinrichtungen bereitgestellten Betriebsdaten und/oder zum Ansteuern der Antriebsmotoren und/oder Aktuatoren aufweist. Ein Prüfstand kann eine oder mehrere Bremseinrichtungen zum Bremsen des Prüfradsatzes und/oder eines Schienenradsatzes aufweisen, die als Beeinflussungseinrichtungen angesehen werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Ermittlung wirksamer Kontaktflächen zwischen mindestens einem Prüfradsatz für ein Schienenfahrzeug und einer Schieneneinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, dass der Prüfradsatz auf ihr abläuft. Die Prüfvorrichtung umfasst eine Abbildungseinrichtung oder ist mit einer solchen verbunden oder verbindbar, wobei die Abbildungseinrichtung dazu ausgebildet ist, eine virtuelle Abbildung des mindestens einen Prüfradsatzes und der Schieneneinrichtung zu erstellen und/oder bereitzustellen. Die Prüfvorrichtung umfasst ferner eine Radbeeinflussungseinrichtung, welche es vermag, eine Radbeeinflussungswirkung auf den in Kontakt mit der Schieneneinrichtung befindlichen mindestens einen Prüfradsatz derart auszuüben, dass über die wirksame Kontaktflächen Kraft von mindestens einem Prüfrad des Prüfradsatzes auf die Schieneneinrichtung übertragen wird, sowie eine Prüfradsatzlageerfassungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, Lagedaten bezüglich der Lage des Prüfradsatzes bereitzustellen. Die Prüfvorrichtung ist dazu ausgebildet, basierend auf der virtuellen Abbildung und den Lagedaten die wirksamen Kontaktflächen zwischen dem mindestens einen Prüfradsatz und der Schieneneinrichtung zu ermitteln. Insbesondere kann die Prüfvorrichtung dazu ausgebildet sein, die bei Ausübung der Radbeeinflussungswirkung wirksamen Kontaktflächen zu ermitteln. Somit können mit der Prüfvorrichtung, beispielsweise auf einem Prüfstand und/oder bei der Fahrt eines Schienenfahrzeugs, insbesondere eines Messfahrzeugs, diejenigen Kontaktflächen ermittelt werden, die tatsächlich die Kraftübertragung zwischen Prüfrad und Schieneneinrichtung bestimmen. Dies ermöglicht es beispielsweise, die tatsächlich auf einen Prüfradsatz und die Schieneneinrichtung bei einer bestimmten Brems- oder Beschleunigungswirkung wirkenden Kräfte zu ermitteln. Denn der Verlauf der Kräfte hängt vom bereitstehenden Übertragungsweg ab. Wirksame Kontaktflächen können insbesondere mindestens jeweils eine Fläche des Prüfradsatzes und eine dieser gegenüberliegende und/oder mit ihr in Berührung stehende Fläche der Schieneneinrichtung sein. Es versteht sich, dass gegebenenfalls die Rotationssymmetrie eines rotierenden Prüfrades und/oder einer Schieneneinrichtung zu berücksichtigen ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Prüfvorrichtung dazu ausgebildet ist, basierend auf den ermittelten wirksamen Kontaktflächen und/oder der virtuellen Abbildung und/oder den Lagedaten den Kräfteverlauf der bei einer Normalfahrt, etwa einem Sinuslauf, einer Bremsung und/oder Beschleunigung wirkenden Kräfte zu ermitteln. Dazu kann ein physikalisches Modell verwendet werden, welches einen Kraftverlauf durch den Prüfradsatz und/oder die Schieneneinrichtung beschreibt. Das Modell kann beispielsweise auf bekannten Parametern der Laufsatzeinrichtung und/oder der Schieneneinrichtung und/oder eines Fahrzeugs und/oder eines Drehgestells basieren und/oder durch geeignete Sensoren überwachte Betriebsparameter berücksichtigen. Der Prüfradsatz und/oder die Schieneneinrichtung können durch die Abbildung repräsentiert sein. Allgemein kann vorgesehen sein, dass eine Abbildungseinrichtung separat von einer Steuereinrichtung der Prüfvorrichtung ausgebildet ist, welche es vermag, basierend auf der Abbildung wirksame Kontaktflächen zu bestimmen. Insbesondere kann eine Abbildung erstellt werden und in einer Speichereinrichtung bereitgestellt sein, auf welche diese Steuereinrichtung zuzugreifen vermag. Eine Speichereinrichtung, in welcher Daten bezüglich der Abbildung gespeichert sind, kann allgemein als Abbildungseinrichtung angesehen werden.
Die Prüfvorrichtung kann ferner eine Radbeeinflussungserfassungseinrichtung aufweisen oder mit einer solchen verbindbar sein, welche es vermag, eine durch die Radbeeinflussungseinrichtung hervorgerufene Radbeeinflussungswirkung zu erfassen. Die Radbeeinflussungserfassungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, eine durch die Radbeeinflussungseinrichtung hervorgerufene Wirkung, insbesondere eine Bremswirkung und/oder Beschleunigungswirkung zu erfassen. Insbesondere kann die Radbeeinflussungserfassungseinrichtung dazu ausgebildet sein, eine auf ein Rad eines Prüfradsatzes oder auf die Räder eines Prüfradsatzes ausgeübte Bremswirkung und/oder Bremskraft und/oder Drehmoment und/oder Bremsmoment und/oder Verschiebung direkt oder indirekt zu ermitteln. Beispielsweise kann bei einem Schienenfahrzeug ein Bremswirkungssensor vorgesehen sein, der es vermag, die durch eine Bremse, etwa einen Scheiben- oder Klotzbremse, auf ein Rad ausgeübte Bremswirkung zu erfassen. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Radbeeinflussungserfassungseinrichtung eines Prüfstands dazu ausgebildet ist, auf die Räder eines Prüfradsatzes ausgeübte Kräfte, insbesondere Brems- und/oder Beschleunigungskräfte zu erfassen. Bei Kenntnis der wirksamen Kontaktflächen lassen sich daraus die wirkenden Kräfte und deren Verlauf ermitteln.
Es ist vorstellbar, dass die Prüfvorrichtung dazu ausgebildet ist, basierend auf der virtuellen Abbildung und den Lagedaten mindestens einen zwischen mindestens einem Prüfrad des Prüfradsatzes und der Schieneneinrichtung wirksamen Reibungskoeffizienten zu ermitteln. Zum Ermitteln des wirksamen Reibungskoeffizienten können beispielsweise eine hervorgerufene Bremswirkung und/oder Beschleunigungswirkung und/oder ermittelte Bremskräfte und/oder Beschleunigungskräfte und/oder allgemein wirksame Kräfte berücksichtigt werden. Somit kann insbesondere dann, wenn ein Bremskraftverlauf über die wirksamen Kontaktflächen bekannt ist, ein Reibungskoeffizient ermittelt werden.
Bei einer Weiterbildung kann die Abbildungseinrichtung mit einer Formerfassungsvorrichtung zur Erfassung der Form des mindestens einen Prüfradsatzes und/oder der Schieneneinrichtung verbunden oder verbindbar sein. Die Formerfassungseinrichtung kann beispielsweise optisch und/oder akustisch, etwa vermittels Ultraschall und/oder aktiv und/oder passiv zur Erfassung der Form des Prüfradsatzes und/oder der Schieneneinrichtung ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Formerfassungsvorrichtung einen Laser und einen oder mehrere optische Sensoren umfassen, über welche ein Prüfradsatz und/oder ein Schienenradsatz abtastbar sein können. Die Abbildungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Abbildung basierend auf Formdaten von der Formerfassungsvorrichtung zu erstellen. Es ist auch vorstellbar, dass die Formdaten in einem Speicher abgelegt werden oder sind, welcher mit der Abbildungseinrichtung verbunden oder verbindbar ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Lagedaten eine Querlage und/oder eine Verkippung des mindestens einen Prüfradsatzes bezüglich der Schieneneinrichtung beschreiben. Zur Bestimmung der wirksamen Kontaktfläche können sich insbesondere derartige Verkippungen, beispielsweise um eine rechtwinklig zur Radachse eines Prüfradsatzes stehenden Achse, auf die Lage der Kontaktflächen auswirken. Die Lagedaten können zusätzlich oder alternativ auch eine Rotation des Prüfradsatzes beschreiben, insbesondere eine Rotation um eine Hochachse.
Die Prüfvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, Flächennormalen von Teiloberflächen der Abbildung zu bestimmen und basierend auf den Flächennormalen die wirksamen Kontaktflächen zu bestimmen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Prüfvorrichtung dazu ausgebildet ist, jeweils eine Kontaktfläche des Prüfradsatzes und eine Kontaktfläche der Schieneneinrichtung als wirksame Kontaktflächen zu bestimmen, die einander berührend gegenüberliegen. Dabei kann die Prüfvorrichtung dazu ausgebildet sein, jeweils eine wirksame Kontaktfläche der Schieneneinrichtung und des Prüfradsatzes daraus zu ermitteln, dass deren Flächennormalen antiparallel zueinander oder im Wesentlichen antiparallel zueinander stehen. Zwei Flächennormale können als im Wesentlichen antiparallel zueinander stehend angesehen werden, wenn das Maß ihrer Abweichung von einer antiparallelen Anordnung geringer ist als das Maß der Abweichung anderer Flächennormalen. Es ist vorstellbar, dass die Prüfvorrichtung zum Erstellen einer Abbildung eine elektronische Steuereinrichtung aufweist oder mit einer solchen verbunden oder verbindbar ist, welche es vermag, Teilflächen der Abbildung zu bestimmen, etwa indem sie eine Oberfläche des Prüfradsatzes und/oder der Schieneneinrichtung in eine Vielzahl geeigneter Polygonflächen aufteilt, insbesondere in Dreiecke. Entsprechende können die abgebildeten Oberflächen durch Polygone überdeckt und angenähert sein. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Flächennormalen auf den Polygonflächen zu bestimmen. Ferner kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, die wirksamen Kontaktflächen zu bestimmen. Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, beim Bestimmen der wirksamen Kontaktflächen einen Abstand zwischen den Kontaktflächen und/oder den betrachteten Teilflächen zu berücksichtigen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass nur Flächennormalen miteinander verglichen werden, deren zugeordnete Teilflächen sich innerhalb eines bestimmten Abstands voneinander befinden. Damit wird vermieden, dass Teilflächen, deren Flächennormalen zufällig antiparallel sind, die aber zu weit voneinander entfernt sind, um als Kontaktflächen zu wirken, fälschlich als Kontaktflächen identifiziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Kontaktflächen oder Kontaktpunkte über Abstände von Punkten, insbesondere Oberflächenpunkten, der Abbildung von Prüfradsatz und Schienenradsatz bestimmt werden.
Die Prüfvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Kontaktflächen während des Betriebs des Prüfradsatzes zu ermitteln. Insbesondere kann die Prüfvorrichtung dazu ausgebildet sein, in einem laufenden Betrieb eines Schienenfahrzeugs die Kontaktflächen für ein oder mehrere Prüfradsätze zu ermitteln. Beispielsweise kann ein Fahrzeug im Normalbetrieb und/oder ein Prüffahrzeug mit einer Prüfvorrichtung einen Schienenabschnitt abfahren und ein Kontaktflächen- beziehungsweise Reibungskoeffizientenprofil erstellen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Prüfvorrichtung in Echtzeit die Kontaktflächen während des Betriebs eines Prüfstandes ermittelt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ermitteln von wirksamen Kontaktflächen zwischen mindestens einem Prüfradsatz eines Schienenfahrzeugs mit mindestens einem Prüfrad und einer Schieneneinrichtung. Das Verfahren kann insbesondere für und/oder mit einer hierin beschriebenen Prüfvorrichtung durchgeführt werden. Das Verfahren umfasst die Schritte des Erstellens einer virtuellen Abbildung des mindestens einen Prüfradsatzes und einer Schieneneinrichtung, wobei die Schieneneinrichtung dazu vorgesehen ist, dass der Prüfradsatz auf ihr abläuft, wobei über die mindestens eine Kontaktfläche Kraft von mindestens einem Rad des Prüfradsatzes auf die Schieneneinrichtung übertragen wird. Dabei kann insbesondere das Ausüben einer Radbeeinflussungswirkung auf den Prüfradsatz auf der Schieneneinrichtung vorgesehen sein, wobei bei dem Ausüben der Radbeeinflussungswirkung über die mindestens eine Kontaktfläche Kraft von mindestens einem Rad des Prüfradsatzes auf die Schieneneinrichtung übertragen wird. Außerdem umfasst das Verfahren die Schritte des Bereitstellens von Lagedaten bezüglich der Lage des Prüfradsatzes und des Ermittelns, basierend auf der Abbildung und den Lagedaten, der wirksamen Kontaktflächen zwischen dem mindestens einen Prüfradsatz und der Schieneneinrichtung. Insbesondere können die wirksamen Kontaktflächen bei Ausüben der Radbeeinflussungswirkung ermittelt werden. Das Erstellen einer virtuellen Abbildung kann durch eine hierin beschriebene Abbildungseinrichtung erfolgen. Das Ausüben einer Radbeeinflussungswirkung kann durch eine geeignete Radbeeinflussungseinrichtung durchgeführt werden. Es ist vorstellbar, dass das Bereitstellen von Lagedaten durch eine Prüfradsatzlageerfassungseinrichtung erfolgt. Das Ermitteln der mindestens einen wirksamen Kontaktfläche kann durch die Prüfvorrichtung und/oder eine elektronische Steuereinrichtung durchgeführt werden, welche der Prüfvorrichtung zugeordnet werden kann.
Das Verfahren kann ferner den Schritt des Erfassens der Radbeeinflussungswirkung umfassen. Somit kann die Radbeeinflussungswirkung insbesondere bei dem Ermitteln der wirksamen Kontaktflächen berücksichtigt werden.
Bei einer Weiterbildung kann das Verfahren den Schritt des Ermittelns mindestens eines zwischen mindestens einem Prüfrad des Prüfradsatzes und der Schieneneinrichtung wirksamen Reibungskoeffizienten umfassen.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
1 schematisch ein Beispiel für einen Prüfradsatz auf einem Prüfstand;
2 schematisch eine mögliche Relativbewegung zwischen einem Prüfradsatz und einer Schieneneinrichtung;
3 schematisch ein Beispiel für eine Verschiebung eines Prüfradsatzes gegenüber einer Schieneneinrichtung;
4 schematisch weiteres Beispiel für eine Verschiebung eines Prüfradsatzes gegenüber einer Schieneneinrichtung;
5 schematisch ein Beispiel für eine Formerfassungseinrichtung;
6 schematisch die Abbildung eines Prüfrades;
7 schematisch das Bestimmen einer wirksamen Kontaktfläche basierend auf Flächennormalen; und
8 schematisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln wirksamer Kontaktflächen zwischen einem Prüfradsatz und einer Schieneneinrichtung.
1 zeigt ein Beispiel für eine Prüfvorrichtung 20 für einen Prüfradsatz 10, die als Teil eines Prüfstandes ausgebildet ist. Das Koordinatenkreuz gibt eine Längsrichtung als X-Richtung, eine Querrichtung als Y-Richtung und eine vertikale Richtung als Z-Richtung an. Die X-Richtung kann als Fahrtrichtung angesehen werden. Gezeigt ist in diesem Beispiel eine Prüfvorrichtung 20, die eine Schieneneinrichtung 22 umfasst. Die Schieneneinrichtung 22 umfasst in diesem Beispiel einen Schienenradsatz 24, der zwei Schienenräder 26, 28 aufweist, die über eine Schienenradachse 30 starr miteinander verbunden sind. Der Schienenradsatz ist über außen angeordnete Schienenradlager 31 gelagert und kann über eine geeignete Antriebseinrichtung antreibbar sein. Die Schieneneinrichtung 22 bietet allgemein eine Möglichkeit für einen Prüfradsatz 10 mit Prüfrädern 12 und 14 und einer diese starr miteinander verbindenden Achse 16, darauf abzulaufen. Es ist auch vorstellbar, dass die Schieneneinrichtung 22 lineare Schienenelemente aufweist. In der 1 ist zu erkennen, dass die Prüfräder 12, 14 des Prüfradsatzes 10 mit ihren Außenprofilen auf entsprechenden Außenprofilen der ihnen zugeordneten Schienenräder 26 und 28 aufliegen. Die Prüfräder 12, 14 befinden sich jeweils in ihrer Mittelstellung, so das sie jeweils auf den Scheitelpunkten der ihnen zugeordneten Schienenräder 26, 28 gelagert sind und kein Prüfrad dem anderen vorausläuft. Während des Betriebs kann sich diese Lage ändern. Es ist ebenfalls zu erkennen, dass die Prüfräder 12, 14 konisch zulaufende Außenprofile aufweisen, deren Durchmesser sich jeweils in Innenrichtung vergrößert. In diesem Beispiel ist der Prüfradsatz 10 über ein erstes Radlager 32 und ein zweites Radlager 34 drehbar gelagert. Es kann vorgesehen sein, dass an einem oder beiden der Radlager 32, 34 Antriebseinrichtungen vorgesehen sind, welche den Prüfradsatz 10 zu einer Rotationsbewegung um seine durch die Prüfradachse 16 gegebene Mittelachse M anzutreiben vermögen. Es ist auch vorstellbar, dass alternativ oder zusätzlich der Schienenradsatz 24 angetrieben wird. Bei Antreiben eines oder beider der Radsätze 10, 24 laufen die Prüfräder 12, 14 jeweils mit einem Teil ihrer Oberfläche, der eine Kontaktfläche bildet, auf entsprechenden Kontaktflächen des Schienenradsatzes 22 ab. Es kann ein Queraktuator 36 vorgesehen sein, welcher es vermag, den Prüfradsatz 10 in einer Y-Richtung quer zur Fahrtrichtung zu betätigen. Somit kann eine transversale Bewegung oder eine Querbewegung erzeugt werden. Die Prüfvorrichtung 20 kann allgemein so ausgebildet sein, dass der Prüfradsatz 10 in Z-Richtung mit einer Belastungskraft durch Gewichte oder dafür ausgebildete Aktuatoren belastet werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass der Prüfradsatz an einem Drehgestell und/oder an einem Fahrzeug befestigt ist. Es sind ferner ein erster Längsaktuator 38 und ein zweiter Längsaktuator 40 vorgesehen, welche jeweils dazu ausgebildet sind, die Prüfräder 12 und 14 in Längsrichtung in Kontakt mit den ihnen zugeordneten Schienenrädern 26, 28 zu halten. Die Längsaktuatoren 38, 40 können beispielsweise als Hydraulikzylinder oder elektromechanische Aktuatoren ausgebildet sein. Bei dieser Variante greift der erste Längsaktuator 38 am ersten Radlager 32 an. Der zweite Längsaktuator greift am zweiten Radlager 34 an. Der Queraktuator 36 greift ebenfalls am zweiten Radlager 34 an. Es versteht sich allgemein, dass die Aktuatoren derart ausgebildet sind, dass zumindest eine geringfügige Bewegung des Prüfradsatzes quer zur Betätigungsrichtung eines Aktuators möglich ist. Im gezeigten orthogonalen Koordinatensystem entspricht die X-Richtung der Fahrtrichtung beziehungsweise der Richtung des Ablaufens der Prüfräder 12, 14 auf den Schienenrädern 26, 28 oder allgemein der Längsrichtung, die Y-Richtung verläuft im Wesentlichen parallel zur Erstreckung der Schienenradachse 30 und/oder der Erstreckung der Prüfradachse 16 in ihrer Mittelstellung, und die Z-Richtung entspricht im Wesentlichen der vertikalen Erstreckung, in welcher beispielsweise die Schwerkraft wirkt. Die Aktuatoren 36, 38, 40 sind jeweils an eine elektronische Steuereinrichtung 42 angeschlossen oder anschließbar. Dazu sind Datenübertragungsverbindungen vorgesehen, die gestrichelt dargestellt sind und die Leitungsverbindungen oder Funkverbindungen darstellen können. Die elektronische Steuereinrichtung 42 vermag es, die Aktuatoren 36, 38 und 40 zur Betätigung anzusteuern. Die Ansteuerung eines Aktuators kann dabei beispielsweise über eine Kraft- und/oder Wegsteuerung oder entsprechende Regelung erfolgen. Dazu kann die Steuereinrichtung 42 dazu ausgebildet sein, entsprechende Weg- und/oder Kraftdaten von geeigneten Sensoren 44 als Betriebsdaten zu empfangen, wobei die Sensoren 44 beispielsweise dazu ausgebildet sein können, die Lage des Prüfradsatzes 10 und/oder die Drehzahl oder Drehgeschwindigkeit des Prüfradsatzes 10 und/oder des Schienenradsatzes 24 und/oder die Lage bestimmter Teile des Prüfradsatzes 10, wie etwa der Räder des Prüfradsatzes 10, und/oder die Auslenkung oder das Betätigungsmaß der Aktuatoren oder gegebenenfalls vorhandener Antriebe zu überwachen. Zumindest einige der Sensoren 44 können Teil einer Lageerfassungseinrichtung sein. Es versteht sich, dass die Steuereinrichtung 42 mehrere elektronische Komponenten und/oder Rechnereinheiten aufweisen kann, die unabhängig voneinander betrieben werden können. Beispielsweise kann die Ansteuerung der Aktuatoren separat von der Überwachung der Sensoren 44 erfolgen. Zur Überwachung der Lage der Prüfradsatzes 10 kann beispielsweise eine optische Sensoreinrichtung vorgesehen sein, welche es vermag, auf der Prüfradachse 16 angebrachte Markierungen und deren Lageänderung zu überwachen. Wird die Prüfvorrichtung betrieben, etwa durch Antreiben des Schienenradsatzes 24, können sich geringfügige Auslenkungen des Prüfradsatzes 10 gegenüber seiner Mittelstellung geben. Eine solche geringfügige Verschiebung kann beispielsweise durch ein kurzes, gezieltes Anstoßen über den Queraktuator 36 erfolgen, der danach wieder in seiner Ruheposition zurückgestellt wird, in welcher er keine weitere Kraft auf den Prüfradsatz 10 ausübt. Durch die Verschiebung des Prüfradsatzes 10 aus seiner Mittelstellung bei Betätigen des Queraktuators 36 derart, dass der Prüfradsatz 10 von Queraktuator 26 wegbewegt wird, wird beispielsweise das Prüfrad 12 mit einem größeren wirksamen Raddurchmesser auf dem ihm zugeordneten Schienenrad 26 ablaufen als das Prüfrad 14. Bei der durch die starre Prüfradachse 16 erzwungenen gleichen Winkelgeschwindigkeit bedeutet dies, dass das Prüfrad 12 dem Prüfrad 14 vorweglaufen wird. Dabei ändern sich die wirksamen Kontaktflächen. Die Steuereinrichtung 42 kann dazu ausgebildet sein, basierend auf etwa von einer Formerfassungseinrichtung bereitgestellten Formdaten eine Abbildung des Prüfradsatzes und/oder der Schieneneinrichtung zu erstellen und somit eine Abbildungseinrichtung sein oder mit einer separaten Abbildungseinrichtung 46 verbunden sein, welche es vermag, eine Abbildung zu erstellen und der Steuereinrichtung 42 bereitzustellen. Dabei kann die erstellte Abbildung beispielsweise in eine Speichereinrichtung der Steuereinrichtung 42 abgelegt werden.
In 2 ist schematisch eine mögliche Relativbewegung zwischen einem Prüfradsatzes 10 bei einer Fahrt eines Schienenfahrzeugs auf einem Gleis 18 dargestellt, die analog auch auf dem Prüfstand der 1 auftreten kann. Ein erstes Prüfrad 12 und ein zweites Prüfrad 14 des Prüfradsatzes 10 sind miteinander starr über eine Prüfradachse 16 verbunden. Die Prüfradachse 16 weist einen Mittelpunkt M auf, durch welchen eine aus der Zeichenebene herausstehende, als Hochachse bezeichnete Rotationsachse verläuft. Die Prüfräder 12, 14 liegen mit einer Radprofilfläche auf jeweils einer Schiene eines Gleises 18. Während der Fahrt kann der Prüfradsatz 10 aus seiner Mittelstellung im Gleis ausgelenkt werden, beispielsweise bei Kurvenfahrten, Unregelmäßigkeiten im Gleis oder anderen, externen Einflüssen. Da die Prüfräder 12, 14 ungleichmäßige, in der Regel konische Profile aufweisen, kann sich durch eine solche Auslenkung ein Zustand ergeben, in welchem die Prüfräder unterschiedliche in der jeweiligen Kontaktfläche wirksame Raddurchmesser aufweisen. Da jedoch die Prüfräder 12, 14 über die Prüfradachse 16 starr rotierend miteinander verbunden sind, laufen sie mit gleicher Winkelgeschwindigkeit auf dem Gleis 18 ab. Somit kann ein Prüfrad, im Beispiel das Prüfrad 12, dem anderen Prüfrad etwas vorauslaufen. Es ergibt sich eine Drehung der Prüfradachse 16 um die Hochachse. Im weiteren Verlauf der Fahrt dreht sich diese Bewegung mit umgekehrten Vorzeichen um, so dass sich eine regelmäßige Taumelbewegung oder ein Sinuslauf des Prüfradsatzes ergibt. Ohne den Einsatz von Schlingerdämpfern oder andere geeignete Dämpfungseinrichtungen kann ein solcher Sinuslauf sogar instabil werden.
3 zeigt schematisch eine weitere Ansicht einer möglichen Relativbewegung eines Prüfradsatzes 10 gegenüber einer Schieneneinrichtung 22, die in diesem Beispiel als Schienenradsatz 24 dargestellt ist. Ein erster möglicher Zustand der Prüfräder 12, 14 beim einer Rotation um die Hochachse M ist durchgezogen dargestellt. Gestrichelt ist ein zweiter möglicher Zustand nach einer Drehung um die Hochachse M dargestellt, in welchem die Prüfräder mit den Bezugszeichen 12' und 14' versehen sind. Wie man erkennt, können sich durch die konische Radform bei einer Drehung um die Hochachse M ein Höhenunterschied u und sogar eine Änderung der effektiven Spurbreite zwischen den Prüfrädern ergeben. Damit ist eine Verlagerung der wirksamen Kontaktflächen verbunden.
4 zeigt ein Beispiel für eine Verschiebung des Prüfradsatzes relativ zur Schieneneinrichtung 22 in y- und z-Richtung. Ein Zustand, in welchem der Prüfradsatz 10 mittig auf der Schieneneinrichtung 22 gelagert ist, ist gestrichelt dargestellt, während ein verkippter Zustand durchgezogen dargestellt ist. In diesem Beispiel hat jedes Prüfrad 12, 14 ein alternatives Radprofil mit einer Ausbeulung 17 auf der Innenseite. Durch Bewegungen des Prüfradsatzes 10 gegenüber der Schieneneinrichtung 22 kann sich der Prüfradsatz 10 insbesondere in Y-Richtung gegenüber der Schieneneinrichtung 22 verschieben. Bei einer derartigen Verschiebung kann sogar eine zusätzliche Verkippung auftreten, so dass sich zumindest bei einem der Prüfräder, in diesem Beispiel dem Prüfrad 14, ein Kontakt zwischen der Schieneneinrichtung 22 und dem Prüfrad über die Ausbeulung 17 ergibt. Dadurch ergibt sich auch ein Höhenunterschied u_z und eine Winkelverschiebung φ_x im Vergleich zu dem gepunktet dargestellten Zustand. Man erkennt somit, dass sich verschiedene Arten der relativen Bewegung und verschiedene Stellungen zwischen einem Prüfradsatz 10 und einer Schieneneinrichtung 22 ergeben können, bei denen sich unterschiedliche wirksame Kontaktflächen einstellen. Entsprechend kann sich ein Kraftverlauf bei einer Kraftübertragung zwischen Prüfrädern und Schieneneinrichtung ändern.
5 zeigt schematisch eine Formerfassungseinrichtung 50, die es vermag, die Form des Prüfradsatzes 10 und der Schieneneinrichtung 22 abzutasten und entsprechende Formdaten bereitzustellen. Die Formdaten können an eine Abbildungseinrichtung übertragen werden, beispielsweise eine elektronische Steuereinrichtung 42. Basierend auf den Formdaten kann eine Abbildung erstellt werden, die beispielsweise in einer Speichereinrichtung gespeichert werden kann. Über die Speichereinrichtung kann die Abbildung zum Bestimmen der wirksamen Kontaktflächen bereitgestellt werden. Die Formerfassungseinrichtung 50 im gezeigten Beispiel umfasst eine erste optische Abtasteinrichtung 52 und eine zweite optische Abtasteinrichtung 54, welche es jeweils vermögen, zumindest einen Teil der Oberfläche des Prüfradsatzes 10 und der Schieneneinrichtung 22 abzutasten. Es ist auch vorstellbar, dass statt mehrerer Abtasteinrichtungen eine gemeinsame Abtasteinrichtung vorgesehen ist. Eine optische Abtasteinrichtung kann allgemein aktive Einrichtungen wie Laser aufweisen oder passiv wirken. Statt einer optischen Abtasteinrichtung kann beispielsweise auch eine akustische Abtasteinrichtung oder kontaktbasierende Einrichtung eingesetzt werden. Die Formerfassungseinrichtung 50 kann separat von einer Prüfvorrichtung ausgebildet sein, so dass eine Abtastung beispielsweise vor einer Montage eines Prüfradsatzes und/oder Schienenradsatzes auf einem Prüfstand erfolgen kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Formerfassungseinrichtung 50 in die Prüfvorrichtung integriert ausgebildet ist oder damit verbunden oder verbindbar ist. Es ist vorstellbar, dass jede Abtasteinrichtung mehrere Abtaster aufweist, um beispielsweise die Prüfräder 12, 14 abtasten zu können, ohne die Abtaster über die Prüfradachse 16 in Y-Richtung bewegen zu müssen. Es ist vorstellbar, die Abtastung zum Ermitteln der Formdaten vor oder während des Betriebs der Prüfvorrichtung vorzunehmen. Beispielsweise kann ein Schienenfahrzeug oder Prüffahrzeug mit einer Einrichtung zum Abtasten eines Gleises ausgestattet sein, welche bei einer Normalfahrt oder Prüffahrt Gleisabschnitte abtastet, um eine Abbildung des Gleises erstellen zu können. Die Abtastung oder Formermittlung von Prüfradsatz 10 und Schieneneinrichtung 22 können separat voneinander durchgeführt werden. Allgemein kann die Formerfassungseinrichtung stationär oder bewegbar ausgebildet sein, so dass sie beispielsweise zum Abtasten mehrerer Prüfradsätze oder Schienenradsätze verwendbar sein kann.
6 zeigt ein Beispiel für eine Abbildung eines Prüfrades 14 und eines Teils Schieneneinrichtung 22. Die Schieneneinrichtung 22 und das Prüfrad 14 weisen zueinander komplementäre Profile auf, die ineinander zu greifen vermögen. Eine Abbildungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, basierend auf den Prüfradsatz 10, insbesondere ein Prüfrad 14, repräsentierenden Formdaten und die Schieneneinrichtung 22 repräsentierenden Formdaten eine Abbildung zu erstellen. Die Abbildung kann insbesondere eine Abbildung der Oberflächen der Prüfradsatzes 10 und der Schieneneinrichtung 22 sein, die miteinander in Kontakt geraten können.
Die Abbildung kann insbesondere jeweils die Oberflächen mit einer Vielzahl von Polygonen darstellen, insbesondere mit Dreiecken 60 wie in 6 angedeutet. Es ist vorstellbar, dass die Abbildung im STL-Format (Stereolithography oder auch Standard Tesselation Language) erstellt und/oder gespeichert ist.
In 7 ist beispielhaft das Bestimmen der wirksamen Kontaktflächen basierend auf Flächennormalen dargestellt. Ein Prüfradsatz 10 liegt mit seinen Prüfrädern 12, 14 auf zugeordneten Schienenrädern 26, 28 auf. Die Oberflächen sind durch eine Vielzahl von Polygonen repräsentiert (nicht dargestellt), etwa Dreiecken. Jedem Polygon ist eine Flächennormale zugeordnet, die normiert sein kann. In 7 sind beispielhaft einige Flächennormalen 62 gezeigt. An den Punkten oder Flächen, an denen die Prüfräder 12, 14 aufliegen, fallen die Flächennormalen der Polygone der einander berührenden Flächen derart zusammen, dass die im Wesentlichen antiparallel zueinander stehen. Die ist durch die Flächennormale 64 des Prüfrades 14 und die Flächennormale 66 des Schienenrades 28 dargestellt. Die den Flächennormalen 64, 66 zugeordneten Polygonflächen repräsentieren somit die wirksamen Kontaktflächen zwischen dem Prüfrad 14 und dem Schienenrad 28. Dabei kann berücksichtigt werden, dass ein bestimmter maximal zulässiger Abstand zwischen den Flächen oder den Aufstandspunkten der Flächennormalen vorliegen soll, damit die Flächen als Kontaktflächen wirken können. Es ist vorstellbar, dass ein Entfernungen zwischen Punkten der Abbildungen bestimmt werden, um etwa sicherzustellen, dass ein maximal zulässiger Abstand zwischen den zugeordneten Flächen oder Punkten vorliegt.
8 zeigt schematisch ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Ermitteln wirksamer Kontaktflächen zwischen einem Prüfradsatz und einer Schieneneinrichtung, welches mittels einer hierin beschriebenen Prüfvorrichtung durchgeführt werden kann. Das Verfahren umfasst einen Schritt S10, in welchem, etwa durch eine Formerfassungseinrichtung, Oberflächen eines Prüfradsatzes und einer Schieneneinrichtung abgetastet werden, um entsprechende Formdaten bereitzustellen. Basierend auf den Formdaten erzeugt eine Abbildungseinrichtung in einem Schritt S12 eine virtuelle Abbildung des Prüfradsatzes und der Schieneneinrichtung. Die Abbildung repräsentiert insbesondere jeweils die Oberflächen, welche miteinander in Kontakt geraten können. Die Schritte S10 und S12 können während oder unabhängig von einem Betrieb des Prüfradsatzes auf der Prüfvorrichtung durchgeführt werden. In einem Schritt S14 kann eine Radbeeinflussungseinrichtung Kraft und/oder ein Drehmoment auf den Prüfradsatz und/oder die Schieneneinrichtung ausüben, um eine Beeinflussungswirkung hervorzurufen. Parallel zum Schritt S14 ermittelt eine Lageerfassungseinrichtung in einem Schritt S16 die Lage des Prüfradsatzes bezüglich der Schieneneinrichtung im Betrieb der Prüfvorrichtung und stellt entsprechende Lagedaten bereit. Es kann ein paralleler Schritt S15 vorgesehen sein, in welchem die Radbeeinflussungswirkung erfasst wird, um etwa Beeinflussungsdaten bereitzustellen. Die Beeinflussungsdaten können etwa durch Aktuatoren ausgeübte Kräfte betreffen. Basierend auf den Lagedaten kann die Prüfvorrichtung in einem Schritt S18 unter Berücksichtigung der virtuellen Abbildung die wirksamen Kontaktflächen insbesondere während und nach dem Ausüben der Beeinflussungswirkung ermitteln. Es kann ein Schritt S20 vorgesehen sein, in welchem die Prüfvorrichtung basierend auf den wirksamen Kontaktflächen und gegebenenfalls den Beeinflussungsdaten den beim Ausüben der Beeinflussung wirksamen Kraftverlauf und/oder einen wirksamen Reibungskoeffizienten zwischen dem Prüfradsatz und der Schieneneinrichtung ermittelt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

10: Prüfradsatz
12: Prüfrad
14: Prüfrad
16: Prüfradachse
18: Gleis
20: Prüfvorrichtung
22: Schieneneinrichtung
24: Schienenradsatz
26: Schienenrad
28: Schienenrad
30: Schienenradachse
31: Radlager
32: Radlager
34: Radlager
36: Queraktuator
38: Aktuator
40: Aktuator
42: Steuereinrichtung
44: Sensoren
46: Abbildungseinrichtung
50: Formerfassungseinrichtung
52: Abtasteinrichtung
54: Abtasteinrichtung
60: Polygon/Teilfläche
62: Flächennormale
64: Flächennormale
66: Flächennormale

Claims

Prüfvorrichtung (20) zur Ermittlung wirksamer Kontaktflächen zwischen mindestens einem Prüfradsatz (10) für ein Schienenfahrzeug und einer Schieneneinrichtung (22), welche dazu vorgesehen ist, dass der Prüfradsatz (10) auf ihr abläuft, wobei die Prüfvorrichtung (20) mit einer Abbildungseinrichtung (46) verbunden oder verbindbar ist, welche dazu ausgebildet ist, eine virtuelle Abbildung des mindestens einen Prüfradsatzes (10) und der Schieneneinrichtung (22) zu erstellen und/oder bereitzustellen; und wobei die Prüfvorrichtung umfasst: eine Radbeeinflussungseinrichtung, welche es vermag, eine Radbeeinflussungswirkung auf den in Kontakt mit der Schieneneinrichtung (22) befindlichen mindestens einen Prüfradsatz (10) derart auszuüben, dass über die wirksame Kontaktflächen Kraft von mindestens einem Prüfrad (12, 14) des Prüfradsatzes (10) auf die Schieneneinrichtung (22) übertragen wird; eine Prüfradsatzlageerfassungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, Lagedaten bezüglich der Lage des Prüfradsatzes (10) bereitzustellen; wobei ferner die Prüfvorrichtung (20) dazu ausgebildet ist, basierend auf der virtuellen Abbildung und den Lagedaten eine oder mehrere wirksame Kontaktflächen zwischen dem mindestens einen Prüfradsatz (10) und der Schieneneinrichtung (22) zu ermitteln.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Prüfvorrichtung (20) ferner eine Radbeeinflussungserfassungseinrichtung aufweist oder mit einer solchen verbindbar ist, welche es vermag, eine durch die Radbeeinflussungseinrichtung hervorgerufene Radbeeinflussungswirkung zu erfassen.
Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prüfvorrichtung (20) dazu ausgebildet ist, basierend auf der virtuellen Abbildung und den Lagedaten mindestens einen zwischen mindestens einem Prüfrad (12, 14) des Prüfradsatzes (10) und der Schieneneinrichtung (22) wirksamen Reibungskoeffizienten zu ermitteln.
Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abbildungseinrichtung mit einer Formerfassungsvorrichtung (50) zur Erfassung der Form des mindestens einen Prüfradsatzes (10) und/oder der Schieneneinrichtung (22) verbunden oder verbindbar ist.
Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagedaten eine Querlage und/oder eine Verkippung des mindestens einen Prüfradsatzes (10) bezüglich der Schieneneinrichtung (22) beschreiben.
Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prüfvorrichtung (20) dazu ausgebildet ist, Flächennormalen (62, 64, 66) von Teiloberflächen (60) der Abbildung zu bestimmen und basierend auf den Flächennormalen (62, 64, 66) die wirksamen Kontaktflächen zu bestimmen.
Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prüfvorrichtung (20) dazu ausgebildet ist, die Kontaktflächen während des Betriebs des Prüfradsatzes (10) auf der Prüfvorrichtung (20) zu ermitteln.
Verfahren zum Ermitteln von wirksamen Kontaktflächen zwischen mindestens einem Prüfradsatz (10) für ein Schienenfahrzeug mit mindestens einem Prüfrad (12, 14) und einer Schieneneinrichtung (22) für eine Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten: Erstellen einer virtuellen Abbildung des mindestens einen Prüfradsatzes (10) und der Schieneneinrichtung (22), wobei die Schieneneinrichtung (22) dazu vorgesehen ist, dass der Prüfradsatz (10) auf ihr abläuft; Ausüben einer Radbeeinflussungswirkung auf den Prüfradsatz (10) auf der Schieneneinrichtung (22), wobei über die mindestens eine Kontaktfläche Kraft von mindestens einem Prüfrad des Prüfradsatzes (10) auf die Schieneneinrichtung (22) übertragen wird; Bereitstellen von Lagedaten bezüglich der Lage des Prüfradsatzes (10); und Ermitteln, basierend auf der virtuellen Abbildung und den Lagedaten, der wirksamen Kontaktflächen zwischen dem mindestens einen Prüfradsatz (10) und der Schieneneinrichtung (22).
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend den Schritt des Erfassens der Radbeeinflussungswirkung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, ferner umfassend den Schritt des Ermittelns mindestens eines zwischen mindestens einem Prüfrad des Prüfradsatzes (10) und der Schieneneinrichtung (22) wirksamen Reibungskoeffizienten.