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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Lastzustandes, insbesondere der Beladung, eines Eisenbahnwagens mit mindestens zwei Drehgestellen oder mindestens zwei Achsaufhängungen, insbesondere eines Güterwagens oder eines Reise- oder Personenzugwagens, eine Sensoreinheit zur Messung der elastischen Durchbiegung eines Bauteils, insbesondere eines Rahmens oder einer Achse eines Fahrzeugs mit oder ohne eigenen Antrieb oder eines Rahmens eines Drehgestells oder einer Achsaufhängung eines Eisenbahnwagens, und ein System zur Bestimmung des Lastzustandes, insbesondere der Beladung, eines Eisenbahnwagens mit Drehgestellen oder mindestens zwei Achsaufhängungen, insbesondere eines Güterwagens oder eines Reise- oder Personenzugwagens.
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Ein Eisenbahnwagen ist ein Schienenfahrzeug ohne eigenen Antrieb. Es wird dabei zwischen Güterwagen, die zum Transport von Wirtschaftsgütern verwendet werden, und Reise- bzw. Personenzugwagen unterschieden, deren Aufgabe es ist, Personen zu befördern. Darüber hinaus sollen unter Eisenbahnwagen auch Nebenfahrzeuge und Sonderfahrzeuge verstanden werden.
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Schienenfahrzeuge weisen ein Laufwerk auf. Das Laufwerk besteht aus Radsätzen, Radsatzlagern und Federungen. Bei Schienenfahrzeugen mit mehr als drei Achsen kommen häufig Drehgestelle zum Einsatz. Hierbei werden jeweils zwei oder mehr Achsen in einem eigenen, beweglich mit dem Schienenfahrzeug verbundenen Rahmen gelagert.
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Im Stand der Technik gibt es zwei Wagemethoden zum Wiegen von Wagons, nämlich im Stand („statisches Wägen”) und in Fahrt („dynamisches Wägen”), in beiden Fällen als Zugverband gekoppelt, mit ortsfesten Anlagen. Beim Wägen im Stand wird jeder Wagon des Zugverbandes auf der Waage angehalten und gewogen. Beim Wägen in Fahrt dagegen wird der Zug über die Waage gezogen und während der Fahrt gewogen. Bei Kenntnis des Eigengewichts des Wagons bzw. Wagens kann das Gewicht der Ladung bzw. das Personengewicht bestimmt werden. Das statische Wägen ist üblicherweise langsamer als das dynamische Wägen. Darüber hinaus lässt sich mit den bekannten Wageverfahren und -systemen der Lastzustand, wie u. a. die insbesondere räumliche Beladung, nicht ausreichend detailliert bestimmen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine genauere Bestimmung des Lastzustands eines Eisenbahnwagens zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des Lastzustandes, insbesondere der Beladung, eines Eisenbahnwagens mit mindestens zwei Drehgestellen oder mindestens zwei Achsaufhängungen, insbesondere eines Güter- oder eines Reise- oder Personenzugwagens, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Durchbiegung jedes Rahmens der Drehgestelle oder Achsaufhängungen des Eisenbahnwagens gemessen und anhand der gemessenen Durchbiegungswerte der Lastzustand des Eisenbahnwagens berechnet wird. Der Begriff „Durchbiegung” kann auch oder alternativ eine Verformung umfassen. Die Bestimmung des Lastzustandes erfolgt bevorzugt im Stand.
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Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Sensoreinheit zur Messung der elastischen Durchbiegung eines Bauteils, insbesondere eines Rahmens oder einer Achse eines Fahrzeugs mit oder ohne eigenen Antrieb oder eines Rahmens eines Drehgestells oder einer Achsaufhängung eines Eisenbahnwagens, umfassend:
mindestens einen Dehnungsmessstreifen auf einer vorzugsweise runden Platine mit Signalverarbeitungselektronik, die mit dem Dehnungsmessstreifen signaltechnisch verbunden ist, wobei zwischen dem Dehnungsmessstreifen und der Platine mindestens eine Lage aus einem kompressiblen Material, insbesondere Schaumstoff angeordnet ist.
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Schließlich wird die Aufgabe auch gelöst durch ein System zur Bestimmung des Lastzustandes, insbesondere der Beladung, eines Eisenbahnwagens mit mindestens zwei Drehgestellen oder mindestens zwei Achsaufhängungen, insbesondere eines Güterwagens oder eines Reise- oder Personenzugwagens, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:
- – mindestens eine Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 15 an jedem Rahmen der Drehgestelle oder jeder Achsaufhängung und
- – eine vorzugsweise an oder in dem Eisenbahnwagen angebrachte oder untergebrachte und vorzugsweise energetisch autarke Zentraleinheit, die mit der mindestens einen Sensoreinheit drahtlos oder kabelgebunden verbunden ist und eine Messdatenauswerteeinrichtung zur Auswertung der von den Sensoreinheiten gelieferten Messdaten, eine Datenaufzeichnungseinrichtung und eine Energieversorgungseinrichtung aufweist. Das System kann auch als ein Wiegesystem bezeichnet werden.
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Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren die elastische Durchbiegung jedes Rahmens oder jeder Achsaufhängung der Drehgestelle mittels eines oder mehrerer an dem jeweiligen Drehgestell angebrachten/angebrachter Dehnungsmessstreifen(s) gemessen.
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Zweckmäßigerweise umfasst der Schritt des Berechnens des Lastzustandes des Eisenbahnwagens ein Berechnen des Gewichts der Ladung und/oder einer Überladung des Eisenbahnwagens. Das Gewicht der Ladung kann bspw. anhand einer vorher empirisch ermittelten Korrelation zwischen Durchbiegung und Gewicht bestimmt werden. Zudem ist darauf hinzuweisen, dass mit dem Begriff „Ladung” nicht nur Warengüter, wie z. B. Stückgut, Schüttgut oder Flüssigkeiten, sondern auch Personen gemeint sein sollen.
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Bevorzugt umfasst der Schritt des Berechnens des Lastzustandes des Eisenbahnwagens ein Berechnen des Lastzustandes von jedem der Drehgestelle oder jeder der Achsaufhängungen. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das Berechnen des Lastzustandes des Eisenbahnwagens ein Berechnen der Lage des Gewichts auf der Ladefläche des Eisenbahnwagens und/oder der Belastung von einzelnen Achsen des Eisenbahnwagens und/oder einer Schieflage umfasst. Unter dem Begriff „Ladefläche” ist alternativ oder zusätzlich auch eine Personenbeförderungsfläche (Fläche aus Sitzplätzen und/oder Stehplätzen) zu verstehen.
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Vorteilhafter Weise wird eine Kompensation der temperaturabhängigen und/oder bremsstellungsabhängigen Einflüsse bei Messung der elastischen Durchbiegung durch zusätzliche Erfassung von mindestens einem Messwert für die Durchbiegung vor einer Beladung oder Zuladung durchgeführt. Die Messwerte von Sensoren bzw. Sensoreinheiten werden nämlich von der Umgebungstemperatur beeinflusst. Dies hat zur Folge, dass bei unterschiedlichen Temperaturen für dieselbe Beladung unterschiedliche Gewichtswerte ermittelt werden. Um dies auszuschließen, werden im Stand der Technik zusätzliche Sensoren bzw. Sensoreinheiten verwendet, die an weiteren Stellen des Fahrzeugs, wie zum Beispiel eines Eisenbahnwagens, angebracht werden, um einen Referenzwert zu ermitteln, der dann zur Temperaturkompensation herangezogen wird. Dazu ist es notwendig, die Temperatur an den Messpunkten zu ermitteln und einen zusätzlichen Messpunkt, der nicht temperaturbeeinflusst ist, zu finden und eine mathematische Beziehung zu den übrigen Messwerten herzustellen. Im Gegensatz dazu erfolgt hier eine Temperaturkompensation ohne zusätzliche Sensoren und unabhängig von der Anzahl der verwendeten Messpunkte (Sensoren).
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Weiterhin kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass vorab eine Kalibrierung mit einem Gewicht vorzugsweise in der Nähe der oberen Beladungsgrenze zur Bestimmung eines Umrechnungsfaktors für die elastische Durchbiegung durchgeführt wird. Durch die Kalibrierung mit einem bekannten Gewicht können aus diesem Gewicht und aus Messwerten der Sensoren bzw. Sensoreinheiten ein Umrechnungsfaktor gebildet werden.
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Besonders bevorzugt wird vorab eine Kalibrierungskurve für die elastische Durchbiegung ermittelt. Dies liegt daran, dass der vorgenannte Umrechnungsfaktor variabel sein und sich verändern kann, wenn das Beladungsgewicht mehr als zum Beispiel circa 1 Tonne vom Kalibrierungsgewicht abweicht. Diese Abweichungen sind fahrzeugbauartabhängig und nicht linear und können somit nur im Versuch mit verschiedenen Beladungsgewichten ermittelt werden. Diese ermittelten Werte (Sensorwerte und dazugehöriger Umrechnungsfaktor) können z. B. in einer Software in einer Zuordnungstabelle hinterlegt, entsprechend abgerufen und zur Berechnung des Gewichtes herangezogen werden. Selbstverständlich können die Sensoreinheit und das System entsprechend gestaltet sein bzw. werden, um auch die oben genannte Temperaturkompensation und Kalibrierung durchzuführen.
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In einer besonderen Ausführungsform der Sensoreinheit ist zwischen dem Dehnungsmessstreifen und der Platine ein Magnet, insbesondere ein Neodym-Magnet, angeordnet.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Sensoreinheit sind zwischen dem Dehnungsmessstreifen und der Platine zwei Lagen aus einem kompressiblen Material, insbesondere Schaumstoff, vorgesehen, und ist der Magnet zwischen den beiden Lagen sandwichartig angeordnet.
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Vorteilhafterweise weist die Sensoreinheit zusätzlich mindestens einen vorzugsweise elektronischen Temperaturfühler und/oder mindestens einen Beschleunigungssensor auf.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Signalverarbeitungselektronik ein digitales Potentiometer zur automatischen Nullkalibrierung des Dehnungsmessstreifens.
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Zweckmäßigerweise weist die Sensoreinheit einen Deckel als mechanischen Schutz sowie zur elektromagnetischen Abschirmung auf, der bei Montage der Sensoreinheit an einem Bauteil den Aufbau aus der mindestens einen Lage aus einem kompressiblen Material, dem Magneten und dem Dehnungsmessstreifen nach außen insbesondere kuppelartig abdeckt.
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Des weiteren liefert die vorliegende Erfindung ein an einem Bauteil, insbesondere einem Rahmen oder eine Achse eines Fahrzeugs mit oder ohne eigenen Antrieb oder einem Rahmen eines Drehgestells oder einer Achsaufhängung eines Eisenbahnwagens, befestigte Sensoreinheit nach Anspruch 11, wobei der insbesondere kuppelartige Deckel mit einer Verfüllung versehen ist und die Sensoreinheit mittels der Verfüllung mit an dem Bauteil anliegendem Dehnungsmessstreifen an das Bauteil geklebt ist.
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Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Verfüllung Silikon oder ähnliches im Bereich zwischen der Platine und dem Bauteil umfasst.
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Weiterhin kann dabei vorgesehen sein, dass die Verfüllung im Bereich zwischen der Platine und dem Deckel sowie zu beiden Seiten von der Platine zum Bauteil hin einen vorzugsweise dauerelastischen Montagekleber oder ähnliches umfasst.
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Besonders vorteilhaft umfasst die Verfüllung einen Kleber, vorzugsweise 2-Komponenten-Kleber, an der Grenzfläche zum Bauteil im Bereich der Platine.
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Günstigerweise weist das System eine mit der Zentraleinheit signaltechnisch verbundene optische und/oder akustische Signalausgabeeinrichtung auf. Zum Beispiel kann ein optisches und/oder akustisches Signal ausgegeben werden, wenn eine Überladung festgestellt wird.
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In einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung weist das System einen fernen Computer, insbesondere Server, wie zum Beispiel Datenbankserver, auf und weist die Zentraleinheit eine Datenübertragungseinrichtung zur Übertragung der Messdaten und/oder der ausgewerteten Messdaten an den Computer auf. Dies ermöglicht eine Fernüberwachung und Fernaufzeichnung bzw. -dokumentation.
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Zweckmäßigerweise ist die Zentraleinheit in einem Schaltschrank untergebracht. Vorteilhafterweise befindet sich der Schaltschrank auf oder an demselben oder einem benachbarten Eisenbahnwagen, so dass es sich um ein fahrzeuggebundenes System handelt. Es ist aber auch denkbar, dass eine oder mehrere der Komponenten der Zentraleinheit separat angeordnet ist.
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Schließlich weist die Energieversorgungseinrichtung vorteilhafterweise ein Solarmodul und/oder einen Luftstromgenerator und/oder einen Schüttelgenerator auf. Damit kann dann ein eigenversorgtes System erzielt werden. Dazu eignet sich besonders gut „Energy Harvesting”.
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Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch Messung der elastischen Durchbiegung bzw. Verformung an den Rahmen von Drehgestellen oder Achsaufhängungen detaillierte Aussagen über den Lastzustand von Eisenbahnwagen erzielt werden können. Es handelt sich um ein fahrzeuggebundenes Verfahren beziehungsweise um eine fahrzeuggebundene Vorrichtung anstelle eines ortsfesten (ortsgebundenen) Verfahrens beziehungsweise einer ortsfesten (ortsgebundenen) Vorrichtung.
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Darüber hinaus ergeben sich dadurch, dass die Sensoreinheit eine Verarbeitungselektronik in unmittelbarer Nähe des Dehnungsmessstreifens enthält, geringere Störeinflüsse bei der Signalverarbeitung.
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Des Weiteren wird durch das Vorsehen von mindestens einer Lage aus einem kompressiblen Material die Übertragung von Vorspannungen auf den Dehnungsmessstreifen vermieden bzw. gemindert. Durch das kompressible Material wird die starre Verbindung aufgelöst. Dadurch wird eine Verfälschung der Messergebnisse verhindert bzw. reduziert.
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Der Magnet kann eine oder beide der folgenden Funktionen erfüllen: Durch die Haftkraft des Magneten wird gewährleistet, dass die Sensoreinheit mit einem im Wesentlichen gleichmäßigen und konstanten Anpressdruck während der Härtezeit des Klebers (zwischen Dehnungsmessstreifen und Bauteil) anliegt. Dies ist für die Qualität der Klebung vorteilhaft oder sogar entscheidend. Des Weiteren lässt sich durch den Magneten schon im Vorfeld, d. h. ohne Klebung, ein potentieller Anbringungsort für die Sensoreinheit suchen und bestimmen. Dies ist wichtig, um bei neuen bzw. anderen Fahrzeugen die besten Messpunkte zu finden und zu bestimmen.
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Ferner wird in einer besonderen Ausführungsform durch die spezielle Verfüllung der Sensoreinheit eine flexible und dauerhafte Verklebung bzw. Fixierung der Sensoreinheit an einem Bauteil erreicht, ohne dass eine Verschraubung notwendig ist. Zudem wird die Flexibilität des Aufbaus aus Dehnungsmessstreifen, einer oder mehreren Lagen aus kompressiblem Material, dem Magneten und der Platine innerhalb der Sensoreinheit nicht aufgehoben. Zumindest in besonderen Ausführungsformen ist die Verfüllung und Verklebung in einem Temperaturbereich zwischen –30°C und +60°C funktionsfähig, dauerhaft elastisch, besitzt eine ausreichende Klebekraft, um den Deckel auch kopfüber sicher an einem Bauteil zu halten, nimmt keine Feuchtigkeit auf und beschädigt nicht die Elektronik.
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Wenn gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ein digitales Potentiometer vorgesehen ist, so erspart dies eine – zudem noch ungenaue – mechanische/händische Kalibrierung durch ein analoges Potentiometer. Mit anderen Worten lässt sich dadurch eine deutliche Reduzierung des Zeitaufwands bei der Montage und Steigerung der Genauigkeit erreichen. Da die Sensoreinheit bzw. Dehnungsmessstreifen bei der Montage schon mit einer gewissen Vorspannung aufgeklebt werden, was sich nicht vermeiden lässt, müssen die Sensoreinheiten bzw. die Signale nach der Montage in den gewünschten Messbereich getrimmt werden. Dies kann mit dem digitalen Potentiometer geschehen. Durch ein Iterationsverfahren werden die Messwerte solange abgefragt, bis sie einem vorgegebenen Wert nahezu entsprechen. Dann wird dieser Wert als unveränderlicher „Nullwert” definiert und an geeigneter Stelle hinterlegt. Dies wird für alle verbauten Sensoreinheiten gemacht. Somit erhält jede Sensoreinheit ihren eigenen „Nullwert”, der von den anderen geringfügig abweichen kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert wird. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Gesamtansicht von einem Eisenbahnwagen (Güterwagen) mit zwei jeweils 2-achsigen Drehgestellen und einem System zur Bestimmung des Lastzustandes des Eisenbahnwagens gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung von der Seite;
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2 eine Draufsicht auf den Eisenbahnwagen von 1 in vereinfachter Darstellung von oben;
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3 ein Blockdiagramm des Systems;
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4 ein Blockschaltbild einer zum System gehörigen Sensoreinheit;
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5 eine Seitenansicht (oben) und eine Draufsicht von oben (unten) von dem Grundaufbau der Sensoreinheit vor der Montage an einem Bauteil;
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6 eine Teilschnittansicht von einer Sensoreinheit nach Montage bzw. Verklebung an dem Rahmen eines Drehgestells;
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7 ein Beispiel für eine Möglichkeit der Temperaturkompensation bei einem einfachen Beladungsvorgang; und
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8 ein Beispiel für eine Temperaturkompensation bei einem Beladungsvorgang mit einer Beladungspause.
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1 zeigt einen einzelnen Eisenbahnwagen 10 in Form eines Güterwagens. Der Eisenbahnwagen 10 weist zwei zweiachsige Drehgestelle 12 und 14 auf. An jedem Rahmen 16 der Drehgestelle 12 und 14 sind jeweils fünf Sensoreinheiten 18 eines Systems 20 (s. 3) zur Bestimmung des Lastzustandes, insbesondere der Beladung, des Eisenbahnwagens 10 gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch Klebung befestigt. Die Anzahl und Anbringungsporte der Sensoreinheiten (18) können je nach Bauart des Eisenbahnwagens und den Anforderungen variieren. Einige der Sensoreinheiten 18 befinden sich an der Oberseite des jeweiligen Rahmens 16 und die übrigen an der Unterseite des Rahmens 16. Das System 20 umfasst neben den Sensoreinheiten 18 eine in einem Schaltschrank 22, der an der Außenseite des Eisenbahnwagens 10 angebracht ist, untergebrachte Zentraleinheit 24 (siehe 3), die mit den Sensoreinheiten 18 kabelgebunden (nicht gezeigt) verbunden ist. Des Weiteren gehört zum System 20 eine mit der Zentraleinheit 24 signaltechnisch verbundene optische Signalausgabeeinrichtung 26 in Form einer Ampel an jedem Ende (Stirnwand) des Eisenbahnwagens 10. In diesem Beispiel leuchtet die Ampel grün, wenn keine Überladung vorliegt, rot bei Überladung sowie gelb als Warnhinweis.
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Im vorliegenden Beispiel ist eine Antenne 28, die zu einer drahtlosen Datenübertragungseinrichtung 30 (siehe 3) gehört, in der Nähe einer der Signalausgabeeinrichtungen 26 angeordnet.
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Ferner gehört zum System 20 auch noch eine Bedieneinheit 31 (in 3 nicht gezeigt) zum Einschalten des Systems und zur Auswahl der Streckenlast. Die Bahnstrecken sind üblicherweise in Gewichtsklassen, wie z. B. A, B, C und D, klassifiziert. Daraus ergibt sich, dass ein bestimmter Wagen auf einer bestimmten Strecke maximal ein bestimmtes Gewicht (Lastgrenze) transportieren darf.
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Die Anbringungsorte der Sensoreinheiten 18 hängen unter anderem von der jeweiligen Drehgestellbauart ab und können stark variieren. Auch die Anzahl der benötigten Sensoreinheiten je Drehgestell kann von Drehgestellbauart zu Drehgestellbauart unterschiedlich sein. Sie werden zunächst auf der Basis des mechanischen Grundwissens eines Ingenieurs ausgewählt. Es werden Stellen bzw. Orte gesucht, die die größte Durchbiegung bei einer Belastung erreichen können. Dies geschieht unter Berücksichtigung des Kräfteverlaufes im Drehgestell.
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Die 2 zeigt eine vereinfacht dargestellte Draufsicht auf den Eisenbahnwagen 10 von 1. Es ist zu erkennen, dass auf der Ladefläche 32 zwei Ladungen 34 und 36 räumlich versetzt, d. h. im vorliegenden Fall sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung, angeordnet sind. Die Ladung 34 ist über den beiden gestrichelt dargestellten Achsen 38 und 40 des Drehgestells 12 angeordnet, während die Ladung 36 vor den beiden Achsen 42 und 44 des Drehgestells 14 angeordnet ist.
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3 zeigt ein Blockdiagramm des Systems 20. Wie bereits oben genannt, gehören zu dem System fünf Sensoreinheiten auf jeder Seite der Drehgestelle 12 und 14, d. h. also im vorliegenden Beispiel zwanzig Sensoreinheiten, wobei in dem Blockdiagramm davon nur vier dargestellt und mit der Bezugszahl 18 gekennzeichnet sind.
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Weiterhin ergibt sich daraus, dass die Zentraleinheit 24 eine Messdatenauswerteeinrichtung 46, die eine Master-Unit aufweist, zur Auswertung der von den Sensoreinheiten 18 gelieferten Messdaten umfasst, die mit den Sensoreinheiten 18 über Kabel 48 verbunden ist.
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Ferner gehören zur Zentraleinheit 24 eine Datenaufzeichnungseinrichtung 50 und die Datenübertragungseinrichtung 30 zur Übertragung der Messdaten und/oder der ausgewerteten Messdaten an einen Computer (nicht gezeigt) über eine Diagnoseschnittstelle 52. Besagte Datenaufzeichnungseinrichtung 50 und besagte Datenübertragungseinrichtung 30 sind in einem gemeinsamen Kästchen dargestellt und stehen mit der Messdatenauswerteeinrichtung 46 datentechnisch in Verbindung.
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Darüber hinaus weist die Zentraleinheit 24 eine Energieversorgungseinrichtung 54 auf, die einen Akku oder eine Batterie 56 und im vorliegenden Fall auch ein Solarmodul/einen Luftstromgenerator/einen Schüttelgenerator 58 enthält. Die Energieversorgungseinrichtung 54 dient zur Versorgung der Komponenten der Zentraleinheit 24 mit elektrischer Energie.
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Die Messdatenauswerteeinrichtung 46 ist mit der optischen Signalausgabeeinrichtung 26 daten- und/oder signaltechnisch verbunden.
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Wie sich anhand der 4 ergibt, weist jede der Sensoreinheiten 18 einen Dehnungsmessstreifen (DMS) 60, eine Signalverstärkungseinrichtung 62 zur Verstärkung der von dem Dehnungsmessstreifen 60 gelieferten Signale, einen A/D-Wandler 64 zur Umwandlung des von der Signalverstärkungseinrichtung 62 gelieferten analogen Signals in ein digitales Signal und einen Mikrocontroller 66 auf. Des Weiteren gehören zur Sensoreinheit 18 ein elektronischer Temperaturfühler 68 sowie eine Spannungsversorgung 70. Sowohl der elektronische Temperaturfühler 68 als auch die Spannungsversorgung 70 sind mit dem Mikrocontroller 66 signal- bzw. datentechnisch verbunden. Ihre Ausgaben gehen in den Mikrocontroller 66. Die Ausgabe des Mikrocontrollers 66 geht in ein digitales Potentiometer 72 zur Offset-Korrektur. Die Ausgabe des digitalen Potentiometers 72 wird dem Signal des DMS 60 zugeführt.
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Jeder Dehnungsmessstreifen gibt einen Messwert (ein Signal) aus. Je dichter der Schwerpunkt der Ladung an einem Dehnungsmessstreifen ist, umso größer ist das ausgegebene Signal. Zudem lassen sich darüber auch beispielsweise Schieflagen ermitteln.
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Die 5 und 6 zeigen Einzelheiten der Sensoreinheiten 18.
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Die 5 zeigt den Grundaufbau einer Sensoreinheit 18 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung. Wie insbesondere der Seitenansicht zu entnehmen ist, besteht der Grundaufbau aus einer runden Platine 74 mit Signalverarbeitungselektronik. Auf dieser sind zentral übereinander gestapelt eine erste Lage 76 aus Schaumstoff mit quadratischer Grundfläche, ein quadratischer Magnet 78, eine zweite Lage 80 aus Schaumstoff mit denselben Abmessungen wie die erste Lage 76, wobei der Schaumstoff der ersten Lage 76 nicht derselbe Schaumstoff wie derjenige der zweiten Lage 80 sein muss und die Abmessungen auch unterschiedlich sein können, mit einer quadratischen Grundfläche sowie besagter Dehnungsmessstreifen 60. Der Dehnungsmessstreifen 60 ist über eine Signalleitung 82 mit der Signalverarbeitungselektronik in bzw. auf der Platine 74 verbunden und die Platine 74 ist über ein Kabel 48 mit der Zentraleinheit (nicht gezeigt) verbunden.
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In der 6 ist die Sensoreinheit 18 von 5 in einem bereits an einem Rahmen 16 durch Klebung befestigten Zustand gezeigt. Der Aufbau von 5 ist mit einem gewölbten bzw. kuppelartigen Deckel 84 aus Blech als mechanischen Schutz sowie zur elektromagnetischen Abschirmung des Dehnungsmessstreifens 60 und/oder der Platine 74 mit der Signalverarbeitungselektronik versehen. Das Innere des Deckels 84 ist mit einer Verfüllung versehen, die sowohl zur flexiblen und dauerhaften Verklebung bzw. Fixierung der Sensoreinheit an dem Rahmen 16 dient. Dazu weist die Verfüllung Silikon 86 oder eine silikonhaltige Masse im Bereich zwischen der Platine 74 und dem Rahmen 16, dauerelastischen Montagekleber 88 im Bereich zwischen der Platine 74 und dem Deckel 84 sowie zu beiden Seiten von der Platine 74 zu Rahmen 16 hin und umlaufend einen Kleber 90 in Form eines 2-Komponenten-Klebers an der Grenzfläche 92 zum Rahmen 16 im Bereich der Platine 74 auf.
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Beispielsweise kann der Grundaufbau aus der runden Platine 74 mit Signalverarbeitungselektronik, der ersten Lage 76 aus Schaumstoff, dem Magneten 78, der zweiten Lage 80 aus Schaumstoff sowie dem Dehnungsmessstreifen 60 mittels eines Klebstoffes an den Rahmen 16 geklebt und anschließend das Silikon 86 auf den Grundaufbau und den Deckel 84 aufgetragen worden sein und nachfolgend der Deckel über den bereits an den Rahmen 16 geklebten Grundaufbau gestülpt worden sein.
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Mit dem vorangehend beschriebenen System 20 kann eine Beladung, wie z. B. das Gewicht der Ladung, auch bei einem vorne und hinten lose gekuppelten Eisenbahnwagen 10 ermittelt werden. Beispielsweise kann dazu ein deutlicher Luftspalt zwischen allen Puffern und eine gelöste Bremse vorgesehen sein.
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Die Datenübertragung, z. B. zu einer Datenbank (Server) (nicht gezeigt) kann bspw. mittels GPRS, GSM oder ähnliches erfolgen. Die Übertragung der Daten von den Sensoreinheiten 18 zur Zentraleinheit 24 kann bspw. mittels eines Bussystems erfolgen.
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Der Schaltschrank 22, in dem die Zentraleinheit 24 untergebracht ist, kann spritzwasserdicht und abschließbar gestaltet sein. Die darin untergebrachte Datenaufzeichnungseinrichtung 50 kann bspw. eine SD-Karten-Einheit umfassen.
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Wie bereits oben erörtert wurde, können die potentiellen Anbringungsorte für die Sensoreinheiten zunächst einmal auf der Basis des mechanischen Grundwissens eines Ingenieurs ausgewählt werden. Dann werden die Sensoreinheiten 18 an den potentiellen Anbringungsorten zunächst nur mittels der Magnetkraft der Magneten 78, d. h. noch ohne Verklebung befestigt. Damit werden schon Messergebnisse erzeugt, die eine erste Bewertung zulassen. Beispielsweise durch Ausprobieren an verschiedenen Anbringungsorten und Analyse der vorläufigen Ergebnisse können dann die bestmöglichen Anbringungsorte ausfindig gemacht werden.
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Mit den Sensoreinheiten 18 wird an bestimmten Anbringungsorten an dem Rahmen 16 der Drehgestelle 12 und 14 die Durchbiegung bzw. die Verformung gemessen und per Signalverarbeitungselektronik und Messdatenauswerteeinrichtung in ein Gewicht (z. B. in Kilogramm oder Tonnen) umgerechnet.
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Durch die ersten und zweiten Lagen 76 und 80 aus Schaumstoff wird der starre Kraftfluss zwischen der Platine 74 und dem Dehnungsmessstreifen 60 unterbrochen. Die Platine 74 sollte Bewegungen bei der Montage und/oder im verklebten Zustand durch Temperatureinflüsse nicht an den Dehnungsmessstreifen 60 weitergeben. Mit besagten Lagen wird verhindert, dass der Dehnungsmessstreifen 60 einer mechanischen Spannung ausgesetzt wird, was zur Verfälschung der Messergebnisse führen würde. Da die Dehnungsmessstreifen bei der Montage schon unvermeidlich mit einer gewissen Vorspannung aufgeklebt werden, müssen die Dehnungsmessstreifen bzw. deren Signale nach der Montage in den gewünschten Messbereich getrimmt werden. Dies geschieht mittels des digitalen Potentiometers 72. Durch ein Iterationsverfahren werden die Messwerte solange abgefragt, bis sie einem vorgegebenen Wert nahezu entsprechen. Dann wird dieser Messwert als unveränderlicher „Nullwert” definiert und im System hinterlegt. Dies wird für alle verbauten Dehnungsmessstreifen bzw. Sensoreinheiten gemacht. Somit erhält jede Sensoreinheit ihren eigenen „Nullwert”, der von den anderen geringfügig abweichen kann.
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Bei dem in der 7 gezeigten Verfahren zur Bestimmung des Lastzustandes werden vor dem Beladen bspw. eines Eisenbahnwagens in hier beispielsweise zeitlich konstanten Abständen z. B. im Sekunden- oder Minutenbereich in diesem Beispiel fünf Messwerte M1-1 bis M1-5 an einem Sensor bzw. einer Sensoreinheit aufgenommen und wird daraus ein Mittelwert M gebildet und gespeichert. Nach der Beendigung der Beladung wird ein Messwert M2 gespeichert. Zur Gewichtsberechnung wird die Differenz, das heißt M2-M, benutzt. Somit spielt es keine Rolle, bei welchem durch die Temperatur beeinflussten Ausgangswert mit der Messung begonnen wird bzw. wurde. Eine eventuelle Temperaturveränderung während eines durchgängigen Beladungsvorganges kann vernachlässigt werden. Sollte der Beladungsvorgang für eine längere Zeit, z. B. mehr als 30 Minuten, unterbrochen werden, so kann der oben genannte Vorgang für den zweiten Teil der Beladung wiederholt werden. Dies ist beispielhaft in 8 dargestellt. In diesem Beispiel werden jedoch am Ende der Beladungspause nicht mehrere Messwerte, sondern nur ein Messwert M2-1 aufgenommen. Die Gesamtbeladung ist dann die Summe der beiden Beladungen, d. h. M3–M2-1 plus M2-M. Selbstverständlich könnten aber wieder mehrere Messwerte vor dem zweiten Teil der Beladung aufgenommen werden und könnte ein Mittelwert daraus gebildet werden.
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Mit dem vorangehend beschriebenen System lassen sich zumindest in besonderen Ausführungsformen das Gewicht der Ladung, die Lage des Gewichtes auf der Ladefläche und eine Überladung des jeweiligen Fahrzeugs feststellen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Belastung jeder einzelnen Achse und eine etwaige Schieflage ermittelt werden.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Eisenbahnwagen
- 12, 14
- Drehgestelle
- 16
- Rahmen
- 18
- Sensoreinheiten
- 20
- System
- 22
- Schaltschrank
- 24
- Zentraleinheit
- 26
- optische Signalausgabeeinrichtungen
- 28
- Antenne
- 30
- Datenübertragungseinrichtung
- 31
- Bedieneinheit
- 32
- Ladefläche
- 34, 36
- Ladungen
- 38, 40
- Achsen
- 42, 44
- Achsen
- 46
- Messdatenauswerteeinrichtung
- 48
- Kabel
- 50
- Datenaufzeichnungseinrichtung
- 52
- Diagnoseschnittstelle
- 54
- Energieversorgungseinrichtung
- 56
- Akku/Batterie
- 58
- Solarmodul/Luftstromgenerator/Schüttelgenerator
- 60
- Dehnungsmessstreifen
- 62
- Signalverstärkungseinrichtung
- 64
- A/D-Wandler
- 66
- Mikrocontroller
- 68
- elektronischer Temperaturfühler
- 70
- Spannungsversorgung
- 72
- digitales Potentiometer
- 74
- Platine
- 76
- erste Lage
- 78
- Magnet
- 80
- zweite Lage
- 82
- Signalleitung
- 84
- Deckel
- 86
- Silikon
- 88
- Montagekleber
- 90
- Kleber
- 92
- Grenzfläche
