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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung einer Raddrehung eines stromlos geschalteten Fahrzeuges, insbesondere eines Schienenfahrzeuges, umfassend zumindest ein magnetisches Speicherelement, ein Aktivierungselement und ein Sensorelement.
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Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge werden in der Regel, wenn sie über einen längeren Zeitraum stillgesetzt werden, beispielsweise in der Nacht, vollständig abgeschaltet. In den meisten Fällen werden sogar die Stromabnehmer heruntergefahren, sodass ein Schienenfahrzeug mit der vorhandenen Bordspannung am nächsten Morgen wieder eingeschaltet und danach eine Verbindung über den Stromabnehmer zur Versorgungsspannung hergestellt wird. Je nachdem, wo die Schienenfahrzeuge abgestellt werden, kann es vorkommen, dass Schienenfahrzeuge aufgrund von Rangierarbeiten durch andere Schienenfahrzeuge oder angetriebene Waggons aus der ursprünglichen Position versetzt werden. Hierbei kann es sich um wenige Zentimeter, aber auch um einige Meter handeln.
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Beim Anfahren des Zuges muss unter Anderem festgestellt werden, wo sich der Zug oder das einzelne Schienenfahrzeug, beispielsweise eine Elektro- oder Diesellokomotive befindet. Eine Information, dass sich der Zug nicht bewegt hat, ermöglicht es hierbei schneller in den normalen Fahrbetrieb zu wechseln. Hierdurch werden Wartezeiten verkürzt und die Strecke kann besser ausgelastet werden.
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Um eine mögliche Bewegung eines Schienenfahrzeuges festzustellen, bedarf es daher einer Bewegungserkennung, welche im spannungslosen Zustand eine mögliche Bewegung erfasst.
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Aus der
DE 10 2014 219 054 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Drehung eines Rades eines stromlos geschalteten Fahrzeuges bekannt. Das Verfahren sieht hierbei vor, dass eine Sensoreinrichtung durch die Bewegung eines Abgreiforgans von einer Anfangsstellung in eine Bewegungsstellung umgeschaltet wird. Das Abgreiforgan wird hierbei durch ein mechanisches Auslenken in die Bewegungsstellung bei einer Bewegung des Fahrzeuges überführt, sodass beim Einschalten automatisch eine Erfassung der Anzahl der Abgreiforgane, die sich in der Bewegungsstellung befinden, erfolgen kann. Zu diesem Zweck ist eine Vorrichtung vorgesehen, welche vorsieht, dass das Abgreiforgan schwerkraftunabhängig in der Anfangsstellung und/oder in der Bewegungsstellung gehalten wird. Das Abgreiforgan wird durch eine Federspannung in die Anfangsstellung gedrückt und wirkt mit einer magnetischen Auslenkeinrichtung zusammen, wobei mithilfe eines permanentmagnetischen Elementes, welches dem Abgreiforgan zugewandt ist, eine Änderung der Position des Abgreiforgans erfolgt.
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Aus dem
US-Patent 8,453,976 B2 ist eine vergleichbare Lösung bekannt, bei der Permanentmagneten in einer Führung aufgenommen sind und vor der Stillsetzung des Schienenfahrzeuges in eine definierte Anfangsposition überführt werden. Mithilfe eines magnetischen Feldes werden die Permanentmagnete bei einer Bewegung einer Radachse beziehungsweise eines Rades innerhalb der Führung in eine zweite Position aufgrund eines vorliegenden Magnetfeldes bewegt. Gleichzeitig mit der Bewegung wird über ein Sensorelement eine Verlagerung der Magnete registriert, sodass die Drehbewegung eines Rades oder einer Radachse festgestellt werden kann.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen basieren darauf, dass mithilfe einer magnetischen Auslenkung entweder eines Abgreiforgans oder eines in einer Führung gelagerten Permanentmagneten aufgrund eines sich ändernden Magnetfeldes in eine zweite Position überführt wird, welche gleichzeitig über ein Sensorelement überwacht wird, sodass die Radbewegung erkannt werden kann. Als Nachteil ist bei dem Stand der Technik anzusehen, dass in Folge von Erschütterungen, wie sie im Eisenbahnverkehr, insbesondere im Rangierbetrieb immer wieder entstehen können, die Permanentmagnete aus der Anfangsposition allein aufgrund der Erschütterungen verlagert werden können und somit keine zuverlässige Aussage über eine Radbewegung möglich ist. Gleiches gilt für ein Abgreiforgan, welches zwar schwerkraftunabhängig gelagert ist, jedoch aufgrund von Stößen durch eine Rangiertätigkeit in die zweite Position überführt werden kann und somit ebenfalls keine Aussage über die tatsächliche Radumdrehung ermöglicht oder unrichtige Daten übermittelt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Raddrehung bei einem stromlos geschalteten Fahrzeug, insbesondere eines Schienenfahrzeuges aufzuzeigen, welche unempfindlich gegenüber äußeren Einwirkungen, insbesondere einwirkenden Stößen beim Rangierverkehr ist und zuverlässig eine Erfassung einer möglichen Radbewegung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, dass das Speicherelement vor der Stillsetzung des Fahrzeuges in einen definierten Anfangszustand überführbar ist und über das Aktivierungselement eine Ummagnetisierung oder Entmagnetisierung bei einer teilweisen Radumdrehung erfolgt, welche von einem Sensorelement registrierbar und abrufbar ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das magnetische Speicherelement wird vor der Stillsetzung in einen definierten Anfangszustand überführt und kann aus diesem nur durch ein Aktivierungselement verlagert werden. Vorzugsweise wird als Aktivierungselement ein Permanentmagnet eingesetzt, welcher den Zustand des magnetischen Speicherelementes durch eine Ummagnetisierung oder Entmagnetisierung verändert. Zu der Ummagnetisierung beziehungsweise Entmagnetisierung bedarf es keiner Spannungsversorgung, weil nur aufgrund der Magnetfelder eine Änderung erfolgt, sodass im stromlos geschalteten Zustand des Schienenfahrzeuges sowohl das Speicherelement als auch das Aktivierungselement eingesetzt werden können. Als besonderer Vorteil ist hervorzuheben, dass das magnetische Speicherelement nicht durch die Schwerkraft oder starke Erschütterungen beeinträchtigt ist. Es ist lediglich erforderlich, dass vor der Stillsetzung des Fahrzeuges sämtliche Speicherelemente in einen definierten Anfangszustand überführt werden, welcher einer bestimmten Feldstärke entspricht, wobei mithilfe eines Aktivierungselementes, beispielsweise eines Permanentmagneten, eine Ummagnetisierung oder Entmagnetisierung erfolgt. Hierzu besteht die Notwendigkeit, den Permanentmagneten an dem magnetischen Speicherelement vorbeizuführen oder sein Magnetfeld an dem magnetischen Speicherelement vorbeizuführen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Permanentmagnet fest montiert ist und die Magnetfeldlinien des Permanentmagneten durch beweglich angeordnete Metalle zum Speicherelement geleitet werden, sodass ein magnetischer Kurzschluss entsteht und damit eine Ummagnetisierung oder Entmagnetisierung des Speicherelementes erfolgen kann. Die erforderlichen Abmessungen des magnetischen Speicherelementes, des Aktivierungselementes und eines zur Bestimmung des Magnetfeldes erforderlichen Sensorelementes können sehr klein gehalten werden, sodass insbesondere eine Nachrüstung älterer Schienenfahrzeuge möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann hierbei mit einem Zugbeeinflussungssystem, zum Beispiel dem europäischen ETCS in Kombination mit einem Cold Movement Detector (CMD) eingesetzt werden. Der CMD hat die Aufgabe, eine Bewegung eines abgeschalteten Schienenfahrzeuges zu erkennen und nach dem Einschalten des Zuges an die Zugsteuerung weiterzuleiten. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, dass auf Basis dieser Information wesentlich schneller in den normalen Fahrbetrieb gewechselt werden kann, wodurch Wartezeiten verkürzt und die Strecke besser ausgelastet werden kann. Dies gilt sowohl für den Fall, dass der Zug nicht bewegt wurde, aber auch für den Fall, dass der Zug bewegt wurde und mithilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung eine Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke erfolgen kann. Hierbei kommt es darauf an, dass die Wegstrecke in einem Bereich von bis zu zweieinhalb Metern überprüft wird, welche annähernd einer Radumdrehung entspricht.
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Der prinzipielle Funktionsablauf gestaltet sich hierbei wie folgt. Die Zugsteuerung aktiviert den CMD. Im CMD werden die Spulen der magnetischen Speicherelemente kurzzeitig bestromt, sodass ein definierter Anfangszustand aufmagnetisiert wird. Danach kann das Fahrzeug abgerüstet werden und das CMD ist spannungslos geschaltet. Wird das Fahrzeug durch äußere Kräfte auf den Schienen bewegt, rotiert das Aktivierungselement an den Speicherelementen vorbei. Das Magnetfeld des Aktivierungselementes ist hierbei so ausgerichtet, dass das magnetische Speicherelement ummagnetisiert oder entmagnetisiert wird. Bei Inbetriebnahme des Zuges, allgemein auch als Aufrüsten bezeichnet, wird der CMD wieder mit Spannung versorgt. Die Sensorelemente können danach die Feldstärke der magnetischen Speicherelemente bestimmen, wobei über die Anzahl der ummagnetisierten oder entmagnetisierten Speicherelemente eine Bewegung erkannt werden kann, welche winkelabhängig erfasst wird. Über den bekannten Umfang des Rades kann die zurückgelegte Strecke berechnet beziehungsweise abgeschätzt werden.
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Um eine möglichst genaue Abschätzung vornehmen zu können, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mehrere Speicherelemente über den Umfang einer Radachse verteilt angeordnet sind. Je mehr Speicherelemente eingesetzt werden, umso geringer ist der Winkelabstand und umso höher ist die Auflösung der zurückgelegten Wegstrecke.
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Als magnetische Speicherelemente werden vorzugsweise Magnetkernspeicher eingesetzt, welche aus einer Spule mit einem Kernspeicher bestehen. Die Magnetkernspeicher können mithilfe des CMD in einen definierten Anfangszustand überführt und durch das Aktivierungselement ummagnetisiert werden. Die Magnetspeicher, beziehungsweise deren Spulen, sind hierbei vorzugsweise radial zum Achsenmittelpunkt ausgerichtet und damit einem Rad oder einer Radachse zugeordnet. An der Radachse oder an dem Rad selbst ist das Aktivierungselement befestigt, welches aus einem Dauermagneten, insbesondere einem Permanentmagneten bestehen kann. Wird der Dauermagnet an dem Magnetkernspeichern vorbeigeführt, werden die Magnetkernspeicher aus dem definierten Anfangszustand aufgrund des Magnetfeldes ummagnetisiert und es besteht die Möglichkeit, über ein Sensorelement die Feldrichtung zu bestimmen. Das erforderliche Aktivierungselement ist hierbei mit der Drehachse einer Radachse oder eines Rades fest verbunden, sodass die Speicherelemente von einem vorbeigeführten Aktivierungselement ummagnetisiert werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorelement aus einem Magnetometer, insbesondere einem Hall- oder XMR-Sensor besteht. Beide Typen von Sensoren ermöglichen, die Orientierungsrichtung eines Magnetfeldes festzustellen, sodass eine eindeutige Aussage über die Magnetfeldrichtung und Feldstärke des Magnetkernspeichers erfolgen kann. Dadurch, dass die Magnetkernspeicher in einen definierten Anfangszustand vor der Stillsetzung des Schienenfahrzeuges überführt worden sind, kann daher anhand der ummagnetisierten Speicherelemente eine eindeutige Aussage getroffen werden. Hierbei ist jeweils ein Sensorelement einem Speicherelement zugeordnet, wobei das Sensorelement beispielsweise zwischen dem Mittelpunkt der Radachse und dem Speicherelement angeordnet ist. Vorzugsweise wird das Sensorelement unmittelbar stirnseitig des Speicherelementes in Richtung auf das Zentrum der Radachse angeordnet. Beim Aufrüsten der Schienenfahrzeuge müssen die Sensorelemente lediglich ausgelesen werden und über die Information der ummagnetisierten Speicherelemente kann die zurückgelegte Wegstrecke bestimmt werden.
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Somit kann nach Aufrüsten des Zuges über die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Spulenkerne eine minimale und maximale Entfernung berechnet werden, die im spannungslosen Zustand zurückgelegt wurde. Die Entfernung berechnet sich über die Anzahl der Sensorelemente, ihren Schaltzuständen, einem Schaltwinkel α und dem Radumfang. Der hierbei zugrunde gelegte Schaltwinkel entspricht dem ganzen Kreisabschnitt, in dem der Magnet den Spulenkern ummagnetisiert. Eine Minimalentfernung resultiert hierbei aus einer verbleibenden Ungenauigkeit der ursprünglichen Position des Permanentmagneten gegenüber den magnetischen Speicherelementen. Eine Reaktion der Speicherelemente tritt immer dann ein, wenn das Aktivierungselement, beispielsweise ein Dauermagnet, an dem Speicherelement vorbeigeführt wird. Hierbei kann es vorkommen, dass das Aktivierungselement sich zwischen zwei Speicherelementen befindet, ohne dass eine Reaktion erfolgt. Erst mit der Annäherung, beziehungsweise dem Vorbeiführen des Permanentmagneten an dem Speicherelement findet die Ummagnetisierung statt, sodass nur eine Minimalentfernung feststellbar ist und diese durch den Abstand der Speicherelemente bestimmt ist. Soweit die Anzahl der Speicherelemente entsprechend erhöht wird, kann diese Minimalentfernung entsprechend genau erfasst werden. Eine Maximalentfernung wird demgegenüber durch die Bewegung des Aktivierungselementes über einen Vollkreis von 360° ermittelt. wobei über den Radumfang die Wegstrecke zwischen den Maximalentfernungen in beiden Richtungen vom Ausgangspunkt bestimmt werden kann. Größere Entfernungen, die über eine Radumdrehung hinausgehen, können demgegenüber mit dieser Einrichtung nicht erfasst werden, weil jedes Speicherelement nur einmal ummagnetisiert werden kann. Dadurch, dass aber eine Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke des stromlos geschalteten Zustandes des Schienenfahrzeuges gefordert wird, die unterhalb von zweieinhalb Metern liegt, kann diese zurückgelegte Wegstrecke mit einer entsprechenden Anzahl von Speicherelementen immer sicher erfasst werden.
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Der besondere Vorteil besteht darin, dass die Ummagnetisierung ohne Einwirkung einer anliegenden Spannung im Ruhezustand erfolgt.
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Zur Lösung der Verfahrensaufgabe sieht die Erfindung vor, dass zur Erfassung einer Raddrehung eines stromlos geschalteten Fahrzeuges, insbesondere eines Schienenfahrzeuges, ein magnetisierbares Speicherelement durch ein Aktivierungselement ummagnetisiert oder entmagnetisiert und über ein Sensorelement die magnetische Feldstärke erfasst wird, wobei die Speicherelemente vor der Stilsetzung des Fahrzeuges in einen definierten Anfangszustand versetzt werden, welcher einer bestimmten Feldstärke entspricht und über ein vorbeigeführtes Aktivierungselement eine Ummagnetisierung oder Entmagnetisierung stattfindet, wobei bei Inbetriebnahme des Fahrzeuges das Auslesen der Sensorelemente erfolgt und die Anzahl der ummagnetisierten oder entmagnetisierten Speicherelemente ermittelt wird.
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Gegenüber den Ausführungen aus dem Stand der Technik wird ein Verfahren angewendet, welches auf rein magnetischer Beeinflussung basiert und damit schwerkraftunabhängig und stoßunempfindlich ist. Mithilfe eines Aktivierungselementes, wobei vorzugsweise ein Permanentmagnet infrage kommt, der mit einer Radachse oder einem Rad fest verbunden ist, erfolgt eine Beeinflussung des Speicherelementes durch eine Ummagnetisierung oder Entmagnetisierung. Aufgrund des bekannten Anfangszustandes kann somit, mithilfe eines Sensorelementes festgestellt werden, welches Speicherelement ummagnetisiert oder entmagnetisiert worden ist und damit eine Aussage über die zurückgelegte Wegstrecke getroffen werden. Zu diesem Zweck werden die Sensorelemente beim Aufrüsten des Fahrzeuges ausgelesen und die Information über die Anzahl der ummagnetisierten Speicherelemente entsprechend ausgewertet. Über die Anzahl der ummagnetisierten Speicherelemente und den damit geänderten Schaltzuständen der Sensorelemente, einem Schaltwinkel und dem Radumfang kann die zurückgelegte Wegstrecke berechnet werden, wobei eine Minimalentfernung und eine Maximalentfernung festgestellt wird, wie bereits zur Einrichtung beschrieben.
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Zusammenfassend ist somit festzustellen, dass das neuartige erfindungsgemäße Verfahren und auch die hierzu vorgeschlagene Einrichtung den besonderen Vorteil aufweist, dass das Verfahren gravitationsunabhängig und stoßunempfindlich ist. Hierzu werden auch keine Stromquellen benötigt, weil das angewendete magnetische Prinzip unabhängig von einer bestehenden Stromversorgung ist und somit eine Überwachung einer Bewegung des Schienenfahrzeuges möglich wird.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren nochmals erläutert.
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Es zeigt
- 1 in einer schematischen Ansicht ein Speicherelement mit Sensorelement,
- 2 in einer schematischen Ansicht die Anordnung eines Speicherelementes gegenüber einem Permanentmagneten,
- 3 in einer schematischen Ansicht ein Speicherelement zwischen zwei rotierbar gelagerten Körpern und
- 4 die Anordnung der Speicherelemente gegenüber einem Rad mit Permanentmagneten.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Speicherelement 1, welches aus einer Spule 2 und einem Kernspeicher 3 besteht. An einer Stirnfläche des Kernspeichers 3 ist ein Sensorelement 4 angeordnet, welches über eine Elektronikeinheit eine mögliche eingetretene Feldveränderung des Speicherelementes 1 feststellt.
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Mehrere dieser Speicherelemente 1 werden über den Umfang verteilt angeordnet, sodass bei einer möglichen Bewegung eines Rades eine Ummagnetisierung oder Entmagnetisierung einzelner Speicherelemente 1 stattfindet und nach entsprechender Registrierung über die Sensorelemente 4 ausgewertet werden kann.
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2 zeigt in einer schematischen Ansicht die Anordnung eines Speicherelementes 1 mit Sensorelement 4 gegenüber einem Permanentmagneten 11. Eine Ummagnetisierung oder Entmagnetisierung des Speicherelemente 1 erfolgt immer dann, wenn der Permanentmagnet an dem Speicherelement 1 vorbeigeführt wird. Die in dieser schematischen Darstellung gezeigten Feldlinien 6 verlaufen durch den Kernspeicher 3 und bewirken die Ummagnetisierung beziehungsweise Entmagnetisierung, sodass das Sensorelement 4 den veränderten Zustand anzeigen kann. Diese Darstellung entspricht dem Ummagnetisierungs- beziehungsweise Entmagnetisierungsvorgang mit einem rotierenden Magneten.
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3 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Speicherelement 1 mit Sensorelement 4 und die Spule 2 sowie Kernspeicher 3 zwischen zwei rotierbar gelagerten Körpern 7, 8, die die magnetischen Feldlinien 9 von einem Permanentmagneten 11 zum Kernspeicher 3 weiterleiten. In diesem Fall ist der Permanentmagnet 11 fest montiert und es entsteht ein magnetischer Kurzschluss immer dann, wenn die Feldlinien vom Permanentmagneten 11 ausgehend über die Körper 7 bis zum Kernspeicher 3 geleitet werden.
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4 zeigt in vier Teilabbildungen die Anordnung der Speicherelemente 1 gegenüber einem Rad 10 eines Schienenfahrzeuges. Ein Permanentmagnet 11 als Aktivierungselement ist drehfest mit dem Rad 10 verbunden und wird bei einer Teilumdrehung oder vollständigen Umdrehung an den Speicherelementen 1 vorbeigeführt. Aufgrund des Permanentmagneten 11 erfolgt eine Ummagnetisierung oder Entmagnetisierung einzelner Speicherelemente 1, die mithilfe des Sensorelementes 4 detektiert werden kann. Das gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt lediglich vier Speicherelemente 1, jedoch kann die Anzahl beliebig erhöht werden, sodass eine höhere Winkelauflösung möglich wird. Aus den Schaltzuständen kann aufgrund der vorgenommenen Anordnung der Speicherelemente eine minimale und maximale Wegstrecke zwischen den Maximalabständen vom Ausgangspunkt in beiden Richtungen berechnet werden. Dieser berechnet sich aus der Anzahl der veränderten Speicherelemente, dem Randumfang U und einem Schaltwinkel α, der dem Kreisabschnitt entspricht, in dem das Speicherelement verändert wurde.
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Aus der Abbildung oben links ist aus der betreffenden Radstellung ersichtlich, dass ein Speicherelement 1 ummagnetisiert wurde, wobei allerdings noch keine Aussage darüber getroffen werden kann, ob eine Bewegung stattgefunden hat oder nicht, weil der Permanentmagnet 11 direkt vor dem Speicherelement 1 steht. Aus der Figur rechts oben ist ersichtlich, dass wenn nur ein Speicherelemente ummagnetisiert wurde die maximale Entfernung über die Formel ½ U - α/360° * U bestimmt werden kann.
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Soweit mehrere Speicherelemente 1 verändert wurden, wie beispielsweise aus der Abbildung links unten ersichtlich kann über die Formel 3/4 U - α/360 * U die zurückgelegte Minimalentfernung bestimmt werden. Eine Maximalentfernung kann nicht berechnet werden, da wie in der Abbildung unten rechts ersichtlich, mehrere Umdrehungen stattgefunden haben.
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Aus den europäischen Richtlinien ist hierbei zu entnehmen, dass immer dann eine Bewegung detektiert werden muss, wenn ein Abstand von > 1 m eingetreten ist, sodass mithilfe von vier Speicherelementen eine diesbezügliche Feststellung getroffen werden kann. Es reichen in diesem Fall sogar bereits drei Speicherelemente, ab einem Raddurchmesser von circa 0,5 m aus. Eine solche Lösung reicht für die meisten Anwendungen im Schienenverkehr völlig aus.
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Hierbei kann es ohne weiteres vorkommen, dass das Schienenfahrzeug zunächst in der einen Richtung und anschließend in der entgegengesetzten Richtung bewegt worden ist. Mithilfe der Speicherelemente und deren Schaltzustand kann hierbei die Maximalentfernung der zurückgelegten Wegstrecken ermittelt werden, da diese sich durch die Anzahl der angesprochenen Speicherelemente berechnet lässt. Demgegenüber kann eine Maximalentfernung vom ursprünglichen Ausgangspunkt, welcher dem Zeitpunkt der Stillsetzung des Schienenfahrzeuges entspricht nur abgeschätzt werden. Soweit eine Bewegung erfolgt ist, die einer mehrfachen Radumdrehung entspricht, kann die zurückgelegte Wegstrecke aufgrund der nur einmaligen Ummagnetisierung beziehungsweise Entmagnetisierungsmöglichkeit der Speicherelemente nicht berechnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Speicherelemente
- 2
- Spule
- 3
- Kernspeicher
- 4
- Sensorelement
- 6
- Feldlinie
- 7
- Körper
- 8
- Körper
- 9
- Feldlinie
- 10
- Rad
- 11
- Permanentmagnet
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014219054 A1 [0005]
- US 8453976 B2 [0006]
