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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines mechanischen Kontakts zwischen einer Oberleitung und einem Stromabnehmer eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug mit einem Stromabnehmer.
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Fahrzeuge werden beispielsweise mittels eines Verbrennungsmotors angetrieben. Eine Alternative hierzu ist der Antrieb mittels eines Elektromotors, wobei es nötig ist, dass elektrische Energie bereitgestellt wird. Dies erfolgt beispielsweise mittels Energiespeichern, die von dem Fahrzeug mitgeführt werden, was ein Gewicht des Fahrzeugs erhöht und zu einer vergrößerten Baugröße führt. Auch ist eine Reichweite aufgrund der begrenzten Mitnahmemöglichkeit eingeschränkt. Eine Alternative ist die Versorgung des Fahrzeugs mittels stationärer Leitungen, an denen ein Stromabnehmer des Fahrzeugs entlang bewegt wird, und über die elektrische Energie bereitgestellt wird. Bei schienengebundenen Fahrzeugen ist die Position des Fahrzeugs mittels der Schienen vorgegeben, die üblicherweise direkt unter einer derartigen Leitung, die als Oberleitung ausgeführt ist, positioniert ist.
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Sofern das Fahrzeug straßengebunden ist, ist dessen Position bezüglich der Oberleitung nicht stabilisiert. Bei sogenannten Oberleitungsbussen sind die Stromabnehmer fest mit der Oberleitung verbunden, beispielsweise eingehängt. Somit ist auch bei Lenkbewegungen der Oberleitungsbusse ein Ablösen des jeweiligen Stromabnehmers von der Oberleitung unterbunden. Hierbei verläuft die Oberleitung für den Oberleitungsbus entsprechend einer vorgegebenen Route und lediglich bestimmte Busse sind ausgerüstet, mit eben dieser Oberleitung gekoppelt zu werden.
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Eine weitere Anwendung derartiger Oberleitungen ist die Bestromung von sogenannten Oberleitungslastkraftwägen, wenn diese entlang einer Fernstraße, wie einer Autobahn, bewegt werden. Hierbei sollen die Oberleitungslastkraftwägen, sofern die Straße elektrifiziert ist, mittels eines geeigneten Stromabnehmers mit der Oberleitung gekoppelt werden. Die Fahrspuren derartiger Straßen sind aus Sicherheitsgründen vergleichsweise breit ausgestaltet, so dass sich der Oberleitungslastkraftwagen bezüglich der Oberleitung nicht stets in einer definierten Position befindet. Daher ist es möglich, dass sich der Stromabnehmer von der Oberleitung löst, und sich ein Lichtbogen zwischen der Oberleitung und dem Stromabnehmer ausbildet. Aufgrund eines dadurch hervorgerufenen Abbrands werden die Oberleitung sowie der Stromabnehmer beschädigt. Zudem werden Störungen in den mittels der Oberleitung bereitgestellten elektrischen Strom eingebracht, die beispielsweise auf weitere mit der Oberleitung gekoppelte Oberleitungslastkraftwägen rückwirken.
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Zur Vermeidung hiervon werden üblicherweise Detektoren verwendet, mittels derer das Vorhandensein eines mechanischen Kontakts zwischen dem Stromabnehmer und der Oberleitung überwacht wird. Mittels dieser Detektoren wird beispielsweise eine Länge und/oder Durchbiegen einer mechanischen Feder erfasst, mittels derer eine Schleifleiste des Stromabnehmers gegen die Oberleitung gepresst wird. Der Detektor ist in diesem Fall als Wegmesssensor ausgestaltet. In einer Alternative werden Kraftsensoren herangezogen, mittels derer eine auf die Schleifleiste ausgeübte Kraft erfasst wird. Sofern die Schleifleiste in direktem mechanischem Kontakt mit der Oberleitung ist, besteht eine Kraft, die aufgrund des Anpressens der Schleifleiste gegen die Oberleitung mittels der Feder hervorgerufen wird. Die oben aufgeführten Detektoren weisen eine vergleichsweise große Baugröße auf und können nicht beliebig platziert werden. Auch sind derartige Detektoren vergleichsweise teuer, weswegen Herstellungskosten erhöht sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Erkennung eines mechanischen Kontakts zwischen einer Oberleitung und einem Stromabnehmer eines Fahrzeugs sowie ein besonders geeignetes Fahrzeug mit einem Stromabnehmer anzugeben, wobei geeigneterweise ein Gewicht und/oder Herstellungskosten reduziert sind.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Fahrzeugs durch die Merkmale des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Das Verfahren dient der Erkennung eines mechanischen Kontakts zwischen einer Oberleitung und einem Stromabnehmer eines Fahrzeugs. Das Fahrzeug weist eine Anzahl an Rädern, beispielsweise vier oder sechs Räder auf, mittels derer ein Kontakt zu einem Boden erstellt ist. Ferner weist das Fahrzeug einen Elektromotor auf, mittels dessen insbesondere zumindest zwei Räder, beispielsweise mehr vier oder mehr der Räder des Fahrzeugs angetrieben sind. Geeigneterweise umfasst das Fahrzeug einen elektrischen Energiespeicher, wie beispielsweise einen elektrischen Kondensator oder eine elektrische Batterie, mittels derer eine elektrische Energie bereitgestellt ist. Zweckmäßigerweise ist der elektrische Energiespeicher wiederaufladbar ausgestaltet. Vorzugsweise ist der Elektromotor mittels eines Umrichters betrieben, mittels dessen beispielsweise ein Drehstrom bereitgestellt wird. Zweckmäßigerweise ist der Elektromotor bürstenlos ausgestaltet.
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Das Fahrzeug weist den Stromabnehmer auf, der vorgesehen und eingerichtet ist, elektrisch mit der Oberleitung kontaktiert zu werden. Hierbei ist die Oberleitung zweckmäßigerweise oberhalb des Fahrzeugs angeordnet und der Stromabnehmer bildet zweckmäßigerweise die obere Begrenzung des Fahrzeugs. Insbesondere ist der Stromabnehmer an einem Dach des Fahrzeugs montiert und/oder weist in einer vertikalen Richtung nach oben. Zweckmäßigerweise ist der Stromabnehmer vorgesehen und eingerichtet, die Oberleitung von einer Unterseite elektrisch zu kontaktieren und beispielsweise bei Betrieb des Fahrzeugs entlang der Oberleitung bewegt zu werden. Mit anderen Worten weist der Stromabnehmer einen Schleifkontakt (Schleifleiste) auf. Beispielsweise umfasst der Stromabnehmer eine Vorrichtung, mittels derer der etwaige Schleifkontakt gegen die Oberleitung gepresst wird, beispielsweise eine mechanische Feder. Insbesondere ist der Stromabnehmer ausklappbar und/oder einfahrbar ausgestaltet, so dass ein Abstand zwischen dem Schleifkontakt und dem Dach des Fahrzeugs verändert werden kann.
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Mittels des Stromabnehmers wird bei Betrieb der Oberleitung elektrische Energie entnommen und diese zweckmäßigerweise zur Bestromung des Elektromotors herangezogen. Hierfür wird geeigneterweise mittels des etwaigen Umrichters eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom, der mittels der Oberleitung bereitgestellt wird, geeignet transformiert. Insbesondere wird der etwaige Energiespeicher mittels der Oberleitung geladen, wofür insbesondere der etwaig vorhandene Umrichter herangezogen wird.
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Das Fahrzeug ist beispielsweise schienengebunden und insbesondere eine sogenannte Elektrolokomotive oder ein Triebwagen, wie zum Beispiel eine sogenannte Straßenbahn. Bevorzugt ist das Fahrzeug ein straßengebundenes Kraftfahrzeug. Hierbei ist die Position des Kraftfahrzeugs auf der Straße im Wesentlichen frei wählbar. Vorzugsweise sind zumindest zwei der etwaigen Räder des Kraftfahrzeugs lenkbar ausgestaltet. Das straßengebundene Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Oberleitungslastkraftwagen, mittels dessen geeigneterweise Güter transportiert werden können. Zum Beispiel ist es möglich, mittels des Oberleitungslastkraftwagens etwaige Güter mit einer insgesamten Masse über 100kg, 200kg, 500kg, lt, 2t, 5t oder 10t zu transportieren. Beispielsweise weist der Oberleitungslastkraftwagen eine Maximalgeschwindigkeit von 80km/h, 90km/h oder 100km/h auf.
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Das Verfahren sieht vor, dass der Stromabnehmer mechanisch erregt wird. Hierbei wird beispielsweise der vollständige Stromabnehmer oder lediglich ein Teil hiervon, wie eine etwaige Schleifleiste (Schleifkontakt) mechanisch erregt. Beispielsweise wird ein Schlag auf den Stromabnehmer ausgeführt, so dass die mechanische Erregung stattfindet. Aufgrund der mechanischen Erregung wird der Stromabnehmer oder zumindest ein Teil des Stromabnehmers in eine resultierende Schwingung versetzt. Die Frequenz der resultierenden Schwingung wird erfasst. Insbesondere werden hierbei eine Amplitude und/oder eine Auslenkung des Stromabnehmers sowie deren Änderung erfasst, insbesondere mittels eines Sensors. Beispielsweise weist die resultierende Schwingung ein Spektrum unterschiedlichster Frequenzen auf, die erfasst werden und von denen beispielsweise eine ausgewählt wird, alternativ wird vorzugsweise eine Einhüllende oder ein charakteristischer Wert des vollständigen Spektrums oder eines Teils hiervon bestimmt. Beispielsweise erfolgt eine Bestimmung des Frequenzspektrums mittels einer Fourier-Transformation. Besonders bevorzugt jedoch bildet sich lediglich eine Schwingung mit einer einzigen Frequenz aus, die erfasst wird. Insbesondere wird hierfür der Stromabnehmer geeignet mechanisch erregt. Vorzugswiese liegt zwischen der mechanischen Erregung und der Erfassung der Frequenz eine, insbesondere vorbestimmte, Zeitdauer, so dass sich die resultierende Schwingung mit der Frequenz ausbreiten kann.
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In einem weiteren Arbeitsschritt wird die Frequenz mit einer Resonanzfrequenz verglichen. Die Resonanzfrequenz ist die Resonanzfrequenz des unkontaktierten Stromabnehmers. Mit anderen Worten bildet sich die Resonanzfrequenz in dem Stromabnehmer aus, wenn dieser mit der Oberleitung nicht mechanisch kontaktiert ist, also nicht in einem direkten mechanischen Kontakt mit der Oberleitung steht, und wenn der Stromabnehmer vorzugsweise mechanisch erregt wird. Die Resonanzfrequenz entspricht insbesondere der Eigenfrequenz des Stromabnehmers oder zumindest eines Teils des Stromabnehmers, wenn dieser nicht in direktem mechanischem Kontakt mit der Oberleitung ist.
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Sofern die Frequenz von der Resonanzfrequenz um mehr als einen Toleranzwert abweicht, wird auf einen mechanischen Kontakt zwischen der Oberleitung und dem Stromabnehmer geschlossen. Mit anderen Worten ist der mechanische Kontakt zwischen der Oberleitung und dem Stromabnehmer erkannt, wenn die Frequenz von der Resonanzfrequenz um mehr als den Toleranzwert abweicht. Falls die Frequenz von der Resonanzfrequenz um weniger als den Toleranzwert abweicht, ist erkannt, dass der Stromabnehmer nicht in mechanischem Kontakt mit der Oberleitung ist. Beispielsweise wird die Differenz zwischen der Frequenz und der Resonanzfrequenz gebildet und der Betrag hiervon als Abweichung herangezogen, die mit dem Toleranzwert verglichen wird. Alternativ wird als Abweichung das Verhältnis der Resonanzfrequenz zu der Frequenz oder umgekehrt als Abweichung herangezogen und mit dem Toleranzwert verglichen. Der Toleranzwert ist zum Beispiel ein fester, vorgegebener Wert. Alternativ ist der Toleranzwert ist abhängig von der Resonanzfrequenz und/oder der Frequenz und beträgt beispielsweise 10 %, 5 %, 2 % oder 1 % der Resonanzfrequenz/Frequenz. Hierbei wird sowohl dann, wenn die Frequenz um mehr als den Toleranzwert größer als die Resonanzfrequenz, als auch dann, wenn die Frequenz um mehr als den Toleranzwert kleiner als die Resonanzfrequenz ist, auf den mechanischen Kontakt zwischen der Oberleitung und dem Stromabnehmer geschlossen wird.
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Falls ein mechanischer Kontakt zwischen der Oberleitung und dem Stromabnehmer vorherrscht, ist dessen Resonanzfrequenz und somit dessen Eigenfrequenz verändert, und zwar um mehr als den Toleranzwert. Infolgedessen ist es ermöglicht, mittels Ermittlung und Vergleich der Frequenz der resultierenden Schwingung des Stromabnehmers auf den mechanischen Kontakt zu schließen. Zur Ermittlung der Schwingung sind lediglich vergleichsweise klein bauende Sensoren erforderlich, weswegen ein Gewicht für eine Vorrichtung zur Ermittlung des mechanischen Kontakts verringert ist. Auch sind derartige Sensoren vergleichsweise robust und im Wesentlichen vergleichsweise einfach zu montieren, weswegen Herstellungskosten reduziert sind. Auch ist es ermöglicht, derartige Sensoren im Wesentlichen unabhängig von weiteren Bestandteilen des Stromabnehmers anzuordnen, was die Herstellung weiter vereinfacht.
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Vorzugsweise ist die erfasste Frequenz ein Bestandteil eines erfassten Frequenzspektrums. Das Frequenzspektrum wird vorzugsweise mit einem weiteren (Resonanz-)Frequenzspektrum verglichen, welches die Resonanzfrequenz aufweist. Hierbei wird als Toleranzwert geeigneterweise ebenfalls ein Spektrum herangezogen. Somit wird zum Schließen auf den mechanischen Kontakt zwischen der Oberleitung und dem Stromabnehmer das Frequenzspektrum erfasst und mit dem weiteren Frequenzspektrum verglichen, und insbesondere eine Abweichung zwischen diesen erstellt. Die Abweichung wird geeigneterweise mit einem dritten Frequenzspektrum verglichen, welches den Toleranzwert aufweist und/oder bildet.
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Insbesondere wird zur mechanischen Erregung des Stromabnehmers eine Schwingung auf diesen aufgebracht, beispielsweise ein Schwingungsmuster. Zweckmäßigerweise wird der Stromabnehmer mit der Resonanzfrequenz mechanisch erregt. Mit anderen Worten wird auf den Stromabnehmer eine Schwingung aufgebracht, die die Resonanzfrequenzen des unkontaktierten Stromabnehmers aufweist. Sofern folglich der Stromabnehmer nicht mechanisch mit der Oberleitung kontaktiert ist, weicht die Frequenz der aufgebrachten Schwingung nicht von der Frequenz der resultierenden Schwingung ab, so dass eine Einschwingzeit verkürzt ist. Sofern der Stromabnehmer mechanisch mit der Oberleitung kontaktiert ist, ändert sich die Frequenz der aufgebrachten Schwingung, so dass bereits nach einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne die resultierende Schwingung ermittelt werden kann. Hierbei ist es zudem möglich, einen vergleichsweise kleinen Toleranzwert zu wählen, da bei einer Änderung der Frequenz der resultierenden Schwingung eine Verstimmung vorliegt, die aufgrund des mechanischen Kontakts des Stromabnehmers mit der Oberleitung hervorgerufen wird.
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Beispielsweise wird zur mechanischen Erregung ein Piezoaktor herangezogen. Geeigneterweise weist der Stromabnehmer den Piezoaktor auf. Der Aktor weist ein Piezoelement auf, dessen Form von einer anliegenden elektrischen Spannung abhängt. Somit ist es ermöglicht, mittels Variation der an dem Piezoaktor anliegenden elektrischen Spannung dessen Form vergleichsweise schnell zu verändern und somit den Stromabnehmer mit einem sich vergleichsweise schnell ändernden Schwingungsmuster oder dergleichen mechanisch zu erregen. Zweckmäßigerweise liegt der Piezoaktor mechanisch direkt an einem weiteren Bestandteil des Stromabnehmers an, wie beispielsweise der etwaigen Schleifleiste.
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Alternativ oder in Kombination hierzu wird zur Erfassung der Frequenz der resultierenden Schwingung ein Piezosensor herangezogen. Hierbei wird eine an dem Piezosensor anliegende elektrische Spannung erfasst, insbesondere mittels eines elektrischen Spannungssensors. Der Piezosensor ist vergleichsweise robust, und zur Auswertung ist es lediglich erforderlich, eine elektrische Spannung zu erfassen. Infolgedessen sind Herstellungskosten weiter reduziert. Zweckmäßigerweise liegt der Piezosensor mechanisch direkt an dem Stromabnehmer oder zumindest an einem Bestandteil des Stromabnehmers an, wie dessen Schleifleiste. Geeigneterweise ist der Piezosensor ein Bestandteil des Stromabnehmers.
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Besonders bevorzugt wird zur mechanischen Erregung und zur Erfassung der Frequenz lediglich ein Bauteil herangezogen, welches ein Piezoelement aufweist. Dieses Bauteil wirkt somit sowohl als der Piezoaktor als auch als der Piezosensor. Zur mechanischen Erregung wird zunächst eine elektrische Spannung an das Piezoelement angelegt und im Anschluss hieran die an dem Piezoelement anliegende elektrische Spannung erfasst, wobei dazwischen insbesondere eine bestimmte Zeitdauer liegt, um ein Ausbreiten der resultierenden Schwingung zu ermöglichen. Aufgrund lediglich des einzigen Piezoelements sind Herstellungskosten weiter reduziert. Zudem ist ein benötigter Bauraum verringert und ein Gewicht weiter reduziert.
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Beispielsweise weist der Stromabnehmer einen Sensor auf. Dieser ist insbesondere in einem direkten mechanischen Kontakt mit einem Bestandteil des Stromabnehmers, wie der etwaigen Schleifleiste.
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Beispielsweise wird die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit bestimmter Vorgaben neu ermittelt, insbesondere in Abhängigkeit einer Benutzereingabe, die beispielsweise in einer Werkstatt oder dergleichen vorgenommen wird. Besonders bevorzugt wird die Resonanzfrequenz zyklisch neu ermittelt. Beispielsweise wird die Resonanzfrequenz nach jedem Start des Fahrzeugs ermittelt. Alternativ erfolgt die Ermittlung der Resonanzfrequenz anhand eines Wartungsplans, insbesondere in einer Werkstatt. Alternativ erfolgt die Ermittlung der Resonanzfrequenz in bestimmten zeitlichen Abständen, beispielsweise wöchentlich, monatlich oder jährlich.
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Zur Bestimmung der Resonanzfrequenz wird der Stromabnehmer geeigneterweise in eine Position verbracht, bei der ein mechanischer Kontakt mit der Oberleitung nicht möglich ist. Beispielsweise wird das Fahrzeug von der Oberleitung entfernt oder der Stromabnehmer mechanisch verformt, wie beispielsweise einfahren oder eingeklappt. Sobald dies erfolgt ist, wird der Stromabnehmer mechanisch erregt und die resultierende Schwingung erfasst sowie deren Frequenz bestimmt. Diese Frequenz wird als Resonanzfrequenz des unkontaktierten Stromabnehmers herangezogen und beispielsweise in einem Speicher hinterlegt. Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu erfolgt die Ermittlung der Resonanzfrequenz auf diese Weise, wenn das Fahrzeug hergestellt wird. Aufgrund der zyklischen Ermittlungen werden Fertigungstoleranzen sowie etwaige Umgebungsbedingungen berücksichtigt, innerhalb derer das Fahrzeug bewegt wird, so dass ein fehlerhaftes Erkennen des mechanischen Kontakts zwischen dem Stromabnehmer und der Oberleitung ausgeschlossen ist.
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Ferner wird aufgrund der zyklischen Neuermittlung der Resonanzfrequenz ein Verschleiß berücksichtigt. So ändert sich die Resonanzfrequenz des Stromabnehmers, wenn ein Verschleiß auftritt, insbesondere ein Verschleiß der etwaigen vorhandenen Schleifleiste oder von Gelenken und/oder Lagern. Wenn die Schleifleiste nämlich entlang der Oberleitung bewegt wird, wird diese zumindest teilweise abgetragen, so dass ein Gewicht verringert ist. Infolgedessen verändert sich Resonanzfrequenz des Stromabnehmers. Dies wird mittels der zyklischen Neuermittlung der Resonanzfrequenz berücksichtigt. Anhand der Änderung der Resonanzfrequenz wird bevorzugt auf den Verschleiß geschlossen. Hierbei wird beispielsweise ein übermäßiger Verschleiß festgestellt, falls sich die Resonanzfrequenz zwischen zwei Neuermittlungen um mehr als einen Grenzwert ändert.
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Besonders bevorzugt wird eine Fehlermeldung ausgegeben, wenn die neu ermittelte Resonanzfrequenz außerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs ist. Der Frequenzbereich ist insbesondere bei Herstellung des Fahrzeugs vorgegeben und/oder spezifisch für das Fahrzeug und/oder den Stromabnehmer. Der Frequenzbereich weist einen oberen und einen unteren Grenzwert auf. Sofern die neu ermittelte Resonanzfrequenz kleiner als der untere Grenzwert oder größer als der obere Grenzwert ist, wird die Fehlermeldung ausgegeben. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Bus-Systems. Alternativ oder in Kombination hierzu wird die Fehlermeldung in einen Fehlerspeicher ausgegeben. Der Fehlerspeicher ist geeigneterweise in einer Werkstatt und/oder von einem Wartungspersonal auslesbar. Aufgrund der Ausgabe in den etwaigen Speicher ist es ermöglicht, dass innerhalb einer Werkstatt, beispielsweise im Rahmen von planmäßigen Wartungsintervallen, der Verschleiß des Stromabnehmers vergleichsweise zeitsparend ermittelt werden kann. Beispielsweise wird die Fehlermeldung mittels einer Ausgabevorrichtung, wie einem Display, ausgegeben, so dass einem etwaigen Fahrer des Fahrzeugs der Verschleiß signalisiert wird. Aufgrund dessen kann der Fahrer des Fahrzeugs frühzeitig eine Werkstatt oder dergleichen aufsuchen, so dass ein Ausfall des Stromabnehmers und somit des ganzen Fahrzeugs aufgrund übermäßigen Verschleiß vermieden ist.
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Das Fahrzeug weist einen Stromabnehmer mit einem Sensor auf. Der Sensor weist beispielsweise eine Metallmembran auf, die besonders bevorzugt piezoelektrisch anregbar ist. Zweckmäßigerweise ist eine Schwingung der Membran piezoelektrisch erfassbar. Insbesondere ist der Sensor mechanisch direkt mit einer Schleifleiste des Stromabnehmers verbunden und beispielsweise an dieser befestigt, geeigneterweise starr. Infolgedessen breiten sich Schwingungen zwischen der Schleifleiste und dem Sensor im Wesentlichen ungehindert aus. Der Stromabnehmer ist besonders bevorzugt an einem Dach des Fahrzeugs befestigt und weist vorzugsweise vertikal nach oben, wobei eine etwaige Schleifleiste zweckmäßigerweise die obere Begrenzung des Stromabnehmers darstellt.
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Zum Beispiel ist das Fahrzeug schienengebunden und beispielsweise eine Elektrolokomotive, ein Triebwagen oder eine Straßenbahn. Besonders bevorzugt ist das Fahrzeug ein straßengebundenes Kraftfahrzeug, wie ein Oberleitungsbus oder ein Oberleitungslastkraftwagen. Hierbei ist die Position des straßengebundenen Kraftfahrzeugs auf einer Straße im Wesentlichen frei wählbar und geeigneterweise hinsichtlich einer Oberleitung nicht vorgegeben.
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Das Fahrzeug weist ferner eine Steuereinheit auf, die geeignet, zweckmäßigerweise vorgesehen und eingerichtet ist, ein Verfahren zur Erkennung eines mechanischen Kontakts zwischen einer Oberleitung und dem Stromabnehmer durchzuführen. Hierbei wird der Stromabnehmer mechanisch erregt, insbesondere mittels des Sensors. Eine Frequenz einer resultierenden Schwingung des Stromabnehmers wird erfasst, insbesondere die Frequenz der resultierenden Schwingung des Sensors, wobei die Erfassung vorzugsweise mittels des Sensors selbst erfolgt. Die Frequenz wird mit einer Resonanzfrequenz des unkontaktierten Stromabnehmers verglichen. Die Resonanzfrequenz bildet sich hierbei in dem Stromabnehmer, insbesondere dem Sensor aus, falls dieser mechanisch erregt wird, jedoch nicht in mechanischem Kontakt mit der Oberleitung ist. Bei einer Abweichung der Frequenz von der Resonanzfrequenz um mehr als einen Toleranzwert wird auf einen mechanischen Kontakt zwischen der Oberleitung und dem Stromabnehmer geschlossen. Die Steuereinheit umfasst beispielsweise einen programmierbaren Microcontroller oder einen anwenderspezifischen Schaltkreis (ASIC) .
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Die im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Erkennung eines mechanischen Kontakts zwischen einer Oberleitung und einem Stromabnehmer eines Fahrzeugs ausgeführten Weiterbildungen und Vorteile sind sinngemäß auch auf das Fahrzeug zu übertragen und umgekehrt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 ein Verfahren zur Erkennung eines mechanischen Kontakts zwischen einer Oberleitung und einem Stromabnehmer eines Fahrzeugs, und
- 2 schematisch vereinfacht in einer Seitenansicht das Fahrzeug und die Oberleitung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Verfahren 2 zur Erkennung eines mechanischen Kontakts zwischen einer in 2 gezeigten Oberleitung 4 und einem Stromabnehmer 6 eines Fahrzeugs 8 gezeigt. Das Fahrzeug 8 ist ein straßengebundenes Kraftfahrzeug in Form eines Oberleitungslastkraftwagens, das eine Anzahl an Rädern 10 aufweist. Hierbei ist der mechanische Kontakt zwischen dem Fahrzeug 8 und einer nicht näher dargestellten Straße mittels der Räder 10 erstellt, die jeweils einen nicht näher dargestellten aus einem Gummi und/oder Kautschuk gefertigten Reifen aufweisen. Zumindest zwei der Räder 10 sind lenkbar ausgestaltet, und zumindest zwei der Räder 10 sind mittels eines nicht näher dargestellten Elektromotors angetrieben. Mittels der Oberleitung 4 wird eine elektrische Energie zum Betrieb des Elektromotors bereitgestellt.
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Das Fahrzeug 8 weist ein Dach 12 auf, an dem der Stromabnehmer 6 befestigt ist. Dieser weist einen elektrischen, pneumatischen und/oder hydraulischen Verstellantrieb 14 auf, der ebenfalls an dem Dach 12 befestigt ist. Mittels des Verstellantriebs 14 und einer nicht näher dargestellten mechanischen Feder wird die Ausdehnung des Stromabnehmers 6 in vertikaler Richtung eingestellt. Der Stromabnehmer 6 weist ferner an dessen dem Dach 12 abgewandten Ende eine Schleifleiste 16 auf, wobei mittels des Verstellantriebs 14 der Abstand zwischen der Schleifleiste 16 und dem Dach 12 eingestellt wird. An der Schleifleiste 16 ist ein Sensor 18 starr befestigt, der eine nicht näher dargestellte Metallmembran aufweist. An der metallenen Membran (Metallmembran) ist ein nicht näher dargestelltes Piezoelement angebunden, welches sowohl einen Piezoaktor als auch einen Piezosensor bildet. Ferner weist das Fahrzeug 8 eine Steuereinheit 22 auf, mittels derer das Verfahren 2 durchgeführt wird.
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Das Verfahren sieht vor, dass in einem ersten Arbeitsschritt 24 das Kraftfahrzeug 8 gestartet wird. Hierbei wird beispielsweise von einem Fahrer ein Startknopf oder dergleichen gedrückt. In diesem Zustand ist die Schleifleiste 16 von der Oberleitung 4 beabstandet. Die Schleifleiste 16 wird in diesem Zustand mittels des Verstellantriebs 14 gehalten. In einem anschließenden zweiten Arbeitsschritt 26 wird eine Resonanzfrequenz 28 des unkontakierten Stromabnehmers 6 ermittelt. Die Ermittlung der Resonanzfrequenz 28 erfolgt somit zyklisch jedes Mal nach dem ersten Arbeitsschritt 24, also jedes Mal dann, wenn das Fahrzeug 8 erneut gestartet wird. Zur Ermittlung der Resonanzfrequenz 28 wird mittels des Piezoelements des Sensors 18 die Schleifleiste 16 in eine mechanische Schwingung versetzt. Die Anregung erfolgt mit einer Frequenz, die einer zuvor ermittelten Resonanzfrequenz 28 entspricht. Direkt nach dem Aufbringen der Schwingung wird die Frequenz ermittelt, mit der der Sensor 18 schwingt. Diese Frequenz wird als neue Resonanzfrequenz 28 herangezogen. Zudem wird die Änderung der Resonanzfrequenz 28 erfasst und in einem nicht näher dargestellten Speicher der Steuereinheit 22 hinterlegt.
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In einem sich anschließenden dritten Arbeitsschritt 30 wird anhand der Änderung der Resonanzfrequenz 28 auf einen Verschleiß geschlossen, wofür die Änderung der Resonanzfrequenz 28 mit einem bestimmten Grenzwert verglichen wird. Sofern die Änderung größer als ein bestimmter Grenzwert ist, der 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 % oder 6 % der Resonanzfrequenz 28 ist, wird eine Fehlermeldung 32 ausgegeben. Die Fehlermeldung 32 wird ebenfalls ausgegeben, falls die neu ermittelte Resonanzfrequenz 28 außerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs ist. Der Frequenzbereich ist bei Fertigung des Kraftfahrzeugs 8 vorgegeben und in der Steuereinheit 22 hinterlegt. Eine Änderung der Resonanzfrequenz 28 erfolgt im Wesentlichen aufgrund eines Verschleißes der Schleifleiste 16 sowie eines Verschleißes von Lagern und Gelenken des Stromabnehmers 6.
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Die Fehlermeldung 32 wird in einem Speicher der Steuereinheit 22 abgespeichert und dem Fahrer des Kraftfahrzeugs 8 visuell mit einem nicht näher dargestellten Display signalisiert. Sofern die Fehlermeldung 32 vorliegt, wird beispielsweise das Verfahren 2 abgebrochen und ein Bewegen des Kraftfahrzeugs 8 ist insbesondere nicht möglich.
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Sofern die Fehlermeldung 32 nicht vorliegt, wird ein vierter Arbeitsschritt 34 ausgeführt, bei dem der Verstellvertrieb 14 betätigt wird. Folglich wird die Schleifleiste 16 in vertikaler Richtung von dem Dach 12 beabstandet, sodass diese an der Oberleitung 4 zum Anliegen kommt. Zur Überprüfung, ob die Schleifleiste 16 tatsächlich in direktem mechanischen Kontakt mit der Oberleitung 4 ist, wird in einem fünften Arbeitsschritt 36 der Sensor 18 angesteuert und mit der Resonanzfrequenz 28 mechanisch erregt. Somit wird der Stromabnehmer 6, nämlich dessen Sensor 18 sowie dessen Schleifleiste 16, mechanisch erregt. Zusammenfassend wird mittels Ansteuerung des Piezoelements des Sensors 18 auf den Sensor 18 und auf die Schleifleiste 16 eine mechanische Schwingung aufgebracht, deren Frequenz die Resonanzfrequenz 28 ist. Hierfür wird das Piezoelement als Piezoaktor angesteuert.
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In einem sich anschließenden sechsten Arbeitsschritt 38 wird die aufgrund der mechanischen Erregung resultierende Schwingung und deren Frequenz 40 erfasst. Die Erfassung der Schwingung und somit auch ebenfalls der Frequenz 40 erfolgt mittels des Sensors 18 und dessen Piezoelements, welches als Piezosensor wirkt.
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In einem sich anschließenden siebten Arbeitsschritt 42 wird die Frequenz 40 mit der Resonanzfrequenz 28 verglichen. Hierfür wird die Differenz zwischen der Frequenz 40 und der Resonanzfrequenz 28 gebildet und der Betrag hiervon als eine Abweichung 44 herangezogen. Alternativ wird als Abweichung 44 das Verhältnis der Resonanzfrequenz zu der Frequenz 40 als Abweichung 44 herangezogen. Sofern die Abweichung 44 größer als ein Toleranzwert 46 ist, also falls die Frequenz 40 von der Resonanzfrequenz 28 um mehr als den Toleranzwert 46 abweicht, wird in einem achten Arbeitsschritt auf einen mechanischen Kontakt zwischen der Oberleitung 4 und dem Stromabnehmer 6 geschlossen. Mit andern Worten wird angenommen, dass die Schleifleiste 16 mechanisch direkt an der Oberleitung 4 anliegt. Aufgrund der mechanischen Anlage der Oberleitung 4 an der Schleifleiste 16 ist deren Eigenschwingung verändert, so dass diese als Eigenfrequenz nicht mehr die Resonanzfrequenz 28 aufweist. Sofern die Frequenz 40 von der Resonanzfrequenz 28 um weniger als den Toleranzwert 46 abweicht, wird auf keinen mechanischen Kontakt zwischen dem Stromabnehmer 6 und der Oberleitung 4 geschlossen.
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Diese Information wird dem Fahrer des Kraftfahrzeugs 8 mit einer Anzeigevorrichtung signalisiert, beispielsweise visuell mittels eines Displays oder mittels eines Audiosignals, oder die Information wird in einem Speicher der Steuereinheit 22 hinterlegt. Der fünfte, sechste, siebte und achte Arbeitsschritt 36, 38, 42, 48 können in zeitlichen Abständen so lange wiederholt werden , solange das Kraftfahrzeug 8 betrieben ist.
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Zusammenfassend wird mittels des Verfahrens 2 erfasst, insbesondere detektiert, ob ein mechanischer Kontakt zwischen dem Stromabnehmer 6, insbesondere dessen Schleifleiste 16, und der Oberleitung 4 besteht. Hierfür wird mittels des als Erregers fungierenden Sensors 18 ein mechanisches Schwingungsmuster in die Schleifleiste 16 eingebracht und die Frequenz 40 der resultierenden Schwingung ermittelt. Falls die Schleifleiste 16 die Oberleitung 4 berührt, also ein direkter mechanischer Kontakt hergestellt ist, wird das eingeschwungene System verstimmt. Mittels Auswertung der mittels des Sensors 18 erfassten Signale wird auf den mechanischen Kontakt zwischen dem Stromabnehmer 6 und der Oberleitung 4 geschlossen, und ein Signal für den vorhandenen Kontakt zwischen der Oberleitung 4 und dem Stromabnehmer 6 wird insbesondere generiert. Dieses Signal wird vorzugsweise dem Fahrer des Kraftfahrzeugs 8 präsentiert, insbesondere signalisiert. Die Resonanzfrequenz 28 des nicht kontaktierten Stromabnehmers 6 wird zyklisch neu ermittelt. Infolgedessen führen auftretende Ereignisse, wie ein Verschleiß der Schleifleiste 16 oder etwaiger Gelenke, nicht zur fehlerhaften Erkennung des mechanischen Kontakts und somit insbesondere nicht zu Fehlauslösungen. Ferner wird der Drift der Resonanzfrequenz 28 zur vorbeugenden Fehlererkennung ausgewertet. Aufgrund des Sensors 18 ist eine Masse des Stromabnehmers 6 lediglich vergleichsweise gering erhöht. Auch sind Herstellungskosten im Vergleich zu anderen Sensoren reduziert.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
