DE102018219705A1

DE102018219705A1 - Fahrzeugkomponente mit einer Schwingeinheit

Info

Publication number: DE102018219705A1
Application number: DE102018219705.9A
Authority: DE
Inventors: Kevin Holder; Lars Hoffmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugkomponente (1) mit einer Schwingeinheit (2) zur Umwandlung von kinetischer Energie einer schwingenden Masse in elektrische Energie. Die Schwingeinheit (2) umfasst einen Läufer (3) mit zumindest einem daran befestigten Magneten (4) und zumindest eine Spule (5). Der Läufer (3) ist mittels zumindest einer Feder (6, 7) in Richtung einer Schwingungsachse (8) schwingbeweglich an einem Trägerbauteil (9) der Schwingeinheit (2) angeordnet, um durch Schwingungen des zumindest einen Magneten (4) gegenüber der an dem Trägerbauteil (9) der Schwingeinheit (2) befestigten Spule (5) elektrische Energie zu generieren. Dabei ist der Läufer (3) zumindest teilweise innerhalb der Spule (5) angeordnet.Ferner werden ein Fahrzeug mit einer solchen Fahrzeugkomponente (1) und ein Verfahren zur Ermittlung eines maximalen Energieertrags aus einer Mehrzahl an entsprechenden Schwingeinheiten (2) beansprucht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugkomponente mit einer Schwingeinheit zur Umwandlung von kinetischer Energie einer schwingenden Masse in elektrische Energie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ferner werden ein Fahrzeug mit einer solchen Fahrzeugkomponente sowie ein Verfahren zur Ermittlung eines maximalen Energieertrags aus einer Mehrzahl an entsprechenden Schwingeinheiten angegeben.
Im Hinblick auf eine Verbesserung einer Zustandsüberwachung und vorausschauenden Wartung von Fahrzeugen werden immer mehr funktionale Elemente wie Sensoren und weitere elektronische Komponenten an verschiedenen Fahrzeugkomponenten eingesetzt. Diese können beispielsweise genutzt werden, um die Belastung und den aktuellen Zustand der einzelnen Fahrzeugkomponenten möglichst kontinuierlich und zeitnah zu überwachen. Neben einer zentralen Fahrzeugsteuerungseinrichtung werden daher die Fahrzeugkomponenten im Sinne einer dezentralen Steuerung mit immer mehr und umfassenderen elektronischen Steuerungskomponenten ausgestattet. Dies sind beispielsweise Sensoren, Prozessoren und Speicherelemente. Solche elektronischen Steuerungskomponenten benötigen elektrische Energie. Die Versorgung aller Fahrzeugkomponenten und deren Steuerungskomponenten mit elektrischer Energie von einer zentralen Energiequelle bzw. von zentralen Energiespeichern stellt einen erheblichen Aufwand dar. Um diesen Aufwand zu vermeiden wurden daher schon Einrichtungen zur lokalen Energieversorgung von Fahrzeugkomponenten vorgeschlagen.
So ist aus der DE 195 20 521 A1 ein Stromerzeuger zum Umwandeln einer Schwingungs- bzw. Vibrationsbewegung in elektrische Energie bekannt. Der Stromerzeuger kann beispielsweise zur lokalen Energieversorgung eines mobilen Ortungsgeräts an einem Schienenfahrzeug verwendet werden. Eine Ausführung des mobilen Ortungsgeräts umfasst auch Sensoren, beispielsweise einen Beschleunigungssensor. Der Stromerzeuger weist eine Trägerstruktur mit daran befestigten separaten Magneten auf, wobei die Trägerstruktur mittels Federungsmitteln in einem Gehäuse aufgehängt ist. Die federnd aufgehängte Trägerstruktur bildet mit dem Gehäuse also eine Schwingeinheit. An dem Gehäuse sind im Einflussbereich der Magnete Ankerwicklungen auf entsprechenden Ankern befestigt. Die Anker mit den Ankerwicklungen sind so angeordnet, dass sie mit den separaten Magneten magnetisch gekoppelt sind, so dass bei einer gegenseitigen Bewegung der Trägerstruktur und des Gehäuses relativ zueinander magnetische Flußänderungen bewirkt werden, welche wiederum in den Ankerwicklungen einen elektrischen Strom erzeugen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Fahrzeugkomponente mit einer Schwingeinheit zur Umwandlung von kinetischer Energie einer schwingenden Masse in elektrische Energie zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik insbesondere im Hinblick auf eine kompakte Bauweise sowie auf eine zuverlässige und langlebige Funktion verbessert ist. Ferner soll ein Fahrzeug mit einer solchen Fahrzeugkomponente und ein Verfahren zur Ermittlung eines maximalen Energieertrags aus einer Mehrzahl an entsprechenden Schwingeinheiten angegeben werden.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Fahrzeugkomponente mit einer Schwingeinheit zur Umwandlung von kinetischer Energie einer schwingenden Masse in elektrische Energie mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und ein Verfahren gemäß Anspruch 15. Vorteilhafte Ausführungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demnach wird eine Fahrzeugkomponente mit einer Schwingeinheit zur Umwandlung von kinetischer Energie einer schwingenden Masse in elektrische Energie beansprucht. Die Schwingeinheit umfasst einen Läufer mit zumindest einem daran befestigten Magneten und zumindest eine Spule. Bei der Spule handelt es sich um ein elektrotechnisches Bauteil mit zumindest einer Wicklung eines Stromleiters. Der Läufer mit dem Magneten bildet die schwingende Masse der Schwingeinheit. Der Läufer ist mittels zumindest einer Feder in Richtung einer Schwingungsachse schwingbeweglich an einem Trägerbauteil der Schwingeinheit angeordnet, sodass sich bei einer Schwingungsanregung durch eine Beschleunigung eine Schwingung des Läufers gegenüber dem Trägerbauteil einstellt. Eine nur kurze oder impulsartige Anregung führt zu einer abklingenden Schwingung des Läufers. Durch die Bewegung des Läufers mit dem Magneten wird in der stationären Spule eine Spannung induziert. Die aus der Bewegung des Läufers erzeugte Energie kann genutzt werden für in die Fahrzeugkomponente verbaute Elektronik, beispielsweise Sensorik, einen Prozessor und/oder Sende- oder Empfangseinrichtungen zum Datenaustausch mit anderen Steuerungseinrichtungen. Die Fahrzeugkomponente erhält dadurch eine autarke Energieversorgung und benötigt keine elektrische Energiezufuhr von außen. Die Fahrzeugkomponente kann auch einen elektrischen Speicher zum Zwischenspeichern der von der Schwingeinheit generierten elektrischen Energie umfassen. In einem Schienenfahrzeug kann eine Schwingungsanregung beispielsweise beim Überfahren von Schienenstößen und den daraus folgenden Beschleunigungen auf das Schienenfahrzeug und dessen Fahrzeugkomponenten entstehen. Aber auch bei Straßenfahrzeugen werden beispielsweise beim Überfahren von Unebenheiten auf der Fahrbahn Schwingungsanregungen, die von einer Fahrzeugkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung zum Generieren elektrischer Energie genutzt werden können.
Der Läufer kann einen Magnetträger und den Magneten selber umfassen. Der Magnetträger bildet quasi eine Hülle oder ein Gehäuse das den Magneten aufnimmt. Der Magnetträger in Form eines Gehäuses kann dazu dienen, dass der Magnet keinem mechanischen Verschleiß ausgesetzt ist. Der Magnetträger bzw. das Gehäuse kann aus einem Werkstoff hergestellt oder beschichtet sein, welcher die Reibung minimiert. An dem Magnetträger kann auch die zumindest eine Feder angekoppelt sein. Als Feder eignet sich grundsätzlich jedes elastische Element, dessen Federeigenschaften die Funktion der Schwingeinheit ermöglicht. Durch die Schwingungen des zumindest einen Magneten gegenüber der an dem Trägerbauteil der Schwingeinheit befestigten Spule wird elektrische Energie generiert. Es ist ferner vorgesehen, dass der Läufer zumindest teilweise innerhalb der Spule angeordnet ist. Eine solche Anordnung ermöglicht einen kompakten Aufbau der Schwingeinheit und damit auch der Fahrzeugkomponente.
Vorteilhaft kann zwischen dem Läufer und der Spule ein Führungsrohr angeordnet werden, sodass der schwingbeweglich aufgehängte Läufer im Betrieb von dem Führungsrohr zuverlässig entlang der Schwingungsachse geführt wird. Auch das Führungsrohr kann aus einem Werkstoff hergestellt oder beschichtet sein, welcher die Reibung minimiert. Das Führungsrohr und der Läufer können insbesondere jeweils zylindrisch geformt sein, sodass sich der Läufer im Betrieb entlang einer zylindrischen Innenseite des Führungsrohrs bewegt und sich erforderlichenfalls daran abstützen kann. Das Führungsrohr kann an dem Trägerbauteil befestigt sein. Das Führungsrohr kann vorteilhaft aus einem Material hergestellt sein, welches das magnetische Feld des Magneten nicht beeinflusst, beispielsweise aus Kunststoff.
Auch das Trägerbauteil kann im Wesentlichen ebenfalls rohrförmig ausgestaltet sein, wobei die Schwingungsachse koaxial zur Mittelachse des rohrförmigen Trägerbauteils verläuft. Das Trägerbauteil trägt somit die Spule und das Führungsrohr. Die Spule und das Führungsrohr können koaxial zur Schwingungsachse angeordnet und in dem rohrförmigen Trägerbauteil befestigt sein. Folglich ist die Spule zwischen dem innen angeordneten Führungsrohr und dem außen angeordneten Trägerbauteil eingebaut. In einer solchen Ausführung sind also die Schwingungsachse, der Läufer, das Führungsrohr, die Spule und das Trägerbauteil koaxial zueinander angeordnet. An dem rohrförmigen Trägerbauteil kann zumindest ein Befestigungselement angeordnet sein, um die gesamte Schwingeinheit einfach an der Fahrzeugkomponente zu befestigen. Das Befestigungselement kann beispielsweise als Befestigungslasche mit einer Durchgangsbohrung ausgeführt sein, um das Trägerbauteil mit einer oder mehreren Befestigungsschrauben an der Fahrzeugkomponente festschrauben zu können.
Eine besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn der Läufer mit zwei Schraubenfedern in dem Trägerbauteil aufgehängt ist, wobei die beiden Schraubenfedern auf entgegengesetzten Seiten des Läufers angeordnet sind und sich jeweils in Richtung der Schwingungsachse erstrecken. Es können beispielsweise Schraubenzugfedern verwendet werden. Vorteilhaft sind die Mittelachsen der beiden Schraubenfedern koaxial zu der Schwingungsachse ausgerichtet. Mit jeweils einer Schraubenfeder an zwei entgegengesetzten Seiten des Läufers kann dieser sicher in dem Trägerbauteil aufgehängt werden.
Die Schwingungsachse ist bevorzugt so ausgerichtet, dass im Fahrbetrieb auftretende Beschleunigungen an der Fahrzeugkomponente eine maximale Schwingungsanregung an der Schwingeinheit bewirken. Auf diese Weise kann die maximale elektrische Energie gewonnen werden, um eine ausreichende Energieversorgung der elektrischen Verbraucher an der Fahrzeugkomponente zu gewährleisten. Das ist besonders bei Anwendungsfällen wichtig, bei denen die Schwingungsanregung eher gering ist.
Zu demselben Zweck kann ferner vorgesehen sein, dass die Masse des Läufers und die Federsteifigkeit bzw. die Federkennlinie der zumindest einen Feder so gewählt sind, dass eine Resonanzfrequenz der Schwingeinheit mit einer sich im Betrieb der eingebauten Fahrzeugkomponente einstellenden Anregungsfrequenz zusammenfällt. Das heißt die Anregungsfrequenz stimmt mit der Resonanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz der Schwingeinheit überein, sodass sich der Schwingeffekt im Laufe anhaltender periodischer Schwingungsanregung erhöht und folglich mehr kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Resonanzfrequenz eines Einmassenschwingers kann grundsätzlich geändert werden durch Veränderung der Federsteifigkeit oder durch Veränderung der schwingenden Masse, oder auch durch Veränderung der Federsteifigkeit und der schwingenden Masse.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Fahrzeugkomponente ein Getriebe, bei dem zumindest zwei Verzahnungen miteinander im Eingriff sind, sodass im Betrieb Verzahnungsfrequenzen auftreten. Dabei ist die Resonanzfrequenz der Schwingeinheit so gewählt, dass die Resonanzfrequenz bei einer Reisegeschwindigkeit mit der Verzahnungsfrequenz erster Ordnung zusammenfällt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, bei dem eine Anregungsfrequenz mit der Resonanzfrequenz der Schwingeinheit zur Übereinstimmung gebracht wird, wird als Anregungsfrequenz der Sinuslauf eines Schienenfahrzeugs in den Schienen verwendet. Der Sinuslauf bezeichnet sozusagen das Schlingern der konisch profilierten und starr miteinander gekoppelten Schienenräder eines Radsatzes in den beiden Schienensträngen, mit anderen Worten einen Zick-Zack-Lauf des Radsatzes auf den Schienen. Diese Bewegung ist in der Regel sinusförmig und hat in bestimmten Grenzen eine konstante Wellenlänge, also eine mit der Fahrgeschwindigkeit zunehmende Frequenz. Zur Maximierung des elektrischen Energieertrags kann also die Resonanzfrequenz der Schwingeinheit auf die Frequenz des Sinuslaufs bei einer typischen Reisegeschwindigkeit abgestimmt werden. Die Schwingungsachse muss in diesem Fall quer zur Fahrtrichtung, also in Achsrichtung, ausgerichtet werden.
Zur einfachen und schnellen Abstimmung einer Resonanzfrequenz der Schwingeinheit mit einer sich im Betrieb der eingebauten Fahrzeugkomponente einstellenden Anregungsfrequenz ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Schwingeinheit so ausgeführt und so an der Fahrzeugkomponente angeordnet ist, dass die Masse und die Federsteifigkeit bei einer eingebauten Schwingeinheit veränderbar sind. Das heißt beispielsweise, dass die zumindest eine Feder lösbar mit dem Trägerbauteil und dem Läufer verbunden ist. Ferner sollte die in der Fahrzeugkomponente und in einem Fahrzeug eingebaute Schwingeinheit und insbesondere deren Federn und Läufer zugänglich sein oder mit wenig Aufwand zugänglich gemacht werden können. Die schwingende Masse kann beispielsweise durch den Austausch des Läufers oder des Magneten der Schwingeinheit verändert werden. Die Federsteifigkeit kann entweder durch den Austausch der zumindest einen Feder oder durch ein Verändern der Vorspannung der zumindest einen Feder erreicht werden, sofern deren Federkennlinie nicht linear ist.
Die Schwingeinheit weist vorzugsweise Endanschläge auf, welche die Schwingbewegung des Läufers begrenzen. Mit anderen Worten wird die Amplitude der Schwingung auf einen Maximalwert begrenzt. Dadurch können übermäßige Schwingungsamplituden im Resonanzfall und eine dadurch verursachte Überbelastung der Bauteile vermieden werden.
Die Fahrzeugkomponente kann ein Getriebe sein und die Schwingeinheit kann in einem Gehäuse des Getriebes so angeordnet sein, dass die Schwingeinheit durch im Innenraum des Gehäuses befindliches Schmieröl geschmiert wird. Auf diese Weise wird ein übermäßiger Verschleiß verhindert und die Lebensdauer der Schwingeinheit und des gesamten Getriebes erhöht.
Wenn die Fahrzeugkomponente ein Getriebe ist, dann kann das Trägerbauteil einteilig mit einem Gehäuse des Getriebes ausgeführt sein. Somit wird die Schwingeinheit quasi in das Getriebegehäuse integriert. Eine solche Ausführung ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise spart damit Bauraum und die Anzahl an Bauteilen ist reduziert. Anstatt eines rohrförmigen separaten Trägerbauteils genügt in diesem Fall eine Bohrung in dem Getriebegehäuse, in der der Läufer schwingbeweglich aufgehängt ist. Die Spule kann dabei ebenfalls in der Bohrung bzw. in einer erweiterten Bohrung in dem Getriebegehäuse stationär angeordnet sein.
Vorzugsweise umfasst die Schwingeinheit zumindest ein Sensorelement zur Zustandsüberwachung der Fahrzeugkomponente. Ein solches Sensorelement kann mit elektronischen Komponenten ausgestattet sein, welche elektrische Energie benötigen. Die Versorgung solcher elektronischen Komponenten kann mithilfe der in der Schwingeinheit umgewandelten elektrischen Energie erfolgen. Dadurch dass das Sensorelement baulich in der Schwingeinheit integriert ist, kann weiterer Bauraum gegenüber herkömmlichen Lösungen mit separat angeordneten Sensorelementen eingespart werden.
Besonders bevorzugt kann die Schwingeinheit selbst als Beschleunigungssensor verwendet werden, indem über den Schwingungsverlauf in der Schwingeinheit oder über die in der Spule erzeugte elektrische Spannung bzw. den daraus resultierenden Strom eine Beschleunigung erfasst wird. Durch gegebene Federkonstanten und die Masse des Läufers kann auf die Beschleunigung geschlossen werden. Die Schwingeinheit erfüllt somit also zwei Funktionen. Zum einen dient sie der Generierung elektrischer Energie und zum anderen dient sie der Erfassung von Beschleunigungen. Auf einen separaten Beschleunigungssensor kann somit verzichtet werden.
Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass die Schwingungsachse der Schwingeinheit so ausgerichtet ist, dass mit der Schwingeinheit als Beschleunigungssensor fahrzeugtypische Belastungen erfasst werden können. Die über einen Zeitraum erfassten Belastungen können beispielsweise für eine vorausschauende Wartung, auch „Predictive Maintenance“ genannt, verwendet werden. Das bedeutet, dass ein Wartungsintervall beispielsweise verkürzt wird, wenn während eines Zeitraums höhere Belastungen erfasst werden und umgekehrt. Eine solche fahrzeugtypische Belastung entsteht beispielsweise bei einem Kopplungsvorgang, bei dem zwei Schienenfahrzeuge aneinander angekoppelt werden. Dabei entsteht ein gewisser Stoß in Fahrtrichtung, der zum einen zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt und gleichzeitig mithilfe des Beschleunigungssensors hinsichtlich einer Belastung der Fahrzeugkomponenten bewertet werden kann. Um den Stoß und die Belastung erfassen zu können muss die Schwingeinheit an der Fahrzeugkomponente also ebenfalls in Fahrtrichtung ausgerichtet sein.
Um andere typische Belastungen zu erfassen kann die Schwingungsachse der Schwingeinheit auch anders ausgerichtet werden. Die Schwingungsachse wird beispielsweise quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet, wenn die Belastungen aus dem oben erläuterten Sinuslauf erfasst werden sollen. Der Sinuslauf erzeugt eine Schwingungsanregung, die im Wesentlichen quer zur Fahrtrichtung gerichtet ist. Um Belastungen beim Überfahren von Schienenstößen zu bewerten, kann die Schwingeinheit so angeordnet werden, dass die Schwingungsachse in vertikaler Richtung verläuft. Mit der letztgenannten Ausrichtung der Schwingungsachse kann durch eine statistische Betrachtung einer Schwingsignatur über einen Zeitraum zudem eine Veränderung der Schieneninfrastruktur ermittelt werden. Dazu werden beispielsweise Änderungen von Schwingungsamplituden und des Resonanzverhaltens über einen Zeitraum ermittelt und ausgewertet. Aus den Ergebnissen können mögliche Wartungs- oder Instandhaltungsmaßnahmen für die Schieneninfrastruktur abgeleitet und veranlasst werden.
Die Erfindung umfasst ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, das zumindest eine Fahrzeugkomponente aufweist, die mit einer Schwingeinheit ausgestattet ist, welche zumindest ein Sensorelement zur Zustandsüberwachung der Fahrzeugkomponente oder einer anderen Komponente umfasst. Vorzugsweise ist auch dabei die Schwingungsachse der Schwingeinheit so ausgerichtet, dass mit der Schwingeinheit fahrzeugtypische Belastungen erfasst werden können.
Schließlich umfasst die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Ermittlung eines maximalen Energieertrags aus einer Mehrzahl an Schwingeinheiten einer der oben beschriebenen Fahrzeugkomponenten. Dazu ist vorgesehen, dass ein Schienenfahrzeug mit mehreren Schwingeinheiten ausgestattet und zunächst über einen Messzeitraum betrieben wird, wobei die jeweils schwingende Masse und/oder die Federsteifigkeit der zumindest einen Feder der einzelnen Schwingeinheiten unterschiedliche Werte aufweisen. Vorzugsweise sind die Schwingeinheiten dabei an derselben oder zumindest an gleichen Fahrzeugkomponenten angeordnet und deren Schwingungsachse verläuft in dieselbe Richtung, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Über den Messzeitraum wird dann der Energieertrag oder die Amplitude der Schwingung jeder einzelnen Schwingeinheit gemessen. Schließlich können durch einen Vergleich des Energieertrags oder der maximal erreichten Amplitude der einzelnen Schwingeinheiten in dem Messzeitraum die optimalen Werte für die schwingende Masse und/oder die Federsteifigkeit einer derartigen Schwingeinheit ermittelt werden. Die beschriebenen Schritte des Verfahrens können auch mehrmals hintereinander durchgeführt werden, um in iterativen Schritten ein optimales Ergebnis im Hinblick auf einen maximalen Energieertrag zu erreichen. Zur Realisierung des maximalen Energieertrags werden für den nachfolgenden Normalbetrieb alle Schwingeinheiten auf die ermittelten optimalen Werte eingestellt. Das heißt die Massen und Federsteifigkeiten werden entsprechend verändert. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Schwingeinheit so ausgeführt und so an der Fahrzeugkomponente angeordnet ist, dass die Masse und die Federsteifigkeit an der eingebauten Schwingeinheit veränderbar sind.
Mithilfe mehrerer Fahrzeugkomponenten mit Schwingeinheiten in einem Schienenfahrzeug kann auch eine redundante Radsatzüberwachung oder Reifenflachstellenüberwachung realisiert werden. Dazu können beispielsweise bei der Überfahrt einer Weiche oder eines Schienenstoßes von mehreren Schwingeinheiten unterschiedliche Schwingsignaturen erzeugt und erfasst werden. Anschließend können diese Schwingsignaturen miteinander verglichen und ausgewertet werden. Dabei sind nicht die reellen bzw. absoluten Werte jeder einzelnen Schwingeinheit ausschlaggebend, sondern der relative Vergleich untereinander. Flachstellen, die durch Bremsungen am Radreifen eines Schienenfahrzeuges entstehen, erzeugen jeweils einen pro Umdrehung wiederkehrenden Stoßimpuls. Werden derartige Stoßimpulse an mehreren Schwingeinheiten erfasst und miteinander verglichen, so kann eine Beschädigung der Reifenlauffläche detektiert werden. Ein solches Verfahren erhöht die Zuverlässigkeit der Ergebnisse bei der Überwachung der genannten Komponenten.
Im Folgenden wird die Erfindung näher erläutert anhand der in den nachfolgenden Figuren abgebildeten Ausführungsbeispiele.
Dabei zeigen die

1 eine erfindungsgemäße Fahrzeugkomponente mit einer außen angeordneten Schwingeinheit in schematischer Darstellung;
2 eine erfindungsgemäße Fahrzeugkomponente mit einer innen angeordneten Schwingeinheit in schematischer Darstellung;
3 eine Schwingeinheit in einer Schnittdarstellung und
4 die Schwingeinheit aus der 3 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.

Bei den in der 1 und in der 2 dargestellten Fahrzeugkomponente 1 handelt es sich jeweils um ein Fahrzeuggetriebe, nämlich um ein Radsatzgetriebe eines Schienenfahrzeugs. Beide Ausführungsformen umfassen jeweils eine Schwingeinheit 2 zur Umwandlung von kinetischer Energie einer schwingenden Masse in elektrische Energie. Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen der 1 und der 2 ist, dass die Schwingeinheit 2 am Radsatzgetriebe gemäß 1 au-ßen an einem Getriebegehäuse 22 und gemäß 2 im Inneren des Getriebegehäuses 22 angeordnet ist. In anderen Ausführungsformen kann die Schwingeinheit 2 auch in einer Gehäusewand des Getriebegehäuses 22 angeordnet sein.
Die als Radsatzgetriebe ausgeführten Fahrzeugkomponenten 1 umfassen eine Antriebswelle 13, von der eine Antriebsleistung über zwei miteinander im Eingriff stehende Stirnzahnräder 14, 15 auf eine Radsatzwelle 16 übertragbar ist. Die Radsatzwelle 16 durchdringt das Getriebegehäuse 22 seitlich an zwei Wellendurchführungen. Im Bereich der beiden Wellenenden der Radsatzwelle 16 sind nicht dargestellte Antriebsräder des Schienenfahrzeugs befestigt. Die Antriebswelle 13 und die Radsatzwelle 16 sind jeweils mittels geeigneter Wälzlager 17, 18, 19, 20, 21 in dem Getriebegehäuse 22 gelagert.
Die 3 zeigt eine Schwingeinheit 2, die einen beweglich aufgehängten Läufer 3 mit einem Magneten 4 und eine feststehende elektrische Spule 5 umfasst. Der Läufer 3 ist mittels zweier Federn 6 und 7 in Richtung einer Schwingungsachse 8 schwingbeweglich an einem Trägerbauteil 9 der Schwingeinheit 2 angebracht. Die Federn 6 und 7 sind jeweils als Schraubenfedern ausgeführt. Der Läufer 3 ist also mit den beiden Schraubenfedern 6 und 7 in dem Trägerbauteil 9 aufgehängt. Die beiden Schraubenfedern 6, 7 sind auf entgegengesetzten Seiten des Läufers 3 angeordnet und erstrecken sich jeweils in Richtung der Schwingungsachse 8. Der Läufer 3 bildet die schwingende Masse der Schwingeinheit 2. Angeregt durch äußere Schwingungsanregungen in Form von Beschleunigung in Richtung der Schwingungsachse 8 wird der Läufer 3 in Schwingung versetzt. Infolge der Schwingungen des im Läufer 3 angeordneten Magneten 4 gegenüber der an dem feststehenden Trägerbauteil 9 befestigten Spule 5 wird elektrische Energie generiert.
Der Läufer 3 umfasst einen Magnetträger 23 und den Magneten 4. Der Magnetträger 23 bildet eine Hülle, in der der Magnet 4 gehalten wird. Die beiden Schraubenfedern 6 und 7 liegen jeweils mit einem Ende an dem Magnetträger 23 an. Mit ihrem jeweils anderen Ende sind die beiden Schraubenfedern 6 und 7 an dem Trägerbauteil 9 bzw. an dem fest mit dem Trägerbauteil verbundenen Führungsrohr 10 befestigt. Im Bereich des jeweils anderen Endes der beiden Schraubenfedern 6 und 7 ist jeweils ein Endanschlag 11, 12 befestigt. Die beiden Endanschläge 11, 12 sind aus elastischem Material hergestellt, um übermäßige Belastungen beim Anschlagen des schwingenden Läufers 3 zu vermeiden.
Die Schwingungseinheit 2 weist ein rohrförmiges Trägerbauteil 9 auf, in dem die Spule 5 koaxial angeordnet ist. Die Schwingungsachse 8 verläuft koaxial zur Mittelachse des rohrförmigen Trägerbauteils 9. Der Läufer 3 ist innerhalb der Spule 5 in einem Führungsrohr 10 angeordnet. Das Führungsrohr 10 erstreckt sich also zwischen dem Läufer 3 und der Spule 5. Das Führungsrohr 10 ist koaxial zu der Schwingungsachse 8 angeordnet, sodass der schwingende Läufer 3 im Betrieb zuverlässig entlang der Schwingungsachse 8 geführt ist. Die Spule 5 und das Führungsrohr 10 liegen beide jeweils mit einer Außenumfangsfläche in einer Bohrung 24 des Trägerbauteils 9 an und werden so in dem Trägerbauteil 9 positioniert. Die Spule 5 ist in Radialrichtung zwischen dem Führungsrohr 10 und dem Trägerbauteil 9 angeordnet.
Die im Folgenden beschriebenen Elemente sind insbesondere in der 4 gezeigt, wobei die 4 ansonsten die in der 3 gezeigte Schwingeinheit 2 in perspektivischer und explosionsartiger Darstellung zeigt.
Zum Befestigen der Schwingeinheit 2 an einer Fahrzeugkomponente weist das Trägerbauteil 9 zwei Befestigungslaschen 25, 26 auf, die starr an dem rohrförmigen Grundkörper des Trägerbauteils 9 befestigt sind. Mittels jeweils einer Befestigungsschraube 29, 30, die durch eine Durchgangsbohrung 27, 28 in den Befestigungslaschen 25, 26 hindurchgeführt wird, kann das Trägerbauteil 9 und damit die Schwingeinheit 2 an einem Gehäuse 22 einer Fahrzeugkomponente festgeschraubt werden. Bedarfsweise kann ein geeignetes Adapterstück 31 zwischen dem Trägerbauteil 9 und der Fahrzeugkomponente angeordnet werden.
In der 4 ist ferner eine elektrische Verbindung 32 dargestellt, über die die in der Spule 5 generierte elektrische Energie abgeführt werden kann. Die Spule 5 kann über die Verbindung 32 auch mit einer elektrischen Speichereinrichtung an der Fahrzeugkomponente 1 in Verbindung stehen, in der die generierte elektrische Energie speicherbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeugkomponente
2: Schwingeinheit
3: Läufer
4: Magnet
5: Spule
6: Feder
7: Feder
8: Schwingungsachse
9: Trägerbauteil
10: Führungsrohr
11: Endanschlag
12: Endanschlag
13: Antriebswelle
14: Stirnrad
15: Stirnrad
16: Radsatzwelle
17: Wälzlager
18: Wälzlager
19: Wälzlager
20: Wälzlager
21: Wälzlager
22: Getriebegehäuse
23: Magnetträger
24: Bohrung
25: Befestigungslasche
26: Befestigungslasche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19520521 A1 [0003]

Claims

Fahrzeugkomponente (1) mit einer Schwingeinheit (2) zur Umwandlung von kinetischer Energie einer schwingenden Masse in elektrische Energie, wobei die Schwingeinheit (2) einen Läufer (3) mit zumindest einem daran befestigten Magneten (4) und zumindest eine Spule (5) umfasst, wobei der Läufer (3) mittels zumindest einer Feder (6, 7) in Richtung einer Schwingungsachse (8) schwingbeweglich an einem Trägerbauteil (9) der Schwingeinheit (2) angeordnet ist, um durch Schwingungen des zumindest einen Magneten (4) gegenüber der an dem Trägerbauteil (9) der Schwingeinheit (2) befestigten Spule (5) elektrische Energie zu generieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (3) zumindest teilweise innerhalb der Spule (5) angeordnet ist.
Fahrzeugkomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Läufer (3) und der Spule (5) ein Führungsrohr (10) erstreckt.
Fahrzeugkomponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerbauteil (9) rohrförmig ausgestaltet ist, und dass die Schwingungsachse (8) koaxial zur Mittelachse des rohrförmigen Trägerbauteils (9) verläuft.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (3) mit zwei Schraubenfedern (6, 7) in dem Trägerbauteil (9) aufgehängt ist, und dass die zwei Schraubenfedern (6, 7) auf entgegengesetzten Seiten des Läufers (3) angeordnet sind und sich jeweils in Richtung der Schwingungsachse (8) erstrecken.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsachse (8) so ausgerichtet ist, dass im Fahrbetrieb auftretende Beschleunigungen an der Fahrzeugkomponente (1) eine maximale Schwingungsanregung an der Schwingeinheit (2) bewirken.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Läufers (3) und die Federsteifigkeit der zumindest einen Feder (6, 7) so gewählt sind, dass eine Resonanzfrequenz der Schwingeinheit (2) mit einer sich im Betrieb der eingebauten Fahrzeugkomponente (1) einstellenden Anregungsfrequenz zusammenfällt.
Fahrzeugkomponente nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugkomponente (1) ein Getriebe ist, bei dem zumindest zwei Verzahnungen miteinander im Eingriff sind, sodass im Betrieb Verzahnungsfrequenzen auftreten, und dass die Masse des Läufers (3) und die Federsteifigkeit der zumindest einen Feder (6, 7) der Schwingeinheit (2) so gewählt sind, dass die Resonanzfrequenz bei einer Reisegeschwindigkeit mit einer Verzahnungsfrequenz erster Ordnung zusammenfällt.
Fahrzeugkomponente nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingeinheit so ausgeführt und angeordnet ist, dass die Masse und die Federsteifigkeit bei einer eingebauten Schwingeinheit veränderbar sind.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingeinheit (2) Endanschläge (11, 12) aufweist, welche die Schwingbewegung des Läufers (3) begrenzen.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugkomponente (1) ein Getriebe ist, und dass die Schwingeinheit (2) in einem Gehäuse (13) des Getriebes so angeordnet ist, dass die Schwingeinheit (2) durch im Innenraum des Gehäuses (13) befindliches Schmieröl geschmiert wird.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugkomponente (1) ein Getriebe ist, und dass das Trägerbauteil (9) einteilig mit einem Gehäuse (13) des Getriebes ausgeführt ist.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingeinheit (2) zumindest ein Sensorelement zur Zustandsüberwachung der Fahrzeugkomponente (1) oder einer anderen Komponente umfasst.
Fahrzeugkomponente nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingeinheit (2) als Beschleunigungssensor verwendet wird, indem über den Schwingungsverlauf in der Schwingeinheit (2) oder über eine in der zumindest einen Spule (5) erzeugte elektrische Spannung bzw. den daraus resultierenden Strom eine Beschleunigung erfasst wird.
Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit zumindest einer Fahrzeugkomponente nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsachse (8) der Schwingeinheit (2) so ausgerichtet ist, dass mit der Schwingeinheit (2) fahrzeugtypische Belastungen erfasst werden können.
Verfahren zur Ermittlung eines maximalen Energieertrags aus einer Mehrzahl an Schwingeinheiten an einer oder mehreren Fahrzeugkomponenten nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schienenfahrzeug mit mehreren Schwingeinheiten ausgestattet und zunächst über einen Messzeitraum betrieben wird, wobei die jeweils schwingende Masse und/oder die Federsteifigkeit der zumindest einen Feder der einzelnen Schwingeinheiten unterschiedliche Werte aufweisen, dass über den Messzeitraum der Energieertrag oder die Amplitude der Schwingung jeder einzelnen Schwingeinheit gemessen wird, und dass durch einen Vergleich des Energieertrags oder der maximal erreichten Amplitude der einzelnen Schwingeinheiten in dem Messzeitraum die optimalen Werte für die schwingende Masse und/oder die Federsteifigkeit einer derartigen Schwingeinheit ermittelt werden.