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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Ermittlung wenigstens einer Zustandsgröße einer
ersten Rad-Schiene-Paarung
aus einem ersten Rad und einer ersten Schiene mittels eines Lichtschnittverfahrens.
Hierbei erzeugt eine an einem Schienenfahrzeug befestigte erste
Projektionseinrichtung eine erste Lichtemission, die unter einem ersten
Winkel zur Längsrichtung
der ersten Schiene auf die erste Schiene auftrifft und im Bereich
der Lauffläche
der ersten Schiene eine scharf begrenzte linienförmige erste Lichtprojektion
erzeugt. Die erste Lichtprojektion wird durch eine an dem Schienenfahrzeug
befestigte erste Bildaufnahmeeinrichtung unter einem zweiten Winkel
zur Längsrichtung
der ersten Schiene aufgenommen. Die Aufnahme der ersten Lichtprojektion
wird dann zur Ermittlung einer ersten Zustandsgröße der ersten Rad-Schiene-Paarung ausgewertet.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung
zur Ermittlung einer solchen Zustandsgröße.
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Der Verschleiß des Schienenkopfes, welcher die
Lauffläche
der Schiene ausbildet, ist neben der damit verbundenen Spurweitenänderung
und dem Zustand der Lauffläche
am jeweiligen Rad des Schienenfahrzeugs eine wichtige Einflussgröße für das Laufverhalten
von Schienenfahrzeugen auf der betreffenden Schiene. Um das Laufverhalten
von Schienenfahrzeugen vorherzusagen bzw. entsprechende stabilisierende
Maßnahmen
zu ergreifen, ist aus der
DE
39 01 185 A1 ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Vorrichtung
bekannt, bei dem bzw. der über
ein solches Lichtschnittverfahren das Laufflächenprofil einer Schiene ermittelt
wird. Hierzu wird von einer an einem Schienenfahrzeug befestigten
Belichtungseinheit senkrecht nach unten, d. h. unter einem ersten
Winkel von 90° zur
Längsrichtung
der Schiene, ein scharf begrenzter Lichtstreifen auf die Lauffläche der
Schiene projiziert. Dieser Lichtstreifen wird durch eine ebenfalls
am Schienenfahrzeug befestigte Videokamera schräg von vorne unter einem zweiten
Winkel von etwa 15° zur
Längsrichtung
der Schiene aufgenommen. Die Aufnahme des Lichtstreifens wird dann
in einer Auswertungseinheit entsprechend ausgewertet, um das aktuelle
Laufflächenprofil
zu bestimmen. Dabei wird durch eine entsprechende Einrichtung für jede Aufnahme
die Position des Lichtstreifens entlang der Schiene erfasst und
der jeweiligen Aufnahme zugeordnet, um die Erstellung eines Profilverlaufs
entlang der Schiene zu ermöglichen.
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Das Laufflächeprofil der ersten Schiene
als erste Zustandsgröße der ersten
Rad-Schiene-Paarung ist zwar eine wichtige Randbedingung für das Laufverhalten
des Schienenfahrzeugs, aus ihr alleine lassen sich jedoch kaum zuverlässige Rückschlüsse auf
das Laufverhalten des Schienenfahrzeugs ziehen.
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Vielmehr wäre es wünschenswert, Zustandsgrößen der
jeweiligen Rad-Schiene-Paarung zu erfassen, welche beide Partner
der Paarung erfassen bzw. berücksichtigen
und so konkretere Aussagen hinsichtlich des Laufverhalten des Schienenfahrzeugs
zulassen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches bzw.
welche die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest in geringerem
Maße aufweist
und insbesondere konkretere Aussagen hinsichtlich des Laufverhaltens
ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung löst diese
Aufgabe ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale. Sie löst
diese Aufgabe weiterhin ausgehend von Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 14 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 14
angegebenen Merkmale.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die technische Lehre zu Grunde, dass man in einfacher Weise konkretere
Aussagen hinsichtlich des Laufverhaltens des Schienenfahrzeugen
erhält,
wenn zusätzlich
zur Erfassung einer auf die erste Schiene bezogenen ersten Zustandsgröße unter
Berücksichtigung
des ersten Rades eine zweite Zustandsgröße ermittelt wird.
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Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass
zur Ermittlung wenigstens einer zweiten Zustandsgröße der ersten
Rad-Schiene-Paarung mittels eines Lichtschnittverfahrens eine an
dem Schienenfahrzeug befestigte zweite Projektionseinrichtung eine
zweite Lichtemission erzeugt, die auf das erste Rad auftrifft und
im Bereich der Lauffläche
des ersten Rades eine scharf begrenzte linienförmige zweite Lichtprojektion
erzeugt. Die zweite Lichtprojektion wird dann durch eine an dem
Schienenfahrzeug befestigte zweite Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen.
Anschließend
wird wenigstens die Aufnahme der zweiten Lichtprojektion zur Ermittlung
der zweiten Zustandsgröße ausgewertet.
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Aus der auf die erste Schiene bezogenen ersten
Zustandsgröße und der
unter Berücksichtigung
des Zustands des ersten Rad ermittelten zweiten Zustandsgröße lassen
sich dann in einfacher Weise Rückschlüsse auf
das Laufverhalten des Schienenfahrzeug ziehen, da beide Partner
der Rad-Schiene-Paarung berücksichtigt
wurden.
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Bei der zweiten Zustandsgröße kann
es sich beispielsweise um die Profilkontur der Laufflächen des
ersten Rades handeln, welche ebenfalls von entscheidender Bedeutung
für das
Laufverhalten des Schienenfahrzeugs ist. Diese Profilkontur lässt sich alleine
aus der Auswertung der zweiten Lichtprojektion ermitteln. Handelt
es sich bei der ersten, auf die erste Schiene bezogenen Zustandsgröße beispielsweise
um das Laufflächeprofil
der ersten Schiene, können
zusammen mit der gleichzeitig aufgenommenen Profilkontur der Lauffläche des
ersten Rades Rückschlüsse auf
die zum jeweiligen Zeitpunkt tatsächlich bestehende Paarung zwischen
Rad und Schiene gezogen werden.
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Bei bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden schon zu Ermittlung der zweite Zustandsgröße sowohl die Aufnahme der ersten
Lichtprojektion als auch die Aufnahme der zweiten Lichtprojektion
ausgewertet.
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So handelt es sich bei der zweiten
Zustandsgröße bevorzugt
um den effektiven Konizitätswinkel der
Rad-Schiene-Paarung,
d. h. den Neigungswinkel der am Radaufstandspunkt entstehenden Berührungsfläche zwischen
dem ersten Rad und der ersten Schiene zu einer vorgegebenen Richtung
in einer vorgegebenen Ebene. Hierbei handelt es sich üblicherweise
um den Winkel zur y-Richtung in der yz-Ebene eines orthogonalen
xyz-Koordinatensystems, bei dem die x-Richtung in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs
weist und die xy-Ebene die Schienenoberkanten des Gleises enthält, auf
dem das Schienenfahrzeug fährt.
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Der effektive Konizitätswinkel
lässt sich durch
eine gemeinsame Auswertung der ersten Lichtprojektion, also der
Profilkontur der ersten Schiene, und der zweiten Lichtprojektion,
also der Profilkontur des ersten Rades, ermitteln.
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Der effektive Konizitätswinkel
der Rad-Schiene-Paarung hat einen entscheidenden Einfluss auf das
Fahrverhalten des Fahrwerks, zu dem das erste Rad gehört, insbesondere
auf dessen Wendebewegungen bzw. auf dessen so genannten Sinuslauf.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Ermittlung
des effektiven Konizitätswinkels,
nunmehr in einfacher Weise sofort online erfolgen kann, sodass ohne
weiteres Analysen des Fahrverhaltens des Fahrwerks möglich sind.
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Bei weiteren Varianten der Erfindung
handelt es sich bei der zweiten Zustandsgröße um die Position des ersten
Rades auf der ersten Schiene, da diese, wie weiter unten noch erläutert wird,
zur Ermittlung der aktuellen Spurweite des befahrenen Gleises herangezogen
werden kann, welche ebenfalls eine wichtige Einflussgröße für das Laufverhalten
des Schienenfahrzeugs darstellt. Die Position des ersten Rades auf
der ersten Schiene lässt
sich auch hier durch eine gemeinsame Auswertung der ersten Lichtprojektion
und der zweiten Lichtprojektion ermitteln.
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Bei besonders vorteilhaften Varianten
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass zur Ermittlung wenigstens einer weiteren Zustandsgröße eines
Fahrwerks mit dem auf der ersten Schiene abrollenden ersten Rad
und einem auf einer zweiten Schiene abrollenden zweiten Rad eine
dritte Zustandsgröße der zweiten
Schiene nach Art der ersten Zustandsgröße ermittelt wird und eine
vierte Zustandsgröße nach
Art der zweiten Zustandsgröße ermittelt
wird.
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Für
Analysen des Fahrverhaltens des Fahrwerks ist es dabei von besonderem
Vorteil, wenn die zweite Zustandsgröße der effektive Konizitätswinkel der
Rad-Schiene-Paarung zwischen dem ersten Rad und der ersten Schiene
ist und die vierte Zustandsgröße der effektive
Konizitätswinkel
der Rad-Schiene-Paarung zwischen dem zweiten Rad und der zweiten
Schiene ist.
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Bevorzugt lässt sich hieraus dann als fünfte Zustandsgröße des Fahrwerks
die effektive Konizität des
Radsatzes aus dem ersten Rad und dem zweiten Rad auf dem Gleis aus
der ersten Schiene und der zweiten Schiene ermitteln. Die effektive
Konizität
ermöglicht
es in vorteilhafter Weise, unmittelbare Rückschlüsse auf das Laufverhalten des
Fahrwerks zu ziehen.
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Ebenso wie der effektive Konizitätswinkel
der jeweiligen Rad-Schiene-Paarung hat auch die aus den beiden Konizitätswinkeln
des Radsatzes ermittelte effektive Konizität einen entscheidenden Einfluss
auf das Fahrverhalten des Fahrwerks, insbesondere auf dessen Wendebewegungen
bzw. auf dessen so genannten Sinuslauf. Ein besonderer Vorteil der
Erfindung liegt darin, dass die Ermittlung der effektiven Konizität nunmehr
in einfacher Weise sofort online erfolgen kann, sodass ohne weiteres
Analysen des Fahrverhaltens des Fahrwerks möglich sind.
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Bei weiteren besonders vorteilhaften
Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zur Ermittlung einer Gleiszustandsgröße eines die erste Schiene
und eine zweite Schiene umfassenden Gleises sowohl eine dritte Zustandsgröße der zweiten Schiene
nach Art der ersten Zustandsgröße ermittelt als
auch eine vierte Zustandsgröße eines
auf der zweiten Schiene abrollenden zweiten Rades nach Art der zweiten
Zustandsgröße ermittelt
wird. Die Gleiszustandsgröße wird
dann wenigstens aus der zweiten Zustandsgröße und der vierten Zustandsgröße ermittelt.
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Bei der Gleiszustandsgröße handelt
es sich bevorzugt um die Spurweite, welche ebenfalls einen entscheidenden
Einfluss auf das Laufverhalten des Schienenfahrzeugs hat. Diese
kann bei bekannter gegenseitiger Anordnung des ersten und zweiten
Rades in einfacher Weise aus der Position des ersten Rades auf der
ersten Schiene und der Position des zweiten Rades auf der zweiten
Schiene ermittelt werden. Gehören
das erste und das zweite Rad beispielsweise zu einem gemeinsamen
Radsatz, so ist ihr Abstand vorgegeben und die Spurweite lässt sich einfach
aus diesem Abstand und der Position des jeweiligen Rades auf der
jeweiligen Schiene ermitteln.
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Die zweite Zustandsgröße ist daher
bevorzugt die Position des ersten Rades auf der ersten Schiene und
die vierte Zustandsgröße ist die
Position des zweiten Rades auf der zweiten Schiene. Diese zweite
und vierte Zustandgröße werden,
wie oben angedeutet, jeweils durch die Auswertung der beiden Lichtprojektionen
auf die jeweilige Schiene bzw. das jeweilige Rad ermittelt.
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Es versteht sich jedoch, dass die
Spurweite bei anderen Varianten der Erfindung, bei denen die räumliche
Bezie hung zwischen den Bildaufnahmeeinrichtungen bekannt ist, welche
die jeweilige Lichtprojektion auf der ersten und zweiten Schiene
aufnehmen, auch durch Auswertung der Aufnahmen der beiden Lichtprojektionen
erfolgen kann.
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Weiterhin versteht es sich, dass
bei vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens gleichzeitig
unterschiedliche Arten zweiter bzw. vierter Zustandsgrößen ermittelt
werden können.
So können
beispielsweise für
einen bestimmten Zeitpunkt jeweils sowohl der effektive Konizitätswinkel
einer bestimmten Rad-Schiene-Paarung als auch die Position des jeweiligen
Rades auf der gehörigen Schiene
ermittelt werden.
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Bei besonders günstigen Weiterbildungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist eine besonders einfache und zuverlässige Ermittlung der betreffenden
Zustandgröße der Schiene,
beispielsweise des Laufflächenprofils
der Schiene, möglich,
wenn die erste Lichtprojektion in der Nähe des Radaufstandspunktes
eines ersten Rades des Schienenfahrzeugs positioniert wird. Durch
diese Positionierung der ersten Lichtprojektion in die Nähe des Radaufstandspunktes
ist in einfacher Weise gewährleistet,
dass die Querabweichungen, welche infolge der Gleiskrümmung entstehen,
auch bei stark gekrümmten
Gleisen bzw. Schienen in sehr engen Grenzen bleiben.
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Das Merkmal, dass der erste Winkel
ein spitzer Winkel ist, ermöglicht
dabei eine ausreichend weite Annäherung
der ersten Lichtprojektion an den Radaufstandspunkt und damit eine
starke Reduktion der sich maximal im Betrieb ergebenden horizontalen Querabweichungen
hinsichtlich der Lage der zu erfassenden Lichtprojektion auf der
Schiene. Sowohl die erste Projektionseinrichtung als auch die er ste Bildaufnahmeeinrichtung
können
daher entsprechend einfach aufgebaut sein. Insbesondere kann ihr Arbeitsbereich,
also das Feld, in dem die Projektionseinrichtung die Lichtprojektion
erzeugt, bzw. das Bildfeld der Bildaufnahmeeinrichtung, in der Horizontalrichtung
quer zur Längsrichtung
der Schiene entsprechend klein gewählt sein.
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Es versteht sich, dass bei bevorzugten
Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
auch entsprechende Korrektureinrichtungen vorgesehen sind, die Lageänderungen
zwischen der Projektionseinrichtung bzw. der Bildaufnahmeeinrichtung und
der Schiene erfassen, und diese Lageänderungen bei der Auswertung
der Aufnahme entsprechend berücksichtigt
werden.
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Der Abstand der ersten Lichtprojektion
vom Radaufstandspunkt des ersten Rades kann grundsätzlich beliebig
gering gewählt
sein. Es ist lediglich sicherzustellen, dass noch eine ausreichend
gute Erfassung der Lichtprojektion durch die Bildaufnahmeeinrichtung
möglich
ist. Vorzugsweise ist der Abstand der ersten Lichtprojektion vom
Radaufstandspunkt des ersten Rades geringer als der Radius des ersten Rades
im Bereich des Radaufstandspunktes. Bevorzugt beträgt der Abstand
etwa 40% bis 70% des Radius des ersten Rades, weiter vorzugsweise
etwa 50% bis 60% des Radius des ersten Rades, da sich in diesem
Bereich ein besonders guter Kompromiss aus Reduktion der Querabweichungen
und für
die zuverlässige
Auswertung ausreichender Abbildungsqualität erzielen lässt.
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Die erste Projektionseinrichtung
kann grundsätzlich
in beliebiger bekannter Weise aufgebaut sein, um die erste Lichtprojektion
zu erzeugen. So kann es sich bei der er sten Lichtemission um einen einzelnen
Lichtstrahl bzw. ein eng begrenztes Strahlenbündel handeln, welches durch
entsprechende Einrichtungen mit einer entsprechend hohen Frequenz
fächerförmig abgelenkt
wird, um die erste Lichtprojektion auf der ersten Schiene zu erzeugen. Bevorzugt
handelt es sich bei der ersten Lichtemission um ein dünnes, beispielsweise
fächerförmiges, Strahlenbündel, welches
eine entsprechende Querausdehnung aufweist, um die erste Lichtprojektion auf
der ersten Schiene zu erzeugen. Bevorzugt handelt es sich um einen
durch eine entsprechende Einrichtung, beispielsweise einen entsprechend
geformten Spiegel, fächerförmig aufgeweiteten
Lichtstrahl bzw, ein fächerförmig aufgeweitetes
Lichtstrahlenbündel.
Es können
weiterhin beliebige Lichtarten für die
erste Lichtemission verwendet werden. Bevorzugt kommt jedoch Laserlicht
zur Anwendung.
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Die Bildaufnahmeeinrichtung kann
ebenfalls grundsätzlich
beliebig angeordnet sein, es ist lediglich sicherzustellen, dass
sie die Lichtprojektion mit ausreichender Qualität erfasst. Bevorzugt sind der erste
Winkel und der zweite Winkel zur Längsrichtung der ersten Schiene
gleichsinnige, spitze Winkel, d. h. die Bildaufnahmeeinrichtung
ist bezüglich
des ersten Rades in derselben Richtung wie die Projektionseinrichtung
angeordnet.
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Um einen guten Kompromiss zwischen
Reduktion der Querabweichungen und für die zuverlässige Auswertung
ausreichender Abbildungsqualität zu
erzielen, liegen der erste Winkel und zusätzlich oder alternativ der
zweite Winkel vorzugsweise im Bereich zwischen 15° und 75°, weiter
vorzugsweise im Bereich zwischen 25° und 50°.
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Es versteht sich, das als erste Zustandsgröße grundsätzlich beliebige,
durch ein solches Lichtschnittverfahren erfassbare Größen aufgenommen werden
können.
Vorzugsweise handelt es sich bei der ersten Zustandsgröße um das
Laufflächenprofil der
ersten Schiene, da dieses von besonderer Bedeutung für das Laufverhalten
von Schienenfahrzeugen auf dieser Schiene ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin
eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung wenigstens einer Zustandsgröße einer
ersten Rad-Schiene-Paarung aus einem ersten Rad und einer ersten
Schiene mittels eines Lichtschnittverfahrens. Diese weist eine an einem
Schienenfahrzeug befestigte erste Projektionseinrichtung zum Erzeugen
einer ersten Lichtemission auf, die unter einem ersten Winkel zur Längsrichtung
der ersten Schiene auf die erste Schiene auftrifft und im Bereich
der Lauffläche
der ersten Schiene eine scharf begrenzte linienförmige erste Lichtprojektion
erzeugt. Weiterhin ist eine an dem Schienenfahrzeug befestigte erste
Bildaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme der ersten Lichtprojektion
unter einem zweiten Winkel zur Längsrichtung der
ersten Schiene vorgesehen. Schließlich ist eine mit der ersten
Bildaufnahmeeinrichtung verbundene Auswertungseinrichtung vorgesehen,
die zur Ermittlung der ersten Zustandsgröße durch Auswertung der Aufnahme
der ersten Lichtprojektion dient.
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Erfindungsgemäß ist zur Ermittlung wenigstens
einer zweiten Zustandsgröße der ersten Rad-Schiene-Paarung
mittels eines Lichtschnittverfahrens eine an dem Schienenfahrzeug
befestigte zweite Projektionseinrichtung und eine mit der Auswertungseinrichtung
verbundene zweite Bildaufnahmeeinrichtung vorgesehen. Die zweite
Projektionseinrichtung ist dabei zum Erzeugen einer zweiten Lichtemission
ausge bildet, die auf das erste Rad auftrifft und im Bereich der
Lauffläche
des ersten Rades eine scharf begrenzte linienförmige zweite Lichtprojektion
erzeugt. Die zweite Bildaufnahmeeinrichtung ist zum Aufnehmen der
zweiten Lichtprojektion ausgebildet. Schließlich ist die Auswertungseinrichtung zur
Auswertung wenigstens der Aufnahme der zweiten Lichtprojektion ausgebildet,
um so die zweite Zustandsgröße zu ermitteln,
wie dies oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
bereits ausführlich
beschrieben wurde.
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Mit dieser Vorrichtung lassen sich
die oben beschriebenen Funktionen und Vorteile in derselben Weise
wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzielen. Diese wurden vorstehend bereits ausführlich beschrieben, sodass
hier lediglich auf die obigen Ausführungen verwiesen werden soll.
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Die zweite Projektionseinrichtung
bzw. die zweite Bildaufnahmeeinrichtung können in beliebiger geeigneter
Weise angeordnet sein. Es ist lediglich sicherzustellen, dass die
zweite Lichtprojektion mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden
kann. Bevorzugt ist die zweite Projektionseinrichtung und zusätzlich oder
alternativ die zweite Bildaufnahmeeinrichtung in unmittelbarer Nähe des ersten
Rades angeordnet. Durch den geringen Abstand ergeben sich auch hier
wieder Vorteile hinsichtlich möglicher
Querabweichungen zwischen der jeweiligen Einrichtung und dem Rad
und hinsichtlich des einfach Aufbaus der jeweiligen Einrichtung.
Auch hier ist eine Anordnung in Fahrtrichtung vor dem ersten Rad
aus den obengenannten Gründen
von Vorteil.
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Eine besonders einfach gestaltete
und zu montierende Konfiguration ergibt sich bei bevorzugten Ausgestaltungen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei denen die erste Projektionseinrichtung und die erste Bildaufnahmeeinrichtung
in einer gemeinsamen ersten Messeinheit integriert sind. Zusätzlich oder
alternativ können
auch die zweite Projektionseinrichtung und die zweite Bildaufnahmeeinrichtung
in einer gemeinsamen zweiten Messeinheit integriert sein.
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Bei weiteren bevorzugten Varianten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind zur Ermittlung wenigstens einer weiteren Zustandsgröße eines Fahrwerks
mit dem auf der ersten Schiene abrollenden ersten Rad und einem
auf einer zweiten Schiene abrollenden zweiten Rad eine dritte Messeinheit
und eine vierte Messeinheit vorgesehen. Diese dritte Messeinheit
und vierte Messeinheit sind mit der Auswertungseinrichtung verbunden.
Die dritte Messeinheit ist der zweiten Schiene zugeordnet und nach
Art der ersten Messeinheit ausgebildet, wobei sie in der oben beschriebenen
Weise zu Ermittlung einer dritten Zustandsgröße dient. Die vierte Messeinheit
ist einem auf der zweiten Schiene abrollenden zweiten Rad zugeordnet
und nach Art der zweiten Messeinheit ausgebildet, wobei sie in der
oben beschriebenen Weise zu Ermittlung einer vierten Zustandsgröße dient.
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Bei der zweiten Zustandsgröße handelt
es sich, wie bereits oben beschrieben wurde, bevorzugt um den effektiven
Konizitätswinkel
der ersten Rad-Schiene-Paarung, während es sich bei der vierten
Zustandsgröße bevorzugt
um den effektiven Konizitätswinkel
der zweiten Rad-Schiene-Paarung handelt,
die aus dem zweiten Rad und der zweiten Schiene besteht. Aus diesen
effektiven Konizitätswinkeln kann
dann bevorzugt als fünfte
Zustandsgröße die effektive
Konizität
der betreffenden Radsatz-Gleis-Paarung bestimmt werden. Einzelne
oder sämtliche
Zustandsgrößen können dabei
in der Auswertungseinrichtung berechnet werden.
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Bei weiteren bevorzugten Varianten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind zur Ermittlung einer Gleiszustandsgröße eines die erste Schiene
und eine zweite Schiene umfassenden Gleises eine dritte Messeinheit
und eine vierte Messeinheit vorgesehen. Diese dritte Messeinheit
und vierte Messeinheit sind mit der Auswertungseinrichtung verbunden.
Die dritte Messeinheit ist der zweiten Schiene zugeordnet und nach
Art der ersten Messeinheit ausgebildet. Die vierte Messeinheit ist
einem auf der zweiten Schiene abrollenden zweiten Rad zugeordnet
und nach Art der zweiten Messeinheit ausgebildet. Schließlich ist die
Auswertungseinrichtung zur Ermittlung der Gleiszustandsgröße aus den
Messwerten der ersten, zweiten, dritten und vierten Messeinheit
ausgebildet. Bei der Gleiszustandsgröße handelt es sich, wie bereits
oben beschrieben, bevorzugt um die Spurweite des Gleises.
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Es versteht sich, dass die dritte
Messeinheit ebenso wie die vierte Messeinheit jeweils eine Projektionseinrichtung
und eine Bildaufnahmeeinrichtung umfassen, wie sie oben im Zusammenhang
mit der ersten bzw. zweiten Messeinheit beschrieben wurden. Es versteht
sich weiterhin, dass bei anderen Varianten vorgesehen sein kann,
dass die Komponenten der dritten bzw. vierten Messeinheit nicht
unbedingt körperlich
in einem gemeinsamen Gehäuse oder
dergleichen angeordnet sein müssen.
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Bei weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die erste Projektionseinrichtung zum Positionieren der ersten Lichtprojektion
in der Nähe
des Radaufstandspunktes eines ersten Rades des Schienenfahrzeugs
ausgebildet, wobei der erste Winkel ein spitzer Winkel ist.
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Um eine möglichst einfach aufgebaute
Konfiguration zu erzielen, welche zudem den Einsatz einer möglichst
einfach gestalteten Projektionseinrichtung bzw. einer möglichst
einfach gestalteten Bildaufnahmeeinrichtung ermöglicht, ist vorzugsweise vorgesehen,
dass die erste Projektionseinrichtung und zusätzlich oder alternativ die
erste Bildaufnahmeeinrichtung in unmittelbarer Nähe des ersten Rades angeordnet
ist. Die Anordnung kann dabei sowohl in Fahrtrichtung vor dem ersten
Rad als auch in Fahrtrichtung hinter dem ersten Rad erfolgen. Ein
besonders störungsfreier
Betrieb ist bei Anordnung vor dem ersten Rad gewährleistet, da die unmittelbarer
der Umgebung ausgesetzten optischen Bauteile, wie beispielsweise
Linsen etc., der Projektionseinrichtung bzw. der Bildaufnahmeeinrichtung
der Fahrtrichtung abgewandt sind und daher einer geringeren Verschmutzung
ausgesetzt sind.
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Um nicht nur die Bereiche der Schiene
erfassen zu können,
welche der Lauffläche
des Rades zugeordnet sind, sondern auch den Flankenbereich der Schiene
zu erfassen, welcher dem Spurkranz des Rades zugewandt ist, ist
die jeweilige Bildaufnahmeeinrichtung bevorzugt derart in Richtung
der Fahrzeugmitte des Schienenfahrzeugs versetzt angeordnet und
derart ausgerichtet, dass sie ein ausreichend kontrastreiches Bild
des Teils der Lichtprojektion liefert, der in diesem Flankenbereich
liegt. Um in diesem Flankenbereich eine ausreichend hohe Lichtintensität der Lichtpro jektion
zu erzielen, kann gegebenenfalls auch die Projektionseinrichtung
entsprechend in Richtung der Fahrzeugmitte des Schienenfahrzeugs
versetzt angeordnet und entsprechend ausgerichtet sein. Dies ist
insbesondere dann von Bedeutung, wenn anhand von Aufnahmen dieser Flankenbereiche
die Spurweite eines Gleises bestimmt werden soll.
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Weiterhin versteht es sich, dass
für Anwendungen,
bei denen stark unterschiedlich ausgerichtete Flächen der jeweiligen Schiene
erfasst werden sollen, auch mehrere Bildaufnahmeeinrichtungen pro Schiene
vorgesehen sein können.
So kann beispielsweise für
häufig
bei Straßenbahnen
eingesetzte Schienen mit so genannten Spurrillen, in denen der Spurkranz
des Rades läuft,
vorgesehen sein, dass für
beide dem Spurkranz zugewandten Flanken der Schiene jeweils eine
gesonderte Bildaufnahmeeinrichtung vorhanden ist, welche die Lichtprojektion
in dem zugehörigen
Flankenbereich aufnimmt. Es versteht sich, dass gegebenenfalls auch
mehrere Projektionseinrichtungen pro Schiene vorgesehen sein können.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. der nachstehenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, welche auf
die beigefügten Zeichnungen
Bezug nimmt. Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines Teils einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine
schematische, perspektivische Ansicht eines Rades auf einer gekrümmt verlaufenden
Schiene;
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3 eine
schematische Darstellung der Ausführungsform aus 1;
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4 eine
Draufsicht auf die Ausführung aus 3;
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5 eine
weitere schematische Ansicht der Ausführung aus 3.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Teils einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Ermittlung wenigstens einer Zustandsgröße einer Rad-Schiene-Paarung
aus einer ersten Schiene 1 und einem ersten Rad 10 mittels
eines Lichtschnittverfahrens. Im vorliegenden Beispiel handelt es
sich bei der ermittelten ersten Zustandgröße um das Profil der Lauffläche 1.1 der
ersten Schiene 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine
an einem – in 1 nicht dargestellten – Schienenfahrzeug
befestigte erste Projektionseinrichtung 2 zum Erzeugen
einer ersten Lichtemission in Form eines fächerförmig aufgeweiteten ersten Lichtstrahls 3.
Die Projektionseinrichtung 2 umfasst hierzu eine Laserlichtquelle 2.1 und
einen Umlenkspiegel 2.2, über die der Lichtstrahl 3 derart
fächerförmig aufgeweitet
und auf die Schiene 1 abgelenkt wird, dass auf der Schiene 1 im
Bereich der Lauffläche 1.1 eine scharf
begrenzte, linienförmige
erste Lichtprojektion 4 entsteht. Der fächerförmig aufgeweitete Lichtstrahl 3 trifft
dabei in der xz-Ebene unter einem ersten Winkel α1 zur
Längsrichtung
der ersten Schiene 1 auf die erste Schiene 1 auf.
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Als Bezugssystem wird hierbei im Übrigen ein
orthogonales xyz-Koordinatensystem verwendet, bei dem die x-Richtung in
Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs weist und die xy-Ebene die Schienenoberkanten
des Gleises enthält,
auf dem das Schienenfahrzeug fährt.
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Die Vorrichtung weist weiterhin eine
an dem Schienenfahrzeug befestigte erste Bildaufnahmeeinrichtung
in Form einer ersten Kamera 5 auf, die zur Aufnahme der
ersten Lichtprojektion 4 dient. Die optische Achse 5.1 der
ersten Kamera 5 ist in der xz-Ebene unter einem zweiten
Winkel α2 zur Längsrichtung
der ersten Schiene geneigt. Im gezeigten Zustand trifft die optische
Achse 5.1 dabei genau auf die erste Lichtprojektion 4.
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Bei der ersten Kamera 5 kann
es sich beispielsweise um eine CCD-Kamera oder dergleichen handeln.
Bevorzugt handelt es sich um eine kontinuierlich mit fester Abtastfrequenz
arbeitende, hochauflösende
Bilder erzeugende Kamera.
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Weiterhin ist eine mit der ersten
Kamera 5 verbundenen Auswertungseinrichtung 6 vorgesehen, die
zur Ermittlung der ersten Zustandsgröße, also des Laufflächenprofils
an dem jeweiligen durch die Aufnahme erfassten Ort der ersten Lichtprojektion 4, durch
Auswertung der Aufnahme der ersten Lichtprojektion 4. Um
den Verlauf des Laufflächenprofils über die
Länge einer
Schiene zu erfassen, ist eine mit der Auswertungseinrichtung 6 verbundene
Ortserfassungseinrichtung 7 vorgesehen, die zu jeder Aufnahme
der Kamera eine Ortsinformation hinsichtlich der Position der Lichtprojektion
in Längsrichtung
der Schiene 1 liefert. Diese Ortsinformation wird der jeweiligen
Aufnahme bzw. dem jeweiligen aus der Aufnahme ermittelten Laufflächenprofil
zugeordnet. Diese Paare aus Ortsinformation und Profilinformation werden
dann in einem mit der Auswertungseinrichtung 6 verbundenen
Speicher 8 abgelegt.
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Die erste Projektionseinrichtung 2,
die mit der ersten Kamera 5 in einer ersten Messeinheit 9 integriert
ist, ist so in unmittelbarer Nähe
eines ersten Rades 10 in Fahrtrichtung vor diesem Rad angeordnet
und derart ausgebildet, dass die erste Lichtprojektion 4 in
der Nähe
des Radaufstandspunktes 10.1 des ersten Rades 10 des
Schienenfahrzeugs auf die Lauffläche 1.1 der
Schiene 1 projiziert ist. Der Abstand der ersten Lichtprojektion 4 von
dem Radaufstandspunkt 10.1 beträgt dabei etwa 60% des Radius des
ersten Rades 10 im Bereich des Radaufstandspunktes 10.1.
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Der erste Winkel α1 ist
dabei ein spitzer Winkel von etwa 25°. Der zweite Winkel α2 ist
ein zum ersten Winkel α1 gleichsinniger spitzer Winkel von etwa
45°. Durch
die Wahl dieser Winkel kann die erste Lichtprojektion 4 von
der ersten Kamera 5 problemlos mit einer Genauigkeit erfasst
werden, die zur genügend
exakten Bestimmung der Profilkontur in der Auswertungseinrichtung 6 ausreicht.
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Wie anhand von 2 ersichtlich ist, ergibt sich dank des
geringen Abstandes zwischen der ersten Lichtprojektion 4 und
dem Radaufstandspunkt des ersten Rades 10 bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch bei einer in der Horizontalebene stark gekrümmten Schiene eine kaum nennenswerte Querabweichung
der Lichtprojektion von der in 2 durch
die Gerade 11 angedeutete Mittenebene des fächerförmig von
der Projektionseinrichtung 2 ausgesandten Lichtstrahls 3.
Demgegenüber
ergäbe
sich, wie in 2 durch
die Kontur 12 angedeutet ist, eine deutliche Querabweichung,
wenn die Lichtprojektion wie aus dem Stand der Technik bekannt,
in größerer Entfernung
vom Radaufstandspunkt auf die Schiene 1 projiziert würde.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist folglich, sofern überhaupt,
nur für
eine vergleichsweise einfache und geringe Korrektur des ermittelten Laufflächenprofils
infolge solcher Querabweichungen vorzusehen. Es versteht sich, dass – in den 1 und 2 nicht dargestellte – Korrektureinrichtungen vorgesehen
sein können,
welche derartige Querabweichungen (auch in anderen Richtungen, beispielsweise
infolge des Einfederns von zwischen das erste Rad 10 und
die Messeinheit 9 geschalteten Primärfedern oder dergleichen) erfassen
und der Auswertungseinrichtung 6 zur Berücksichtigung
bei der Ermittlung des Laufflächenprofils übermitteln.
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Die 3 bis 5 zeigen weitere schematische Ansichten
der Ausführungsform
aus 1.
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Wie den 3 und 4 zu
entnehmen ist, ist zusätzlich
zu der ersten Messeinheit 9 mit der ersten Projektionseinrichtung 2 und
der ersten Kamera 5 eine zweite Messeinheit 13 mit
einer zweiten Projektionseinrichtung 14 und einer zweiten
Bildaufnahmeeinrichtung in Form einer zweiten Kamera 15 vorgesehen.
Die zweite Messeinheit 14 ist dabei in einer bekannten
räumlichen
Beziehung zur ersten Messeinheit 9 angeordnet. Im vorliegenden
Beispiel wird dies dadurch erreicht, dass die zweite Messeinheit 14 fest
mit der ersten Messeinheit 9' verbunden
ist.
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Während
die erste Messeinheit 9 wie oben beschrieben zur Ermittlung
des Laufflächenprofils
der ersten Schiene 1 eine mittels eines fächerförmig aufgeweiteten
ersten Lichtstrahls 3 eine erste Lichtprojektion 4 in
der Nähe
des Radaufstandspunktes 10.1 des ersten Rades 10 erzeugt
und diese aufnimmt, dient die zweite Messeinheit dazu, das Laufflächenprofil
der Lauffläche 10.2 des
ersten Rades 10 zu ermitteln.
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Hierzu erzeugt die zweite Projektionseinrichtung 14 über einen
fächerförmig aufgeweiteten
zweiten Lichtstrahl 16 eine zweite, scharf begrenzte, linienförmige Lichtprojektion 17 auf
der Lauffläche 10.2 des
ersten Rades 10. Diese zweite Lichtprojektion 17 wird
durch die zweite Kamera 15 aufgenommen und die Aufnahme
der Auswertungseinrichtung 6 zugeführt, in der zum einen das der
Aufnahme zugeordnete Laufflächenprofil
des ersten Rades 10 ermittelt wird.
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Wie 5 zu
entnehmen ist, gehört
das erste Rad 10 zu einem Radsatz 22 des Schienenfahrzeugs,
der weiterhin ein mit dem ersten Rad 10 verbundenes zweites
Rad 18 aufweist. Das zweite Rad 18 rollt auf einer
zweiten Schiene 19 ab, die zusammen mit der ersten Schiene 1 ein
Gleis bildet. Dem zweiten Rad 18 ist eine dritte Messeinheit 20 und eine
vierte Messeinheit 21 zugeordnet, die ebenfalls in bekannter
räumlicher
Beziehung zueinander angeordnet sind, indem sie fest miteinander
verbunden sind.
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Die dritte Messeinheit 20 ist
wie die erste Messeinheit 9 aufgebaut. Sie liefert zu einem
Zeitpunkt t gleichzeitig mit der Aufnahme der ersten Lichtprojektion 4 zur
Ermittlung des Laufflächenprofils
der ersten Schiene 1 eine Aufnahme einer entsprechenden
dritten Lichtprojektion zur Ermittlung des Laufflächenprofils
der zweiten Schiene 19. Die vierte Messeinheit 21 ist
wie die zweite Messeinheit 13 aufgebaut. Sie liefert zum
Zeitpunkt t gleichzeitig mit der Aufnahme der zweiten Lichtprojektion 17 zur Ermittlung
des Laufflächenprofils
des ersten Rades 10 eine Aufnahme einer entsprechenden
vierten Lichtprojektion zur Ermittlung des Laufflächenprofils des
zweiten Rades 18.
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Diese zeitgleichen Aufnahmen werden
der Auswertungseinrichtung 6 zugeführt. Aus der durch die erste
Messeinheit 9 aufgenommenen ersten Lichtprojektion 4,
der gleichzeitig durch zweiten Messeinheit 13 aufgenommenen
zweiten Lichtprojektion 17 und der bekannten räumlichen
Beziehung zwischen der ersten Messeinheit 9 und der zweiten Messeinheit 13 lässt sich
als zweite Zustandsgröße des ersten
Rades die Querposition des ersten Rades 10 auf der ersten
Schiene 1 bestimmen.
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Zusätzlich lässt sich in der Auswertungseinrichtung 6 online
aus der durch die erste Messeinheit 9 aufgenommenen ersten
Lichtprojektion 4, der gleichzeitig durch zweiten Messeinheit 13 aufgenommene
zweiten Lichtprojektion 17 und der bekannten räumlichen
Beziehung zwischen der ersten Messeinheit 9 und der zweiten
Messeinheit 13 als zweite Zustandsgröße der Rad-Schiene-Paarung
zwischen dem ersten Rad 10 und der ersten Schiene 1 der
effektive Konizitätswinkel
dieser Rad-Schiene-Paarung bestimmen. Dies geschieht in einfacher
Weise dadurch, dass die beiden aus den Aufnahmen ermittelten Profile
einander zugeordnet werden und hieraus die Lage der Kontaktfläche zwischen
Rad und Schiene sowie die Lage, insbesondere der Neigungswinkel zur
y-Achse in der yz-Ebene als Maß für die Konizität, dieser
Kontaktfläche
in dem vorgegebenen xyz-Bezugssystem
ermittelt wird.
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Aus der durch die dritte Messeinheit 20 aufgenommenen
dritten Lichtprojektion, der gleichzeitig durch die vier te Messeinheit 21 aufgenommenen vierten
Lichtprojektion und der bekannten räumlichen Beziehung zwischen
der dritten Messeinheit 20 und der vierten Messeinheit 21 lässt sich
zudem die Querposition des zweiten Rades 18 auf der zweiten Schiene 19 bestimmen.
Zudem lässt
sich in der Auswertungseinrichtung 6 online, wie oben beschrieben, der
effektive Konizitätswinkel
der zweiten Rad-Schiene-Paarung
zwischen dem zweiten Rad 18 und der zweiten Schiene 19 bestimmen.
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Aus dem effektiven Konizitätswinkel
der ersten Rad-Schiene-Paarung
und dem effektiven Konizitätswinkel
der zweiten Rad-Schiene-Paarung lässt sich als fünfte Zustandsgröße dann
online auch die effektive Konizität ermitteln, welche unmittelbare Rückschlüsse auf
das Laufverhalten des Radsatzes 22 zulässt.
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Aus der Querposition des ersten Rades 10 auf
der ersten Schiene 1, der Querposition des zweiten Rades 18 auf
der zweiten Schiene 19 und der bekannten räumlichen
Beziehung zwischen dem ersten Rad 10 und dem zweiten Rad 18 bestimmt
die Auswertungseinheit wiederum eine als Gleiszustandsgröße des Gleises
die zugehörige
Spurweite zwischen der ersten Schiene 1 und der zweiten
Schiene 19.
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Bei einer alternativen Ausführungsform,
bei der die räumliche
Beziehung zwischen der ersten Messeinheit 9 und der dritten
Messeinheit 20 bekannt ist, wird die Spurweite in der Auswertungseinrichtung 6 durch
Auswertung der Aufnahmen der ersten und dritten Lichtprojektion
bestimmt.
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Um den Verlauf des Laufflächenprofils
und der Spurweite über
die Länge
der Schienen 1 und 19 zu erfassen, ist eine mit
der Auswertungseinrichtung 6 verbundene Ortserfas sungseinrichtung 7 vorgesehen,
die zum Zeitpunkt t jeder Aufnahme der Kameras eine Ortsinformation
hinsichtlich der Position der Lichtprojektionen in Längsrichtung
der Schiene 1 bzw. 19 liefert. Diese Ortsinformation
wird der jeweiligen Aufnahme bzw. dem jeweiligen aus der Aufnahme
ermittelten Laufflächenprofil
sowie der zugehörigen
Spurweite zugeordnet. Diese Werte-Tupel aus Ortsinformationen, Profilinformationen
und Spurweiteninformation werden dann in einem mit der Auswertungseinrichtung 6 verbundenen
Speicher 8 abgelegt.
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Um nicht nur die Bereiche der ersten
Schiene 1 erfassen zu können,
welche der Lauffläche
des Rades zugeordnet sind, sondern auch den Flankenbereich 1.2 der
ersten Schiene 1 zu erfassen, welcher dem Spurkranz des
ersten Rades 10 zugewandt ist, ist bei einer alternativen
Ausführungsform,
wie in 5 durch die Kontur 23 angedeutet
ist, die erste Messeinheit 23 – und damit sowohl die Bildaufnahmeeinrichtung
als auch in die Projektionseinrichtung – in Richtung der Fahrzeugmitte
des Schienenfahrzeugs derart versetzt angeordnet und derart zur z-Achse geneigt ausgerichtet,
dass die Bildaufnahmeeinrichtung ein ausreichend kontrastreiches
Bild des Teils der Lichtprojektion liefert, der in diesem Flankenbereich 1.2 liegt.
Durch die Neigung der Projektionseinrichtung wird dabei in diesem
Flankenbereich 1.2 eine ausreichend hohe Lichtintensität der Lichtprojektion
erzielt.
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Es versteht sich dabei, dass die
dritte Messeinheit bei dieser Ausführung dann entsprechend der ersten
Messeinheit 23 angeordnet und ausgerichtet ist, wie in 5 durch die Kontur 24 angedeutet
ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand
eines Beispiels beschrieben, bei dem eine einzige gesonderte Auswertungseinrichtung
vorhanden ist. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten
der Erfindung auch vorgesehen sein kann, dass einzelne oder alle
Zustandsgrößen in gesonderten
Auswertungseinheiten ermittelt werden. Diese Auswertungseinheiten
können
dann beispielsweise schon in der betreffenden Bildaufnahmeeinrichtung integriert
sein. Die so ermittelten Zustandsgrößen können dann zur Weiterverarbeitung
wiederum einer zentralen Auswertungseinheit zugeführt werden.
Bei dieser zentralen Auswertungseinheit kann es sich natürlich auch
um eine der zuvor genannten gesonderten Auswertungseinheiten handeln.