WO2023156228A1 - Schwingungstechnisches bauteil - Google Patents

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WO2023156228A1
WO2023156228A1 PCT/EP2023/052739 EP2023052739W WO2023156228A1 WO 2023156228 A1 WO2023156228 A1 WO 2023156228A1 EP 2023052739 W EP2023052739 W EP 2023052739W WO 2023156228 A1 WO2023156228 A1 WO 2023156228A1
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sensor device
magnetic field
component according
component
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Patrick Zenker
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Trelleborg Antivibration Solutions Germany Gmbh
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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/36—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers
    • F16F1/40—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers consisting of a stack of similar elements separated by non-elastic intermediate layers
    • F16F1/41—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers consisting of a stack of similar elements separated by non-elastic intermediate layers the spring consisting of generally conically arranged elements
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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2230/00—Purpose; Design features
    • F16F2230/08—Sensor arrangement

Definitions

  • the invention is based on the object of providing a system with an anti-vibration component which enables the detection of static and dynamic loads which act on the anti-vibration component.
  • the vibration control component for solving the task comprises at least one bearing element, a spring element and a sensor device, the sensor device comprising at least one sensor and at least one control unit and the sensor device being designed to detect relative movements of the spring element and/or bearing element.
  • the sensor device accordingly comprises a sensor and a control unit.
  • the sensor device can form an integrated component which is arranged in the component in such a way that it is protected from external influences.
  • the control unit can record, store and/or output the values determined by the sensor.
  • the control unit can be connected to a central unit arranged outside the component via a data line and/or a radio link.
  • the control unit can also be designed in such a way that it evaluates and/or temporarily stores the values determined by the sensor.
  • the control unit can have a memory, the memory being provided with an autonomously working evaluation program. Accordingly, the control unit can store measurement data and transfer them to the central unit immediately or at intervals.
  • the sensor device can have a magnetic measuring principle.
  • the sensor device is set up to detect relative movements or
  • the sensor device comprises at least one magnetic field source, which is attached in a defined position in the vibration control component.
  • the magnetic field sensor is preferably designed as a Hall sensor.
  • the sensor device can also include a device for deforming and/or conducting the magnetic field.
  • This device represents a passive component which influences the properties of the magnetic field and, for example, influences the sensitivity of the sensor device or the detected deflection of the magnetic field source.
  • This can be understood to mean, for example, a device which bundles an electromagnetic field.
  • a device with soft-magnetic properties is advantageous for this.
  • the sensor device also includes a sensor for detecting the magnetic field emitted by the magnetic field source. If the magnetic field source is moved relative to the sensor, the magnetic field detected by the sensor changes. As a result, there is a direct connection between the static or dynamic deflection of the vibration control component and the change in the magnetic field detected by the sensor.
  • the sensor device according to the invention enables a direct detection of the static and dynamic loading of the vibration control component.
  • Vibration control components often include spring elements made of rubber-elastic materials. These change their suspension characteristics depending on the temperature. Furthermore, some rubber-elastic materials also show a change in the spring characteristics depending on the ambient humidity. In order to be able to determine the change in the spring characteristics as a function of temperature and humidity, it is advantageous if the sensor device has a temperature sensor and/or a humidity sensor. Furthermore, a sensor for detecting the temperature of the sensor device can be provided in order to be able to compensate for the temperature dependency of the magnetic field.
  • the sensor device can have a triaxial acceleration sensor, a microphone, a GPS sensor and/or a gyroscope.
  • the microphone enables audio signals to be recorded, which enables a more precise analysis of the course of the damage, particularly during later evaluation, for example as part of a damage assessment.
  • the GPS sensor and gyroscope improve the geographic mapping of the rest of the data collected by the sensor device. This is particularly advantageous when the sensor device detects damage to stationary devices such as rails.
  • the control unit can store the data recorded by the sensor and feed it to the radio module and/or the memory.
  • the control unit can also be designed in such a way that a first processing of the recorded data takes place there.
  • the recorded data can be converted into a bus-capable protocol. This can be done using the evaluation program stored in the control unit.
  • Several vibration-related components can be combined into one unit, with the data recorded by the sensor unit of each vibration-related component being combined in a central unit.
  • Such a unit is formed, for example, by the bogie of a rail vehicle.
  • the bogie has a number of vibration-related components, for example a number of primary springs.
  • damage accumulation of the component can be carried out, for example, and it is possible to calculate the remaining service life.
  • an assessment can be made of the unit to which the vibration control components are assigned. This can be the bogie of a rail vehicle, for example.
  • the sensor of the sensor device 4 has a magnetic measuring principle.
  • the sensor device 4 has a magnetic field source 5 and a magnetic field sensor 6 . These are arranged at a distance from one another in the vibration control component 1 .
  • the magnetic field sensor 6 is assigned to the spring element 3 and the magnetic field source 5 is assigned to the bearing element 2 .
  • the magnetic field sensor 6 is assigned to the spring element 3 .
  • the magnetic field sensor 6 can also be embedded in the spring element 3 .
  • the control unit is designed as a microcontroller, which includes a processor and a main memory.
  • the microcontroller is set up to run an evaluation program autonomously. This allows the Control unit capture and convert the raw data determined by the sensor.
  • the microcontroller also includes a memory so that raw data and/or evaluated data can be stored in the microcontroller. In particular, the control unit can convert the raw data into distance data.
  • the central unit can include a memory which stores the data recorded by the sensor devices 4 . Furthermore, the central unit can be provided with a device by means of which the data recorded by the sensor devices can be passed on or read out. For this purpose, the central unit can have a radio module. Furthermore, the central unit can have an interface for connecting a wired readout unit.
  • a plurality of vibration engineering components 1 can be combined to form a vibration engineering unit, with a central unit being provided for each vibration engineering unit.
  • an arrangement can have a number of vibration-related components 1 and a number of central units.
  • the vibration control components 1 are preferably assigned to a vibration control unit or a component group.
  • the central units can be connected to one another.
  • the data recorded by the sensor devices 4 arranged in the vibration control components are each transmitted to a central unit, one central unit being provided for each bogie.
  • the rail vehicle in turn has a number of carriages, each carriage having two bogies.
  • each carriage has two central units with, in turn, several vibration-related components 1 assigned to the central unit.

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Abstract

Schwingungstechnisches Bauteil (1), umfassend zumindest ein Lagerelement (2), ein Federelement (3) und eine Sensoreinrichtung (4), wobei die Sensoreinrichtung (4) zumindest einen Sensor und zumindest eine Kontrolleinheit umfasst und wobei die Sensoreinrichtung (4) ausgebildet ist, Relativbewegungen von Federelement (3) und/oder Lagerelement (2) zu erfassen.

Description

Schwingungstechnisches Bauteil
Die Erfindung betrifft ein schwingungstechnisches Bauteil, umfassend zumindest ein Lagerelement, ein Federelement und eine Sensoreinrichtung.
Aus dem Stand der Technik ist es beispielsweise aus der EP 3 541 642 B1 bekannt, statische und dynamische Bewegungen, insbesondere Federwege an schwingungstechnischen Bauteilen zu erfassen, wobei eine derartige Erfassung insbesondere auch bei Schienenfahrzeugen erfolgen kann. Häufig werden dazu jedoch komplexe Messbauten benötigt, so kann eine Kraftmessung zumeist nur über indirekte Messverfahren vorgenommen werden, beispielsweise mittels Dehnmessstreifen an kalibrierten Metallkomponenten oder über eine Federwegmessung mittels Seilzug- Potentiometern an Federelementen. Aufgrund des begrenzten Bauraums ist eine Wegmessung an mehreren Achsen nur eingeschränkt möglich. Aus der EP 3 541 642 B1 ist es bekannt, den Federweg eines schwingungstechnischen Bauteils über einen Feldsensor mit kapazitivem oder induktivem Messprinzip zu erfassen.
Die Erfassung dynamischer Lasten kann auch mittels Beschleunigungsmessung erfolgen. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass diese verhältnismäßig ungenau ist und Wegänderungen mit kleiner Dynamik derzeit nicht erfasst werden können.
Weitere bekannte Sensoranordnungen basieren auf dem Tauchankerprinzip, welches mit Einschränkungen der Messung hochdynamischer Lasten einhergeht. Des Weiteren erfassen diese Sensoren lediglich Verformungen in einer Richtung, was bedeutet, dass für jede weitere Richtung ein weiterer Sensor erforderlich ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System mit einem schwingungstechnischen Bauteil bereitzustellen, welches die Erfassung statischer und dynamischer Lasten ermöglicht, welche an dem schwingungstechnischen Bauteil angreifen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Das schwingungstechnische Bauteil zur Lösung der Aufgabe umfasst zumindest ein Lagerelement, ein Federelement und eine Sensoreinrichtung, wobei die Sensoreinrichtung zumindest einen Sensor und zumindest eine Kontrolleinheit umfasst und wobei die Sensoreinrichtung ausgebildet ist, Relativbewegungen von Federelement und/oder Lagerelement zu erfassen.
Erfindungsgemäß umfasst die Sensoreinrichtung dementsprechend einen Sensor und eine Kontrolleinheit. Dabei kann die Sensoreinrichtung ein integriertes Bauteil bilden, welches in dem Bauteil so angeordnet ist, dass es vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Die Kontrolleinheit kann die von dem Sensor ermittelten Werte erfassen, speichern und/oder ausgeben. Hierzu kann die Kontrolleinheit über eine Datenleitung und/oder eine Funkverbindung mit einer außerhalb des Bauteils angeordneten Zentraleinheit verbunden sein. Die Kontrolleinheit kann auch so ausgestaltet sein, dass diese die von dem Sensor ermittelten Werte auswertet und/oder zwischenspeichert. Hierzu kann die Kontrolleinheit einen Speicher aufweisen, wobei der Speicher mit einem autonom arbeitenden Auswerteprogramm versehen ist. Dementsprechend kann die Kontrolleinheit Messdaten speichern und diese sofort oder in Abständen an die Zentraleinheit übergeben.
Die Sensoreinrichtung kann ein magnetisches Messprinzip aufweisen. Dabei ist die Sensoreinrichtung eingerichtet, Relativbewegungen, bzw.
Verformungen in allen drei Raumrichtungen zu erfassen. Die Sensoreinrichtung umfasst zumindest eine Magnetfeldquelle, welche in einer definierten Position in dem schwingungstechnischen Bauteil angebracht ist. Der Magnetfeldsensor ist vorzugsweise als Hall-Sensor ausgebildet.
Die Magnetfeldquelle ist dabei vorzugsweise ein Dauermagnet, beispielsweise ein ferritischer Magnet oder ein Neodym-Magnet. Ferritische Magnete weisen den Vorteil einer hohen Langzeitstabilität und geringer Kosten auf. Neodym - Magnete weisen demgegenüber hohe Feldstärken auf.
Die Sensoreinrichtung kann dabei zumindest eine oder mehrere Magnetfeldquellen aufweisen. Durch die Änderung der Anzahl, der Position und der Bauform der Magnetfeldquelle kann die Sensoreinrichtung auf den gewünschten Anwendungsbereich angepasst werden. Ebenso wie die Anzahl stellt auch die Bauform der Magnetfeldquelle dabei einen wesentlichen Parameter zur Anpassung der Sensoreinrichtung dar. Die Eigenschaft der Magnetfeldquelle wird insgesamt beeinflusst durch dessen Geometrie, den Werkstoff, die Anzahl und die Polarisationsrichtung der Magnetfeldquelle.
Der Magnetfeldsensor kann dem Federelement oder dem Lagerelement zugeordnet sein. Insbesondere, wenn der Magnetfeldsensor dem Federelement zugeordnet ist, kann der Magnetfeldsensor in das Federelement eingebettet sein. Dadurch ist der Magnetfeldsensor besonders gut gegen äußere Einflüsse geschützt und besonders robust.
Neben der Magnetfeldquelle kann die Sensoreinrichtung ferner eine Einrichtung zur Verformung und/oder Leitung des Magnetfeldes umfassen. Diese Einrichtung stellt ein passives Bauteil dar, welches die Eigenschaften des Magnetfeldes beeinflusst und beispielsweise die Sensitivität der Sensoreinrichtung oder die erfasste Auslenkung der Magnetfeldquelle beeinflusst. Darunter kann beispielsweise eine Einrichtung verstanden werden, welche ein elektromagnetisches Feld bündelt. Dafür ist eine Einrichtung mit weichmagnetischen Eigenschaften vorteilhaft. Die Sensoreinrichtung umfasst ferner einen Sensor zur Erfassung des von der Magnetfeldquelle emittierten Magnetfeldes. Wird die Magnetfeldquelle relativ zu dem Sensor bewegt, ändert sich das von dem Sensor erfasste Magnetfeld. Dadurch besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der statischen bzw. dynamischen Auslenkung des schwingungstechnischen Bauteils und der Änderung des von dem Sensor erfassten Magnetfeldes. Insofern ermöglicht die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung eine direkte Erfassung der statischen und dynamischen Belastung des schwingungstechnischen Bauteils.
Es ist denkbar, dass die Sensoreinrichtung mehrere Magnetfeldsensoren umfasst, welche so angeordnet sind, dass eine Bewegung des schwingungstechnischen Bauteils, bzw. eine Bewegung einer Komponente des schwingungstechnischen Bauteils in allen drei Raumrichtungen möglich ist. Prinzipiell wäre es auch möglich, eine dreidimensionale Erfassung auch mit nur einem Sensor zu realisieren. Bei Verwendung mehrerer Sensoren ergeben sich aber die Vorteile einer erhöhten Messgenauigkeit und einer größeren Robustheit der Messwertaufnahme. Ebenso kann ein Verkippen des schwingungstechnischen Bauteils, bzw. eine Komponente des schwingungstechnischen Bauteils in allen drei Raumrichtungen erfasst werden. Dies ermöglicht ein vollständiges Monitoring sämtlicher Bewegungen des schwingungstechnischen Bauteils.
Ein Vorteil der auf magnetischem Messprinzip beruhenden Sensoreinrichtung ist eine berührungslos erfolgende Absolutweg- und Winkelmessung. Es werden Verformungen in allen drei Raumrichtungen erfasst, wobei die Sensoreinrichtung die Eigenschaften des schwingungstechnischen Bauteils nicht beeinträchtigt. Ferner wird keine auf das schwingungstechnische Bauteil einwirkende Hilfsenergie, beispielsweise durch bewegte Bauelemente, zur Erfassung der Messwerte benötigt.
Die Magnetfeldquelle ist vorzugsweise so ausgebildet, dass diese gleichbleibende magnetische Eigenschaften aufweist. In diesem Fall ist es möglich, den Abstand des Magnetfeldsensors relativ zu der Magnetfeldquelle zu bestimmen und dadurch die Absolutbewegungen des schwingungstechnischen Bauteils zu bestimmen.
Schwingungstechnische Bauteile umfassen häufig Federelemente aus gummielastischen Werkstoffen. Diese verändern ihre Federungscharakteristiken in Abhängigkeit der Temperatur. Des Weiteren weisen einige gummielastische Werkstoffe auch eine Änderung der Federungscharakteristik in Abhängigkeit der Umgebungsfeuchtigkeit auf. Um die Änderung der Federungscharakteristik in Abhängigkeit der Temperatur und der Feuchtigkeit bestimmen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinrichtung einen Temperatursensor und/oder einen Feuchtigkeitssensor aufweist. Es kann ferner ein Sensor zur Erfassung der Temperatur der Sensoreinrichtung vorgesehen sein, um so eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Magnetfeldes vornehmen zu können.
Die Sensoreinrichtung kann einen dreiachsialen Beschleunigungssensor, ein Mikrofon, ein GPS-Sensor und/oder ein Gyroskop aufweisen. Das Mikrofon ermöglicht das Aufzeichnen von Tonsignalen, welches insbesondere bei der späteren Auswertung, beispielsweise im Rahmen einer Schadensbeurteilung genauere Analysen des Schadenshergangs ermöglicht. Der GPS-Sensor und das Gyroskop verbessern die geografische Zuordnung der übrigen von der Sensoreinrichtung erfassten Daten. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn von der Sensoreinrichtung Schäden an stationären Einrichtungen wie Schienen festgestellt werden.
Die Erfassung dynamischer Vorgänge verbessert sich, wenn die Sensoreinrichtung ferner einen Beschleunigungssensor aufweist.
Die Kontrolleinheit kann ein Funkmodul umfassen. Dies ermöglicht die Fernübertragung der von der Sensoreinrichtung erfassten Daten. So ist es beispielsweise möglich, ein Echtzeit-Monitoring des schwingungstechnischen Bauteils durchzuführen.
Das Funkmodul kann die Daten drahtlos an Empfangsgeräte, beispielsweise eine Zentraleinheit oder an mobile Diagnosegeräte übertragen. Es ist aber auch denkbar, dass das schwingungstechnische Bauteil bzw. die Sensoreinrichtung einen Konnektor für eine Kabelverbindung aufweist. Die Kabelverbindung ist vor dem Hintergrund eines robusten Einsatzes in Schienenfahrzeugen besonders bevorzugt.
Das Funkmodul kann eingerichtet sein, Daten über ein Funkprotokoll zu senden. Das Senden kann beispielsweise lokal mittels WLAN, oder als Fernübertragung über ein Funknetz, wie beispielsweise GSM, UMTS oder LTE oder einem drahtlosen Netzstandard wie ZigBee erfolgen.
Die Kontrolleinheit kann eine Speichereinrichtung umfassen. Die Speichereinrichtung speichert die von der Sensoreinrichtung erfassten Daten. Durch eine geeignete Schnittstelle können die Daten dann zu einem frei wählbaren Zeitpunkt ausgelesen werden. Ein Auslesen der Daten kann beispielsweise im Rahmen einer Wartung erfolgen. Die Speichereinrichtung kann alternativ und zusätzlich zu dem Funkmodul oder einer Datenübertragung via Kabel vorgesehen sein.
Die Kontrolleinheit kann in das Bauteil eingebettet sein. Dadurch ist die Kontrolleinheit besonders gut gegen äußere Einflüsse geschützt. Dies ist aufgrund der dadurch gegebenen langen Gebrauchsdauer insbesondere im Zusammenhang mit Schienenfahrzeugen vorteilhaft. Vorzugsweise ist die Kontrolleinheit dabei dem Federkörper zugeordnet, wobei die Kontrolleinheit in den Federkörper eingebettet sein kann.
Die Kontrolleinheit kann als Auswerteeinheit fungieren. Hierzu kann die Kontrolleinheit mit einem Speicher versehen sein, auf welchem sich ein Auswerteprogramm zur Auswertung der von dem Sensor erfassten Messwerte befindet. Durch das Auswerteprogramm werden die Rohdaten des Sensors umgerechnet, so dass beispielsweise aus einer durch den Sensor erfassten Änderung eines Magnetfeldes ein Abstand von Komponenten des Bauteils ermittelt werden kann.
Die Kontrolleinheit kann einen Mikrocontroller umfassen. Mikrocontroller sind kompakte Einheiten, welche einen Prozessor und einen Arbeitsspeicher enthalten. Der Mikrocontroller kann autonom ein Auswerteprogramm ausführen, durch welches autonom Sensordaten erfasst und ausgewertet werden. Darüber hinaus kann der Mikrocontroller auch einen Speicher enthalten und Messdaten speichern. Prinzipiell ist es dabei auch denkbar, dass der Mikrocontroller in Abhängigkeit der von dem Auswerteprogramm ermittelten Daten das Bauteil direkt beeinflusst, beispielsweise indem der Mikrocontroller Schaltbefehle an Ventile ausgibt, welche Fluidleitungen eines hydraulischen Lagers öffnen oder schließen können.
Schwingungstechnische Bauteile von Schienenfahrzeugen unterliegen starken dynamischen und statischen Wechselwirkungen. Des Weiteren weisen schwingungstechnische Bauteile von Schienenfahrzeugen eine lange Gebrauchsdauer auf, gleichzeitig unterliegen die schwingungstechnischen Bauteile einem Dauerbetrieb. Ein besonders vorteilhafter Einsatz des schwingungstechnischen Bauteils ergibt sich daher bei Ausbildung des schwingungstechnischen Bauteils als Primärfeder eines Schienenfahrzeugs. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht ein Monitoring der Primärfeder und darüber hinaus ein Monitoring der angrenzenden Bauteile. Dies kann beispielsweise der der Primärfeder zugeordnete Primärdämpfer sein. Aber auch die Schnittstelle Rad-Schiene kann überwacht werden. Bei entsprechender Ausgestaltung der Sensoreinrichtung ist es beispielsweise möglich, Flachstellen an Radsätzen oder Schäden an Schienen zu ermitteln.
Insbesondere um Schäden an Schienen feststellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinrichtung ferner ein GPS-Modul aufweist. Dieses ermöglicht eine geografische Zuordnung der erfassten Messwerte. Dadurch können Schäden an Schienen auch zu einem späteren Zeitpunkt genau lokalisiert werden.
Der Sensoreinrichtung kann eine Einrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie zugeordnet sein. Die Einrichtung stellt die für die Sensoreinrichtung benötigte elektrische Energie bereit. Elektrische Energie kann beispielsweise für die Funktion des Magnetfeldsensors, für die Kontrolleinheit und für das Funkmodul benötigt werden.
Nach einer ersten Ausgestaltung erfolgt die Energieversorgung über eine Kabelverbindung mit einer externen Stromquelle, was den Wartungsaufwand reduziert. Nach einer zweiten Ausgestaltung ist die Einrichtung in Form eines Akkumulators ausgebildet. Dadurch können die Komponenten der Sensoreinrichtung autonom mit elektrischer Energie versorgt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Einrichtung ausgebildet, elektrische Energie durch Umwandlung der Umgebungsenergie zu gewinnen. Dazu weist die Einrichtung Generatoren, beispielsweise in Form von Mikrogeneratoren auf, welche Umgebungsenergie, wie beispielsweise Vibrationsenergie, Stoßenergie oder Wärmeenergie in elektrische Energie umwandeln. Der Vorteil gegenüber einem Akkumulator liegt darin, dass die nahezu unbegrenzt vorhandene Umgebungsenergie zur Gewinnung von elektrischer Energie verwendet wird. Daraus ergibt sich eine Sensoranordnung mit einer autonomen Energieversorgung und einer besonders langen Gebrauchsdauer.
Die Kontrolleinheit kann die durch den Sensor erfassten Daten speichern und dem Funkmodul und/oder dem Speicher zuführen. Die Kontrolleinheit kann ferner so ausgebildet sein, dass dort eine erste Verarbeitung der erfassten Daten erfolgt. Beispielsweise können die erfassten Daten in ein busfähiges Protokoll überführt werden. Dies kann über das in der Kontrolleinheit gespeicherte Auswerteprogramm erfolgen. Mehrere schwingungstechnische Bauteile können zu einer Einheit zusammengefasst sein, wobei die von der Sensoreinheit jedes schwingungstechnischen Bauteils erfassten Daten in einer Zentraleinheit zusammengeführt werden. Eine derartige Einheit wird beispielsweise durch das Drehgestell eines Schienenfahrzeugs gebildet. Das Drehgestell weist mehrere schwingungstechnische Bauteile, beispielsweise mehrere Primärfedern auf. Dabei kann dem Drehgestell eine Zentraleinheit zugeordnet sein, welche die von den Sensoreinrichtungen aller an dem Drehgestell angeordneten Primärfedern erfassten Daten zentral erfasst. Die Datenübertragung von den schwingungstechnischen Bauteilen zu der Zentraleinheit kann dabei drahtlos über das Funkmodul oder über ein kabelgebundenes Netzwerk erfolgen. Die Zentraleinheit kann eine Auswerteeinheit und eine Speichereinheit und ein Funkmodul aufweisen.
Durch die Auswerteeinheit können die erfassten Daten vorverarbeitet werden. Durch die Auswertung der Daten aller schwingungstechnischen Einrichtungen kann eine Überwachung des Gesamtsystems erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, die Funktion des Drehgestells und der dazu gehörigen einzelnen Komponenten zu überwachen.
Die von der Sensoreinrichtung oder der Zentraleinheit erfassten Daten können mit einem Zeitstempel versehen werden. Dabei erfolgt eine Synchronisierung der Messsignale mittels einer Echtzeituhr oder einem Zeitsignal, welches durch das Fahrzeug bereitgestellt wird.
Die Sensoreinrichtung kann Einrichtungen zur Optimierung des Energiebedarfs aufweisen. Dadurch kann, insbesondere bei Verwendung von Akkumulatoren, die Betriebsdauer der Sensoreinrichtung verlängert werden. Dies kann beispielsweise durch gezieltes Abschalten und/oder das Überführen der Sensoreinrichtung in den Bereitschaftsbetrieb oder in den Schein-Aus-Modus. Die Einrichtung kann ferner schaltende Bauelemente aufweisen, welche eine vollständige Trennung der Sensoreinrichtung von dem Akkumulator ermöglichen. Die Sensoreinrichtung ermöglicht eine Überwachung des schwingungstechnischen Bauteils. Sind mehrere schwingungstechnische Bauteile zu einer Einheit zusammengefasst, ist darüber hinaus eine Überwachung der gesamten Einheit möglich. Schwingungstechnische Bauteile sind bereits vielfältig und seit vielen Jahren im Einsatz. Daher sind bereits Schädigungsmechanismen bekannt. Durch Kenntnis der tatsächlichen Verformungen des schwingungstechnischen Bauteils, welche durch die Sensoreinrichtung erfasst werden und durch Kenntnis der Schädigungsmechanismen können Beurteilungen des einzelnen schwingungstechnischen Bauteils und der gesamten überwachten Einheit in Echtzeit erfolgen. Dadurch kann beispielsweise eine Schadensakkumulation des Bauteils vorgenommen werden und es ist möglich, die Restlebensdauer zu berechnen. Ebenso kann eine Beurteilung der Einheit vorgenommen werden, welcher die schwingungstechnischen Bauteile zugeordnet sind. Dies kann beispielsweise das Drehgestell eines Schienenfahrzeugs sein.
Der Beschleunigungssensor ermöglicht das Erfassen periodischer Vorgänge, welche beispielsweise durch Radlager oder Getriebe hervorgerufen werden.
Zwischen der Magnetfeldquelle und dem Magnetfeldsensor kann sich Luft befinden. Dies kann beispielsweise in Primärfedern oder in Luftfedern der Fall sein. Des Weiteren ist denkbar, dass sich zwischen der Magnetfeldquelle und dem Magnetfeldsensor das Federelement befindet. Dies ist beispielsweise bei Schichtfedern der Fall. Ferner ist denkbar, dass sich zwischen der Magnetfeldquelle und dem Magnetfeldsensor ein Fluid befindet. Dies ist beispielsweise bei Hydrolagern der Fall.
Ein Ausführungsbeispiel des schwingungstechnischen Bauteils wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch:
Fig. 1 im Schnitt eine Primärfeder. Figur 1 zeigt eine Primärfeder eines Schienenfahrzeugs. Diese bildet ein schwingungstechnisches Bauteil 1. Das schwingungstechnische Bauteil 1 umfasst ein Lagerelement 2 aus metallischem Werkstoff, ein Federelement 3 aus gummielastischem Werkstoff und eine Sensoreinrichtung 4. Die Sensoreinrichtung 4 ist ausgebildet, Relativbewegungen von Federelement 3 und Lagerelement 2 zu erfassen. Die Sensoreinrichtung umfasst einen Sensor und eine Kontrolleinheit.
Der Sensor der Sensoreinrichtung 4 weist ein magnetisches Messprinzip auf. Dazu weist die Sensoreinrichtung 4 eine Magnetfeldquelle 5 und einen Magnetfeldsensor 6 auf. Diese sind beabstandet voneinander im schwingungstechnischen Bauteil 1 angeordnet. Der Magnetfeldsensor 6 ist dem Federelement 3 zugeordnet und die Magnetfeldquelle 5 ist dem Lagerelement 2 zugeordnet. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der Magnetfeldsensor 6 dem Federelement 3 zugeordnet. Hierzu kann der Magnetfeldsensor 6 auch in das Federelement 3 eingebettet sein.
Um Umgebungseinflüsse kompensieren zu können, umfasst die Sensoreinrichtung 4 ferner einen Temperatursensor und einen Beschleunigungssensor. Die Sensoreinrichtung 4 weist ferner ein Mikrofon zur Aufzeichnung von Umgebungsgeräuschen auf. Zusätzlich kann ein Feuchtigkeitssensor vorgesehen sein.
Die Sensoreinrichtung 4 überträgt die Daten bei der vorliegenden Ausgestaltung über eine Kabelverbindung. In einer alternativen Ausgestaltung umfasst die Sensoreinrichtung 4 neben der Kontrolleinheit auch ein Funkmodul. Das Funkmodul ermöglicht eine Funkübertragung der von der Sensoreinrichtung 4 erfassten Daten. Die Kontrolleinheit speichert die von der Sensoreinrichtung 4 erfassten Daten.
Die Kontrolleinheit ist als Mikrocontroller ausgebildet, weicher einen Prozessor und einen Arbeitsspeicher umfasst. Der Mikrocontroller ist eingerichtet, autonom ein Auswerteprogramm auszuführen. Dadurch kann die Kontrolleinheit die von dem Sensor ermittelten Rohdaten erfassen und umrechnen. In einer alternativen Ausgestaltung umfasst der Mikrocontroller darüber hinaus einen Speicher, so dass Rohdaten und/oder ausgewertete Daten in dem Mikrocontroller gespeichert werden können. Insbesondere kann die Kontrolleinheit die Rohdaten in Abstandsdaten überführen.
Eine Anordnung umfasst mehrere schwingungstechnische Bauteile 1 . Die schwingungstechnischen Bauteile 1 wiederum umfassen zumindest ein Lagerelement, ein Federelement und eine Sensoreinrichtung, wobei die Sensoreinrichtung ausgebildet ist, Relativbewegungen von Federelement und/oder Lagerelement zu erfassen. Die von den Sensoreinrichtungen der schwingungstechnischen Bauteile 1 erfassten Messdaten werden in der Zentraleinheit gespeichert und/oder verarbeitet. Dazu sind die Sensoreinrichtungen mit einer kabelgebundenen Datenleitung mit der Zentraleinheit verbunden. Alternativ ist denkbar, dass eine Übertragung der von der von der Sensoreinrichtung 4 erfassten Daten zu der Zentraleinheit kabellos über eine Funkverbindung erfolgt.
Bei einer kabelgebundenen Verbindung zwischen Zentraleinheit und schwingungstechnischem Bauteil 1 kann eine Energieversorgung der Sensoreinrichtung 4 über die Zentraleinheit erfolgen.
Die Zentraleinheit kann einen Speicher umfassen, welcher die von den Sensoreinrichtungen 4 erfassten Daten speichert. Des Weiteren kann die Zentraleinheit mit einer Einrichtung versehen sein, mittels der die von den Sensoreinrichtungen erfassten Daten weitergegeben bzw. ausgelesen werden können. Dazu kann die Zentraleinheit ein Funkmodul aufweisen. Des Weiteren kann die Zentraleinheit eine Schnittstelle zum Anschluss einer kabelgebundenen Ausleseeinheit aufweisen.
Mehrere schwingungstechnische Bauteile 1 können zu einer schwingungstechnischen Einheit zusammengefasst sein, wobei je schwingungstechnischer Einheit je eine Zentraleinheit vorgesehen ist. Bei dieser Ausgestaltung kann eine Anordnung mehrere schwingungstechnische Bauteile 1 und mehrere Zentraleinheiten aufweisen. Die schwingungstechnischen Bauteile 1 sind dabei vorzugsweise einer schwingungstechnischen Einheit, bzw. einer Bauteilgruppe zugeordnet. Dabei können die Zentraleinheiten miteinander in Verbindung stehen.
Eine Anordnung bildet beispielsweise ein Schienenfahrzeug. Das Schienenfahrzeug weist mehrere Drehgestelle und wiederum jedes Drehgestell weist mehrere Radsätze auf. Jeder Radsatz weist mehrere schwingungstechnische Bauteile 1 auf, wobei die schwingungstechnischen Bauteile 1 zumindest teilweise mit einer Sensoranordnung 4 versehen sind. Beispielsweise können die Primärfedern eines Drehgestells mit einer Sensorik ausgerüstet sein.
Die von den in den schwingungstechnischen Bauteilen angeordneten Sensoreinrichtungen 4 erfassten Daten werden jeweils an eine Zentraleinheit übermittelt, wobei je Drehgestell eine Zentraleinheit vorgesehen ist. Das Schienenfahrzeug weist wiederum mehrere Wagen auf, wobei jeder Wagen zwei Drehgestelle aufweist. Insofern weist jeder Wagen zwei Zentraleinheiten mit wiederum mehreren der Zentraleinheit zugeordneten schwingungstechnischen Bauteile 1 auf.

Claims

Patentansprüche
1. Schwingungstechnisches Bauteil (1 ), umfassend zumindest ein Lagerelement (2), ein Federelement (3) und eine Sensoreinrichtung (4), wobei die Sensoreinrichtung (4) zumindest einen Sensor und zumindest eine Kontrolleinheit umfasst und wobei die Sensoreinrichtung (4) ausgebildet ist, Relativbewegungen von Federelement (3) und/oder Lagerelement (2) zu erfassen.
2. Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (4) ein magnetisches Messprinzip aufweist.
3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (4) zumindest eine Magnetfeldquelle (5) und zumindest einen Magnetfeldsensor (6) umfasst, welche beabstandet zueinander im Bauteil (1 ) angeordnet sind.
4. Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (6) als Hall-Sensor ausgebildet ist.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (6) dem Federelement (3) oder dem Lagerelement (2) zugeordnet ist.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (6) in das Federelement (3) eingebettet ist.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (4) einen Temperatursensor und/oder einen Feuchtigkeitssensor und/oder einen Beschleunigungssensor umfasst.
8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ein Funkmodul umfasst.
9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit eine Speichereinrichtung umfasst.
10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit in das Bauteil (1 ) eingebettet ist.
11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit als Auswerteinheit fungiert.
12. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit einen Mikrocontroller umfasst.
13. Schwingungstechnisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet als Primärfeder eines Schienenfahrzeugs.
14. Anordnung, umfassend mehrere schwingungstechnische Bauteile nach einem der vorherigen Ansprüche und zumindest eine Zentraleinheit, welche die von den Sensoren der schwingungstechnischen Bauteile erfassten Messdaten speichert und/oder verarbeitet.
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