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Die Erfindung betrifft einen Wegimpulsgeber eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs.
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Schienennetze werden aus Sicherheitsgründen mit einem sogenannten Zugsicherungssystem betrieben. Hierfür ist das Wissen um die aktuelle Position des oder der sich entlang der Gleise des Schienennetzes bewegten Schienenfahrzeuge erforderlich. Herkömmlicherweise wird die Position jedes Schienenfahrzeugs mittels Odometrie bestimmt. Dabei wird in einem ersten Schritt die Wegstrecke ermittelt, die das Schienenfahrzeug seit einem bestimmten Referenzpunkt zurückgelegt hat. In einem zweiten Schritt wird die Wegstrecke entlang des von dem Schienenfahrzeug befahrenen Gleises projiziert und somit die Position des Fahrzeugs bestimmt.
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Die Wegstrecke wird üblicherweise sowohl anhand des Umfangs eines der Räder des Fahrzeugs als auch anhand der Anzahl der Radumdrehungen während der Bewegung des Fahrzeugs ermittelt. Die Wegstrecke ist in diesem Fall das Produkt aus der Anzahl der Radumdrehungen und dem Umfang des Rades. Um eine möglichst genaue Bestimmung der Wegstrecke und folglich der Position vornehmen zu können, ist einerseits ein genaues Wissen um den Radumfang und andererseits um die Anzahl der Radumdrehungen erforderlich.
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Herkömmlicherweise wird der Raddurchmesser während einer Wartung des Schienenfahrzeugs ermittelt. Dabei wird entweder mittels einer Messlehre der Raddurchmesser direkt gemessen und in einem Odometriesystem gespeichert, mittels dessen während des Betriebs die Position des Fahrzeugs ermittelt wird. Oder die das Gleis berührende Stelle des Rades wird markiert und das Schienenfahrzeug entlang des Gleises solange bewegt, bis die bestimmte Stelle erneut Kontakt mit dem Gleis hat.
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Die zurückgelegte Strecke entspricht dabei dem Radumfang. Aus diesem wird ebenfalls der Raddurchmesser mittels mathematischer Umformung ermittelt und in das Odometriesystem eingegeben. Während des Betriebs wird der in dem Odometriesystem fest gespeicherte Wert für den Raddurchmesser zur Positionsbestimmung verwendet.
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Zur Bestimmung der Anzahl von Radumdrehungen während des Betriebs des Schienenfahrzeugs wird üblicherweise ein Wegimpulsgeber verwendet. Diese weisen meist ein sogenanntes Geberrad auf, das entweder mittels eines Lagers oder lagerlos mit der Achse des Rades gekoppelt ist. Das Geberrad selbst weist beispielsweise entlang des Umfangs verteilte Löcher auf, die mit einer Leuchtquelle bestrahlt werden. Ein auf der der Leuchtquelle gegenüberliegenden Seite des Geberrades angeordneter Lichtsensor erfasst die mittels der Löcher erzeugten Lichtpulse während einer Rotation des Geberrades. Die Anzahl der gezählten Pulse entspricht hierbei dem Produkt aus der Anzahl der auf der Geberscheibe vorhandenen Löcher und der Anzahl von Radumdrehungen. Alternativ zu dieser Lichtschrankenkonstruktion ist das Geberrad zumindest teilweise magnetisch und ein Hall-Sensor des Wegimpulsgebers ist im Bereich des Geberrades fahrzeugstationär angeordnet. Die aufgrund der Bewegung des magnetischen Geberrades mittels des Hall-Sensors erzeugten Strompulse entsprechen dabei der Anzahl von Radumdrehungen.
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Zum Betrieb des Wegimpulsgebers muss dieser mit elektrischer Energie versorgt werden, und die während des Betriebs ermittelte Anzahl von Radumdrehungen ist an eine Bordelektronik des Schienenfahrzeugs zu übermitteln. Hierfür werden die notwendigen Leitungen mit Wellrohr oder Neoprenschläuchen überzogen, um die Kabel gegen Schotterflug von den Gleisen zu schützen und somit die Betriebssicherheit bzw. Verfügbarkeit des Wegimpulsgebers sicherzustellen. Um ferner eine Rückkopplung von mit dem Wegimpulsgeber verbundenen Auswerteelektroniken untereinander zu vermeiden, ist jede Auswerteelektronik mit jeweils mindestens einem eigenen Wegimpulsgeber des Schienenfahrzeugs elektronisch verbunden. Folglich müssen mehrere Wegimpulsgeber an dem Schienenfahrzeug montiert werden, wenn eine Anzahl von Auswerteelektroniken verwendet wird. Dies führt zu vergleichsweise hohen Kosten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Wegimpulsgeber anzugeben, der insbesondere vergleichsweise einfach und kostengünstig an dem Schienenfahrzeug montierbar ist und geeigneterweise mit einer Vielzahl von Auswerteelektroniken elektrisch ohne Rückwirkung kontaktiert werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines besonders geeigneten Schienenfahrzeugs mit einem Wegimpulsgeber, der vergleichsweise einfach montiert werden kann.
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Hinsichtlich des Wegimpulsgebers wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Schienenfahrzeugs durch die Merkmale des Anspruchs 5 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Wegimpulsgeber weist eine Gebereinheit, eine Energieversorgungseinheit und eine Funkeinheit auf. Die Energieversorgungseinheit umfasst einen Generator, der von einer Welle angetrieben ist. Bei einer Rotationsbewegung der Welle wird mittels des Generators eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom erzeugt. Mit der von der Energieversorgungseinheit bereitgestellten elektrischen Energie wird sowohl die Gebereinheit als auch die Funkeinheit betrieben.
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Mittels der Gebereinheit wird dabei die Rotationsbewegung der Welle erfasst und hieraus ein Messwert gebildet. Insbesondere umfasst die Gebereinheit ein Geberrad, das mit der Welle gekoppelt ist. Die Welle selbst ist beispielsweise die Radachse oder aber ein eigenständiges Bauteil, das insbesondere über ein Lager mit der Radachse des Fahrzeugs gekoppelt ist. Mittels der Funkeinheit wird ein Funksignal übertragen, das den Messwert enthält. Das Funksignal ist beispielsweise konform zu einem WLAN- oder Bluetooth-Standard.
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Für den Betrieb des Wegimpulsgebers ist somit weder ein Versorgungskabel noch ein Datenkabel erforderlich, weshalb der Wegimpulsgeber im Wesentlichen kabellos ausgeführt werden kann. Insbesondere ist der Wegimpulsgeber im Wesentlichen autark. Bei der Montage muss folglich lediglich der Wegimpulsgeber mit der Radachse des Fahrzeugs gekoppelt und fahrzeugstationär montiert werden. In einem anschließenden Schritt werden eine Auswerteelektronik des Schienenfahrzeugs auf die Funkfrequenz und/oder den Funkstandard des Wegimpulsgebers eingestellt und die mittels der Gebereinheit erstellten Messwerte mittels Funk ausgelesen. Der Wegimpulsgeber kann somit als ein im Wesentlichen eigenständiges Bauteil ausgeführt werden.
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Aufgrund des Wegfalls sämtlicher Kabelverbindungen reduzieren sich die Kosten für das Schienenfahrzeug. Etwaige Ein- und Ausfederungen der Radachse mittels Federn belasten eine Datenübertragung an die Auswerteelektronik nicht. Ferner kann bei der Gestaltung eines die Radachse aufweisenden Drehgestells auf die Bereitstellung von Platz für die Kabel verzichtet werden.
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Darüber hinaus kann der Wegimpulsgeber mit einer Vielzahl von Auswerteelektroniken gekoppelt werden, ohne dass eine Rückkopplung der Auswerteelektroniken untereinander auftreten könnte. Zudem ist aufgrund der eigenständigen Energieversorgung des Wegimpulsgebers eine zusätzliche Einheit zur galvanischen Trennung von einem elektrischen Bordnetz des Schienenfahrzeugs nicht erforderlich, was zu einer Kostenreduktion führt.
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Insbesondere ist das mittels der Funkeinheit erstellte Funksignal kodiert. Mit anderen Worten enthält das Funksignal eine eindeutige Kennung des Wegimpulsgebers, beispielsweise dessen Seriennummer. Aufgrund dessen kann das Funksignal einem bestimmten Wegimpulsgeber zugeordnet werden, insbesondere falls eine Vielzahl von derartigen Wegimpulsgebern bei einem Schienenfahrzeug verwendet werden. Ferner wird vermieden, dass fälschlicherweise ein Funksignal eines Wegimpulsgebers eines weiteren, ebenfalls mit einem derartigen Wegimpulsgeber ausgerüsteten Schienenfahrzeugs zur Positionsbestimmung herangezogen wird.
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Besonders bevorzugt umfasst die Energieversorgungseinheit einen Energiespeicher, der ein Kondensator oder geeigneterweise ein Akkumulator ist. Aufgrund der Verwendung des Energiespeichers ist eine ausreichende Pufferung von elektrischer Energie ermöglicht. Folglich kann die Funkeinheit auch bei einem Stillstand des Schienenfahrzeugs oder einer vergleichsweise langsamen Fahrt und einer hierdurch bedingten geringen Energieerzeugung mittels des Generators sicher betrieben werden. Ebenso kann nach einem Stillstand mittels der betriebsbereiten Gebereinheit bereits eine vergleichsweise geringe Rotationsgeschwindigkeit registriert werden, die für eine ausreichende Energieerzeugung zu gering ist. Unterstützend kann der Ladezustand des Akkumulators zu Wartungszwecken im Funksignal mit übertragen werden.
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Beispielsweise umfasst die Gebereinheit den Generator. Mit anderen Worten ist die Energieeinheit ein Bestandteil der Gebereinheit und die an dem Generator anliegende elektrische Spannung wird als Maß für die Rotationsgeschwindigkeit herangezogen.
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Besonders bevorzugt jedoch umfasst die Gebereinheit einen Hall-Sensor und vorzugsweise ein Geberrad, das an zumindest einer Stelle magnetisiert ist. Das Geberrad ist hierbei mit der Welle gekoppelt, und die magnetisierte Stelle befindet sich vorzugsweise radial zu der Welle beabstandet, wobei der Hall-Sensor einen gleichen Abstand zu der Welle aufweist. Bei einer Rotationsbewegung der Welle wird die magnetisierte Stelle des Geberrades vergleichsweise nahe an dem Hall-Sensor vorbeibewegt. Bei einer derartigen Bewegung wird das Magnetfeld im Bereich des Hall-Sensors verändert, was an Anschlusskontakten des Hall-Sensors einen elektrischen Strom- und/oder Spannungsimpuls erzeugt. Zur verbesserten Winkelauflösung ist es denkbar, dass das Geberrad eine bestimmte Anzahl von magnetisierten Stellen enthält, die insbesondere umfangsseitig gleichmäßig verteilt sind.
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Alternativ oder in Kombination hierzu umfasst die Gebereinheit eine Lichtschranke und beispielsweise ein Geberrad, das mittels einer Aussparung durchbrochen ist. Die Aussparung ist dabei relativ zu der Lichtschranke derart angeordnet, dass bei einer Rotationsbewegung des Geberrads ein von einer Lichtquelle der Lichtschranke ausgesandtes Licht je nach Stellung des Geberrades ungehindert durch die Aussparung hindurchtreten kann oder von dem Geberrad vollständig geblockt wird. Dies wird mittels eines Lichtsensors der Lichtschranke detektiert, der sich auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite des Geberrads befindet. Zweckmäßigerweise ist das Geberrad mehrmals durchbrochen, beispielsweise 64-mal, um eine besonders hohe Winkelauflösung zu erhalten.
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Ebenso ist es denkbar, auf eine Aussparung zu verzichten und das Geberrad vielmehr sternförmig zu gestalten. Zur Funktionsweise ist lediglich wichtig, dass bei einer Rotation des Geberrads das mittels der Lichtschranke emittierte Licht je nach Winkelstellung des Geberrads entweder geblockt oder mittels des Lichtsensors der Lichtschranke detektiert werden kann. Alternativ können an der Position der Aussparungen Spiegel oder Prismen angeordnet sein, mittels derer das Licht der Lichtschranke auf den Lichtsensor gelenkt wird.
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Das Schienenfahrzeug umfasst zumindest eine Radachse und eine Auswerteeinheit. Mit der Radachse ist ein Wegimpulsgeber gekoppelt. Dabei entspricht die Welle des Wegimpulsgebers der Radachse. Alternativ ist die Welle des Wegimpulsgebers mit der Radachse beispielsweise über eine Kupplung oder ein Lager gekoppelt und wird von dieser angetrieben. Folglich erfasst der Wegimpulsgeber die Rotationsbewegung der Radachse und erstellt hieraus einen Messwert. Der Messwert wird per Funk an die Auswerteeinheit übermittelt, so dass keine Verkabelung des Wegimpulsgebers erforderlich ist. Mittels der Auswerteeinheit wird das empfangene Funksignal ausgewertet.
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Insbesondere umfasst das Schienenfahrzeug zwei oder mehr Auswerteeinheiten, von denen jede das Funksignal des Wegimpulsgebers empfängt. Dabei sind alle Auswerteeinheiten galvanisch voneinander getrennt, so dass sowohl weder der Wegimpulsgeber noch die Auswerteelektroniken untereinander sich gegenseitig beeinflussen.
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Vorteilhafterweise umfasst das Schienenfahrzeug aus Redundanzgründen genau zwei Wegimpulsgeber. Hierdurch ist eine Positionsbestimmung des Schienenfahrzeugs auch bei dem Ausfall eines der beiden Wegimpulsgeber sichergestellt. Andererseits sind die Herstellungskosten und Wartungskosten des Schienenfahrzeugs vergleichsweise gering, da lediglich zwei Wegimpulsgeber verwendet werden, unabhängig von der Anzahl der mit dieser gekoppelten Auswerteelektroniken.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch einen Wegimpulsgeber, und
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2 ein Schienenfahrzeug mit dem Wegimpulsgeber.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in einer perspektivischen Ansicht schematisch ein Wegimpulsgeber 2 mit einem Gehäuse 4 dargestellt, wobei das Gehäuse 4 transparent gezeigt ist. Innerhalb des Gehäuses 4 ist ein Geberrad 6 angeordnet, das starr mit einer Welle 8 verbunden ist. Die Welle 8 selbst ist mittels eines Lagers 10 drehbar gelagert, das an einer Seitenwand des Gehäuses 4 befestigt ist.
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Das Geberrad 6 weist eine Anzahl von Aussparungen 12 auf, die einen konstanten Radius zur Rotationsachse der Welle 8 aufweisen. Der Abstand der Aussparungen 12 untereinander ist dabei gleich, und die Anzahl der Aussparungen 12 kann vierundsechzig (64) betragen. Mit anderen Worten beträgt ein zwischen zwei benachbarten Aussparungen 12 und der Rotationsachse gebildeter Winkel 5,625°.
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Im Bereich des Geberrads 6 ist eine Lichtschranke 14 angeordnet. Die Lichtschranke 14 umfasst eine Leuchtquelle 16, die als eine LED ausgestaltet ist. Ferner weist die Lichtschranke 14 einen Lichtdetektor 18 auf, der sich auf der der Lichtquelle 16 gegenüberliegenden Seite des Geberrads 6 befindet. Der Abstand der Lichtschranke 14 von der Rotationsachse der Welle 8 beträgt im Wesentlichen dem der Aussparungen 12 zu der Rotationsachse. Das mit den Aussparungen 12 versehene Geberrad 6 und die Lichtschranke 14 sind Bestandteil einer Gebereinheit 20 des Wegimpulsgebers 2.
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Bei einer Rotationsbewegung der Welle 8 und somit auch des Geberrads 6 wird ein von der Lichtquelle 16 in Richtung des Geberrads 6 und des Lichtdetektors 18 emittiertes Lichtfeld 22 abwechselnd von dem Geberrad 6 geblockt und von den Aussparungen 12 in Richtung des Lichtdetektors 18 durchgelassen. Aus der Anzahl der mittels des Lichtdetektors 18 erfassten Lichtpulse kann somit ein Messwert erstellt werden, der den Winkel umfasst, um den die Welle 8 während der Rotationsbewegung gedreht wurde. Jeder Puls entspricht hierbei einer Drehung um 5,625°.
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Dieser Messwert wird mittels einer Funkeinheit 24 übertragen. Hierfür wird mittels der Funkeinheit 24 ein Funksignal 26 (s. 2) nach einem WLAN-Standard erstellt, das zudem eine eindeutige Kennung des Wegimpulsgebers 2 enthält. Die eindeutige Kennung ist die Seriennummer des Wegimpulsgebers 2. Zur Versorgung sowohl der die Lichtschranke 14 umfassenden Gebereinheit 20 als auch der Funkeinheit 24 ist eine Energieversorgungseinheit 28 vorgesehen. Die Energieversorgungseinheit 28 weist einen Energiespeicher 30 in Form eines Akkumulators auf, der elektrisch – hier nicht gezeigt – sowohl mit der Funkeinheit 24 als auch der Lichtschranke 14 kontaktiert ist. Der Energiespeicher 30 selbst wird von einem Generator 32 gespeist. Der Generator 32 wird von dem Geberrad 6 bei einer Rotationsbewegung der Welle 8 angetrieben. Die Energiespeicherkapazität des Akkumulators 30 ist derart bemessen, dass bei einer vollständigen Ladung des Akkumulators 30 sowohl die Funkeinheit 24 als auch die Gebereinheit 20 bei einem Stillstand der Welle 8 für einen Zeitraum von mindestens 8 Stunden oder mehreren Tagen betrieben werden kann.
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In 2 ist ein Schienenfahrzeug 34 mit zwei Drehgestellen 36 stark vereinfacht gezeigt. Jedes Drehgestell 36 weist zwei Radachsen 38 mit jeweils zwei Rädern 40 auf. Zur Bestimmung der Position des Schienenfahrzeugs 34 mittels Odometrie sind zwei der vier Radachsen 38 mit jeweils einem Wegimpulsgeber 2 gekoppelt. Hierbei ist die Welle 8 des jeweiligen Wegimpulsgebers 2 starr an der zugehörigen Radachse 38 befestigt. Das Gehäuse 4 jedes Wegimpulsgebers 2 ist an dem zugeordneten Drehgestell 36 angebunden, so dass bei einer Bewegung des Schienenfahrzeugs 34 und einer dadurch bedingten Rotationsbewegung der Radachsen 38 die Geberräder 6 relativ zu der jeweiligen Lichtschranke 14 rotieren.
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Das Schienenfahrzeug 34 weist sechs Auswerteeinheiten 42 auf, von der jede die Funksignale 26 der beiden Wegimpulsgeber 2 empfängt. Beispielsweise werden mit den unterschiedlichen Auswerteeinheiten 42 verschiedene Positionsbestimmungsalgorithmen ausgeführt, wobei bei zumindest einem der Auswerteeinheiten 42 das in dem Funksignal 26 enthaltene Messsignal in eine Geschwindigkeit umgerechnet wird. Aufgrund der Funkübertragung der Messsignale ist dabei eine Beeinflussung der Auswerteeinheiten 42 untereinander ausgeschlossen. Des Weiteren ist bei einem Ausfall eines der beiden Wegimpulsgeber 2 eine Positionsbestimmung mittels der von dem verbliebenen Wegimpulsgeber 2 ermittelten Messdaten möglich. Wegen der Kodierung der Funksignale 26 mit der Kennung des jeweiligen, das Funksignal 26 erstellenden Wegimpulsgebers 2 kann jeder der Messwerte dem jeweiligen Wegimpulsgeber 2 zuverlässig zugeordnet werden.
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Die mit den Wegimpulsgebern 2 ermittelte Anzahl von Radumdrehungen werden mit dem in den Auswerteeinheiten 42 hinterlegten Wert für den Durchmesser des jeweiligen Rads 40 multipliziert. Mittels der Auswerteeinheiten 42 wird die derart erstellte Strecke entlang des von dem Schienenfahrzeug 34 befahrenen Gleises projiziert und somit die Position des Fahrzeugs 34 bestimmt. Die Position wiederum wird beim Betrieb eines Zugssicherungssystems herangezogen.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Wegimpulsgeber
- 4
- Gehäuse
- 6
- Geberrad
- 8
- Welle
- 10
- Lager
- 12
- Aussparung
- 14
- Lichtschranke
- 16
- Lichtquelle
- 18
- Lichtdetektor
- 20
- Gebereinheit
- 22
- Lichtfeld
- 24
- Funkeinheit
- 26
- Funksignal
- 28
- Energieversorgungseinheit
- 30
- Energiespeicher
- 32
- Generator
- 34
- Schienenfahrzeug
- 36
- Drehgestell
- 38
- Radachse
- 40
- Rad
- 42
- Auswerteeinheit
