Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Raddurchmessern an Schienenfahrzeugen.

Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Druckschriften entnehmbar, die technische Lösungen zur Bestimmung eines Raddurchmessers eines Schienenfahrzeuges beschreiben.

Die Druckschrift EP 2 154 509 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Untersuchung von Raddurchmesserunterschieden aus Drehzahlunterschieden an voneinander unabhängig rotierenden Rädern. In den Druckschriften DE 101 02 673 A1 , CN 100449259C und US 4,749,870 werden unterschiedliche Verfahren zum Bestimmen des Raddurchmessers von Schienenfahrzeugen unter Einsatz von Lichtquellen beansprucht.

In den Druckschriften CH 688 728 A5 und DE 35 22 809 C2 wird der Raddurchmesser auf einer Laufspur bestimmt.

In der Druckschrift US 4,866,642 werden mittels Sensoren an bestimmten Messstationen winkelabhängige Daten gewonnen, mit deren Hilfe der Raddurchmesser bestimmt werden kann.

Die Druckschrift EP 1 630 518 A2 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung des Raddurchmessers über Sensoren, welche an den Schienen befestigt sind.

Ferner werden in den Druckschriften DE 103 05 923 A1 und DE 37 21 127 A1 Verfahren zum Messen des Raddurchmessers von schienengebundenen Fahrzeugen unter Verwendung von Magnetisierungsvorrichtungen beschrieben. Die Druckschrift EP 2 199 735 A2 beschreibt ein Verfahren zur berührungslosen dynamischen Erfassung des Durchmessers eines Schienenfahrzeugrades mittels eines Bildverarbeitungsalgorithmus.

Schließlich lehrt die Druckschrift DE 295 16 461 U1 eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Raddurchmessers mittels einer Markierung auf einem Rad und einer optischen Markierleseeinrichtung.

In der Druckschrift EP 1 197 419 A1 wird ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Raddurchmessers und/oder der Fahrtgeschwindigkeit eines Schienenfahrzeuges beschrieben. In der Druckschrift wird erläutert, dass der Raddurchmesser aus einem Beschleunigungssignal und einem Drehfrequenzsignal ermittelt wird.

In der Praxis wird zur Bestimmung der Laufkreisdurchmesser derzeit noch wie folgt vorgegangen: Der Laufkreisdurchmesser von Eisenbahnrädern wird in der Regel nur bei einem Werkstattaufenthalt bestimmt. Die Bestimmung erfolgt mit Hilfe einer Radlehre oder einer Abtastung auf einer Radsatzdrehbank. Bei Personenwagen für Personenzüge stellt dieses Vorgehen kein Problem dar, da sich die Personenwagen zu Routinekontrollen häufig in der Werkstatt befinden. Güterwagen hingegen werden nur alle sechs bis acht Jahre gewartet. In der Zwischenzeit erfolgt in der Regel keine Laufkreisdurchmesserbestimmung beziehungsweise kurz gesagt Raddurchmesserbestimmung. Ferner ist eine Kontrolle des Radprofils eines Schienenfahrzeuges normalerweise höchstens per Sichtprüfung möglich.

Mit dem zunehmenden Aufkommen von Telematiksystemen an Güterwagen, durch die eine Fernüberwachung der Fahrwerkstechnik auf sicherheitsrelevante Defekte erfolgt, ist der Bedarf an einer einfachen Möglichkeit zur Bestimmung des Laufkreisdurchmesser der Räder von Schienenfahrzeugen allgemein entstanden. Der Nutzen der Überwachung durch Telematiksysteme entsteht dadurch, dass ohne Werkstattaufenthalt ermittelt werden kann, ob Wartungen notwendig sind, beziehungsweise ob die Wartungen in naher oder entfernter Zukunft durchgeführt werden müssen.

Derzeit fordern die Regulierungsbehörden auch eine Laufleistungserfassung von Radsätzen von Güterwagen. Derzeit werden hierfür ausschließlich die Radumdrehungen erfasst. Da jedoch der Raddurchmesser von Güterwagen bei den in Europa am verbreitesten eingesetzten Bauarten zwischen 840 mm und 920 mm variiert, entsteht bei einer mittels der Radumdrehungen der Räder der Radsätze erfassten Laufleistung ein potentieller Fehler von fast 7%. Die Werte der genannten Raddurchmesser von 840 bis 920 mm stellen die Herstell- beziehungsweise Betriebsgrenzmaße für die am weitesten verbreiteten Räder der gebräuchlichsten Radsätze dar. Tatsächlich existieren auch Räder mit größeren und kleineren Raddurchmessern, diese sind jedoch nicht so verbreitet. Die Erfindung ist für Räder, die einen größeren oder kleineren Raddurchmesser aufweisen, gleichermaßen anwendbar.

Hinzu kommt, dass das Profil von Güterwagenrädern und die Einhaltung von Grenzmaßen für einen sicheren Betrieb der Güterwagen essentiell ist. Seit der Einführung der Komposit-Brems- Sohle an Schienenfahrzeugen wird verstärkt ein Hohllauf an den Räder der Schienenfahrzeuge beobachtet. Dieses Problem ist in Figur 1A anhand eines Diagramms dargestellt. Aufgetragen ist die Profilhöhe H eines Rades in mm über der Radbreites B eines Rades in mm. Es wird erkennbar, dass sich der Raddurchmesser d durch den Hohllauf des Rades reduziert. Die erste Profilhöhen-Kennlinie 1 .1 zeigt ein Rad mit einer Profilhöhe ohne verschleißbedingten Hohllauf des Rades, während die zweite Profilhöhen-Kennlinie 1 .2, die durch Verschleiß entstehende reduzierte Profilhöhe des Rades zeigt. Die erfasste Differenz zwischen den Kennlinien 1.1 und 1 .2 beträgt Ad/2. Es wird deutlich, dass ein großes Interesse darin besteht, insbesondere auf diese Weise stark verschlissene Räder frühzeitig und automatisch zu erkennen, um betroffene Güterwagen oder auch Personenwagen im Rahmen einer zustandsabhängigen Instandhaltung der Wartung zuzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Durchmesser mindestens eines Rades eines Schienenfahrzeuges während der Fahrt zu ermitteln.

Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers eines auf einer Schiene laufenden Rades und/oder der Geschwindigkeit eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges mit mindestens zwei den Rädern oder Drehgestellen des Schienenfahrzeuges zugeordneten Achsen vor, welches sich dadurch auszeichnet, dass beim Überfahren von schienenseitigen Unregelmäßigkeiten an einem auf einer ersten Achse liegenden ersten Messpunkt ein erstes Beschleunigungssignal und an einem - in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges gesehen - hinter dem ersten Messpunkt auf einer zweiten Achse liegenden zweiten Messpunkt ein zweites Beschleunigungssignal sowie an mindestens einem der Räder ein Rotationsfrequenzsignal gemessen wird, wonach die zwischen den Beschleunigungssignalen liegende Laufzeitdifferenz ermittelt wird, wodurch eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und mindestens eine rotationsfrequenzabhängige Referenz-Geschwindigkeit mindestens eines Rades und aus den beiden Referenz-Geschwindigkeiten der mindestens eine Durchmesser des mindestens einen Rades berechnet wird.

Erste Ausführungsform des Verfahrens:

Zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers eines auf einer Schiene laufenden Rades und/oder der Geschwindigkeit eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges mit mindestens zwei einen konstanten Abstand aufweisenden Rädern wird in der ersten Ausführungsform wie folgt vorgegangen: Beim Überfahren von schienenseitigen Unregelmäßigkeiten an einem auf der ersten Achse liegenden ersten Rad (erster Messpunkt) wird ein erstes Beschleunigungssignal und an einem - in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges gesehen - hinter dem ersten Rad auf der zweiten Achse liegenden zweiten Rad (zweiter Messpunkt) wird ein zweites Beschleunigungssignal sowie an mindestens einem der Räder wird ein Rotationsfrequenzsignal gemessen. (Figur 2A) Zweite Ausführungsform des Verfahrens:

Zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers eines auf einer Schiene laufenden Rades und/oder der Geschwindigkeit eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges mit mindestens zwei einen konstanten Abstand aufweisenden Drehgestellen wird in der zweiten Ausführungsform wie folgt vorgegangen: Beim Überfahren von schienenseitigen Unregelmäßigkeiten wird an einem auf der ersten Achse liegenden ersten Drehgestell (erster Messpunkt) ein erstes Beschleunigungssignal und an einem - in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges gesehen - hinter dem ersten Drehgestell auf der zweiten Achse liegenden zweiten Drehgestell (zweiter Messpunkt) wird ein zweites Beschleunigungssignal sowie an mindestens einem der Räder wird ein Rotationsfrequenzsignal gemessen. (Figur 2B)

Zur ersten und zweiten Ausführungsform des Verfahrens: Danach wird die zwischen den in der ersten oder zweiten Ausführungsform ermittelten Beschleunigungssignalen, liegende Laufzeitdifferenz ermittelt, wodurch eine von den Beschleunigungen abhängige Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und mindestens eine rotationsfrequenzabhängige Referenz-Geschwindigkeit mindestens eines Rades und aus diesen beiden Referenz-Geschwindigkeiten der mindestens eine Durchmesser des mindestens einen Rades berechnet wird.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung, wird die Ermittlung der zwischen den Beschleunigungssignalen liegenden Laufzeitdifferenz unter Auswertung des ersten und zweiten Beschleunigungssignales mit Hilfe der Kreuzkorrelationsfunktion und/oder unter Auswertung eines ersten und eines zweiten Extremas, vorzugsweise maximalen Beschleunigungswerten jeweils über der Zeit in einem vorgebbaren Zeitfenster vorgenommen. Es versteht sich, dass ein erster und zweiter minimaler Beschleunigungswert in einem vorgebbaren Zeitfenster jeweils über der Zeit gemessen gleichermaßen zur Auswertung herangezogen werden kann. Der mindestens eine Durchmesser wird in einer bevorzugten Ausgestaltung in vorgebbaren Zeitfenstern mehrmals ermittelt und statistisch ausgewertet.

In einer möglichen Ausgestaltung der statistischen Auswertung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Histogramm zu verwenden, in dem der mindestens eine erwartete, mehrfach ermittelte Durchmesser des mindestens einen Rades vorgebbaren Intervallbreiten zugeordnet wird, wobei diejenige Intervallbreite, der die größte Anzahl des mindestens einen mehrfach ermittelten Durchmessers zugeordnet worden ist, dem zu ermittelten mindestens einen Durchmesser entspricht. In einer bevorzugten vorteilhaften Ausführungsvariante, wird das erste Beschleunigungssignal an dem ersten Messpunkt und das zweite Beschleunigungssignal an dem zweiten Messpunkt sowie das mindestens eine Rotationsfrequenzsignal mindestens eines der Räder bei einer Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges gemessen, die in einem Geschwindigkeitsbereich von 20 km/h - 80 km/h liegt. Das Verfahren bedient sich einer Vorrichtung, welches sich dadurch auszeichnet, dass einem ersten Messpunkt auf der ersten Achse mindestens ein erster Beschleunigungs-Sensor und einem zweiten Messpunkt auf der zweiten Achse mindestens ein zweiter Beschleunigungs- Sensor zugeordnet ist, und wenigstens einem der mindestens zwei Räder ein Rotationsfrequenz-Sensor zugeordnet ist, wobei die Sensoren mit einer Erfassungseinheit interagieren, die zumindest dazu geeignet ist, mindestens zwei Beschleunigungssignale sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal zu erfassen und auszugeben.

Erste Ausführungsform der Vorrichtung: In der ersten Ausführungsform ist vorgesehen, einem ersten Rad (erster Messpunkt) auf der ersten Achse mindestens einen ersten Beschleunigungs-Sensor und einem zweiten Rad (zweiter Messpunkt) auf der zweiten Achse mindestens einen zweiten Beschleunigungs-Sensor zuzuordnen, und wenigstens einem der mindestens zwei Räder ein Rotationsfrequenz-Sensor zuzuordnen.

Zweite Ausführungsform der Vorrichtung:

In der zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, einem ersten Drehgestell (erster Messpunkt) auf der ersten Achse mindestens einen ersten Beschleunigungs-Sensor und einem zweiten Drehgestell (zweiter Messpunkt) auf der zweiten Achse mindestens einen zweiten Beschleunigungs-Sensor zuzuordnen, und wenigstens einem der mindestens zwei Räder des Drehgestells einen Rotationsfrequenz-Sensor zuzuordnen.

Zur ersten und zweiten Ausführungsform der Vorrichtung:

Prinzipiell ist in der ersten und zweiten Ausführungsform in einer Basis-Ausführungsvariante zumindest eine Erfassungseinheit auf dem Schienenfahrzeug vorzusehen, so dass die mindestens zwei Beschleunigungssignale sowie das mindestens eine Rotationsfrequenzsignal ausgelesen werden kann, um nachfolgend eine externe Auswertung mittels einer Auslese- und Auswerteeinheit vorzunehmen. In einer ersten Ausführungsvariante beider Ausführungsformen interagieren die Sensoren mit einer Erfassungs- und Auswerteeinheit des Schienenfahrzeuges, die dazu geeignet ist, mindestens zwei Beschleunigungssignale sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal zu erfassen und eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und/oder mindestens einen Durchmesser des mindestens einen Rades zu berechnen. Zur Datenkontrolle wird dann nur noch eine Ausleseeinheit benötigt, da die Daten bereits ausgewertet sind.

In beiden zuvor genannten Ausführungsvarianten, erfolgt die Datenkontrolle beispielsweise in vorgebbaren Prüfintervallen in einer Werkstatt oder dergleichen, wobei die Schienenfahrzeuge während der Auswertung nicht in Betrieb sind.

In einer zweiten Ausführungsvariante, die ebenfalls für beide Ausführungsformen anwendbar ist, interagieren die Sensoren mit einer Auswerte- und Sendeeinheit des Schienenfahrzeuges, die dazu geeignet ist, mindestens zwei Beschleunigungssignale sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal zu erfassen und eine beschleunigungsabhängige Referenz- Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und/oder mindestens einen Durchmesser des mindestens einen Rades zu berechnen. Die Datenkontrolle erfolgt dann beispielsweise durch Senden der Daten an eine externe nicht zum Schienenfahrzeuges gehörende Empfangseinheit eines Telematiksystems. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass eine Beurteilung der ausgewerteten Daten am Ort der Empfangseinheit erfolgt, ohne das die Schienenfahrzeuge außer Betrieb genommen werden müssen, da die Daten an die Empfangseinheit versendet werden.

In einer dritten ebenfalls für beide Ausführungsformen geltenden Ausführungsvariante, interagieren die Sensoren mit einer Erfassungseinheit- und Sendeeinheit des Schienenfahrzeuge, die dazu geeignet ist, mindestens zwei Beschleunigungssignale sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal zu erfassen und an eine externe nicht zum Schienenfahrzeug gehörende Empfangseinheit zu versenden, so dass eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und/oder der mindestens eine Durchmesser des mindestens einen Rades nicht in der Erfassungs- und Sendeeinheit des Schienenfahrzeuges erfolgt, sondern in einer externen Empfangs- und Auswerteeinheit berechnet wird/werden. Der wesentliche Vorteil besteht auch hier darin, dass eine Auswertung und Beurteilung der Daten am Ort der Empfangs- und Auswerteeinheit erfolgt, ohne das die Schienenfahrzeuge außer Betrieb genommen werden müssen, da die Daten an die Empfangs- und Auswerteeinheit versendet werden. Darüber hinaus ist, die sich auf dem Schienenfahrzeug befindende Erfassungs- und Sendeeinheit einfacher aufgebaut, da die Auswertung in einer externen Empfangs- und Auswerteeinheit erfolgt.

Anordnung der Beschleunigungs-Sensoren in der ersten Ausführungsform:

In einer bevorzugten ersten Ausgestaltung der Erfindung, sind die Beschleunigungs-Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale an einer Radscheibe des jeweiligen Rades angeordnet.

In einer anderen zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, sind die Beschleunigungs- Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale an einer dem jeweiligen Rad zugeordneten Radsatzwelle angeordnet.

In einer weiteren dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, sind die Beschleunigungs- Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale an einem dem jeweiligen Rad zugeordneten Achslagergehäuse eines Radsatzlagers der Radsatzwelle angeordnet. In einer vierten Ausgestaltung ist vorgeschlagen, die Beschleunigungs-Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale an einem dem jeweiligen Rad zugeordneten Achslagerdeckel anzuordnen.

Schließlich wird in einer fünften Ausgestaltung vorgeschlagen, die Beschleunigungs-Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale an einem dem jeweiligen Rad zugeordneten Achslager anzuordnen.

An einem Schienenfahrzeug kann die Anordnung theoretisch unterschiedlich gewählt sein, das heißt einem Rad ist beispielsweise ein Beschleunigungs-Sensor zugeordnet, der direkt an der Radscheibe des Rades sitzt, während einem anderen Rad ein Beschleunigungs-Sensor zugeordnet ist, der beispielsweise an dem Achslagerdeckel angeordnet ist. Zur Aufzeichnung der Beschleunigungssignale hat sich als praktikabel herausgestellt, beispielsweise dem Achslagerdeckel eines Rad einen Beschleunigungs-Sensor zuzuordnen und dem anderen Rad ebenfalls am Achslagerdeckel in vergleichbarer Position ebenfalls einen weiteren Beschleunigungs-Sensor anzuordnen. Anordnung der Beschleunigungs-Sensoren in der zweiten Ausführungsform:

In der zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Beschleunigungs-Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale jeweils an einem Drehgestell angeordnet sind, so dass die Beschleunigungssignale von mindestens zwei Drehgestellen erfassbar sind, deren konstanter Abstand bekannt ist.

Anordnung eines Rotationsfrequenz-Sensors in der ersten und zweiten Ausführungsform:

Die bevorzugte Anordnung des mindestens einen Rotationsfrequenz-Sensors zur Erfassung des mindestens einen Rotationsfrequenzsignals erfolgt in einer ersten bevorzugten Ausgestaltung an einer Radscheibe des Rades, dessen Raddurchmesser ermittelt werden soll.

In einer anderen bevorzugten zweiten Ausgestaltung wird der mindestens eine Rotationsfrequenz-Sensors an einer dem jeweiligen Rad zugeordneten Radsatzwelle, dessen Raddurchmesser ermittelt werden soll, angeordnet.

Ferner kann bevorzugt in einer dritten Ausgestaltung vorgesehen sein, den mindestens einen Rotationsfrequenz-Sensors an einem dem jeweiligen Rad, dessen Raddurchmesser ermittelt werden soll, zugeordneten rotierenden Innenring und/oder rotierenden Wälzkörpern des Radsatzlagers der Radsatzwelle anzuordnen. Zur Bestimmung der Rotationsfrequenz des Rades kommt in einer möglichen Ausführung der dritten Ausgestaltung des einem Radsatzlager zugeordneten Rades ein Wälzlager zum Einsatz, wobei das Wälzlager des Rades integrierte Sensoren zur Drehzahlbestimmung des Wälzlagers aufweist, woraus auf die Rotationsfrequenz des Rades geschlossen werden kann.

Mit Hilfe der Vorrichtung und dem Verfahren kann ein Telematiksystem ausgestattet werden, welches zur drahtlosen Fernüberwachung mindestens eines Durchmessers eines auf einer Schiene laufenden Rades und/oder der Geschwindigkeit eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges dient.

Das Telematiksystem zeichnet sich durch mindestens einen der Patentansprüche 1 bis 6 und/oder durch eine Vorrichtung nach mindestens einem der Patentansprüche 7 bis 19 aus, wobei die mindestens eine Erfassungseinheit der Vorrichtung entweder eine Sendeeinrichtung umfasst, so dass mindestens zwei Beschleunigungssignale und mindestens ein Rotationsfrequenzsignal an eine Empfangs- und Auswerteeinheit des Telematiksystems aussendbar sind, oder eine Auswerte- und Sendeeinrichtung umfasst, so dass eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und/oder mindestens ein Durchmesser mindestens einen Rades an eine Empfangseinheit des Telematiksystems aussendbar ist/sind.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1A ein bekanntes Verschleißverhalten anhand einer Radprofilmessung von

Rädern eines Schienenfahrzeuges;

Figur 1 B eine perspektivische Darstellung eines symbolhaft dargestellten

Schienenfahrzeug mit zugeordneten kartesischen Koordinaten nach dem Stand der Technik;

Figur 2A eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers

Rades des Schienenfahrzeuges in einer ersten Ausführungsform;

Figur 2B eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers eines

Rades des Schienenfahrzeuges in einer zweiten Ausführungsform; Figur 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beschleunigungen eines ersten und eines zweiten Rades über der Zeit in einem Zeitfenster gemäß der ersten Ausführungsform nach Figur 2A;

Figur 4 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 5 ein Histogramm zur Erläuterung der Vorgehensweise der statistischen

Auswertung gemäß Figur 5 anhand eines ersten Rades. Figur 6 ein Diagramm eines Frequenzspektrums eines intaktes Rades im Vergleich zu einem defekten Rad (Flachstelle) als normierte Amplitude über der Frequenz;

Figur 7 ein Diagramm des Durchmessers des intakten Rades über der Anzahl der mit

Hilfe der Kreuzkorrelation vorgenommenen Berechnungen des Durchmessers anhand eines erfindungsgemäßen Formelalgorithmus;

Figur 8 ein Diagramm des Durchmessers des defekten Rades über der Anzahl der mit

Hilfe der Kreuzkorrelation vorgenommenen Berechnungen des Durchmessers anhand des erfindungsgemäßen Formelalgorithmus;

Figur 9 ein Diagramm mit einem Anteil an „Gut-Messungen" und zugehörigen

Durchmesserberechnungen bezogen auf eine Gesamtmenge an ausgewerteten Messungen in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges.

Die nachfolgende Beschreibung erfolgt stellvertretend für alle auf einer Schiene S fahrenden Fahrzeuge F, die nachfolgend als Schienenfahrzeuge F bezeichnet werden.

Für die Zwecke der Beschreibung soll die in Längsrichtung des Fahrzeuges liegende Richtung mit„x" bezeichnet werden. Mit„y" wird die Richtung in der Horizontalen des Fahrzeuges quer zur x-Richtung bezeichnet, und mit„z" wird die Richtung in der Vertikalen des Fahrzeuges quer zur x-Richtung bezeichnet. Die Figur 2A zeigt, unter Zuhilfenahme der Figur 1 B in der die üblicherweise einem Schienenfahrzeug F zugeordneten kartesischen Koordinaten x, y, z zur eindeutigen Festlegung der nachfolgend verwendeten Richtungsangaben dargestellt sind, die Vorrichtung 10 zur laufenden Bestimmung eines Durchmessers d _n (n= 1 , 2, 3 ...) mindestens eines Rades R _n des Schienenfahrzeuges F in einer ersten Ausführungsform.

Erste Ausführungsform:

Mittels der in Figur 2A dargestellten Vorrichtung 10 und dem zugehörigen Verfahren, wird in der ersten Ausführungsform der Durchmesser mindestens eines Rades Ri (n=1 ) ermittelt.

Zur Bestimmung des Durchmessers mindestens eines Rades Ri (n=1 ) werden die Messpunkte zur Erfassung der Beschleunigungen a^ _\ , a ₂ des jeweiligen Rades Ri, R ₂ und zur Erfassung der mindestens einen Rotationsfrequenz f-ι mindestens eines Rades Ri wie folgt gewählt. In der ersten Ausführungsform wird eine Vorrichtung 10 geschaffen, bei der zumindest an zwei - in x-Richtung gesehen - hintereinander auf sich in y-Richtung erstreckenden Achsen Y1 , Y2 gelagerte Räder R-ι, R ₂ , deren Abstand s _R zwischen den Achsen Y1 , Y2 bekannt ist, mindestens zwei Beschleunigungs-Sensoren Sa _n und mindestens ein Rotationsfrequenz-Sensor Sf _n angeordnet sind. In der Figur 2A liegen die Räder Ri, R ₂ gemäß dem Richtungspfeil x entsprechend nebeneinander.

Gemäß Figur 2A ist vorgesehen, am Schienenfahrzeug F einem ersten Rad Ri eindeutig zuordenbar einen ersten Sensor Sai und einem zweiten Rades R ₂ eindeutig zuordenbar einen zweiten Sensor Sa ₂ zur Erfassung der Beschleunigung des ersten Rades Ri und zweiten Rades R ₂ anzubringen. Die Sensoren werden nachfolgend erster und zweiter Beschleunigungs-Sensor Sai, Sa ₂ genannt.

Prinzipiell muss die Anordnung so erfolgen, dass die Beschleunigungs-Sensoren Sa-ι, Sa ₂ in der Lage sind, die Beschleunigungssignale a^ _\ , a ₂ des jeweiligen Rades Ri, R ₂ eindeutig zu ermitteln. Dazu erfolgt eine eindeutige Zuordnung der Beschleunigungs-Sensoren Sai, Sa ₂ zu dem jeweiligen Rad R-i, R ₂ , entweder eine Anordnung an einer Radscheibe oder an einer Radsatzwelle oder an einem die Radsatzwelle aufnehmende Achslagergehäuse oder an einem Achslagerdeckel. In einer denkbaren Anordnungsvariante kann der Beschleunigungs-Sensor Sa _n auch oberhalb des jeweiligen Rades R _n angeordnet sein. Entscheidend ist, dass das jeweilige Beschleunigungssignal erfasst und eindeutig einem der mindestens zwei Räder R-ι, R ₂ zugeordnet werden kann.

Im Ausführungsbeispiel sind die Beschleunigungs-Sensoren Sa-ι, Sa ₂ beispielsweise in einer der möglichen Ausgestaltungsvarianten beispielsweise an einem Achslagerdeckel des Achslagergehäuses angeordnet, der am ersten und zweiten Rad R-i, R ₂ - in y-Richtung gesehen - in axialer Verlängerung einer Radsatzwelle angeordnet ist. Eine Anordnung am Achslagerdeckel vereinfacht die Messung gegenüber einer Anordnung an der rotierenden Radscheibe oder Radsatzwelle. Solche Anordnungen sind jedoch nicht ausgeschlossen und werden somit ausdrücklich von der Erfindung umfasst.

Die Beschleunigungs-Sensoren Sa-ι, Sa ₂ werden, wie in Figur 2A dargestellt, derart ausgerichtet, dass die vorwiegend in z-Richtung auswirkenden Unregelmäßigkeiten erfassbar sind. Der in Figur 2A jeweils dargestellte Beschleunigungs-Sensor Sa-ι, Sa ₂ ist vorzugsweise in z-Richtung ausgerichtet. Die Erfindung umfasst auch Beschleunigungs-Sensoren Sa-i, Sai die nicht in z-Richtung ausgerichtet sind, da die Beschleunigung eines Rades R-i, R ₂ auch mit Beschleunigungs-Sensoren Sa-ι, Sa ₂ messbar ist, die in y-Richtung oder x-Richtung oder zwischen den kartesischen Hauptkoordinaten - schräg ausgerichtet - angeordnet sind.

Gemäß Figur 2A ist ferner vorgesehen, an dem ersten Rad Ri einen ersten Sensor Sfi zur Erfassung einer Rotationsfrequenz des ersten Rades Ri, nachfolgend erster Rotationsfrequenz- Sensor Sfi genannt und an dem zweiten Rad R ₂ einen zweiten Sensor Sf ₂ zur Erfassung der Rotationsfrequenz des zweiten Rades R ₂ , nachfolgend zweiter Rotationsfrequenz-Sensor Sf ₂ genannt, anzuordnen.

Mit einer solchen Anordnung sind die Durchmesser di, d ₂ beider Räder R-iund R ₂ bestimmbar. Grundsätzlich reicht zur Ermittlung mindestens eines Durchmessers d _n eines einzigen Rades, beispielsweise des ersten Rades Ri ein einziger Rotationsfrequenz-Sensor Sfi aus. Das heißt, die Vorrichtung 10 umfasst mindestens zwei Räder R-ι, R ₂ und zwei Beschleunigungs-Sensoren Sai und Sa ₂ , jedoch wird nur ein Rotationsfrequenz-Sensor Sfi benötigt um mindestens einen Durchmesser d _n , des ersten Rades R-i, oder des zweiten Rades R ₂ zu bestimmen. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zwei Rotationsfrequenz -Sensoren Sf|, Sf ₂ direkt an jeweils einem Rad R-i, R ₂ zweier in x-Richtung benachbarter Radsätze angeordnet.

Prinzipiell muss die Anordnung des mindestens einen die Rotationsfrequenz f-ι, f ₂ anzeigenden Rotationsfrequenz -Sensors Sf|, Sf ₂ an einem Ort erfolgen, die der Rotationsfrequenz f1 , f2 des ersten Rades R-iund zweiten Rades R ₂ eindeutig zugeordnet werden kann, insofern kann eine Anordnung direkt an der rotierenden Radscheibe des ersten und zweiten Rades Ri, R ₂ oder auch an der rotierenden Radsatzwelle erfolgen.

Bei einem ein Drehgestell aufweisenden Güterwagens können die in x-Richtung gesehen - hintereinander auf sich in y-Richtung erstreckenden Achsen Y1 , Y2 gelagerten Räder Ri, R ₂ eines ersten und eines zweiten Radsatzes des Drehgestells mit den in Figur 2A dargestellten Sensoren Sa-i, Sfi; Sa ₂ , Sf ₂ ausgestattet sein. Die beiden Räder R-ι eines ersten Radsatzes sind auf der ersten Y1 -Achse und die beiden Räder R ₂ eines zweiten Radsatzes sind auf der zweiten Y2-Achse gelagert. Bei dieser Ausgestaltung kann der erste Durchmesser di des ersten Rades R1 des ersten Radsatzes und der zweite Durchmesser d ₂ des zweiten Rades R ₂ des zweiten Radsatzes bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Anordnung kann, da die Räder eines Radsatzes starr auf einer Radsatzwelle liegen auch auf den Verschleiß und den Durchmesser der in y- Richtung gegenüberliegenden Räder geschlussfolgert werden. Soll eine genaue Bestimmung der in y-Richtung gegenüberliegenden Räder eines Radsatzes vorgenommen werden, empfiehlt es sich alle vier Räder eines Drehgestells eines Schienenfahrzeuges F mit Beschleunigungs- Sensoren und zwei auf der gleichen Seite des Drehgestells liegende Räder mit jeweils einem Rotationsfrequenz-Sensor auszustatten. Ein Drehgestell mit zwei Radsätzen weist dann vier Beschleunigungs-Sensoren und zwei Rotationsfrequenz-Sensoren auf. Es versteht sich, dass die Vorrichtung und das zugehörige Verfahren für Schienenfahrzeuge F ohne und mit Drehgestell anwendbar ist. Für die erste Ausführungsform entscheidend ist, dass in Fahrtrichtung gesehen hintereinander liegende Räder R-ι, R ₂ eines ersten und eines zweiten Radsatzes vorhanden sind, um mindestens einen Durchmesser d _n bestimmen zu können.

Zweite Ausführungsform: Die Vorgehensweise innerhalb des Verfahrens und die Ausgestaltung der Vorrichtung 10 in der zweiten Ausführungsform erfolgt analog, jedoch wird eine andere Anordnung der Messpunkte gewählt, wobei der Abstand der Messpunkte ebenfalls bekannt ist, wie nachfolgend anhand der Figur 2B erläutert wird. Mittels der in Figur 2B dargestellten Vorrichtung 10 und dem zugehörigen Verfahren in der zweiten Ausführungsform kann der Durchmesser mindestens eines Rades R _n (n=1 , 2, 3 ...) ermittelt werden.

In der zweiten Ausführungsform wird eine Vorrichtung 10 geschaffen, bei der zumindest an zwei - in x-Richtung gesehen - hintereinander auf sich in y-Richtung erstreckenden Achsen Y1 , Y2 gelagerte Drehgestelle DG-i, DG ₂ , deren Abstand S _D G zwischen den Achsen Y1 , Y2 bekannt ist, mindestens zwei Beschleunigungs-Sensoren Sa _n und mindestens ein Rotationsfrequenz-Sensor Sf _n angeordnet sind. In der Figur 2B liegen die Drehgestelle DG-i, DG ₂ gemäß dem Richtungspfeil x entsprechend nebeneinander. Ein möglicher Abstand S _D G ist der Abstand von Drehzapfen zu Drehzapfen von zwei hintereinander liegenden Drehgestellen DGi, DG ₂ , der als Drehzapfenabstand eines Schienenfahrzeuges F bezeichnet wird.

Gemäß Figur 2B ist vorgesehen, am Schienenfahrzeug F einem ersten Drehgestell DGi eindeutig zuordenbar einen ersten Sensor Sai und einem zweiten Drehgestell DG ₂ eindeutig zuordenbar einen zweiten Sensor Sa ₂ zur Erfassung der Beschleunigung des ersten Drehgestelles DGi und des zweiten Drehgestelles DG ₂ anzubringen. Die Sensoren werden nachfolgend analog zur ersten Ausführungsform erster und zweiter Beschleunigungs-Sensor Sai, Sa ₂ genannt. Prinzipiell muss die Anordnung so erfolgen, dass die Beschleunigungs-Sensoren Sa-ι, Sa ₂ in der Lage sind, die Beschleunigungssignale a^ _\ , a ₂ des jeweiligen Drehgestells DGi, DG ₂ eindeutig zu ermitteln. Die Anordnung der Rotationsfrequenz-Sensoren Sf _n erfolgt gemäß Figur 2B analog zu Figur 2A.

Mit dieser Anordnung in der zweiten Ausführungsform ist mindestens ein Durchmesser d _n einen Rades R _n , wobei zur Ermittlung des mindestens eines Durchmessers d _n eines einzigen Rades, ein einziger Rotationsfrequenz-Sensor Sf _n ausreicht.

Die nachfolgende Beschreibung erfolgt anhand der ersten Ausführungsform. Die nachfolgend beschriebene Vorgehensweise zur Auswertung der erfassten Rohdaten (a _n , f _n ) ist analog auf die zweite Ausführungsform übertragbar, wobei der in den Formeln einzusetzende Abstand s _R in der zweiten Ausführungsform, der Abstand S _D G zwischen den beiden Drehgestellen DG-i, DG ₂ gemäß Figur 2B ist.

In der zweiten Ausführungsform werden nicht die Beschleunigungssignale a^ _\ , a ₂ der Räder R-i, R ₂ , sondern die Beschleunigungssignale a^ _\ , a ₂ der Drehgestelle DG-ι, DG ₂ ermittelt. Daraus folgt, dass die Beschleunigungs-Kennlinien 3.1 und 3.2 in der zweiten Ausführungsform nicht am ersten und zweiten Rad R-i, R ₂ , sondern am ersten und zweiten Drehgestell DGi, DG ₂ aufgenommen werden.

Ermittlung des Raddurchmessers: In Figur 3 ist ein Kennlinienverlauf einer ersten und einer zweiten Beschleunigungs-Kennlinien 3.1 und 3.2 des ersten Rades Ri und des zweiten Rades R ₂ dargestellt.

Das zugehörige Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers d _n eines Rades R _n eines Schienenfahrzeuges F nutzt den Effekt aus, dass es durch das Überfahren von streckenseitigen Unregelmäßigkeiten zu bestimmten Beschleunigungssignalen a^ _\ , a ₂ an der ersten und zweiten Achse Y1 , Y2 des Schienenfahrzeuges F kommt. Ein erstes Beschleunigungssignal ai wird gemäß Diagramm Figur 3 und Verfahrensschema Figur 4 über der Zeit t ermittelt, wobei das auf der ersten Achse Y1 liegende vorlaufende erste Rad Ri - in Fahrtrichtung x gesehen - zuerst auf eine vorhandene Unregelmäßigkeiten auftrifft, wonach mit einem Zeitversatz At das auf der zweiten Achse Y2 nachlaufende zweite Rad R ₂ auf die gleiche Unregelmäßigkeit trifft. Durch die Unregelmäßigkeiten entstehen an den beiden Rädern R-ι, R ₂ unterschiedliche Beschleunigungssignale, ein erstes Beschleunigungssignal ai und ein zweites Beschleunigungssignal a ₂ , wie durch die Ausschläge der Kennlinien 3.1 und 3.2 verdeutlicht wird.

Als Unregelmäßigkeiten, die von den Beschleunigungs-Sensoren S _a - _\ , S _a2 erfasst werden, werden unter anderem Schienenstöße, Stöße die durch Weichenüberfahrten und sonstige Unregelmäßigkeiten angesehen.

Bei Schienenstößen und Stößen durch Weichenüberfahrten oder dergleichen, sind die in Figur 3 dargestellten Maxima ai _max , a _2m ax der Beschleunigungssignale a- _\ , a ₂ ermittelbar und können zur Auswertung herangezogen werden, wie nachfolgend erläutert wird.

Ausgehend von den Beschleunigungssignalen a^ _\ , a ₂ beziehungsweise der maximalen Beschleunigungswerte ai _max , a _2max , jeweils über der Zeit t, gemäß dem Diagramm der Figur 3 erfolgt die Bestimmung der Laufzeitdifferenz At=t2-t1 der erfassten Beschleunigungssignale a^ _\ , a ₂ beziehungsweise der Beschleunigungswerte ai _max , a _2max .

Es wird gemäß Figur 3 vorgeschlagen, die Laufzeitdifferenz At zwischen den Beschleunigungssignale a^ _\ , a ₂ der Räder R-ι, R ₂ über der Zeit t unter Anwendung einer Kreuzkorrelationsfunktion zu ermitteln und/oder die Laufzeitdifferenz At der Maxima-Werte ai _max , a _2max der Beschleunigungssignale a- _\ , a ₂ auszuwerten.

Die Bestimmung der Laufzeitdifferenz At erfolgt in einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante unter Auswertung der Beschleunigungssignale a^ _\ , a ₂ über der Zeit t mit Hilfe der Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) und/oder in einer zweiten Ausführungsvariante unter Auswertung von mindestens zwei maximalen Beschleunigungswerten a-i _max , a _2max die jeweils in einem vorgebbaren Zeitbereich, in einem Zeitfenster t _Ges ermittelt werden.

Der Vorteil der Auswertung zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz At der Beschleunigungswerte mittels der Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) anhand der Beschleunigungssignale a^ _\ , a ₂ (erste Ausführungsvariante) besteht darin, dass diese Methode der Auswertung genauer ist, als die Auswertung der beiden maximalen Beschleunigungswerte a-i _max , a _2max (zweite Ausführungsvariante), jedoch ist die Auswertung insgesamt aufwändiger, als die Bestimmung der Laufzeitdifferenz At=t2-t1 anhand der Maxima a-i _max , a _2max . Es versteht sich, dass die Auswertungen parallel ausgeführt werden können, wonach die Ergebnisse, insofern Abweichungen auftreten, statistisch ausgewertet werden können.

Dem Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers di , d ₂ mindestens eines Rades Ri, R ₂ liegt folgende Berechnung zugrunde:

Gemäß Formel (1 ) kann über die Laufzeitdifferenz At und dem bekannten Abstand s _R (erste Ausführungsform) eine Referenz-Geschwindigkeit vref a des Schienenfahrzeugs S bestimmt werden: s _R

vref a = (1 )

At

In der zweiten Ausführungsform wird in den Formeln (1 ) und (3.1 beziehungsweise 3.2) nicht der Abstand s _R der Räder R-ι, R ₂ , sondern der bekannte Drehzapfenabstand S _D G zwischen zwei Drehgestellen DGi, DG ₂ eingesetzt. Gemäß der Formel (2) ergibt sich ferner eine von der Drehzahl f-ι, f ₂ des jeweiligen Rades Ri, R ₂ abhängige Referenzgeschwindigkeit vref f _n des ersten und/oder des zweiten Rades Ri, R ₂ : vref f ₂ = f ₂ d ₂ (2.2) Ein Gleichsetzen der Formel (1 ) mit der Formel (2.1 ) und/oder (2.2) ergibt, dass der Durchmesser di des ersten Rades Ri beziehungsweise der Durchmesser d ₂ des zweiten Rades R ₂ gemäß der Formeln (3.1 ) und (3.2) als Quotient des Abstandes s _R der ersten und zweiten Achse Y1 , Y2 und der jeweiligen Rotationsfrequenz f-ι, f ₂ des ersten und zweiten Rades Ri, R ₂ berechenbar ist.

SR

fi π Δί SR

d ₂ = (3.2)

ί ₂ π Δί Über diese Berechnung hinaus, ist es ferner vorgesehen, um nicht zu verhindernde Ungenauigkeiten der Beschleunigungs- und Rotationsfrequenzmessungen auszugleichen eine statistische Auswertung vorzunehmen, wie schematisch in dem Verfahrensschema der Figur 4 dargestellt ist. Es wird eine Ermittlung und Berechnung einer Vielzahl (n= 1 , 2, 3 ...) von Raddurchmessern d _n eines Rades innerhalb mehrerer Zeitfenster tges _n (n= 1 , 2, 3 ...) durchgeführt.

Anschließend werden statistische Ausreißer, der berechneten Raddurchmesser di, d ₂ , die außerhalb vorgebbarer Grenzen liegen, aussortiert.

Aus den verbleibenden Daten wird gemäß Figur 5 in einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ein Histogramm erstellt.

Bei einer vorgebbaren, geeignet gewählten Intervallbreite d Int von beispielsweise 0,001 mm gemäß Figur 5 die an einem Praxisbeispiel zur Verdeutlichung der histographischen Auswertung dient, wird beispielsweise einem Intervall 0,824 bis 0,825 die größte Anzahl A von ermittelten Raddurchmessern di, d ₂ zugeordnet. Das Intervall mit der größten zugeordneten Anzahl A ist nach der statistischen Auswertung der gesuchte Raddurchmesser di oder d ₂ , wie in dem in Figur 5 dargestellten Praxisbeispiel nachfolgend noch erläutert wird.

Die aufgezeichneten Daten wurden in Testfahrten bestätigt. Die Ergebnisse einer Testfahrt sind in Figur 5 in einem Diagramm dargestellt. Die Ergebnisse wurden wie beschrieben ausgewertet und wurden mit Werkstattprotokollen, welche direkt vor den Testfahrten erstellt worden sind, verglichen.

Dem Intervall 0,825 bis 0,826 m konnten die meisten ermittelten Raddurchmesser zugeordnet werden. Der berechnete Raddurchmesser di eines ersten Rades Ri beträgt hiernach 825 mm bis 826 mm. Dieses Ergebnis stimmt mit einem in der Werkstatt gemessenen ersten Raddurchmesser di des ersten Rades Ri von 825 mm überein. Für das zweite untersuchte Rad R ₂ ergibt sich das gleiche Bild. Nach den Tests wird eine Genauigkeit des Verfahrens von ±1 mm erreicht. Da ein Hohllauf der Räder R-ι , R ₂ bis zu 20 mm auf den Durchmesser beobachtet wurde, ist mittels der Vorrichtung 10 und des Verfahrens bereits eine Verschlechterung des Rades von 5%, das heißt, es sind bereits 5% des maximal zu erwartenden Hohllaufes eines Rades R-i , R ₂ detektierbar. Somit ist mit dem beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung 10 bereits eine geringe Profilveränderung sehr gut detektierbar.

Der Vorteil dieser Vorrichtung 10 und dem zugehörigen Verfahren gegenüber dem Stand der Technik ist die einfache Automatisierbarkeit und Integrationsfähigkeit in die sich zur Zeit in der Entwicklung befindenden Telematiksysteme zur Zustandsüberwachung von Schienenfahrzeugen.

Der Vorteil gegenüber dem aus der Druckschrift EP 1 197 419 A1 bekannten empfindlichen Verfahren besteht darin, dass das in dieser Patentanmeldung vorgestellte Verfahren von der Schwellenfachfrequenz unabhängig ist, die auf der Annahme eines konstanten Schwellenabstandes einer auf Schwellen gelagerten Schiene beruht. Der Schwellenabstand ist aber in der Praxis nicht konstant, sondern kann insbesondere zwischen verschiedenen Ländern variieren. Daher ist das bekannte Verfahren ungenau, insofern der Schwellenabstand als Konstante angesehen wird oder es muss zur Verbesserung der Genauigkeit des Verfahrens eine aufwändige messtechnische Erfassung des Schwellenabstandes erfolgen. Selbst bei einer messtechnischen Erfassung des Schwellenabstandes, so hat eine Fehlerbetrachtung ergeben, liefert das bekannte Verfahren gegenüber dem hier vorgeschlagenen Verfahren weniger genaue Werte. Grund dafür ist erstens, dass die messtechnische Erfassung schwierig ist, da die Schwellenfachfrequenz, die mittels einer Sekundärdurchbiegung der Schiene im Bereich der Schwelle zu einer periodischen Anregung des Radsatzes führt und über diese Sekundärdurchbiegung ermittelt wird, häufig nicht stark genug ausgeprägt ist. Die aus der Schwellenfachfrequenz abgeleiteten Beschleunigungssignale nach dem Stand der Technik führen bei der Auswertung der Beschleunigungssignale unter der Annahme gleicher Abtastraten zu einem größeren Fehler, als bei der erfindungsgemäßen Auswertung der Beschleunigungssignale, die durch Unregelmäßigkeiten der Schiene S mittels den Rädern zugeordneten Beschleunigungs-Sensoren auftreten. Hinzu kommt, dass in der Praxis die Schwellenformen variieren, so dass die Auswertung der Schwellenfachfrequenz zusätzlich kompliziert wird. Zusammengefasst weist die neue Vorrichtung und das neue Verfahren den Vorteil auf, dass eine Bestimmung des Durchmessers eines Rades ohne Kenntnis über den Schwellenabstand und die Form der verlegten Schwellen möglich ist, wobei zudem mit geringerem messtechnischen Aufwand eine höhere Genauigkeit erreicht wird.

Mit anderen Worten besteht ein wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, dass das Verfahren auch auf schwellenlosen Schienen (feste Fahrbahn) angewendet werden kann. Die Ermittlung des Durchmessers d _n des Rades R _n erfolgt durch Erfassung von schienenseitigen Unregelmäßigkeiten unabhängig von dem Vorhandensein von Schwellen.

Ein die Messungen beeinflussender Faktor besteht darin, dass die Räder R _n selbst schadhaft sein können, wodurch die Ermittlung der Schwellenfachfrequenz gemäß der Druckschrift EP 1 197 419 A1 nicht mehr möglich ist, wie nachfolgend anhand der Figuren 6 bis 8 erläutert wird.

Figur 6 zeigt anhand einer gestrichelt dargestellten ersten Kennlinie K1 ein aus am Achslager gemessenen Beschleunigungen a _n gewonnenes Frequenzspektrum eines schadensfreien (intakten) Rades R _n und anhand einer durchgehend dargestellten zweiten Kennlinie K2 ein aus am Achslager gemessenen Beschleunigungen a _n gewonnenes Frequenzspektrum eines geschädigten (defekten) Rades R _n .

Als Schäden an Rädern R _n werden beispielsweise Flachstellen und Polygonisierungen (Unrundheiten) sowie Exzentrizitäten angesehen. Bei dem dargestellten Schaden handelt es sich um eine Flachstelle, jedoch tritt bei anderen Schäden, wie auftretenden Polygonisierungen und/oder auftretenden Exzentrizitäten eines Rades R _n ein vergleichbarer Effekt auf.

Beide Kennlinien K1 , K2 wurden in einem kurzen Zeitintervall von circa 2s als normierte Amplitude (Normwert 1 ) über der Frequenz in Hz für einen Bereich von 0 bis 100 Hz ermittelt.

Es wird anhand der ersten Kennlinie K1 deutlich, dass sich selbst für ein schadensfreies Rad R _n innerhalb des dargestellten Frequenzspektrums keine Peaks deutlich genug ausprägen, die eine Aussage über die Schwellenfachfrequenz erlauben, da die Anregung durch die Schwellen zu gering ist. Die Schwierigkeiten bei der Ermittlung der Schwellenfachfrequenz infolge der geringen Ausprägung der Signale der dadurch einhergehenden schlechten Messbarkeit wurde bereits anhand der vorhergehenden Beschreibung zu der Druckschrift EP 1 197 419 A1 erläutert.

Die erste Kennlinie K1 zeigt anhand des normierten Amplitudensignals der ermittelten Frequenz in einem kurzen Zeitraum von circa 2 s noch einmal deutlich, dass eine solche Messung nicht signifikant genug ist, um ohne weiteres die Schwellenfachfrequenz zu ermitteln.

Die erste Kennlinie K1 ist eher mit einem rauschenden Signal vergleichbar, welches keine eindeutigen Aussagen über eine sich klar abzeichnende Frequenz zulässt. In der Praxis gelingt die Ermittlung der Schwellenfachfrequenz nur mit einem sehr hohem messtechnischen Aufwand und insbesondere nur dann, wenn die Messungen über einen sehr langen Zeitraum vorgenommen werden. In langen Messzeiträumen ändern sich jedoch zumeist die vorliegenden Randbedingungen, so dass auch dieser Ansatz meist nicht zu guten Ergebnissen führt. Hingegen zeigt die zweite Kennlinie K2 anhand der signifikanten Peaks fsig eindeutig, von denen in Figur 6 einige beispielhaft mit dem Bezugszeichen fsig (sig=signifikant) markiert sind, dass sich an einem Rad R _n vorhandene Schäden im Frequenzspektrum deutlich abzeichnen und damit andere Schwingungen überdecken. Das heißt, dass insbesondere dann, wenn ein schadhaftes Rad R _n vorliegt, die Ermittlung der Schwellenfachfrequenz unmöglich ist, da die durch den Schaden hervorgerufenen signifikanten Amplitudenausschläge fsig, die sowieso nicht eindeutig ausgeprägte erste Kennlinie K1 zur Ermittlung der Schwellenfachfrequenz noch weiter stören, so dass die Schwellenfachfrequenz bei einem schadhaften Rad R _n erst recht unauffindbar ist. Hierin liegt ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung, die eben gerade ohne die Ermittlung der Schwellenfachfrequenz auskommt, um den Durchmesser d _n eines Rades R _n zu bestimmen, denn die Ermittlung des Durchmesser d _n eines Rades R _n nach dem erfindungsgemäßen Verfahren funktioniert problemlos auch dann, wenn ein schadhaftes Rad R _n vorliegt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird auch aus den Figuren 7 und 8 deutlich. Gemäß der Beschreibung der Erfindung wurde der Durchmesser d _n für ein intaktes Rad R _n in einem vorgebbaren Zeitintervall mit Hilfe des nach der Erfindung angegebenen Formelalgorithmus (Formeln 1./2.1/2.2/3.1/3.2) beispielsweise 16.000 mal berechnet.

In Figur 7 ist der jeweils in dem vorgebbaren Zeitintervall mehrmals (beispielsweise 16.000 mal) berechnete Durchmesser d _n eines schadensfreien Rades R _n über der Anzahl der mittels der Kreuzkorrelation vorgenommenen Berechnungen aufgetragen.

Anhand der Figur 7 wird anhand einer dritten Kennlinie K3 deutlich, dass der Durchmesser d _n analog zu der bereits beschriebenen histographischen Auswertung konstant bei 0,824 bis 0,825 mm liegt. Die bei der Berechnung entstandenen vom gesuchten Durchmesser klar abweichenden Werte beinträchtigen, wie zuvor erläutert durch die histographischen Auswertung, das Ergebnis kaum.

In Figur 8 ist der jeweils in dem vorgebbaren Zeitintervall mehrmals (beispielsweise 16.000 mal) berechnete Durchmesser d _n eines schadhaftes Rades R _n - im Ausführungsbeispiel mit einer Flachstelle - über der Anzahl der mittels der Kreuzkorrelation vorgenommenen Berechnungen aufgetragen.

Anhand der Figur 8 wird mittels der vierten Kennlinie K4 deutlich, dass der anhand des erfindungsgemäßen Formelalgorithmus (Formeln 1./2.1/2.2/3.1/3.2) berechnete Durchmesser d _n analog zu der bereits beschriebenen histographischen Auswertung gut erkennbar ebenfalls konstant bei 0,824 bis 0,825 mm liegt. Die bei der Berechnung vom gesuchten Durchmesser d _n klar abweichenden Werte nehmen zwar hinsichtlich der Anzahl durch die schadhafte Stelle des Rades R _n bedingt zu. Sie werden, wie zuvor erläutert, durch die statistische Auswertung ausgeglichen und führen so zu keiner signifikanten Verschlechterung der Durchmesserberechnung.

Im Ergebnis ist mit der Vorgehensweise gemäß der Erfindung auch bei einem schadhaften Rad R _n die Ermittlung des zugehörigen Durchmessers d _n , problemlos möglich, während die Ermittlung über den Weg der Ermittlung der Schwellenfachfrequenz bei einem schadhaften Rad R _n , wie bereits erläutert, ausgeschlossen ist. Es hat sich ferner eine bevorzugte Ausführungsvariante zur Durchführung des Verfahrens herausgestellt. Es ist vorteilhaft für die statistische Auswertung nur Messungen zu verwenden, welche in einem Geschwindigkeitsbereich von 20 km/h bis 80 km/h aufgezeichnet werden.

Dieser Zusammenhang wird in Figur 9 anhand der Kennlinien (durchgehende Kennlinie) K5 und (gestrichelte Kennlinie) K6 verdeutlicht. Die Kennlinien K5, K6 wurden bis zu einer Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeuges F von 80 km/h ermittelt, sind jedoch nur bis zu einer Geschwindigkeit von 60 km/h dargestellt.

Die Kennlinien K5, K6 basieren auf einem Raddurchmesser di , d ₂ von jeweils 0,825m und einem Abstand s _R zwischen den beiden Rädern R-ι , R ₂ von 1 ,8m.

In Figur 9 ist der Anteil von Durchmesserberechnungen dargestellt, bei denen durch sogenannte„Gut-Messungen" ein Fehler <2mm bezogen auf den wahren Durchmesser d _n eines Rades R _n erreicht wurde, wie die fünfte Kennlinie K5 bezogen auf eine Gesamtmenge an ausgewerteten Messungen, deren Anzahl eine sechste Kennlinie K6 zeigt.

Die Berechnung des Anteils von „Gut-Messungen" erfolgt jeweils über einen Geschwindigkeitsbereich von +1-2 km/h. Das heißt, der dargestellte Anteil von„Gut-Messungen" wurde beispielsweise bei 20 km/h für den Geschwindigkeitsbereich von 18 km/h bis 22 km/h und bei 30 km/h in einem Geschwindigkeitsbereich von 28 km/h bis 32 km/h ermittelt.

Es wird anhand der fünften Kennlinie K5 deutlich, dass es vorteilhaft ist, die Messungen ab einer Mindestgeschwindigkeit des Schienenfahrzeuges F von 15 km/h durchzuführen, was in der Praxis leicht realisierbar ist.

Danach erfolgt, mit dem Ansteigen der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges F, wie die Kennlinien K5 und K6 verdeutlichen, ein kontinuierlicher Anstieg des Verhältnisses von „Gut- Messungen" zu der Anzahl von durchgeführten Messungen, bis sich das Verhältnis bei 50 km/h auf circa 50% stabilisiert. Dieses Verhältnis hängt von der eingesetzten Messtechnik ab und kann bei einem erhöhten Aufwand an Messtechnik noch weiter erhöht werden. Der dargestellte Effekt basiert auf der bei Versuchen gewonnenen Erkenntnis, dass bei der Durchführung des Verfahrens folgende Randbedingungen ein Rolle spielen und somit Einfluss auf die Auswertung und Berechnung des Durchmessers d _n eines Rades R _n haben.

Erstens führt eine steigende Fahrgeschwindigkeit v des Schienenfahrzeuges F zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass während eines Betrachtungszeitraumes von beispielsweise 2s eine schienenseitige Unregelmäßigkeit sowohl das erste Rad Ri als auch das zweite Rad R ₂ passiert. Eine steigende Fahrgeschwindigkeit v des Schienenfahrzeuges F erhöht daher in vorteilhafter Weise die Anzahl der„Gut-Messungen". Zweitens reduziert eine steigende Fahrgeschwindigkeit v des Schienenfahrzeuges F in vorteilhafter Weise weiterhin die Auswirkungen von sich ändernden Fahrgeschwindigkeiten v des Schienenfahrzeuges F auf die Durchmesserberechnung.

Drittens wurde festgestellt, dass eine Abtastrate, der die Messsignale erzeugenden Messtechnik möglicht hoch gewählt werden muss, um insbesondere bei einem Ansteigen der Fahrgeschwindigkeit v des Schienenfahrzeuges F eine besonders hohe Anzahl an „Gut- Messungen" zu generieren, wodurch gerade bei hohen Fahrgeschwindigkeit v eine hohe Anzahl an Durchmesserberechnungen ermöglicht wird. Die drei genannten Randbedingungen überlagern sich und führen zu dem genannten optimalen Geschwindigkeitsbereich von 20 km/h bis 80 km/h für den die statistische Auswertung gemäß der bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt.

Die statistische Auswertung in dem genannten Geschwindigkeitsbereich von 20 km/h bis 80 km/h hat zudem den Vorteil, dass der notwendige Rechenaufwand reduziert wird. Jede Durchmesserberechnung ist mit entsprechendem Rechenaufwand verbunden. Die Daten nur innerhalb des optimalen Geschwindigkeitsbereiches von 20 km/h bis 80 km/h auszuwerten, führt somit in vorteilhafter Weise zu einer Erhöhung der Effizienz des Verfahrens und bei der Durchmesserberechnung innerhalb der statistischen Auswertung zu einer Erhöhung der Genauigkeit des ermittelten Durchmessers d _n . Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung

Ri erstes Rad

R ₂ zweites Rad

DGi erstes Drehgestell

DG ₂ zweites Drehgestell

Y1 erste Achse

Y2 zweite Achse

F Schienenfahrzeug

S Schiene

H Profilhöhe

B Radbreite

a _n Beschleunigungssignale

ai erstes Beschleunigungssignal

a ₂ zweites Beschleunigungssignal

3lmax erster maximaler Beschleunigungswert a2max zweiter maximaler Beschleunigungswert

Sa _n n-ter Beschleunigungs-Sensor

Sai erster Beschleunigungs-Sensor

Sa ₂ zweiter Beschleunigungs-Sensor

fi erstes Rotationsfrequenzsignal

f ₂ zweites Rotationsfrequenzsignal

Sf _n n-ter Rotationsfrequenz-Sensor

Sfi erster Rotationsfrequenz-Sensor

Sf ₂ zweiter Rotationsfrequenz-Sensor d _n n-ter Durchmesser

di erster Durchmesser (erstes Rad Ri) d ₂ zweiter Durchmesser (zweites Rad R ₂ )

SR Abstand zwischen zwei Rädern

SDG Abstand zwischen zwei Drehgestellen

V Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges F vref a Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges F vref f 1 Referenz-Geschwindigkeit des ersten Rades Ri

vref f ₂ Referenz-Geschwindigkeit des zweiten Rades R ₂

t Zeit

At Laufzeitdifferenz

t Ges Zeitfenster

d Int Intervallbreite

1 .1 erste Profilhöhen-Kennlinie ohne Hohllauf

1 .2 zweite Profilhöhen-Kennlinie mit Hohllauf

3.1 erste Beschleunigungs-Kennlinie

3.2 zweite Beschleunigungs-Kennlinie

X in Längsrichtung des Fahrzeuges liegende Richtung (Fahrtrichtung) y Horizontale des Fahrzeuges quer zur x-Richtung

z Vertikale des Fahrzeuges quer zur x-Richtung.

A Anzahl der Zuordnungen

K1 erste Kennlinie

K2 zweite Kennlinie

K3 dritte Kennlinie

K4 vierte Kennlinie

K5 fünfte Kennlinie

K4 sechste Kennlinie

fsig signifikante Amplitude der Frequenz