Verfahren zum Ermitteln der Auffahrgeschwindigkeit eines schienengebundenen Wagens auf ein Hindernis und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Beim Rangierbetrieb, insbesondere beim Zusammenlaufen schienengebundener Wagen, treten in Abhängigkeit von der Auf fahrgeschwindigkeit Verzögerungen (negative Beschleunigungen) auf, die beim Überschreiten zulässiger Höchstwerte zu einer Beschädigung z. B. eines zu transportierenden Gutes und bei sehr großen Überschreitungen zur Beschädigung des Wagens führen können. Die auftretenden Beschleunigungen sind insbesondere von der elastischen Verformung der Pufferfedern, der Reibungsarbeit bei der Pufferfederverformung und gegebenenfalls von der elastischen Verformung des Wagenrahmens (beim Überschreiten des maximalen Pufferhubes) abhängig.

Aus der EP-A1-0 391 047 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bremsen-Prüfung und Bremsen-Überwachung bei Schienenfahrzeugen bekannt, wobei Sensoren im Bremssystem jedes Drehgestells Meßwerte liefern, deren weitere Verarbeitung eine Funktionsdiagnose der Bremsanlagen gestattet.

Aus der EP-A2-0 433 756 ist ein System zur lückenlosen Kontrolle des Transportes von Gütern bekannt, das hinsichtlich des Datenzugriffs und der Sicherheit gegen Datenmanipulationen optimiert ist. Dieses bekannte System weist Sensoren auf, die u. a. die Beschleunigung des zu transpotierenden Gutes messen. Die Problematik der Auffahrgeschwindigkeits-Brmittlung ist in der BP-A2-0 433 756 jedoch an keiner Stelle angesprochen.

Die US-A-4 752 053 beschreibt die Überwachung eines Eisenbahnzuges in bezug auf die Fahrzustände "vorwärts", "rückwärts", "in Bewegung", "im Stillstand", "gezogen" und "geschoben". Dabei wird die Beschleunigung gemessen integriert und zur Ermittlung des betreffenden Fahrzustandes weiter verarbeitet.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß insbesondere die Kenntnis über die Auffahrgeschwindigkeiten im Hinblick auf haftungsrechtliche Fragen (z. B. bei Transportschäden) und bei der Transportgutüberwachung eine ganz bedeutende Rolle spielt.

Eine Auffahrgeschwindigkeitsmessung könnte mit einem Sensor erfolgen, der auf der Bewegung einer seismischen Masse durch die Einwirkung der Beschleunigung (Pendelprinzip) beruht. Durch Tiefabstimmung wirkt das Meßsystem als Beschleunigungsintegrator, dessen mechanische Auslenkung als Maß für die Auffahrgeschwindigkeit aufgezeichnet werden kann. Dieser Sensor weist ein hohes Gewicht, einen komplizierten Aufbau und eine schwierige elektronische Meßwerterfassung auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln der Auffahrgeschwindigkeit eines schienengebundenen Wagens auf ein Hindernis zu schaffen, das mit einfachen Verfahrensschritten ausreichend genaue Ermittlungsergebnisse liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Ermitteln der Auffahrgeschwindigkeit eines schienengebundenen Wagens auf ein Hindernis gelöst, bei dem der zeitliche Verlauf der Beschleunigung des Wagens erfaßt wird und bei dem aus dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigung durch zeitliche Integration die Auffahrgeschwindigkeit ermittelt wird, wobei als obere Integrationsgrenze der zuvor bestimmte Zeitpunkt des negativen Beschleunigungsmaximums herangezogen wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Ermittlung der Auffahrgeschwindigkeit ohne Kenntnis spezifischer Wagenparameter (z. B. Wagenmasse oder Federsteifigkeit) möglich ist. Da das negative Beschleunigungsmaximum zur Festlegung der oberen Integrationsgrenze herangezogen wird, beschränkt sich die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Beschleunigung des Wagens in vorteilhafter Weise auf den ungestörten Stauchvorgang; nachfolgende Pendelbewegungen und untergeordnete Strukturen werden dadurch in vorteilhafter Weise ausgeblendet. Bei ausreichender Bandbreite eines die Beschleunigung aufnehmenden Sensors sind auch Rahmenstöße problemlos erfaßbar. Das erfindungsgemäße Verfahren ist unter Einsatz handelsüblicher, kostengünstiger Bauteile (Beschleunigungssensoren, Microcontroller) kostengünstig ausführbar und erfordert zudem nur einen äußerst geringen Rechenaufwand, so daß eine sehr hohe Meßrate pro Stoßereignis erzielbar ist und viele Stoßereignisse gespeichert werden können.

Die Erfindung geht zunächst von der Überlegung aus, daß die zeitliche Integration der erfaßten Beschleunigung die Änderung der Relativgeschwindigkeit während des Auffahrvorgangs liefert: wobei v_a die gesuchte absolute Anfangsgeschwindigkeit unter der Annahme darstellt, daß das Hindernis (z. B. Prellwaggon) vor dem Stoß in Ruhe ist. Bei einer relativen Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t_o

v_o = v(t_o) zwischen dem auffahrenden Wagen und dem Hindernis ergibt sich v_a zu$${\text{v}}_{\text{a}}{\text{= v(t}}_{\text{o}}{\text{) - δv(t}}_{\text{o}}\text{).}$$

Die vorliegende Erfindung basiert auf der wesentlichen Erkenntnis, daß die meßtechnisch nicht zugängliche Geschwindigkeit v_o in parameterunabhängiger Festlegung in einfacher Weise unter Ausnutzung von Symmetrien im zeitlichen Verlauf der Beschleunigung bestimmt werden kann. Im einfachsten Fall des vollelastischen Stoßes bewegen sich nämlich die beiden Auffahrpartner beim (negativen) Beschleunigungsmaximum, d. h. bei maximaler Verzögerung, mit identischer Geschwindigkeit, so daß für die relative Geschwindigkeit v zum Zeitpunkt t_o gilt:$${\text{v}}_{\text{o}}\text{= 0 für db(t)/dt = 0.}$$

Die obere Integrationsgrenze t_o mit der zugehörigen Endgeschwindigkeit v_o = 0 kann also über eine einfache Extremwertbestimmung gefunden werden.

Allerdings sind gegebenenfalls richtungsabhängige Dämpfungseinflüsse zu berücksichtigen; beim Auftreten von Rahmenstößen zeigt sich jedoch, daß nur eine schwache Dämpfung wirksam wird. Das bedeutet, daß gerade in diesem häufig auftretenden Fall eine ausreichend exakte Ruhepunktbestimmung möglich ist.

Eine hinsichtlich der Verarbeitung der anfallenden Daten vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der erfaßte zeitliche Verlauf der Beschleunigung digitalisiert wird.

Eine besonders anwenderfreundliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß das negative Beschleunigungsmaximum und die Auffahrgeschwindigkeit optisch angezeigt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält einen Beschleunigungssensor, der ein dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigung des Wagens entsprechendes Ausgangssignal abgibt, einen Maximalwertdetektor, der das negative Maximum (negativer Extremwert) des Ausgangssignals ermittelt, einen Integrator, der das Ausgangssignal zeitlich integriert und der mit dem Maximum als Abbruchbefehl für die Integration beaufschlagbar ist, und eine Anzeigeeinheit zur Ausgabe des Integrator-Ausgangssignals. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist unter Verwendung handelsüblicher Bauteile einfach und kostengünstig realisierbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß der Beschleunigungssensor ein mikromechanischer Beschleunigungssensor ist; besonders geeignet sind kapazitive, mikromechanisch hergestellte Beschleunigungssensoren.

Im Hinblick auf eine kostengünstige und schnelle Datenverarbeitung ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, daß die Vorrichtung einen Microcontroller enthält, der das Ausgangssignal des Sensors digitalisiert, speichert und bewertet.

Um die von der Vorrichtung ermittelten und/oder gespeicherten Daten beispielsweise zur statistischen Auswertung abgreifen zu können, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise mit einer Schnittstelle versehen, über die ein Datenaustausch zwischen der Vorrichtung und einer externen Datenverarbeitungseinrichtung möglich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Figur 1

Verhältnisse bei einem Auffahrvorgang,

Figur 2

den zeitlichen Verlauf bewegungsbeschreibender Größen,

Figur 3

schematisch einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens und die

Figuren 4 und 5

eine Ausgestaltungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 1 zeigt einen schienengebundenen Wagen 1, der unter Zurücklegung eines Federweges x(t) mit einer Geschwindigkeit v_a(t) und einer Beschleunigung b(t) auf ein Hindernis in Form eines weiteren Wagens 2 auf einem Gleis 3 auf fährt. Die Wagen 1 und 2 weisen damit eine Relativgeschwindigkeit v(t) relativ zueinander auf.

Figur 2 zeigt qualitativ die Zusammenhänge zwischen dem zurückgelegten Federweg x(t), der Relativgeschwindigkeit v(t) und dem Betrag der Beschleunigung b(t) während der Auffahrphase. Man erkennt eine mit zunehmender Verzögerung (negative Beschleunigung) b(t) abnehmende Geschwindigkeit v(t).

Die Erfindung basiert auf der wesentlichen Erkenntnis, daß sich die beiden Wagen 1 und 2 beim Maximum b_max der Verzögerung (negative Beschleunigung) b(t) mit identischer Geschwindigkeit bewegen, so daß in diesem Zeitpunkt für die Relativgeschwindigkeit

v(t) = v(t_o) = 0 gilt. Die obere Integrationsgrenze t_o mit der dazugehörigen Endgeschwindigkeit v_o = 0 (Ruhepunkt der Relativbewegung) kann also über eine einfache Extremwertsuche gefunden werden. Nach Überschreiten des Extremwerts (negatives Maximum) setzt sich der elastische Stoßvorgang mit abnehmender Verzögerung b(t) und negativer zunehmender Relativgeschwindigkeit v(t) fort.

Figur 3 zeigt den von einem nachfolgend noch näher beschriebenen Beschleunigungssensor ermittelten zeitlichen Verlauf der Beschleunigung b(t), aus dem durch Bildung der ersten Ableitung das negative Beschleunigungsmaximum (Verzögerung) bmax bestimmt wird. Damit wird der Zeitpunkt t_o ermittelt, bei dem die Relativgeschwindigkeit v_o = 0 ist und bei dem die integrative Auswertung der Beschleunigung b(t) abgebrochen werden soll. Nach dieser Festlegung der oberen Integrationsgrenze t_o wird aus dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigung b(t) durch zeitliche Integration die Auflaufgeschwindigkeit

v_a = v_a(t_o) ermittelt und mittels einer Anzeigeeinheit optisch dargestellt. Zusätzlich können der zeitliche Verlauf der Auf fahrgeschwindigkeit v_a(t), durch Summenbildung der bisher insgesamt ermittelten negativen Beschleunigungsmaxima die Anzahl der Stöße bzw. Koppelvorgänge sowie der zeitliche Verlauf der Beschleunigung b(t) angezeigt werden.

Die Figuren 4 und 5 zeigen eine in Figur 1 nur schematisch dargestellte Vorrichtung 4 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 4 enthält einen mikromechanisch aufgebauten Beschleunigungssensor 10, der auf die zu erwartende Beschleunigungsrichtung 11 ausgerichtet ist.

Gemäß Figur 5 ist dem Beschleunigungssensor 10 ein Micro-controller 14 nachgeordnet, der ein Ausgangssignal 15 des Sensors 10 digitalisiert und speichert. Der Microcontroller 14 kann zusätzlich das Ausgangssignal 15 beispielsweise durch Vergleich mit vorgegebenen Schwellwerten bewerten. Das Ausgangssignal 15 wird in digitalisierter Form einem Maximalwertdetektor 16 zugeführt, der negative Maxima b_max des Ausgangssignals 15 ermittelt. Ein Integrator 17 ist eingangsseitig mit dem Ausgangssignal 15 beaufschlagt und erhält von dem Maximalwertdetektor 16 den Zeitpunkt t_o des ermittelten negativen Maximums (maximale Verzögerung) b'_max als Abbruchbefehl für die Integration. Dem Integrator 17 ist eine Anzeigeeinheit 20 nachgeordnet, die zumindest das Integrator-Ausgangsignal 21 optisch darstellt.

Gemäß Figur 4 ist dazu eine LCD-Anzeige vorgesehen, die bedarfsweise die Maximalbeschleunigung b_max und die maximale Geschwindigkeit v_max anzeigt. Ferner können auch weitere ermittelte Werte oder Daten (Datum/Uhrzeit) angezeigt werden. Die Vorrichtung 4 kann zusätzlich von weiteren externen Sensoren 25 bis 28 mit Sensorsignalen beaufschlagt werden, die gleichzeitig oder alternativ auf der Anzeigeeinheit 20 angezeigt werden. Die Vorrichtung 4 enthält eine standardisierte RS232-Schnittstelle 30, über die mit einer externen Datenverarbeitungseinrichtung - beispielsweise in Form eines externen Rechners 31 - ein Datenaustausch möglich ist. Die Vorrichtung 4 enthält zusätzlich eine serielle Schnittstelle 32 für Testfunktionen.