VORRICHTUNG ZUR ÜBERWACHUNG MINDESTENS EINER BETRIEBSGRÖSSE EINES RADSATZLAGERS

Bezeichnung der Erfindung

Vorrichtung zur Überwachung mindestens einer Betriebsgröße eines

Radsatzlagers

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Wälzlagertechnik für Radsatzlager - insbesondere für Schienenfahrzeuge - und betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung mindestens einer Betriebsgröße eines Radsatzlagers, das mindestens einen rotierenden Lagerring und ein ortsfestes Radsatzlagergehäuse umfasst.

Radsatzlager stehen unter erheblicher mechanischer Belastung. Dennoch werden von ihnen äußerst lange störungsfreie Standzeiten erwartet. Besonders kritisch sind dabei so genannte Heißläufer, bei denen beispielsweise durch Verschleiß oder Überhitzung fortschreitende Lagerschäden auftreten, die ungünstigstenfalls zum Festsetzen des Lagers und damit zu erheblichen Störungen des Betriebs führen können. Deshalb besteht zunehmender Bedarf, betriebsgemäß auftretende Belastungen, beispielsweise thermische Belastungen, zur Sicherstellung eines störungsfreien Betriebs beobachten und überwachen zu können. Bei Schienenfahrzeugen gestaltet sich die so genannte Heißläuferortung auch deshalb schwierig, weil bislang nur die Temperatur des Lagergehäuses erfasst und in an sich - zB aus dem Aufsatz „PHOENIX MB / The New Dimension in Hot Box Detection", E. Eisenbrand in SIGNAL + DRAHT 5/2001 - bekannter Weise von streckenseitigen feststehenden Empfangsstationen abgetastet wird. Eine regelmäßige und zuverlässige Aussage über die Betriebsgrößen - zB die tatsächliche Temperatur - des mitrotierenden und besonders ϋberlastgefährdeten Lager-Innenrings ist damit nicht gewährleistet.

Eine Betriebsgrößenmessung am ortsfesten Lagerteil (idR also am Außenring) ist meist problemlos möglich. Die Messung von Betriebsgrößen am mitdrehenden Lagerteil (also idR am Innenring) ist wegen der Energieversorgung des dazu erforderlichen Sensors oder Messfühlers und der Übertra- gung der Messergebnisse jedoch anspruchsvoller.

Grundsätzlich ist denkbar, einen Sensor über eine Batterie mit Energie zu versorgen; dies hat jedoch den Nachteil, dass wegen der endlichen Batterielebensdauer ein regelmäßiger Batteriewechsel notwendig ist. Dieser führt zu erheblichem Wartungsaufwand. Zudem erfahren Batterien innerhalb des Radsatzlagers erhebliche thermische Belastungen, die zu vorzeitigem Ausfall führen können.

Grundsätzlich wären auch optische oder Infrarotsysteme zur drahtlosen Be- triebsgrößenmessung denkbar, die jedoch für die im Radsatzlagerbereich anzutreffende Umgebung nicht zuverlässig und nicht mit angemessenem Aufwand praktikabel erscheinen.

Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Überwachung mindestens einer Betriebsgröße eines Radsatzlagers anzugeben, die mit geringem Aufwand und ohne fahr- zeugseitigen Wartungsbedarf der Energieversorgung zuverlässig mindestens eine Kenn- oder Betriebsgröße des mitdrehenden Radlagerteils überwacht und die Überwachungsergebnisse zur Weiterverarbeitung übermittelt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Demgemäß weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ua auf einen Sensor, der unmittelbar an dem rotierenden Lagerring angeordnet ist, eine Sendeeinheit, die mit dem Lagerring mitrotierend angeordnet ist und die von dem Sensor gelieferte Messwerte drahtlos zu einer ortsfesten Empfangseinrichtung übermittelt, und eine Energieversorgungseinheit mit einem ersten mitrotierenden und einem zweiten kooperierenden am Radlagergehäuse ange- ordneten Generatorelement, die den Sensor und die Sendeeinheit mit Energie versorgt.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist dabei die Applikation eines - durch die erfindungsgemäß vorgesehene Energieversorgungseinheit - energieau- tarken Sensors in unmittelbarer Nähe der zu überwachenden besonders kritischen Radsatzlagerkomponente - nämlich dem mitdrehenden Lagerring. Dadurch kann der Sensor sehr genaue Informationen über die Betriebsbedingungen und Betriebsgrößen des Lagerrings liefern. Vorteilhafterweise können diese Informationen ohne die eingangs genannten Nachteile anderer denkbarer Messansätze gewonnen und übermittelt werden. So ist insbesondere keine Batterie oder Verkabelung zwischen einer ortsfesten Energiequelle und dem Sensor bzw. der Sendeeinheit zur Energieversorgung erforderlich, weil beide Komponenten von der Energieversorgungseinheit energieautark versorgt sind.

Damit ist also der besondere Vorteil einer wartungsfreien fahrzeugseitigen Betriebsgrößenerfassung unmittelbar an der Wirkstelle erreicht, wobei die dazu erforderlichen, relativ wenigen und wenig Bauraum erfordernden Systemkomponenten in einfacher Weise in das Radsatzlager integriert werden können.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor ein Temperatursensor, der besonders bevorzugt ein temperaturabhängiger e- lektrischer Widerstand ist. Ein besonderer Aspekt der Erfindung ist die technisch einfache und dennoch zuverlässige Bereitstellung der für die Überwachung erforderlichen Energie der auf dem mitdrehenden Lagerteil bzw. Achskappe angeordneten Komponenten (zumindest Sensor und Sendeeinheit). Vor diesem Hintergrund sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, dass das erste mitdrehende Generatorelement der Energieversorgungseinheit ein Wiegandelement ist und dass das zweite kooperierende Generatorelement von ortsfest angeordneten Magneten gebildet wird.

Nach einer vorteilhaften Fortbildung der Erfindung ist eine erste Adapterplatte vorgesehen, die die Sendeeinheit und das erste Generatorelement trägt und die auf eine mitrotierende Achskappe montierbar ist. Damit sind die mitrotierenden Komponenten vorteilhafterweise auf einem gemeinsamen Träger vormontiert zusammengefasst, dadurch leichter handhabbar, montierbar und vorprüf bar.

Die erste Adapterplatte kann fertigungstechnisch und hinsichtlich ihres Gewichts bzw. etwaiger Unwuchten bevorzugt ein Kunststoff- oder Kunststoffvergussteil sein. Zudem kann die erste Adapterplatte bevorzugt an die Kon- tur der Achskappe angepasst sein. Die mitrotierenden Komponenten können dann besonders vorteilhaft in die Adapterplatte eingebettet oder eingegossen sein, wodurch ein besonders robuster Aufbau realisiert ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine zweite Adap- terplatte vorgesehen, die das zweite Generatorelement und die Empfangseinrichtung trägt. Damit sind auch diese Komponenten in vorteilhafter Weise auf einem gemeinsamen Träger vormontiert und dadurch leichter handhabbar, montierbar und vorprüfbar. Weiter bevorzugt sind die Adapterplatten kreisförmig.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Empfangseinrichtung eine passive Antenne, an die eine außerhalb des Radlagergehäuses angeordnete Antenne angeschlossen ist. Damit kann in aufbautechnisch besonders einfacher Weise das von der Sendeeinheit gelieferte Signal zur Weiterleitung an einen externen, zB stre- ckenseitigen Empfänger außerhalb des Radsatzlagergehäuses geleitet werden, ohne dass aktive Komponenten und damit eine weitere Energieversor- gung erforderlich wären.

Dazu kann bevorzugt das Radlagergehäuse von einem Deckel abgeschlossen sein, der zumindest einen für die von der Sendeeinheit abgestrahlten Funksignale durchlässigen Bereich aufweist. Der durchlässige Bereich des Deckels kann fertigungstechnisch bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Eine besonders robuste und zuverlässige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Generatorelement in den Deckel eingebettet, insbesondere eingegossen, ist.

Um das Energiemanagement weiter zu optimieren, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Signalübermittlung zum ortsfesten Empfänger erst erfolgt, wenn die Messwerte einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwert überschreiten. Damit kann die Überwachung so ausgelegt werden, dass nur bei Eintreten anomaler Betriebszustände bzw. Auf- treten unzulässiger Betriebsgrößen eine Übermittlung an den ortsfesten Empfänger erfolgt, womit dann ggf. durch eine angeschlossene Steuerschaltung geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Sig- nal-Aufbereitungseinheit vorgesehen, die die übermittelten Messwerte hinsichtlich des Messwerttrends auswertet und daraus eine Gefährdungsprognose ableitet. Häufig lassen sich bereits aus zB stetig ansteigenden, gleichwohl absolut gesehen noch unterhalb eines Zulässigkeitsgrenzwertes liegende Messwerte (zB Temperaturwerten des Innenrings) Rückschlüsse auf etwaige eingetretene Schädigungen ziehen bzw. geeignete Warn- oder Gegenmaßnahmen (zB Verlangsamung der Fahrt) ableiten.

Die Signal-Aufbereitungseinheit kann dazu besonders bevorzugt einen Vergleich zwischen mehreren Radsatzlagern zB eines Wagens durchführen und Abweichungen anzeigen, wenn diese eine vorgegebene Toleranzschwelle überschreiten. Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch oder ergänzend aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Dabei zeigen:

Figur 1 im Längsschnitt ein Radsatzlager mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 2 schematisch einen Temperatursensor mit zugeordneter

Sendeeinheit und deren Energieversorgung,

Figur 3 eine erste Anordnungsvariante kooperierender Generatorelemente,

Figur 4 eine zweite Anordnungsvariante kooperierender Generatorelemente und

Figur 5 eine dritte Anordnungsvariante kooperierender Generator- elemente.

Figur 1 zeigt im Längsschnitt ein Radsatzlager 1 eines Schienenfahrzeugs, das eine nur teilweise dargestellte, um eine Drehachse 2 rotierende Radachse oder Radnabe 3 und ein Radsatzlagergehäuse 4 aufweist. Das Gehäuse 4 umfasst einen Gehäusedeckel 5, der im Wesentlichen das radferne Ende 6 der Radachse abdeckt und über Schrauben lösbar mit dem übrigen Gehäuse 4 verbunden ist.

Das Radsatzlager umfasst einen inneren, mit der Achse fest verbundenen und somit mitrotierenden Lagerring 7, einen äußeren, fest mit dem Gehäuse 4 verbundenen Lagerring 8 und dazwischen laufende Wälzkörper 9 (diese Komponenten sind jeweils nur teilweise zeichnerisch dargestellt). Das Gehäuse 4 ist fest an dem Schienenfahrzeug montiert und wird daher nachfolgend zur Differenzierung gegenüber den sich mitdrehenden Komponenten (zB dem Lagerring 7) als ortsfest bezeichnet, auch wenn sich das Schienenfahrzeug seinerseits selbstverständlich entlang der Schienenstre- cke bewegt.

An dem Ende 6 ist eine Achskappe 10 befestigt, die also mit der Radachse und dem Lagerring 7 mitrotiert. In der Achskappe erstreckt sich eine im Wesentlichen achsparallele Bohrung 11 , in die ein Sensor 12 eingebracht ist, dessen sensibler Messfühler sich direkt an der Seitenfläche des Innenrings 7 befindet.

Der Sensor ist in diesem Ausführungsbeispiel als Temperatursensor in Form eines Heißleiters ausgebildet und misst dementsprechend Temperaturwerte des Innenrings. Selbstverständlich könnten alternativ oder zusätzlich auch andere Sensoren für andere betriebsrelevante Messgrößen, wie beispielsweise wirkende Lagerkräfte, vorgesehen sein.

Auf der Achskappe ist eine erste Adapterplatte 13 fixiert, die eine Sendeein- heit 14 und ein erstes Generatorelement 15 trägt. Die Adapterplatte 13 hat die Grundform einer Kreisscheibe. Sie kann aus einem Kunststoff- oder Kunststoffgussteil bestehen und könnte - in Abweichung von dem figürlich dargestellten Ausführungsbeispiel - in ihrem Profil und ihrer Kontur an die Kontur der Achskappe 10 angepasst sein. Femer könnten die Sendeeinheit 14 und das erste Generatorelement 15 in die erste Adapterplatte integriert, eingebettet oder eingegossen sein, was zu einem besonders robusten Aufbau beiträgt.

Die Sendeeinheit 14 umfasst ua - wie nachfolgend im Zusammenhang mit Figur 2 noch näher erläutert - einen Energiespeicher 16, der mit Spannungsimpulsen bzw. Stromimpulsen des ersten Generatorelements beaufschlagt ist. Diese Spannungs- bzw. Stromimpulse werden im Zusammenspiel des ersten Generatorelements 15 - das als so genanntes, an sich bekanntes Wiegandelement ausgebildet ist - mit einem zweiten Generatorelement 18 in Form mehrer mit abwechselnder Polarität angeordneter Permanentmagneten er- zeugt, wenn das Generatorelement 15 mit dem Lagerring 7 bzw. der ersten Adapterplatte 13 relativ zu dem Generatorelement 18 rotiert.

Das zweite Generatorelement (die Permanentmagnete) 18 ist seinerseits auf einer zweiten Adapterplatte 19 angeordnet, die ebenfalls eine kreisförmige Grundform hat. Die Permanentmagnete 18 sind paarweise mit alternierender Polarität so angeordnet, dass sie ein permanentes Magnetfeld oberhalb der Adapterplatte 19 erzeugen, das radial zur Adapterplatte verläuft. Das Wiegandelement 15 ist seinerseits auf der ersten Adapterplatte 13 so angeordnet, dass seine Längsachse parallel zu dem Magnetfeld verläuft.

Der Temperatursensor 12 ist ausgangsseitig über ein Kabel mit der Sendeeinheit 14 verbunden, die die von dem Sensor als Sensorausgangssignale gelieferten Messgrößen 20 - in nachfolgend noch detailliert im Zusammenhang mit der Figur 2 beschriebener Weise - in Form von Funktelegrammen an eine Empfangseinheit in Form einer ortsfesten passiven Antenne 25 überträgt. Von dort werden die empfangenen Telegramme über ein Hochfrequenzkabel 27 einer externen Antenne 28 zugeführt, die als Helix-Antenne ausgebildet sein kann. Diese strahlt ihrerseits die empfangenen Messgrößen weiter ab zu einer nicht näher dargestellten streckenseitigen, ortsfesten oder zugseitigen Signal-Aufbereitungseinheit 29. Die Antenne 25 und das Generatorelement 18 können auch in die zweite Adapterplatte 19 integriert oder eingebettet sein.

Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel könnte der Deckel 5 auch einen für die Signale der Sendeeinheit 14 durchlässigen Bereich aufweisen. Dies könnte zB eine durch Kunststoff verschlossene Öffnung in dem Deckel sein; bei dieser Ausgestaltung können die Antennen 25 und 28 entfallen - die Empfangseinheit würde dann unmittelbar von der Signal- Aufbereitungseinheit 29 gebildet sein. Außerdem könnte dann das zweite Generatorelement 18 in den Kunststoff des Deckels eingebettet sein. Figur 2 zeigt die relative Anordnung der Generatorelemente 15 und 18 sowie Einzelheiten der Sendeeinheit 14. Man erkennt stellvertretend einen der abwechselnd paarweise angeordneten Permanentmagnete 18 (vgl. dazu auch Figuren 3 bis 5). Bei Drehung der Radnabe 3 bzw. des Lagerrings 7 bewegt sich das Wiegandelement 15 an den Magneten vorbei, wodurch in an sich bekannter Weise Spannungs- bzw. Stromimpulse in dem Wiegandelement erzeugt werden, deren elektrische Energie einem Energiespeicher 16 der Sendeeinheit 14 zugeführt wird.

Mit dem Energiespeicher 16 ist eine Prozesssteuerung, zB in Form eines Mikrokontrollers 31 , verbunden. Dieser setzt das von dem Sensor 12 gelieferte, von einem A/D-Wandler zunächst digitalisierte Sensorsignal (Messwert) 20 in das Funktelegramm um, das dann dem eigentlichen Hochfrequenz-Sender 35 zugeführt und von diesem abgestrahlt wird und zu der An- tenne 25" gelangt. Von dort wird das empfangene Funktelegramm wie vorstehend schon beschrieben weitergeleitet, der Messwert extrahiert und der Signal-Aufbereitungseinheit 29 zur weiteren Verarbeitung und Regelung zugeführt. Nicht dargestellt ist hier die Möglichkeit einer Übertragung mit zwischengeschalteten Antentennen 25 und 28 sowie dem Hochfrequenzkabel 27 aus Fig. 1.

Alternativ oder zusätzlich ist nach einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass eine Aktivierung des Mikrokontrollers 31 und der nachfolgenden Signalaufbereitungs- und Übertragungsstufen nur dann erfolgt, wenn das Sensorsignal 20 bzw. die Messwerte einen vorgegebenen Wert überschreiten. Mit anderen Worten: Hier würde eine Messwertübertragung und ein ggf. Eingreifen der oben beschriebenen Signalaufbereitungseinheit 29 nur dann erfolgen, wenn der Messwert ein Verlassen zulässiger Betriebsbereiche indiziert.

In den Figuren 3 bis 5 sind alternative Anordnungen des Wiegandelements 15 zur bedarfsweise optimalen Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Montageraums und die relative Ausrichtung der jeweils zugeordneten Permanentmagnete 18 schematisch unter Weglassung wesentlicher anderer Komponenten der Erfindung dargestellt. Dabei sind entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 2 versehen. Figur 3 zeigt eine radiale Ausrichtung des Wiegandelements 15, die der Anordnung der Figur 1 entspricht, während Figur 4 eine tangentiale Ausrichtung des Wiegandelements 15 zeigt mit dementsprechend axialer (oder auch möglicher, radialer, gestrichelt dargestellter) Anordnung der Permanentmagneten des zweiten Generatorelements 18. Figur 5 zeigt schließlich eine axiale Ausrichtung des Wiegandelements 15. Die tangentiale Ausrichtung bietet Vorteile bei niedrigen Drehzahlen und/oder großem Energiebedarf. Die axiale Ausrichtung bietet Vorteile bei radial beengten Einbauräumen.

Bezugszeichenliste

1 Radsatzlager

2 Drehachse

3 Radachse / Radnabe

4 Radsatzlagergehäuse

5 Gehäusedeckel

6 Ende

7 Lagerring

8 Lagerring

9 Wälzkörper

10 Achskappe

11 Bohrung

12 Sensor

13 Adapterplatte

14 Sendeeinheit

15 erstes Generatorelement

16 Energiespeicher

18 zweites Generatorelement

19 zweite Adapterplatte

20 Messgrößen

25, 25 ¹ Antenne

27 Hochfrequenzkabel

28 externe Antenne

29 Signal-Aufbereitungseinheit

31 Mikrokontroller

35 Hochfrequenz-Sender