MSR Datenlogger ermitteln Fahrkomfort für Stadler Rail

Mini-Datenlogger von MSR ermitteln Fahrkomfort für Stadler Rail

Es müssen nicht immer grosse und teure Mess- und Datenerfassungssysteme sein, die bei fahrtechnischen Untersuchungen von Schienenfahrzeugen wertvolle Hilfestellung geben. Gerade miniaturisierte Datenlogger erweisen sich bei Komfort- und Fahrsicherheitsmessungen als nützliche Tools.

Autoren: Dipl.-Ing. Karl Tillmetz, Stadler Bussnang AG, Dipl.-Ing. Claudia Kossmann, Stadler Altenrhein AG, Gabriela Zumkehr, MSR Electronics GmbH

Mehr Komfort, mehr Sicherheit, mehr Wirtschaftlichkeit: Bei Schienenfahrzeugen hat sich der Hersteller an unterschiedlichsten Anforderungen von Betreibern, Reisenden und Gesetzgebern zu orientieren. Dessen ist man sich auch bei Stadler Rail AG, Hersteller von Schienenfahrzeugen, mit Schwerpunkt auf Regionalbahntriebzügen, Strassenbahnen und massgeschneiderten Bahneinzelanfertigungen, bewusst. Die Firma mit Sitz im schweizerischen Bussnang beschäftigt weltweit über 6‘000 Mitarbeiter und gilt als führender Hersteller von Zahnradbahnfahrzeugen. Für fahrtechnische Messungen sind bei Stadler die Spezialisten für Fahrzeug-Dynamik zuständig. Gemäss den beiden Fachleuten, Dipl.-Ing. Karl Tillmetz (Werk Bussnang) und Dipl.-Ing. Claudia Kossmann (Werk Altenrhein) umfassen ihre fahrtechnischen Untersuchungen unter anderem Fahrsicherheits- und Fahrkomfort-Untersuchungen. „Bei diesen Aufgaben“, so Ingenieur Tillmetz, „wird Stadler durch Mini-Datenlogger des Typs MSR165 mit integrierten 3-Achsen-Beschleunigungssensoren unterstützt

Der subjektiven Wahrnehmung von Fahrkomfort mit Fakten entgegentreten

Entwickelt und hergestellt werden die Mini-Datenlogger von der MSR Electronics GmbH mit Sitz in Seuzach, Nähe Winterthur. Das noch junge Unternehmen – 2006 entstanden aus einem Management-Buy-out – hat sich auf miniaturisierte, autonom einsetzbare Universal-Datenlogger spezialisiert. Mithilfe von hochempfindlichen Sensoren erfassen die MSR-Logger fast beliebige physikalische und elektrische Messdaten wie zum Beispiel Temperatur, Feuchte, Druck, Helligkeit, Vibrationen und weitere elektrische Spannungswerte. Eingesetzt werden die MSR Datenlogger bei Stadler für unterschiedliche Anwendungen, beispielsweise zur Klärung von plötzlich auftretenden Schwingungs- oder Vibrations-Phänomenen beim Betrieb eines Schienenfahrzeuges. Die für MSR Datenlogger charakteristischen Merkmale – autonom, sehr geringe Baugrösse, sehr grosser Speicher – sind gemäss den Ingenieuren ideal, wenn es darum geht, rasch und bei Bedarf auch inkognito Messungen durchzuführen. Die kleinen Datenrecorder sind schnell installiert und ermöglichen eine rasche Aussage über den Schwingungs-Fahrkomfort eines Zuges. „Die Anforderungen der Passagiere an den Fahrkomfort und damit an das Schwingungsverhalten sind in den letzten Jahren permanent gestiegen“, erklärt Tillmetz. „Mit Testfahrten, bei welchen wir mit den Datenloggern die Beschleunigungen auf dem Fussboden im Wagen in allen drei räumlichen Achsen über den Fahrwerken sowie in der Wagenmitte erfassen, sorgen wir für objektive Messwerte und damit für Klarheit, was den Fahrkomfort betrifft.“ Fahrzeugschwingungen werden von Stadler in einem Frequenzbereich von 0-100 Hz erfasst. Die Abtastrate der MSR Datenlogger wird gemäss Ingenieurin Kossmann bei den Testfahrten jeweils auf 400 Hz eingestellt. Möglich, aber im vorliegenden Anwendungsfall nicht sinnvoll, wären beim verwendeten Modell MSR165 Messraten von bis zu 1600 Messungen pro Sekunde. Zur Datenaufzeichnung werden die Logger auf dem Fussboden (Teppich) auf Grundplatten mit Spikes befestigt. Gefahren wird bei den Testfahrten mit möglichst konstanten Geschwindigkeiten (bisher bis zu 200 km/h). Je nach Anforderung kommt man mit kurzen Einzelmessungen aus, manchmal sind aber auch mehrtägige Messreihen sinnvoll.

Für die Auswertung der Daten exportieren die Ingenieure alle Logger-Daten per .csv-File in eine eigene Mess-Auswerte Software, genannt FAMOS. Eine darin programmierte Routine filtert die Signale nach der europäischen Fahrkomfort-Norm EN 12299 (beziehungsweise UIC 513) und bewertet sie mittels Frequenzanalyse, Statistik und Zielwertvergleich. Komfortmessungen führt das Stadler-Team selbstverständlich nicht nur an bereits in Betrieb genommen Schienenfahrzeugen durch. Mit ihren Untersuchungen sorgen die Fachleute bereits an Prototypen und bei der Erstabnahme von Serienfahrzeugen dafür, dass die vom Kunden im Pflichtenheft genannten Komfortwerte eingehalten werden.

Bewertung der dynamischen Fahrstabilität

Auch bei den Fahrsicherheitsmessungen gilt es, klare Normen und Richtlinien einzuhalten (EN 14363 bzw. UIC 518). Diese kommen nicht nur bei Neuzulassungen zur Anwendung, auch bei Modifikationen sind sie zu berücksichtigen. Wie Dipl. Ing. Tillmetz als Beispiel aufführt, ist letzteres aktuell bei einem Schweizer Kunden – der Matterhorn Gotthard Bahn (MGB) – der Fall, dessen Fahrzeuge des Typs BDkt (Kofferkuli-Steuerwagen, Baujahr 1990) modernisiert werden. Der sogenannte „Refit“ von Stadler umfasst unter anderem Klapptritte, automatische Kupplungen, moderne Führerstands- und Leittechnik und eine Anpassung des Aussendesigns an die aktuellen Design-Leitlinien der MGB-Flotte. Die für 80 km/h gebauten Züge der MGB waren bislang nur mit 65 km/h im Einsatz gewesen. Für den Betrieb im Zugverband mit der Fahrzeugfamilie KOMET muss nun die Fahrstabilität zusätzlich noch für 80 km/h (+10 km/h Reserve) nachgewiesen werden. Auch für diese Tests greifen Tillmetz und seine Kollegen auf die Mini-Datenlogger von MSR Electronics zurück. Der Test für Fahrsicherheit wird dabei in Anlehnung an EN 14363 – die Norm ist eigentlich für Normalspur gültig – durchgeführt. Für die Testmessungen stellt der Ingenieur die Messfrequenz der Datenlogger wiederum auf 400 Hz ein und befestigt vier Stück am Fahrwerkrahmen des Zuges, in der Zwischenebene Räder/Wagenkasten auf der Position des Radsatzes. Von den 15-g-Sensoren werden nun während der rund 10-minütigen Fahrten die Beschleunigungen in Querrichtung am Fahrwerkrahmen über allen Radsätzen gemessen. Die Messungen erfolgen insgesamt über ca. sechs Stunden während aller Pendelfahrten. Die „Messzüge“ sind dabei stets zwischen den planmässigen Zügen eingereiht. Die konstante Geschwindigkeit des Zuges während den Testfahrten beträgt 60, 70, 80 bzw. 90 km/h. Alle mit den Datenloggern aufgezeichneten Signale werden anschliessend mit der Auswerte-Software FAMOS nach EN 14363 gefiltert und bewertet (Frequenzanalyse, Statistik, Grenzwertvergleich) und ermöglichen so eine präzise Aussage über die Fahrstabilität des geprüften Zuges.

Neue Typvarianten: Entwickeln für die Zukunft

Gemäss Tillmetz und Kossmann stossen die Anwendungen der MSR-Datenlogger bei Stadler durchaus auch an ihre Grenzen. So wünschten sich die beiden Ingenieure für Messaufgaben eine noch etwas genauere Auflösung. Der 15-g-Sensor, welcher in den MSR165 Datenloggern eingebaut ist, verfügt über eine Genauigkeit von ±0,15 g bei einer Auflösung von 0,005 g. Diese reiche zwar für ihre Anwendungen in den meisten Fällen aus, so Kossmann, eine Genauigkeit von 0,003 g wäre jedoch wünschenswert. Möglich wäre zwar der Einsatz eines anderen Datenloggers vom Typ MSR160, welcher über vier analoge Eingänge verfügt und mit eigenen, dem gewünschten Messbereich genau entsprechenden Sensoren bestückt werden kann. Da diese jedoch extern angebracht werden müssten, eigenen sie sich für die von der Firma Stadler geforderten Anwendungen nicht gut. Gemäss Wendelin Egli, Geschäftsführer der MSR Electronics GmbH, basiert der für die MSR165-Datenlogger bisher verwendete Messbereich von 15 g darauf, dass dieser Logger-Typ ursprünglich auf Schockmessungen ausgerichtet war. Aufgrund der grossen Nachfrage für Anwendungen im Bereich der Transportüberwachung hat MSR den Messbereich dieses Jahr sogar noch auf 200 g erweitert, damit auch noch intensivere Schock-Ereignisse mit erheblich grösseren Kräften aufgezeichnet werden können.

Werden nun auch Logger-Varianten mit kleinerem Messbereich entwickelt? „Ja.“, so MSR-Geschäftsführer Wendelin Egli. „Schwingungsmessungen in verschiedenen Varianten sind für uns ein Thema, das wir ausbauen werden.“ Er erhalte gerade aufgrund der Etablierung des MSR165-Datenloggers vermehrt Anfragen aus unterschiedlichen Bereichen und sieht Potenzial vorhanden. „Mit unseren Datenloggern bewegen wir uns in einem Nischenmarkt“, so der Geschäftsführer. „Unser unternehmerischer Erfolg beruht deshalb mitunter darauf, dass wir nahe am Kunden sind und als Spezialist die Bedürfnisse besser, wirksamer und direkter erfüllen können als Unternehmen, welche auf den Gesamtmarkt ausgerichtet sind. Wenn unsere Kundschaft also Sensoren mit einem kleineren Messbereich wünscht, dann werden wir unser Möglichstes tun, um diese Wünsche zu erfüllen.“ – Bei Stadler würde man das Angebot eines MSR165 mit einem Sensor mit kleinerem Messbereich auf jeden Fall begrüssen. Bis dahin, so Kossmann und Tillmetz, habe auch der MSR165-Datenlogger mit 15-g-Sensor nach wie vor seine Berechtigung, denn „er ermöglicht uns rasche und präzise Aussagen sowie unkomplizierte und zeiteffiziente Messungen, und dies bei überschaubaren Kosten.“