DE202005018753U1

DE202005018753U1 - Messeinrichtung zur geometrischen Qualitätsprüfung von Radsätzen für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE202005018753U1
Application number: DE200520018753
Authority: DE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2015-12-02

Abstract

Messeinrichtung zur geometrischen Qualitätsprüfung von Radsätzen für Schienenfahrzeuge bei welcher der Radsatz (1) bestehend aus einer Welle mit Wellenmittelteil (1a) und zwei Wellenschenkeln (1c), zwei Radscheiben (1b) sowie gegebenenfalls weiteren Anbauten wie Bremsscheiben, in zwei Radsatzaufnahmen (7) drehbar aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer biegesteifen Grundplatte (6) zur Erfassung des Profils der Laufflächen der Radscheiben (1b) für jede Radscheibe (1b) Profilsensoren (3) angeordnet sind, zur Messung der Rundlaufabweichung des Wellenmittelteils (1a) nahe der Radsatz Mittenebene ein Sensor (4) angeordnet ist und zur Messung der Rundlaufabweichung der Wellenschenkel (1c) Sensoren (5) angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung die einen einzelnen Radsatz aufnehmen und in eine Rotationsbewegung versetzen kann, wobei an verschiedenen Messpunkten mit optischen Sensoren berührungslos Messdaten erfasst werden, die damit die Voraussetzung für eine geometrische Qualitätsprüfung des Radsatzes bilden.
Stand der Technik
Zur Qualitätsprüfung von Radsätzen für Schienenfahrzeuge ist es notwendig, Konstruktionsparameter wie zum Beispiel Durchmesser in der Messkreisebene, Spurmaß und ggf. das gesamte Laufprofil des Rades zu erfassen, um damit Abnutzungserscheinungen zu dokumentieren und zu bewerten beziehungsweise bei der Neufertigung die Einhaltung der Sollvorgaben überprüfen zu können. Dazu sind als nahe liegender Stand der Technik folgende Lösungen bekannt:
In der DE 36 09 863 A1 wird ein Messsystem beschrieben, welches paralleles Licht über ein Radsatzprofil projiziert und den Schattenriss auf einer mit Skalen versehenen Mattscheibe sichtbar macht. Die Justage der dazu notwendigen Linsen und Spiegelsysteme erweist sich als sehr aufwändig und fehleranfällig.
Des Weiteren ist der Einsatz von Handmessmitteln üblich. Wie z.B. auf die zu prüfenden Maße angepasste Messschieber und zur Prüfung des Plan- und Rundlaufs der Einsatz von Messuhren. Die Genauigkeit dieser Messmethoden ist für die Prüfung von modernen Hochgeschwindigkeitsradsätzen nicht mehr ausreichend, zumal die Messgenauigkeit sehr stark vom subjektiven Einfluss des Bedieners abhängt. Mehrere Messungen über den Umfang verteilt sind aus Zeitgründen meist nicht möglich
Durch Firmenpräsentationen im Internet von der Fa. Hörmann-Industrietechnik und der Fa. Dr. D. Wehrhahn "Messsysteme für die Qualitätssicherung" wurden Messstände bekannt, bei denen ein optischer, punktförmig messender Sensor mit Hilfe eines Achssystems an die einzelnen Messstellen geführt wird. Diese Messmethode ist sehr zeitaufwändig, insbesondere dann, wenn mehrere Schnittmessungen über dem Profil notwendig sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zur geometrischen Qualitätsprüfung von Radsätzen für Schienenfahrzeuge anzugeben, die derart weitergebildet ist, dass die eingangs im Stand der Technik angegebenen Nachteile vermieden werden. Insbesondere sollen in vergleichsweise geringem Arbeitszeitaufwand eine Vielzahl von Messungen über den Umfang des Radsatzes verteilt mit hoher Messgenauigkeit möglich sein.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Schutzanspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel und die zugehörigen Zeichnungen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe derart gelöst, dass der Radsatz eines Schienenfahrzeugs, bestehend aus Welle, Radscheiben und ggf. zusätzlichen Anbauten wie Bremsscheiben und Achslagern, drehbar in zwei Radsatzaufnahmen eingebracht wird. Der Radsatz wird in Drehung versetzt, wobei Messeinrichtungen den Radsatz-Drehwinkel erfassen. Ein Profilsensor erfasst mittels Lichtschnittverfahren nach dem Triangulationsprinzip die Geometrie/Kontur des Radprofils. Durch punktförmig berührungslos messende Sensoren werden in einem definierten Abstand, gemessen von der Lauffläche zur Drehachse hin, seitlich an den Radscheiben axiale Maße wie Radrückenabstand AR und die Planlaufabweichung bestimmt. Parallel dazu werden mit gleichfalls berührungslos messenden Sensoren radiale Abstände an der Radsatzwelle im Bereich der Wellenschenkel und der Radsatzmittenebene gemessen. Des Weiteren wird in gleicher Weise durch berührungslose Abstandsmessung die Lage der axialen Radsatzbezugsebenen, entweder in Form der Außenkante der Achlagerinnenringe oder der Notlaufschenkel, bestimmt, um daraus die axiale Verschiebung des Radsatzes im Maschinenkoordinatensystem und die Lage der Radsatzmittenebene zu errechnen.
Alle Messungen erfolgen in gleichmäßigen Drehwinkelschritten über eine ganze Umdrehung des Radsatzes (360°). Nach der Digitalisierung stehen somit, entsprechend der Anzahl der gleichmäßig über den Umfang verteilten Messungen, eine Vielzahl von Profilschnitten der beiden Radlaufprofile (rechts und links), ebenso eine Vielzahl von Messwerten für den Rundlauf von Wellenschenkeln und Wellenmittelteil sowie Messwerte für die axiale Lage und Planlaufabweichung der Radsatzbezugsebenen, der Radscheiben und der gegebenenfalls vorhandenen Bremsscheiben, zur Verfügung.
Beispiel zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Folgende Zeichnungen sind der Erläuterung zugrunde gelegt:
1 Vorderansicht der Messeinrichtung
2 Rückansicht der Messeinrichtung
3 Profilsensor, Detailaufbau
4 Schematische Darstellung der Zuordnung von Kameras und Sensoren des Profilsensors zu den Abschnitten des Laufprofils des Rades
Im vorliegenden Beispiel wird der Radsatz 1 auf den Schienen 19 bis auf die Grundplatte einer Hubvorrichtung 8 gerollt, die den Radsatz 1 bis auf Höhe der Pinolen 20 der Radsatzaufnahmen 7 anhebt und nach Einspannen des Radsatzes 1 zwischen die Spitzen der Pinolen 20 wieder absenkbar ist. In der Radsatzaufnahme 7 befindet sich außerdem eine Drehwinkelmesseinrichtung. Der Gesamtaufbau der Messeinrichtung ist so konzipiert, dass der Radsatz 1 nach abgeschlossener Messung durch Absenken mit der Hubvorrichtung 8 unter der Grundplatte 6 durchgerollt werden kann und damit ein kontinuierlicher Materialfluss für weitere Radsätze gewährleistet ist.
Auf einer biegesteifen Grundplatte 6 sind linear verschiebbar, in Richtung auf die Radsatzdrehachse 2 hin, Profilsensoren 3, ein Sensor 4 zur Erfassung der Rundlaufabweichung des Wellenmittelteiles 1a sowie Sensoren 5 zur Erfassung der Rundlaufabweichung der Wellenschenkel 1c angeordnet. Um die geometrischen Merkmale an eventuell am Radsatz vorhandenen Bremsscheiben zu erfassen, ist der Sensor 4 als Sensorverbund zusätzlich axial verschiebbar. Die Profilsensoren 3 bestehen jeweils, wie auf 3 ersichtlich, aus einer Lichtquelle 17, deren Lichtkegel 18 auf das Radlaufprofil (Pos. 9; 10; 11; 12 auf 4) einen Lichtstrich projiziert, drei Kameras (13; 14; 15) zur Aufnahme der Kontur des jeweiligen Spurkranzabschnittes (Zuordnung der Kameras: Kamera 13 Spurkranzkuppe 9; Kamera 14 Lauffläche 12; Kamera 15 äußere Spurkranzflanke 10 und Kehle des Laufprofils 11) sowie, in einem definierten Abstand von der Spurkranzkuppe 9 angeordnet, jeweils zwei punktförmige Abstand messende Sensoren 16 zur Messung der Planlaufabweichung, der Radbreite und des Radrückenabstandes AR der Radscheiben 1b.
Zur Messdatenerfassung wird der Radsatz 1 eines Schienenfahrzeuges entlang den Schienen 19 auf die Hubvorrichtung 8 gerollt. Die Hubvorrichtung 8 befindet sich dabei in der unteren Endlage. Der Radsatz 1 wird anschließend mit der Hubvorrichtung 8 soweit angehoben, dass er zwischen die Spitzen der Pinolen der Radsatzaufnahme 7 gelangt und hier drehbar um eine definierte Radsatzdrehachse 2 eingespannt wird. Die Hubvorrichtung 8 wird anschließend abgesenkt, damit der Radsatz frei drehbar ist.
Der Messvorgang gliedert sich in vier Teilbereiche

– Erfassung des Radlaufprofils und der Planlaufabweichung der Radscheiben
– Erfassung der axialen Lage der Achslagerinnenringe
– Erfassung der Rundlaufabweichung der Wellenschenkel
– Erfassung der Rundlaufabweichung der Welle

Alle Messdaten werden synchron zur Messung des Drehwinkels der Radsatzdrehachse 2 aufgenommen und stehen damit in Bezug zueinander.
Die Erfassung des Radlaufprofils erfolgt mit den Profilsensoren 3, die nach dem Triangulationsprinzip arbeiten. Aufbau und Funktion sind aus den 3 und 4 ersichtlich. Die Bereiche um die Spurkranzkuppe 9, äußere Spurkranzflanke 10, Kehle des Laufprofils 11 und Lauffläche 12 werden mit den entsprechend zugeordneten Kameras (13; 14; 15) linienhaft erfasst. Die Bestimmung der Planlaufabweichung der inneren und äußeren Stirnfläche der Radscheiben 1b erfolgt mit den Sensoren 16. Der Radius, an dem die Antastung erfolgt, wird durch die Positionierung der Sensoren 16 vorgegeben.
Die Datenaufnahme am Spurkranzprofil erfolgt in zwei Schritten. Im ersten werden die Sensoren 3 an den um seine Drehachse 2 rotierenden Radsatz 1 zugestellt. Die Detektion des Arbeitsbereiches erfolgt über eine Lichtschranke, die die Zustellung der Sensoren in einem definierten Abstand zur Spurkranzkuppe 9 stoppt. In Drehwinkelschritten der Radsatzdrehachse 2 von 1° werden die Konturlinien der Spurkranzabschnitte (9; 10; 11) aufgenommen. In Schritten von 0,2° werden die Daten zur Berechnung des Rundlaufs der Radscheibe 1b nahe der Messkreisebene ermittelt (Lauffläche 12).
Der zweite Teil der Vermessung dient der punktförmigen Digitalisierung der seitlichen Außen- und Innenkontur des Spurkranzes und erfolgt entweder parallel zu Schritt 1 oder nach einer Neupositionierung der Profilsensoren 3 derart, dass die Sensoren 16 auf einen messtechnisch relevanten Bereich an den Radstirnflächen positioniert werden. In Drehwinkelschritten der Radsatzdrehachse 2 von 1° wird die Außenkontur angetastet. In Schritten von 0,2° werden die Daten zur Berechnung des Planlaufes der Radscheiben 1b aufgenommen.
Parallel dazu werden mit den Sensoren 5 punktförmig radiale Abstände an den Wellenschenkeln 1c aufgenommen. Diese können der Korrektur der gemessenen Rundlaufabweichung der Radscheiben 1b dienen, wenn deren Bezug der Wellenschenkel ist. Der Sensor 4 ermittelt punktförmig radiale Abstände am Wellenmittelteil, um die Rundlaufabweichung zu erfassen.
Durch weitere axiale punktförmige Antastungen der jeweiligen Außenkante des Achslagerinnenringes (links und rechts) wird die axiale Verschiebung des Radsatzes zum Maschinenkoordinatensystem und damit die Lage der Radsatzmittenebene ermittelt.
Nach der Digitalisierung stehen die Messdaten in Form von 360 Profilschnitten der beiden Radlaufprofile rechts und links äquidistant über den Umfang der Radscheiben 1b verteilt zur Verfügung. Für den Rund- und Planlauf stehen jeweils 1800 Messwerte zur Verfügung. Zusätzlich wurden drehwinkelabhängig die axiale Lage der Außenkanten der Achslagerinnenringe, die Rundlaufabweichung der Welle nahe der Radsatzmittenebene und die Rundlaufabweichung an den Wellenschenkeln 1c erfasst. Die Messergebnisse sind einem Radsatzcode zugeordnet und werden unter diesem in einer Datenbank hinterlegt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist die Kommunikationsmöglichkeit mit einem Transportsystem, welches das automatische Ein- und Ausschleusen der Radsätze in die Messeinrichtung ermöglicht.

1: Radsatz, bestehend aus Pos. 1a; 1b; 1c
1a: Wellenmittelteil
1b: Radscheibe
1c: Wellenschenkel
2: Radsatzdrehachse
3: Profilsensor
4: Sensor zur Erfassung der Rundlaufabweichung des Wellenmittelteils
: (Abstandsmessung)
5: Sensor zur Erfassung der Rundlaufabweichung des Wellenschenkels
: (Abstandsmessung)
6: Biegesteife Grundplatte
7: Radsatzaufnahme mit Pinolen zur Aufnahme des Radsatzes,
: Drehantrieb und Drehwinkelmesseinrichtung
8: Hubvorrichtung
9: Spurkranzkuppe
10: Äußere Spurkranzflanke
11: Kehle des Laufprofils
12: Lauffläche
13: Kamera zur Erfassung der Lichtstrichkontur an der Spurkranzkuppe
14: Kamera zur Erfassung der Lichtstrichkontur auf der Lauffläche
15: Kamera zur Erfassung der Lichtstrichkontur der äußeren Spurkranzflanke
: und der Kehle des Laufprofils
16: Sensor zur Messung der inneren und äußeren Stirnfläche des Rades
: (Abstandsmessung)
17: Lichtquelle
18: Lichtstreifen, der beim Auftreffen auf dem Laufprofil als Strich sichtbar
: wird
19: Schiene
20: Pinole

Claims

Messeinrichtung zur geometrischen Qualitätsprüfung von Radsätzen für Schienenfahrzeuge bei welcher der Radsatz (1) bestehend aus einer Welle mit Wellenmittelteil (1a) und zwei Wellenschenkeln (1c), zwei Radscheiben (1b) sowie gegebenenfalls weiteren Anbauten wie Bremsscheiben, in zwei Radsatzaufnahmen (7) drehbar aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer biegesteifen Grundplatte (6) zur Erfassung des Profils der Laufflächen der Radscheiben (1b) für jede Radscheibe (1b) Profilsensoren (3) angeordnet sind, zur Messung der Rundlaufabweichung des Wellenmittelteils (1a) nahe der Radsatz Mittenebene ein Sensor (4) angeordnet ist und zur Messung der Rundlaufabweichung der Wellenschenkel (1c) Sensoren (5) angeordnet sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (4) als Sensorverbund zusätzlich axial verschiebbar ausgeführt ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren horizontal auf Höhe der Drehachse (2) angeordnet sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4), (5) und (16) abstandmessende optische Sensoren sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilsensoren (3) aus einer auf das Radlaufprofil gerichteten, auf dieses einen Lichtstrich projizierenden Lichtquelle (17) und mindestens einer oder mehreren Kameras (13, 14, 15) zur Erfassung der Kontur der so entstandenen Profillinie entlang des Spurkranzes, sowie abstandmessenden Sensoren (16) zur Messung der inneren und äußeren Stirnfläche des Radprofils bestehen.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der Geometrie der Komponenten des Profilsensors (3) und der aufgenommenen Profillinie die Höheninformationen mittels des Triangulationsverfahrens errechnet werden.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten der Sensoren, in Drehwinkelschritten der Drehachse (2) an den jeweiligen Messstellen abgenommen werden und die Messstellen regelmäßig über eine volle Umdrehung der Drehachse verteilt sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem jeweiligen Drehwinkelschritt der Radsatzdrehachse (2) die Einzelmessungen konkret zuordenbar sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenbank vorgesehen ist, in der die Messergebnissse einem Radsatzcode zugeordnet, hinterlegt werden.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Radsatz (1) nach abgeschlossener Messung abgesenkt und unter der biegesteifen Grundplatte (6) durchgerollt werden kann.