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B e s c h r e i b u n g
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zugehdrige Vorrichtung
zur Messung der zusammenwirkenden Zuspannungen in Nietverbindungen, insbesondere
der Nietrerbindungen von Käfige für Zylinderrollenlager großer Abmessungen, wie
sie im Eisenbahnwesen Verwendung finden, Bei Zylinderrollenlagern großer Abmessungen
wird in großem Umfang eine Konfiguration der Rollen-Führungskäfige verwendet, bei
welcher die Verbindung durch Vernietung eines als Scheibe bezeichneten Rings von
rechteckigem Querschnitt mit einem anderen als "Zapfenring" bezeichneten Ring erhalten
wird, an dem so viele Zapfen starr befestigt sind, wie Rollen zwischen diesen Zapfen
angeordnet sind. Es wird also ein dicker zylindrischer Bauteil herg.stellt, in dem
Aufnahmeöffnungen vorgesehen sind, in welchen die Rollen sich frei drehen können.
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In der Vergangenheit wurde die Stabilität und demzufolge die Lebensdauer
des Käfigs nicht durch die Spannungen beeinträchtigt, welche bei den heute erreichten
Drehgeschwindigkeiten entstanden und die Lebensdauer der Lager war abhängig von
der Abnutzung des Stahls, aus denen ihr Bauteile hergestellt waren. Die Materialien
und die Bearbeitung waren tatsächlich noch nicht von so hoher Qualität und Präzision,
wie dies heute der Fall ist. In neuerer Zeit stellte sich dpsnn heraus, daß die
besser
konstruierten aber auch höheren Spannungen ausgesetzten Zylinderrollenlager nunmehr
ihre Lebensdauer-begranzrgim Käfig finden, und zwar infolge von Losewerden und anschließendem
Bruch der Nieten, welche ins Innere der Zapfen eingreifen und die Verbindung der
Scheibe mit dem Zapfenring sicherstellen. Da Ermüdungsbrüchen eine schnelle Anpressung
des lagers mit nachfolgendem Bruch der mechanischen Bauteil, auf denen es montiert
ist, vorausgeht, ist es ersichtlich sehr wichtig, daß die Niet. eine mechanische
Vorspannung haben, welche ausreicht, um dauernden starren Reibschluß zwischen den
beiden den Käfig bildenden Teilen su gewährleisten. Es besteht daher ein Erfordernis,
nach der Möglichkeit die mechanischen Vorspannungen der Niete durch eine schnelle
und direkte Messung, und Zwar sowohl während der Herstellung als auch während Wartungsarbeiten
an den Lagern, ermitteln zu können.
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Eine solche Ermittlung ist für die verwendeten Lager heutzutage nicht
mögliche und in vielen Herstellerfirmen wird die Kontrolle in sehr großen Zeitintervallen
dadurch indirekte Verfahren durchgefUhrt, bei denen das Zu prttfende Weflcstück
zerstört wird, d.h. die erforderliche Messung erfolgt in einem nicht zerstörungsfreien,
wenig zuverlässigen und nur sehr ungenauen Verfahren.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung einer zerstörungsfreien Überprüfung
von Nietverbindungen zu schaffen, welche mit der erforderlichen
Genauigkeit
die resultierenden Zugspannungen zu ermitteln erlauben, denen die Nieten ausgesetzt
sind.
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Bei einem Verfahren zur Messung der mechanischen Spannung eines Niets,
mit dem wenigstens zwei benachbarte Werkstücke verbunden sind, wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eines der beiden Werkstücke an einem Anschlagelement
abgestützt und ein dem Anschlagelement gegenüberliegendes Druckelement am anderen
Werkstück derart angelegt wird, daß das Druckelement und das Anschlagelement aneinander
annSherbar sind9 daß dos Anschlagelement und das Druckelement dann aufeinander zu
bewegt und die beiden Werkstücke mit einer vorgegebenen Kraft derart gegeneinander
gepreßt werden, daß sie elastisch verformt werden, und daß die infolge der in den
beiden Werkstücken durch die Annäherung des Änschlagelemente an das Druckelement
erzeugte Druckspannung auftretende Längenänderung des Niets gemessen wird.
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Die Vorrichtung zur Durchführung der zerstörunsfreien Prüfung an zwei
miteinander vernieteten Werlcstücken ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein
Anschlagelement und ein Druckelement, die einander gegenüberstehend angeordnet und
aufeinander zu bewegbar ausgebildet sind, wobei zwischen dem Anschlagelement und
dem Dru¢kelsment ein Aufnahmeraum zur Aufnahme der beiden durch wenigstens einz
Niet miteinander verbundenen Werkstücke gebildet ist, durch motorische Antriebsmittel
zur Annäherung des Anschlagelements und des Druckelements mit vorbestimmter Kraft,
so daß die beiden
vernieteten Werkstücke mit vorbestimmtem Druck
zwischen ihnen zusammengepreßt werden, und durch eine Meßeinrichtung zur Ermittlung
der Längenänderung des Niets.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel
in fn Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert, welche schematisch
eine in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildete Vorrichtung zur Prüfung von Käfige
von Lagern zeigt In der Zeichnung ist mit 1 ein Käfig für Lager, und zwar im vorliegenden
Fall ein Käfig für (nicht gezeigte) Rollenlager großer Abmessungen zur Verwendung
in Eisenbahn-Systemen gezeigt, der aus zwei Werkstücken oder Teilen, nämlich einem
mit einer Vielzahl von Zapfen 3 versehenen Zapfenring 2 und einer Scheibe 4 gebildet
ist, die vorzugsweise aus Kupfer hergestellt und durch eine Vielzahl von stählernen
Nieten 3 miteinander verbunden sind, die ihrerseits an gegenüberliegenden Enden
mit Nietköpfen 6 bzw. 7 versehen und innerhalb der Zapfen 3 angeordnet sind. Der
Käfig hat also eine Vielzahl von ufnahmeöffnungen 8, in denen (nicht gezeigte) Lager-Rollen
gehaltert werden können, und die Bauteile 2 und 4 sind in Umfangsrichtung durch
Reibschluß miteinander verbunden, da die Nieten 5 durch Aufbringung einer Vorspannung
unter Spannung gesetzt sind und so die Bauteile 2 und 4 elastisch gegeneinander
drücken.
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Der Käfig 1 ist in einer Vorrichtung 9 zur Zerstörungsfreien Prüfung
von wenigstens zwei beliebigen nebeneinander gelagerten und durch wenigstens eine
Niet miteinander
verbundenen Werkstücken angeordnet. Insbesondere
ist die Vorrichtung 9 geeignet zur Feststellung der mechanischen Zugspannung oder
Vor spannung, welche im Niet 5 herrscht. Es ist klar, daß die nachstehend noch im
Detail beschriebene Vorrichtung 9 wahlweise zur Durchführung von Messungen an dem
Käfig 1 oder auch an anderen beliebigen Nietverbindungen verwendbar ist.
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Die Vorrichtung 9 weist ein stati ontres Anschlagelement 10 in Form
einer Platte und ein dem Anschlagelement 10 gegenübergestelltes Druckelement 11
auf, welches durch die Betätigung einer Betitigungs- und/oder motorlischen Antriebseinrichtung
12 in Richtung auf das Anschllagelement 10 bewegbar ist. Die Betätigungs- oder motorische
Antriebseinrichtung kann beispielsweise ein Druckluftzylinder, oin Hydraulikzylinder,
ein Elektromotor oder eine andere zur geradlinigen Verschiebung des Druckelements
11 mit vorbestimmter Kraft gegen das Anschlagelement 10 geeignet ausgebildete Vorrichtung
sein.
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Zwischen dem Druckelement 11 und dem Anschlagelement 10 ist ein Aufnahmeraum
13 gebildet, in dem die Bauteile oder Werkstücke 2 und 4 so angeordnet sind, daß
sie gegeneinander und genen das Anschlagelement 10 gepreßt werden, wenn das Druckelement
11 unter der Wirkung der motorischen Antriebseinrichtung 12 mit einstellbarem und
vorwflhlbarem Druck verschoben wird.
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Außerdem ist die Vorrichtung 9 mit einem Halterungselement 14 für
den Käfig 1 und mit einer Meßeinrichtung 13 versehen, die einen Meßbolzen 16 mit
zwei Fühlern aufweist, welche einander zugewandte Lamellen 18 aufweisen, die so
angeordnet sind, daß sie an den Köpfen 6 und 7 des Niets3 angreifen und deren Relativ-Verschiebung
zueinander abtasten und so im wesentlichen die Längenänderung des Niets 3 infolge
der elastischen Zusammendrückung der Werkstücke 2 und 4 messen Die Meßeinrichtung
13 weist auBerdem Meßwandler 19 auf, die beispielsweise von vier elektrischen Dehnungsmessern
gebildet werden, die so angeordnet sind, daß sie die elastischen Verformungen der
Lamellen 18 bei einer Verschiebung der Niet-Köpfe 6 und 7 relativ zueinander aufnehmen.
Di. Elemente 10 und 11 des dargestellten Ausführungebeispiele haben Ringform und
sind Jeweils mit einer Vielzahl von Aufnahmeräumen 20 versehen, in denen die Fühler
18 sb angeordnet sind, daß diese sich an den Köpfen 6 und 7 anlegen und frei bewegen
können.
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Die Vorrichtung 9 kann in einer nicht dargestellten Abwandlung auch
mit einer weiteren Meßeinrichtung versehen sein, die von einem zweiten Meßbolzen
ähnlich dem Meßbolzen 16 gebildet wird, der so ausgebildet ist, daß er mit Oberflächen
2t und 22 der Werkstücke 2 und 4 zusammenwirkt und deren relative Versetzung zueinander
in Richtung der Länsmittelachse des Niets 5 mißt. In einer aowohl an den Dehnungsmesser
19 und den Meßwandler des zweiten Meßbolzens angeschlossenen elektronischen Komparatorschaltung
wird die Verschiebung
der Oberflächen 21 und 22 mit der Längenänderung
des Niets 5 verglichen.
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Die Vorrichtung 9, mittels derer das Verfahren zur Messung des die
WerksbAcko 2 und 4 verbindenden Niets 9 durchgeführt wird, arbeitet wie folgt.
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Zunächst wird der Käfig 1 zwischen dem Anschlagelement 10 und dem
Druckeloment 11 so positioniert, daß diese Elemente bei Annäherung aneinander die
Werkstücke 2 und 4 gegeneinander zu drücken und dadurch zusammenzupressen vermögen,
wodurch die Spannung im Niet 3 verringert wird. Gleichzeitig wird der Maßbolsen
16 so positioniert, daß die Fühler 18 an, den Köpfen 6 und 7 des Niets angreifen,
dessen Spannung gemessen werden soll. Dann wird durch Inbetriebsetzen der motorischen
Antriebseinrichtung 12 das Druckelement 11 in Richtung auf das Anschlagelement 10
verschoben, wodurch die Werkstücke 2 und 4 zusammengepreßt werden und sich elastisch
verformen und in bezug auf die Längsmittelachse des Niets 5 verkürzen. Der Niet
5, der infolge der auf ihn aufgebrachten Vorspannung unter Spannung steht und durch
Zugepannungen elastisch verformt ist, kann seine elastische Verformung durch Verringerung
seiner Länge kompensieren. Die Lkngenänderung des Niets 5 wird Jedoch von den Fühlern
18 abgetastet und von den Meßwandlern 19 auf geeignete bekannte (nicht gezeigte)
Anzeigereinrichtungen übertragen.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene und mittels der vorstehend beschriebenen
Vorrichtung 9 durchführbare Verfahren besteht also darin, daß die Werkstücke 2 und
4 im Bereich einzelner Zapfen 3 zusammengedrückt werden, so daß sie einer elastischen
Zusammendrückung unterliegen und der Niet 5 sich so lange frei verkürzen kann, bis
seine elastische Verformung infolge der Vorspannung völlig kompensiert ist, Durch
Messung dieser Verkürzung und da der lastiiitätsmodul (E) des Stahls und der Querschnitt
(S) des Niets ebenso wie dessen Länge bekannt sind, wird die Größe der Vor spannung
über die bekannte einfache Formel ermittelt ; P = dl x E x S ## worin dl die von
der Meßeinrichtung 13 abgetastete Längenänderung ist. Die vier auf den Lamellen
18 aurgebrachten Dehnungsmesser .19 sind in geeigneter Weise abgeglichen und so
angeordnet, daß sie bezüglich beliebiger Bewegungen des Niets 5 während der Verschiebung
der Elemente 10 und 11 mit Ausnahme der Längenänderung des Niets S unempfindlich
sind.
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Eine Ausgestaltung der vorstehend beschriebenen Art ermöglicht die
Ermittlung der Größe und der Gesamtzugspannung für Jeden Niet 5 des Käfigs 1 oder
ermöglicht sehr einfach die Überprüfung, ob ein solcher Wert höher als ein vorgegebener
minimaler Sollwert ist, in-dem aufgrund einfacher Berechnungen ermittelte im Bereich
des Zapfens 8 aus zuüb ende Druckkraftwerte p gewählt werden.
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Durch Hin&unahme eines zweiten Meßwandlers am Käfig 1 entsprechend
der erwähnten, nicht gezeigten Weiterbildung ist es möglich, in gleicher Weise den
Leerhub des Druckelements 11 und demzufolge die Größen von gegebdxnenfalls vorhandenen
Spalten zwischen der Scheibe 4 und dem Zapfenring 2 zu messen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung, mit welcher sämtliche Zapfen gleichzeitig
kontrollierbar sind, falls große Mengen von Lagern zu überprfen sind, kann durch
Erweiterung der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung erhalten-werden ; eine Druckkrone
kann zur Einwirkung auf den gesamten Käfig 1 vorgesehen werden, die mit einer Vielzahl
von Aufnahmeräumen 20 zur Aufnahme einer entsprechenden Anzahl von Meßbolzen 16
entsprechend der Zahl der Zapfen 3 versehen ist. Die Druckkrone wird in der Vorrichtung
9 mit radialen Verschiebungselementen angeordnet, welche ihre gleichzeitige Positionierung
auf dem Käfig 1 ermöglichen. Eine elektronische Datenverarbeitungsschaltung bekannter
kann Art/in bekannter Verfahrensweise zusätzlich zur Steuerung der aufeinanderfolgenden
Arbeitsgänge die Nieten jeweils einzeln oder auch mehrere von ihnen gleichzeitig
abtasten , wobei sie lediglich die zwischen den Nieten ermittelten Maximal- und
Minimalwerte anzeigt und ein Alarmsignal entwickelt, wenn das kontrollierte Werkstück
fehlerhaft ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu untersuchende Werkstück
also nicht zerstört, so daß also nicht nur eine Untersuchung von Musterstücken,
sondern
eine hundertprozentige Uberwachung der gesamten hergestellten Werkstücke möglich
ist.
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Das gilt auch für nach einer Revision wieder verwendete Werkstücke.
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Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße System einfach, zuverlässig,
wirtschaftlich und von besonderer Genauigkeit.
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Aus den vorstehenden Erläuterungen ist schließlich klar, daß Abwandlungen
und Abänderungen des erfindungsgem&ßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung
im Rahmen des ErfindungsgedAnkens verwirklichbar sind. Insbesondere ist es möglich,
von Dehnung messern abweichende andere Arten von Meßvorrichtungen zu verwenden.
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L e e r s e i t e