DE3321827C1

DE3321827C1 - Verfahren zur Regelung von Prüfungsmaschinen mit Unwuchtbelastung

Info

Publication number: DE3321827C1
Application number: DE19833321827
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 5650 Solingen Herbst
Original assignee: Mannesmann Kronprinz AG
Current assignee: Mannesmann Kronprinz AG
Priority date: 1983-06-15
Filing date: 1983-06-15
Publication date: 1984-07-12

Description

Hierbei entspricht die Änderung der Winkelgeschwindigkeit bei einem herkömmlichen Prüfstand einer Änderung der Antriebsdrehzahl n. Bei einem normalen Gleichstrommotor kann die Winkelgeschwindigkeit über 360" Drehwinkel nicht beliebig gesteuert werden. Diese Winkelgeschwindigkeit beeinflußt die wirksame Kraft quadratisch. Der wirksame Radius rist weitgehend von der Steifigkeit des Rades abhängig und wirkt linear. Der Einfluß der Steifigkeit wird bei der Umlaufbiegeprüfung oft nicht berücksichtigt. Dieser Einfluß ist aber relativ groß, da eine Veränderung der Steifigkeit bei gleicher Masse und gleicher Winkelgeschwindigkeit eine Veränderung der Fliehkraft erbringt.
Zum Messen des Prüfmomentes sind auf die Belastungswelle 6 (siehe Fig. 1) DMS-Vollbrücken 21 aufgeklebt, die in der Belastungsart »einseitig eingespannter Träger« verdrahtet sind. Bei der Umlaufbiegung werden dadurch sinusförmige Signale erzeugt, z. B. 23 in F i g. 3. Um eine einfache Kalibriermöglichkeit bei statischem Auszug an einem Kraftmeßglied 22 zu haben, sind DMS z. B. in der Ebene der Kalibrierrichtung vorgesehen. Bei der Kalibrierung wird in Zugrichtung belastet, d. h. es wird mit dem Betrag der positiven Halbwelle kalibriert. Bei der Kalibrierung wirkt die Kalibrierkraft mit dem gleichen Hebelarm an der Belastungswelle 6, wie die Unwucht 7 (siehe F i g. 1).
Eine andere Möglichkeit zum Messen des Prüfmomentes besteht darin, mehrere DMS über den Umfang gleichmäßig verteilt zu befestigen, so daß sich bei entsprechender Schaltung der einzelnen DMS nicht nur eine Sinuskurve, sondern eine Hüllkurve mehrerer Sinuskurven ergibt, wodurch eine Vektoranalyse entfallen kann.
Zur Regelung können drei verschiedene Ist-Werte herangezogen werden, wobei die Stellgröße immer die Winkelgeschwindigkeit ist Bei der Regelung auf konstante Winkelgeschwindigkeit wird bei Versuchsbeginn der Ist-Wert der Winkelgeschwindigkeit bei optimaler Umlaufmasse so lange verstellt, bis am Belastungsinstrument der gewünschte Belastungswert erreicht wird.
Auf die so vorgewählte und eingestellte Winkelgeschwindigkeit wird bis Versuchsende geregelt Bei der Regelung auf konstantes Belastungsmoment wird als Ist-Wert die Hüllkurve der DMS bzw. das Ergebnis aus der Vektoranalyse verwendet.
Bei der Regelung auf konstanten Verformungsradius wird als Ist-Wert die vektorielle Summe der beiden um 90° versetzten Radien verwendet.
Im Normalfall, d. h. bei kreissymmetrischen Prüflingen, ist die Steifigkeit des Prüflings über den Umfang gesehen etwa gleich, so daß sich die Unwucht mit der Belastungswelle auf einer Kreisbahn bewegt. Die Bahnkurve kann über die beiden um 90" versetzten Weggeber auf einem XY-Oszilloskop als an sich bekannte Lissajous-Figur (F i g. 2, 3 oder 5) dargestellt werden. Der Durchmesser der Bahnkurve steigt mit der Belastung und mit fallender Radsteifigkeit. Bezieht man den Durchmesser auf radspezifische Belastungskennwerte, so kann besonders bei der Neuentwicklung eines Fahrzeugrades in vorteilhafter Weise schon im voraus eine Aussage über die relative Radsteifigkeit gegeben werden, ohne daß mit einem solchen Fahrzeugrad eine aufwendige Dauerprüfung vorgenommen wurde. Die an sich kreisrunde Form der Bahnkurve wird u. a. durch folgende Hauptfaktoren gestört bzw. verändert: 1. Resonanzerscheinungen 2. Anrisse während der Prüfung 3. Nichtrotationssymmetrische Steifigkeit des Rades und 4. Ausfall eines Radbolzens.
Mit dem Entstehen eines Anrisses steigt die Auslenkung der Bahnkurve örtlich. In den meisten Fällen treten die Anrisse nicht gleichzeitig in gleicher Art über den Umfang verteilt auf, so daß die Umlaufkurve 26 von der ursprünglich kreisrunden Sollwertkurve 6 abweicht.
In F i g. 2 und 3 sind die Einflüsse einer örtlichenVeränderung der Steifigkeit schematisch dargestellt. Zu Beginn des Versuches entspricht die Umlaufkurve der Sollwertkurve 16. Die Beanspruchung 23 ist in der Y-Ebene sinusförmig. In Fig. 2 und 3 sind die Verhältnisse bei konstanter Drehzahl skizziert. Wird die Auslenkung zB. durch einen Riss in der Y-Ebene größer, siehe F i g. 2, Vergrößerung 27, steigt in diesem Sektor wegen der Vergrößerung des wirksamen Radius r das Prüfmoment von 23, Fig. 3, auf 24, F i g. 2. In dem Bereich, in dem sich die Auslenkung nicht vergrößert, bleibt die Beanspruchung auf dem vorgewählten Wert. Aus Trägheitsgründen verschiebt sich meist der Drehmittelpunkt 18 der Umlaufkurve 26 in Richtung Radiusvergrößerung (nach 19), so daß sich im Bereich gegenüber der Vergrößerung 27 eine Verringerung der Beanspruchung von 28 auf 29 ergibt. Wenn die Auslenkung 30, siehe Fig.3, durch einen Riß in der X-Ebene größer wird, dann steigt die Beanspruchung in der Y-Ebene nicht. Bei der Regelung auf konstantes Moment wird bei Veränderung des Ist-Wertes z. B. entsprechend der Vergrößerung 27 bzw. 30 die Winkelgeschwindigkeit w gemäß der Erfindung so geregelt, daß über den Umfang gesehen das Prüfmoment dem Soll-Wert 23 entspricht.
Die Umlaufkurve 26 entspricht dann etwa einer Kreisform, da der Verformungsradius nicht nur von der Radsteifigkeit beeinflußt wird. Wenn auf konstanten Verformungsradius, d. h. auf Kreisform geregelt werden soll, wird das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 3 angewendet Bei Teilen mit unterschiedlicher Steifigkeit über den Umfang gesehen, treten Belastungsprobleme schon bei Versuchsbeginn auf. Als Beispiel sei hier ein Rad 11 gemäß F i g. 4 angenommen, dessen Schüssel 12 aus einem Vierkantblech 17 gefertigt worden ist und nur an den abgerundeten Ecken des Vierkantes mit der Felge 13 mit 4 Schweißnähten 14 befestigt ist. Wegen der unterschiedlichen Steifigkeit ist die Verformungskurve 15 bei konstanter Winkelgeschwindigkeit schon bei Versuchsbeginn ein abgerundetes Quadrat.
In Fig.4 ist die Steifigkeit in der X- und Y-Ebene geringer als in der um 45" verdrehten Ebene. Daraus ergibt sich, daß der Radius der Verformungskurve 15 in diesen Ebenen am größten ist. Wird als Ist-Wert der Beanspruchung der größte Wert herangezogen, so wird die Soll-Beanspruchung nach der Abbildung also nur in der X- und Y-Ebene erreicht, sonst liegt die Beanspruchung niedriger. Um die Beanspruchung oder den Verformungsradius konstant zu halten wird die Winkelgeschwindigkeit gemäß der Erfindung so gesteuert, daß der Radius r der Verformungskurve bzw. die Beanspruchung über den Umfang konstant bleibt Die unrunde Form der Verformungskurve (15, 26) folgt einem physikalischen Gesetz und läßt sich bei konstanter Winkelgeschwindigkeit, d. h. bei n = konstant nicht vermeiden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß die unrunde Form der Bahnkurve bzw. die verschiedene Beanspruchung trotz unterschiedlicher Steifigkeit eines Prüflings über den Umfang solange durch das neue Regelungsverfahren in eine etwa kreisrunde Verformungskurve oder konstante Beanspruchung verändert wird, bis eine bestimmte festgelegte Steifigkeit des Prüflings unterschritten bzw. ein festgelegtes Belastungsmoment überschritten und die Prüfmaschine abgeschaltet wird.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Regelung von Prüfmaschinen mit Unwuchtbelastung, insbesondere zur Betriebsfestigkeitsprüfung von Rädern, Rollen o. dgl., d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Momente an der Belastungswelle in zwei senkrecht zueinander stehenden Schnittebenen gemessen werden, durch eine Vektoranalyse der Istwert des jeweils wirksamen Moments ermittelt und damit die Winkelgeschwindigkeit eines Schrittschaltmotors so geregelt wird, daß der Istwert des Moments über den Umfang konstant ist.
2. Verfahren zur Regelung von Prüfmaschinen mit Unwuchtbelastung, insbesondere zur Betriebsfestigkeitsprüfung von Rädern, Rollen o. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Momente an der Belastungswelle in mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Schnittebenen gemessen werden, daraus z. B. durch eine Gleichrichtung ein Mittelwert des Istwertes gebildet und damit die Winkelgeschwindigkeit eines Schrittschaltmotors so geregelt wird, daß der Istwert des Moments über den Umfang konstant ist.
3. Verfahren zur Regelung von Prüfmaschinen mit Unwuchtbelastung, insbesondere zur Betriebsfestigkeitsprüfung von Rädern, Rollen o. dgl., dadurch gekennzeichnet. daß der Istwert der als Radius gemessenen Auslenkung der Belastungswelle mit zwei senkrecht zueinander stehenden Weggebern gemessen wird, durch eine Vektoranalyse der Radius über den Umfang ermittelt und damit die Winkelgeschwindigkeit eines Schrittschaltmotors so geregelt wird, daß der Istwert des Radius der Verformungskurve über den Umfang konstant ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von Prüfmaschinen mit Unwuchtbelastung. Insbesondere wird das Verfahren auf den Umlaufbiegeversuch zur Betriebsfestigkeitsprüfung angewendet, wenn die Bauteile bei Betriebsbeanspruchung einer umlaufenden Kraft ausgesetzt sind, die parallel zur Drehachse wirkt, wie es beispielsweise bei Fahrzeugrädern, Laufrollen bzw. Räder für Schienenfahrzeuge zutrifft.

Ein als Beispiel herangezogenes Fahrzeugrad besteht aus einer Felge, auf der Reifen montiert ist und aus einer Radscheibe oder Radschüssel, die die Felge mit dem Radflansch verbindet. Von der relativ kleinen Reifenaufstandsfläche werden die Quer- und Radialkräfte über die Felge in die Radschüssel und von hier in den Radflansch eingeleitet. So entsteht in der Radschüssel bezogen auf den Radflansch ein umlaufendes Moment. Zur Prüfung wurden spezielle Radscheibenprüfstände gemäß DE-AS 1063403 entwickelt, deren Prüfbelastung durch eine Unwuchtkraft erzeugt wird.

Bei den Radscheibenprüfständen wird die Felge starr mit dem Prüfstand verbunden. Das umlaufende Moment wird dabei durch eine Kraft erzeugt, die am dem Rad gegenüberliegenden Ende einer Belastungswelle angreift. Bei einem bekannten Prüfstand mit Unwuchtbelastung liegt das Rad auf dem Maschinenständer und ist über die Felge fest mit ihm verbunden (siehe VDI-Berichte, Nur.480, 1983, S.201-206 »Einfluß von örtlichen Rissen und Steifigkeitssprüngen bei der Umlaufbiege- prüfung«).

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Ist-Wert eines vorgegebenen Sollwertes der Beanspruchung oder den Radius der Verformungskurve trotz unterschiedlicher Steifigkeit eines Prüflings, z. B. eines Fahrzeugrades, über den Umfang konstant zu halten.

Dies soll bis zu einem bestimmten, festgelegten Ausmaß auch dann gelten, wenn im Prüfling während der Prüfung Risse entstehen.

Die Lösung dieser Aufgabe kann gemäß der Erfindung auf drei verschiedenen Wegen erfolgen und ist daher in drei nebengeordneten Patentansprüchen angegeben.

Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren werden als Antrieb an sich bekannte Schrittmotoren verwendet, die in Verbindung mit einer Ansteuereinheit digitale elektrische Steuerbefehle und Informationen in gleichmäßige oder variable Winkelgeschwindigkeit umsetzen können. Der Läufer eines Schrittmotors wird bei jedem Steuerimpuls um den Motorschrittwinkel weitergedreht. So ist es möglich, bei unterschiedlicher Impulsfolgezeit verschiedene Winkelgeschwindigkeiten zu erzeugen. Von den Figuren zeigt Fig.1 einen bekannten Radscheibenprüfstand, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann, F i g. 2 und 3 an sich bekannte Lissajousfiguren eines Oszilloskopes bei konstanter Drehzahl des Motors mit zugehöriger Sinuskurve der Belastung in der Y-Ebene, Fig. 4 ein Rad mit Zuordnung zu den X- und Y-Ebenen und Fig.5 eine Lissajousfigur von einem Rad gemäß Fig.4.

Wie in F i g. 1 dargestellt, ist eine Belastungswelle 6 bei der bekannten Prüfmaschine senkrecht angeordnet.

Am Ende der Belastungswelle 6 ist ein drehbares Gehäuse mit einer Unwucht 7 angebracht. Über eine biegsame Welle wird dieses Gehäuse mit der Unwucht 7 durch einen regelbaren Gleichstrommotor 8 angetrieben. Durch die Fliehkraft der Unwucht 7 wirkt eine Kraft, die über die Belastungswelle 6 auf eine Flansch 9 übertragen wird, an dem eine Radscheibe 2 angeschraubt ist. Die Radscheibe 2 ist durch eine oder mehrere Schweißnähte 14 mit einer Felge 3 zu einem Fahrzeugrad 1 verschweißt. Dieses Fahrzeugrad 1 ist am Rand der Felge 3 mit mehreren Spannelementen 4 auf dem Maschinengestell 5 festgeschraubt. Aus der Durchbiegung der Belastungswelle 6 wird nahe dem Flansch 9, z. B. mit Dehnungsmeßstreifen (abgekürzt DMS) 21, der Ist-Wert der Belastung ermittelt. Zur Darstellung der -Verformung in einer Verformungskurve sind zwei um 90O versetzte Weggeber 10 vorgesehen, deren Signale auf eine Überwachungselektronik und auf ein XY-Oszilloskop geschaltet sind.

In einem Radscheibenprüfstand wirkt bei der Unwuchtbelastung als Kraft die Zentrifugalkraft F= m in r w2. Daraus ergibt sich, daß die wirksame Kraft F durch drei Hauptfaktoren beeinflußt wird, und zwar durch 1. die Masse der Unwucht m, 2. die Winkelgeschwindigkeit w = v/rund 3. den wirksamen Radius rder umlaufenden Masse.