DE1079348B - Method for measuring the vertical force and tracking force between the roadway and the wheel of a vehicle, in particular between the rail and the wheel of a rail-bound vehicle - Google Patents
Method for measuring the vertical force and tracking force between the roadway and the wheel of a vehicle, in particular between the rail and the wheel of a rail-bound vehicleInfo
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Description
Verfahren zur Messung der Aufstandskraft und Spurführungskraft zwischen der Fahrbahn und dem-Rad eines Fahrzeuges, insbesondere zwischen der Schiene und dem Rad eines schienengebundenen Fahrzeuges Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Aufstandskraft und der Spurführungskraft, die zwischen der Fahrbahn und dem Rad eines Fahrzeuges, insbesondere zwischen der Schiene und dem Rad eines schienengebundenen Fahrzeuges, auftreten. Die Kenntnis dieser Kräfte ist wesentlich zur Beurteilung der durch verschiedene Fahrwerks- und Motorkonstruktionen hervorgerufenen Beanspruchungen des Oberbaues. So treten insbesondere bei elektrischen Vollbahnlokomotiven zwischen Rad und Schiene erhebliche Beanspruchungen auf, deren genaue Kenntnis erst die Beurteilung der Güte eines Antriebes ermöglicht. Procedure for measuring the vertical force and tracking force between the roadway and the wheel of a vehicle, especially between the rail and the wheel of a rail-bound vehicle The invention relates to a method to measure the vertical force and the tracking force between the lane and the wheel of a vehicle, in particular between the rail and the wheel of a rail-bound vehicle occur. Knowing these forces is essential for assessing the effects caused by various chassis and engine designs Stresses on the superstructure. This is particularly the case with electric full-line locomotives considerable stresses occur between wheel and rail, the exact knowledge of which is only necessary enables the quality of a drive to be assessed.
Zur Messung dieser Kräfte sieht die Erfindung vor, an einander gegenüberliegenden Stellen der Außenseite des Rades die Dehnungen in Abhängigkeit von der Radstellung zu messen und die so gemessenen Werte mit für den betreffenden Radtyp bekannten Dehnungsmeßwerten für eine nur in vertikaler Richtung wirkende Aufstandskraft bekannter Größe bzw. für eine nur in axialer Richtung wirkende Spurführungskraft bekannter Größe zu vergleichen. To measure these forces, the invention provides on opposite sides Set the outside of the wheel the stretches depending on the wheel position to measure and the values measured in this way with those known for the respective type of bike Strain measurement values for a vertical force acting only in the vertical direction are known Size or known for a tracking force acting only in the axial direction Compare size.
Zur Erläuterung der Erfindung sei zunächst die in den Fig. 1 und 2 dargestellte kreisförmige ebene Radscheibe 1, die auf der Schiene 2 läuft, betrachtet. Diese Radscheibe sei in der Nabenbohrung mit einer Aufstandskraft bekannter Größe, beispielsweise also mit 1 t, belastet. Wird das Eigengewicht der Radscheibe 1 gegenüber dieser Aufstandskraft vernachlässigt, so hat die Aufstandskraft im Berührungspunkt der Radscheibe mit der Schiene die gleiche Größe, also beispielsweise ebenfalls 1 t. Die im unteren Teil der Radscheibe 1 zu beiden Seiten angebrachten Dehnungsmeßstreifen Da und Db zeigen dann einen Dehnungsmeßwert Ya bzw. Yb an, der im angenommenen Fall negativ ist, da es sich um eine Kompression handelt. To explain the invention, first of all, that shown in FIGS. 1 and 2, shown circular flat wheel disk 1, which runs on the rail 2, considered. This wheel disc is in the hub bore with a contact force of known size, for example with 1 t. The dead weight of the wheel disc 1 is opposite If this uprising force is neglected, then the uprising force has at the point of contact the wheel disc with the rail is the same size, for example also 1 t. The strain gauges attached to both sides in the lower part of the wheel disc 1 Da and Db then indicate a measured elongation value Ya and Yb, respectively, which in the assumed case is negative because it is a compression.
Wird nun die Radscheibe um die Wegstrecke s auf der Schiene entlanggerollt, so drehen sich die Dehnungsmeßstreifen Da und Db um den Winkel ç aus der Senkrechten heraus, so daß die von ihnen angezeigten Dehnungsmeßwerteya bzw. Yb einen anderen Betrag haben. Über eine ganze Radumdrehung bilden diese Werte eine symmetrische Kurve, deren Verlauf beispielsweise in der Fig. 4 von ç = O bis 5o = 2 :z schematisch angedeutet ist. If the wheel disc is now rolled along the rail by the distance s, so the strain gauges Da and Db rotate by the angle ç from the vertical out, so that the Dehnungsmeßwerteya or Yb displayed by them have a different one Have amount. Over a whole revolution of the wheel, these values form a symmetrical one Curve, the course of which, for example, in FIG. 4 from ç = 0 to 5o = 2: z schematically is indicated.
Der Verlauf der Funktionen Ya (9) bzw. Yb ((p) kann im Falle einfach ausgebildeter Räder elastizitätstheoretisch abgeleitet werden. In der Regel wird es sich jedoch empfehlen, diese dem betreffenden Radtyp zugeordneten Eichkurven Pa(97) bzw. Yb(ç) experimentell aufzunehmen. Man muß dann nur dafür Sorge tragen, daß bei einer solchen Eichung keine Spurführungskräfte auftreten können, die die erhaltenen Meßwerte verfälschen. Beispielsweise kann man dies durch eine ausreichende Schmierung zwischen Rad und Schiene erreichen. Falls erforderlich, kann im übrigen auch der Einfluß des Eigengewichtes bei der Aufnahme der Eichkurve dadurch ausgeschaltet werden, daß man diese Eichkurve mit mindestens zwei voneinander verschiedenen bekannten Werten der Aufstandskraft P mißt. The course of the functions Ya (9) or Yb ((p) can be simple in the case trained wheels can be derived from elasticity theory. Usually will however, it is advisable to use these calibration curves assigned to the respective type of wheel Pa (97) or Yb (ç) to be recorded experimentally. You just have to take care that with such a calibration no tracking forces can occur that the falsify the measured values obtained. For example, you can do this with a sufficient Achieve lubrication between wheel and rail. If necessary, can moreover this also eliminates the influence of the dead weight when recording the calibration curve be that this calibration curve with at least two different known Values of the contact force P measures.
Während des Betriebes wird das Rad nicht allein durch vertikal gerichtete AufstandskräfteP, sondern auch durch waagerecht gerichtete Spurführungskräfte H belastet, wie es in der Fig. 3 angedeutet ist. During operation, the wheel is not only directed vertically Contact forces P, but also by horizontally directed tracking forces H loaded, as indicated in FIG. 3.
Für jeden Radtyp können die bei Spurführungskräften bekannter Größe auftretenden Dehnungen ermittelt werden. Hierbei ist dafür zu sorgen, daß auf das Rad keine Aufstandskräfte wirken. Mit den gemäß den Fig. 1 oder 3 am Rad angebrachten Dehnungsmeßstreifen Da und Db können dann für den betreffenden Radtyp die Eichkurven () und Xb(ç) ermittelt werden, die die Dehnungsmeßwerte wiedergeben, die bei dem betreffenden Rad bei einer Spurführungskraft bekannter Größe in Abhängigkeit von der Radstellung auftreten. Der Verlauf einer solchen Eichkurve von (p= 0 bis (p=2 7G für die von einer Spurführungskraft hervorgerufenen Dehnungen ist beispielsweise in Fig. 5 wiedergegeben.For each type of wheel, the size known to track guiding forces occurring strains can be determined. It is important to ensure that the No uprising forces act on the wheel. With the shown in Fig. 1 or 3 attached to the wheel Strain gauges Da and Db can then use the calibration curves for the relevant wheel type () and Xb (ç) can be determined, which reproduce the elongation values that were used in the relevant wheel with a tracking force of known size as a function of the wheel position occur. The course of such a calibration curve from (p = 0 to (p = 2 7G for the elongations caused by a tracking force is for example reproduced in FIG. 5.
Die Aufnahme der Eichkurven xa(;v) und Xb(q7) eines Rades lassen sich beispielsweise auch dadurch ermitteln, daß man auf einen Radsatz eine Spurfiihrungskraft bekannter Größe langsam längs des Umfanges fortwandern läßt und die hierbei auftretenden Dehnungen mittels der Dehnungsmeßstreifen Da und Db mißt. Let the recording of the calibration curves xa (; v) and Xb (q7) of a wheel for example, this also means determine that you are on a wheelset allows a tracking force of known magnitude to slowly move along the circumference and the strains that occur here by means of the strain gauges Da and Db measures.
Im allgemeinen sind die Räder von Fahrzeugen als unsymmetrische Scheibenräder oder als Räder mit krummen Speichen ausgebildet. In diesem Fall erzeugt die Aufstandskraft P ebenfalls Biegebeanspruchungen, die sich den von den Spurführungskräften H herrührenden B iegespannungen überlagern. Auch entstehen in einem beliebigen Meßquerschnitt Normalkräfte, die nicht allein durch die Aufstandskraft P, sondern auch durch die Spurführungskräfte H hervorgerufen werden. Zur Erläuterung ist beispielsweise in Fig. 6 der Querschnitt eines Rades mit krummen Speichen 3 dargestellt. In Fig. 7 sind die Spannungen wiedergegeben, die in einem Querschnitt einer Speiche 3 des in Fig. 6 dargestellten Rades herrschen. Generally, the wheels of vehicles are called asymmetrical disc wheels or designed as wheels with crooked spokes. In this case, creates the contact force P also bending stresses that result from the tracking forces H. Superimpose bending stresses. Normal forces also arise in any measurement cross-section, not only through the contact force P, but also through the tracking forces H can be evoked. For the purpose of explanation, the cross section is shown in FIG. 6, for example a wheel with crooked spokes 3 is shown. In Fig. 7 the voltages are shown, which prevail in a cross section of a spoke 3 of the wheel shown in FIG.
A B CD sei die Fläche der Druckspannungen, hervorgerufen durch die Aufstandskraft P. Dieselbe Kraft P erzeugt zusätzlich die Biegespannungen D E P C, die sich der mittleren Druckspannung überlagern, so daß von der Kraft P allein die Spannungen hervorgebracht werden, die durch die Fläche ABFE dargestellt sind. Das Biegemoment der Spurführungskraft H erzeugt in demselben Querschnitt die mittleren Druckspannungen A B G H und die diesen überlagerten reinen Biegespannungen HGJK, so daß von der Kraft H die Spannungsfläche ABJK herrührt. Die Kräfte P und H liefern gemeinsam als Spannungsfläche das schraffiert dargestellte Trapez EFJK.A B CD is the area of the compressive stresses caused by the Contact force P. The same force P also generates the bending stresses D E P C, which are superimposed on the mean compressive stress, so that from the force P alone the stresses are produced, which are represented by the area ABFE. The bending moment of the tracking force H generates the middle ones in the same cross-section Compressive stresses A B G H and the superimposed pure bending stresses HGJK, so that the stress area ABJK results from the force H. The forces P and H provide together as a tension area the hatched trapezoid EFJK.
Beim Fahren sind von außen nur die Dehnungen meßbar, die den Spannungen IF und E K entsprechen. When driving, only the strains can be measured from the outside, the stresses IF and E K correspond.
Aus ihnen sollen die unbekannten Kräfte P und H bestimmt werden. Das geschieht wie folgt: Mit einer Aufstandskraft bekannter Größe, beispielsweise einer Einheitsaufstandskraft von 1 t, werden für jeden der beiden Meßstreifen Da und Db getrennt die Eichfunktionen Ya und Yb aufgenommen.The unknown forces P and H are to be determined from them. That happens as follows: With a contact force of known magnitude, for example one Unit contact force of 1 t are used for each of the two measuring strips Da and Db the calibration functions Ya and Yb were added separately.
Gleichfalls werden für eine Spurführungskraft bekannter Größe, beispielsweise einer Einheitsspurführungskraft von 1 t, an diesen selben Meßstreifen die Eichfunktionen xa und rb für einen ganzen Radumlauf aufgenommen. Hierbei ist es an sich gleichgültig, auf welchem Radiusstrahl und in welchem Abstand von der Mitte die Streifen aufgeklebt sind; wesentlich ist nur, daß sie in bezug auf den betrachteten Querschnitt einander gegenüberliegen.Likewise, for a tracking force of known size, for example a unit tracking force of 1 t, the calibration functions on these same measuring strips xa and rb recorded for a whole revolution of the wheel. Here it is in itself a matter of indifference on which radius beam and at what distance from the center the strips are glued are; It is only essential that they are mutually exclusive in relation to the cross-section under consideration opposite.
Werden also an einem Rad beliebiger Form gemäß den Fig. 1 oder 3 an einander gegenüberliegenden Stellen der Außenseite des Rades die beiden Dehnungsmeßstreifen Da und Db angebracht, so gelten für die mit diesen Dehnungsmeßstreifen ermittelten Dehnungen, die mit Za bzw. Zb bezeichnet seien, folgende Beziehungen: za(#) = P(#)ya(#) + H(#)xa(#) (1) Zb (P=P (cp) y()+H (p) xo (97) (2) Hierbei bedeuten also Za(#) und zb(#) die unter Belastung zu beiden Seiten des Rades gemessenen Dehnungswerte. xa (0), xb(#) sowie Ya ((p) und Yb (typ) sind die für den betreffenden Radtyp ermittelten Eichkurven, die also unter alleiniger Belastung mit einer Aufstandskraft bekannter Größe bzw. unter alleiniger Belastung mit einer Spurführungskraft bekannter Größe zu beiden Seiten des Rades ermittelt werden.So be on a wheel of any shape according to FIG. 1 or 3 opposite points on the outside of the wheel, the two strain gauges Da and Db attached apply to those determined with these strain gauges Strains, which are denoted by Za or Zb, have the following relationships: za (#) = P (#) ya (#) + H (#) xa (#) (1) Zb (P = P (cp) y () + H (p) xo (97) (2) Here Za (#) and Eg (#) the elongation values measured on both sides of the wheel under load. xa (0), xb (#) as well as Ya ((p) and Yb (typ) are those determined for the respective bike type Calibration curves, which are better known when only loaded with a contact force Size or under the sole load with a tracking force of known size can be determined on both sides of the wheel.
Zweckmäßigerweise werden diese Eichkurven zur Auswertung normiert.These calibration curves are expediently normalized for evaluation.
Durch das Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich jetzt mit Hilfe der Beziehungen (1) und (2) die unbekannten Aufstandskräfte P bzw. Spurführungskräfte H in Abhängigkeit von den Radstellungen ermitteln. Zur Auflösung dieses Gleichungssystems können hierbei die an sich bekannten Rechenverfahren angewendet werden, es kann aber auch ein Analogrechner eingesetzt werden, an dessen Ausgang die beiden unbekannten Kräfte P und H erscheinen. The method according to the invention can now be used with the aid of the relationships (1) and (2) the unknown contact forces P or tracking forces Determine H depending on the wheel positions. To solve this system of equations the calculation methods known per se can be used here, it can but also an analog computer can be used, at the output of which the two unknown Forces P and H appear.
Bei vielen gebräuchlichen Radformen beeinflussen die Spurführungskräfte H die Normalkräfte im Radinnern nur wenig. Das bedeutet, daß in den Gleichungen (1) und (2) zwischen den Eichfunktionen xa und xb folgende Beziehung besteht: = - rb Für diesen Fall lassen sich die gesuchten Kräfte durch Umformung der Gleichungen (l) und (2) explizite angeben: Za Jr + Zb Ya Jr Yb In diesem Fall kann man die Dehnungsmeßstreifen Da und Db sowohl bei der Aufnahme der Eichkurven Ya und Yb als auch während der Meßfahrt hintereinanderschalten, so daß man die Summenwerte Ys bzw. Zs erhält und sich P mithin ergibt zu p Zs Bei der praktischen Durchführung des Meßverfahrens gemäß der Erfindung kann man im allgemeinen von vornherein auf Grund der gegebenen Radform nach elastizitätstheoretischen Überlegungen die Dehnungsmeßstreifen an einer Stelle anordnen bzw. diese Stelle experimentell aufsuchen, die möglichst gut folgenden Bedingungen entspricht: Im betrachteten Querschnitt soll die vertikal gerichtete Einheitsaufstandskraft P möglichst wenig Biegespannung, die waagerecht gerichtete Einheitsspurführungskraft H hingegen möglichst wenig Normalspannungen hervorrufen. In einem solchen Fall gelten zwischen den Eichfunktionen die Beziehungen X,=-Xa=X Ya= Yb=Y Sofern diese Beziehungen erfüllt sind, bzw. in praktisch ausreichender Näherung erfüllt sind, lassen sich aus den Gleichungen (1) und (2) die Kräfte P und H explizite angeben: P(#) = za(#) + Zb(#) (3) 2y(0) (97) 2 x - zb(#) ~ (4) Für die Güte des Meßverfahrens gemäß der Erfindung ist es wesentlich, daß die Dehnungen zu beiden Seiten des Rades mit gleicher Empfindlichkeit gemessen werden und daß die Stellen, an denen diese Dehnungen gemessen werden, einander genau gegenüberliegen. Bei der Verwendung von Dehnungsmeßstreifen zur Ermittlung der Dehnungsmeßwerte muß daher dafür Sorge getragen werden, daß die einander gegenüberliegenden Dehnungsmeßstreifen gleich empfindlich sind. The tracking forces affect many common wheel shapes H the normal forces inside the wheel only slightly. That means that in the equations (1) and (2) the following relationship exists between the calibration functions xa and xb: = - rb In this case, the forces sought can be found by transforming the equations (l) and (2) explicitly state: Za Jr + Zb Ya Jr Yb In this case you can use the strain gauges Da and Db both when recording the calibration curves Ya and Yb and during the Switch the measuring run one after the other so that the sum values Ys or Zs are obtained and P consequently results in p Zs When the measuring process is carried out in practice according to the invention one can generally a priori on the basis of the given The shape of the wheel according to elasticity-theoretical considerations, the strain gauges on a Arrange position or visit this position experimentally, following as closely as possible Conditions correspond to: In the considered cross-section the vertically directed Unit contact force P as little bending stress as possible, the horizontally directed one By contrast, unit tracking force H causes as few normal stresses as possible. In such a case, the relationships X, = - Xa = X apply between the calibration functions Ya = Yb = Y If these relationships are fulfilled, or in practice sufficient Approximation are fulfilled, the forces P and H explicitly specify: P (#) = za (#) + Zb (#) (3) 2y (0) (97) 2 x - zb (#) ~ (4) for the quality of the measuring method according to the invention, it is essential that the strains be measured on both sides of the wheel with the same sensitivity and that the points at which these elongations are measured are exactly opposite one another. When using strain gauges to determine the strain gauges, you must therefore care must be taken that the opposing strain gauges are equally sensitive.
Bei der Durchführung des Verfahrens ist es an sich gleichgültig, auf welche Weise die Dehnungen ermittelt werden. Im allgemeinen wird man jedoch die leicht zu handhabenden Dehnungsmeßstreifen vorsehen. Die Übertragung der durch die Dehnungsmeßstreifen ermittelten Meßwerte auf die stillstehende Meßapparatur kann beispielsweise auf induktivem Wege oder galvanisch mittels Bürsten und Schleifringen erfolgen. When carrying out the procedure, it is in itself indifferent how the strains are determined. In general, however, one will provide the easy-to-use strain gauges. The transfer of the through the measured values determined by the strain gauges on the stationary measuring apparatus can for example be inductive or galvanic using brushes and slip rings take place.
Die beispielsweise gemäß den Gleichungen (3) und (4) erforderliche Quotientenbildung kann in einer an sich bekannten Weise ebenfalls auf elektrischem Wege erioÄgen. The one required according to equations (3) and (4), for example The formation of quotients can also be done electrically in a manner known per se Paths erioÄgen.
Wie insbesondere die explizite Form der Gleichungen (3) und (4) erkennen läßt, wird die Ermittlung der Werte für die Kräfte P und H an den Stellen ungenau, an denen die Eichfunktionen XG b und Y b sehr kleine Werte haben bzw. durch Null gehen. Dieser Nachteil läßt sich dadurch vermeiden, daß man an anderer Stelle des Rades ein zweites Meßstreifenpaar vorsieht, dessen Eichkurven dann von Null verschieden sind, wenn die Eichkurven des ersten Dehnungsmeßstreifenpaares gleich Null sind. Dieses zweite Dehnungsmeßstreifenpaar kann in der gleichen Weise selbsttätig zum Messen verwendet werden, wie es an Hand des ersten Dehnungsmeßstreifens bereits geschildert ist. Die beiden Meßkreise arbeiten dann gewissermaßen Lücke auf Lücke. Durch einen synchron mit dem Rad laufenden Umschalter kann dann erreicht werden, daß von jedem Meßkreis jeweils nur der günstigste Bereich ausgenutzt wird. Diese Bereiche reihen sich dann lückenlos aneinander, wie es beispielsweise in der Fig. 8 an Hand der ausgezogenen bzw. gestrichelten Linie für die Eichkurven Ya. b schematisch dargestellt ist. As can be seen in particular from the explicit form of equations (3) and (4) the determination of the values for the forces P and H is imprecise at the points where the calibration functions XG b and Y b have very small values or through zero walk. This disadvantage can be avoided by looking elsewhere in the Wheel provides a second pair of measuring strips, the calibration curves of which then differ from zero when the calibration curves of the first pair of strain gauges are equal to zero. This second pair of strain gauges can be used automatically in the same way Measure can be used, as already shown on the basis of the first strain gauge is depicted. The two measuring circuits then work, so to speak, gap after gap. A changeover switch running synchronously with the wheel can then achieve that only the most favorable range is used from each measuring circuit. These Areas are then lined up without gaps, as shown, for example, in Fig. 8 on the basis of the solid or dashed line for the calibration curves Ya. b schematically is shown.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine ganze Reihe von Dehnungsmeßstreifenpaaren derart hintereinanderzuschalten, daß ihre Summenanzeige nicht mehr durch Null hindurchgeht. Mitunter läßt sich dies bereits mit zwei Dehnungsmeßstreifenpaaren erreichen, wie es in der Fig. 9 angedeutet ist. Another option is to use a number of pairs of strain gauges to be switched one after the other in such a way that their total display no longer goes through zero. Sometimes this can already be achieved with two pairs of strain gauges, such as it is indicated in FIG. 9.
In der Darstellung dieser Figur ist die Summenanzeige der Eichkurve a,b b b zweier Dehnungsmeßstreifenpaare aufgezeichnet, deren Einzelmeßwerte voll ausgezogen bzw. strichliert sind. Die Summenanzeige ist strichpunktiert wiedergegeben. Im allgemeinen Fall gelingt es durch die Anordnung mehrerer Dehnungsmeßstreifenpaare stets, eine über den ganzen Radumfang von Null verschiedene Summenanzeige zu erhalten. In the representation of this figure is the total display of the calibration curve a, b b b of two pairs of strain gauges recorded, their individual measured values fully are solid or dashed. The total display is shown in dash-dotted lines. In general, this is achieved by arranging several pairs of strain gauges always to get a total display different from zero over the whole wheel circumference.
PATENTANSPBO CHE 1. Verfahren zum Messen der Aufstandskraft und der Spurführungskraft zwischen der Fahrbahn und dem Rad eines Fahrzeuges, insbesondere zwischen der Schiene und dem Rad eines schienengebundenen Fahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß an einander gegenüberliegenden Stellen der Außenseiten des Rades die Dehnungen in Abhängigkeit von der Radstellung (ç) gemessen werden und mit für den betreffenden Radtyp bekannten Dehnungsmeßwerten für eine nur in vertikaler Richtung wirkende Aufstandskraft bekannter Größe bzw. für eine nur in axialer Richtung wirkende Spurführungskraft bekannter Größe verglichen werden. PATENT TRANSPBO CHE 1. Method of measuring the vertical force and the Tracking force between the roadway and the wheel of a vehicle, in particular between the rail and the wheel of a rail-bound vehicle, characterized in that that at opposite points on the outer sides of the wheel the elongations can be measured depending on the wheel position (ç) and with for the relevant Known elongation measurements for a wheel type that only acts in the vertical direction Contact force of known magnitude or for a tracking force acting only in the axial direction known size can be compared.
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