Allgemein

Federprüfung

Abb. 2 Feder-Prüfmaschine SF 1288-250. Die Druckplatte, auf der die zu prüfende Schraubendruckfeder ruht, ist auf einem speziellen Rollentisch angebracht, der aus dem Prüfraum herausgezogen werden kann
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Technik, so auch das Eisenbahnwesen, ist ohne Federn nicht denkbar. Während die meisten Federn im Verborgenen wirken, dürften jedem aufmerksamen Bahnreisenden bereits die kräftig dimensionierten Schraubendruckfedern in den Drehgestellen moderner Reisezugwagen aufgefallen sein. Diese Federn schützen den Wagenkasten während der Fahrt vor Stößen und steigern somit die Sicherheit und den Reisekomfort. Bei Routineuntersuchungen, denen jedes Fahrzeug der Deutschen Bahn AG unterzogen wird, werden die Drehgestellfedern auf ihre Funktionssicherheit hin überprüft. Das Werk Krefeld setzt hierzu eine der modernsten Federprüfanlagen ein, die außer der „klassischen“ Beziehung Federkraft-Federlänge auch die Querauslenkung messen kann.

Von allen Maschinenelementen dürfte „die“ Feder wegen ihrer unzähligen Formgebungsmöglichkeiten am faszinierendsten sein. Die Funktion einer Feder liegt darin, unter Änderung ihrer Form Kräfte aufzunehmen, gegebenenfalls zu speichern und zu übertragen. Dies können Kräfte sein, die genutzt werden, damit sich beispielsweise eine geöffnete Türe „von selbst“ wieder schließt; dies können aber auch Kräfte sein, die aufgefangen werden müssen, da sie sonst Schäden verursachen würden. Diese Aufgabe haben die Federn in den Puffern von Eisenbahnfahrzeugen und die Federn von Drehgestellen (Abb. 1). Mit Blick auf ihre Form und ihre Beanspruchungsart bezeichnet man diese Federn als Schraubendruckfedern. Die Schraubendruckfedern der Drehgestelle entstehen, wenn ein Draht oder ein Stab aus Federstahl bei hoher Temperatur um einen Dorn gewickelt wird. Die so geformte Feder wird dann wärmebehandelt, kugelgestrahlt und an ihren beiden Enden plangeschliffen. Durch das sogenannte Setzen, ein wiederholtes „Zusammendrücken“, erhält die Feder schließlich die jeweils von ihr verlangten Eigenschaften. Dabei ist die Beziehung Federkraft-Federlänge von zentraler Bedeutung. Innerhalb eines bestimmten, elastischen Beanspruchungsbereiches sind Federkraft und Federlänge einander proportional. Trägt man die beiden Größen in einem Diagramm auf, erhält man die sogenannte Federkennlinie. Deren Steigung wird als Federrate bezeichnet. Je nach Beanspruchung kommt es im Laufe der Zeit dazu, daß die Federkraft nachläßt und die Feder die an sie gestellten Aufgaben nicht mehr voll erfüllen kann. Daher werden die Drehgestellfedern bei der Routineuntersuchung der Reisezugwagen überprüft.

Routineuntersuchung
Spätestens nach einer Laufzeit von derzeit 1 Mio km wird jeder Reisezugwagen der Deutschen Bahn AG einer Aufarbeitung unterzogen. Zuständig für diese Inspektion sind verschiedene Werke, darunter auch das in Krefeld, wo Reisezugwagen, Nah- und Doppelstockwagen sowie künftig auch Triebzüge geprüft werden. Das 1892 gegründete Werk Krefeld mit seinen 700 Mitarbeitern ist zuständig für die Revision von 400 Wagen/Jahr sowie 600 Wagen/Jahr bei der Bedarfsinstandsetzung. Eine Aufarbeitung nimmt je nach Revisionsstufe bis zu fünf Wochen in Anspruch. In dieser Zeit wird ein Wagen vollständig zerlegt. Bestimmte Komponenten, wie elektrische Leitungen, werden durch neue ersetzt, andere werden auf ihre Funktionsfähigkeit hin geprüft und gegebenenfalls nachgestellt oder ausgetauscht. Sehr wichtige Komponenten sind die extrem beanspruchten Schraubendruckfedern der Drehgestelle, die die Wagenkästen der bis zu 60 t schweren Wagen tragen. Die Drehgestellfedern bestehen aus Draht mit einem Durchmesser von 10 bis 50 mm, haben einen Außendurchmesser von 90 bis 450 mm und eine Länge von 300 bis 800 mm.
Die neue Federprüfmaschine
Jede Feder wird einzeln in einer rechnergesteuert arbeitenden Federprüfmaschine Typ SF 1288-250 geprüft (Abb. 2). Die vom Prüfmaschinen-Hersteller Instron Wolpert gebaute und installierte Maschine ersetzte vor einiger Zeit eine „in die Jahre gekommene“ mechanische Federprüfanlage mit Analoganzeige. Die neue Feder-Prüfmaschinen wird für eine maximale Prüfkraft von 250 kN gebaut, wurde aber im vorliegenden Fall auf speziellen Wunsch des Anwenders auf eine maximale Prüfkraft von 150 kN ausgelegt. Die Maschine kann Federn mit einer Länge von bis zu 1.100 mm prüfen. Die maximale Prüfgeschwindigkeit liegt bei 500 mm/min, die Genauigkeit der Kraftmessung beträgt ± 0,5 % in dem Anwendungsbereich von 1,5 kN bis 150 kN, wobei aufgrund des Druckplatten-Durchmessers drei Kraftaufnehmer die Summenkraft ermitteln.
Bedient wird die Maschine über Tastatur, der Prüfablauf und die Auswertung der Meßwerte erfolgen rechnergesteuert, die Meßgebnisse werden an einem Bildschirm angezeigt (Abb. 3).
Durch eine Zusatzvorrichtung kann auch die Querauslenkung von Federn ermittelt werden. Bei bestimmten Federn, beispielsweise Flexicoil-Federn, die bei Eurofima-Reisezugwagen zwischen Drehgestell und Fahrzeugkasten sitzen, ist ein Ende nach allen Seiten frei beweglich.
Dieses Federende weicht bei Belastung unter dem Einfluß von Querkräften horizontal aus. Die als Schwimmweg bezeichnete Auslenkung darf nicht zu groß werden und muß daher wie die Beziehung Federkraft-Federlänge überprüft werden.
Ein weiterer Anwendungsfall, bei dem Größe und Richtung des Schwimmweges bestimmt werden müssen, besteht bei Federsätzen, die in den Drehgestellen der Reisezugwagen eingesetzt werden. Dabei sitzt eine kleinere links-gewundene Feder mittig in einer größeren rechtsgewundenen. Bei beiden Federn wird die Richtung des Schwimmweges bestimmt und gekennzeichnet. Beim Wiedereinbau muß dann darauf geachtet werden, daß die Schwimmwege beider Federn entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind, damit sie sich kompensieren.
Um den Schwimmweg messen zu können, wurde die SF 1288-250 mit einer entsprechenden Vorrichtung ausgestattet: Die untere Druckplatte ist in einer Ebene in X-Richtung und in einer zweiten in Y-Richtung mit Wälzlagern reibungsarm gelagert und kann sich horizontal nach allen Seiten bewegen. Die Bewegungen in X- und Y-Richtung werden mit je einem Wegaufnehmer gemessen. Beide Wegaufnehmer sind mit dem Rechner verbunden, der aus den Weg-Komponenten die Größe des Schwimmweges und dessen Richtung errechnet. Außerdem ist es möglich, über einen zusätzlichen Spindelantrieb, der mit einem Kraftaufnehmer ausgerüstet ist, eine spezifische Querkraft aufzubringen.
Prüfablauf
Der Bediener hebt die Feder von Hand oder mit Hilfe eines Krans auf die untere Druckplatte der Prüfmaschine. Um diesen Vorgang „handlicher“ zu machen, wurde die Druckplatte auf einen speziell für diese Prüfmaschine konstruierten Rollentisch gebaut und kann somit zur Aufnahme der Feder aus dem Prüfraum gefahren werden. Der Bediener schiebt die Druckplatte mit der Feder in den Prüfraum, gibt in den Rechner Daten hinsichtlich Wagenbauart, Drehgestellart, Aufarbeitungsstufe und Prüfpunkte ein und startet den Prüfzyklus, der von der Prüfprozeß-Elektronik PROLOG 8802 gesteuert wird. Die Feder wird mit einer von der Wagenbauart abhängigen Prüfkraft in Achsrichtung belastet. Beim Entlasten der Feder erfaßt die Meßelektronik PRODYN die Meßwertpaare Kraft und Länge und trägt zeitgleich die Federkennlinie am Bildschirm auf.
Außerdem werden die Meßwerte auf dem Bildschirm digital angezeigt (Abb. 3). Da die Drehgestellfedern wegen der ungleichen Gewichtsverteilung der Wagenkästen auf unterschiedliche Federlängen ausgelegt sind, wird jede Feder eines Wagens auf diese Länge-Kraft-Paarung hin überprüft. Das Meßergebnis gibt darüber Auskunft, ob eine Federn wieder am ursprünglichen Platz eingebaut werden kann – gegebenenfalls zusammen mit einem Zwischenblech -, ob es günstiger ist, sie an einem anderen Platz desselben Wagens einzubauen, oder ob sie durch eine neue ersetzt werden muß.
Literatur
DIN 2089 Teil 1 – Zylindrische Schraubendruckfedern aus runden Drähten und Stäben. Berechnung und Konstruktion
DIN 2096 Teil 1 und Teil 2 – Zylindrische Schraubendruckfedern aus runden Drähten und Stäben. Güteanforderungen bei warmgeformten Druckfedern
Hans-Siegmund von Gimborn: Sonder-Meßsysteme für Schraubenfeder-Prüfmaschinen. Draht 42 (1991) 3, 158-164
Manfred Meissner, Hans-Jürgen Schorcht: Metallfedern. Grundlagen, Werkstoffe, Berechnung und Gestaltung. Berlin Heidelberg 1997
Weitere Informationen A QE 501
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