Einrichtung zum Messen der Griffigkeit und der Verschleissfestigkeit von Strassenbaustoffen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Griffigkeit und der Verschleissfestigkeit von Strassenbaustoffen, mit einem auf einer antreibbaren Welle angeordneten Kraftfahrzeugrad, die in einem Gestell drehbar gelagert und mit wählbarem Druck in Richtung auf die Oberfläche des zu prüfenden Strassenbaustoffes zu verschiebbar ist.
Für die Beurteilung der Brauchbarkeit eines Strassenbauwerkstoffes sind zwei wesentliche Eigenschaften von besonderer Bedeutung. Die erste Eigenschaft ist die Griffigkeit, d. h. die Fähigkeit, einem Gleiten oder Rutschen eines Kraftfahrzeugrades entgegenzuwirken. Die Griffigkeit eines Strassenbauwerkstoffes beeinflusst infolgedessen die Länge der Bremswege sowie die Haftung des Kraftfahrzeuges beim Durchfahren von Kurven. Die zweite wichtige Eigenschaft ist die Verschleissfestigkeit; denn sie ist massgebend für die Standzeit einer Strassendecke unter bestimmter gegebener Verkehrsbelastung.
Bei den meisten Strassenbauwerkstoffen nimmt mit steigender Verschleissfestigkeit die Griffigkeit ab und mit verbesserter Griffigkeit sinkt die Verschleissfestigkeit. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass Strassenbaustoffe bzw. Fahrbahndecken nach einem bestimmten Verschleiss eine Verschleissfestigkeit und Griffigkeit zeigen, die erheblich von den Werten abweicht, die sich bei der noch nicht verschlissenen Fahrbahndecke unmittelbar nach deren Herstellung ergeben.
Aus dem vorstehenden ergibt sich, dass die Griffigkeit und die Verschleissfestigkeit von Strassenbaustoffen exakt bestimmt werden müssen, wenn Fahrbahndecken hergestellt werden sollen, die den jeweiligen Erfordernissen entsprechen. Zur Durchführung derartiger Untersuchungen dienen Vorrichtungen der eingangs genannten Art. Die bekannten Vorrichtungen lassen sich in zwei Gruppen unterteilen, und zwar in Vorrichtungen, bei welchen Probekörper untersucht werden und in Vorrichtungen, welche die Untersuchung fertig erstellter Fahrbahndecken gestatten.
Die bekannten Vorrichtungen, welche die Untersuchung von Probekörpern gestatten, unterscheiden sich wiederum dadurch voneinander, dass bei der einen Gruppe Bohrkerne geprüft werden können, welche aus einer fertig erstellten Fahrbahndecke entnommen werden können, während bei der anderen Gruppe Probekörper labormässig erstellt werden müssen.
Zu den bekannten Geräten, mit denen aus Fahrbahndecken entnommene Probekörper geprüft werden können, gehört ein Prüfgerät zur Untersuchung der Verschleissfestigkeit, bei welchem der Bohrkern bzw. Probekörper einer Rollbeanspruchung durch Stahlkugeln ausgesetzt wird. Durch Messung des Abriebes wird die Verschleissfestigkeit bestimmt. Es ist offensichtlich, dass die Rollbeanspruchung der Oberfläche eines Strassenbaustoffes durch Stahlkugeln nur Näherungswerte für das Verhalten des Baustoffes bei einer Beanspruchung durch die Räder von Kraftfahrzeugen liefern kann.
Exakte Ergebnisse, die mit der tatsächlichen Verschleissbeanspruchung von Strassenbaustoffen durch den Verkehr vergleichbar sind, können nicht gewonnen werden. Die bekannte Vorrichtung erlaubt darüber hinaus keinerlei Messungen der Griffigkeit. Proben, die durch die Rollbeanspruchung einem bestimmten Verschleiss ausgesetzt wurden, besitzen eine zerstörte Oberfläche und können auch nicht mehr einer Griffigkeitsmessung unterzogen werden, so dass auch keinerlei Möglichkeit besteht, die sich mit zunehmendem Verschleiss ggfs. ändernde Griffigkeit eines Strassenbaustoffes zu bestimmen.
Das andere bekannte Gerät, welches die Untersuchung kleiner Proben, d. h. die Untersuchung von Bohrkernen gestattet, die aus fertigen Fahrbahndecken entnommen wurden, besitzt ein Pendel, bei dem durch die Abbremsung der Fallgeschwindigkeit Rückschlüsse auf die Griffigkeit der Oberfläche des Strassenbaustoffes möglich sind. Diese bekannte Vorrichtung liefert auch dann, wenn die Beanspruchung der Oberfläche des Probenkörpers mit einem Kraftfahrzeugrad erfolgt, nur unbefriedigende Ergebnisse; denn die mit dem Pendel maximal erzielbaren Geschwindigkeiten liegen in der Grössenordnung von etwa 10 bis 12 km pro Stunde. Der Druck, mit welchem die Oberfläche bei der Griffigkeitsmessung beansprucht wird, kann bei Pendelversuchen ebenfalls nur sehr niedrig gehalten werden.
Deshalb liefert auch diese bekannte Vorrichtung keinerlei Ergebnisse, die Auskunft darüber geben, welche Griffigkeit der jeweils untersuchte Strassenbaustoff bei hohen Geschwindigkeiten oder höheren Raddrücken besitzt.
Auch die Geräte, welche die Untersuchung labormässig hergestellter Probekörper gestatten, sind nicht in der Lage, Ergebnisse zu liefern, die in enger Relation zu den tatsächlichen Belastungen des Strassenbaustoffes im Verkehr stehen. Bei diesen bekannten Vorrichtungen werden relativ grosse Probekörper benötigt, so dass die Entnahme derselben aus Pahrbahndecken nicht in Betracht kommt. Probekörper aber, die labormässig hergestellt werden, sind in ihren Eigenschaften nicht mit Körpern vergleichbar, die einer Fahrbahndecke entnommen werden, weil sich labormässig die Herstellungsbe dingungen, beispielsweise die Walzverdichtung, nicht exakt reproduzieren lassen. Abgesehen davon muss bei diesen Vorrichtungen eine Relativbewegung zwischen einem Rad und dem Probekörper erzeugt werden.
Dabei wird in der Weise vorgegangen, dass der Probekörper auf einem Tisch aufgespannt wird, der entweder in hin- und hergehende oder bei ringförmigen Probekörpern in rotierende Bewegung versetzt wird. Als beanspruchendes Element wird ein Rad unter bestimmter Last auf den Probekörper aufgesetzt und dabei zugleich schräg zur Bewegungsrichtung des Probekörpers eingestellt. Dieses Rad wird entweder abgebremst oder angetrieben, so dass sich eine zusätzliche Relativbewegung zwischen dem Probekörper und dem beanspruchenden Rad ergibt.
Die hin- und hergehende Bewegung des Tisches oder der Antrieb grosser Spanntische setzen den möglichen Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Rad und dem Probekörper Grenzen, so dass, abgesehen von der Verfälschung der Ergebnisse durch die Konsistenz der Probekörper selbst, auch noch dadurch unbefriedigende Werte ermittelt werden, dass die Belastung der Probekörper im Sinne hoher Relativgeschwindigkeiten nicht reproduziert werden kann.
Zur letzten Gruppe der bekannten Vorrichtungen gehören Ausführungen, bei denen ein Kraftfahrzeugrad an Fahrzeugen befestigt bzw. abgestützt und von diesen Fahrzeugen in geeigneter Weise über Fahrbahndecken geschleppt wird. Dabei werden die Räder, mit welchen die Untersuchung durchgeführt wird, entweder abgebremst oder angetrieben sowie ggfs. schräg zur Fahrtrichtung eingestellt.
Die Ergebnisse, die mit solchen Vorrichtungen erzielt werden können, bilden nur statistische Mittelwerte der tatsächlichen Werte des jeweiligen Strassenbauwerkstoffes, weil das prüfende Rad über eine längere Fläche der Strassenoberfläche geschleppt wird und keine punktförmig konzentrierte Beanspruchung des Strassenbaustoffes durchführt. Ausserdem besteht aber eine gesetzliche Vorschrift, welche derartige Versuche nur bis zu Höchstgeschwindigkeiten von etwa 60 km pro Stunde ohne Absperrmassnahmen des laufenden Verkehrs zulassen. Messungen bei Höchstgeschwindigkeiten sind unmöglich.
Die zuletzt genannten bekannten Vorrichtungen sind fast ausnahmslos zur Durchführung von Griffigkeitsmessungen geeignet und liefern, wie erläutert wurde, nur Anhaltswerte, die unter Bedingungen gewonnen wurden, die sehr erheblich von denen des tatsächlichen Verkehrs abweichen. Wenn Verschleissfestigkeitsmessungen durchgeführt werden sollen, dann ist ein erheblicher Zeitaufwand erforderlich; denn es muss entweder durch Wägung oder durch Dicken-, ggfs. Rauhigkeitsmessung der Oberfläche versucht werden, den Abrieb zu ermitteln, der durch eine langdauernde Beanspruchung, wie beispielsweise durch die erwähnten Stahlkugeln, erzielt wurde. Die bekannten Vorrichtungen sind lediglich jeweils zur Bestimmung einer der beiden wesentlichen Eigenschaften geeignet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die wichtigen Oberflächeneigenschaften von Fahrbahnoberflächen, nämlich die Griffigkeit und die Verschleissfestigkeit, mit ein und demselben Gerät unter Versuchsbedingungen gemessen bzw. festgestellt werden können, die den tatsächlichen Belastungen der Strassenoberfläche durch den Verkehr so exakt wie möglich nachgebildet sind.
Die erfindungs gem ässe Einrichtung zum Messen der Griffigkeit und der Verschleissfestigkeit von Strassenbaustoffen der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell zur Prüfung der Oberfläche einer fertigen Fahrbahn an einem Fahrgestell oder zur Prüfung von Probekörpern an einem mit einer Spannvorrichtung für den Probekörper ausgerüsteten Rahmen befestigbar ist, und dass eine Antriebsvorrichtung für das Kraftfahrzeugrad sowie eine fliessmediumbetätigte Vorrichtung zum Andrücken des Kraftfahrzeugrades gegen die Oberfläche des zu prüfenden Strassenbaustoffes sowie Mess- und Registriergeräte für die Griffigkeit vorgesehen sind.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 eine Seitenansicht der Einrichtung in einer für Labormessungen bestimmten Ausführung;
Fig. 2 einen Schnitt durch den oberen Teil der Einrichtung nach Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt durch die Einrichtung nach Fig. 1 längs der Linie III-III in Fig. 2; und
Fig. 4 eine Vorderansicht eines Steuerkastens für die Einrichtung nach Fig. 1 bis 3.
Aus den Fig. 1 bis 3 geht hervor, dass die Einrichtung ein zur Belastung der zu prüfenden Oberfläche dienendes Rad 1 für Kraftfahrzeuge aufweist, das auf einer Welle 2 befestigt ist. Die Welle 2 ist über Lager in Gleitblöcken 3 angeordnet, welche in einem Gestell 4 vertikal verschiebbar geführt sind. Die Gleitblöcke 3 stützen sich auf Rückstellfedern 5 ab, sind jedoch gegen die Wirkung dieser Federn mittels hydraulischer oder auch pneumatischer Arbeitsglieder 6 in Fallrichtung verschiebbar.
Bei der dargestellten Einrichtung ist die Welle 2 an einem Ende mit einer elektromagnetisch betätigbaren Schaltkupplung 7 ausgerüstet, welche über Treibriemen 8 mit einem drehzahlregelbaren Elektromotor 9 verbunden ist. Der Elektromotor 9 ist als Getriebemotor mit vorzugsweise stufenlos regelbarer Abtriebsdrehzahl ausgebildet. Wie die Figuren erkennen lassen, ist das Gestell 4 sowie der Getriebemotor 9 auf einem gemein samen Grundrahmen 10 angeordnet, welche schwenkbar am Grundrahmen 10 befestigt ist. Zwischen der Konsole 11 und dem Gestell 4 ist eine Feder 12 vorgesehen, welche zur Konstanthaltung der Spannung der Treibriemen 8 während der Höhenbewegungen der Welle 2 dient.
Zur Durchführung von Labormessungen wird die Einrichtung mit dem Grundrahmen 10 an einem Rahmen 13 befestigt, der an einem Fundament 14 verankert ist. Dieser Rahmen 13 ist mit einer Spannvorrichtung 15 für Probekörper 16 aus dem zu prüfenden Strassenbauwerkstoff ausgerüstet. Die Spannvorrichtung 15 und der Probekörper 16 sind über einen Zapfen 17 drehbar gelagert, wobei die Drehachse senkrecht verläuft. Die Spannvorrichtung 15 kann ausserdem in Richtung der Pfeile 18 in Fig. 2 verschoben werden, bis die Drehachse in bezug auf das Kraftfahrzeugrad 1 aussermittig verläuft
Auf dem Grundrahmen 10 befinden sich eine Pumpe 19 und ein Wasserbehälter 20 zur Speisung einer Düse 21 für die Benetzung der Oberfläche des Probekörpers 16.
Wenn die Einrichtung nicht zu Labormessungen eingesetzt ist, wird lediglich der in Fig. 2 vom Rahmen 13 sichtbar getrennt dargestellte obere Teil an einem nicht gezeigten Fahrgestell z. B. einem Lkw-Anhänger befestigt, welcher während des Messvorganges in bezug auf die Oberfläche der zu prüfenden Fahrbahn fest blok kiertist.
Zur Messung der die Oberflächeneigenschaften eines Strassenbaustoffes bestimmenden Grössen dienen mehrere Mess- und Registriergeräte. Im dargestellten Beispiel wird die Drehzahl der Welle 2 mittels eines an einem Ende angebauten Tachogenerators 22 gemessen.
Die Rückstellfedern 5 für die Gleitblöcke 3 ruhen auf am Grundrahmen 10 abgestützten Behältern 23 zur Messung des Drucks, mit welchem das Rad 1 gegen die Fahrbahnoberfläche bzw. den Probekörper 16 gedrückt wird.
In der Fig. 4 ist ein Steuerkasten 24 gezeigt, welcher zwei Registriergeräte 25 und 26 aufweist, von denen das eine ein Papierband mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 60 mm/sek, und das andere ein mit einer Geschwindigkeit von 1,200 mm/sek bewegtes Papierband aufweisen. Die gemessene Drehzahl der Welle 2 wird einem der Schreibwerke des Registriergerätes 25 und dem einzigen Schreibwerk des Registriergerätes 26 zugeführt.
Das Registriergerät 25 zeichnet aber ausserdem auch noch die von einem nicht gezeigten Messgerät festgestellte Stromaufnahme des Antriebsmotors 9 sowie den von den Messbehältern 23 gemessenen Anpressdruck auf. Der Steuerkasten weist schliesslich noch einen Drehzahlanzeiger 30, einen Drehzahlwählschalter 27 sowie weitere elektrische Schalter 28 auf, die zum Einschalten des Elektromotors 9 der Pumpe 19 bzw. Betätigen der Schaltkupplung 7 dienen. Auf dem Steuerkasten 24 ist eine Hydraulik-Pumpeinheit 29 angeordnet, welche die beiden Hydraulikzylinder 6 gesteuert mit Druckmittel speist.
Zur Durchführung von Verschleissmessungen kann die Einrichtung ausschliesslich in dem in Fig. 1 und 3 gezeigten Aufbau verwendet werden, denn der Verschleiss soll, wie schon erwähnt wurde, durch Bestim- mung des Gewichtsverlustes eines Probekörpers aus dem Strassenbaustoff ermittelt werden, und derartige Wägungen sind an geschlossenen Fahrbahndecken nicht möglich. Zur Durchführung von Verschleissmessungen werden daher Probekörper benutzt, die entweder aus den zu untersuchenden Fahrbahnen als Bohrkerne entnommen werden oder aber auch labormässig hergestellt wurden. Diese Bohrkerne bzw. Probekörper 16 werden dann gemäss Fig. 2 in die Spannvorrichtung 15 eingespannt. Nunmehr wird das Rad 1 auf den Probekörper 16 bzw. dessen Oberfläche abgesenkt und durch den Antriebsmotor 9 in Rotation versetzt.
Der Druck, der dabei in dem Hydraulikzylinder 6 herrscht, kann durch entsprechende Einstellung der Hydraulik-Pumpeneinheit 29 vorgewählt werden. Durch die Ausübung eines Drukkes auf das Rad 1 werden Prüfverhältnisse geschaffen, die mit den in der Praxis auftretenden Beanspruchungen der Strassenbaustoffe übereinstimmen. Aus der Düse 21 kann zusätzlich Wasser auf die zu prüfende Oberfläche ausgestossen bzw. aufgesprüht werden. Während des Versuches, der sich als Verschleissversuch über einen längeren Zeitraum von mehreren Stunden erstreckt, kann durch Messung der Stromaufnahme des Antriebsmotors 9 ständig Aufschluss darüber gewonnen werden, ob die Griffigkeit des betreffenden Strassenbaustoffes bzw. seiner Oberfläche im Verlaufe des Versuches Änderungen unterliegt oder nicht.
Wenn die Drehachse der Spannvorrichtung 15 für den Probekörper 16 mittig zum Rad 1 eingestellt ist, werden beim Verschleissversuch Belastungsbedingungen simuliert, welche mit den beim Anfahren bzw. Abbremsen von Kraftfahrzeugen auf Fahrbahnen herrschenden Bedingungen übereinstimmen. Wie bereits erwähnt, kann aber die Spannvorrichtung 15 mit dem Probekörper 16 zusammen so weit seitlich verstellt werden, dass die Drehachse der Spannvorrichtung 15 bzw.
des Zapfens 17, in bezug auf das Rad 1, seitlich aussermittig steht. Wenn der Verschleissversuch auf diese Weise durchgeführt wird, werden Beanspruchungen der Oberfläche des Strassenbaustoffes simuliert, die in der Praxis dann auftreten, wenn Kraftfahrzeuge Kurven durchfahren. Derartige Verschleissversuche können mit einem Anpressdruck des Kraftfahrzeugrades von 5 to durchgeführt werden, wobei die Drehzahl des Rades 1 so gross ist, dass sie Fahrgeschwindigkeiten von etwa 120 km/h entspricht.
Bei der in Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform werden Griffigkeitsmessungen in der Weise durchgeführt, dass das Rad 1 vom Antriebsmotor 9 zunächst auf eine am Wahlschalter 27 vorgewählte Drehzahl hochgefahren wird. Nach Erreichen der gewünschten Drehzahl, welche vom Tachogenerator 22 gemessen wird und am Messgerät 30 ablesbar ist, wird einer der Schalter 28 am Steuerkasten 24 betätigt und auf diese Weise zunächst die Schaltkupplung 7 ausgerückt, so dass das Rad 1 antriebsfrei weiter rotiert. Nunmehr wird die Druckmittelzufuhr zu den Hydraulikzylindern 6 durch Betätigung entsprechender Magnetventile freigegeben und es stellt sich der vorgewählte Anpressdruck ein. Dabei kann ggfs. die Pumpe 19 in Betrieb genommen werden, so dass aus der Düse 21 Wasser auf die Oberfläche des Probekörpers 16 oder einer Fahrbahn ausgesprüht wird.
Zu einem geeigneten Zeitpunkt, der beispielsweise mit dem Ausrücken der Schaltkupplung 7 oder dem Erreichen des gewünschten Anpressdruckes des Kraftfahrzeugrades 1 zusammenfallen kann, werden die Registriergeräte 25 und 26 bzw. deren Laufwerke für den Vorschub des Registrier- oder Schreibbandes eingeschaltet, so dass der Anstieg des Anpressdruckes des Kraftfahrzeugrades 1, das Absinken der Drehzahl dieses Rades und andere Werte graphisch aufgezeichnet werden. Wenn diese Griffigkeitsmessungen an Probekörpern 16 ausgeführt werden, dann ist die Spannvorrichtung 15 mittig zum Rad 1 einzustellen.
Die beschriebene Einrichtung erlaubt es erstmalig, wahlweise mit einem und demselben Gerät fertige Oberflächen von Fahrbahnen oder aus diesen entnommene kleine Probenkörper in Form von Bohrkernen zu untersuchen und dabei die Bedingungen des Verkehrs exakt nachzubilden. Die Beanspruchung der Oberfläche der Fahrbahn wird, wie bei anderen bekannten Vorrichtungen, mit einem Kraftfahrzeugrad durchgeführt, jedoch wird die Messung nicht im Sinne eines Bremsversuches wie bei den bekannten geschleppten Vorrichtungen oder im Sinne einer hin- und hergehenden Relativbewegung ausgeführt, sondern sie erfolgt bei relativ zur Fahrbahnoberfläche bzw. zum Probenkörper stillstehendem Gestell. Die Griffigkeitsmessung wird mit der neuen Vorrichtung auf völlig neuartige Weise durchgeführt.
Das als Prüfkörper dienende Kraftfahrzeugrad wird nämlich auf eine so hohe Drehzahl angetrieben, dass die jeweils gewünschte Prüfgeschwindigkeit erreicht wird. Das bedeutet, dass sich beliebig hohe Geschwindigkeiten erzielen lassen. Danach wird der Anpressdruck dieses Rades auf die Fahrbahnoberfläche bzw. die Probe gewählt, und es werden anschliessend das Rad und der Probenkörper bzw. die zu prüfende Oberfläche gegeneinandergepresst. Da keine Relativbewegung zwischen Prüfkörper und Probe im Sinne einer Ortsveränderung stattfindet, ist die Untersuchung von Proben geringster Abmessungen, d. h. also von Proben in Form von Bohrkernen möglich, wenn labormässig geprüft wird, und es braucht keine höhere Geschwindigkeit eines Prüffahrzeuges entwickelt zu werden, wenn eine fertige Fahr bahndecke geprüft wird.
Im letzteren Falle ergibt sich ausserdem der Vorteil, dass das Messergebnis keinen statistischen Mittelwert des gesamten Verhaltens der gesamten Fahrbahnoberfläche bildet, sondern den tatsächlichen Wert an der betreffenden Stelle der Fahrbahn liefert.
Wie schon erwähnt, erlaubt die neue Vorrichtung erstmals zugleich auch die Durchführung von Verschleissmessungen. Dabei wird zwar, wie bei der eingangs bereits genannten bekannten Vorrichtung, ein Probekörper in Form eines Bohrkernes in einer Spannvorrichtung aufgenommen, die drehbar ist, jedoch wird der Probekörper nicht in das Ergebnis verfälschenden Weise mit Stahlkugeln, sondern mit einem I(raftfahrzeugrad beansprucht. Durch Wahl der Drehzahl des Kraftfahrzeugrades lassen sich nunmehr unterschiedliche Rollgeschwindigkeiten einstellen, wobei infolge der exzentrischen Lage der Drehachse der Spannvorrichtung für die Probe relativ zum Kraftfahrzeugrad bei dem Abrollen eine Gleitkomponente zwischen Prüfkörper und Probe entsteht.
Die alleinige Wahl der Drehzahl des Kraftfahrzeugrades erlaubt die Verwirklichung derjenigen Bedingungen, die sich bei hohen Fahrgeschwindigkeiten von Kraftfahrzeugen ergeben.
Durch entsprechende Druckbeanspruchung bzw. Steuerung der hydraulischen oder pneumatischen Arbeitsglieder lassen sich auch die gewünschten Druckbelastungen verwirklichen, die die in der Praxis tatsächlich auftretenden Verhältnisse exakt wiedergeben.
Verschleissmessungen, die auf diese Weise durchgeführt werden, zeichnen sich dadurch aus, dass infolge der geringen Abmessungen der Probe eine Vervielfachung der Beanspruchungsdichte eintritt; denn ein bestimmtes Flächenelement einer Fahrbahndecke wird auch bei fliessendem dichtem Verkehr nur in mehr oder weniger grossen zeitlichen Abständen von einem Kraft- fahrzeugrad überrollt und beansprucht. Bei der vorliegenden Vorrichtung findet stattdessen eine ständige kon tinuierliche Beanspruchung unter exakt kontrollierten und dem tatsächlichen Verkehr exakt nachgebildeten Bedingungen statt. Das bedeutet, dass auf diese Weise die Verschleissbeanspruchung einer Fahrbahndecke, die sich normalerweise über Jahre hinaus erstrecken würde, innerhalb weniger Tage oder Stunden labormässig verwirklicht werden kann.
Durch die Verschleissbeanspruchung tritt am Probenkörper keinerlei Veränderung der Oberfläche bzw.
Zerstörung der Oberfläche ein, wie etwa durch die eingangs genannten Stahlkugeln. Das wiederum ermöglicht es, zwischenzeitlich nach beliebigen Abständen bzw. beliebigem Fortschritt des Verschleisses Griffigkeitsmessungen vorzunehmen, um festzustellen, wie sich die Griffigkeit eines Strassenbaustoffes im Verlauf seiner Abnutzung ändert. Auch derartige Untersuchungen waren mit bekannten Vorrichtungen undenkbar.
Bei einer zweclunässigen Ausgestaltung der neuen Vorrichtung ist die Welle, auf welcher das Kraftfahr- zeugrad angeordnet ist, mit einem Elektromotor getrieblich verbunden und dieser wiederum ist entweder drehzahlregelbar ausgebildet oder mit einem Regelgetriebe ausgerüstet. Auf diese Weise können beliebige Drehzahlen kontinuierlich gewählt werden.
Eine besonders vorteilhafte Art, Messwerte bei den Prüfungen zu ermitteln, besteht darin, dass der Elektromotor mit einem die Stromaufnahme beim Abbremsvorgang registrierenden Gerät verbunden ist.
Weiterhin empfiehlt es sich, die Welle, die das Kraft- fahrzeugrad trägt, getrieblich mit einem Drehzahlmessund/oder -schreibgerät zu verbinden.
Bei einer weiteren Ausbildung der Vorrichtung ist der Antriebsmotor über eine Schaltkupplung mit der Welle verbunden, die das Kraftfahrzeugrad trägt. Bei dieser Ausbildung sind besonders einfache Griffigkeitsmessungen durchführbar, indem das Kraftfahrzeugrad vom Antriebsmotor auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt wird und der Prüfvorgang dann eingeleitet wird, wenn die Schaltkupplung zwischen dem Antriebsmotor und der Welle ausgerückt wird. Danach wird die Welle mit dem Rad in Richtung auf den Prüfkörper verschoben und angedrückt. Die Zeit, welche vergeht, bis das Rad bei einem bestimmten Anpressdruck bis zum Stillstand abgebremst wird, wird gemessen und gibt Aufschluss über die Griffigkeit der Oberfläche des betreffenden Strassenbaustoffes.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der neuen Vorrichtung wird die Abbremszeit dadurch auf besonders zweckmässige Weise gemessen, dass zur Zeitmessung die Antriebseinrichtung für den Schreibstreifen des Drehzahlschreibgerätes oder Stromaufnahmeschreibgerätes verwendet wird und zur Inbetriebnahme eine Auslöseeinrichtung vorgesehen ist, welche wahlweise entweder beim Ausrücken der Schaltkupplung oder bei einem be stimmten Druck der Arbeitsglieder betätigbar ist, welche die Anpressung des Kraftfahrzeugrades bewirken.
Device for measuring the grip and wear resistance of road building materials
The invention relates to a device for measuring the grip and wear resistance of road building materials, with a motor vehicle wheel arranged on a drivable shaft, which is rotatably mounted in a frame and can be moved with selectable pressure in the direction of the surface of the road building material to be tested.
Two essential properties are of particular importance for assessing the usability of a road construction material. The first property is grip; H. the ability to counteract the sliding or sliding of a vehicle wheel. As a result, the grip of a road construction material influences the length of the braking distances and the adhesion of the motor vehicle when cornering. The second important property is wear resistance; because it is decisive for the service life of a road surface under certain given traffic loads.
With most road construction materials, the grip decreases with increasing wear resistance and the wear resistance decreases with improved grip. In addition, there is the possibility that road construction materials or road pavements, after a certain level of wear and tear, show a wear resistance and grip that deviates significantly from the values that result from the not yet worn road pavement immediately after its manufacture.
From the above, it follows that the grip and wear resistance of road building materials must be precisely determined if road pavements are to be produced that meet the respective requirements. Devices of the type mentioned at the beginning are used to carry out such examinations. The known devices can be divided into two groups, namely into devices in which test specimens are examined and in devices which allow the examination of finished road surfaces.
The known devices, which allow the investigation of test specimens, differ from each other in that in one group drill cores can be tested, which can be taken from a finished road surface, while in the other group test specimens have to be created in a laboratory.
The known devices with which test specimens removed from road surfaces can be tested include a test device for examining wear resistance, in which the drill core or test specimen is exposed to rolling stress from steel balls. The wear resistance is determined by measuring the abrasion. It is obvious that the rolling stress on the surface of a road building material caused by steel balls can only provide approximate values for the behavior of the building material when subjected to stress by the wheels of motor vehicles.
Exact results that are comparable with the actual wear and tear on road construction materials from traffic cannot be obtained. In addition, the known device does not allow any measurements of grip. Samples that have been exposed to a certain level of wear due to rolling have a destroyed surface and can no longer be subjected to a grip measurement, so that there is also no possibility of determining the grip of a road building material, which may change with increasing wear.
The other known device, which is the examination of small samples, i.e. H. The investigation of drill cores, which were taken from finished road surfaces, has a pendulum, which allows conclusions to be drawn about the grip of the surface of the road building material by slowing down the speed of fall. This known device provides only unsatisfactory results even when the surface of the test specimen is exposed to a motor vehicle wheel; because the maximum achievable speeds with the pendulum are in the order of magnitude of about 10 to 12 km per hour. The pressure with which the surface is stressed during the grip measurement can also only be kept very low during pendulum tests.
Therefore, this known device also does not provide any results that provide information about the grip of the particular road building material being examined at high speeds or higher wheel pressures.
Even the devices that allow the investigation of test specimens produced in the laboratory are not able to provide results that are closely related to the actual loads on the road construction material in traffic. In the case of these known devices, relatively large test specimens are required, so that they cannot be removed from the road surface. However, test specimens that are manufactured in the laboratory are not comparable in their properties with bodies that are taken from a road surface, because the manufacturing conditions, for example roller compaction, cannot be reproduced exactly in the laboratory. Apart from this, a relative movement between a wheel and the specimen must be generated in these devices.
The procedure here is that the test specimen is clamped on a table which is set either in reciprocating motion or, in the case of ring-shaped test specimens, in rotating motion. As a stressing element, a wheel is placed on the specimen under a certain load and at the same time set at an angle to the direction of movement of the specimen. This wheel is either braked or driven so that there is an additional relative movement between the test specimen and the stressing wheel.
The to and fro movement of the table or the drive of large clamping tables set limits to the possible relative speeds between the wheel and the test specimen, so that, apart from the falsification of the results due to the consistency of the test specimen itself, unsatisfactory values are also determined by the fact that the load on the test specimen in terms of high relative speeds cannot be reproduced.
The last group of known devices includes designs in which a motor vehicle wheel is fastened or supported on vehicles and is towed in a suitable manner over road pavements by these vehicles. The wheels with which the investigation is carried out are either braked or driven and, if necessary, set at an angle to the direction of travel.
The results that can be achieved with such devices are only statistical mean values of the actual values of the respective road construction material, because the testing wheel is dragged over a longer area of the road surface and does not place concentrated stress on the road construction material. In addition, however, there is a legal requirement that such tests only allow up to maximum speeds of about 60 km per hour without blocking measures to the ongoing traffic. Measurements at top speeds are impossible.
The last-mentioned known devices are almost without exception suitable for carrying out grip measurements and, as has been explained, only provide reference values that were obtained under conditions which differ very significantly from those of actual traffic. If wear resistance measurements are to be carried out, then a considerable amount of time is required; because an attempt must be made either by weighing or by measuring the thickness, if necessary roughness, of the surface to determine the abrasion that has been achieved through long-term exposure, such as the steel balls mentioned. The known devices are only suitable for determining one of the two essential properties.
The present invention is based on the object of creating a device with which the important surface properties of road surfaces, namely the grip and the wear resistance, can be measured or determined with one and the same device under test conditions that reflect the actual loads on the road surface by the Traffic are reproduced as exactly as possible.
The fiction, according to device for measuring the grip and wear resistance of road building materials of the type mentioned is characterized in that the frame for testing the surface of a finished roadway on a chassis or for testing test specimens on a frame equipped with a clamping device for the test specimen can be fastened, and that a drive device for the motor vehicle wheel and a fluid-medium-operated device for pressing the motor vehicle wheel against the surface of the road building material to be tested and measuring and recording devices for grip are provided.
An embodiment of the device according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. They represent:
1 shows a side view of the device in an embodiment intended for laboratory measurements;
FIG. 2 shows a section through the upper part of the device according to FIG. 1;
3 shows a section through the device according to FIG. 1 along the line III-III in FIG. 2; and
4 is a front view of a control box for the device according to FIGS. 1 to 3.
It can be seen from FIGS. 1 to 3 that the device has a wheel 1 for motor vehicles which is used to load the surface to be tested and which is fastened on a shaft 2. The shaft 2 is arranged via bearings in slide blocks 3, which are guided in a frame 4 so as to be vertically displaceable. The sliding blocks 3 are supported on return springs 5, but can be displaced in the direction of fall against the action of these springs by means of hydraulic or pneumatic working members 6.
In the device shown, the shaft 2 is equipped at one end with an electromagnetically actuated clutch 7, which is connected to a speed-controllable electric motor 9 via a drive belt 8. The electric motor 9 is designed as a geared motor with a preferably continuously variable output speed. As can be seen from the figures, the frame 4 and the geared motor 9 are arranged on a common base frame 10 which is pivotably attached to the base frame 10. A spring 12 is provided between the console 11 and the frame 4, which is used to keep the tension of the drive belt 8 constant during the vertical movements of the shaft 2.
In order to carry out laboratory measurements, the device is fastened with the base frame 10 to a frame 13 which is anchored to a foundation 14. This frame 13 is equipped with a clamping device 15 for specimens 16 made of the road construction material to be tested. The clamping device 15 and the specimen 16 are rotatably mounted via a pin 17, the axis of rotation running vertically. The clamping device 15 can also be displaced in the direction of the arrows 18 in FIG. 2 until the axis of rotation is eccentric with respect to the motor vehicle wheel 1
A pump 19 and a water container 20 for feeding a nozzle 21 for wetting the surface of the specimen 16 are located on the base frame 10.
If the device is not used for laboratory measurements, only the upper part shown visibly separated from the frame 13 in FIG. 2 is attached to a chassis, not shown, for. B. is attached to a truck trailer which is firmly blocked during the measurement process with respect to the surface of the roadway to be tested.
Several measuring and recording devices are used to measure the variables that determine the surface properties of a road building material. In the example shown, the speed of the shaft 2 is measured by means of a tachometer generator 22 attached to one end.
The return springs 5 for the sliding blocks 3 rest on containers 23 supported on the base frame 10 for measuring the pressure with which the wheel 1 is pressed against the road surface or the test specimen 16.
4 shows a control box 24 which has two recording devices 25 and 26, one of which has a paper tape at a feed rate of 60 mm / sec, and the other of which has a paper tape moved at a speed of 1,200 mm / sec. The measured speed of the shaft 2 is fed to one of the writing units of the recording device 25 and the only writing unit of the recording device 26.
The recording device 25 also records the current consumption of the drive motor 9 determined by a measuring device (not shown) as well as the contact pressure measured by the measuring containers 23. Finally, the control box also has a speed indicator 30, a speed selector switch 27 and further electrical switches 28 which are used to switch on the electric motor 9 of the pump 19 or to actuate the clutch 7. A hydraulic pump unit 29 is arranged on the control box 24 and supplies the two hydraulic cylinders 6 with pressure medium in a controlled manner.
To carry out wear measurements, the device can only be used in the structure shown in FIGS. 1 and 3, because wear, as already mentioned, is to be determined by determining the weight loss of a test specimen from the road building material, and such weighings are on closed road surface not possible. To carry out wear measurements, test specimens are used that are either taken from the roadways to be examined as drill cores or that have also been produced in a laboratory. These drill cores or specimens 16 are then clamped into the clamping device 15 as shown in FIG. The wheel 1 is now lowered onto the specimen 16 or its surface and set in rotation by the drive motor 9.
The pressure that prevails in the hydraulic cylinder 6 can be preselected by setting the hydraulic pump unit 29 accordingly. By exerting a pressure on the wheel 1, test conditions are created which correspond to the stresses on the road construction materials that occur in practice. In addition, water can be ejected or sprayed onto the surface to be tested from the nozzle 21. During the test, which extends over a longer period of several hours as a wear test, by measuring the power consumption of the drive motor 9, information can be constantly obtained as to whether the grip of the road building material in question or its surface is subject to changes in the course of the test or not.
If the axis of rotation of the clamping device 15 for the test specimen 16 is set in the center of the wheel 1, load conditions are simulated during the wear test which correspond to the conditions prevailing when starting or braking motor vehicles on roadways. As already mentioned, however, the clamping device 15 can be adjusted laterally together with the specimen 16 so that the axis of rotation of the clamping device 15 or
of the pin 17, with respect to the wheel 1, is laterally eccentric. If the wear test is carried out in this way, stresses on the surface of the road building material are simulated, which occur in practice when motor vehicles drive through curves. Such wear tests can be carried out with a contact pressure of the motor vehicle wheel of 5 tons, the speed of the wheel 1 being so high that it corresponds to driving speeds of approximately 120 km / h.
In the embodiment shown in FIGS. 1 to 4, grip measurements are carried out in such a way that the drive motor 9 first accelerates the wheel 1 to a speed preselected on the selector switch 27. After reaching the desired speed, which is measured by the tachometer generator 22 and can be read on the measuring device 30, one of the switches 28 on the control box 24 is actuated and the clutch 7 is disengaged in this way so that the wheel 1 continues to rotate without drive. The supply of pressure medium to the hydraulic cylinders 6 is now released by actuating appropriate solenoid valves and the preselected contact pressure is established. If necessary, the pump 19 can be put into operation, so that water is sprayed from the nozzle 21 onto the surface of the test specimen 16 or a roadway.
At a suitable time, which can coincide, for example, with the disengagement of the clutch 7 or the reaching of the desired contact pressure of the motor vehicle wheel 1, the recording devices 25 and 26 or their drives are switched on for the advance of the recording or writing tape, so that the increase in the Contact pressure of the motor vehicle wheel 1, the drop in the speed of this wheel and other values are graphically recorded. If these grip measurements are carried out on test specimens 16, then the clamping device 15 must be set in the center of the wheel 1.
The device described allows for the first time to examine finished surfaces of roadways or small specimens taken from them in the form of drill cores with one and the same device and to exactly simulate the traffic conditions. The loading of the surface of the roadway is carried out with a motor vehicle wheel, as in other known devices, but the measurement is not carried out in the sense of a braking test as in the known towed devices or in the sense of a reciprocating relative movement, but takes place with relative to the road surface or to the test specimen stationary frame. The grip measurement is carried out with the new device in a completely new way.
The motor vehicle wheel serving as the test body is namely driven to such a high speed that the respectively desired test speed is reached. This means that any high speed can be achieved. Then the contact pressure of this wheel on the road surface or the specimen is selected, and the wheel and the specimen or the surface to be tested are then pressed against one another. Since there is no relative movement between the test specimen and the specimen in the sense of a change in location, the examination of specimens with the smallest dimensions, i.e. H. This means that samples in the form of drill cores are possible when testing is carried out in the laboratory, and a higher speed of a test vehicle does not need to be developed when testing a finished road surface.
In the latter case, there is also the advantage that the measurement result does not form a statistical mean value of the entire behavior of the entire road surface, but rather provides the actual value at the relevant point on the road.
As already mentioned, the new device for the first time also allows wear measurements to be carried out. As in the case of the known device already mentioned at the beginning, a test specimen in the form of a drill core is held in a clamping device that is rotatable, but the test specimen is not stressed with steel balls, which falsifies the result, but with an I (raft vehicle wheel Choosing the speed of the motor vehicle wheel, different rolling speeds can now be set, with a sliding component between the test body and the sample being created as a result of the eccentric position of the axis of rotation of the clamping device for the sample relative to the motor vehicle wheel as it rolls.
The sole choice of the speed of the motor vehicle wheel allows the implementation of those conditions that arise at high driving speeds of motor vehicles.
The desired pressure loads, which exactly reflect the conditions actually occurring in practice, can also be achieved by appropriate pressure loading or control of the hydraulic or pneumatic working elements.
Wear measurements that are carried out in this way are characterized by the fact that, due to the small dimensions of the sample, the stress density is multiplied; this is because a certain surface element of a road surface is only rolled over and stressed by a motor vehicle wheel at more or less long intervals, even with heavy traffic flowing. In the case of the present device, instead, a constant con tinuous stress takes place under precisely controlled conditions that precisely simulate the actual traffic. This means that in this way the wear and tear on a road surface, which would normally extend for years, can be achieved in a laboratory within a few days or hours.
Due to the wear and tear, there is no change in the surface or on the specimen.
Destruction of the surface, for example by the steel balls mentioned above. This in turn makes it possible to carry out grip measurements in the meantime at any desired intervals or at any rate of progress of wear in order to determine how the grip of a road building material changes in the course of its wear. Investigations of this kind were also unthinkable with known devices.
In a second embodiment of the new device, the shaft on which the motor vehicle wheel is arranged is gear-connected to an electric motor and this in turn is either designed to be speed controllable or equipped with a variable speed gear. In this way, any speed can be selected continuously.
A particularly advantageous way of determining measured values during the tests is that the electric motor is connected to a device that records the current consumption during the braking process.
It is also advisable to connect the shaft that carries the motor vehicle wheel with a gear unit with a speed measuring and / or writing device.
In a further embodiment of the device, the drive motor is connected via a clutch to the shaft that carries the motor vehicle wheel. With this design, particularly simple grip measurements can be carried out in that the motor vehicle wheel is accelerated to a certain speed by the drive motor and the test process is initiated when the clutch between the drive motor and the shaft is disengaged. Then the shaft is moved with the wheel in the direction of the test body and pressed on. The time it takes for the wheel to be braked to a standstill with a certain contact pressure is measured and provides information about the grip of the surface of the road building material in question.
In an advantageous embodiment of the new device, the deceleration time is measured in a particularly expedient manner that the drive device for the writing strip of the speed recorder or current consumption recorder is used to measure the time and a release device is provided for start-up, which either when disengaging the clutch or when a be correct pressure of the working members can be actuated, which cause the pressure of the motor vehicle wheel.