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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Trägheitsmomentes zumindest eines Elementes eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges, insbesonders eines Verbrennungsmotors auf einem Prüfstand, wobei das sich
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korrigiert und aus dem korrigierten Drehmoment M und der Drehbeschleunigung fi, bzw. äquivalenten Grössen, das Trägheitsmoment I = M. (30/ } bestimmt wird.
Der exakte Wert des Trägheitsmomentes ist im genannten Zusammenhang ein wichtiger, häufig aber nur unzulänglich bekannter Parameter. Seine Bestimmung hat insbesonders im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren als Fahrzeugantrieb eine relativ grosse Bedeutung für Forschung und Entwicklung, aber auch z. B. für Fehlerdiagnose und Wartung. Darüberhinaus ist in verschiedenen Zusammenhängen beispielsweise auch das Trägheitsmoment eines Getriebes alleine, oder von verschiedenen auch kombinierten Elementen des Antriebsstranges interessant bzw. für Forschung und Entwicklung wichtig zu kennen.
Von besonderer Bedeutung ist beispielsweise die Kenntnis der Trägheitsmomente für die Auslegung der Verbindungswelle zwischen einem zu prüfenden Verbrennungsmotor und dem Prüfstand und für die Parametrierung der Prüfstandbzw. Regelkreise. Fehlerhaft angenommene Trägheitsmomente können in diesem Zusammenhang zu schlechtem Steuer-und Regelverhalten des Prüfstandes bzw. sogar zu Betriebsstörungen durch Bruch der Welle infolge dynamischer Überlastung führen. Auch bei z. B. grossen Schiffsmotoren ist die Kenntnis der Trägheitsmomente wichtig, da insbesondere die elastische Lagerung des Motors für die beim Startvorgang auftretenden Reaktionsmomente des Motors ausgelegt werden muss.
Aus der EP-A-434. 665 ist im genannten Zusammenhang beispielsweise bekannt, aus einer Messung der Drehbeschleunigung mit und ohne bekanntes Zusatz-Trägheitsmoment das unbekannte Trägheitsmoment zu Io = I1. w/ (wo-
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Um ohne bekanntes Zusatz-Trägheitsmoment auszukommen wird als massgeblicher Zusammenhang für die Trägheitsmomentermittlung das bekannte
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Newton'sche Gesetz (Kraft = Masse x Beschleunigung) für die Drehbewegung herangezogen. Das Trägheitsmoment I kann demnach als Quotient aus den messbaren Grössen Drehmoment M [Nm] und Drehbeschleunigung [min-1/sec] bestimmt werden zu I'= M. (30/r. ), wobei zur Elimination der überlagerten Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten bedarfsweise über einige Drehperioden gemittelt werden kann. Dieser einfache Zusammenhang gilt aber nur für den absolut verlustfreien Fall.
Zur Berücksichtigung der von verschiedenen Ursachen bestimmten Verluste muss das gemessene bzw. sich äussernde bzw. irgendwie feststellbare Drehmoment MM um das gerade wirksame Verlustmoment My (im einfachsten Falle Reibmoment MR) korrigiert werden zu M = MM + My.
Nach dem in diesem Zusammenhang bekannten Stande der Technik wird das Reibmoment bzw. die Reibleistung beispielsweise am Motorenprüfstand z. B. im Schleppbetrieb bei jeweils konstanter Drehzahl oder im Auslauf mit unterschiedlichen Schwungmassen ermittelt. Als Reibkennlinie bezeichnet man in diesem Zusammenhang dann die Drehzahlabhängigkeit des so ermittelten Reibmomentes. Das Reibmoment wird bei diesen bekannten Verfahren im allgemeinen zwar drehzahlabhängig, aber dafür für die Dauer der Messung im wesentlichen konstant angenommen. Da es aber von vielen verschiedenen Einflussgrössen, z. B. von der sich im allgemeinen während der Messung ändernden Öltemperatur, abhängig ist, bringen derartige Verfahren und ihre Anwendung bei der. Bestimmung des Trägheitsmoments grosse Fehler mit sich.
Im genannten Zusammenhang erwähnenswert ist beispielsweise die EP-A- 199. 431, gemäss welcher das momentane Reibmoment z. B. aus dem gemessenen (indizierten) Zylinderdruck und dem Drehgeschwindigkeitsverlauf bestimmt werden kann, wobei das oszilierende und das rotierende Trägheitsmoment als bekannt vorausgesetzt werden. Eine Umkehrung dieses Verfahrens zur Bestimmung des Trägheitsmomentes selbst ist allerdings nicht ohne weiteres möglich.
Weiters ist beispielsweise aus der EP-A-476. 588 bekannt, im Fall des praktisch reibungslos laufenden Elektromotors das Trägheitsmoment I aus einer
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Beschleunigungsphase (positiv oder negativ) durch Integration des gemessenen Drehmoments M und Division durch den Drehgeschwindigkeitsunterschied A w zu bestimmen gemäss 1 = j M dt/""w.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass das Trägheitsmoment des Prüflings weitgehend selbsttätig bestimmt werden kann, ohne dass dafür zusätzliche Fehler verursachende Abschätzungen oder Vereinfachungen vorgenommen werden müssten bzw. ohne dass beispielsweise an einem bekannten Motorenprüfstand zusätzliche aufwendige Vorkehrungen getroffen werden müssten.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäss der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass sowohl MM als auch fi bei ansonsten gleichbleibenden Betriebsbedingungen des zu untersuchenden Elementes (Prüflings) einerseits in einer Hochlaufphase mit positiver Drehbeschleunigung und andererseits in einer Auslaufphase mit negativer Drehbeschleunigung bestimmt werden und dass zur Eliminierung des Verlustmomentes und anderer Störgrössen jeweils die drehzahlmässig einander entsprechenden, Mm und fi repräsentierenden Werte von Hochlaufphase und Auslaufphase voneinander subtrahiert und die erhaltenen Differenzwerte zur Trägheitsmomentbestimmung herangezogen werden.
Durch die Kombination von je zwei Messwerten bei. derselben Drehzahl scheint das Verlustmoment nirgends explizit auf und muss daher nicht, wie bei den bekannten Verfahren, eigens bestimmt werden, um das während eines Beschleunigungsversuchs gemessene Drehmoment korrigieren zu können. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die gesamte Messung innerhalb kurzer Zeit durchzuführen (einige Sekunden), mit dem Vorteil, dass Einflussgrössen wie die Öltemperatur zu vernachlässigen sind, die bei den bekannten Verfahren das Ergebnis verfälschen können.
Weiters lässt sich dieses Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren besser automatisieren, weil es in einem Durchlauf alle notwendigen Messungen durchführt, während nach dem Stand der Technik zumin-
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dest zwei Messphasen benötigt werden (Aufnahme der Reibkennlinie, Beschleu- nigungsversuch) bzw. sogar bauliche Änderungen zwischen den Messungen vorzunehmen sind (Montage der Zusatzträgheiten).
Bevorzugt werden lineare Drehzahlrampen gleicher Dauer - und damit betragsmässig gleicher Drehbeschleunigung - zwischen einer unteren (nu) und einer oberen Drehzahlschranke (no). Bestimmt und ausgewertet wird der Verlauf der Drehzahl und des Drehmoments über der Zeit. Bei einer Drehwinkel-bezogenen Datenerfassung müssen wie üblich die Beziehungen zwischen Zeit und Drehwinkel angewendet werden.
Die Eliminierung des Reibmomentes bei der Bestimmung des Trägheitsmomentes kann jetzt so erfolgen, dass ausmer (oder den) Hochlaufkurve (n) und der (oder den) Auslaufkurve (n) die Messpunkte jeweils gleicher Drehzahl ausgewertet und z. B. gemittelt werden.
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bei der Bestimmung des Trägheitsmoments aber so, dass die zeitlichen Integrale der im kontrollierten Hochlauf und Auslauf gemessenen Drehmomentverläufe gebildet werden und die so erhaltenen mittleren Drehimpulse ausgewertet werden.
I = 15/r. (J M dt - M dt)/ (n.-nj-
Zur Vermeidung des Einflusses von Einschwingvorgängen zu Beginn und am Ende jeder Drehzahlrampe, ist es vorteilhaft, wenn die Integrale nicht von Anfang bis Ende jedes kontrollierten Hochlaufs oder Auslaufs gebildet werden, sondern nur in einem dazwischen liegenden Zeitintervall. Dieses Zeit- intervall kann durch vorgegebene Zeitwerte oder, bevorzugterweise, durch vorgegebene Drehzahlschwellen definiert sein.
Zur Durchführung des Verfahrens bei Verbrennungsmotoren ist ein Prüfstand zur Kontrolle der Drehzahlrampen und zur Messung von Drehzahl und Drehmoment, bzw. Leistung, vorteilhaft. Es lässt sich anwenden bei Verbren-
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nungsmotoren im gefeuerten Betrieb, bevorzugterweise aber auch im ausschliesslich geschleppten Betrieb.
Das ermittelte Trägheitsmoment I setzt sich natürlich aus dem Trägheits-
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wie das gesamte Trägheitsmoment I. Als Endergebnis erhält man daher :
I = I - I - 10
Es hat sich gezeigt, dass es für bestimmte Verbrennungsmotoren und Prüfstände optimale Drehzahlrampen gibt, bei denen der Fehler im Trägheitsmoment ein Minimum wird.
Um eine solche optimale Rampe bei Vorgabe der zulässigen oberen und unteren Drehzahl herauszufinden, wird vorgeschlagen, einerseits eine vom Prüfstand und seinen mechanischen, elektrischen, messtechnischen und regelungstechnischen Einrichtungen abhängige kürzeste Rampendauer zu ermitteln, bei der die Bestimmung des Eigenträgheitsmoments des Prüfstandes noch innerhalb akzeptabler Fehlergrenzen liegt, und andererseits die auch vom Prüfling und der Verbindungswelle abhängige kürzeste Rampendauer zu ermitteln, bei der keine Überschreitung der zulässigen mechanischen und messtechnischen Grenzwerte auftritt. Die jeweils längere der beiden so ermittelten kürzesten Rampendauern ist auch die optimale.
Zusätzlich ist zu beachten, dass die Verweilzeit bei hohen Drehzahlen prinzipiell möglichst kurz zu halten ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann andererseits sinngemäss natürlich auch zur Bestimmung der Verlustmomente bzw. der Reibmomente oder der Reibleistung verwendet werden. Dazu müssen die Drehmomente M, bzw. Drehimpulse J M dt, von Hochlauf und Auslauf nicht subtrahiert sondern addiert werden, sodass der Einfluss der trägen Massen eliminiert wird.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist wie beschrieben nicht auf die Verwendung an Verbrennungsmotoren eingeschränkt und auf verschiedensten Prüfständen bzw. diagnostischen Prüfeinrichtungen einsetzbar, auch dort, wo z. B. nur ein Getriebe ohne Motor oder ein Hybridantrieb mit einem Elektromotor untersucht werden soll. Es lässt sich wie beschrieben nicht nur das Reibmoment, sondern auch gewisse Störgrössen der Messkette, z. B. ein DACOffset, eliminieren, was bei der Trägheitsmomentbestimmung sehr vorteilhaft ist.
Dem Fachmann ist aus den obigen Ausführungen klar, dass das dynamische Reibmoment durch entsprechende Anwendung dieses Verfahrens natürlich auch einfach ermittelt werden kann, wenn umgekehrt das Trägheitsmoment bereits genau bekannt ist. Die genaue Kenntnis des Trägheitsmomentes ist beispielsweise auch im Zusammenhang mit der dynamischen Leistungsmessung an Verbrennungsmotoren bzw. gesamten Antriebssträngen von Fahrzeugen in Werkstätten erforderlich.
Der Vollständigkeit halber ist hier auch darauf hinzuweisen, dass es für die Zwecke der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung unwesentlich ist, ob die Drehmomente, Drehzahlen und Drehbeschleunigungen unmittelbar gemessen werden oder aber durch Vorgabe bzw. Einstellung bekannt sind ; auch sind natürlich auch Kombinationen bekannter bzw. eingestellter Werte mit gemessenen Werten oder die indirekte Bestimmung aus sonstigen am Prüfstand bekannten Werten möglich.
In den zur Verdeutlichung des erfindungsgemässen Verfahrens beigeschlossenen Zeichnungen zeigt Fig. 1 die idealisierten Verläufe von Drehzahl n, Drehbeschleunigung h und Drehmoment M über der Zeit t, wenn an einem Prüfstand für den zu prüfenden Verbrennungsmotor kontrollierte Drehzahlrampen gefahren werden. Fig. 2 zeigt entsprechend typische gemessene Verläufe von Drehzahl n, Drehmoment M und Öltemperatur T über der Zeit t.
Fig. 1 dient der Erläuterung einer Variante des erfindungsgemässen
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Verfahrens. Der Drehmomentverlauf entspricht einem Prüfling mit einem Verlustmoment, das mit der Drehzahl überproportional ansteigt. Die Flächen LI (negativ) und L2 stellen die Integrale über das Drehmoment, während die Drehzahl zwischen nu und no liegt, dar. Die beiden Flächen ergänzen sich zum Zweifachen der Drehimpulsänderung, die die rotierenden Teile erfahren, wenn sie von nu nach no beschleunigt werden. Diese Gesamtfläche ist unabhängig vom
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Fig. 2 zeigt am Motorprüfstand gemessene Signalverläufe. Deutlich sieht man die Einschwingvorgänge von Drehmoment und Drehzahl, die die Genauigkeit des ermittelten Trägheitsmoments beeinträchtigen können und daher hier nicht ausgewertet werden. In diesem Beispiel wurden die Intervalle zwischen 2000
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sieht ausserdem den Anstieg des Verlustmoments mit der Drehzahl und die relativ grosse Änderung der Öltemperatur während der Wartezeit von 5 s bei 5000 min-l. Diese Wartezeit ist für die Durchführung des Verfahrens natürlich nicht sinnvoll und dient hier nur zur Verdeutlichung der Änderung der Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors. Der Einfluss dieser Änderung wirkt sich im Ergebnis für das Trägheitsmoment aus. Daher soll der Versuch in möglichst kurzer Zeit durchgeführt werden.
Zur weiteren Verdeutlichung folgt noch eine Zusammenstellung. der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemässen Verfahren wesentlichen mathematischen
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Drehzahl : n [min-l] (mittlere Drehgeschwindigkeit) Drehbeschleunigung : a [min'/sec] (Drehzahländerung pro Sekunde) Gesamt-Aufbau = Prüfling (P) + Welle (W) + Belastungsmaschine (B) Gesamt-Trägheitsmoment : I = Ip + 1w + 1B Drehmoment-Störgrössen: N5 (n) = M (n) + M2 Drehmoment (Hochlauf) : M, (n) = (7.-/30). I. a., (n) + Ms (n)
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