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Die
Erfindung betrifft eine Belastungsvorrichtung für einen Prüfstand zum Prüfen eines
Prüflings, insbesondere
eines Getriebes oder einer Achse, insbesondere eines schaltbaren
Getriebes, sowie einen Prüfstand
mit einer Belastungsvorrichtung.
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Achsen
und Getriebe werden in Prüfständen bezüglich ihres
Drehmoment- und Drehzahlverhaltens beispielsweise für den späteren Einsatz
in einem Fahrzeug getestet. In Prüfständen des Stands der Technik
wird beispielsweise als Belastungsvorrichtung ein Motor mit innerer
Verbrennung oder ein Elektromotor eingesetzt, wobei der Elektromotor
jedoch wirtschaftlich nur bis zu einem begrenzten Feldschwächebereich
zu betreiben ist.
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Nachteilig
erweist sich hierbei, dass die hiermit ausgerüsteten Prüfstände aufwendig und schwingungsanfällig sind
und einen hohen Platzbedarf haben.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Belastungsvorrichtung für einen
Prüfstand
bereitzustellen, die eine einfache und zuverlässige Prüfung über einen weiten Drehzahlbereich
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine einleitend angeführte
Belastungsvorrichtung, mit zumindest zwei Belastungsmaschinen, wobei
eine erste Belastungsmaschine einen ersten Elektromotor und eine zweite
Belastungsmaschine einen zweiten Elektromotor umfasst, wobei die
Elektromotoren jeweils für einen
vorbestimmten Belastungsbereich ausgestattet sind, und sich der
Belastungsbereich der ersten Belastungsmaschine sich von dem Belastungsbereich
der anderen Belastungsmaschine bzw. der anderen Belastungsmaschinen
unterscheidet, wobei die Belastungsmaschinen einzeln an den Prüfling anschließbar oder über eine
Kupplung, zur Übertragung eines
Drehmoments verbindbar sind, wodurch der zu testende Prüfbereich
abgedeckt ist.
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Durch
die vorgeschlagene Belastungsvorrichtung für einen Achs- und/oder Getriebeprüfstand zum
Antreiben- bzw. Bremsen wird ein regelbarer, geräuscharmer und energiesparender
Prüfaufbau
erreicht. Die Belastungsvorrichtung arbeitet im wesentlichen als
Direktantrieb. Es können
Getriebe mit einem weiten Übersetzungsbereich
geprüft
werden. Durch die Kombination der beiden Motoren kann die Antriebsleistung
und damit die für
die Prüfung
erforderliche Gesamtleistung deutlich reduziert werden. Wartungsintensive
Bauteile entfallen, der Platzbedarf wird kleiner und unerwünschte Schwingungen
werden reduziert. Durch die abgestimmte Wahl der Belastungsbereiche
der Belastungsmaschinen mit unterschiedlichen Optimierungsschwerpunkten
können weite
Drehmoment-Drehzahlbereiche abgedeckt werden. Die Motoren der Belastungsmaschinen
können
im Betrieb einfach auf eine gleiche Drehzahl synchronisiert werden
und dann während
des Betriebs mechanisch gekoppelt oder entkoppelt werden. Beispielhaft
liegt der Feldschwächebereich
nun beispielsweise bei etwa 1:16, falls beispielsweise zwei Motoren
mit Feldschwächbereichen
etwa bei 1:4 eingesetzt werden. Die Belastungsvorrichtung liefert
Antriebe bzw. Bremsen, die die gleiche Leistung P = Mxn bei hohen
Momenten mit niedrigen Drehzahlen bis zu niedrigen Momenten mit
hohen Drehzahlen abdecken.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Belastungsmaschinen je nach Anforderung der Prüfbedingungen im
motorischen und/oder generatorischen Betrieb arbeiten. Auf diese
Weise kann die Belastungsvorrichtung flexibel, insbesondere als
Antriebs- oder Bremseinheit eingesetzt werden.
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Eine
einfache, zugleich leise und stabile Vorrichtung liegt vor, wenn
die Belastungsmaschinen mit einer starren Kupplung verbunden sind
und eine bedarfsweise Trennung elektrisch über einen zugeordneten Umrichter
vorzunehmen ist.
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Ein
sehr großer
Prüfbereich
ist variabel abdeckbar, wenn die Belastungsvorrichtungen über eine
schaltbare Kupplung verbindbar und trennbar sind.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Belastungsmaschinen einen Synchronmotor oder einen
Asynchronmotor umfasst, wobei die Belastungsbereiche jeweils vorbestimmt
auf den Prüfbereich
eingerichtet sind.
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Ein
sehr weiter Prüfbereich
wird abgedeckt, wenn die erste Belastungsmaschine einen Belastungsbereich
mit niedrigen Drehmomenten bei hohen Drehzahlen und die zweite Belastungsmaschine
einen Belastungsbereich mit hohen Drehmomenten bei niedrigen Drehzahlen
aufweist. Die Prüfvorrichtung
erreicht damit in allen Prüfbereichen
eine optimale Belastungssituation, so dass Getriebe verschiedenster
Art, insbesondere sowohl Kraftfahrzeug- als auch Nutzfahrzeuggetriebe
getestet werden können.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Belastungsmaschinen parallel und/oder in Reihe
mit dem Prüfling verbindbar
sind.
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Eine
kompakte, platzsparende Bauweise wird erreicht, wenn eine der Belastungsmaschinen innerhalb
einer anderen Belastungsmaschine angeordnet ist Eine schnelle, individuell
einstellbare und sichere Steuerung ist möglich, wenn jede Belastungsmaschine
jeweils einen Umrichter und insbesondere einen Pulsweitenmodulator,
aufweist.
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Eine
umfassende Prüfung
insbesondere im Kraftfahrzeugbereich ist möglich, wenn die erste Belastungsmaschine
ein schnelllaufender Asynchronmotor und die zweite Belastungsmaschine
ein Asynchronmotor mit einem niedrigen Eckpunkt ist.
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Vorteilhaft
ist es ebenfalls, wenn die erste Belastungsmaschine ein Asynchronmotor
mit einem hohen Eckpunkt und die zweite Belastungsmaschine ein Asynchronmotor
mit einem niedrigen Eckpunkt ist.
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Eine
sichere Prüfung
eines weiten Drehmoment/Drehzahlbereichs zur Kraftfahrzeug- und Nutzfahrzeugprüfung ist
möglich,
wenn die erste Belastungsmaschine ein schnelllaufender Asynchronmotor und
die zweite Belastungsmaschine ein Synchronmotor, insbesondere ein
langsamlaufender Torquemotor ist.
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Vorteilhaft
ist es ebenfalls, wenn die erste Belastungsmaschine ein Synchronmotor
mit einem hohen Eckpunkt und die zweite Belastungsmaschine ein Synchronmotor,
insbesondere ein langsamlaufender Torquemotor ist. Hierdurch können auch
sehr starke Nutzfahrzeuggetriebe einfach getestet werden.
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Die
Aufgabe wird ebenfalls gelöste
durch einen Prüfstand
mit einer Belastungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis
12, wobei die Belastungsvorrichtung als Antriebsvorrichtung eines Prüflings und/oder
als Bremsvorrichtung einzusetzen ist. Die Belastungsmaschinen sind
dabei flexibel in den Bereich Antriebsvorrichtung und Bremsvorrichtung
einsetzbar, wobei die Vorteile der verschiedenen Kombinationen entsprechend
vorhanden sind.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele des Gegenstands
der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert sind.
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Es
zeigen:
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1 einen
Prüfstand
zum Prüfen
eines Prüflings,
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2 einen
Teil eines Prüfstandes
mit zwei Belastungsmaschinen und schaltbarer Kupplung,
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3 einen
Teil eines Prüfstandes
mit zwei Belastungsmaschinen und starre Kupplung,
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4 einen
Teil eines Prüfstandes
mit zwei Belastungsmaschinen und schaltbare Kupplung,
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5 einen
Teil eines Prüfstandes
mit zwei Belastungsmaschinen und schaltbarer Kupplung,
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6 einen
Teil eines Prüfstandes
mit zwei Belastungsmaschinen und schaltbarer Kupplung,
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7 einen
Teil eines Prüfstandes
mit zwei Belastungsmaschinen und starrer Kupplung und
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8 eine
schematische Drehmoment-Drehzahl-Darstellung.
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1 zeigt
einen Prüfstand 2,
insbesondere Getriebeprüfstand,
zum Prüfen
eines Prüflings 17, insbesondere
eines Getriebes, mit zwei Belastungsmaschinen 3, 4 eingesetzt
als Bremsvorrichtung zum Bremsen des Prüflings 17 und einem
elektrischen Antrieb 14 zum Antreiben des Prüflings 17.
Der Antrieb 14 ist beispielsweise ein regelbarer Elektromotor
oder beispielsweise ein entsprechender Verbrennungsmotor. Vorteilhaft,
insbesondere bei Achsgetrieben, kann er jedoch eine erfindungsgemäße Belastungsvorrichtung
mit zwei Belastungsmaschinen 3, 4 umfassen, wobei
dies in 1 nicht dargestellt ist. Die
nachfolgenden 2 bis 7 können sowohl
eine Antriebsvorrichtung 14 wie eine Bremsvorrichtung des
Prüfstands
sein.
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Die
erste Belastungsmaschine 3 umfasst vorzugsweise einen schnelllaufenden
Elektromotor beispielsweise einen Asynchronmotor. Die zweite Belastungsmaschine 4 umfasst
vorzugsweise einen langsam laufenden Elektromotor mit einem hohen Drehmoment,
beispielsweise einen Synchronmotor, insbesondere einen Torquemotor.
Die Elektromotoren können
dabei sowohl im motorischen Betrieb als auch im generatorischen
Betrieb, insbesondere zum Bremsen, eingesetzt werden. Der Übergang
erfolgt bei Asynchronmotoren beispielsweise bei einem Erreichen
einer synchronen Drehzahl.
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Weitere
Beispiele von Belastungsmaschinenkombinationen sind in den 2-7 dargestellt.
Im Beispiel aus 1 weist die zweite Belastungsmaschine 4 eine
Hohlwelle 15 auf, so dass eine Welle 16 der ersten
Belastungsmaschine 3, die hinter der zweiten Belastungsmaschine 4 angeordnet
ist, durch die Hohlwelle 15 hindurch zu einer Kupplung, beispielsweise
einer schaltbaren Kupplung 8, hindurchreicht. Die beiden
Belastungsmaschinen können
auf diese Weise leicht schaltbar gekoppelt werden. Die zweite Belastungsmaschine 4 wird
vorzugsweise bei niedrigen Umdre hungszahlen eingesetzt, während bei
den höheren
Umdrehungszahlen die erste Belastungsmaschine 3 eingesetzt
wird. Je nach Auslegung der zweiten Belastungsmaschine 4 kann diese,
ohne dass sie selbst angetrieben wird, mit der ersten Belastungsmaschine 3 mitlaufen
oder mechanisch oder elektrisch mittels des entsprechenden, nicht
dargestellten Frequenzumrichters abgekoppelt werden. Die erste Belastungsmaschine 3 kann
bei dem Betreiben der zweiten Belastungsmaschine 4 ebenfalls
je nach Auslegung auch bei den niedrigen Umdrehungszahlen ohne oder
mit Belastung mitlaufen. Das Mitlaufen ist insbesondere bei einem
Asynchronmotor als erster Belastungsmaschine 3 und einem
Synchronmotor oder Asynchronmotor als zweiter Belastungsmaschine 4 möglich. Zur
Abstimmung der Drehmomente zwischen Antrieb 14, Prüfling 17 und
Belastungsmaschinen ist beispielhaft eine Drehmomentmessung 18 zur
Messung des vom Antrieb abgegebenen Drehmoments zwischengeschaltet. Darüberhinaus
kann noch eine Messvorrichtung zur Messung der Drehzahl eingerichtet
werden.
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2 zeigt
einen Teil eines Prüfstandes 2 mit
zwei Belastungsmaschinen 3, 4 und einer schaltbaren
Kupplung 8. Die erste Belastungsmaschine 3 umfasst
einen schnelllaufenden Asynchronmotor 7, die zweite Belastungsmaschine 4 umfasst
einen Asynchronmotor 12 mit einem niedrigem Eckpunkt, der
dabei einer Übergangsdrehzahl
zwischen einem Drehzahlbereich mit einem konstanten Drehmoment und
einem Drehzahlbereich konstanter Leistung. Die Vorrichtung ist insbesondere
vorteilhaft zum Testen von Kraftfahrzeuggetrieben einzusetzen.
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3 zeigt
einen Teil eines Prüfstandes
mit zwei Belastungsmaschinen 3, 4 und einer starren Kupplung 10.
Die erste Belastungsmaschine 3 umfasst einen Asynchronmotor 13 mit
einem hohen Eckpunkt, die zweite Belastungsmaschine 4 umfasst
einen Asynchronmotor 12 mit einem niedrigen Eckpunkt, beispielhaft
jeweils mit einem Lüfter 19.
Die Vorrichtungen aus 2 und 3 sind vorteilhaft im
Bereich von Kraftfahrzeugprüfungen
einzusetzen.
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4 zeigt
einen Teil eines Prüfstandes 2 mit
zwei Belastungsmaschinen 3, 4 und einer schaltbaren
Kupplung 8. Die erste Belastungsmaschine 3 umfasst
einen schnelllaufender Asynchronmotor 7, die zweite Belastungsmaschine 4 umfasst
einen Synchronmotor.
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5 zeigt
einen Teil eines Prüfstandes 2 mit
zwei Belastungsmaschinen 3, 4 und einer schaltbaren
Kupplung 8. Die erste Belastungsmaschine 3 umfasst
einen schnelllaufenden Asynchronmotor 7, die zweite Belastungsmaschine 4 umfasst
einen Synchronmotor, insbesondere einen Torquemotor. Die zweite
Belastungsmaschine 4 ist zum überwiegenden Teil innerhalb
der ersten Belastungsmaschine 3 angeordnet, wodurch eine
wesentlich kompaktere Bauform bei gleichzeitiger voller Leistungsfähigkeit der
Motoren erreicht wird. Die Vorrichtungen aus 4 und 5 sind
vorteilhaft zu Kraftfahrzeug- und/oder Nutzfahrzeugtests einzusetzen.
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6 zeigt
einen Teil eines Prüfstandes 2 mit
zwei Belastungsmaschinen 3, 4 und einer schaltbaren
Kupplung 8. Die erste Belastungsmaschine 3 umfasst
einen schnelllaufenden Synchronmotor 5, die zweite Belastungsmaschine 4 umfasst
einen Synchronmotor 6 in Form eines Torquemotors.
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7 zeigt
einen Teil eines Prüfstandes 2 mit
zwei Belastungsmaschinen 3, 4 und einer starren Kupplung 10.
Die erste Belastungsmaschine 3 umfasst einen Synchronmotor 11 mit
einem höheren Eckpunkt,
die zweite Belastungsmaschine 4 umfasst einen Synchronmotor 6 in
Form eines Torquemotors. Bei dem Betrieb bei höheren Drehzahlen kann die zweite
Belastungsmaschine 4 mit der niedrigeren Eckdrehzahl elektrisch
vom entsprechenden nicht dargestellten Umrichter getrennt werden,
um Überspannungen
im Umrichter zu vermeiden. Die mechanische Kupplung kann durch diese
Vorgehensweise beibehalten werden, so dass die zweite Belastungsmaschine 4 auch
bei höheren
Drehzahlen unbestromt mitdreht. Die Vorrichtungen aus 6 und 7 sind
unter Berücksichtigung
der Drehzahlbereiche vorteilhaft in Bereichen von Nutzfahrzeugtests einzusetzen.
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8 zeigt
eine schematische Drehmoment-Drehzahl-Darstellung einer Belastungsvorrichtung
bestehend beispielhaft aus zwei Belastungsmaschinen 3, 4,
wobei auch mehr Belastungsmaschinen zusammenwirken können. Der
dargestellte Prüfbereich umfasst
beispielhaft den Prüfbereich
eines Achsabtriebs eines Nutzfahrzeuges, wobei bei PWK-Getrieben
der Prüfbereich
bis ca. 10.000 Nm bei etwa 10.000 U/min reichen würde, wobei
aber auch größere Bereiche
geprüft
werden könnten, wenn
entsprechende Belastungsmaschinen erfindungsgemäß zusammengebaut würden. Das
Drehmoment-Drehzahlverhalten 22 der ersten Belastungsmaschine
besitzt einen hohen Eckpunkt, wobei die bereitgestellten Drehmomente
niedriger liegen, als bei der zweiten Belastungsmaschine, jedoch
bis zu einem höheren
Drehzahlbereich geliefert werden können. Das Drehmoment-Drehzahlverhalten 23 der zweiten
Belastungsmaschine besitzt einen niedrigen Eckpunkt. Die möglichen
Drehmomente liegen entsprechend ihrer absoluten Werte höher als
bei der ersten Belastungsmaschine können aber nur in einem niedrigeren
Drehzahlbereich bereitgestellt werden. Durch die erfindungsgemäße Kombination
des Drehmoment-Drehzahlverhaltens 22, 23 der beiden Belastungsmaschinen 3, 4 wird
ein wesentlich größere Bereich
darstellbar, dessen Drehmoment-Drehzahlverhalten 21 in 8 abgebildet
ist und der den gesamten Bedarf zur Abdeckung eines beispielhaft dargestellten
Prüfbereichs 20 leicht
erfüllt.
Hierzu können
die Belastungsmaschinen je nach aktuell benötigten Drehzahlwert zusammenkuppelt
betrieben oder durch die Kupplung bzw. den Umrichter getrennt eingesetzt
werden.
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- 1
- Belastungsvorrichtung
- 2
- Prüfstand
- 3
- erste
Belastungsmaschine
- 4
- zweite
Belastungsmaschine
- 5
- schnelllaufender
Synchronmotor
- 6
- Torquemotor
- 7
- schnelllaufender
Asynchronmotor
- 8
- schaltbare
Kupplung
- 9
- Anschlussflansch
- 10
- starre
Kupplung
- 11
- Synchronmotor
mit höherem
Eckpunkt
- 12
- Asynchronmotor
mit niedrigem Eckpunkt
- 13
- Asynchronmotor
mit hohem Eckpunkt
- 14
- Antriebsvorrichtung
- 15
- Hohlwelle
- 16
- Welle
- 17
- Prüfling
- 18
- Drehmomentmessung
- 19
- Lüfter
- 20
- Prüfbereich
- 21
- Drehmoment-Drehzahlverhalten
- 22
- Drehmoment-Drehzahlverhalten
- 23
- Drehmoment-Drehzahlverhalten