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Die Erfindung betrifft einen Prüfstand zum Prüfen eines Prüflings, insbesondere einen Prüfstand für Kraftfahrzeuge.
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Derartige Prüfstände werden häufig als Rollenprüfstände ausgeführt. So hat sich zum Beispiel die Bezeichnung ”48''-Prüfstand” für einen Rollenprüfstand etabliert, bei dem die Rolle einen Durchmesser von 48'' hat. Bei einem derartigen Prüfstand wird das Fahrzeug mit seinen Antriebsrädern oberhalb von zwei koaxial zueinander angeordneten Rollen platziert und gehalten. Die Antriebsräder treiben die Rollen an, wobei an der Achse zwischen den beiden Rollen eine Lasteinrichtung – zum Beispiel in Form eines Dynamometers – angeordnet ist, die den Antriebsrädern über die Rollen ein Bremsmoment entgegensetzt. Ebenso ist ein simulierter Verzögerungsbetrieb des Fahrzeugs möglich, bei dem der Dynamometer ein Antriebsmoment aufbringt, das vom Fahrzeug abgebremst werden muss.
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Das Dynamometer ist zum Beispiel ein Elektromotor, bei dem die Erregung des Stators verändert und den jeweiligen Prüfbedingungen entsprechend angepasst werden kann. Das Gehäuse des Dynamometers ist pendelnd gelagert und mit Hilfe eines sich senkrecht zu der Hauptachse des Dynamometers in horizontaler Richtung weg erstreckenden Hebelarms abgestützt.
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Der Hebelarm ist seinerseits an seinem Ende mit einer Kraftmesseinrichtung gekoppelt, die das Ende des Hebelarms abstützt und die wirkende Kraft misst. Anhand der gemessenen Kraft und unter Berücksichtigung des bekannten Abstands zwischen der Kopplungsstelle zwischen Hebelarm und Kraftmesseinrichtung sowie der Hauptachse des Dynamometers lässt sich präzise das Bremsmoment des Dynamometers und damit die Antriebsleistung des zu prüfenden Fahrzeugs bestimmen.
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Dynamometer erwärmen sich im Betrieb sehr stark, insbesondere bei Prüfapplikationen mit großen Lasten. Aufgrund der Erwärmung verändern sich auch die Abmessungen der sich erwärmenden Komponenten. Dazu gehören vor allem der sich von dem Gehäuse des Dynamometers weg erstreckende Hebelarm und das Gehäuse selbst. Durch die thermisch bedingte Änderung der Dimensionen verändern sich auch die Hebelverhältnisse, die für die Bestimmung des Lastmoments maßgeblich sind. Die Erwärmung kann somit Ursache für Messungenauigkeiten sein.
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Ebenso besteht die Möglichkeit, dass sich die Rollen des Prüfstand erwärmen und dadurch ihren Durchmesser verändern. Dadurch wird die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung an den Fahrzeugrädern sowie der Kraftmessung der am Rollenscheitel wirkenden Kraft vermindert.
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Aufgrund der bekannten Temperatur-Sensibilität von Prüfständen ist es zum Beispiel erforderlich, vor Beginn eines Prüfzyklus für stabile Temperaturen zu sorgen. So ist es zum Beispiel üblich, dass ein Prüfstand 10 bis 20 Minuten warm läuft, bis eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Prüfstandkomponenten erreicht ist. Geänderte Temperaturbedingungen führen zu unterschiedlichen Messwerten, trotz objektiv gleicher Lastverhältnisse.
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Aus der
JP 2003279428 ist ein Prüfstand bekannt, bei dem Messfehler, die durch Temperatureinfluss hervorgerufen werden, dadurch kompensiert werden, dass zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Hebelarme vorgesehen sind.
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In der
JP 2243921 wird eine Kraftmessdose beschrieben, bei der die Umgebungstemperatur bestimmt und in Form eines Korrekturfaktors beim Messergebnis berücksichtigt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prüfstand anzugeben, bei dem die Messgenauigkeit unter Berücksichtigung von Temperatureinflüssen – insbesondere auch bei variierenden Betriebsbedingungen – verbessert werden kann. Dabei soll insbesondere die Messung des Drehmoments und der Geschwindigkeit verbessert werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Prüfstand mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 11. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein Prüfstand zum Prüfen eines Prüflings ist wie z. B. eines Kraftfahrzeugs ausgestattet mit einer um eine Hauptachse pendelnd gelagerten Lasteinrichtung mit einem Gehäuse, einem an dem Gehäuse vorgesehenen, sich senkrecht zu der Hauptachse von dem Gehäuse weg erstreckenden Hebelarm, einer mit dem Hebelarm gekoppelten Kraftmesseinrichtung zum Messen einer von dem Hebelarm auf die Kraftmesseinrichtung ausgeübten Kraft, wenigstens einer Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des Gehäuses oder des Hebelarms, und mit einer Auswerteeinrichtung zum Korrigieren eines von der Kraftmesseinrichtung gemessenen Wertes aufgrund von einer von der Temperaturmesseinrichtung gemessenen Temperatur.
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Bei dem Prüfstand wird somit die Temperatur an wenigstens einer Stelle, nämlich am Gehäuse der Lasteinrichtung und/oder am Hebelarm gemessen. In Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur kann die Auswerteeinrichtung den von der Kraftmesseinrichtung gemessenen Kraftwert bzw. das aus dem Kraftwert und der Hebelarmlänge (Abstand zwischen der Hauptachse der Lasteinrichtung und der Kopplungsstelle des Hebelarms mit der Kraftmesseinrichtung) bestimmte Lastmoment korrigieren.
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Die Lasteinrichtung in dem Prüfstand – zum Beispiel ein Dynamometer – wird im Betrieb warm, vor allem bei Testanwendungen mit transienten Laständerungen. Dynamometer erreichen dabei leicht Temperaturen über 70°C oder gar über 100°C. Dadurch kann sich der Außendurchmesser des Dynamometergehäuses um einige Zehntel-Millimeter vergrößern. Gleiches gilt für den Hebelarm, der an dem Statorgehäuse befestigt ist und dadurch auch der Motorhitze vom Dynamometer ausgesetzt ist. Diese Betriebsbedingungen bewirken somit eine thermische Ausdehnung des Gehäuses des Dynamometers und anderer Komponenten, die in direktem Kontakt mit dem Gehäuse stehen, also insbesondere des Hebelarms. Die tatsächliche Änderung der Dimensionen hängt vom Temperaturgradienten und von den Materialeigenschaften ab.
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Insbesondere das Dynamometergehäuse, der Hebelarm zur Drehmomentbestimmung sowie die Rollen, die mit dem Dynamometer gekoppelt sind und zum Übertragen der durch den Prüfling über dessen Fahrzeugräder eingeleiteten Leistung zu der Lasteinrichtung dienen, sind thermischen Spannungen ausgesetzt. Die physischen Abmessungen dieser Komponenten werden bei Installation des Prüfstands einmalig gemessen. Die Abmessungswerte werden dann im System eingespeichert und nachfolgend nicht mehr verändert.
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Bei der Erfindung hingegen wird jedoch permanent die Temperatur bzw. die Temperaturänderung erfasst. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung wird anhand der Temperaturänderung auf eine Änderung der Dimensionen von wenigstens einer der Komponenten geschlossen. Diese Dimensionsänderung wird bei der Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt, indem die Messergebnisse entsprechend korrigiert werden.
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Bei einer Ausführung des Prüfstands als Rollenprüfstand ist wenigstens eine mit der Lasteinrichtung gekoppelte Rolle zum Übertragen von durch den Prüfling eingeleiteter Leistung zu der Lasteinrichtung vorgesehen. Meist werden dabei zwei Rollen axial zueinander angeordnet, während die Lasteinrichtung zwischen den beiden Rollen platziert ist. Über die Rollen kann zum Beispiel durch die Fahrzeugräder des Prüflings dessen Leistung eingebracht werden.
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Zum Messen der Temperatur an wenigstens einer der Stellen kann eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen sein. Weiterhin kann eine Geschwindigkeitsmesseinrichtung zum Bestimmen der Umfangsgeschwindigkeit der Rolle aufgrund einer Drehzahl der Rolle vorgesehen sein. Die Drehzahl der Rolle entspricht dabei der Drehzahl der Lasteinrichtung, sodass die Geschwindigkeitsmessung auch an der Lasteinrichtung vorgesehen sein kann. Aufgrund des vorbekannten Rollendurchmessers kann anhand der Drehgeschwindigkeit der Rolle, der Antriebswelle oder des Rotors in der Lasteinrichtung die Geschwindigkeit am Umfang der Rolle bestimmt werden.
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Wenn sich jedoch im Betrieb des Prüfstands die Temperatur der Rolle ändert, ändert sich auch deren Außendurchmesser, sodass die Berechnung der Umfangsgeschwindigkeit nicht mehr korrekt ist.
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Zu diesem Zweck kann eine Auswerteeinrichtung vorgesehen sein, zum Korrigieren eines von der Geschwindigkeitsmesseinrichtung bestimmten Geschwindigkeitswertes aufgrund von einer von der Temperaturmesseinrichtung an der Rolle gemessenen Temperatur. Ergänzend oder alternativ kann die Auswerteeinrichtung zum Korrigieren eines von der Kraftmesseinrichtung gemessenen Wertes aufgrund von einer von der Temperaturmesseinrichtung an der Rolle gemessenen Temperatur ausgebildet sein.
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Damit ist die Auswerteeinrichtung in der Lage, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändernden Dimensionen der Rolle bzw. beider Rollen zu berücksichtigen und entsprechende Korrekturen des Kraftwertes, des daraus resultierenden Drehmoments und/oder der Umfangsgeschwindigkeit der Rolle vorzunehmen.
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Dementsprechend wird auch ein Prüfstand zum Prüfen eines Prüflings angegeben, mit einer um eine Hauptachse pendelnd gelagerten Lasteinrichtung mit einem Gehäuse, einem an dem Gehäuse vorgesehenen, sich senkrecht zu der Hauptachse von dem Gehäuse weg erstreckenden Hebelarm, einer mit dem Hebelarm gekoppelten Kraftmesseinrichtung zum Messen einer von dem Hebelarm auf die Kraftmesseinrichtung ausgeübten Kraft, wenigstens einer mit der Lasteinrichtung gekoppelten Rolle zum Übertragen von durch den Prüfling eingeleiteter Leistung zu der Lasteinrichtung, einer Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur an wenigstens einer Stelle der Rolle, einer Geschwindigkeitsmesseinrichtung zum Bestimmen der Umfangsgeschwindigkeit der Rolle aufgrund einer Drehzahl der Rolle, und mit einer Auswerteeinrichtung zum Korrigieren eines von der Geschwindigkeitsmesseinrichtung bestimmten Geschwindigkeitswertes aufgrund von einer von der Temperaturmesseinrichtung an der Rolle gemessenen Temperatur.
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Bei einem derartigen Prüfstand wird also primär lediglich die Temperatur an der Rolle bestimmt, um daraufhin die Präzision der Geschwindigkeitsmessung zu verbessern. Die Genauigkeit der Kraft- bzw. Drehmomentmessung steht hier zunächst nicht im Vordergrund.
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Für die Verbesserung der Messung von Kraft- bzw. Drehmoment kann jedoch – wie bei der oben bereits beschriebenen Ausführungsform – darüber hinaus wenigstens eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des Gehäuses oder des Hebelarms sowie eine Auswerteeinrichtung zum Korrigieren eines von der Kraftmesseinrichtung gemessenen Wertes aufgrund von einer von der Temperaturmesseinrichtung gemessenen Temperatur vorgesehen sein.
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In der Auswerteeinrichtung kann Information hinterlegt sein, die einen Zusammenhang zwischen einer Änderung der Dimensionen des Gehäuses und/oder des Hebelarms und/oder der Rolle in Abhängigkeit von einer Änderung der an den jeweiligen Komponenten gemessenen Temperatur repräsentiert.
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Zu diesem Zweck können in der Auswerteeinrichtung entsprechende Temperaturausdehnungskoeffizienten anhand der für den Aufbau des Gehäuses, des Hebelarms oder der Rolle gewählten Materialien hinterlegt sein. Ebenso können die geometrischen Verhältnisse berücksichtigt werden. So ist es zum Beispiel möglich, bereits im Vorfeld, also beim Hersteller, Zusammenhänge zwischen Temperaturänderungen und Änderungen der Dimensionen der mechanischen Komponenten zu erfassen und mit Hilfe von Tabellen oder Korrekturfaktoren zu dokumentieren. Wenn dann im Betrieb eine entsprechende Temperaturänderung eintritt, ist die Auswerteeinrichtung in der Lage, die aktuell erfassten Messwerte mit Hilfe der hinterlegten Korrekturfaktoren oder Tabellen zu korrigieren und auf diese Weise die Messgenauigkeit zu erhöhen.
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Die Temperaturmesseinrichtung kann einen Temperatursensor aufweisen, der an dem Gehäuse, an dem Hebelarm oder an der Rolle befestigt ist.
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Ergänzend oder alternativ kann die Temperaturmesseinrichtung auch einen Fern-Temperatursensor zum berührungslosen Messen der Temperatur aufweisen. Ein Fern-Temperatursensor, zum Beispiel ein Infrarot-Temperatursensor, hat den Vorteil, dass der Sensor nicht unmittelbar an der Komponente angeordnet werden muss, deren Temperatur zu erfassen ist. Vielmehr ist eine Temperaturmessung auch über einen gewissen Abstand möglich. Daher eignet sich der Fern-Tempratursensor insbesondere zum berührungslosen Messen der Temperatur an der sich im Betreib des Prüfstands drehenden Rolle. Dadurch kann vermieden werden, dass an der Rolle selbst ein Temperatursensor befestigt werden muss, was naturgemäß Probleme bei der Übermittlung der Messergebnisse bewirken würde.
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Es können wenigstens zwei Temperaturmesseinrichtungen vorgesehen sein, die die Temperaturen an wenigstens zwei Messorten messen. Dabei können die Messorte ausgewählt sein aus der Gruppe: ausschließlich am Gehäuse, ausschließlich am Hebelarm, ausschließlich an der Rolle, am Gehäuse und am Hebelarm, am Gehäuse und an der Rolle, am Hebelarm und an der Rolle, am Gehäuse und am Hebelarm und an der Rolle.
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Die Messgenauigkeit kann somit durch das Bereitstellen von wenigstens zwei Temperaturmesseinrichtungen verbessert werden. Zum Beispiel ist es möglich, sowohl die Temperatur am Gehäuse des Dynamometers als auch am Hebelarm zu messen, um die Präzision der Kraft- bzw. Drehmomentmessung zu verbessern. Zudem kann auch die Temperatur der Rolle bzw. die Temperaturen von beiden Rollen ermittelt werden, um die Geschwindigkeitsmessung zu präzisieren.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Erhöhen der Messgenauigkeit bei einem Prüfstand angegeben, mit den Schritten Messen der Temperatur an wenigstens einer mechanischen Komponente des Prüfstand und Korrigieren eines Messparameters des Prüfstands in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur.
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Wie oben dargelegt, kann die mechanische Komponente ausgewählt sein aus der Gruppe Gehäuse, Hebelarm oder Rolle.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Perspektivdarstellung eines Ausschnitts aus einem Rollenprüfstand; und
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2 eine schematische Darstellung der Hebelverhältnisse an dem Prüfstand.
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1 zeigt in Perspektivdarstellung einen als Rollenprüfstand ausgeführten Prüfstand gemäß der Erfindung.
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Auf einem Grundrahmen 1 sind ein als Lasteinrichtung 2 dienender Dynamometer 2 sowie zwei Rollen 3, 4 gehalten. Der Dynamometer 2 ist als Elektromotor ausgebildet, dessen Antriebs- bzw. Lastmoment zum Beispiel durch Variation der Erregung der Statorwicklungen verändert werden kann.
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Die beiden Rollen 3, 4 sind axial zu dem Dynamometer 2 auf einer gemeinsamen Achse angeordnet, wobei der Dynamometer 2 dazwischen platziert ist. Über die Rollen 3, 4 kann ein darüber gehaltenes, in 1 nicht gezeigtes Kraftfahrzeug mit seinen Fahrzeugrädern Antriebsleistung einbringen, die von den Rollen 3, 4 auf den Dynamometer 2 übertragen und dort vernichtet wird. Insoweit dient der Dynamometer 2 als Last- bzw. Bremseinrichtung. Ebenso kann der Dynamometer 2 auch als Antriebseinrichtung für die Fahrzeugräder eingesetzt werden, um z. B. eine Passabfahrt zu simulieren.
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Der Dynamometer 2 ist in bekannter Weise pendelnd gelagert. Zu diesem Zweck ist an einer Außenseite eines Gehäuses 2a des Dynamometers 2 ein Hebelarm 5 befestigt, der sich senkrecht zu der Hauptachse X in horizontaler Richtung erstreckt.
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Das Ende des Hebelarms 5 ist an einer Kopplungsstelle 6 mit einer als Kraftmesseinrichtung dienenden Kraftmessdose 7 gekoppelt. Somit kann durch die Kraftmessdose 7 die Kraft bestimmt werden, die von dem Dynamometer 2 über dessen Gehäuse 2a, den Hebelarm 5 und die Kopplungsstelle 6 in die Kraftmessdose 7 eingeleitet wird. Da der Abstand zwischen der Kopplungsstelle 6 und der Hauptachse X bekannt ist, lässt sich aus der von der Kraftmessdose 7 gemessenen Kraft das an dem Dynamometer 2 wirkende Drehmoment und damit die Leistung bestimmen, die über die Rollen 3, 4 in den Dynamometer 2 eingeleitet wird.
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An dem Prüfstand können eine oder mehrere Stellen vorgesehen sein, an denen die Temperatur der betreffenden Komponenten erfasst werden können:
So ist zum Beispiel an der Außenwand des Gehäuses 2a des Dynamometers 2 eine Temperaturmessstelle vorgesehen, an der ein Temperatursensor 8 befestigt werden kann, um die Temperatur des Gehäuses 2a zu messen. In analoger Weise kann an dem Hebelarm 5 ein Temperatursensor 9 platziert werden, um die Temperatur an wenigstens einer Stelle des Hebelarms 5 zu bestimmen.
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An wenigstens einer der Rollen 3, 4, unter Umständen auch an beiden Rollen 3, 4 kann ein berührungsloser Temperatursensor 10 platziert werden, um die Temperaturänderung an der betreffenden Rolle 3, 4 zu dokumentieren. Der berührungslose Temperatur 10 kann zum Beispiel in Form eines Infrarottemperatursensors oder eines Lasertemperatursensors ausgeführt werden.
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Die Messergebnisse der Temperatursensoren 8, 9, 10 werden an eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung geführt, die die Messwerte des Prüfstands, insbesondere die Messwerte der Kraftmessdose 7, aber auch die Geschwindigkeitsmesswerte (Drehzahl der Rollen 3, 4 bzw. des Dynamometers 2) einer entsprechenden Korrektur unterzieht, um den Messfehler, der durch die thermisch bedingte Dimensionsänderungen bewirkt sind, zu kompensieren.
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2 zeigt in schematischer Seitenansicht das Prinzip des Prüfstands von 1.
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Dabei ist die Länge des Hebelarms 5 so gewählt, dass die Kopplungsstelle 6 zu der Hauptachse X einen Abstand L1 + L2 (Gesamthebelarm) aufweist, der dem Radius der Rollen 3, 4 entspricht. Hierbei ist L1 der Radius des Gehäuses 2a des Dynamometers 2 und L2 die freiliegende Länge des Hebelarms 5.
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Im Betrieb des Prüfstands kann sich der Dynamometer 2 ohne weiteres auf mehr als 100°C erwärmen, während die anderen Komponenten bei einer Temperatur von ungefähr 20°C bleiben. Insgesamt können sich Temperaturdifferenzen zwischen dem Dynamometer 2 und den anderen Komponenten von mehr als 100°C einstellen.
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Bei einem typischen Dynamometer-Gehäuse 2a mit einem Radius von zum Beispiel 330 mm kann eine Temperaturerhöhung von 80 K eine Vergrößerung des Radius von ca. 0,34 mm bewirken. Bei einem 48''-Rollenprüfstand kann eine derartige Verlängerung des für die Drehmomentmessung maßgeblichen Gesamt-Hebelarms bereits dem Fünffachen der angestrebten Genauigkeit entsprechen.
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Mit Hilfe der Temperaturerfassung lässt sich jedoch die Temperaturänderung am Gehäuse 2a und damit die Durchmesservergrößerung bestimmen und bei der Berechnung des Drehmoments berücksichtigen. Die sich durch die thermisch bedingte Verlängerung des Gesamt-Hebelarms ergebende, von der Kraftmessdose 7 gemessene Kraft verringert sich in dem Maße, wie sich der Gesamt-Hebelarm verlängert.
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Eine ähnliche Wirkung kann bei der Geschwindigkeitsmessung erreicht werden. Eine möglichst präzise Einhaltung der Geschwindigkeit des Prüflings, das heißt der Umfangsgeschwindigkeit der Fahrzeugräder und damit der Umfangsgeschwindigkeit der Rollen 3, 4 ist Voraussetzung für eine hohe Messgenauigkeit der Prüfvorgänge. So wird zum Beispiel eine Genauigkeit bei der Geschwindigkeitsmessung in Höhe von 0,08 km/h verlangt. Dies entspricht bei einer Geschwindigkeit von 200 km/h einem Fehler von 0,04%.
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Eine derartige Ungenauigkeit von 0,04% des Rollen-Durchmessers wird jedoch bereits bei einer Temperaturänderung von nur 30°C bzw. einer daraus resultierenden Durchmesseränderung erreicht. In Klimakammern kann jedoch die Temperaturdifferenz bei unterschiedlichen Anwendungen erheblich größer sein.
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Daher ist es sehr vorteilhaft, dass die Temperatur der Rollen 3, 4 gemessen und bei der Bestimmung der Geschwindigkeitsmessung berücksichtigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2003279428 [0008]
- JP 2243921 [0009]
