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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prüfstand, insbesondere für Fahrzeuge. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kraftmessung bei einem Stator, insbesondere bei einem Prüfstand.
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Aus dem Stand der Technik sind Prüfstände, insbesondere Rollenprüfstände mit Laufrollen, bekannt, auf welchen die Räder eines Fahrzeuges positioniert werden können. Hierbei kann das Fahrzeug in dieser Position am Prüfstand fixiert sein. Üblicherweise sind dabei elektrische Maschinen vorgesehen, insbesondere um die Laufrollen anzutreiben. Somit können z. B. verschiedene Fahrstrecken für das Fahrzeug simuliert werden. Des Weiteren ist es bekannt, eine Messvorrichtung einzusetzen, welche eine Kraftmessung bei dem Prüfstand durchführt.
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Bei bekannten Prüfständen ist die elektrische Maschine an einem Rahmenelement, insbesondere einem sogenannten Pendellagergehäuse, fixiert, welches starr an einem Grundkörper befestigt sein kann. An dem Rahmenelement kann der Stator der elektrischen Maschine pendelnd gelagert sein. Dies ermöglicht es z. B., über die Messvorrichtung Drehmomente zu erfassen, welche durch das Fahrzeug auf die elektrische Maschine abgegeben werden.
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Insbesondere kann der Stator über eine Zugkraftmesseinheit als Messvorrichtung sowie über das Pendellagergehäuse leicht pendelnd am Grundkörper gelagert sein. Es ist dabei bekannt, die Lagerung mit drehenden Lagern unterschiedlicher Bauformen (wie Kugel-, Wälz, Rollen oder Pendellager) durchzuführen.
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Aus der
DE 10 2008 021 945 A1 geht beispielsweise ein Rollenprüfstand für Kraftfahrzeuge hervor. Es ist ein Tragrahmen vorgesehen, in dem ein Statorgehäuse pendelnd gelagert ist. Weiter ist eine (einzige) sogenannte Kraftmessdose vorgesehen.
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Allerdings ist es oft technisch aufwendig, einen Messfehler bei einem beschriebenen Prüfstand zu reduzieren. Insbesondere ist es ein Problem, dass bei einer Zug- und Druckkraftmessung durch den Richtungswechsel der Belastung ein deutlicher Fehler entsteht. Hierbei hat auch die Nullpunkthysterese bei der Messvorrichtung einen maßgeblichen Anteil an dem Gesamtmessfehler und beeinflusst ferner die Linearität einer bei der Messung erfassten Messkurve.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Prüfstand bzw. ein Verfahren vorzuschlagen, bei welchem die Systemeigenschaften verbessert und die Fehler der Zugkraftmessung reduziert sind.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe gelöst durch einen Prüfstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Prüfstand beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, und jeweils umgekehrt, so dass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch einen Prüfstand, vorzugsweise Rollenprüfstand, bevorzugt einem Prüfstand für Fahrzeuge und/oder Motoren, aufweisend:
- - wenigstens eine elektrische Maschine mit einem Stator und/oder einem dem Stator zugeordneten Rotor, und/oder
- - ein Rahmenelement, und/oder
- - wenigstens eine Verbindungsvorrichtung zur beweglichen und/oder pendelnden Aufnahme des Stators und/oder der elektrischen Maschine in dem Rahmenelement.
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Es kann dabei bei dem erfindungsgemäßen Prüfstand möglich sein, dass wenigstens zwei Messvorrichtungen, vorzugsweise zwei separate Zugkraftmesseinrichtungen, beidseitig am Stator vorgesehen und/oder angeordnet sind, sodass der Stator durch die Messvorrichtungen beidseitig gestützt sein kann, um eine Kraftmessung bei dem Stator bereitzustellen, insbesondere durch die Messvorrichtungen durchzuführen. Hierdurch kann die Messung verbessert werden und zuverlässiger durchgeführt werden. Optional sind dabei die Messvorrichtungen jeweils dazu ausgeführt, die elektrische Maschine, insbesondere den Stator, zu stützen und/oder zu lagern, vorzugsweise auf zwei unterschiedlichen (Haupt-) Seiten des Stators (also beidseitig). Diese beidseitige Abstützung und/oder Lagerung kann bspw. dadurch erfolgen, dass der Stator an einer ersten Hauptseite auf einer ersten Messvorrichtung und an einer zweiten Hauptseite auf einer zweiten Messvorrichtung gestützt und/oder gelagert ist. Dies hat den weiteren Vorteil, dass eine Querkraft am Prüfstand, welche bei der Nutzung einer einseitigen Messvorrichtung, insbesondere durch die einseitige Stützung, hervorgerufen wird, reduziert werden kann.
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Hierbei bezieht sich „beidseitig“ vorzugsweise auf die beiden Hauptseiten des Stators, welche sich entlang einer Rotationsachse (der elektrischen Maschine, also bspw. des Rotors oder der Motorwelle) erstrecken und/oder in Bezug auf die Rotationsachse (z. B. als eine Symmetrieachse) symmetrisch und/oder gegenüberliegend und/oder orthogonal zur Rotationsachse auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind. Entsprechend können auch die Messvorrichtungen exakt oder im Wesentlichen symmetrisch bezogen auf die Rotationsachse angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise werden dabei für eine (einzige) Kraftmessung beide Messvorrichtungen (z. B. gleichzeitig) betrieben und/oder führen gleichzeitig eine Messung am Prüfstand, insbesondere am Stator, durch. Hierbei führen die Messvorrichtungen die Messung ggf. unabhängig voneinander durch, sodass zwei separat voneinander ermittelte Messergebnisse durch die jeweiligen Messvorrichtungen bereitgestellt wird, d. h. ein erstes Signal der ersten Messvorrichtung und ein zweites Signal der zweiten Messvorrichtung. Anschließend kann zur Verbesserung der Messung ein Differenzsignal aus dem ersten und zweiten Signal gebildet werden. Bspw. erfassen dabei die Messvorrichtungen jeweils die gleiche Messgröße, z. B. eine Zug- und Druckkraft, allerdings an unterschiedlichen Positionen am Prüfstand. Bevorzugt bilden die Messvorrichtungen jeweils Drehmomentstützen für den Stator, um neben der Messung eine Abstützung des Stators zu ermöglichen. Dies hat den Vorteil, dass die elektrische Maschine beidseitig abgestützt werden kann, und sich somit die im Lagerpunkt auftretende Querkraft durch eine Zugkraftbelastung deutlich reduzieren kann (z. B. gegen Null).
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Gemäß einem weiteren Vorteil ist die elektrische Maschine als ein Motor, vorzugsweise Elektromotor, ausgeführt, und kann entsprechend einen Stator mit einem zugeordneten Rotor aufweisen, wobei beim Betrieb der elektrischen Maschine eine Drehung des Rotors bewirkt werden kann, insbesondere zum Antreiben einer Motorwelle und/oder wenigstens einer damit verbundenen Rolle des Prüfstands.
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Gemäß einer weiteren Verbesserung kann zur Ermöglichung der Messung die Verbindungsvorrichtung als ein Lager ausgebildet sein, um den Stator beweglich, insbesondere pendelnd, zu lagern.
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Es kann von Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Prüfstand sein, wenn ein Grundkörper vorgesehen ist, wobei das Rahmenelement und/oder die Messvorrichtungen fest, insbesondere starr, mit dem Grundkörper verbunden sind, sodass vorzugsweise ein Drehmoment des Stators relativ zum Grundkörper durch die Kraftmessung der Messvorrichtungen erfassbar ist. Dies ermöglicht einen stabilen Aufbau des Prüfstands.
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Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass die Messvorrichtungen exakt oder im Wesentlichen symmetrisch (insbesondere in Bezug auf die Verbindungsvorrichtung und/oder in Bezug auf eine Rotationsachse eines Rotors und/oder einer Motorwelle) mit dem Stator verbunden sind und/oder den Stator abstützen, sodass vorzugsweise eine Querkraft (insbesondere durch eine Zugkraftbelastung) an der Verbindungsvorrichtung des Stators durch die Anordnung reduzierbar und/oder neutralisierbar ist. Gemäß einem weiteren Vorteil kann durch die symmetrische Belastung des Rahmenelementes, insbesondere als einen Hauptrahmen, pro Krafteinleitungsstelle nur die halbe Maximalkraft auftreten. Daher kann es auch möglich sein, dass alternativ oder zusätzlich jeweilige Sensoren der Messvorrichtungen den halben Nennmessbereich einer insgesamt notwendigen Kraftmessung bei dem Prüfstand aufweisen. Dies ermöglicht es, die Messfehler zu reduzieren und die Systemeigenschaften zu verbessern.
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Bei gleichzeitiger Messung am Stator durch die erste und zweite Messvorrichtung kann ein unterschiedlicher Messverlauf mit unterschiedlicher Signalrichtung erfasst werden. Durch Nutzung eines Differenzsignals bei der Auswertung der Messvorrichtungen kann eine Kompensation der Hysteresebeträge der beiden Sensoren der Messvorrichtungen erzielt werden, sodass eine Hysteresekompensation möglich ist.
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Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Messvorrichtungen dazu ausgeführt sind, gemeinsam eine einzige Gesamtkraft bei der Kraftmessung zu erfassen, sodass vorzugsweise jede Messvorrichtung für nur eine teilweise, bspw. eine halbe Nennkraft der Kraftmessung ausgelegt ist (z. B. werden statt eines 10 kN Sensor zur Erfassung von 10 kN als Nennkraft nur zwei 5 kN Sensoren zur Erfassung einer Nennkraft von 5 kN eingesetzt). Damit können insbesondere die Messfehler reduziert und die Systemeigenschaften zu verbessert werden .
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Des Weiteren ist es möglich, dass die Messvorrichtungen vorgespannt sind, vorzugsweise gemäß einer halben Nennkraft mit einem halben Nennmessbereich der Kraftmessung. Dies hat den Vorteil, dass der zu erwartende absolute Messfehler je Sensor ebenfalls kleiner wird und/oder Störgrößen bei der Messung reduziert werden können. Insbesondere ist dabei der Nennmessbereich ein solcher Messbereich, für welchen üblicherweise eine einzige Messvorrichtung bei dem Prüfstand ausgelegt sein muss. Entsprechend kann sich der Nennmessbereich daraus ergeben, welche Kräfte üblicherweise am Prüfstand auftreten und/oder maximal auftreten können.
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Des Weiteren ist es optional vorgesehen, dass die (symmetrisch abgestützte) elektrische Maschine, insbesondere mit einem halben Nennmessbereich eines Kraftaufnehmers des Prüfstands, wie der Messvorrichtung, mit einer Vorspannkraft vorgespannt wird. Bspw. werden Sensoren bzw. Messvorrichtungen für einen Nennmessbereich von 10 kN eingesetzt, und diese auf eine Vorspannkraft von je 5 kN vorgespannt. Durch diese Vorkehrungen kann die auf die einzelnen Sensoren wirkende Kraft im Nennbetrieb halbiert werden, sodass die Sensoren im Nennbetrieb innerhalb eines Quadranten betrieben werden können. Darüber hinaus werden auch Setzungsvorgänge in den mechanischen Anbindungsteilen vermieden, sodass bspw. ein Kriechen oder ein ungünstiges Hystereseverhalten vermieden werden kann.
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Ferner ist es gemäß einem weiteren Vorteil vorgesehen, dass eine Vorspannung bei den Messvorrichtungen genutzt wird, welche entgegen der Gewichtskraft der elektrischen Maschine und/oder der zu erwartenden Achslast wirkt. Hierdurch kann zusätzlich die Lagerung um den Betrag der Vorspannkraft der Vorspannung entlastet werden. Insbesondere kann durch die Vorspannung die Nullpunkthysterese vermieden werden, und die Sensoren nur im positiven Quadranten betrieben werden.
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Des Weiteren kann es möglich sein, dass die wenigstens zwei Messvorrichtungen beidseitig am Stator vorgesehen sind, wobei eine erste Messvorrichtung an einer ersten Hauptseite und eine zweite Messvorrichtung an einer zweiten Hauptseite des Stators angeordnet sind, wobei die Hauptseiten in Bezug auf eine Rotationsachse einer Motorwelle und/oder eines Rotors der elektrischen Maschine gegenüberliegend angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Messung einer Zug- und/oder Druckkraft am Stator genauer und einfacher erfolgen.
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Auch ist es im Rahmen der Erfindung optional möglich, dass die Verbindungsvorrichtung als Federstütze oder als Pendellager ausgebildet ist. Somit kann in einfacher Weise eine pendelnde Lagerung des Stators durch die Verbindungsvorrichtung ermöglicht werden.
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Insbesondere kann die elektrische Maschine, vorzugsweise der Stator, an einem Rahmenelement, vorzugsweise einem Pendellagergehäuse, fixiert sein, wobei bevorzugt das Rahmenelement starr an einem Grundkörper befestigt ist. Bspw. kann der Stator der elektrischen Maschine über die Verbindungsvorrichtung und/oder über das Rahmenelement beweglich und/oder pendelnd am Grundkörper gelagert sein und/oder über die zwei Messvorrichtungen beweglich und/oder pendelnd am Grundkörper gelagert sein, um ggf. über die Messvorrichtungen Drehmomente zu erfassen, welche durch das Fahrzeug auf die elektrische Maschine abgegeben werden.
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Es ist ferner bei dem erfindungsgemäßen Prüfstand möglich, dass die Messvorrichtungen jeweils als separat voneinander messende Zugkraftmesssysteme, vorzugsweise als Drehmomentstützen, ausgeführt sind, vorzugsweise jeweils mit wenigstens einem Sensor als Zugkraftsensor. Insbesondere können die Messvorrichtungen unabhängig voneinander die Messung durchführen, also autonom voneinander ausgeführt sein. Dies hat den Vorteil, dass eine zu messende Gesamtkraft, welche auf die Messvorrichtungen wirkt, auf die jeweiligen Messvorrichtungen aufgeteilt werden kann.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Kraftmessung bei einem Stator einer elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Prüfstand, vorzugsweise einem erfindungsgemäßen Prüfstand, wobei bevorzugt der Stator durch zwei Messvorrichtungen beidseitig am Stator gestützt wird.
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Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden, vorzugsweise nacheinander oder in beliebiger Reihenfolge, wobei einzelne Schritte auch wiederholt werden können:
- - Erfassen eines ersten Signals einer ersten Messvorrichtung,
- - Erfassen wenigstens eines zweiten Signals wenigstens einer zweiten Messvorrichtung,
- - Bilden eines Differenzsignals aus dem ersten und dem wenigstens zweiten Signal, wobei das Differenzsignal für die Kraftmessung spezifisch ist.
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Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Prüfstand beschrieben worden sind. Zudem kann das Verfahren geeignet sein, einen erfindungsgemäßen Prüfstand zu betreiben.
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Ebenfalls unter Schutz gestellt ist eine (Mess-) Anordnung, welche wenigstens zwei Messvorrichtungen zur beidseitigen Stützung eines Stators durch die Messvorrichtungen aufweist, um eine Kraftmessung bei dem Stator bereitzustellen. Insbesondere sind hierbei die wenigstens zwei Messvorrichtungen gemäß den Messvorrichtungen bei einem erfindungsgemäßen Prüfstand und/oder erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Prüfstands,
- 2 eine Darstellung einer Messanordnung zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 eine weitere Darstellung einer Messanordnung,
- 4 eine Darstellung einer Hysteresekurve.
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist schematisch ein Prüfstand 1 gezeigt, welcher eine Laufrolle 3 umfasst. Die Laufrolle 3 wird durch eine elektrische Maschine 5 angetrieben, welche hierzu über eine Motorwelle 2 mit der Laufrolle 3 in Wirkverbindung steht. Weiter umfasst die elektrische Maschine 5 einen Rotor und einen Stator 20, wobei der Stator 20 pendelnd in einem Rahmenelement 40 gelagert ist. Hierzu kann eine Verbindungsvorrichtung 10, vorzugsweise eine Lagervorrichtung 10, bevorzugt ein Pendellager 10, vorgesehen sein, welche den Stator 20 mit dem Rahmenelement 40 beweglich verbindet. Bspw. ist hierbei das Rahmenelement 40 als Pendellagergehäuse 50 ausgebildet, und fest mit einem Grundkörper 60 verbunden. Somit ist der Stator 20 über die Verbindungsvorrichtung 10 mit dem Grundkörper 60 pendelnd verbunden. Des Weiteren ist eine Rotationsachse R gekennzeichnet, welche bspw. eine erste Hauptseite A von einer zweiten Hauptseite B trennt.
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Eine weitere bewegliche Verbindung des Stators 20 mit dem Grundkörper 60 kann über zwei Messvorrichtungen 200, insbesondere Zugkraftmesseinheiten 200, erzielt werden. So ist eine erste Messvorrichtung 201 und eine zweite Messvorrichtung 202 gezeigt, welche an zwei unterschiedlichen, gegenüberliegenden (Haupt-) Seiten des Stators 20 angeordnet sind, um den Stator 20 als Drehmomentstützen 300 zu stützen, und somit Kräfte des Stators 20 aufzunehmen (wie eine schematisch dargestellte Messkraft Fm). Durch die beidseitige Anordnung kann eine ggf. auftretende Querkraft durch eine Belastung mit einer Zugkraft Fz reduziert werden.
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Insbesondere umfassen die Messvorrichtungen 200 jeweils einen Sensor 210, d. h. einen ersten Sensor 211 der ersten Messvorrichtung 201 und einen zweiten Sensor 212 der zweiten Messvorrichtung 202. Des Weiteren kann eine Vorspannung Fv bei den Messvorrichtungen 200 vorgesehen sein, um die Messung weiter zu verbessern. Das Rahmenelement 40 und die Messvorrichtungen 200 können fest, insbesondere starr, mit dem Grundkörper 60 verbunden sein, sodass ein Drehmoment Mt des Stators 20 relativ zum Grundkörper 60 durch eine Kraftmessung der Messvorrichtungen 200 erfassbar ist.
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In 2 ist beispielhaft eine Messanordnung gezeigt. Dabei ist der erste Sensor 211 und der zweite Sensor 212 zu sehen, welche jeweils mit einer zugehörigen Auswerteeinheit 500, insbesondere einem Differenzverstärker 500, elektrisch verbunden sein können. Die Sensoren 210, insbesondere Kraftsensoren, können dabei gemeinsam durch die Auswerteeinheiten 500 zu einem Differenzsignal 400 ausgewertet werden. Hierzu können die jeweils zugeordneten Auswerteeinheiten 500 mit einer weiteren Auswerteeinheit 500 und/oder einem Differenzverstärker und/oder einem Mehrkanalverstärker verbunden sein. Auch kann die Bildung des Differenzsignals 400 ggf. softwareseitig erfolgen.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Differenzsignal 400 auch durch eine Verschaltung der Sensoren 210 möglich sein (siehe hierzu 3). Bspw. können die Sensoren 210 als Messbrücken ausgebildet sein, wobei die Anzahl der Messbrücken nicht beschränkt ist und sich ggf. erweitern lässt.
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Durch die Einbaulage der Sensoren 210 und die Auswertung mit Differenzverstärkern 500 ergibt sich zusätzlich zur Hysteresekompensation eine „Gleichtaktunterdrückung“ für Störgrößen, welche beide Sensoren 210 betreffen.
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In 4 ist schematisch eine Hysteresekurve für ein erstes Signal 401 eines ersten Sensors 211 und für ein zweites Signal 402 eines zweiten Sensors 212 gezeigt, wobei die Signalausgabe der Sensoren 210 bei unterschiedlicher Belastung (-100% bis +100%) dargestellt ist. Exemplarisch ist auch eine Vorspannung Fv in Höhe von 50% eingezeichnet (Verschiebung des Nullpunktes beider Sensoren 210 auf +50% Nennlast). Insbesondere wird durch die Vorspannung Fv die Nullpunkthysterese vermieden und die Sensoren 210 im positiven Quadranten betrieben. Im Idealfall ergibt sich daraus bei zwei identischen Hysteresekurven 401, 402 von dem ersten Sensor 211 und zweiten Sensor 212 eine ideale Gerade 400. Bspw. reduziert sich die Gesamthysterese auf die Differenz der beiden Hysteresekurven.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Prüfstand
- 2
- Motorwelle
- 3
- Laufrolle
- 5
- elektrische Maschine
- 10
- Verbindungsvorrichtung
- 20
- Stator, Motorstator
- 40
- Rahmenelement
- 50
- Pendellagergehäuse
- 60
- Grundkörper
- 200
- Messvorrichtung, Zugkraftmesseinheit
- 201
- erste Messvorrichtung, erste Zugkraftmesseinheit
- 202
- zweite Messvorrichtung, zweite Zugkraftmesseinheit
- 210
- Sensoren
- 211
- erster Sensor
- 212
- zweiter Sensor
- 300
- Drehmomentstütze
- 400
- Differenzsignal
- 401
- erstes Signal
- 402
- zweites Signal
- 500
- Auswerteeinheit, Differenzverstärker
- Fm
- Messkraft
- Fv
- Vorspannung
- Fz
- Zugkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008021945 A1 [0005]
- DE 102013220166 A1 [0006]
