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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Prüfstand entsprechend den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Prüfstände zur
Untersuchung des Werkstoffverhaltens unter definierten Belastungen
sowie des Betriebsverhaltens von Maschinenelementen und Maschinenbaugruppen
sind in unterschiedlicher Form bekannt. Sie sind beispielsweise
zur Simulation charakteristischer Beanspruchungen bzw. zur Darstellung
einer Eingangsfunktion für
die zu untersuchende Baugruppe sowie zur Ermittlung der von dem Bauteilverhalten
abhängigen
Antwortfunktion eingerichtet. Ihre konkrete Bauweise gestaltet sich
nach Maßgabe
der zu untersuchenden technischen Fragestellung häufig vergleichsweise
kompliziert.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen zur Untersuchung des Betriebsverhaltens
von Verbrennungskraftmaschinen bestimmten Prüfstand zu entwerfen, der sich
durch eine einfache Bauweise auszeichnet und insbesondere zur Simulation
zahlreicher, mit dem Betrieb des den Motor aufnehmenden Fahrzeugs
verbundenen extremen Fahrzuständen sowie
der Untersuchung des Betriebsverhaltens unter diesen Bedingungen
geeignet ist. Gelöst
ist diese Aufgabe bei einem solchen Prüfstand durch die Merkmale des
Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.
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Erfindungswesentlich
ist hiernach ein kardanisch aufgehängter Schwenkrahmen, der zur
Fixierung der zu untersuchenden Verbrennungskraftmaschine eingerichtet
ist und dessen beide, sich zueinander senkrecht erstreckende, der
kardanischem Aufhängung
dienende Achsen jeweils mit unabhängig voneinander steuerbaren
Drehantrieben ausgerüstet
sind. Diese Drehantriebe können
zu einer winkelmäßig definierten
Schwenkung des Motors um eine oder auch um beide Achsen und zur
Fixierung in der verschwenkten Position benutzt werden, wobei beliebige
Winkel einstellbar sind. Zumindest einer der Drehantriebe kann jedoch
auch zur Realisierung oszillatorischer Bewegungen um die ihm jeweils
zugeordnete Achse benutzt werden. Der Bewegungszustand des Motors
kann somit auch durch eine Überlagerung
von zwei oszillatorisch phasengleichen oder auch phasenverschobenen
Bewegungen um die jeweiligen Achsen dargestellt werden.
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Auf
diese Weise sind extreme Fahrzustände wie z. B. Winkellagen bei
Berg- und Talfahrten, Verzögerungen,
Beschleunigungen oder auch Kurvenfahrten darstellbar, welche für das Betriebsverhalten des
Motors von Bedeutung sind. Derartige Beschleunigungssituationen
beeinflussen beispielsweise den Schmiermittelpegel, jedoch auch
den Kraftstoff- sowie den Kühlmittelpegel.
Bei den zu untersuchenden Verbrennungskraftmaschinen kann es sich
um solche handeln, die bei Kraftfahrzeugen Verwendung finden, jedoch
grundsätzlich
auch um Flugmotoren.
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Gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 2 steht die auf dem Schwenkrahmen fixierte Verbrennungskraftmaschine
mit einer Antriebs- und Bremseinheit in Wirkverbindung. Letztgenannte
Einheit dient der Simulation unterschiedlicher Belastungszustände des
Motors, insbesondere der Darstellung eines geschleppten oder eines
gefeuerten Betriebes. Beide Zustände
unterscheiden sich lediglich hinsichtlich der Richtung des Energieflusses,
so dass die Antriebs- und Bremseinheit dazu eingerichtet ist, von dem
zu untersuchenden Motor bei gefeuertem Betrieb abgegebene Leistung
in der Form von Bremsleistung und bei geschlepptem Betrieb in der
Form von von dem Motor aufgenommener Leistung zu messen.
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Die
Merkmale der Ansprüche
3 und 4 sind auf die konstruktive Ausbildung der Lagerung des Schwenkrahmens
gerichtet. Dieser ist innerhalb eines Rahmengestells um eine erste
Achse schwenkbar gelagert, wobei das Rahmengestell seinerseits um
eine zweite, sich senkrecht zu der ersten erstreckende Achse in
Stützlagerböcken seitlich
gelagert ist. Zur Verbesserung der Stabilität bei einer Schwingbewegung
ist wenigstens einer der Stützlagerböcke bodenseitig
auf einer Unterlage, z. B. einer Nutenplatte fixiert.
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Die
Antriebs- und Bremseinheit ist entsprechend den Merkmalen des Anspruchs
5 außerhalb des
Rahmengestells auf dem Boden aufstehend fest angeordnet. Sie unterliegt
nicht den Schwenkbewegungen des Rahmengestells, eine Maßnahme,
durch welche die Masse der schwenkenden Teile kleinstmöglich gehalten
wird. Dies verbessert die dynamischen Eigenschaften der Drehantriebe,
insbesondere die Fähigkeit
zur Einleitung schneller Umsteuervorgänge.
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Die
Merkmale der Ansprüche
6 und 7 sind auf die konkrete Ausgestaltung der Drehantriebe gerichtet.
Diese können
hiernach als Baueinheiten ausgebildet sein, welche einen Schneckenantrieb
beinhalten, der mit einem Elektromotor als Antriebsaggregat ausgerüstet ist.
Schneckenantriebe bringen bekanntlich den Vorteil mit sich, dass
auf kleinstem Raum große Über- bzw.
Untersetzungsverhältnisse realisierbar
sind. Beide Drehantriebe sind als ringartige Baueinheiten ausgebildet
und mit zentralen kreisförmigen
Ausnehmungen versehen. Sie sind zur konstruktiven Vereinfachung,
insbesondere hinsichtlich der Ankupplung zumindest der Verbrennungskraftmaschine,
jedoch auch der Antriebs- und Bremseinheit mit der Maßgabe an
dem Rahmengestell befestigt, dass sich deren jeweilige Ausnehmungen
koaxial zu den beiden Achsen der kardanischen Aufhängung erstrecken.
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Die
Baueinheiten der Drehantriebe bilden entsprechend den Merkmalen
des Anspruchs 8 gleichzeitig das eine der beiden Lager, über welche der
Schwenkrahmen innerhalb des Rahmengestells bzw. das Rahmengestell
auf den Stützlagerböcken aufgelagert
ist. Grundsätzlich
sind somit sowohl das Rahmengestell als auch der Schwenkrahmen beidseitig
gelagert. Über
eine entsprechende Ausbildung des Stützlagerbockes einschließlich seiner
bodenseitigen Befestigung, an welchem der Drehantrieb des Rahmengestells
angebracht ist, besteht jedoch grundsätzlich auch die Möglichkeit
einer lediglich einseitigen Lagerung. Gleiches gilt für die Lagerung
des Schwenkrahmens innerhalb des Rahmengestells. Aus Gründen der
mechanischen Stabilität
wird jedoch einer beidseitigen Lagerung der Vorzug gegeben.
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Die
Merkmale des Anspruchs 9 vereinfachen aufgrund der vorhandenen Ausnehmung
innerhalb des Drehantriebs die konstruktive Gestaltung einer Verbindung
zwischen der Antriebseinheit und der Verbrennungskraftmaschine.
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Die
Merkmale des Anspruchs 10 sind auf eine mögliche konstruktive Realisierung
der Herstellung einer Antriebsverbindung zwischen der Antriebs-
und Bremseinheit einerseits und der Antriebswelle der zu untersuchenden
Verbrennungskraftmaschine andererseits gerichtet. Hiernach sind
drei, untereinander im wesentlichen gleich beschaffene Winkelgetriebe
vorgesehen, deren jeweilige Eingangs- und Ausgangswellen unter Winkeln
von 90° zueinander
verlaufen. Dadurch, dass zwei der genannten Winkelgetriebe an der
Außenseite
des Rahmengestells angeordnet sind, kann der durch das Rahmengestell
eingeschlossene Raum optimal für
die Aufnahme des Schwenkrahmens benutzt werden und es wird dieser
Raum jedenfalls nicht durch hineinragende Maschinenkomponenten eingeschränkt. Die
Winkelgetriebe können
untereinander über
Gelenkwellen in Verbindung stehen. Erreicht wird durch diese Anordnung
in jedem Fall, dass die durch den Motor aufgenommene oder abgegebene
Leistung über
die Antriebs- und Bremseinheit messtechnisch einwandfrei erfassbar
ist.
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Die
Merkmale der Ansprüche
11 und 12 sind auf die nähere
Ausbildung der Antriebs- und
Bremseinheit gerichtet. Diese umfasst in jedem Fall einen Elektromotor,
dessen elektrisches Konzept grundsätzlich beliebig ist, so dass
es sich beispielsweise um einen Asynchronmotor oder einen Gleichstrommotor
handeln kann. Wesentlich ist, dass dessen abgegebene Leistung steuerbar
ist. Zusätzlich
umfasst diese Baueinheit jedoch auch eine Bremseinheit, welche im
einfachsten Fall dadurch dargestellt werden kann, dass der genannte
Elektromotor nicht nur motorisch, sondern auch generatorisch betreibbar ist.
Eine Bremseinheit kann auch durch eine Wirbelstrombremse dargestellt
werden.
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Gemäß derb Merkmalen
des Anspruchs 13 ist eine Mess- und Steuerungseinrichtung vorgesehen,
die mit den Elektromotoren der Drehantriebe und mit der Antriebs-
und Bremseinheit in Wirkverbindung steht. Wesentlich ist, dass über diese
Mess- und Steuerungseinrichtung beispielsweise die Schwenkwinkel
der Drehantriebe steuerbar sind und dass die von der Antriebs- und
Bremseinheit nach Maßgabe
der Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine abgegebene oder aufgenommene
mechanische Leistung steuer- und messbar ist. Zahlreiche Steuerungsfunktionen
können
hinzutreten, z. B. eine Steuerung der Winkelgeschwindigkeiten der
Drehantriebe, bei oszillatorischem Betrieb die Drehwinkelamplitude
usw.. Sämtliche
dieser Parameter stehen als Mess- und
Steuerungswerte in der Mess- und Steuerungseinrichtung zur Verfügung, können hier protokolliert
und einer weiteren Auswertung zugeführt werden.
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Die
Merkmale der Ansprüche
14 und 15 sind auf konstruktive Varianten der Lagerung des Schwenkrahmens
sowie des Rahmengestells gerichtet, wobei stets die Drehantriebe
als Baugruppe gleichzeitig zur Lagerung benutzt werden.
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Die
Drehantriebe können
entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 16 wahlweise zur Fixierung
des Schwenkrahmens in wählbaren
Schwenkwinkelpositionen bezüglich
der ihnen jeweils zugeordneten Achsen oder zur Erzeugung oszillatorischer Bewegungen
benutzt werden. Somit ist eine Simulation unterschiedlichster Lagen
und Beschleunigungen möglich.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungen
schematisch wiedergegebene Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Prüfstands
in einer vertikalen Schnittebene 1 – 1 der 2;
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2 eine Draufsicht auf einen
erfindungsgemäßen Prüfstand gemäß Pfeil
II der 1.
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Mit 1 ist
in den Zeichnungsfiguren ein insbesondere oberseitig offenes, um
eine horizontale Achse 2 schwenkbares, in zwei, voneinander
beabstandeten Stützlagerböcken 3,4 gelagertes
Rahmengestell bezeichnet. Die Stützlagerböcke 3, 4 bestehen ihrerseits
jeweils aus einem sich im wesentlichen horizontal erstreckenden
Fußgestell 6, 7 und
einer, sich zu diesem senkrecht erstreckenden Lagerplatte 8, 9. Die
gesamte Vorrichtung ist zum bodenseitigen Aufstellen, hier auf einem
als Nutenplatte ausgebildeten Prüfstandboden 5 bestimmt
und es ist zumindest das Fußgestell 7 mit
dieser Nutenplatte in zeichnerisch nicht dargestellten Weise verschraubt.
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Die
Lagerplatten 8, 9 sind an Stellen 10, 11 jeweils
durch Stützlager
kennzeichnet, deren gemeinsame jeweilige Achsen die Achse 2 bilden,
um welche das Rahmengestell 1 schwenkbar ist.
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Mit 12 ist
ein, der genannten Achse 2 zugeordneter, an der Lagerplatte 9 befestigter,
mit dem Stützlager 11 eine
Baueinheit bildender Drehantrieb 12 bezeichnet. Dieser
kann besonders vorteilhaft als großes Radiallager ausgebildet
sein, dessen einer innerer Teil mit der Lagerplatte 9 und
dessen anderer äußerer Teil
mit dem Rahmengestell 1 in Verbindung steht. Ein Schneckenrad
eines Schneckengetriebes bildet mit dem äußeren Teil eine Baueinheit,
wobei eine mit dem Schneckenrad im Eingriff stehende Schnecke mit
einem zeichnerisch nicht gezeigten, mit dem Drehantrieb baulich
zusammengefassten Elektromotor in Antriebsverbindung steht.
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Mit 13 ist
ein, zur Auflagerung eines zu untersuchenden Verbrennungsmotors
eingerichteter Schwenkrahmen bezeichnet, der sich innerhalb des Rahmengestells 1 befindet
und in diesem um eine Achse 14 schwenkbar gelagert ist,
die sich senkrecht zu der erstgenannten Achse 2 erstreckt.
Die Lagerung des Schwenkrahmens 13 in dem Rahmengestell 1 erfolgt
zum einen über
einen Drehantrieb 15, dessen konstruktiver Aufbau im wesentlichen
dem Drehantrieb 12 entspricht. Das heißt, es ist auch dieser als
großes
Radiallager ausgebildet, dessen inneres Teil mit dem Schwenkrahmen 13 in
Verbindung steht und dessen äußeres Teil
an dem Rahmengestell 1 befestigt ist, wobei ein Elektromotor
und ein Schneckengetriebe weitere Komponenten dieses Drehantriebes
bilden.
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Man
erkennt aus vorstehenden Ausführungen,
dass der Schwenkrahmen räumlich
um zwei zueinander senkrechte Achsen schwenkbar ist, somit kardanisch
gelagert ist.
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Die,
dem Drehantrieb 15 gegenüberliegende Seite des Schwenkrahmens 13 ist über einen
Wellenzapfen 16 in einem, in die Struktur des Rahmengestells 1 integrierten
Stützlager 17 gelagert.
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Mit 18 ist
eine, auf dem Boden des Schwenkrahmes 13 fixierte, hinsichtlich
ihres Betriebsverhaltens untersuchende Verbrennungskraftmaschine
bezeichnet, deren Antriebswelle 19 sich koaxial zu der Achse 14 und
durch den Drehantrieb 15 hindurch erstreckt. Die Antriebswelle 19 steht
in zeichnerisch nicht dargestellter Weise mit der Eingangswelle
eines ersten, auf einer Außenseite 20 des
Rahmengestells 1 angebrachten Winkelgetriebe 21 in
Verbindung. Dieses, etwa in einem mittleren Bereich der Außenseite 20 angebrachte
Winkelgetriebe steht ausgangsseitig über eine Gelenkwelle 22 mit
dem Eingang eines zweiten, in einem Randbereich der Außenseite 20 angebrachten
zweiten Winkelgetriebes 23 in Eingriff. Dieses zweites
Winkelgetriebe 23 steht über eine weitere Gelenkwelle 24 ausgangsseitig
mit dem Eingang eines in einem etwa mittigen Bereich der Innenseite 26 des
Rahmengestells 1 angebrachten dritten Winkelgetriebe 25 in
Verbindung, welches seinerseits ausgangsseitig über eine, durch den Drehantrieb 12 hindurchgeführte Welle 27 mit
einer ortsfest aufgestellten elektrischen Brems- und Antriebseinheit 28 in
Verbindung steht.
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Wie
insbesondere 1 erkennen
lässt,
ist die Antriebseinheit 28 außerhalb des Systems der beiden
Stützlagerböcke 3, 4 bodenseitig
aufgestellt. Sie kann beispielsweise durch eine motorisch und generatorisch
betreibbare Asynchronmaschine gebildet werden, bzw. durch einen
Asynchronmotor mit einer solchen Bremseinheit, welche eine Erfassung
der aufgewandten Bremsleistung ermöglicht, beispielsweise in der
Form einer Wirbelstrombremse.
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Zeichnerisch
nicht dargestellt ist eine Steuerungseinrichtung, die mit den Elektromotoren
der beiden Drehantriebe 12, 15 sowie der Antriebseinheit 28 in
Verbindung steht und deren Antrieb nach Maßgabe eines beliebig vorgebbaren
Testprogramms ermöglicht.
Im Rahmen dieses Testprogramms sind zunächst einmal beliebige Schwenkwinkel
der Drehantriebe 12, 15 möglich, und zwar innerhalb eines
Bereichs von ± 180° bezüglich deren
jeweiliger Achsen 2, 14. Die um diese Achsen einzuleitenden
Schwenkwinkel können
nach Maßgabe
gleicher oder unterschiedlicher Drehwinkelamplituden, gleicher oder
unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeiten, zeitgleich oder auch
phasenverschoben erfolgen usw.
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Über die
Verbindung der Antriebswelle 19 der Verbrennungskraftmaschine 18 mit
der Antriebseinheit 28 sind unterschiedliche Betriebsarten
der Verbrennungskraftmaschine möglich,
so zum Beispiel ein geschleppter Betrieb, bei welchem ein Energiefluss
von der Antriebseinheit 28 in Richtung auf die Verbrennungskraftmaschine 18 hin
erfolgt oder auch ein gefeuerter Betrieb, bei welchem der Energiefluss
in Richtung auf die Antriebseinheit 28 hin erfolgt und
hier in Bremsleistung bzw. generatorisch umgesetzt wird.
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Der
Prüfstand
ermöglicht
die Simulation extremer Fahrzustände
wie z. B. Verzögerungen,
Beschleunigungen, Kurvenfahrt, Berg- und Talfahrt usw., so dass
der Einfluss dieser Fahrzustände,
welche beispielsweise den Flüssigkeitsspiegel
im Motor, insbesondere des Schmieröls des Kühlmittels und des Kraftstoffs
beeinflussen, auf das Betriebsverhalten der Verbrennungskraftmaschine
untersucht werden kann.