DE2057347B2

DE2057347B2 - Vorrichtung zur Prüfung umlaufender Werkstücke bezüglich ihres Verhaltens bei unterschiedlichen Drehzahlen und Drehmomenten

Info

Publication number: DE2057347B2
Application number: DE2057347A
Authority: DE
Inventors: Manfred 4018 Langenfeld Baumgarten; Horst 4019 Monheim Knaebel; Lothar Dipl.-Ing. 4000 Duesseldorf Saeemann
Original assignee: Aviatest 4000 Duesseldorf GmbH
Current assignee: Aviatest 4000 Duesseldorf GmbH
Priority date: 1970-11-21
Filing date: 1970-11-21
Publication date: 1974-07-25
Also published as: US3754437A; DE2057347C3; DE2057347A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung umlaufender Werkstücke bezüglich ihres Verhaltens bei unterschiedlichen Drehzahlen und Drehmomenten.

Derartige Vorrichtungen werden benötigt, um das Verhalten der verschiedensten Maschinenelemente unter simulierten Betriebsbedingungen zu untersuchen. Genannt seien beispielsweise Gelenkwellen, Getriebe, Fahrzeugachsen, Turbinenläufer.

Es ist bekannt, für die Drehmomentbelastung solcher Teile und die Untersuchung ihres Verhaltens den Prüfling zwischen ein Antriebsaggregat und ein Bremsaggregat zu schalten und das übertragene Drehmoment mittels Dehnmeßstreifen zu erfassen. Die Änderung des übertragenen Moments erfolgt sehr oft dadurch, daß das Bremsaggregat als elektrischer Generator oder »Bremsmotor« ausgebildet wird, dessen bremsendes Moment elektrisch beeinflußbar ist. Die abgegebene elektrische Leistung kann dann in das örtliche Netz zurückgespeist werden.

Über eine solche Anordnung können aber nur relativ langsame Momentänderungen vorgenommen werden, und je größer die zu übertragende Leistung und damit der Bremsmotor ist, desto langsamer muß die Drehmomentänderung erfolgen wegen der zunehmenden Trägheit des Motors.

Für die Prüfung unter relativ schnellen — stoßartigen — Drehmomentbelastungen bedient man sich sogenannter Drehzylinder oder äquivalenter hydraulischer Kupplungen. Der Prüfling wird mit einem Drehkolben verbunden, der sich über eine Hydraulikfluidsäulc gegen Zwischenwandungen des Drehzylinders abstützt. Der Drehzyünder wird fest montiert, und über gesteuerte Ventile kann der Druck der Hydraulikfluidsäule stoßartig erhöht oder abgesenkt werden. Derartige Prüfeinrichtungen sind im Handel. Es ist möglich, mit einer solchen Vorrichtung auch umlaufende Prüflinge stoßartig zu belasten. Man muß dann den angetriebenen Prüfung mit dem Drehkolben verbinden und den Drehzylinder mit umlaufen lassen; die Zufuhr des Hydraulikfluids in die Kammern des Drehzylinders erfolgt dann über Ventile in einem Außengehäuse, welche zu entsprechenden, mit den Kammern verbundenen Ringleitungen führen. Damit die Prüfung zutreffende Werte liefert, muß der Drehzylinder gegenüber dem Drehkolben sehr träge sein, damii sich die Hydrauliksäule »abstützen« kann; elastisches Nachgeben des Drehzylinders würde die Prüfung verfälschen. Mithin ist der Drehzylinder mit einer Schwungmasse zu verbinden, um ein möglichst großes Trägheitsmoment vorzusehen. Dies führt aber zu Schwierigkeiten, wenn außerdem auch die Drehzahl schnell veränderbar sein muß, weil die Schwungmasse dies verhindert und damit das Drehmoment unzulässig beeinflußt würde. Darüber hinaus ist auf diese Weise auch nur eine relativ schnelle Drehmomentänderung 7.U erfassen, da selbst ein sehr träges Schwungrad langsamen Drehmomentänderungen ohne weiteres folgen würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die sowohl einen elektrischen Antriebs- und Bremsmotor (der Motor muß auch antreibend wirken können, damit »negative« Drehmomente dem Prüfling aufgeschaltct werden können) als auch eine hydraulische Kupplung aufweist, mit welcher Vorrichtung Prüflinge zuverlässig mit allen im Betriebsfall auftretenden Drehzahlen und Drehmomenten beaufschlagt werden können, so daß ihr Verhalten meßbar ist. Bisher konnte man ja, wie oben erläutert wurde, nur innerhalb gewisser Grenzen belasten.

Als Beispiel soll die folgende Spezifikation für eine Vorrichtung angegeben werden:

Im Drehzahlbereich η = 0 ... 500 min-¹

Drehmomente Md = 0 ... 250 kpm mit überlagerten Stößen
von Md = ± 50 kpm bei

Frequenzen
von f = 0 ... 150Hz

Im Drehzahlbereich η = 500 ... 2000 min-¹
Md = 0 ... 70 kpm mit

derselben Drehmoment
überlagerung.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Rotor des Antriebs- und Bremsmotors starr mit einem der Kupplungsteile verbunden ist und daß eine Einrichtung für die Beaufschlagung der Kupplung mit Drehmomentänderungen vorgesehen ist, bei deren Frequenz der Motor als Schwungmasse wirkt, und für die Beaufschlagung des Motors mit den Drehmomentänderungen darunterliegender Frequenz.

Die Kupplung wird man dabei im allgemeinen in der oben geschilderten, an sich bekannten Weise ausbilden; dci Motor ist vorzugsweise ein Gleichstrommotor.

Der Ausdruck »starr« bedeutet selbstverständlich nicht, daß die Verbindungsteile absolut unelastisch sind, weil dies zwar erfindungsgemäß der Idealfall wäre, praktisch jedoch nicht zu verwirklichen ist. Dieser Idealfall läßt sich immer nur annähernd erreichen. Aus diesem Grunde wird man auch, wenn die Kupplung ein Drehzylinder ist, den Drehkolben mit dem Prüfling verbinden und den Zylinder selbst mit dem Motor, da dann die Verbindung nicht über eine relativ dünne Welle, sondern über massive und damit starrere Bauteile erfolgt. Je starrer die Verbindung ist, desto geringer ist die Gefahr unerwünschter Koppelschwingungen. Solche Koppelschwingungen wären beispielsweise bei der Verbindung über auch nur kurze Hydraulikleitungen wegen der mit höherem Druck zunehmenden Kompressibilität des Hydraulikfluids unvermeidlich. Bei einer mechanisch starren Verbindung jedoch liegen die Frequenzen etwaiger Koppelschwingungen oberhalb des Arbeitsfrequenzbereiches. Darüber hinaus besitzt das Drehzylindergehäuse ein höheres Trägheitsmoment als der Drehkolben, wodurch in vorteilhafter Weise die Schwungmasse vergrößert wird.

Ein Gleichstrommotor ist bevorzugt, weil sein Rotor ein wesentlich größeres Trägheitsmoment besitzt als beispielsweise der einer Asynchronmaschine. Bei der letzteren ist ferner die Umsteuerung von negativem auf positiven Schlupf nur mit erheblichem Aufwand möglich, welcher Übergang von bremsendem zu antreibendem Betrieb in vielen Fällen jedoch stoßfrei erfolgen soll.

Um die erheblichen Drehmomentschwankungen mit der geforderten Frequenz von !50 Hz auf den Drehzylinder schalten zu können, sind in dessen Gehäuse gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mehrcre synchron steuerbare Ventile vorgesehen. Zwar könnte man auch ein einziges, größeres Ventil verwenden, um den erforderlichen Massendurchfluß zu ermöglichen, doch wäre die Steuerung eines so großen Ventils zu träge. Andererseits müssen die Ventile möglichst nahe an dem Gehäuse sitzen, um die Hydraulikfluidsäule so klein wie möglich und damit so starr wie möglich zu halten.

Die oben beispielsweise angegebenen Werte entsprechen einer zu übertragenden Leistung von etwa 180 PS. Man wird versuchen, den Motor so zu wählen, daß er für diese Leistung ausreicnt, aber auch nicht überdimensioniert ist, also etwa einen 150 kW-Motor wählen. Bei einem solchen Motor liegt die »Grenzfrequenz«, also die Frequenz, bis zu der die Drehmomentenänderung am Motor aufschaltbar ist, bei etwa 5 Hz, wenn es sich um einen Gleichstrommotor handelt. Man beaufschlagt den Motor mit den darunterliegenden Frequenzen; sehr hohe Frequenzen könnte man allerdings zulassen, weil die mechanische und elektrische Trägheit des Motors verhindert, daß der Rotor schnellen Änderungen folgt.

Der Drehzylinder andererseits überträgt das gesamte Drehmoment; er verspannt den Prüfling gegenüber dem Motor. Der Verdrehwinkel zwischen Zylinder und Kolben ist konstruktiv bedingt begrenzt, z. B. auf 3u . Wenn der Prüfling sehr elastisch ist, wird dadurch der gesamte Momentenbereich begrenzt. Dem Drehzylinder werden nur die oberhalb 5 Hz liegenden Drehmomentenstöße aufgeschaltet, bei denen der Motor als Schwungmasse wirksam ist. Bei langsameren Drehmomentenänderurigen würde der Rotor des Motors folgen.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden, die schematisch eine Versuchsanlage mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt. Die Anlage ist als Regelkreis ausgelegt, bei der ein vorgegebenes Prüfprogramm als Fülirungsgröße dient und die jeweils gemessenen Drehmomente und Drehzahlen auf den vom Programm vorgegebenen Wert nachgeregelt werden.

Als Prüfling dient die Hinterachskonstruktion eines Kraftfahrzeugs, man erkennt die Kardanwelle 10, das Differentialgetriebe 12 und die Gelenkwellen 14, 16 zu den anzutreibenden Hinterrädern. An die Gelenkwelle 16 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung angeschlossen dargestellt; eine gleichartige Vorrichtung ist auch in nicht dargestellter Weise mit der Gelenkwelle 14 verbunden.

Sowohl von der Kardanwelle 10 wie auch von den Getriebeteilen und den Gelenkwellen führen jeweils Meßleitungen zu einem Aufzeichnungs- und Auswertungsgerät; Versuchsauf bau, Meßwertaufnehmer und die Verarbeitung der Meßwerte bilden keinen Gegenstand der Erfindung und werden daher in diesem Zusammenhang nicht näher beschrieben. Im allgemeinen setzt man Dehnungsmeßstreifen für die Erfassung der Drehmomente und Pulsgeber zur Ermittlung der Drehzahlen ein.

Die gemessenen Werte repräsentieren den Ist-Zustand und werden über eine Rückführleitung einer Steuereinrichtung 34 zugeführt.

Die Vorrichtung umfaßt eine hydraulische Kupplung 18 in Form eines Drehkolbens 20, der abgedichtet in einem Drehzylinder 22 sitzt. Der Drehkolben 20 ist mit der Gelenkwelle 16 über eine Sicherheitskupplung (nicht dargestellt) verbunden, die im Falle von Störungen die Vorrichtung außer Betrieb setzt. Die Sicherheitskupplung kann auch in den Drehzylinder eingebaut sein; sie bildet keinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Der Drehkolben 20 kann gegenüber dem Drehzylinder um 30^J vor- oder nachlaufen; beide Teile der Kupplung sind über eine Hydraulikfluidsäule miteinander verbunden, die sich in vier Kammern zwischen zwei Flügeln des Drehkolbens und radialen Zwischenwandungen des Drehzylinders befindet. Die Kammern sind über schematisch dargestellte Ringleitungen 24 mit dem Auslaß von mehreren Ventilen, von denen die beiden Ventile 26 und 28 erkennbar sind — verbunden. Die Ringleitungen 24 und die Ventile sind in bzw. an einem feststehenden äußeren Gehäuse 30 angeordnet. Der Drehzylinder selbst läuft gemeinsam mit dem Drehkolben um. Der Drehzylinder ist starr mit dem Rotor eines Gleichstrommotors 32 verbunden; es wäre auch denkbar, den Drehzylinder selbst als Rotor des Motors auszubilden, doch dürfte die Ausführung nach dem dargestellten Beispiel zweckmäßiger sein. Der Rotor oder Anker des Elektromotors ist mit dem Steuergerät 34 verbunden, von dem auch die Ventile der Kupplung gesteuert werden. An der Einlaßseite der Ventile steht Hydraulikfluid unter Hochdruck.

Das Steuergerät führt dem Anker des Motors Strom zu — oder entnimmt Strom — gemäß einem Programm, das die einzelnen Prüfbedingungen festlegt. Das" Vergleichen der durch das Programm vorgegebenc-n Sollwerte mit den zum Steuergerät 34 zurückgeführten Ist-Werten erfolgt in der üblichen Weise und braucht deshalb hier nicht näher erläutert zu werden.

Bei der Prüfungeines Hinterachsaggregates beispielsweise muß die Gelenkwelle sowohl wie im angetriebenen Zustand belastet werden als auch unter Bedingungen, unter denen sie selbst antreibend auf das Differentialgetriebe zurückwirkt, etwa bei Bergabfahrt. Dabei sind die Größen Dreh2:ahl, Drehmoment, Motorleistung und weitere Variable miteinander verknüpft. Das Prüfprogramm enthält nun eine dieser Variablen, vorzugsweise das Drehmoment, während die zugeordnete Drehzahl auf der (nicht dargestellten) Antriebsseite der Kardanwelle 10 variiert wird. Die Erstellung eines Programms, das der im Betrieb talsächlich auftretenden Belastung entspricht, obliegt dem Benutzer der Vorrichtung. Das Programm kann beispielsweise auf Lochstreifen oder Magnetband gespeichert sein und wird mit den üblichen Einrichtungen in Sollgrößen für das Steuergerät 34 umgewandelt. Die Regelung selbst bildet keinen Gegenstand der Erfindung; es sei nur soviel erwähnt, daß der Motoranker über Thyratrons oder Thyristoren gesteuert wird, die auch eine Rückspeisung der Bremsleistung in Form elektrischer Leistung in das Netz erlauben.

Das Steuergerät enthält eine Frequenzweiche, deren Bauart nicht erfindungswesentlich ist, um den Motor-Stromkreis nur mit solchen Drehmomentänderungen zu beaufschlagen, die unter einer einstellbaren Grenzfrequenz von beispielssweie 5 Hz liegen, während die höheren Frequenzen auf die Ventile geschaltet werden. Selbstverständlich kann die Frequenz;aufspaltung auch bereits bei der Erstellung des Programms erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Prüfung umlaufender Werkstücke bezüglich ihres Verhaltens bei unterschiedliehen Drehzahlen und Drehmomentbelastungen eines Prüfprogramms mit einem elektrischen Antriebs- und Bremsmotor und einer hydraulischen Kupplung, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor des Antriebs- und Bremsmotors (32) starr mit einem der Kupplungsteile verbunden ist und daß eine Einrichtung für die Beaufschlagung der Kupplung (18) mit Drehmomentänderungen vorgesehen ist, bei deren Frequenz der Motor als Schwungmasse wirkt, und für die Beaufschlagung des Motors mit den Drehmomentänderungen darunterliegender Frequenz.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (18) ein Drehzylinder ist, der mit dem Motorrotor sfarr verbunden ist und in dem sich ein mit dem Prüfling starr verbundener Drehkolben (20) über eine Hydraulikfluidsäule abstützt, und daß der Drehzylinder (22) von einem Gehäuse (30) mit steuerbaren Ventilen (26, 28) umschlossen ist für die gesteuerte Veränderung des Hydraulikfluidsäulenvolumens in Abhängigkeit von dem Prüfprogramm.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) eine Mehrzahl von synchron steuerbaren Ventilen aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Frequenzweiche für die Auftrennung der dem Motor und der der Kupplung zuzuführenden Frequenzen.

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