DE2604443A1 - Verfahren zur messung von antriebssystem-kenndaten und vorrichtung zu dessen ausfuehrung - Google Patents

Verfahren zur messung von antriebssystem-kenndaten und vorrichtung zu dessen ausfuehrung

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DE2604443A1 DE19762604443 DE2604443A DE2604443A1 DE 2604443 A1 DE2604443 A1 DE 2604443A1 DE 19762604443 DE19762604443 DE 19762604443 DE 2604443 A DE2604443 A DE 2604443A DE 2604443 A1 DE2604443 A1 DE 2604443A1
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    • G01L3/24—Devices for determining the value of power, e.g. by measuring and simultaneously multiplying the values of torque and revolutions per unit of time, by multiplying the values of tractive or propulsive force and velocity

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Description

Verfahren zur Messung von Antriebssystem-Kenndaten und Vorrichtung zu dessen Ausführung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Antriebssystem-ICenndaten im dynamischen Betrieb, insbebesondere von Leistung, Drehmoment und Wirkungsgrad sowie eine Vorrichtung zu dessen Ausführung.
Die bisher üblichen Leistungs- und Drehmomentbestimmungen von Antriebssystemen aller Art finden grundsätzlich immer nach demselben Prinzip statt:
Das Antriebssystem wird mittels einer Bremsvorrichtung, beispielsweise einer Wirbelstrom-Bremse oder einer Wasser-Bremse abgebremst oder belastet, und das dabei e.nt-
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ORIGINAL INSPECTED
stehende Drehmoment M gemessen. Die Leistung L wird mit Hilfe der Gesetzmäßigkeit, wonach die Leistung gleich dem Produkt aus dem Moment und der Winkelgeschwindigkeit ist, bestimmt.
Dabei ist die direkte Messung des Drehmomentes nicht zu umgehen. Dies bedingt besonders bei großen Leistungen und hohen Drehzahlen einen erheblichen technischen und materiellen Aufwand. Da zudem stationär, d.h. bei konstanter Winkelgeschwindigkeit gemessen wird, ergeben sich als weiterer Nachteil relativ lange Vorbereitungsund Meßzeiten, besonders wenn man den ganzen Drehmomentoder Leistungsverlauf als Punktion der Drehzahl bestimmen will. Automatisiert man den Prozeß, so benötigt man sehr aufwendige und teure Regelungs- resp. Steuersysteme. Dynamische Effekte, die bei raschem Beschleunigen von Verbrennungsmotoren vorkommen, einem in der · Praxis, besonders bei Kraftfahrzeugen sehr häufigen Betriebszustand, lassen sich kaum überprüfen.
Aufgabe der Erfindung ist es, den erheblichen technischen und materiellen Aufwand zu mindern und die langen Vorbereitungs- und Meßzeiten herabzusetzen.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe dadurch, daß mindestens eine kinematische Größe erfaßt wird, und daraus
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- 3 die gesuchten Kenndaten ermittelt werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen anschließend vorerst die relevanten physikalischen Gesetzmäßigkeiten aufgeführt sein:
Die momentane Leistung L (t) ist gegeben durch das Produkt aus momentanem Drehmoment M (t) und momentaner WinkelgeschwindigkeitW(t) :
L (t) = M.(t) · «I (t) 1)
Bei einem beschleunigten System gilt der Drallsatz: ( -jt bedeutet die erste zeitliche Ableitung)
(t) = μ (t) 2)
at ;
wobei der Dral.1 D (t) gegeben ist durch D (t) = Q - \aJ (t), θ = Trägheitsmoment 3)
Setzt man 3) in 2) ein, so erhält man
d (Θ - <aJ (t)) = M
dt
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Bleibt das Trägheitsmoment θ während der Messung zeitlich konstant, was bei allen praktisch vorkommenden Anwendungen (Prüfstände usw.) der Fall ist, so läßt sich Formel 4) auch schreiben:
θ · d iv (t) = M (t) oder 5)
dt
g . β (t) = M(t) ( ß(t)) = Winkelbeschleunigung) 6)
Somit läßt sich bei bekanntem Trägheitsmoment θ das momentane Drehmoment M (t) durch Bestimmung der rein kinematischen Größe ιλ; (t) oder /3 (t) bestimmen.
Setzt man Formel 5) oder 6) in 1) ein, so erhält man für die momentane Leistung:
L (t) = θ . dw(t) . vu(t) = θ . β (t) · ^j (t) 7)
dt
Natürlich lassen sich in obigen Formeln die Größen vo (t) oder /3 (t) durch andere kinematischen Größen ausdrücken (bzw. messen): z.B. aus
Geschwindigkeit und Radius r:W(t) = v(t)/r Beschleunigung a (t) : A(t) = a(t)/r, u) (t) =J/3(t)dt Weg s (t): w(t) = ds(t)/r
at
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Winkel-/ (t): uj (t) = d-f (t)
Umlaufzeit T (t) (oder
f*·—· Bruchteile davon): tv (t) = 2 « ü
Tourenzahl: η (t) to (t) = 2 · // . n(t)
sowie andere mittels mathematischer Operationen aus obigen Größen darstellbare Größen 8)
Wie aus Formel 7) und den Formeln 8) zu ersehen ist, ist es also möglich, nur durch Messung einer einzigen kinematischen Größe, z.B. i/v/(t), Leistung der Drehmomente eines Motors zu bestimmen. Eine Messung des Drehmomentes oder einer Kraft ist nicht notwendig.
Ändert man während einer Messung das Trägheitsmoment θ (z.B. um eine sich ändernde Last zu simulieren), so ergibt sich statt Formel 5) bzw. 6):
M(t) = ö(t) · di*/(t) + wJ(t) . dQ(t) bzw. 9)
3Ft" dt
M(t) = e(t) - /3 (t) +u/(t) · dQ(t)
dt
wobei für die Leistung folgender Ausdruck erhalten wird:
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L(t) = e(t) · dtv(t) . ^J (t) +W2(t) · dQ(t) 10) bzw. Umformungen mitß> (t) = dtj(t) und allen Formeln 8)
Führt die Last statt einer Rotation eine translatorisehe Bewegung durch, z.B. ein Kraftfahrzeug selbst als Last seines eigenen Motors, was natürlich die "echteste"
aller möglichen Lasten darstellt, so gelten folgende
Formeln:
L(t) = F(t) . v(t), (F(t) = Antriebskraft) 11) dim · v(t)) =
bzw. bei zeitlich konstanter Masse ra:
hi . dv(t) = F(t), in 11) eingesetzt: 13)
dt
L(t) = m · dv(t) · v(t) = m · a(t) · v(t) 14)
Dies bedeutet, daß es möglich ist, bei bekannter Masse m der Last, nur durch Messung der Geschwindigkeit v(t)
und/oder der Beschleunigung a(t) die an die Last abgegebene momentane Beschleunigungsleistung, ohne Fahrtwiderstände des Motors zu bestimmen, um v(t) zu bestimmen, kann man natürlich auchu/(t) irgendeines rotierenden Teils der Last oder des Motors messen bzw. irgend-
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π _
eine Größe gemäß den Formeln 8).
Nach diesen theoretischen Betrachtungen wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielsweise anhand einer Figur erläutert. Diese zeigt ein Blockschaltbild eines Systems zur Ermittlung der momentanen Leistung. Ein auszumessender Motor 1 beschleunigt über ein Getriebe 3 eine Schwungmasse 5 mit einem bekannten Trägheitsmoment. Es versteht sich von selbst, daß das Getriebe 3 in gewissen Anwendungsbeispielen weggelassen werden kann. Auf einer Welle 7 der Schwungmasse ist eine Lochscheibe 9 fest montiert. Eine opto-elektrische Lesegabel 11 wandelt optische Impulse, welche durch aequidistant auf der Lochscheibe angeordnete Löcher bei deren Rotation hervorgerufen werden, in elektrische Impulse gleicher Frequenz.
Ein Schmittrigger 13, dem diese elektrischen Impulse zugeführt werden und ein nachgeschalteter Monoflop 1 5 normieren die Impulse auf eine feste Pulsbreite und Pulsamplitude, wobei die Pulsrepetitionsfrequenz proportional zur Drehzahl und Winkelgeschwindigkeit der Schwungmasse ist. Ein Tiefpaßglied 17 wirkt als elektronischer Mittelwertbildner, dessen Gleichspannungs-Ausgangssignal proportional zur Drehzahl oder Winkelge-
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geschwindigkeit ist. Dieses Gleichspannungssignal wird einem Differenzierglied 19 zugeführt, dessen Ausgangssignal nun proportional zur Winkelbeschleunigung wird, die, bis auf einen konstanten Eichfaktor, gleich dem vom Antriebssystem abgegebenen Drehmoment M(t) ist. In einem weiteren Funktionsblock 2i wird das Produkt aus dem drehzahlproportionalen Signal und dem drehbeschleunigungs-proportionalen Signal gebildet, womit man wieder bis auf einen konstanten Eichfaktor, ein Signal erhält, das proportional zur Leistung L(t) ist, die der Motor an die Schwungmasse abgibt.
Mit Hilfe eines XY-Schreibers (nicht dargestellt), dessen X-Eingang beispielsweise das drehzahlproportionale, dessen Y-Eingang das drehmoment- oder leistungsproportionale Signal zugeführt wird, erhält man beim Beschleunigen der Schwungmasse die Drehmoment- oder Leistungscharakteristik des Motors als Funktion der Drehzahl. Mit einer relativ kleinen Schwungmasse, deren Trägheitsmoment beispielsweise 1 kg m2 beträgt, erhält man mit einem Verbrennungsmotor von ca. 100 PS im nutzbaren Drehzahlbereich Beschleunigungszeiten und dementsprechend auch Meßzeiten von typisch 5 Sekunden. Mit anderen Schwungmassen und/oder mit einem Getriebe lassen sich praktisch beliebige Beschleunigungszeiten ein-
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stellen. Relativ lange Beschleunigungszeiten sind dann erwünscht, wenn gleichzeitig und zusätzlich zur reinen Leistungs- oder Drehmomentmessung andere, sich relativ langsam ändernde Größen, wie z.B. der Kraftstoffverbrauch oder der Temperaturverlauf an verschiedenen Systemstellen mitgemessen werden sollen. Mit Hilfe eines Mehrkanalschreibers ist es ohne weiteres möglich, auch alle weiteren zusätzlichen Meßgrößen, soweit diese elektrisch erfaßbar sind, gleichzeitig mit der Leistungsoder Drehmomentkurve als Funktion der Drehzahl aufzuzeichnen .
Es versteht sich von selbst, daß entsprechend dem beschriebenen Verfahren, auch weitere kinematische Größen, wie z.B. die Geschwindigkeit bei translatorischen Bewegungen, erfaßt werden können. Um die notwendigen. Umrechnungsschritte zur Ermittlung der gesuchten Kenngrößen auszuführen, wird die Auswerteelektronik entsprechend zusammengestellt.
Durch geeignete Eichung kann erreicht werden, daß die Kenndaten mit ihren absoluten Beträgen erfaßt werden. Sollen lediglich Vergleichsmessungen vorgenommen werden, erübrigt sich eine genaue Eichung.
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Das vorliegende Verfahren zeichnet sich somit gegenüber den herkömmlichen Verfahren durch bedeutend kürzere Meßzeiten zur Erfassung des dynamischen Verhaltens aus, und gibt praktisch erstmals die Möglichkeit, dynamische Vorgänge unter variabler Last während der Beschleunigungsphase im Original-Zeitmaßstab zu studieren. Weiter zeichnet es sich durch einen äußerst einfachen mechanischen Aufbau aus, womit eine entsprechend große Zuverlässigkeit und Genauigkeit, trotz eines kleinen materiellen Aufwandes, erreicht wird. Prinzipiell ist die Messung einer rein kinematischen Größe, wie z.B. der Drehzahl einfacher und damit auch genauer als die Messung einer dynamischen Größe, wie die des Drehmomentes. Die absolute Genauigkeit des beschriebenen Verfahrens ist sehr hoch, wurden doch mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel Genauigkeiten von besser als 1 % erreicht, wobei die Reproduzierbarkeit noch bedeutend genauer war. Die mittels des Verfahrens bestimmbare Leistung entspricht der wirklichen an die äußere Last abgegebenen Leistung, also abzüglich des Leistungsverlustes im Motor selbst. Will man zu Vergleichszwecken die Brems—
leistung LB(t) ermitteln, wie dies an den üblichen stationär arbeitenden Bremsprüfständen ausgeführt wird, so genügt es beim beschriebenen Verfahren, statt dem reinen Lastträgheitsmoment, dasjenige des Gesamtsystems,
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d.h. von Last und Motor zu berücksichtigen, was lediglich einer Änderung des Eichfaktors entspricht. Dies wird in der folgenden Formel ausgedrückt:
LB(t) = (9s+9m). /3(t) · u;(t) bzw. M(t) = (9s+em)-"/3(t) 15)
worin Q3 das Trägheitsmoment der Last und Qm dasjenige des Motors bedeutet. Da das Trägheitsmoment der Last meist sehr viel.größer ist, als dasjenige des Motors, genügt es, das Trägheitsmoment des Motors nur approximativ zu kennen, oder dieses aber bei kleineren Genauigkeitsansprüchen zu vernachlässigen. Das Trägheitsmoment des Motors läßt sich entweder rechnerisch abschätzen, oder aus zwei Messungen mit zwei verschiedenen bekannten Schwungmassen oder zwei verschiedenen Getriebeübersetzungen, mit dem beschriebenen Verfahren bestimmen. An dieser Stelle muß bemerkt werden, daß für höchste Genauigkeitsansprüche eine rein digitale Verarbeitung der Meßgrößen angebracht ist, wobei hingegen bei kleineren Ansprüchen vollständig analog arbeitende Systeme denkbar sind. Ein gutes Verhältnis von Aufwand und Genauigkeit erreicht man, indem man mit einem gemischten Digital-Analog-System arbeitet.
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Claims (1)

  1. 260U43
    PATENTANWALT 8 MDNCHEN, 29. 1.1976/1
    DR. WILHELM HASSE FGm 4229/Wit
    DIPLOMINGENIEUR '
    Patentansprüche
    ( 1 ., Verfahren zur Messung von Antriebssys tem-Kenndaten im dynamischen Betrieb, insbesondere von Leistung, Drehmoment und Wirkungsgrad,
    dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine kinematische Größe erfaßt wird, und daß daraus die gesuchten Kenndaten ermittelt werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit erfaßt wird.
    3. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche ,.
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Eichung vorgenommen wird, um die Absolutwerte der gesuchten Kenndaten zu ermitteln.
    4. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung vorgegeben
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    wird und vorzugsweise wesentlich größer als die Antriebssystem-internen Verluste gewählt wird.
    5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um eine kinematische Größe zu erfassen sowie Auswertemittel, um die gesuchten Kenndaten zu ermitteln.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der kinematischen Größe einen mechanisch-elektrischen Wandler (9, 11) umfassen.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der kinematischen Größe Mittel (9, 11) zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit umfassen.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der kinematischen Größe eine Codierscheibe (9) umfassen.
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    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der kinematischen Größe eine optische Codierscheibe (9) umfassen sowie mindestens einen opto-elektrischen Wandler (11).
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der kinematischen Größe Mittel (9, 11) umfassen, um ein elektrisches Wechselsignal mit einer zur kinematischen Größe proportionalen Amplitude und/oder Frequenz zu erzeugen.
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der kinematischen Größe pulserzeugende Mittel (9,11) umfassen, und daß die Palsrepetitionsfrequenz proportional zur kinematischen Größe ist.
    12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11,
    .dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der kinematischen Größe mittelwertbildende Mittel (17) umfassen, um Gleichspannungssignale proportional zur kinematischen Größe zu erzeugen.
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    13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 1 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der kinematischen Größe Mittel (9, 11) zur Erzeugung von elektrischen Pulsen umfassen, und daß Pulsaufbereitungsmittel (13, 15) vorgesehen sind, um die Pulse auf feste Amplitudenwerte und Pulsbreiten zu normieren.
    14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (17) vorgesehen sind, um ein Gleichspannungssignal proportional zur Pulsrepetitionsfrequenz zu erzeugen.
    5. Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der kinematischen Größe eine Lochscheibe (9) und mindestens einen opto-elektrischen Wandler (11) umfassen, um Pulssignale mit einer Repetitionsfrequenz proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Lochscheibe zu erzeugen, sowie mindestens einen Schmitttrigger (13) und mindestens ein Monoflop (15), um die Pulse betreffs ihrer Amplitude und Pulsbreite zu normieren, sowie mindestens ein Tiefpaßglied (17), um ein der Pulsrepetitionsfrequenz proportionales - Gleichspannungssignal zu erzeugen.
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    16. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (3) vorgesehen sind, um die Belastung des Antriebssystems variabel vorzugeben.
    17. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Getriebe (3) vorgesehen ist, um die Belastung des Antriebssystems (1) variabel vorzugeben.
    18. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine auswechselbare Schwungmasse (5) vorgesehen ist, um die Belastung des Antriebssystems (1 ) vorzugeben.
    19. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche ,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ermittlung der Kenndaten eine Vorrichtung (19) umfassen, die ausschließlich zeitliche Änderungen der kinematischen Größe detektiert.
    §09834/0714
    20. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ermittlung der Kenndaten ein Differenzierglied (19) umfassen.
    . Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ermittlung der Kenndaten produktbildende Mittel (21 ) umfassen.
    609834/0714
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