Motorprüfstand

Motorprüfstand
für 3.5cm³ Verbrennermotore, Buggy 1:8
Idee
von Gerd Ehrenfried, Alexander Fellner, Richard Schallmoser, www.twf8.ws, u.v.m.
Konzept
von Richard Schallmoser, [email protected]
Projektstart:
Im Herbst 2003, beim Öfmav-GP des A1-Team im Oktober, ist im Gespräch zwischen Gerd
und Fossi das Stichwort "Motorprüfstand" (f. Elektromotore) gefallen. Auf meinen scherzhaft
spitzen Einwurf, warum der Club denn keinen Prüfstand für Verbrenner habe, stieg Gerd
sofort mit konstruktiven Ideen und Anmerkungen darauf ein. Da ich mich insgeheim schon
mit solchen Gedanken auseinandergesetzt habe, fielen die Bemerkungen auf fruchtbaren
Boden und schon war ich überredet einen Prüfstand zu bauen.
Übersicht:
Zielsetzung
Funktionsprinzip
Berechnung der erforderlichen Schwungmasse
Messung der Beschleunigung
Konzept / Prüfstandaufbau
Projektverlauf – Teil 1 Konzept und Machbarkeit
Projektverlauf – Teil 2 Konstruktion
Projektverlauf – Teil 3 Umsetzung
Zielsetzung:
Maßnahmen zu Kupplungs-, Vergaser-, Motor-, Resorohr- und sonstigen Einstellungen, sowie
Einflüsse wie Temperatur, Umgebungsbedingungen, Sprit, Glühkerzen, Luftfilter usw.
vergleichen und beurteilen zu können.
Um die Messergebnisse erfolgreich auf den realen Einsatz übertragen zu können ist dafür
Voraussetzung, dass der Motor am Prüfstand möglichst vergleichbar belastet wird wie im
Fahrzeug auf der Strecke. Von größerer Bedeutung als die maximale Leistung und
Drehmoment sind dabei das Durchzugsverhalten beim Beschleunigen, also die Charakteristik
wie der Motor unter Belastung hochdreht.
Übersicht
Funktionsprinzip des Prüfstands:
nächstes Kapitel
Am Trägheitsprüfstand beschleunigt der Motor nun NICHT die Fahrzeugmasse auf
Höchstgeschwindigkeit, sondern beschleunigt eine rotierende Schwungmasse auf
Höchstdrehzahl und arbeitet dabei gegen die Trägheit der rotierenden Masse
(Trägheitsmoment).
Bei konstanter Drehzahl braucht der Motor am Prüfstand nur die Reibung überwinden, das
heißt der Motor läuft bei Teillast. Es interessiert aber die verfügbare "Leistungsfähigkeit"
(Drehmoment) bei Volllast, um den Buggy zu beschleunigen. Daher erfolgt eine Messung
durch Vollgas geben bis er nicht mehr höher dreht.
Ein solcher Messzyklus genügt für die komplette Berechnung einer Motorkennlinie. Der
Motor sollte dabei wie im Buggy auf der Strecke nur rund 5 bis 10 Sekunden benötigen.
Gemessen wird dabei der Drehzahlverlauf (eigentlich die zeitliche Änderung der Drehzahl,
d.h. die Winkelbeschleunigung). Zusammen mit dem Trägheitsmoment der Schwungscheibe
(J = m r² / 2 für den Zylinder) lässt sich damit der Drehmomentverlauf und die Leistung
ausrechnen.
M=Jα
und
P=Mω
Drehmoment M ist Trägheitsmoment mal Winkelbeschleunigung und Leistung P ist
Drehmoment mal Winkelgeschwindigkeit. Dabei ist die Winkelbeschleunigung α die
Änderung der Winkelgeschwindigkeit pro Zeit und die Winkelgeschwindigkeit ω = 2 π n mit
n in Umdrehungen pro Sekunde, M in Newtonmeter, P in Watt und J in kgm².
Nach dem Hochfahren auf die Maximale Drehzahl wird das Auslaufen der Schwungmasse bis
zum Stillstand gemessen. Dabei treibt die Schwungmasse, während die Lagerreibung bremst.
Dadurch wird das Ausmaß der Gesamtreibung und zwar der Drehzahlverlauf der Widerstände
am Prüfstand ermittelt. Genau diese Widerstandsmomente musste der Motor aber zuvor beim
Beschleunigen zusätzlich zur Trägheit der Schwungmasse überwinden. Zum errechneten
Antriebsmoment addiert ergibt sich damit der Momentverlauf des Motors in absoluter Höhe.
Die Voraussetzung für ein hoch genaues Ergebnis sind exakt ausgemessene Schwungmassen,
daraus eine korrekte Bestimmung des Trägheitsmomentes (inkl. Lager-Innenringe) und eine
präzise Drehzahlmessung.
Übersicht
Berechnung der erforderlichen Schwungmasse:
nächstes Kapitel
Wählt man die Schwungmasse zu klein, beschleunigt der Motor am Prüfstand unrealistisch
schnell auf maximale Drehzahl!
Für die Berechnung sei der Einfachheit halber eine reibungsfrei und gleichförmig beschleunigte Bewegung angenommen.
Unter der Bedingung, dass die Beschleunigung der rotierenden Schwungmasse gleich lange dauert, wie die Beschleunigung
des Buggy bis zur Höchstgeschwindigkeit (s. Zielsetzung) ergibt sich nach massivem Einsatz von Formeln und
Umformungen ein verblüffend einfacher Zusammenhang für das gewünschte Trägheitsmoment:
J = m r² / i²
wobei gilt:
J ...... Trägheitsmoment der gesamten Schwungmasse in kgm²
m .... Fahrzeugmasse des Buggy (betriebsbereit ca. 3,3 kg)
r ...... Radius der Buggyräder in m (ca. 6cm = 0,06m)
i ...... Übersetzung im vorderen bzw. hinteren Differenzial i = zp/zk (43/13)
mit zp ... Zähnezahl des Planrades und zk ... Zähnezahl des Kegelrades
Wird für die Übersetzung am Prüfstand (zwischen Schwungwelle und Motor) eine andere gewählt als jene
am Auto zwischen Mitteldifferenzial und Motor, dann wird die Formel etwas komplizierter. Im Grunde
bleibt aber das Verhältnis von Trägheitsmoment zu Fahrzeugmasse immer nur abhängig von den
Geometrien, wie das Motormoment auf die Schwungmasse bzw. als Vorschubkraft auf den Boden gebracht
wird.
Was taugt die Formel nun?
Leider gar nichts !
Der Drehmomentverlauf eines SIRIO S21 BR ABC, abgedruckt im amt, Ausg. 7/2003, würde
mit dem berechneten Schwungrad eine Beschleunigungszeit von ~ 0,8 Sekunden ergeben!
Das ist leider utopisch und entspricht nicht der Realität.
Der Umstand, dass der Radius bzw. Umfang der Reifen durch die Fliehkraft deutlich zunimmt
und damit die Übersetzung sich drehzahlabhängig ändert, ist in der Formel NICHT
berücksichtigt und darf aber für die Berechnung offensichtlich NICHT vernachlässigt werden!
Auch die Reibung in Lagern, Getrieben und Gelenkwellen, die Walkarbeit und Reibung in
den Reifen, sowie sonstige Verluste sind NICHT mit der Reibung am Prüfstand vergleichbar
oder vernachlässigbar.
Das aus Fotos der Schwungwelle der twf8-test-bench nachgerechnete Trägheitsmoment
ergibt auch keine besseren Informationen und praktische Erfahrungen mit dem Prüfstand sind
dort auch noch nicht nachzulesen.
Übersicht
Messung der Beschleunigung:
Mangels
Berechenbarkeit
der
Schwungmasse
müssen
daher
Messungen
am
Fahrzeug
weiterhelfen.
Infos und Ergebnisse folgen.
Übersicht
Konzept / Prüfstandaufbau:
Mit der Zielsetzung möglichst großer Flexibilität
einerseits und dem Einsatz vieler StandardNormteile andererseits wurde eine kostengünstige
und rasche Umsetzbarkeit angestrebt.
Als Trägerrahmen bzw. Gehäuse des Prüfstands
wird eine Startbox für 1:8 Buggys verwendet, die
ein einfaches Starten des Motors ermöglichen soll.
Der Motor wird inklusive Kupplung und Kupplungsglocke (13 Zähne) auf einem Motorträger
aufgespannt. Verstellbare Spannklauen des Motorträgers ermöglichen die Aufnahme
verschiedener Motorgrößen von 2,1cm³ bis 4,5cm³. Die
quer verschiebbare Anordnung des Motorträgers muss die
Einstellung des Zahnspiels ermöglichen und die sichere
Fixierung gewährleisten. Die Anordnung des Motorträgers
orientiert sich am Reibrad des Starters und dem
Schwungrad des Motors.
Die Kraftübertragung erfolgt auf ein StandardHauptzahnrad (46 Zähne für Buggy-Mitteldifferentiale),
das mit einem Adapter (je nach Fabrikat des Zahnrads)
direkt auf der Schwungwelle sitzt.
Die Schwungwelle dient als Träger von bis zu 3
verschiedenen
Schwungscheiben
und
ist
in
Stehlagerböcken gelagert. Um Schwingungen zu
vermeiden ist eine hohe Präzision bezüglich Toleranz,
Rundlauf, Planlauf und Zylindrizität gefordert.
Die Schwungscheiben werden mit einem Schutzgitter überbaut.
In die bewegliche Deckplatte der Startbox muss für die großen Schwungscheiben eine
Ausnehmung herausgesägt werden. Zur Versteifung ist daher ein zusätzlicher Rahmen, sowie
eine Fixierung vorgesehen.
Eine Bremsanlage ist vorerst nicht geplant, könnte aber am zweiten Wellenende angeflanscht
werden oder direkt auf eine Schwungscheibe wirken. (siehe jedoch Funktionsprinzip-Auslauf)
Übersicht
Projektverlauf - Teil 1:
Konzept und Machbarkeit
nächstes Kapitel
Bald nach den ersten Gesprächen hab ich meine Vorstellungen eines klassischen Prüfstands
mit gemessenem Bremsmoment verworfen. Das modernere und zugleich verblüffend simple
Konzept eines Trägheitsprüfstands mit Schwungmasse ist wesentlich einfacher umzusetzen (s.
Funktionsprinzip). Dabei arbeitet der Motor nicht mit konstanter Drehzahl gegen eine
Bremse, sondern er beschleunigt eine Schwungmasse bis zur maximalen Drehzahl und
arbeitet dabei gegen die Trägheit der rotierenden Massen (Trägheitsmoment).
Es haben sich zwei Problemkreise abgezeichnet, deren Lösung für die Umsetzung maßgeblich
sein würde:
1.) Wie groß ist die Schwungmasse zu wählen? (s. Zielsetzung)
2.) Wie bekommen wir die Daten (zumindest die Drehzahl) für die Berechnung der
Motorkennlinie in den PC?
Für die Größe der Schwungmasse hätten das Twf8-test-bench Projekt, weitere Links oder
Foren weiterhelfen sollen. Konkret brauchbare Informationen für unseren Prüfstand für
3,5cm³ Buggy-Verbrennermotore waren jedoch nicht aufzutreiben.
Mit dem Auffrischen meiner Physikkenntnisse kam also der Versuch zur Berechnung der
Schwungmasse. Leider zwecklos! (s. Berechnung der erforderlichen Schwungmasse)
Es bleibt abgesehen von ausprobieren (ein Dutzend Schwungscheiben herstellen?) einzig
noch die reale Messung der Beschleunig des Buggy auf der Strecke. Dies ist aber mit der
Problemlösung zu 2.) eng verwandt.
Über den Winter bin ich also
zum Elektroniker mutiert,
wobei vom Christkind ein
preisgünstiges Osziloskop für
den PC ganz nützlich war.
Das Ergebnis ist simpel und
kostengünstig: Es genügt
eine Gabellichtschranke mit
Lochscheibe
und
einen
Transistor und 2 bis 3
Widerstände zusammen zu
löten und der Drehzahlsensor
ist für wenige Cent bzw.
Euro fertig.
Für die On-board-Messung am
Buggy kommt ein preisgünstiges
(~17 €) Sender-Empfänger-Set
mit 433 MHz zum Einsatz. Erste
Praxistests waren nach reichlich
Rückschlägen
dann
doch
erfolgreich,
die
Praxisbewährung
ist
noch
ausständig
(Reichweite,
Funkstörungen, ...?)
Aber wer zählt jetzt die Rechteckimpulse bzw. wie kommt
das Signal in den PC um es dort auszuwerten?
Kostspielige Datenlogger (Speicher- und Aufzeichnungsgeräte) und Eingriff in deren
Software für die weitere Auswertung am PC kommen für den Prüfstand nicht in Frage.
Aufwändige Profi-Schnittstellenkarten zur PC-Messtechnik sind ebenso unnötig wie
unbrauchbar für Notebooks.
Nach langer unbefriedigender Suche geeigneter externer (und preisgünstiger) AnalogDigitalwandler erhielt ich den Tipp, die Soundkarte mit dem Audioeingang zu verwenden.
Aufzeichnung eines wav-files mittels Recordersoftware und Auswertung der Datei wären die
Lösung. Aufgrund meiner früheren vergeblichen Versuche zur Auswertung von jpg-GrafikDateien war ich skeptisch. Im Internet waren aber genug Infos zum Dateiformat zu finden.
Diese wav-Dateien sind derart simpel aufgebaut, dass nach einigem Programmieren erste
Auswerte- bzw. Umwandlungstools bald funktioniert haben.
Also bin ich das Risiko, die PC-Soundkarte abzuschießen, eingegangen. Ergebnis: Mit
wenigen Cent für den Drehzahlsensor und etwas Hirnschmalz zur Auswerte-Software ist
verblüffend wenig Aufwand erforderlich. Die genannten Probleme waren damit im
Wesentlichen gelöst und die Machbarkeit geklärt.
Der konstruktiven Konzeption stand nun nichts mehr im Weg. Für die endgültigen Maße der
Schwungscheibe(n) fehlen nur noch die Messungen. (s. Messung der Beschleunigung)
Übersicht
Projektverlauf – Teil 2:
Konstruktion
nächstes Kapitel
Mit dem Blick auf eine Trainingshantel kam die Idee mehrere austauschbare
Schwungscheiben einzusetzen. Dies ergibt die Möglichkeit auch für verschiedene Motortypen
(2,1 cm³ bis 4,5 cm³) jeweils das erforderliche Trägheitsmoment bereitstellen zu können.
Außerdem kann damit die tatsächliche Größe später noch genau festgelegt werden. Zudem hat
eine Schwungscheibe den Vorteil kurzer Baulänge im Gegensatz zur twf8-testbench mit einer
langen Schwungwelle.
Die maßstabsgetreue Anordnung von maximal 3 Schwungscheiben (Ø ~100mm) mit Welle
(Ø ~25mm ), Hauptzahnrad (Z 43) und eines 3,5cm³ R&B CE zeigte bald, dass der gesamte
Prüfstand wohl kaum größer als eine Startbox sein müsste.
Nachdem das twf8-team von Startproblemen berichtet hat, war sofort klar, dass die Innereien
einer Startbox (Reibradantrieb) auch rechtzeitig mit eingeplant werden sollten. Gleich den
ganzen Prüfstand auf eine Startbox aufzubauen war somit recht naheliegend und das
Gesamtkonzept damit überwiegend fertig.
Die genaue Anordnung der Startbox-Komponenten im Zusammenspiel mit Schwungwelle,
Zahnrädern, Motor und Motorhalterung waren dann doch noch für einige Nachtschichten am
PC verantwortlich. Der Wechsel von einer Thunder-Tiger- zu einer Mugen-Startbox hat
weiteren Aufwand verursacht. Letztere bietet aber einige Vorteile bezüglich der
Startmechanik was für mich ausschlaggebend war.
Übersicht
Projektverlauf – Teil 3:
Umsetzung
Erste Einzelteile sind bereits in Arbeit. Sobald die nächsten Detailpläne und Maßzeichnungen
jeweils fertig sind, wird losgelegt.
Stand 31.03.2004. Fortsetzung folgt.
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