Optimierung der Leistungsmessung auf Rollenprüfständen
Rollenprüfstände messen die Leistung eines Motors an den Rädern der angetriebenen Fahrzeugachse.
Um eine möglichst hohe Übereinstimmung von gemessener Rollenleistung und tatsächlicher Motorleistung zu erreichen, müssen die Verluste der gesamten Übertragungskette sorgfältig analysiert werden.
Die wichtigsten Verlustfaktoren sind:
- Mechanische Verluste zwischen Motor und Antriebsrädern
(Getriebe, Differential, Antriebswellen, Lager)
- Übertragungsverluste zwischen Reifen und Rolle.
- Nur bei dynamischer Messung:
- Verluste durch das Trägheitsmoment von Schwungscheibe, Antriebswellen und Rädern -
Die „Schleppleistung“ - die im Ausrollversuch ermittelt und der gemessenen Radleistung hinzugerechnet wird - bildet nur die Leistungsverluste im quasi lastfreien Zustand ab.
Da sowohl die mechanischen Verluste als auch die Verluste zwischen Reifen und Rolle unter Last höher sind als im lastfreien Zustand müssen die jeweiligen Abweichungen durch Messungen oder empirische Werte kompensiert werden.
Im Folgenden werden die drei vorstehend genannten Verlustgruppen untersucht.
Primäres Ziel dieser Untersuchung ist die Optimierung der Messergebnisse des SuperFlow – Rollenprüfstands der Fa. Komo – Tec GmbH in Mendig.
1. Mechanische Verluste:
Moderne Schaltgetriebe mit integriertem Differential (Quereinbau) haben bei hoher Last einen Wirkungsgrad von 95% bis 97%
Im lastfreien Zustand verringern sich die Verluste in der Größenordnung von 1,0% bis 1,5%.
Rechnet man die Verluste in den homokinetischen Gelenken und den Radlagern hinzu, liegt die Differenz zwischen den mechanischen Verlusten unter Last und den Verlusten im lastfreien Zustand bei
max. 2%
Dieser empirische Wert dürfte die Genauigkeit des Messergebnisses also im Bereich von nur +/- 0,5% beeinflussen.
2. Übertragungsverluste zwischen Reifen und Rolle
A) Verluste der antriebsfrei rollenden Räder
Reifen die keine Längs – oder Querkräfte übertragen (antriebsfrei rollendes Rad)
haben sehr kleine Rollwiderstände.
Auf glatter Asphaltstrecke haben moderne Gürtelreifen Rollwiderstandskoeffizienten von 0,010 bis 0,012 (Einfluss von Vorspur und Sturz)
Die auf den Trommelprüfständen der Reifenhersteller ermittelten Werte liegen bei 0,010.
Damit wird dieser Koeffizient auch für die großen Scheitelrollen des
SuperFlow - Prüfstands angesetzt.
(Bei einer Geschwindigkeit von 130 km/h und einer Achslast von 500 kg beträgt der Rollwiderstand pro Achse nur ca. 2,5 PS)
B) Verluste durch Reifenschlupf
Muss ein Reifen Vortriebskräfte übertragen dreht er sich schneller als es der Geschwindigkeit des Fahrzeugs entspricht.
Die pro Reifenumdrehung zurückgelegte Wegstrecke entspricht nicht mehr dem Reifenumfang.
Es entsteht Schlupf.
Ohne Schlupf kann ein Reifen keine Vortriebs-oder Bremskräfte übertragen.
Der „stabile“ Bereich einer Schlupfkurve reicht bis etwa 20% Schlupf.
Danach beginnt der Abfall der maximal möglichen Übertragungskraft zwischen Reifen und Fahrbahn und das angetriebene Rad beginnt „durchzudrehen“
Schlupf zwischen Reifen und Rolle bedeutet Leistungsverlust der im Wesentlichen in Walkarbeit und Wärme umgewandelt wird.
Der Schlupf zwischen Reifen und Fahrbahn bzw. Rolle ist vom Moment am angetriebenen Rad abhängig.
Damit ist er Schlupf in den unteren Gangstufen auch höher als in den oberen.
Der Reifenschlupf kann bis zu 10% betragen und muss daher exakt ermittelt und der gemessenen Radleistung hinzugerechnet werden.
Komo-Tec misst auf seinem SuperFlow Rollenprüfstand den Radschlupf elektronisch und berücksichtigt ihn automatisch bei der Ermittlung der Motorleistung.
3. Verluste bei dynamischer Messung
Auf dem SuperFlow - Rollenprüfstand der Komo – Tec GmbH können dynamische und statische Leistungsmessungen durchgeführt werden.
Bei einer „statischen Messung“ = Anfahren eines Lastpunkts mit kurzem Verweilen - treten geringere und einfacher quantifizierbare Verluste auf als bei
einer
„dynamischen Messung“= Hochfahren aus einer relativ niedrigen Drehzahl bis zur Maximaldrehzahl in einem bestimmten Gang.
Die „dynamische Messung“ hat jedoch den Vorteil eines kürzeren Messzyklus
und kann durch die Integration einer Datenbank über Trägheitsmomente in den Messalgorithmus optimiert werden.
Die Beschleunigung der Rollen während der Messung wird aufgezeichnet und lässt zusammen mit den Trägheitsmomenten von Schwungscheibe, Antriebswellen und Rädern eine gute Bestimmung der dynamischen Gesamtverluste während des Messvorgangs zu.
Während Räder und Antriebwellen mit der tatsächlichen Raddrehzahl beschleunigt werden,
muss bei der Schwungscheibe die Gesamtübersetzung (Übersetzung des eingelegten Ganges multipliziert mit der Sekundärberstzung) in die Berechnung eingehen.
(Eine 17“ Magnesiumfelge mit einem Reifen der Abmessung 225/45 – 17 für die Lotus Elise
hat beispielsweise ein Trägheitsmoment von ca. 0,95 kgm² und die Schwungscheibe einschließlich der Kupplung des Toyota 2-ZZ ein Trägheitsmoment von ca. 0,35 kgm²)
Auf dem Weg zum Referenzprüfstand
Seit der Eröffnung unseres Leistungszentrums im Juli 2011 wurde eine große Zahl unterschiedlichster Fahrzeuge gemessen und optimiert.
In allen Fällen war es die Summe vieler kleiner Schritte die zum gewünschten Optimierungsziel geführt hat.
Die exakte Messung und Reproduzierbarkeit dieser kleinen Leistungsschritte setzt einen Rollenprüfstand voraus, der selbst minimale Veränderungen der Prüfbedingungen sensiert und im Messergebnis berücksichtigt.
Unser Anspruch, eine hohe Übereinstimmung von gemessener Rollenleistung und tatsächlicher Motorleistung zu erreichen, erfordert aber einen erheblichen zusätzlichen Aufwand.
Die Analyse der verschiedenen Einflussfaktoren auf die Genauigkeit der Messung haben wir in einem separaten Beitrag – Optimierung der Leistungsmessung auf Rollenprüfständen - untersucht.
Diese Optimierungsschritte lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Luftdruck, Temperatur der Ansaugluft und Luftfeuchtigkeit werden gemessen und auf die normierten Werte (DIN 70 020) korrigiert.
- Die Verluste des Antriebsstrangs (Getriebe, Sekundärüberstzung, Antriebswellen) werden mit den Informationen der Getriebehersteller abgeglichen und als empirischer Wert in die Berechnung einbezogen.
- Die aerodynamischen und mechanischen Verluste der Rollen und Übertragungselemente werden im Herstellerwerk präzise gemessen und im Messalgorithmus hinterlegt.
- Die auf der Prüftrommel ermittelten Reibungskoeffizienten der Reifenhersteller werden für die Verluste der nicht angetriebenen Räder angesetzt.
- Der Schlupf der angetriebenen Räder wird elektronisch gemessen, als Verlust ausgewiesen und in das Messergebnis einbezogen.
- Die Trägheitsmomente von Schwungscheibe, Kupplung, Antriebswellen und Rädern werden berechnet und zusammen mit der gemessenen Beschleunigung während des Messvorgangs als dynamische Verluste berücksichtigt.
