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briggsTwin

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Mittwoch, 28. August 2019, 08:08

Leistungsprüfstand für Karts

Hallo Kartfreunde,



auch ohne Aufforderung hätte ich natürlich hier beschrieben, wie der Leistungsprüfstand aussehen soll, den ich bauen werde.



Zunächst aber einige Worte zu einem Konzept, das ich erst geplant aber dann schnell verworfen habe.



Unter dem Stichwort "Simple Dyno" findet man Anleitungen, Freeware und Videos, wie man sehr einfach einen Motorprüfstand oder auch einen Rollenprüfstand für Karts bauen kann.

Was man braucht ist, neben einem Rahmen oder Gestell, eine Schwungmasse mit möglichst großem Trägheitsmoment, einen Drehzahlsensor und eine Kupplung um den Motor anzuschließen.

Als Drehzahlsensor kann ein Ohrhörer vom Handy genommen werden. Ein Magnet auf der Welle induziert pro Umdrehung einen Impuls und die Freeware errechnet aus dem Soundkartensignal am Mikrofoneingang die Drehzahl.

Die Kupplung kann die vom Kart bekannte Kettengarnitur sein.

Oft werden große Drehstrommotore als Schwungmasse verwendet. Die haben nämlich die Kugellager schon mit drin.



Man montiert also den Motor, lässt ihn warmlaufen und gibt dann aus dem Leerlauf heraus Vollgas.

Der Motor wird dann die Schwungmasse beschleunigen bis man bei Höchstdrehzahl vom Gas geht oder die Zündung abschaltet.

Je größer das Trägheitsmoment und je kleiner die Motorleistung, desto länger dauert dieser Beschleunigungsvorgang.

Die Freeware errechnet nun permanent die Drehzahl und die Drehzahländerung - also die Beschleunigung, korrekt Winkelbeschleunigung denn die Schwungmasse dreht sich. Durch die gute Auflösung der Soundkarte ist diese Rechnung auch sehr genau.

Wenn man das Trägheitsmoment auch genau kennt, dann folgt daraus eine genaue Leistungsmessung. Die Freeware rechnet das aus und erstellt ein Diagramm.



Das Trägheitsmoment ist aber das erste Problem.

Ich musste feststellen, dass man von Motorenherstellern kaum brauchbare Informationen über alte Motoren erhält und neue, die im CAD vorliegen und alle erdenklichen Daten verfügbar haben, sind zu teuer.

Das Trägheitsmoment einfacher Körper, z.B. Zylinder, Wellen oder Scheiben, ist leicht zu berechnen. Die Rotoren von Drehstrommotoren sind aber leider so aufgebaut (Kurzschlusskäfig), dass eine gute Anschätzung möglich ist aber kaum eine richtige Rechnung.

Die Genauigkeit wird also immer unklar bleiben.



Das zweite Problem der Methode ist, dass man nur transient testen kann.

Transient ist das Gegenteil von Stationär.

Dabei bedeutet stationär, dass sich ein Zustand nicht ändert. Für diesen Fall betrifft das unter anderem die Drehzahl, Last, Temperatur und Lambda. Es sei erwähnt, dass es stationäre Zustände nicht gibt. Es ändert sich immer irgendwas, wenn auch nur geringfügig. Man spricht daher meist von Quasistationär.

Testet man nach oben genannter Methode, so ändert sich permanent die Drehzahl, weil ja beschleunigt wird. Es ändert sich nicht die Last, weil wir immer Vollgas geben, wohl aber ändert sich die Leistung und die Motortemperatur.

Zu allem Übel ändert sich im Zweifelsfalls auch Lambda so schnell, dass die Sonde das nicht auflösen kann.



Man bräuchte also einen Prüfstand, auf dem man den Motor so bremsen kann, dass er bei konstanter Drehzahl läuft oder gegebenenfalls auch bei konstanter Leistung.

Bremsen heisst aber, dass man die Motorleistung irgendwie abführen muss.

Bei kleinen Motoren könnte man eine Bremsanlage vom Auto zweckentfremden und dosiert bremsen.

Irgendwann wird die Bremsscheibe halt so heiß, dass man abbrechen und kühlen muss.

Es gibt dann noch Retarder mit Wirbelstrombremse, die sind jedoch selten auf dem Schrottplatz und dann auch teuer.

Weiters wären Wasserwirbelbremsen gut geeignet, die gibt's aber gebraucht quasi gar nicht und neu sind die auch zu teuer und schwer nachzubauen.



Zum Glück gibt es dann noch die Hydraulikpumpen.

In der überwiegenden Zahl aller Fälle sind das Zahnradpumpen, die pro Umdrehung ein bestimmtes Volumen fördern. Das können z.B. 60 cm³/rev sein.

Dann haben diese Pumpen eine zulässige Höchstdrehzahl von z.B. 2500 rpm , besonders kleine Pumpen können auch mal 5000 rpm drehen. Mit 2500 rpm und 60 cm³/rev erhält man durch Multiplikation 150 L/min.

Anschließend stellt sich die Frage nach dem Druck, gegen den die Pumpe arbeiten muss. Die Pumpe wird in jedem Fall das errechnete Volumen fördern, die Frage ist nur, wieviel Arbeit sie dafür aufwenden muss.

Hier kommt die einheitenkorrigierte Formel der Antriebsleistung ins Spiel: P = p*Q/600. mit p=190bar und Q=150 L/min kommt man auf eine Leistung von 47,5 kW.



Man sieht auch direkt den Bonus der Methode: P ändert sich mit p !

Okay, für die Nichtmathematiker, für kleine Drücke erhält man eine kleine Leistung und für große Drücke eine große Leistung.

Toll, oder? Man kann also mit dem Druck die Leistung regeln.



Und wo bleibt die Leistung?

Im Öl!



Den Druck erhöht man indem man ein Ventil in der Druckleitung androsselt, also schließt, dabei muss sich das Öl derart durch den Ventilspalt quetschen, dass Reibung und Verwirbelungen entstehen.

Der Druck, der vor dem Ventil ansteht, wird also im Ventil in Wärme umgewandelt. Nach dem Ventil fließt das Öl drucklos weiter in den Tank zurück.



Ein weiterer Bonus ist die Drehzahlabhängigkeit des Fördervolumens.

Bremst man den Motor ab, so sinkt die Drehzahl. Es sinkt damit aber auch die Leistung an der Pumpe weil ja der Volumenstrom abnimmt. Ausserdem sinkt die Drosselung im Ventil weil das wenige Öl leichter hindurchkommt.

Soll heissen, der Arbeitspunkt stabilisiert sich selbst. Wir haben also ein stabiles System.



Abschließend sorgt ein Kühler dafür, dass das Öl nicht zu heiß wird.



Leistung absorbiert - aber wie misst man die Leistung?



Nun, wenn an der Hydraulikpumpe gedreht wird, dann muss man am Gehäuse gegenhalten sonst würde sich ja die ganze Pumpe mitdrehen.

Die Pumpe wird also drehbar gelagert und ein Hebel nimmt das Drehmoment auf.

Eine Kraftmessdose misst die Kraft am Hebelarm und diese widerum kann ganz simpel mit Gewichten kalibriert werden.



Und schon ist die Messung genau.



Einen Nachteil hat die Methode aber auch: Hydraulikkomponenten sind nicht billig!

Zum Glück habe ich die Pumpe, das teuerste Teil, schon hier liegen...

Ein ausreichend großes Drosselventil muss ich noch beschaffen, dann die Schläuche und Verschraubungen.



Lambdasonde ist schon da und Colortune Zündkerzen auch - ob die aber zum Einsatz kommen weiß ich noch nicht.

Die Auswertung wird über Arduino und PC mit RS232 erfolgen. Auch da gibt's Freeware zur Visualisierung.

Deki#91

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Mittwoch, 28. August 2019, 11:06

Ich bevorzuge die Methode mit der statischen Schwungmasse.

- Eine Wiederholungsgenauigkeit ist relativ einfach unter 2% zu realisieren
- Kein ewiges kalibrieren des Prüfstandes notwendig
- Wenige Teile die zur Fehlmessung führen können

Messen würde ich mit industriellen berührungslosen Drehzahlmesser samt Interface zur Datenverarbeitung -> hier kann aber auch ein älterer AIM MyChron 4 seine Dienste verrichten.

Wie weit ist dein Projekt ? Hast du schon damit angefanren oder ist es noch in der Konzeptauswahl ?

Matt81

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Mittwoch, 28. August 2019, 11:18

Wie weit ist dein Projekt ? Hast du schon damit angefanren oder ist es noch in der Konzeptauswahl ?

Das würde mich auch sehr interessieren und Bilder vom der Entstehungsphase oder vom fertigen Prüfstand wären auch sehr spannend :thumbsup:
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Tom

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Mittwoch, 28. August 2019, 12:26

Gutes Gelingen.

Wir sind zum Beispiel zu einem befreundeten Motorradtuner gegangen und haben ein altes Chassis gekürzt
und ein mittiges Rad in die Hinterachse gebaut.
Das Ding dann auf den Motorradprüfstand gespannt und die Motoren "gefahren".
Leistungsmessung am Hinterrad. In der Software zur Systemcharakteristik passende Parameter geladen und tolle Diagramme erhalten.
Wir haben auch lange überlegt wie wir das realisieren könnten.
Ein Tag Miete des Prüfstands erwies sich wesentlich günstiger als irgend was zu basteln und die Zeit dann zur Abstimmung genutzt.

Deine Idee klingt aber interessant. Berichte bitte weiter.

Grüße Tom
Jede Wahrheit braucht einen Mutigen, der sie ausspricht!

http://www.jr-racing.de

briggsTwin

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Mittwoch, 28. August 2019, 13:01

@Deki:

Ich war zunächst deiner Meinung. Je mehr ich darüber nachdachte, umso deutlicher wurde mir, dass ich den konstruktiven Mehraufwand zugunsten der Nutzbarkeit akzeptiere.

Zur Fehlmessung können hier nur die Kraftmessung und die Drehzahlmessung führen. Drehzahlmessung hat der Schwungmassenprüfstand auch und die Kraftmessdose ist sehr robust.

Ewig kalibrieren muss man auch nicht. Aus der Praxis weiß ich, dass alle fünf Jahre genügen würde. Wer ängstlich ist, kalibriert jährlich. Dauert auch nur ein paar Minuten bei der kleinen Dose.

-> An meinem Arbeitsplatz legen wir zwei Tonnen Prüfgewichte in 25kg Scheiben auf - das dauert dann den halben Tag mir be- und entlasten ...

Die Drehzahlmessung per Arduino Interrupt ist genau genug dank Quarz und muss nicht kalibriert werden und der Hebelarm der Kraftmessdose wird auch nur einmalig justiert.



Das Konzept steht insofern fest, einige Teile sind auch schon da. Die Pumpe beispielsweise, Spannsätze für die Rollen und ein Teil Messtechnik samt Kraftmessdose, Lambda- und Abgastempersaturmessung über Typ-K Thermoelement. Ich habe auch ein paar dünne, also schnell ansprechende Elemente da.

Ich arbeite aber nicht mit Hochdruck daran. Dazu habe ich noch zu viele andere Baustellen.



Übrigens habe ich wohl vergessen zu erwähnen, dass es ein Rollenprüfstand für Karts wird, nicht für den nackten Motor.

Es wird allerdings die Möglichkeit geben, einen Motor einzeln zu testen oder z.B. ein Motorrad draufzustellen.



Bilder aus der Fertigung und von den Teilen wird es natürlich auch geben.



Falls im Forum Interesse besteht, könnte man überlegen, bei geplanten Treffen auch Leistungsmessungen gegen kleine Gebühr an der Rennstrecke durchzuführen. Damit kämen vielleicht die Baukosten wieder rein.



Aber wartet erstmal ab, wann das fertig wird...

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Benutzer, die sich für diesen Beitrag bedankt haben:

Matt81 (28.08.2019)

Kart2018

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Mittwoch, 28. August 2019, 13:21

Drücke dir ganz arg die daumen und freue mich schon auf weiteres. Hätte sowas mal kurz angedacht im Sinne einer leistungsmessung via elektrischer Energie (wie Dynamo).
Ist/war bisher aber nur eine Idee......

briggsTwin

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Mittwoch, 28. August 2019, 13:56

@Kart2018:



Würde elektrisch mit Loadbanks, also Lastwiderständen auch gehen, allerdings baut der Generator bei dieser Leistung schon recht groß und schwer.



Die hier verwendete Pumpe kann sogar 225 bar, hab ich verschwiegen, und damit käme man auf eine Maximalleistung von ~55kW.



Ein 50kVA Generator bringts schon auf etwa 250kg.



So schwer wird der ganze Prüfstand nicht ...

Kart2018

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Mittwoch, 28. August 2019, 18:41

Gewichtsmässig wäre das sicherlich nur für zuhause was bei verständnisvoller Ehefrau....

Deki#91

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Donnerstag, 29. August 2019, 10:47

Zur Fehlmessung können hier nur die Kraftmessung und die Drehzahlmessung führen.

Wenn sich die Temperatur des Öles ändert dann führt das zu einer weiteren Fehlmessung, oder ? Bedeutet man muss das Öl in einem optimalen Temperaturfenster halten und in die Drehmomentsmessung den Wärme-Koeffizienten des Öles miteinbeziehen, richtig ? Das sind so so Sachen (und ein paar andere noch wie Leitungsquerschnitt, Wirkungsgrad der Pumpe, usw.) die ich als kalibieren gemeint habe, bevor man erstmalig eine korrekte Messung hat.

Liege ich da richtig ? Weil wenn ich mir die Kennlinie einer Hydraulikpumpe ansehe dann liefert die traumhaft lineare Kurven, nur eben mein Bedenken dass das ganze schnell einbricht sofern sich die Öl-Temperatur ändert und das tut sie nach ein paar Prüfvorgängen.

Ich finde die Lösung des Hydralikpumpen-Prüfstand für die Hobby-Werkstatt etwas aufwendig, weil man mit erhöhten Aufwand den Prüfstand auf betriebsbereit bringen muss bevor er genaue Ergebnisse liefert.

Der grosse Vorteil ist natürlich das man eine variable (u.U. lienare und konstante) Bremse hat entgegen die der Prüfling arbeitet und somit man verschiedene Lastzustände fahren kann. Im Kartsport ist das kaum notwendig, es gibt sehr wenige Strecken auf denen ein Teillastzustand für wenige Sekunden auftritt und den Bügeln die Fahrer dann meistens fahrerisch aus, aber es gibt besonders KZ Motoren die sich durch das konstante halten der Drehzahl einfacher am Prüfstand abstimmen lassen würden... also das ist natürlich ein klarer Vorteil, aber der Aufwand den du da auf dich nimmst ist um ein vielfaches grösser (gut du siehst es wahrscheinlich nicht weil du täglich damit zu tun hast und in diesem Zusammenhang für dich alles logisch erscheint).

Ich habe mich für die Methode des Massenträgheit entschieden weil es für mich einfacher war und in Betrieb nehmen des Prüfstanden ist auch sehr schnell getan, weil ich eigentlich nur die Lager warmlaufen lassen brauche und eine sehr genaue Last für den Prüfling habe die nicht so sensibel auf Temperaturveränderungen ist. Mit dem Nachteil eben das ich die Drehzahl beim Messen nicht halten kann, sondern immer beschleunigen muss...

Aber trotzdem interessiere ich mich für die Hydraulikpumpe sehr weil sie im Gegensatz zum günstigsten Retarder von dem ich ein Angebot vorliegen habe um fast 2/3 günstiger ist. Ob ich meinen aktuellen Prüfstand umbaue kann ich nicht sagen, vielleicht aus Neugier... wäre sehr dankbar wenn du das Projekt hier weiterhin veröffentlichst und wir drüber sprechen können.

briggsTwin

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Donnerstag, 29. August 2019, 11:52

:D @Deki:

Ich messe direkt das Drehmoment, mit dem die Pumpe angetrieben wird. Hebelarm am Pumpengehäuse, Kraftmessdose, fertig. :thumbup:

Dadurch verliert sich der Einfluss von Öltemperatur und -Viskosität, Liefergrad und Pumpenwirkungsgrad. Es wird sogar, wenn man genau überlegt, die Verlustleistung der Pumpeninternen Gleitlager mitgemessen.

Das wäre anders, wenn ich die Pumpenleistung über Volumenstrom und Druck berechnen wollte. Dann müsste man Wirkungsgrad, Gehäuseabstrahlung und sowas mit berücksichtigen. Macht aber keinen Sinn und sowas macht in der Industrie auch keiner.



Völlig Recht hast du in dem Punkt, dass die Methode der Massenträgheit (Google: "inertia dyno") wesentlich einfacher und auch ganz wesentlich billiger zu realisieren ist.

Zitat

...man verschiedene Lastzustände fahren kann. Im Kartsport ist das kaum notwendig...

Das ist falsch. Zumindest im Sinne meiner Zielsetzung.

Ich möchte Motoren tunen, optimieren, Vergaser einstellen, bedüsen, ...

Dafür muss man sehr wohl über eine längere Zeit, also einige Sekunden, einen bestimmten Arbeitspunkt konstant halten.

Es ist nicht das Ziel, stundenlang Vollgas zu fahren. Beruflich mache ich das mit den Gasturbinen mit 15 Megawatt. :D



Hier aber muss man Arbeitspunkte gezielt anfahren können. Z.B. 5000rpm 3/4 Last -> Lambda passt nicht -> Düse oder Nadel ändern -> gleichen Arbeitspunkt wieder testen -> ...



Beim hydraulischen Rollenprüfstand dauert das Inbetriebsetzen halt so lange, wie du brauchst, um das Ding aus dem Schuppen zu holen. Räder helfen da....

Zugegeben, das Laptop muss dann auch noch booten.

Einzig wenn das Öl sehr kalt wäre müsste man über eine Vorwärmung nachdenken. Mit z.B. 5W30 sollte das aber nie vorkommen.



Ich berichte natürlich immer mal wieder vom Baufortschritt und gebe auch gerne mal Einblicke in etwaige Berechnungen und sowas.

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