Leistungsprüfstand für Karts
Verfasst: Mi 28. Aug 2019, 08:08
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.
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: