Eine neue Generation von Dynamometern für Hochgeschwindigkeitsmotoren

Dyno Dynamics ist ein australisches Unternehmen und seit über 25 Jahren führend in der Entwicklung und Produktion von Dynamometern. Ihre Kunden kommen aus der ganzen Welt, auch aus dem fernen Aruba oder Abu Dhabi; besonders stark vertreten sind sie in den USA und Großbritannien.

Zu den Bestsellern von Dyno Dynamics gehören deren Dynamometer für Motorräder sowie die Serien 2wd und 4wd, die für Dienstleistungen im Fahrzeugbereich eingesetzt werden; sie stellen jedoch auch Dynamometer für LKW, Busse und Motoren her, von Go-Karts bis hin zu Motoren für Dieselloks.

Vor kurzem entschieden sie sich für die Entwicklung eines neuen, im Folgenden genauer beschriebenen Dynamometers für Hochgeschwindigkeits-/Hochleistungs-Motoren Drehmomentaufnehmer von HBM Australia zu beziehen.

Das neueste Dynamometer für Hochgeschwindigkeitsmotoren

Als Dyno Dynamics begann ein neues Dynamometer für Hochgeschwindigkeitsmotoren zu konzipieren, wussten sie, dass hier mehr gefordert war als nur eine Weiterentwicklung eines ihrer existierenden Modelle. Für die Spezifikation von 10.000 min-1 und 1.000 PS (ca. 750 kW) war ein neuer Ansatz erforderlich.

Die Nennleistung war hier nicht das Problem - in der Vergangenheit haben sie bereits Dynamometer für Motoren mit höheren Nennleistungen gebaut; es war die Antriebsdrehzahl von 10.000 min-1, die die Herausforderung darstellte.

Aufgrund weiterer Randbedingungen für den Entwurf, beschlossen sie Wirbelstrombremsen zu verwenden, da diese kompakt, robust und schnell sind. Im Laufe der letzten 20 Jahre haben sie Tausende von Dynamometern ausgeliefert, mit einer sehr kleinen Ausfallrate.

Serienmäßig produzierte Dynamometer für hohe Nennleistungen sind im Allgemeinen jedoch auf 4-5.000 min-1 begrenzt. Die nahe liegende Lösung wäre hier ein Getriebe zur Reduzierung der Wellendrehzahl auf einen besser zu handhabenden Wert.

Ein Industrie-Getriebe von der Stange für die erforderliche Leistung wäre groß und teuer gewesen, falls überhaupt erhältlich - gab es dazu eine Alternative?

Die Lösung kam aus der Welt des Rennsports: das Dynamometer ist für leistungsstarke Tourenwagen des Typs V8 gedacht.


Das Differenzialgetriebe eines V8 Supercar mit Ölkühlung

Mit einer Übersetzung von 2,86 : 1 wird die Drehzahl der Abtriebswelle auf leichter zu handhabende 3,500 min-1 reduziert und an den beiden Abtriebswellen/Achswellen können platzsparend zwei Dynamometer angebracht werden.

Die Lösung: Ein Torsionsdämpfer am Getriebegang

Das letzte Glied in der mechanischen Kette ist der Torsionsdämpfer am Getriebeeingang.

Die Drehzahl eines Verbrennungsmotors ist nie konstant - mit jedem Verdichtungstakt wird die Kurbel gebremst, mit jedem Arbeitstakt beschleunigt. Obwohl das Schwungrad des Motors die Drehung zu einem gewissen Grad mittelt, gibt es doch deutliche Drehzahl- (und Drehmoment-)Schwankungen, insbesondere bei niedriger Umdrehungszahl.

Diese Schwingung kann eine hohe Belastung der Komponenten des Antriebsstrangs darstellen, was besonders für Dynamometer/Motoren gilt, deren Antriebsstrang wenig "nachgiebig" ist; es gibt weder Reifen noch Aufhängung, die Flexibilität bieten könnten.

Die Lösung bietet hier eine elastische Kupplung/Welle für die Drehmomentdämpfung. Diese ist für eine genau definierte Torsionssteifigkeit entwickelt.

Durch die Verwendung des Drehschwingungsdämpfers werden Drehmomentspitzen bzw. Drehschwingungen des Motors weitgehend neutralisiert und somit das Getriebe vor übermäßigem Verschleiß geschützt.

Dyno Dynamics haben sich für eine elastische Kupplung der Serie TECTOS t600 entschieden, die speziell für den Prüfstandeinsatz von Motoren entwickelt wurde.

TECTOS t600

Basierend auf diesem grundlegenden mechanischen Aufbau betrachten wir nun die Geräteausstattung.

Das Herzstück eines Dynamometers ist die genaue Messung von Drehmoment und Drehzahl. Normalerweise müssen zusätzlich Daten erfasst werden, Drehmoment und Drehzahl sind jedoch von entscheidender Bedeutung.

Für die Drehzahlmessung setzt Dyno Dynamics die bewährte Kombination aus Zahnrad und induktivem Aufnehmer ein. Dies hat sich über viele Jahre als zuverlässig erwiesen.

Die Drehmomentmessung stellte sie vor andere Herausforderungen. Um genaue Ergebnisse zu erhalten, muss das Antriebsdrehmoment am Getriebe gemessen werden, damit auch der Getriebewiderstand mit eingeschlossen ist. Daher konnten sie ihre Standardausstattung bestehend aus Hebelarm und Kraftaufnehmer nicht einsetzen - eine Drehmomentmesswelle war erforderlich.

Nach ausführlicher Recherche entschieden sie sich für T40B von HBM. Mit einem Nennwert von 15.000 min-1/2.000 Nm erfüllte T40B die Spezifikationen des Dynamometers ganz genau und konnte aufgrund der kompakten Bauform einfach montiert werden.

Der T40B ist ein Drehmomentmessflansch mit berührungsloser Signalübertragung. Dadurch wird für die Montage sehr wenig Raum benötigt, da der Sensor nur 59 mm tief ist.

Der  Drehmomentaufnehmer von HBM war eher zu empfindlich und erforderte den Einsatz zusätzlicher Filter-Software, um einzelne Zylinderimpulse zu glätten.


T40B

Das Foto zeigt den eingebauten Sensor: der schwarze Antennenring befindet sich in der Bildmitte.

Warum sich Dyno Dynamics für HBM entschieden hat

Es gab mehrere Gründe für ihre Entscheidung für HBM als Lieferanten: das HBM-Produkt erfüllte ihre Anforderungen zu einem wettbewerbsfähigen Preis, ein weiterer großer Vorteil war der Zugang zum Technischen Support durch Ingenieure vor Ort.

Michael Lanksch, Vertriebsingenieur bei HBM, kümmerte sich mit großem Interesse um das Projekt und kam zu Besprechungen mit dem Entwicklungsteam auch vor Ort in das Werk von Dyno Dynamics.

Der Entwicklungsprozess wurde dadurch vereinfacht, dass HBM ein 3D-Modell des Aufnehmers im Solidworks-Format zur Verfügung stellte, das mit dem CAD-System von Dyno Dynamics kompatibel war.

CAD-Modell des gesamten mechanischen Systems
Und hier ist das Endergebnis mit endgültiger Verkabelung
Gesamtsystem im Test

Kurve einiger früher Testläufe, die zeigt, dass der Motor aufgrund unzulänglichen Kraftstoffdrucks ungleichmäßig läuft:

Funktionsprinzipien von Dynamometern

Alle Dynamometer müssen auf irgendeine Art und Weise die vom geprüften Motor produzierte Leistung aufnehmen; diese wird gewöhnlich in Wärme umgewandelt. Die beiden am weitesten verbreiteten Belastungsmaschinen sind "Wasserbremsen" und "Wirbelstrombremsen".

  • Wasserbremsen nutzen die Motorleistung, um Wasser durch verstellbare Schaufeln zu pumpen, wobei sich das Wasser erwärmt. Über eine Kühleinheit wird die Wärme dann abgeführt.
  • Wirbelstrombremsen drehen über den Motor eine Reihe von zwischen Elektromagneten (Spulen) eingelegten Metallscheiben. Durch die Bewegung der leitenden Metallscheibe durch das Magnetfeld werden die Scheiben induktiv erwärmt. Es gibt Scheiben mit Luft- oder Wasserkühlung.
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