Rollenpruefstand

Rollenprüfstand selbst bauen

Eigenbau eines Rollenprüfstands



Theorie:
- Bestimmung der Leistung über Beschleunigung einer rotierenden Masse (über Reifen) (je schneller eine rotierende Masse bschleunigt wird, desto höher ist das anliegende Drehmoment, abhängig von der Drehzahl, kann direkt die Leistunbg in Kw/PS ausgerechnet werde.

Praxis:
- Rolle (Eisen?)
- ein Prozessor mit Sensor der die Geschwindigkeit der Rolle aufnimmt
- evtl. ein Sensor, der die Motordrehzahl misst
- Eine Software, damit die Daten dann an nem PC / Laptop angezeigt werden können



Ein Vorschlag zur elektrischen Umsetzung:

1.) Signalaufnahme
1.a) Signalaufnahme am Prüfstand per induktivem Sensor (www.reichelt.de), das ist die häufigste, teuerste und Schmutz/störungsunempfindlichste Lösung
1.b) Alternativ über Lichtschranke (Vewendung des Schaltungsteils bis zum Clk Eingang des MC4553, und dann auf den LM2917)
http://www.eiwa-es.de/cnc/bilder/drehzahlanzeige/schaltung%20zaehler01a.gif


2.) Wandlung der Frequenz in eine proportionale Spannung ( LM2917 ) Beispiel mit induktivem Sensor im Datasheet des Bausteins http://www.national.com/mpf/LM/LM2917.html

3.) Zyklisches Einlesen der Spannung mit i/o Board (12 Bit) http://www.conrad.de/ce/de/product/191028/USB-12-BIT-DATENERFASSUNGSSYS-BAUSTEIN

4.) Auswertung
4.a) Auswertung über Labview. ACHTUNG: ob die Conrad-Hardware einfach oder schwierig in LABView einzubinden ist, kann ich leider nicht beurteilen
--> http://www.labviewforum.de/index.php?s=019722433dc11b53745b97c29935ce46&showtopic=9986&st=0&p=53597&#entry53597 die sagen, es sei nicht so einfach ;-)

4.b) Auswertung über selbst programmierte Software am PC

Hinweis:Die Schaltungen können nicht direkt übernommen werden! Abhängig von der Maximalen Rollendrehzahl usw ist es notwendig die f/U Rate (zB: 60Hz / 1 Volt) an die maximale Rollendrehzahl anzupassen; dem entsprechend ändert sich dann auch die Auflösung! Die Auflösung des i/o Boards bleibt allerdings bei 12 Bit (0..4096 mV) also in ein mV Schritten; hier ist auch wieder die Ungenauigkeit von x mV zu beachten und in eine Gesamtfehlerrechnung einzubeziehen (siehe Datenblatt des f/u-Wandlers, des Sensors und des i/o Boards - im worst case addiert sich das alles).

Übrigens - Über das i/o Borad können dann auch ganz einfach weitere Sensoren eingelesen werden (Temperatur, Luftdruck, oder analog der Rollendrehzahlmessung die Motordrehzahl (kapazitive Einkopplung über Zündkabel))
Wenn Motor- und Rollendrehzahl vorliegen erübrigt sich dann auch die Eingabe der Übersetzung


Alternative:
für 1000€ einfach das hier kaufen und eine funktionierende Lösung haben ;-)
http://www.sportdevices.com/dyno/sp1.htm



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Beispiele wie das andere machen (mechanisch)
http://www.sportdevices.com/download/index.htm

Messung einschl. Verluste
http://www.sportdevices.com/dyno/ensayos.htm

ab der Hälfte ganz interessant:
http://www.patent-de.com/20080918/DE102007012545A1.html

Umrechnung (Rollendrehzahl, Drehzahländerung = Winkelbeschleunigung)
http://www.physikerboard.de/ltopic,9136,0,asc,0.html

offen:
- Kühlgebläse
- Bremse / E-Bremse
- Korrekturrechnung
- DIN 70020

Sensoren (gesamt)
- Rollendrehzahl
- Motordrehzahlerfassung über kapazitiv eingekoppeltes Kabel am Zündlabel
- Motortemperatur (Zylinder)
- Abgastemperatur
- Zylinderkopf / Kerzentemperatur
- Umgebungstemperatur
- Luftdruck
- Luftfeuchtigkeit


Zusatzideen:
Dauerleistungsmessung
Fahrsimulationen
Wirbelstrombremseinheit bis 200KW
- Airboxdruck
- Abgas (Lambda)
- Motortemperatur, Öl und Kühlwasser
- Doppel-Hochleistungskühlgebläse
- Abgasabsaugung
Anhängeraufbau
mit zwei (klappbaren) Rollen f. Transport
hochkant stellbar


Walzen (gewuchtet:)
http://www.roller-systems.de/who/firma.html
http://www.niptec.de/
http://www.mwn-niefern.de/


Unser Forenmitglied psychofe hat bei der Ideensammlung für unsere Seite noch folgende Anmerkungen gebracht:


Hier einmal etwas zu einer Arbeit von mir zum Rollenprüfstand. Sie ist leider noch nicht fertig. Vorab entschuldige ich mich für Fehler, da ich noch nicht Korrektur gelesen habe.

2. Das Grundkonzept

Wenn man einen Rollenprüfstand betrachtet und die ganze Technik, die ihn umgibt bzw. die er beinhaltet, ist man schnell überfordert und denkt, das so etwas als normaler Mensch nicht machbar wäre. Andere, die über mehr Kenntnisse in der Physik verfügen, denken wiederum, dass eine Realisierung ein Kinderspiel wäre.
Beide Ansichten sind nicht richtig. Es ist machbar, nur sollte man die große Anzahl von Randbedingungen nicht außer Acht lassen. Für einen Physiker ist die Bestimmung der Rolleneigenschaften und deren Auswirkungen ein leichtes, für einen Informatiker ist die Programmierung nur ein geringes Problem und für den Elektrotechniker ist die Sensorik nur ein Lehrbuchfall. Doch alle drei Bereiche in einer Person abzudecken, ist alles andere als einfach, aber mit etwas Zeitaufwand, Geduld und Ausdauer kein Problem. Um Interessierten an dem Thema oder an dem Ergebnis weniger Kopfzerbrechen zu bereiten, ist diese Arbeit verfasst.

Um einen guten Einstig in das Thema zu bekommen, wird der Prüfstand kurz charakterisiert. Dabei werden drei Bereiche gegliedert, die im folgenden aufgeführt sind.


2.1. Konstruktion

Auf der gezeigten Grafik werden die Grundelemente sichtbar. Diese umfassen die Rolle, die Rampe, die Befestigungsschiene und das Chassis oder Rahmen.
Das wichtigste dieser Elemente stellt dabei der Rahmen dar. Er muss alle Kräfte sicher zusammen halten und das sind nicht wenige. Eine kleine Beispielrechnung macht allein die Gewichtsbelastung deutlich.

Fahrzeugmasse mF = 200 kg Masse Person mP = 80 kg
Rollenmasse mR = 120 kg Masse Sonstiges mS = 30 kg

(1)

Wie man sieht, wirkt allein durch die Gewichtskräfte eine enorme Belastung. Dabei hat man jedoch noch keine Betriebskräfte, wie beispielsweise die Kraft, die beim Beschleunigen des Fahrzeuges entsteht, berücksichtigt. Dazu findet sich im Punkt 7 eine Beispielkonstruktion inklusive Berechnung.
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GRUNDKONZEPT

Essentielle Bestandteile, die in der Zeichnung aus Übersichtsgründen nicht aufgeführt worden sind, werden in der folgenden Liste mit einer kleinen Funktionsbeschreibung gezeigt und erläutert.

Teil Montageort Funktionsbeschreibung
Halteschellen Chassis und Befestigungsschiene Zur Befestigung von Spanngurte, die das Fahrzeug sicher auf dem Prüfstand halten und vor Umfallen schützen
Chassisfüße zwischen Chassis und Boden Dienen der Befestigung des Prüfstandes und Schwingungsdämpfung
Rollenlagerung zwischen Chassis und Rolle Lagert die Rolle sicher im Chassis; es sollte auf eine hohe Qualität der Wälzlager geachtet werden
Schrauben Verbindungen Stellen Verbindungen her. Sie sollten großzügig dimensioniert werden.
evtl. Bremse zwischen Chassis und Rolle Bringt die Rolle bei einem Notaus schnell zum Stillstand
Kühlgebläse in der vorderen Partie des Chassis Schützt den Motor vor Überhitzung
Absauganlage in den Räumlichkeiten saugt Auspuffgase ab
rutschsich ere Auflage auf dem Chassis Verhinderung von Verletzungen

Man könnte die Liste natürlich noch erweitern, aber sie soll ja nur die wirklich wichtigen Dinge aufzeigen.

2.2. Sensorik


Wie kommt nun das Signal auf die Rolle? Dies kann man durch verschiedene Systeme erreichen. Zum einen über optische Sensoren, beispielsweise durch eine kleine Lichtschranke erreicht werden. Andererseits kann man auch Hall-Sensoren, die bei einem hinreichend starken Magnetfeld ihren Widerstand ändern und somit einen Strom zum Fließen bringen, benutzen.
Beide Sensoren haben eines gemein. Sie arbeiten nicht analog, sondern digital. Das bedeutet, am Ausgang der Bauelemente liegt entweder ein Spannung des Wertes U=xV oder U=0V. Dabei gibt es keine Zwischenzustände. Der gebräuchlichste Pegel ist der TTL-Pegel, der entweder 0 oder 5V führt. Ein analoges Signal ist beispielsweise eine Sinusfunktion, wie sie unter anderem in unserem Stromnetz vor kommt.
Von der Benutzung von Reed-Kontakten oder Tastern rate ich ab, da diese "prellen" können. Das bedeutet, der Kontakt in dem eigentlichen Schalter nachwippt und den Stromkreis noch einmal kurzzeitig schließen kann.
Eine andere Art von Sensoren sind die induktiven Sensoren. Diese Arbeiten sehr genau, sind unempfindlich gegen Wasser und Schmutz, haben jedoch den großen Nachteil sehr teuer zu sein.
Hier ein kleiner Vergleich zwischen den Eigenschaften der einzelnen Bauelementen.

Empfindlichkeit
a) Schmutz
b) Wasser Genauigkeit Installation Preis
Hall-Schalter gut gut mäßig einfach niedrig (ab 2,02€)
Lichtschranke schlecht mäßig gut mäßig niedrig (ab 1,51€)
Induktionssensor gut gut gut schwer hoch (ab 23,41€)

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GRUNDKONZEPT

Doch wieso sich bei solch einem Projekt über 21,00 € Gedanken machen? Weil man nicht nur einen Sensor braucht, sondern 30. Dies relativiert die Preislage. Auf einmal sind es nicht mehr 21 € sondern 630 € Differenz zu der nächst günstigeren Variante.

In Abbildung 2 ist das Grundprinzip der Sensorik dar gestellt. Dabei ist starr an der Rolle eine Scheibe mit Einkerbungen angebracht, die den Lichtstrahl der Lichtschranke unterbricht. Sobald dies passiert, ändert sich der Wert von 5V auf 0V (oder auch von true auf false). Durch eine besondere Anordnung der Sensoren im Bezug auf die Einkerbungen, ist es so möglich mit nur 30 Sensoren auf 1° genau zu messen. Wie dies von sich geht, wird im Kapitel 5 näher erläutert.


2.3. Datenverarbeitung


Nachdem nun das Signal aufgenommen ist, wird es in den PC eingespeist. Dies funktioniert jedoch nicht unmittelbar, sondern nur in Verbindung mit einer Messkarte. Adaptiv könnte man auch andere Ports des PC nutzen, um das Signal verarbeiten zu können. Dies kann beispielsweise über den parallelen Port (LPT) oder den seriellen Port (COM) sein. Jedoch haben beide die großen Nachteile, weniger Ports zu besitzen, die nicht immer zwischen Ein- und Ausgang umschaltbar sind und relativ träge zu sein. Wer Messungen über diese Ports macht, der sollte die Frequenz unter Windows 9x und ME bei maximal 1000 Hz und unter Windows NT,2000,XP,Vista bei maximal 200 Hz belassen. Grund für die große Abweichung ist, dass seit der NT-Generation keine Direktzugriffe, sondern nur noch Treiberbzugriffe möglich geworden sind. Dies bremst das System ungemein aus.
Hingegen Tests mit der Messkarte waren unter Windows XP ohne Probleme bis über 3000 Hz möglich. Laut Hersteller sei sogar eine Abtastfrequenz bis knapp 1 MHz möglich! Diese Geschwindigkeit ist jedoch nur mit PCI-Karten zu erreichen, da nur diese einen Datendurchsatz von bis zu 28MBit/s bei 33 MHz Taktung zulassen.
Über ein Programm, welches in festgelegten Abständen die Eingänge liest bzw. Ausgänge schreibt, kann nun mit den Werten der Sensorik gearbeitet werden. Bei dem Lesevorgang werden die Werte in eine Datei geschrieben und nach der Messung umgewandelt und ausgewertet.

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GRUNDKONZEPT

2.4. Messung


Die eigentliche Messung besitzt folgenden Ablauf.
1. Das Fahrzeug wird auf den Prüfstand gebracht und befestigt. Anschließend wird der Motor warm gelaufen lassen.
2. In dem Programm werden verschiedene Parameter eingegeben. Diese sind u.a. Art des Getriebes, Art der Messung und auch die Fahrzeugparameter.
3. Im nächsten Schritt wird die Übersetzung kalibriert. Das Motorrad wird in dem später zu messenden Gang gekuppelt und in einem definierten Drehzahlbereich gehalten. Nun zählt das Programm eine bestimmte Anzahl von Zündfunken und die Werte der Sensorik der Rolle. Die Messung des Zündfunken wird aus Genauigkeitsgründen nur in dieser Phase benutzt.
4. Die Drehzahl des Fahrzeuges wird nun auf Standgas reduziert. Nachdem die Messung gestartet wurde, schreibt das Programm die Zustände der Rolle über die Zeit in eine Datei. Hier ein kurzes Beispiel:

00000000 00010000 00000000 000000
00000000 00001000 00000000 000000
00000000 00000010 00000000 000000

5. Sobald die Winkelbeschleunigung=0 , dass heißt, wenn die höchste Drehzahl erreicht ist oder sogar wieder absinkt, stoppt das Programm die Messung.
6. Nun wird die Datei umgewandelt und ausgewertet.

Eingelesene Werte Winkel Moment
00000000 00010000 00000000 000000 144°
00000000 00001000 00000000 000000  156°  M(n)
00000000 00000010 00000000 000000 180°

7. Aus diesen Werten wird schließlich das Moment M(n) berechnet und in Form einer Kurve dargestellt.

Ich benutze so eine große Anzahl von Sensoren aus einem Grund. Wenn man 30 Sensoren hat, die von 6 Teilungen, also 12 Kanten abgedeckt werden, so ist unter einer asymmetrischen Auslegung der Winkel zwischen diesen Abdeckungen, eine Teilung von einem Grad möglich.

Wenn man nun eine Abfrage der Sensoren macht, kommt nicht wie in meinem letzten Post ein
00000000 00000000 00000000 01000010
sondern ein
00001000 00100010 10000100 00000010
also ein Binärcode. Das ist in der Einleitung meiner Arbeit in diesem Teil noch nicht berücksichtigt, um dem Leser einen besseren Einstieg ins Thema zu geben.
Jedenfalls kann ich mit dieser Methode selbst mit niedrigen Abfragefrequenzen eine hohe Genauigkeit fahren. Es reichen schon 100 Hz aus, was selbst mein kleiner Mess-PC locker schafft. Der Grund ist, ich Messe im Gegensatz zu der Fahrradtacho-Methode nicht die Zeit zwischen den Impulsen, sondern den Winkel. Über die Änderung des Winkels über der Zeit kann man nun sehr gut und sehr genauer (genauer als Dynojet :-) ) die Winkelbeschleunigung alpha bestimmen, mit der man über die Gleichung
M=J*alpha
sehr einfach das Moment bestimmen kann.
Das Sytem hat weitere Vorteile:
-Wenn die Rolle steht, läuft die Zeit nicht gegen unendlich in der Hoffnung etwas zu messen. Klar, es wäre eine Art Standby möglich, indem die Zeitmessung erst startet, wenn der erste Impuls kam. Überläuft die Zeit einen bestimmten Wert, so schaltet sie sich wieder in den Standby.
Bei mir ist es so, dass das Programm zu Beginn der Messung eine Abfragegeschwindigkeit von 2 Hz besitzt. Ändert sich nun der Binärcode, so schaltet das System auf 1000 Hz und die Messung beginnt. Bis sich das System wieder in den Standby schaltet, dauert es gerade einmal 100 ms.
-Kein "Verwischen" der Messwerte bei hohen Drehzahlen, denn umso höher die Drehzahl der Rolle wird, desto enger werden die Zeitmessungen. Um da noch gute Werte zu bekommen, bräuchte ich noch externe Elektronik. Das vereinfacht die Sache ungemein.

MfG Psy