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Transienten-Motorprüfstand (mit Schwungmasse)

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Auf den Prüfständen werden hauptsächlich die von SRA&E selbst gebauten Motoren sowie die im Besitz befindlichen eigens modifizierten oder getunten Exemplare von Slot Car Motoren der einschlägigen Hersteller-Marken gemessen.



Auf diesem Prüfstand erfährt der Motor eine Belastung, die derjenigen auf der Rennstrecke im Betrieb äquivalent ist. So wie er auf der Strecke wiederholt ständig die Fahrzeugmasse von niedrigen auf hohe Drehzahlen beschleunigen muss, beschleunigt er hier auf dem Prüfstand in einem Vorgang eine an die Motorwelle gekuppelte Schwungmasse, die die Fahrzeugmasse simuliert, aus dem Stillstand heraus auf die maximale Drehzahl.

Dabei sind hierbei die Verhältnisse für den Motor sehr ähnlich dem Beschleunigungsvorgang beim Drag Racing.

Während dieses transienten Vorgangs werden in schneller Abtastfolge mittels einer Messdatenerfassungskarte in einem PC die wichtigen, sich schnell verändernden Messgrößen wie Drehmoment, Drehzahl, Stromaufnahme und Motorklemmenspannung Punkt für Punkt zahlenmäßg erfasst, anschließend aufbereitet und dann als Motorkennlinie ausgegeben. Die Hauptbelastung des Motors ergibt sich aus der Trägheit der Schwungmasse, solange diese vom Motor rotatorisch beschleunigt wird.

Der Motor selbst ist bei der Prüfung in einer verdrehbaren Schwenkwiege eingebaut, deren separate Lagerung und Drehachse konzentrisch mit der Motor-Drehachse liegt.

Das Drehmoment, das der Anker einerseits auf sich selbst und die Schwungmasse zum Beschleunigen ausübt, wirkt andererseits in gleicher Größe über den Luftspalt zu den Magneten als Reaktionsmoment auf das Gehäuse des Motors und damit auf die drehbar gelagerte Schwenkwiege zurück.
Gegen den Federkraftwiderstand eines elektromechanischen Kraftsensors in Dehnungsmessstreifen- Technik stützt sich die Schwenkwiege gegen den festen Boden ab.
Auf diese Weise kann der Sensor durch seine Verformung ein dem Drehmoment proportionales elektrisches Signal liefern und so das Drehmoment des Motors (Luftspaltmoment) direkt gemessen werden.

Vorwiegend für die extrem hochtourigen (über 110 000 1/min) Motoren mit hohen Stromaufnahmen ist dieser Prüfstand konzipiert. Diese Motoren können nur mit der authentischen Streckenbelastung beaufschlagt werden, da bei länger einwirkenden hohen Konstant-Lastmomenten aufgrund der dabei dann rapide steigenden Ankerwicklungstemperatur der jeweilige Arbeitspunkt des Motors zu instabil wäre.
Diese sogenannte authentische Belastung des Motors aus der Strecke heraus resultiert anteilig aus der darauf sich bei Bewegung einstellenden spezifischen Fahrwiderstandskomponente, die durch den Grad des Haftmittelauftrags auf der Fahrbahn - insbesondere auf den Geraden - vorgegeben ist. Davon wird der - bei Haftmitteleinsatz - geschwindigkeitsabhängige Rollwiderstand der Reifen bestimmt. Dieser ist vom Betrag her nicht zu unterschätzen und nimmt mit zu Ende gehender Beschleunigungsphase einen beträchtlichen Umfang im restlichen Fahrwiderstandskollektiv ein.
Der sowohl hierdurch als auch durch die gewählte Getriebe-Übersetzung vorgeprägte End-Fahrzustand, in dem sich letztlich eine nahezu konstante End-Drehzahl einstellt und dann keine weitere Beschleunigung mehr entstehen kann (Motor kann über den zuletzt aktuell wirkenden Fahrwiderstand hinaus kein Überschuss-Drehmoment mehr liefern), tritt in der Regel im Endabschnitt der längsten vorhandenen Gerade (bei einer Rundstrecke) auf. (Selbstverständlich ist dies analog auch auf der Drag Racing Beschleunigungsgerade der Fall - hier kurz vor Ende der Messstrecke, d.h. in der Ziel-Lichtschranke. Die Getriebe-Übersetzung muss dementsprechend ausgelegt bzw. optimiert sein.)
Anmerkung:
In der Praxis - sowohl auf den Rundstrecken mit einer längsten Geraden als auch beim Drag Racing - wird die Getriebe-Übersetzung optimalerweise allerdings nicht darauf ausgelegt, dass der Motor wirklich seine überhaupt maximal mögliche Drehzahl auf den Geraden unter den jeweils vorhandenen Bedingungen erreichen kann. Die dabei als optimal geltende Drehzahl, die für den Betrieb anvisiert wird, liegt etwas reduziert bei 93% bis 95% der wirklich maximal möglichen Drehzahl unter den vorhandenen Bedingungen.
Der Grund dafür liegt darin, dass in dem physikalisch-technisch vorgegebenen zeitlichen Verlauf des Drehzahlanstiegs bzw. Geschwindigkeitsanstiegs während des Beschleunigungsprozesses für die letzten 5 bis 7% eine unverhältnismäßig längere Zeit erforderlich ist als für das Hochfahren nur bis zu den genannten Werten von 93% ... 95%. Die Kurve, die den zeitlichen Drehzahlverlauf beim Beschleunigen wiedergibt, steigt bis auf 95% steil an und flacht anschließend für die wenigen restlichen Prozente stark ab. Demzufolge schränkt man also den Vorgang zugunsten der kürzeren Zeitdauer ein, indem man sich beim Getriebe-Übersetzungsverhältnis nicht auf die tatsächlich mögliche Enddrehzahl hin orientiert.
Der zu Beginn der Beschleunigung zunächst überwiegende Belastungsanteil im gesamten auftretenden Fahrwiderstand besteht aus der Trägheitswirkung der Fahrzeugmasse, bzw. der sie simulierenden Schwungmasse. Mit steigender Drehzahl sinkt aber das Drehmoment des Motors nahezu proportional ab, und dadurch bedingt, verschwindet damit einhergehend auch kontinuierlich der daraus resultierende Lastanteil auf den Motor. Das zur Beschleunigung erforderliche Überschuss-Drehmoment des Motors gegenüber der Last nähert sich dem Wert Null.

Der komplette Rest-Fahrwiderstand, gegen den der Motor dabei arbeiten muss, besteht dann in dieser speziellen jeweiligen Situation aus folgenden Anteilen:

  • Gleitreibungswiderstand der mit Frontlast beaufschlagten Schleifer auf der Stromleiterlitze

  • Rollwiderstand der mit Hecklast beaufschlagten Reifengummis mit den klebrigen Laufflächen auf der haftmittel-benetzten Fahrbahn beim aktuellen Geschwindigkeitswert. An ihnen haften bei Drehung kontinuierlich immer wieder neue, von dem Haftmittel-Belag auf der Strecke aufgenommene Flüssigkeitsteilchen an und werden dabei ebenso kontinuierlich zu Fäden in die Länge gezogen bis sie jeweils schließlich wieder auseinanderreißen. Die dazu aufzuwendenden Kräfte stellen einerseits weitestgehend den Fahrwiderstand (bei konstanter Geschwindigkeit) dar und lassen andererseits aus ihrer Richtung heraus gleichzeitig den Grip gegenüber der Fahrbahn anwachsen.

  • Luftwiderstand des Fahrzeuges beim aktuellen Geschwindigkeitswert

  • Verlust-Drehmoment im Getriebe durch die Gleitreibung beim Kämmen der Verzahnung unter dem aktuellen fahrwiderstandsbedingten Last-Drehmoment an der Antriebsachse (durch die Getriebe-Übersetzung rückwirkend auf den Motor)

  • Reibungs-Verlustdrehmoment aus den Lagern der Antriebsachse, resultierend aus der aktuellen anteiligen Auflagekraft des Fahrzeuges auf den Achslagern


  • Das aus der zuletzt entstehenden Fahrsituation mit quasi gleichförmiger Bewegung - sozusagen als Antwort auf die erzwungene Bewegung - entstehende Last-Drehmoment und das Antriebsdrehmoment des Motors stehen in diesem Betriebspunkt im Gleichgewicht zueinander - sie entstehen jeweils aus gegenseitiger Wechselwirkung heraus.

    Dieser Fahrwiderstand wird auf dem Transienten-Motorprüfstand dadurch realisiert, dass anstelle einer rein passiven Schwungmasse in Form eines zylindrischen Stahl-Drehkörpers ein relativ dünner Alu-Scheibenrotor angekuppelt wird. Dieser erzeugt beim Lauf im Luftspalt eines Magnetkreises nach dem Wirbelstrom-Prinzip drehzahlabhängig das Last-Drehmoment - analog zu den Verhältnissen beim Fahren auf der Strecke.
    Vom Durchmesser her ist er in zweiter Linie so auszulegen, dass sein Massenträgheitsmoment dem Wert des zu simulierenden Fahrzeuges möglichst nahe kommt.

    Warum überhaupt Leistungsmessung auf dem Prüfstand?
    Die Zielgenauigkeit und Präzision bei der Verfolgung optimaler Werte hinsichtlich der Motorleistungen lässt sich nur mit einer systematischen und professionellen Vorgehensweise durch Messungen der relevanten Daten auf dem Motor-Prüfstand erreichen, d. h. nur am Motor allein u n d mit Simulation der realen elektrischen Randbedingungen einer aus den bestehenden ausgewählten Strecke ( streckenspezifisch eingesetzter, entsprechender Vorwiderstand).

    Wenn ein Motor mit (im Einsatz bereits nachweislich) sehr guten Leistungswerten vorhanden ist, müssen dessen Daten durch Messung ermittelt sein, wenn man diese als Referenzwerte heranziehen möchte, um später nachfolgende Exemplare, bzw. die Konfiguration mit einem neuen Anker ebenfalls in das gewünschte Qualitätsfenster hineinbringen zu können oder zumindest in genauen Vergleich setzen zu können.
    Die allgemein natürlich immer angestrebte Reproduzierbarkeit der Motorqualitäten kann mit lediglich der bekannten, üblicherweise angewandten Probier-Methode bei eingebautem Zustand im Fahrzeug und Betrieb auf der Strecke mittels Rundenzeit-Vergleichen niemals in dem hohen Grad erreicht werden. Denn dabei haben immer zusätzlich noch andere Parameter auf die Performance des kompletten Fahrzeuges einen gehörigen Einfluss (siehe unten).
    Mit dieser Methode lässt sich nur eine indirekte und damit grobe qualitative Beurteilung der Motorleistung mit geringer Trennschärfe erzielen.

    Ebenso wenig kann durch ein "Hören" oder (zumindest schon besser :) Messen der Drehzahl im unbelasteten Zustand, also nur im Leerlauf, eine Aussage über die eigentlich gesuchte Größe "Mechanische Leistung" getroffen werden. Die Drehzahl ist ja nur die eine von 2 Komponenten, aus denen sich die mechanische Leistung zusammensetzt.
    Die andere Komponente, nämlich das jeweilige zugehörige Last-Drehmoment, fehlt dabei.

    Ein weiteres Thema ist das mögliche Betreiben eines Motors lediglich mit 2 kurzen Anschlusskabeln direkt an einem Netzgerät von ausreichender Strom-Kapazität mit der Absicht, damit auf einem evtl. vorhandenen Prüfstand realitätsnahe Messwerte in Bezug auf authentische Leistungsdaten im eigentlichen Betrieb zu erhalten. Dies ist im Grunde illusorisch. Unter solchen Bedingungen ermittelte Werte wären generell viel zu hoch gegenüber dem Betrieb auf der Strecke und von daher im Endeffekt wertlos. Viel zu hoch deshalb, weil der Motor wegen des dabei vorhandenen, winzigen wirksamen Kabel(vor-)widerstands vergleichsweise viel zu viel elektrische Eingangsleistung gegenüber dem Streckenbetrieb bekommt.

    Die Faktoren, die bei der o.g. Bewertungsmethode durch ausschließliche Fahrt auf der Strecke mit hineinspielen, sind:

  • die Streckencharakteristik bzw. das Strecken-Layout und die Geraden-Länge der zum Test verfügbaren Strecke

  • das Grip-Niveau von Reifen und Streckenoberfläche, sowie die davon abhängende Höhe des Reifenschlupfes