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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 werden die Betriebsverhältnisse für den Motor vom Ablauf her etwas ähnlich wie auf der Strecke beim Drag-Racing nachgebildet.

Eine an die Motorwelle gekuppelte, berechnete Schwungmasse, die die Trägheit einer gängigen Fahrzeugmasse direkt am Motor wirkend simuliert, wird dabei aus dem Stillstand heraus mit voller Betriebsspannung auf die jeweils maximal erreichbare Drehzahl beschleunigt.

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.

Der verfügbare Anteil des wirkenden inneren Drehmomentes, 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.
Über den Federkraftwiderstand eines elektromechanischen Kraftsensors in Dehnungsmessstreifen-Technik, der in die Kraftfluss-Strecke eingebaut ist, stützt sich die Schwenkwiege beim dadurch eingeleiteten Verdreh-Schwenken gegen den festen Boden ab.
Auf diese Weise kann der Sensor durch seine entsprechende elastische Verformung ein dem Drehmoment proportionales elektrisches Signal liefern und so das dynamisch verlaufende, nutzbare Drehmoment des Motors während des gesamten Messvorgangs unter anstehendem Hochbeschleunigen direkt gemessen werden.
Gemessen wird das effektive, verfügbare Drehmoment zum Beschleunigen der gesamten, durch Schwungmasse rotatorisch simulierten Fahrzeugmasse, inklusive der Drehmasse des Motor-Ankers selbst (ebenfalls rotatorisch).
Dieses ergibt sich als Differenz zwischen dem kompletten, im Motor intern magnetisch entstehenden Gesamt-Drehmoment (Luftspaltmoment) und dem ebenfalls intern anfallenden Reibungs-Verlustmoment durch Kohlebürsten-Gleitreibung am Kollektor / Kommutator.

MMotor = MLuftspalt - MKohlenreibung

Das Verlustmoment durch die Kohlebürsten-Reibung, MKohlenreibung, bewegt sich (bei den demontierbaren Motortypen) zwischen 0,08 und 0,19 Ncm, abhängig von der jeweiligen Andruckkraft durch die eingesetzten Federn (in unterschiedlich erforderlichen Stärken).
Allgemein betrachtet bedeutet dies, in Relation zu den vorkommenden maximalen Drehmoment-Werten der Motoren, in der Regel einen prozentualen Anteil von ca. 5 bis 6,5 %.

Vorwiegend für die sehr 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, wie sie bei Prüfung in stationären Betriebspunkten vorkommen, aufgrund der dabei dann rapide steigenden Ankerwicklungstemperatur der jeweilige Arbeitspunkt des Motors zu instabil wäre.

Auf Rundstreckenrennen bezogen, stellt diese Motor-Betriebssituation einen Sonderfall dar, der allenfalls nur manchmal bei einer Start-Situation zu Beginn eines Rennens auf einer entsprechend langen Geraden oder nach einer Einsetz-Aktion durch Streckenposten nach Verlassen des Slots, ebenfalls auf einer Geraden, vorkommt. Insofern ist hierfür die Messung bei ganz niedrigen Drehzahlen nahe Null nur von geringerem Interesse. Im laufenden Rennen auf der Rundstrecke bewegen sich die Betriebspunkte des Motors zyklisch in einem eingeschränkten Bereich der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, da die Drehzahlen selbst in den Kurven nie in die Nähe eines Stillstandes kommen.
Die realen Fahrvorgänge in den meisten Fahrzeugklassen und auf den meisten vorhandenen Strecken sind gekennzeichnet durch nahezu ständig im Wechsel stattfindende Beschleunigungs- und Bremsphasen, wodurch die Betriebszustände der Motoren geprägt werden.
Generell ist dieser Prüfstandstyp aber wichtig und geschaffen insbesondere für besonders leistungsstarke Motoren mit - wie bereits erwähnt - hohen Stromaufnahmen. Der Transienten-Motorprüfstand ermöglicht es, bei solchen Exemplaren die Leistungsdaten im sehr tiefen Drehzahlbereich bei Vollast, schon ab Drehzahl Null, zuverlässig zu messen, ohne dass der Anker dabei einer abnormalen Temperaturbelastung ausgesetzt wird. Denn die besonders hohen Last-Drehmomentspitzen wirken vom Ablauf her nur sehr kurzzeitig (im Hundertstel- u. Zehntelsekunden-Bereich) - eben wie im Betrieb bei Beschleunigung aus dem Stillstand auf der Strecke - auf den Motor ein.
Aber nicht nur die untere Grenze des Drehzahlbereiches kann mit dieser Konfiguration in der Messung abgedeckt werden, sondern auch die obere, d.h. nahezu auch die Leerlaufdrehzahl bei voller Betriebsspannung. Dies ist möglich, weil außer dem Reaktionsdrehmoment, das nur während der Beschleunigung der gekuppelten Schwungmasse entsteht, ansonsten aber kein nennenswertes Last-Drehmoment darüber hinaus auf den Motor aus dieser Anordnung heraus auftreten kann. Nach Erreichen der Enddrehzahl wirkt nur noch die Luftreibung am Umfang der Schwungmasse und deren Lagerreibung als sehr kleine Last auf den Motor.
Bei Motoren, deren Maximaldrehzahlen bei ca. 130 000 bis 140 000 1/min liegen, kann mit dieser Prüfkonfiguration verfahren werden.

Anders sieht es hingegen aus bei Motoren, deren Drehzahlen im Quasi-Leerlauf diese vorgenannten Werte noch deutlich übersteigen würden zu etwa 180 000, in Richtung 200 000 1/min. Bei solch hohen Drehzahlen wären die Belastungen für den Anker, und zwar die inneren mechanischen Spannungen im Blechpaket, sowie für den Kollektor schon recht grenzwertig - und dies gilt natürlich nicht nur für den Fall auf dem Prüfstand. Aus diesem Grund werden diese extrem hochtourigen Motoren auf dem Transienten-Motorprüfstand nicht mit einer normalen Schwungmasse gekuppelt, sondern mit einer, die aus einem Aluminium-Scheibenrotor gebildet wird und im Luftspalt eines Magnetfeldes positioniert ist. Und zwar wird entweder eine direkte Verbindung der Wellen über eine Wellenkupplung hergestellt oder es wird eine Kopplung über ein Getriebe realisiert. Dieser Rotor fungiert darin bei Rotation gleichzeitig als Wirbelstrom-Bremse. Über die Höhe der magnetischen Luftspaltinduktion und die radiale Position des Magnetfeldes zum Rotor kann die Höhe des bremsenden, d.h. belastenden Drehmomentes zum Erreichen der betreffenden Enddrehzahl eingestellt werden. Die max. Prüfdrehzahl wird also durch automatische Beaufschlagung mit der richtigen äußeren Last nach beendeter Beschleunigungsphase im Bereich der realen Werte, d.h. wie auf der Strecke, gehalten.
Wie es bereits eingangs erwähnt wurde, wird auf diese Weise die sogenannte authentische Streckenbelastung auf den Motor gebildet.
Grundlage für die Einstellung der Höhe des dabei auftretenden Last-Drehmomentes zum Ende der Beschleunigungsphase ist der Wert der Stromaufnahme, die während des Fahrens auf der Strecke vom Verlauf her über 1 oder auch 2 Runden aufgezeichnet wird und exakt für die betreffende Momentansituation aus den Aufzeichnungswerten detektiert werden kann. Und weil ja bekanntlich eine direkte Proportionalität besteht zwischen Strom und Drehmoment bei den Motoren, kann man den tatsächlich anliegenden Lastmoment-Wert von der Strecke auf den Prüfstand übertragen, indem man auf dem Prüfstand in Annäherungsschritten das Last-Drehmoment schließlich exakt so eingestellt hat, dass der Motor genau den gleichen Strom aufnimmt wie zu dem Zeitpunkt auf der Strecke, wenn er die anvisierte Enddrehzahl erreicht hat.
Über die Drehzahl, die sich am Motor bei genau dieser Stromaufnahme, bzw. diesem zugehörigen Drehmoment (unter anliegender voller Betriebsspannung) einstellt, kann der Motor auf dem Prüfstand dann nicht hinauskommen.

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 der physikalisch-elektromechanisch vorgegebenen Gesetzmäßigkeit zum 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 den anderen involvierten Lastanteilen nähert sich allmählich dem Wert Null.

Der komplette Rest-Fahrwiderstand, gegen den der Motor auf der Strecke nach nahezu beendeter Beschleunigung arbeiten muss, besteht dann in dieser jeweiligen Situation allein nur noch 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 Verzahnungen 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 und der magnetischen Anziehungskraft durch die in unmittelbarer Nähe befindlichen Motor-Magnete auf die Achse


  • 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.



    Messbeispiele

    Hier sind nachfolgend einmal die Aufzeichnungsresultate von 2 Motoren mit sehr unterschiedlichen Leistungsniveaus als Beispiele aufgezeigt.
    Es sind die charakteristischen Messgrößenverläufe über der Zeit, deren Werte auf diesem Prüfstand als Roh-Daten aus den Motoren im kontinuierlichen Beschleunigungsprozess ermittelt werden.

    Das, was dabei jeweils von dem im Luftspalt wirkenden, inneren Motor-Drehmoment rotatorisch beschleunigt wird, ist stets der Drehmassenverbund, bestehend aus Anker, Faltenbalg-Wellenkupplung und der durch diese mit der Ankerwelle verbundenen Schwungmasse (siehe Fotos weiter unten).
    Sein jeweiliges Gesamt-Massenträgheitsmoment   J ges   (in der Maßeinheit kgm2) setzt sich also aus diesen drei Einzel-Massenträgheitsmomenten zusammen.
    Da die äußere Schwungmasse und die Kupplung immer beteiligt sind, wird in den Messbedingungen die Größe des Gesamt-Massenträgheitsmomentes nur durch den jeweiligen Eigen-Anteil vom Motoranker bestimmt.

    Damit man einen aussagekräftigen, bildhaften Überblick über die Zusammensetzung eines jeden Drehmassenverbundes hat, ist hier in den Abbildungen der Jeweilige Motoranker im ausgebauten Zustand als Komponente im Verbundstrang gezeigt.

    Motor
    Super 16D Parma

    max. mechanische Leistung unter den elektrischen Randbedingungen: 32 Watt



    Motor:
    Super 16D von Parma


    Modifikationen am Motorkopf: Andruckfedern, Kohlenführungsschächte, Shunt-Litzen zur optimierten Stromzufuhr

    Anker nachgewuchtet, Wicklung 28AWG/60T

    Magnet-Hauptfeld mit 2 konventionellen Ferrit-Magneten, engerer Luftspalt zu Anker

    Motormasse 37 Gramm

    Baujahr 1992


    Motor
    Bock 4M6K / Mura 25 AWG 20T

    max. mechanische Leistung unter den elektrischen Randbedingungen: 90 Watt



    Motor:
    Bock 4M6K /
    Anker Mura 25 AWG 20T


    0.512 inch Durchmesser

    Magnet-Hauptfeld mit
    4 Samarium-Cobalt-Magnetplättchen

    verstellbare Kommutierung 9°

    Motormasse 26 Gramm

    Baujahr 1985








    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 und 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. behelfsmäßigen Bewertungsmethode, d.h. 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

  • die Fahrzeugmasse

  • der Durchmesser der Reifen

  • das Getriebe-Übersetzungsverhältnis

  • Hier ist außerdem zu beachten, dass bei wechselnden Motoren zum Zwecke des Leistungsvergleiches (bei dieser unpräzisen Hilfsmethode zugrunde liegend) jeweils die letzten vier der vorgenannten Punkte immer dieselben sein müssen.