Streszczenie
W niniejszym artykule przedstawiono moĪliwoĞci pomiarowe hamowni podwozio-wej MAHA LPS 3000.
Pierwszy moĪliwy tryb badaĔ na hamowni – stała siła pociągowa. Działanie tego programu polega na stałym obciąĪaniu kół pojazdu zdefiniowaną w programie siłą.
Programy stała prĊdkoĞü jazdy / prĊdkoĞü obrotowa silnika polegają na tym, iĪ obciąĪenie kół pojazdu jest zwiĊkszane przez rolki hamowni tak, by symulowana prĊdkoĞü pojazdu / prĊdkoĞü obrotowa silnika nie przekroczyła zadanej wczeĞniej w programie wartoĞci.
Wyznaczenie charakterystyki eksploatacyjnej silnika pojazdu w całym zakresie prĊdkoĞci obrotowych, jak równieĪ okreĞlenie oporów w układzie napĊdowym moĪliwe jest w trybie pomiar mocy silnika.
Opisane powyĪej tryby pracy hamowni MAHA posłuĪą do badania i wyznaczenia stanów trakcyjnych pojazdu.
Słowa kluczowe: charakterystyka silnika, hamownia podwoziowa 1. Wprowadzenie
Istotnym etapem procesu uĪytkowania pojazdu jest kontrola jakoĞci funkcjonowania silnika. Polega ona na sprawdzeniu czy silnik spełnia rygorystyczne wymogi ekologiczne i parametry okre-Ğlone przez konstruktorów. W tym celu silnik moĪe byü poddany testom na specjalnym stanowisku zwanym hamow nią [6]. Podczas testów symuluje siĊ warunki jakie wystĊpują podczas normalnej
eksploatacji pojazdu oraz poddaje siĊ silnik, bądĨ pojazd, badaniu mającemu na celu zasymulowanie standaryzowanego cyklu jazdy celem wykonania pomiarów emisji spalin oraz porównania osiągów z silnikami innych pojazdów [4,8,9].
W zaleĪnoĞci od stawianych wymagaĔ w stosunku do badaĔ hamownianych, wykorzystuje siĊ róĪne pod wzglĊdem konstrukcyjnym stanowiska pomiarowe. RozróĪniamy hamownie niestacjo-narne, do zastosowania w przypadkach, gdy niemoĪliwe lub utrudnione jest przemieszczanie pojazdu, który ma zostaü poddany badaniom, jak np. ciągniki rolnicze lub innego typu pojazdy spe-cjalne lub wolnobieĪne. Badanie charakterystyk silników ciągników rolniczych na hamowni niestacjonarnej polega na podłączeniu pod wałek odbioru mocy (WOM) układu pomiarowego. WiąĪe siĊ to z faktem, iĪ badanie ciągników rolniczych na innych rodzajach hamowni jest bardzo kłopotliwe, a nierzadko niemoĪliwe.
Innym przykładem hamowni niestacjonarnej jest inercyjna hamownia przenoĞna firmy Dyno-met. Jest to urządzenie, które montuje siĊ na koło badanego pojazdu, a aparaturĊ podłącza siĊ do
komputera przenoĞnego (rys. 1). Pomiary przeprowadzane są w warunkach drogowych. Procedura pomiaru przy pomocy tego typu hamowni obejmuje: pomiar obwodu koła, okreĞlenie przełoĪenia głównego, obliczenie przełoĪenia biegu, na którym wykonywany bĊdzie pomiar. Po wprowadzeniu powyĪszych danych moĪliwe jest przeprowadzenie badania, które odbywa siĊ podczas rozpĊdzania pojazdu od prĊdkoĞci obrotowej wału korbowego silnika wynoszącej ok. 1000 rpm do osiągniĊcia prĊdkoĞci obrotowej odpowiadającej mocy maksymalnej, po czym silnik zostaje rozsprzĊglony. Podczas próby przez 10 s rejestrowane są opory toczenia oraz opory układu napĊdowego. Po zakoĔ-czonych pomiarach dane moĪna wyeksportowaü w postaci tabelarycznej, jak równieĪ dostĊpne są wykresy mocy, momentu obrotowego oraz innych wielkoĞci zmierzonych [7].
Rys. 1. Zestaw pomiarowy hamowni inercyjnej przygotowany do pomiaru osiągów pojazdu ħródło: [1].
Rzadko spotykanym typem niestacjonarnych hamowni są mobilne hamownie podwoziowe. NajczĊĞciej wykorzystywane są w sporcie wyczynowym do badania samochodów wyĞcigowych lub rajdowych bezpoĞrednio w miejscu odbywania siĊ zawodów lub podczas treningów. Hamownie tego typu pozwalają skorzystaü z funkcjonalnoĞci hamowni podwoziowej bez koniecznoĞci prze-woĪenia pojazdu w miejsce badania, jednakĪe ze wzglĊdu na duĪe gabaryty oraz wysoką cenĊ są rzadko spotykane i stosowane poza sportem wyczynowym.
Hamownie stacjonarne słuĪą do badania pojazdów, które mogą zostaü dostarczone lub dojechaü samodzielnie na stanowisko badawcze np. pojazdy osobowe, dostawcze itp.
Najdokładniejszą hamownią, jeĞli chodzi o pomiar osiągów samego silnika, jest hamownia sil-nikowa. Badanie na tego typu hamowni polega na wymontowaniu badanego silnika z pojazdu i zamontowaniu go na hamowni silnikowej. W tym przypadku moĪna uzyskaü najdokładniejsze po-miary samego silnika, gdyĪ nie są one obarczone błĊdami pochodzącymi z układu przeniesienia napĊdu, jednakĪe przygotowanie do przeprowadzenia pomiaru jest bardzo kłopotliwe ze wzglĊdu na koniecznoĞü kaĪdorazowego wymontowywania silnika z pojazdu.
Coraz czĊĞciej spotykanym typem hamowni jest podwoziowa hamownia stacjonarna. Istotą ha-mowni podwoziowej jest zastąpienie nieruchomej jezdni bieĪnią lub rolką (rolkami), dziĊki czemu podczas próby samochód pozostaje nieruchomy, a symulowane są jedynie opory jazdy. NajczĊĞciej stanowiska tego typu umieszczane są w zamkniĊtych pomieszczeniach, co uniezaleĪnia wyniki ba-daĔ od wpływu czynników atmosferycznych. Współczesne hamownie podwoziowe wyposaĪane są w hamulce do płynnej generacji oporów, co pozwala na wykonanie badaĔ w stanach statycznych i dynamicznych [5]. Przygotowanie do badania na tego typu hamowni polega na umieszczeniu kół
napĊdzanych badanego pojazdu na rolkach pomiarowych, przypiĊciu pojazdu pasami i zadeklaro-waniu w oprogramozadeklaro-waniu hamowni niezbĊdnych procedur pomiarowych. W dalszej czĊĞci pracy opisane zostały róĪne tryby pracy hamowni podwoziowej MAHA LPS 3000 oraz ich zastosowanie do okreĞlania stanów trakcyjnych pojazdu.
2. Hamownia podwoziowa MAHA LPS 3000
Hamownia MAHA LPS 3000 jest to hamownia podwoziowa z jednostką obliczeniową stero-waną mikroprocesorowo, do graficznej i cyfrowej prezentacji wyników pomiarów [3]. Oprogramowanie hamowni posiada wiele trybów pracy (rys. 2 i 3), umoĪliwiających wykorzystanie hamowni zarówno do badaĔ osiągów silnika, jak równieĪ daje szerokie moĪliwoĞci badania efek-tywnoĞci układów napĊdowych pojazdów (rys. 4).
Rys. 2. Widok ekranu z moĪliwoĞcią wyboru trybów pracy hamowni – zaznaczona symulacja obciąĪenia
Rys. 3. Widok ekranu z wybranym rodzajem symulacji obciąĪenia ħródło: opracowanie własne.
Rys. 4. Widok ekranu do ustawienia parametrów charakteryzujących pojazd podczas badania na hamowni
2.1. Stała siła pociągowa
Stała siła pociągowa jest to tryb pracy polegający na symulowaniu stałego, wczeĞniej zdefinio-wanego w programie obciąĪenia przekazyzdefinio-wanego na rolki hamowni (rys. 5). DziĊki temu moĪliwe jest symulowanie np. podjazdu na wzniesienie o stałym kącie nachylenia.
Rys. 5. Widok ekranu programu w trybie pracy stałej siły pociągowej (Fst = 2000N) ħródło: [2].
Mając daną wartoĞü siły obciąĪającej oraz dane dotyczące pojazdu i znając osiągniĊte prĊdkoĞci na poszczególnych przełoĪeniach skrzynki przekładniowej moĪna wyznaczyü moc zuĪytą na poko-nanie wzniesienia na poszczególnych biegach. Stałą siłĊ pociągową moĪemy przedstawiü zaleĪnoĞcią:
α
sin
⋅
⋅
=
m
g
F
st (1) gdzie:Fst – stała siła pociągowa zadana przez uĪytkownika w programie [N]; m – masa pojazdu [kg];
g – przyspieszenie ziemskie [9,81 m/s2];
Į – kąt pochylenia symulowanego wzniesienia.
Po podstawieniu powyĪszej zaleĪnoĞci, moc zuĪytą na pokonanie wzniesienia z prĊdkoĞcią v moĪna obliczyü jako:
3600
sin
v
g
m
P
st=
⋅
⋅
α
⋅
(2) gdzie:v – prĊdkoĞü pojazdu zarejestrowana na rolkach hamowni [km/h]; Pst – moc zuĪyta na pokonanie wzniesienia [kW].
Oprócz wyznaczenia mocy potrzebnej do pokonania wzniesienia, tryb stałej siły pociągowej pozwala na wyznaczenie sprawnoĞci układu napĊdowego na róĪnych przełoĪeniach. Na kolejnych przełoĪeniach skrzynki przekładniowej naleĪy przeprowadziü pomiary ze stała siłą pociągową, pod-czas których rejestrowane bĊdzie zuĪycie paliwa przez silnik pojazdu. IloĞü zuĪytego paliwa naleĪy traktowaü jako energiĊ dostarczoną do układu, przy czym istotne jest uwzglĊdnienie charakterystyki silnika i jednostkowego zuĪycia paliwa przez silnik w danym zakresie prĊdkoĞci obrotowych, a jako efekt uzyskany na wyjĞciu z układu naleĪy rejestrowaü prĊdkoĞü na rolkach hamowni oraz pokony-waną siłĊ zdefiniopokony-waną wczeĞniej w programie. W celu ujednolicenia warunków pracy silnika moĪna, w zaleĪnoĞci od wybranego przełoĪenia skrzynki przekładniowej, zmieniaü siłĊ generowaną przez rolki hamowni odwrotnie proporcjonalnie do uzyskiwanych na rolkach prĊdkoĞci kół pojazdu (proporcjonalnie zwiĊkszaü siłĊ uciągu do przełoĪenia na danym biegu).
2.2. Stała prĊdkoĞü jazdy
Tryb pracy stałej prĊdkoĞci jazdy umoĪliwia zdefiniowanie w programie maksymalnej prĊdko-Ğci osiąganej na rolkach hamowni przez koła pojazdu. Na zadeklarowaną wartoĞü prĊdkoprĊdko-Ğci nie ma wpływu prĊdkoĞü maksymalna, jaką pojazd jest w stanie osiągnąü (rys. 6).
Rys. 6. Widok ekranu programu w trybie pracy stałej prĊdkoĞci jazdy, zadeklarowanej na poziomie 120,00 km/h
Zadeklarowana wartoĞü prĊdkoĞci bĊdzie to prĊdkoĞü, do której hamownia pozwoli na rozpĊ-dzanie pojazdu bez obciąĪania rolek, po czym gdy pojazd osiągnie tą prĊdkoĞü, oprogramowanie hamowni bĊdzie tak zwiĊkszało siłĊ hamowania rolek, by pojazd nie był w stanie osiągnąü prĊdkoĞci wyĪszej od zadanej. Siła generowana przez oprogramowanie hamowni jest rejestrowana, w związku z czym moĪliwe jest okreĞlenie maksymalnej siły osiągniĊtej na rolkach hamowni podczas prób na róĪnych przełoĪeniach skrzynki przekładniowej przy stałej prĊdkoĞci jazdy.
2.3. Stała prĊdkoĞü obrotowa silnika
Zasada działania trybu pracy stałej prĊdkoĞci obrotowej silnika jest analogiczna jak w przy-padku trybu stałej prĊdkoĞci jazdy, z tą róĪnicą, Īe w tym trybie deklarowana jest prĊdkoĞü obrotowa wału korbowego silnika osiągana podczas próby bez wzglĊdu na fakt, iĪ silnik moĪe uzyskiwaü wyĪszą prĊdkoĞü obrotową (rys.7).
Rys. 7. Widok ekranu programu w trybie pracy stałej prĊdkoĞci obrotowej wału korbowego silnika zadeklarowanej na poziomie 2000 rpm
ħródło: [2].
Oprogramowanie hamowni w trybie stałej prĊdkoĞci obrotowej silnika pozwala na rozpĊdzanie siĊ pojazdu do chwili osiągniĊcia zadeklarowanej wartoĞci prĊdkoĞci obrotowej silnika, po czym obciąĪenie hamowni jest zwiĊkszane tak, by silnik pojazdu nie był w stanie przekroczyü tej wartoĞci. W zaleĪnoĞci od wybranego przełoĪenia skrzyni przekładniowej siła generowana na rolkach ha-mowni bĊdzie przyjmowała inne wartoĞci, co pozwala wyznaczyü charakterystykĊ układu napĊdowego pojazdu w zaleĪnoĞci od zastosowanego przełoĪenia – przy czym charakterystyka sa-mego silnika nie bĊdzie podczas tego badania tak istotna, ze wzglĊdu na to, iĪ silnik podczas prób
na róĪnych przełoĪeniach przy tej samej prĊdkoĞci obrotowej osiągaü bĊdzie taki sam moment ob-rotowy – wobec czego róĪnice siły generowanej na rolkach hamowni zaleĪeü bĊdą od wybranego przełoĪenia skrzynki przekładniowej. W takim przypadku moĪliwe bĊdzie okreĞlenie sprawnoĞci przekładni wraz z układem przeniesienia napĊdu w funkcji przełoĪenia skrzynki przekładniowej. 2.4. Pomiar mocy
W celu wyznaczenia charakterystyki prĊdkoĞciowej silnika stosuje siĊ tryb pracy pomiar mocy. Podczas badania w tym trybie wyznaczany jest przebieg momentu obrotowego silnika w funkcji prĊdkoĞci obrotowej silnika, a na tej podstawie jest okreĞlana moc silnika. Wyznaczane są opory w układzie napĊdowym tj., straty mocy oraz okreĞlana jest moc na kołach pojazdu (rys. 8). Podczas testu rejestrowane są wielkoĞci charakteryzujące warunki otoczenia. Hamownia podwoziowa MAHA LPS 3000 umoĪliwia przeprowadzenie testów dwuosiowych pojazdów o dopuszczalnej ma-sie całkowitej 3,5 Mg, z napedem przedniej lub tylnej osi o mocy silnika 250 kW, a takĪe obie oma-sie napedowej o łacznej mocy 500 kW przy prĊdkoĞci jazdy 300 km/h.
Rys. 8. Widok okna programu hamowni z przykładowymi wykresami poszczególnych mocy ħródło: [2].
Badanie odbywa siĊ w nastĊpujący sposób:
− pojazd umieszczany jest kołami napĊdzanymi na rolkach hamowni i zabezpieczany pasami; − przeprowadzający badanie rozpĊdza pojazd do prĊdkoĞci poniĪej 50km/h, po czym naleĪy
wybraü bieg, na którym wykonywany bĊdzie pomiar (zaleca siĊ bieg przedostatni);
− pomiar jest rozpoczynany z chwilą zarejestrowania przez rolki hamowni przekroczenia prĊd-koĞci 50km/h przez koła pojazdu;
− pomiar powinien odbywaü siĊ z pedałem przyspieszenia wciĞniĊtym na maksymalne dawko-wanie paliwa do chwili, gdy na wykresie wyĞwietlanym on-line na monitorze komputera rysowana krzywa mocy na kołach nie zacznie opadaü – wówczas naleĪy wcisnąü sprzĊgło i pozwoliü, by koła pojazdu samoczynnie wytracały prĊdkoĞü;
− podczas wytracania prĊdkoĞci mierzone są siły oporu w układzie napĊdowym, dziĊki czemu oprogramowanie hamowni zbiera odczyty niezbĊdne do okreĞlenia oporów układu napĊdo-wego na biegu, na którym odbywał siĊ pomiar;
− po wytraceniu prĊdkoĞci przez koła pojazdu na ekranie monitora rysowany jest ostateczny wykres mocy silnika, momentu obrotowego silnika, mocy na kołach pojazdu oraz mocy strat w układzie napĊdowym – wszystkie wielkoĞci rysowane są w funkcji prĊdkoĞci obrotowej wału korbowego silnika.
Przykładowe zarejestrowane na hamowni podwoziowej przebiegi mocy silnika samochodu Opel Kadett i BMW serii 7 przedstawiono odpowiednio na rysunkach 9 i 10.
Rys. 9. Przebiegi krzywych mocy i momentu obrotowego silnika samochodu osobowego Opel Kadett
Rys. 10. Przebiegi krzywych mocy i momentu obrotowego silnika samochodu osobowego BMW serii 7
ħródło: opracowanie własne.
W wyniku analizy charakterystyki silnika samochodu Opel stwierdzono, Īe maksymalne war-toĞci mocy i momentu obrotowego uzyskano odpowiednio przy prĊdkoĞci obrotowej, 44,3 kW przy 5465 rpm (co przekłada siĊ na prĊdkoĞü jazdy o wartoĞci 149,2 km/h), 90,5 Nm przy 3550 rpm. Uzyskane wartoĞci wielkoĞci na hamowni porównano z parametrami deklarowanymi przez produ-centa, które odpowiednio wynoszą 44 kW przy 5600 rpm (maksymalna prĊdkoĞü jazdy 150 km/h), 96 Nm przy 3400 rpm. ZgodnoĞü powyĪszych wyników potwierdza wiarygodnoĞü przeprowadzo-nych testów na hamownii podwoziowej.
Natomiast silnik samochodu BMW na hamowni osiągnął odpowiednio, 141,2 kW przy 6300 rpm (prĊdkoĞü jazdy – 260 km/h), 214,1 Nm przy 6295 rpm, a dane wytwórcy to moc maksymalna wynosząca 155 kW przy 5700 rpm oraz maksymalny moment obrotowy wynoszący 315 Nm przy 4000 rpm. W przypadku silnika samochodu BMW naleĪy uwzglĊdniü wiek i przebieg pojazdu oraz fakt, Īe w pojeĨdzie zamontowana jest instalacja gazowa, co moĪe wpływaü na zmianĊ osiągów silnika.
3. Podsumowanie
WĞród przedstawionych rozwiązaĔ konstrukcyjnych hamowni najwiĊksze moĪliwoĞci badaw-cze dają hamownie podwoziowe. UmoĪliwiają one, oprócz wyznabadaw-czenia przebiegu krzywych mocy i momentu obrotowego silnika, równieĪ innych mocy wystĊpujących w pojeĨdzie. Za pomocą ha-mowni podwoziowej moĪna wyznaczyü stany trakcyjne pojazdu. DziĊki temu moĪna okreĞliü efektywnoĞü funkcjonowania układu napĊdowego pojazdu w zaleĪnoĞci od obciąĪenia oraz wybra-nego przełoĪenia skrzynki przekładniowej.
Bibliografia
1. http://www.bkzauto.pl/oferta.htm 2. Instrukcja MAHA LPS 3000.
3. http://www.elprosys.com.pl/?page_id=80.
4. Beddows D.C.S., Harrison R.M., Comparison of average particle number emission factors for heavy and light duty vehicles derived from rolling chassis dynamometer and field studies, Atmospheric Environment 42, 2008.
5. Czaban J., Szpica D., Drive test system to be used on roller dynamometer, MECHANIKA. 2013 Volume 19(5), ISSN 1392-1207.
6. Durbin Thomas D., Wilson Ryan D., Norbeck Joseph M., Miller J. Wayne, Huai Tao, Rhee Sam H., Estimates of the emission rates of ammonia from light-duty vehicles using standard chassis dynamometer test cycles, Atmospheric Environment 36 2002.
7. Michalski R., Gonera J., Janulin M., Wyznaczanie charakterystyki zewnĊtrznej ciągnika kołowego z wykorzystaniem przenoĞnej hamowni inercyjnej, PostĊpy nauki i techniki nr 14 Politechnika Lubelska 2012.
8. Pelkmans L., Debal P., Comparison of on-road emissions with emissions measured on chassis dynamometer test cycles, Transportation Research Part D 11, 2006.
9. Subramanian K.A., Mathad Vinaya C., Vijay V.K., Subbarao P.M.V., Comparative evaluation of emission and fuel economy of an automotive spark ignition vehicle fuelled with methane enriched biogas and CNG using chassis dynamometer, Applied Energy 105, 2013.
DETERMINATION OF VEHICLE TRACTION STATES BY USING A CHASSIS DYNAMOMETER LPS 3000
Summary
This paper presents the measurement capabilities of a chassis dynamometer MAHA LPS 3000.
The first possible mode of testing on a dynamometer – constant tractive force. The operation of this program lies in the constant charging on wheels of the vehicle as defined in the program force.
Programs constant speed / engine speed based on the fact that the vehicle wheel load is increased by a roller dynamometer so that the simulated vehicle speed / engine speed does not exceed the set earlier in the program values.
Determination of the operational characteristics of the engine of the vehicle throughout the speed range, and determine the resistance in the drive system it is pos-sible mode measurement of engine power.
The above-described modes MAHA dynamometer will be used to testing and des-ignation of vehicle traction conditions.
Keywords: characteristics of the engine, chassis dyno Bronisław Kolator
Michał Janulin
Katedra Budowy, Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Wydział Nauk Technicznych
Uniwersytet WarmiĔsko-Mazurski w Olsztynie ul. Oczapowskiego 11, 10-736 Olsztyn