Фізика роботи класного діностенд

- температура і тиск повітря на впуску повинні знаходитися в певних межах. Також задаються робочі температури води / масла. І в яких конкретно місцях все температури повинні замірятися. Вимоги до палива.
- двигун при випробуванні повинен бути повністю комплектуючі, з усім навісним обладнанням і впускний / випускний і іншими забезпечують його функціонування в серійному автомобілі системами (або їх повними еквівалентами).
- режим програми управління повинен відповідати «дорожньому» в кожній тестовій точці виміру. При цьому для сучасних легкових автомобілів рекомендується в реальних дорожніх умовах зареєструвати всі робочі параметри (включаючи, наприклад температуру і тиск вихлопу), і в точності відтворити їх під час виміру (тиск в вихлопі пропонується регулювати автоматичної заслінкою).
- потужність реєструється на маховику двигуна при повністю відкритій дросельної заслінки за такою процедурою:
Точки виміру оборотів повинні йти з кроком 500об / хв і 100об / хв в районі пікових величин потужності / моменту. У кожній точці двигун повинен утримуватися гальмами діностенд протягом хвилини, при цьому під час виміру допускається відхилення оборотів від заданих не більше 1%, а температур не більше 2˚! Також результат вважається вірним, якщо відхилення трьох послідовних вимірів від середнього не більше 1%!

Очевидно, що подібна процедура вкрай дорога і доступна тільки дуже великим організаціям, ніяк не звичайному автолюбителю. Для них і придумали більш «народний» метод виміру - «колісний» діностенд.

Конструкція і принцип виміру колісного діностенд

Основа колісного діностенд - один або два барабана на одній осі, на які ставляться провідні колеса випробовуваної машини. В цілому виглядає приблизно так:

Тут і далі для простоти будемо говорити про монопривідному стенді.

Перші діностенд працювали в так званому «інерційному» режимі: автомобіль при вимірі просто розкручував барабани (досить важкі) на одній передачі в потрібному діапазоні оборотів. Результат виміру визначався за допомогою єдиного датчика - датчика кутової швидкості барабанів, який стояв на осі.

датчик кутової швидкості на моєму стенді

Надалі, з причин, які розглянемо нижче, до інерційним стендів стали додавати гальмо, що дозволяє збільшити навантаження при вимірі. Щоб розібратися, як це все працює і малює необхідні нам графіки, потрібно спочатку зрозуміти конструкцію найпростіших перших стендів - інерційних.

Як вимірює потужність інерційний діностенд?

Як відомо, потужність - це робота, вироблена за одиницю часу. Заганяючи машину колесами на барабани, і виробляючи завмер на інерційному стенді, ми змушуємо її робити роботу по розкручуванню барабанів. Як оцінити цю роботу? Вона дорівнює приросту енергії обертання барабанів. Сама енергія обертання визначається формулою:

Момент інерції стенду залежить виключно від конструкції конкретного барабана, і визначається при його виготовленні експериментальним методом в лабораторних умовах (це робиться з більш ніж достатньою точністю). Після чого в якості константи вноситься в програму, що працює з конкретним стендом.

Параметри барабана мого стенду. Інерція - 70кг * м ^ 2

Робота тоді (як приріст енергії):

Виходить, що все потрібне для визначення потужності є - момент інерції відомий, кутову швидкість вимірює датчик обертання на осі, час може відсікати керуючий комп'ютер.
Якщо в цю формулу підставити значення в моменти початку і кінця виміру, в результаті отримаємо середню потужність двигуна по заміряному діапазону оборотів.
Величина цікава, але нам-то потрібен графік ВСХ (зовнішньої швидкісної характеристики). Або графік «миттєвої» максимальної потужності по всіх оборотах. Щоб його дізнатися, розіб'ємо весь завмер на маленькі тимчасові проміжки, і на кожному з них заміряємо швидкість з датчика швидкості на стенді. Запишемо отримані дані в таблицю. Приблизно вона буде виглядати ось так:

Тут крок тимчасового квантування обрано дуже грубий - 0.5с. Реально стенд знімає дані швидше ста разів на секунду. Нанесемо точки з таблиці на графік і в результаті отримаємо якусь траєкторію з кінцевого числа точок:

реальний графік виміру кутової швидкості барабана зі стенду

Тепер, по виведеної вище формулою, на кожному проміжку (рядку в таблиці) порахуємо середню потужність цього проміжку:

Отримаємо нову траєкторію на графіку, точки в якій відображають розрахункову потужність в кожен момент часу виміру:

жирними точками потужність, маленькими - кутова швидкість

Відмінно, у нас є графік потужності від часу, але нам хочеться знати потужність на конкретних оборотах двигуна (по осі Х хочемо обороти). Для цього потрібно стенду повідомити додаткові дані - коефіцієнт перерахунку оборотів барабана стенду в обороти коленвала двигуна. У більшості випадків на стендах цей коефіцієнт обчислюється процедурою синхронізації - на обраної для виміру передачі двигун плавно (для вибору всіх люфтів трансмісії) «прокручується» через задані обороти, і в момент їх проходу по тахометрі машини запам'ятовується потрібне співвідношення (відношення заданих обертів двигуна до оборотів барабана

Взявши дані з двох останніх стовпців таблиці, побудуємо шуканий графік:

графік потужності від оборотів

Цифри, отримані в результаті такого розрахунку, прийнято називати «колісними», тому що барабан стенду розкручували колеса автомобіля, і саме вони здійснювали роботу.
Відмінно, завмер справили, графік отримали. Як же тепер порівняти ці цифри з паспортними, отриманими за процедурою, описаною в початку? Строго кажучи, робити цього не можна:

- По-перше, в умовах звичайного дінорума неможливо (або економічно недоцільно) домогтися такої ж стабільності температурних режимів роботи і контролю робочих параметрів.
- По-друге, завмер ми проводили в динамічному режимі - барабани стенду і колеса автомобіля безперервно прискорювалися, тоді як в SAE методикою двигун при вимірі утримується на фіксованих оборотах. У чому різниця між такими методами, і як їх можна порівняти, розберемося пізніше.
- І нарешті, вимірювали ми на колесах, а по шляху між маховиком і барабаном стенду, потужність встигає кілька «розплескатися» в процесах механічного тертя і прискорення різних мас. А значить, цифри, отримані з коліс, будуть помітно менше.

(Наскільки саме вони можуть бути менше, питання, який зазвичай всім вкрай цікавий, обов'язково розглянемо пізніше.)
Загалом, суцільне порушення умов експерименту виходить.

Так що, колісні стенди марні? Звичайно, ні! З двох причин. По-перше, це простий і дешевий спосіб наочно побачити реальні зміни в роботі двигуна після яких-небудь доопрацювань або ремонтів. Завдяки простоті способу виміру і незмінності вхідних параметрів (маса стенду не змінюється), у колісного стенду дуже хороша повторюваність від виміру до виміру, і будь-які зміни в роботі двигуна буде добре видно (в тому числі і внаслідок варіації погодних умов, про це теж пізніше) . Ну а по-друге, колісний стенд відмінно характеризує динамічні здатності всього автомобіля в цілому, враховуючи майже всі втрати, а не просто його двигуна. Ми ж не на двигуні верхом переміщаємося! Цифри колісної потужності показують, скільки реальною корисною потужності у вас залишилося для розгону автомобіля і чим ви володієте при реальній їзді, а не тестах на моторному стенді. Також, ці цифри дозволяють більш «чесно» порівнювати між собою різні автомобілі з різними типами трансмісій / коліс / гуми.

Більш того, описаний спосіб виміру на колісному стенді за своєю динамікою найбільш наближений до реальних дорожніх умов, а іноді повністю збігається з ними. Щоб детальніше розглянути цей момент, введемо для барабанів стенду поняття еквівалентної маси:

Еквівалентна маса стенду дорівнює масі автомобіля, динаміка розгону якого на дорозі, за вирахуванням всіх додаткових можливих втрат, повністю відповідає динаміці розгону на стенді.

Розглянемо, як цю масу обчислити.
Для сил в зоні контакту, що штовхають автомобіль на реальній дорозі, може бути застосована формула (вікіпедія):

Оскільки з визначення еквівалентної маси, динаміка розгону на стенді і на дорозі повинні збігатися, в будь-який момент часу, що працюють потужності у нас повинні бути рівні. Тоді з формул (1) і (2):

Отримали, що еквівалентна маса для барабана стенду буде прямо пропорційна його моменту інерції і обернено пропорційна квадрату його радіуса. Момент і діаметр барабана мого стенду є на фото вище. Порахуємо його еквівалентну масу:

Що означає, що машина вагою 780кг на барабані мого стенду в інерціальній режимі виміру буде прискорюватися практично так само, як і на дорозі. Машина ж, вагою в півтори тонни, буде прискорюватися на стенді в два рази швидше. У мого стенду відносно невисока еквівалентна маса, так як він розрахований на заміри з використанням додаткового гальма. Чисто інерційні стенди мають еквівалентну масу близько 1500кг, дозволяючи з хорошою точністю емулювати реальний розгін для будь-якої середньої машини.

Отже, в чисто инерциальном спосіб замірів розібралися.
А зараз розберемо перший цікаве оману при трактуванні виміру, на яке, чомусь, майже ніхто не звертає уваги. А саме, відображення моменту на «колісному» графіку зі стенду.
Багато хто вважає хорошим тоном оперувати цифрами виміру «з коліс», із задоволенням розглядаючи такі графіки:

графік потужність-момент колісні з мого стенду

Всі їх бачили сотнями, і нікого чомусь не бентежить, що потужність-то дійсно «колісна» (як вона вважається, ми вже зрозуміли), а ось цифри моменту виглядають, насправді, вкрай дивно.
Про потужність / год автомобільного двигуна, хто з них кого і яким чином, в інтернеті списано чимало простирадлом праведно-гнівного тексту. Хто захоче - шанує або вже прочитав. Я ж просто зазначу, що потужність, як похідна енергії - фундаментальна величина, що володіє чудовим властивістю, наприклад, не залежати від обраної для виміру передачі, головної пари і діаметру коліс (не рахуючи втрати). Навіть від криворукості оператора при синхронізації обертів вона не залежить (обороти ми в розрахунках вище дізналися вже після потужності). Так, якщо неправильно синхронізувати обертів, весь графік потужності по оборотам «з'їде» в ту або іншу сторону, але його форма і абсолютні цифри на ньому все одно залишаться правильними!
Так що, навіть якщо на графіку, який вам видали, обороти на момент закінчення виміру, на ваш погляд, помітно відрізняються від оборотів «відсічення» (якщо ви до неї заміряли), нічого страшного, цифри потужності, як основну характеристику вашого мотора, все одно вірні.
А як же момент? Ось з ним все погано. Момент - штука дуже мінлива, і проходячи шлях від маховика до коліс і барабанів стенду, встигає змінитися в кілька разів. Давайте подивимося, як саме. Допоможе нам ось ця формула:

Mвих і Mвход - моменти на виході і на вході в редуктор з передавальним співвідношенням k

Тобто, якщо у нас спочатку було, припустимо, 100Нм на маховику на певних оборотах, то на першій передачі з передавальним числом 4. на виході з коробки (на кардані) буде вже 400Нм. Скільки тяги нахаляву, так. )
Повернемося до виміру. Нехай наш мотор видає на 6000об / хв приблизно 350Нм на маховику. Ми заміряли заднє-приводний автомобіль на «прямій» передачі, а значить, передавальне співвідношення в коробці було дорівнює 1. Момент на виході з коробки тоді не змінився і залишився 350Нм. Далі йде редуктор. Покладемо, головна пара в ньому дорівнює 4.3. Звідси момент на осях коліс буде 350 * 4.3 = 1500Нм. 1500. А чи не трохи менше 350. як намальовано на цьому графіку і йому подібних!
Може бути, це ми десь помилилися, неправильно застосували формулу? Давайте зайдемо з іншого боку. Як справедливо пишуть в тих самих численних присутніх в інтернеті, потужність і момент пов'язані між собою певним чином:

Ми знаємо, що на нашому «колісному» графіку в районі 6000об / хв на колесах приблизно 200 кВт. Щоб дізнатися швидкість обертання коліс, при якій ми отримали цю потужність, запитаємо у стенду графік швидкості від оборотів:

Бачимо цифру 140км / год. Що дорівнює приблизно 40м / с. Зручно, що довжина кола низько профільного колеса R17 майже рівно 2 метри. Швидкість обертання тоді буде: 40/2 = 20 об / с або, тому що в одному повному обороті 2 * pi радіан, 20 * 2 * pi - близько 130 рад / c. Вважаємо момент:

Знову 1500. А чи не 350!

Отже, момент «на колесах», насправді, мінімум рази в 4 більше, ніж звичні всім цифри на маховику. Причому, залежить від передачі (швидкості), і на першій передачі буде більше приблизно в 16 (!) Разів. Так, а що ж тоді за ньютон-метри малюють стенди на «колісних» графіках? Якщо спробувати надати якийсь фізичний зміст цих цифр, то це момент з якогось «віртуального» маховика, потужність на якому збігається з колісною потужністю на графіку, а обороти відповідають оборотам маховика вимірюваного автомобіля. Розраховується він у такий спосіб:

9549 - коефіцієнт, що виник в результаті перерахунку розмірностей величин, ніякого важливого сенсу за ним немає, формула все та ж, що і вище.
По суті, таке обчислення моменту фізичного сенсу не несе. Це було б правильно для маховика (але знову ж таки, не для коліс) «ідеального» автомобіля, в трансмісії без тертя і без інерції. Або для автомобіля, який рухається, штовхаючись маховиком. )
Так що, нас безсовісно дурять виробники і власники стендів? Схоже на те. Насправді, якщо уважно подивитися «колісні» графіки з різних стендів, на них ніхто і не стверджує, що цифри моменту колісні. Просто написано «Момент, що крутить». Якийсь. Який саме, ніде на графіку не уточнюється. Крім, звичайно, особливо клінічних випадків:
раз
два

Причому, якщо пошукати, можна знайти приклади відображення реального колісного зусилля (моменту, поділеної на радіус колеса):
Але такі графіки поширення не отримали. Замість цього в тиху малюють «віртуальний момент». Причина-то зрозуміла: кожному клієнту не поясниш, що це за цифри, в кілька разів більші, ніж у нього в документах на машину. Навіть якщо спробувати, клієнт покивав, і наступного разу поїде на інший стенд, де таких проблем немає, і цифри схожі на правду, на його думку.
До речі, дуже шкода, так-то величина досить цікава і інформативна для реального життя (як і колісна потужність). Наприклад, 10000Н колісного зусилля на певних оборотах, визначеної передачі (швидкості) еквівалентні 1000кг тяги. А це означає, що машина вагою 1000кг на цих оборотах / передачі буде розганятися з прискоренням 1G. Можна відразу прикинути, чи буде на цій швидкості тримати гума, або виникне пробуксовка, віділлє чи масло від маслозаборнік в картері, яка буде навантаження на приводу, як саме потечуть сльози щастя по щоках водія, і ще багато корисного.

Отже, найпростіший варіант колісного стенду ми розглянули. В наступній частині дізнаємося, як працює сучасний стенд з додатковим гальмом на вихрових токах, а так само дізнаємося, нарешті, хто саме краде нашу різницю між моторної потужністю і колісної і в яких кількостях.

PS: написавши ось цей розбір: www.drive2.ru/b/2930860/ я виявив цікавий, "нереальний" ефект на графіку, який випливає з обману виробників стенду про колісному моменті. Що як би в черговий раз натякає - обманювати недобре, особливо в точних науках. Ось графік виміру:

Червоним - потужність, синім - момент, порахований на моторі, помаранчевим - колісний момент. Обороти мотора в даному випадку стенд дізнавався безпосередньо з мотора - індуктивним датчиком з котушки запалювання.
У місці, де момент на маховику "просів" почалася пробуксовка (або зчеплення, або коліс). Як бачимо, реальний - колісний зараз не просів. Звідки ж взялася просадка моторного? Гарна завдання на розуміння матеріалу вище.