Kundenspezifische Drehmoment-Aufnehmer für den Prüfstand oder den Fahrversuch

Sensorik im Maßanzug

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In Motorprüfständen oder Fahrversuchen sollen viele Messwerte simultan und exakt erfasst werden. Da dazu niemand größere Modifikationen am Motor vornehmen möchte, gibt es genau für solche Anwendungen Drehmoment-Aufnehmer, die sich direkt in den Motor einbauen lassen.

Bei der Entwicklung von Fahrzeugmotoren steht Energieeffizienz immer mehr im Vordergrund. Um Motoren und den gesamten Antriebsstrang zu optimieren, werden Motorprüfstände und Fahrversuche verwendet. Dabei müssen viele Messwerte simultan und exakt erfasst werden. Unter anderem sind dies die Drehmomente, die der Motor an das Getriebe und weiter im Antriebsstrang sowie an die angebauten Aggregate überträgt. Diese möchte man sicher und exakt messen, ohne dabei größere Modifikationen am Motor vornehmen zu müssen. Die Anforderungen an die eingesetzten Aufnehmer zur Drehmomenterfassung sind deshalb hoch.

Der Motor gibt das an der Kurbelwelle erzeugte Drehmoment nicht ausschließlich an das Getriebe ab, sondern muss zusätzlich die Nockenwelle und angebaute Aggregate wie die Lichtmaschine oder den Kompressor der Klimaanlage antreiben. Bei der Optimierung des Motors auf dem Prüfstand oder im Fahrversuch sollten all diese Drehmomente messtechnisch erfasst werden.
HBM entwickelt für solche Anwendungen kundenspezifische Drehmoment-Aufnehmer, die direkt in den Motor eingebaut werden können. Der Aufnehmer wird dabei beispielsweise zwischen der Riemenscheibe, die die Lichtmaschine antreibt, und der Antriebswelle der Lichtmaschine eingebaut, so dass das übertragene Drehmoment exakt gemessen werden kann.
Aufnehmer basierend auf Standard-Produkt
Die Aufnehmer zur Drehmomentmessung sind ähnlich aufgebaut wie das Modell T10F, das HBM als Standardprodukt liefert. Die geometrischen Abmessungen sowie die Bohrungen zur Montage werden individuell auf die jeweilige Anwendung angepasst. Der Aufnehmer kann dann ganz einfach in den Motor eingebaut werden. Modifikationen am Motor, die eventuell die Messungen beeinflussen könnten, sind somit weitgehend ausgeschlossen.
Der Aufnehmer basiert auf dem Prinzip der Scherspannungsmessung mittels Dehnungsmessstreifen. Diese sind zwischen dem inneren und äußeren Teil angebracht und messen damit die Scherspannung, die durch das Drehmoment entsteht. Diese Mess-Geometrie ist relativ unempfindlich gegenüber Querkräften und Biegemomenten, die bereits im Aufnehmer kompensiert werden. Der Aufbau ermöglicht außerdem eine sehr kompakte, kurze Bauform, was die einfache Anpassung an bestehende Anwendungen erleichtert. Die maximal zulässige dynamische Belastung dieses Aufnehmertyps ist sehr hoch, was dazu führt, dass nur eine geringe Überdimensionierung nötig ist.
Der Drehmomentaufnehmer zeichnet sich außerdem durch seine sehr hohe Torsionssteifigkeit aus, wodurch die Problematik der so genannten Drehmoment-Resonanzschwingungen nahezu ausgeschlossen wird. Die maximalen Drehmomente der Aufnehmer liegen zwischen 50 Nm und 1 kNm. Sie werden im HBM-Kalibrierlabor kalibriert und abgeglichen, so dass eine Genauigkeit von 0,2 % erreicht werden kann, was durchaus vergleichbar mit einem serienmäßig hergestellten Aufnehmer ist. Die Geräte decken den hohen Temperaturbereich, der für Anwendungen direkt am Motor notwendig ist, ab und können sowohl im Motorenprüfstand als auch in Fahrversuchen unter extremen klimatischen Bedingungen eingesetzt werden.
Berührungslos und wartungsfrei
Die Daten- und Energieübertragung zwischen Aufnehmer und Messverstärker erfolgt drahtlos. Dadurch sind weder Lager noch Schleifringe nötig, wodurch ein absolut wartungsfreier Betrieb gewährleistet wird. Auf der Rückseite des Aufnehmers ist die Rotorelektronik inklusive Antenne montiert. Direkt gegenüber befindet sich die Statorantenne, die der Energieübertragung zum Sensor und der Signalübertragung zum Messverstärker dient. Die Stator- antenne ist ebenfalls sehr flach und beansprucht dadurch kaum Platz. Insgesamt baut der gesamte Aufnehmer mit 20 mm Höhe so flach, dass er ohne Schwierigkeiten an die Dimensionen einer herkömmlichen Riemenscheibe in einem Verbrennungsmotor angepasst werden kann.
Der Messverstärker ist in einer kleinen Box untergebracht, die sich problemlos in der Nähe des Aufnehmers montieren lässt. Er wandelt das gemessene Signal in ein digitales oder analoges Ausgangssignal um, das dann zur weiteren Auswertung zur Verfügung steht.
Drehmomente in Antriebsstrang und Gelenkwelle
Neben der bereits skizzierten Anwendung des Drehmoment-Aufnehmers an einer Riemenscheibe können mit einer ähnlichen Technik auch die Drehmomente gemessen werden, die vom Motor an das Getriebe und weiter an die Antriebswellen übertragen werden. Direkt zwischen Motor und Getriebe kann die Schwungscheibe durch einen entsprechend angepassten Drehmoment-Aufnehmer ersetzt werden. Auch hier wird ein kundenspezifischer Aufnehmer eingesetzt, der exakt an die Geometrie der Zahnkranzscheibe angepasst ist. Die Anforderung in diesem Teil des Motors sind besonders hoch, da hier das größte Drehmoment übertragen wird. Außerdem muss die gesamte Sensortechnik Temperaturen von -20° bis +120 °C widerstehen.
Im weiteren Verlauf des Antriebsstrangs können die Kardanwelle sowie die Gelenkwellen ebenfalls mit Drehmoment-Aufnehmern ausgestattet werden. Hier kommen Dehnungsmessstreifen zum Einsatz, die direkt die Torsion, die durch das Drehmoment auf die Wellen wirkt, messen und darüber das Drehmoment bestimmen. Die Übertragung der Messwerte kann auch hier wieder berührungslos erfolgen.
Verbesserte Genauigkeit
Die Messungen der Drehmomente im und am Motor sowie im Antriebsstrang wurden von HBM in enger Zusammenarbeit mit einen Kunden aus der Automobilindustrie realisiert und erfolgreich eingesetzt. Die Messtechnik hat sich dabei sowohl im Prüfstand als auch im Fahrversuch sehr gut bewährt. Im Vergleich zu der messtechnischen Lösung, die der Kunde vorher einsetzte, konnte eine Verbesserung der Genauigkeit um den Faktor 5 bis 10 erzielt werden. Gleichzeitig profitierte der Kunde von der einfachen Installation, da die geometrischen Abmessungen der Aufnehmer den jeweiligen Teilen des Motors entspricht.
Die Kunden profitieren aber nicht nur von den spezifisch an die jeweilige Anwendung angepassten Aufnehmer, sondern erhalten von HBM sämtliche Produkte für die gesamte Messkette aus einer Hand. Das Spektrum reicht dabei von den Dehnungsmesssteifen und Aufnehmern über Messverstärker bis hin zu Software zur Datenaufnahme, Datenanalyse sowie Simulation. Sämtliche Produkte sind ideal aufeinander abgestimmt, sodass der Anwender mit geringem Aufwand seine messtechnische Anwendung realisieren kann.
HBM; Telefon: 06151 8030; E-Mail: info@de.hbm.com
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