Динамометр или для краткости «диностенд» — это устройство для одновременного измерения крутящего момента и скорости вращения ( об/мин ) двигателя , мотора или другого вращающегося первичного двигателя , чтобы можно было рассчитать его мгновенную мощность , которая обычно отображается самим динамометром как кВт или л.с. _
Динамометры используются не только для определения характеристик крутящего момента или мощности испытуемой машины, но и для ряда других целей. В стандартных циклах испытаний на выбросы, таких как те, которые определены Агентством по охране окружающей среды США , динамометры используются для имитации дорожной нагрузки либо двигателя (с использованием динамометра двигателя), либо полной трансмиссии (с использованием динамометра шасси). Помимо простых измерений мощности и крутящего момента, динамометры могут использоваться как часть испытательного стенда для различных работ по разработке двигателей, таких как калибровка контроллеров управления двигателем, детальные исследования поведения сгорания и трибология .
В медицинской терминологии ручные динамометры используются для регулярного контроля захвата и силы рук , а также для первоначальной и постоянной оценки пациентов с травмой или дисфункцией руки. Они также используются для измерения силы захвата у пациентов с подозрением на повреждение корешков шейных нервов или периферических нервов.
В сфере реабилитации , кинезиологии и эргономики силовые динамометры используются для измерения силы спины, хвата, рук и/или ног спортсменов, пациентов и рабочих для оценки физического состояния, производительности и требований к выполнению задач. Обычно сила, приложенная к рычагу или через трос, измеряется, а затем преобразуется в момент силы путем умножения на перпендикулярное расстояние от силы до оси уровня. [1]
.jpg/1280px-Hydraulic_dynamometer_(Rankin_Kennedy,_Modern_Engines,_Vol_VI).jpg)
Поглощающий динамометр действует как нагрузка, приводимая в движение испытуемым первичным двигателем (например, колесом Пелтона ). Динамометр должен быть способен работать при любой скорости и нагрузке с любым уровнем крутящего момента, которого требует испытание.
Поглощающие динамометры не следует путать с «инерционными» динамометрами, которые рассчитывают мощность исключительно путем измерения мощности, необходимой для ускорения приводного ролика с известной массой, и не создают переменной нагрузки на первичный двигатель.
Абсорбционный динамометр обычно оснащен средствами измерения рабочего крутящего момента и скорости.
Блок поглощения мощности (ПАУ) динамометра поглощает мощность, развиваемую первичным двигателем. Эта мощность, поглощаемая динамометром, затем преобразуется в тепло, которое обычно рассеивается в окружающем воздухе или передается охлаждающей воде, которая рассеивается в воздухе. Регенеративные динамометры, в которых первичный двигатель приводит в действие двигатель постоянного тока в качестве генератора для создания нагрузки, вырабатывают избыточную мощность постоянного тока и потенциально — с помощью инвертора постоянного/переменного тока — могут подавать мощность переменного тока обратно в коммерческую электросеть.
Абсорбционные динамометры могут быть оснащены двумя типами систем управления для обеспечения различных основных типов испытаний.
Динамометр имеет регулятор «тормозного» момента — блок поглощения мощности сконфигурирован для обеспечения заданной тормозной силы крутящей нагрузки, в то время как первичный двигатель сконфигурирован для работы при любом открытии дроссельной заслонки, скорости подачи топлива или любой другой переменной, которую желательно изменить. тест. Затем первичному двигателю разрешается разогнать двигатель до желаемой скорости или диапазона оборотов в минуту. Процедуры испытаний с постоянной силой требуют, чтобы PAU был установлен с небольшим недостатком крутящего момента относительно выходной мощности первичного двигателя, чтобы обеспечить некоторую скорость ускорения. Мощность рассчитывается на основе скорости вращения x крутящего момента x константы. Константа варьируется в зависимости от используемых единиц измерения.
Если динамометр имеет регулятор скорости (человеческий или компьютерный), PAU обеспечивает переменную величину тормозного усилия (крутящего момента), необходимого для того, чтобы первичный двигатель работал на желаемой единичной испытательной скорости или об/мин. Тормозную нагрузку PAU, приложенную к первичному двигателю, можно контролировать вручную или определять с помощью компьютера. В большинстве систем используются вихретоковые, масляно-гидравлические нагрузки или нагрузки, создаваемые двигателями постоянного тока, из-за их способности к линейному и быстрому изменению нагрузки.
Мощность рассчитывается как произведение угловой скорости и крутящего момента .
Автомобильный динамометр действует как двигатель, приводящий в движение испытуемое оборудование. Он должен быть способен управлять оборудованием на любой скорости и развивать любой уровень крутящего момента, необходимый для испытания. Обычно двигатели переменного или постоянного тока используются для привода оборудования или «нагрузочного» устройства.
В большинстве динамометров мощность ( P ) не измеряется напрямую, а должна рассчитываться на основе значений крутящего момента ( τ ) и угловой скорости ( ω ) [ нужна ссылка ] или силы ( F ) и линейной скорости ( v ):
В зависимости от используемых единиц измерения может потребоваться деление на константу преобразования.
Для имперских или обычных единиц измерения США:
Для метрических единиц,
Динамометр состоит из блока поглощения (или амортизатора/привода) и обычно включает в себя средства измерения крутящего момента и скорости вращения. Абсорбционный блок состоит из ротора определенного типа в корпусе. Ротор соединен с двигателем или другим испытуемым оборудованием и может свободно вращаться с любой скоростью, необходимой для испытания. Предусмотрены некоторые средства для создания тормозного момента между ротором и корпусом динамометра. Средства создания крутящего момента могут быть фрикционными, гидравлическими, электромагнитными или другими в зависимости от типа поглощающего/приводного блока.
Одним из способов измерения крутящего момента является установка корпуса динамометра таким образом, чтобы он мог свободно вращаться, за исключением случаев, когда он ограничен моментным рычагом. Корпус можно обеспечить свободным вращением с помощью цапф , соединенных с каждым концом корпуса и поддерживающих его в установленных на опоре цапфовых подшипниках. Моментный рычаг соединен с корпусом динамометрического стенда, а весы расположены таким образом, чтобы измерять силу, действующую на корпус динамометрического стенда при попытке вращения. Крутящий момент представляет собой силу, указанную на шкале, умноженную на длину моментного рычага, измеренную от центра динамометра. Датчик нагрузки можно заменить весами , чтобы обеспечить электрический сигнал , пропорциональный крутящему моменту.
Другим способом измерения крутящего момента является подключение двигателя к динамо-машине через муфту, чувствительную к крутящему моменту, или датчик крутящего момента. Датчик крутящего момента выдает электрический сигнал, пропорциональный крутящему моменту.
При использовании блоков электрического поглощения можно определить крутящий момент путем измерения тока, потребляемого (или генерируемого) абсорбером/драйвером. Как правило, это менее точный метод, который в наше время мало практикуется, но для некоторых целей он может подойти.
При наличии сигналов крутящего момента и скорости тестовые данные можно передавать в систему сбора данных , а не записывать вручную. Сигналы скорости и крутящего момента также можно записывать с помощью самописца или плоттера .
Помимо классификации на абсорбционные, моторные или универсальные, как описано выше, динамометры можно классифицировать и по другим признакам.
Динамометрический стенд, соединенный непосредственно с двигателем, называется динамометрическим стендом двигателя .
Динамометрический стенд, который может измерять крутящий момент и мощность, передаваемые силовой передачей автомобиля непосредственно от ведущего колеса или колес, не снимая двигатель с рамы автомобиля), известен как стендовый стенд .
Динамометры также можно классифицировать по типу абсорбционного блока или поглотителя/привода, который они используют. Некоторые агрегаты, способные только на абсорбцию, можно объединить с двигателем для создания амортизатора/привода или «универсального» динамометра.
Вихретоковые (EC) динамометры в настоящее время являются наиболее распространенными поглотителями, используемыми в современных динамометрических стендах. EC-поглотители обеспечивают быструю смену нагрузки для быстрого ее стабилизации. Большинство из них имеют воздушное охлаждение, но некоторые рассчитаны на использование внешних систем водяного охлаждения.
Вихретоковые динамометры требуют наличия электропроводящего сердечника, вала или диска, движущегося поперек магнитного поля для создания сопротивления движению. Железо — распространенный материал, но также можно использовать медь, алюминий и другие проводящие материалы.
В текущих (2009 г.) приложениях в большинстве ЕС-тормозов используются чугунные диски, аналогичные роторам дисковых тормозов транспортных средств, и регулируемые электромагниты для изменения напряженности магнитного поля для управления интенсивностью торможения.
Напряжение электромагнита обычно контролируется компьютером, используя изменения магнитного поля в соответствии с подаваемой выходной мощностью.
Сложные EC-системы обеспечивают стабильную работу и контролируемую скорость ускорения.
Порошковый динамометр похож на вихретоковый динамометр, но в воздушный зазор между ротором и катушкой помещается мелкий магнитный порошок. Возникающие в результате линии магнитного потока создают «цепочки» из металлических частиц, которые постоянно строятся и распадаются во время вращения, создавая большой крутящий момент. Порошковые динамометры обычно ограничены более низкими оборотами из-за проблем с рассеиванием тепла.
В гистерезисных динамометрах используется магнитный ротор, иногда из сплава AlNiCo, который перемещается по линиям магнитного потока, генерируемым между магнитными полюсными наконечниками. Таким образом, намагниченность ротора циклически колеблется вокруг его характеристики BH, рассеивая при этом энергию, пропорциональную площади между линиями этого графика.
В отличие от вихретоковых тормозов, которые не развивают крутящего момента в состоянии покоя, гистерезисный тормоз развивает в основном постоянный крутящий момент, пропорциональный току намагничивания (или силе магнита в случае блоков с постоянными магнитами) во всем диапазоне скоростей. [2] В устройствах часто имеются вентиляционные отверстия, хотя в некоторых из них предусмотрено принудительное воздушное охлаждение от внешнего источника.
Гистерезисные и вихретоковые динамометры являются двумя наиболее полезными технологиями в небольших (200 л.с. (150 кВт) и менее) динамометрах.
Динамометры с электродвигателями / генераторами представляют собой специализированный тип привода с регулируемой скоростью . Блок поглощения/привода может представлять собой двигатель переменного тока (AC) или двигатель постоянного тока (DC). Двигатель переменного или постоянного тока может работать как генератор, приводимый в движение испытуемым устройством, или двигатель, приводящий в движение испытуемое устройство. При оснащении соответствующими блоками управления динамометры с электродвигателями/генераторами могут быть сконфигурированы как универсальные динамометры. Блоком управления двигателем переменного тока является частотно-регулируемый привод , а блоком управления двигателем постоянного тока — привод постоянного тока . В обоих случаях устройства рекуперативного управления могут передавать мощность от испытуемого устройства к электросети. Если это разрешено, оператор динамометра может получить оплату (или кредит) от коммунального предприятия за возвращенную электроэнергию посредством чистого учета .
При испытаниях двигателей универсальные динамометры могут не только поглощать мощность двигателя, но и приводить его в действие для измерения трения, насосных потерь и других факторов.
Динамометры с электродвигателями/генераторами, как правило, более дороги и сложны, чем другие типы динамометров.
Вентилятор используется для подачи воздуха для обеспечения нагрузки на двигатель. Крутящий момент, поглощаемый тормозом вентилятора, можно регулировать путем изменения передачи или самого вентилятора или путем ограничения потока воздуха через вентилятор. Из-за низкой вязкости воздуха эта разновидность динамометров по своей сути ограничена по величине крутящего момента, который он может поглотить.
Масляный сдвиговый тормоз имеет ряд фрикционных дисков и стальных пластин, аналогичных сцеплениям в автомобильной автоматической коробке передач. Вал, несущий фрикционные диски, прикреплен к грузу через муфту. Поршень сталкивает стопку фрикционных дисков и стальных пластин вместе, создавая сдвиг в масле между дисками и пластинами, создавая крутящий момент. Крутящий момент может регулироваться пневматически или гидравлически. Принудительная смазка поддерживает масляную пленку между поверхностями для предотвращения износа. Реакция плавная до нулевых оборотов без скачков. Нагрузки до сотен тепловых мощностей могут быть поглощены посредством необходимого блока принудительной смазки и охлаждения. Чаще всего тормоз кинетически заземляется через моментный рычаг, закрепленный тензодатчиком, который под нагрузкой вырабатывает ток, подаваемый на систему управления динамометром. Пропорциональные или серворегулирующие клапаны обычно используются, чтобы позволить динамометрическому управлению подавать давление для обеспечения программной крутящей нагрузки с обратной связью от тензодатчика, замыкающего контур. Поскольку требования к крутящему моменту возрастают, появляются ограничения по скорости. [3]
Гидравлическая тормозная система состоит из гидравлического насоса (обычно шестеренного), резервуара для жидкости и трубопроводов между двумя частями. В трубопровод вставлен регулируемый клапан, а между насосом и клапаном установлен манометр или другое средство измерения гидравлического давления. Проще говоря, двигатель разгоняется до желаемых оборотов, и клапан постепенно закрывается. Поскольку выходное отверстие насоса ограничено, нагрузка увеличивается, и дроссель просто открывается до желаемого открытия дросселя. В отличие от большинства других систем, мощность рассчитывается путем учета объема потока (рассчитывается на основе конструктивных характеристик насоса), гидравлического давления и числа оборотов в минуту. Мощность тормоза, независимо от того, рассчитана ли она по давлению, объему и числу оборотов в минуту или с помощью тормозного стенда другого типа с тензодатчиками, должна давать практически идентичные показатели мощности. Гидравлические динамометрические стенды известны своей способностью к самому быстрому изменению нагрузки, лишь немного превосходя вихретоковые поглотители. Обратной стороной является то, что они требуют большого количества горячего масла под высоким давлением и масляного резервуара.
Гидравлический динамометр (также называемый поглотителем водяного тормоза ) [4] был изобретен британским инженером Уильямом Фрудом в 1877 году в ответ на запрос Адмиралтейства о создании машины, способной воспринимать и измерять мощность крупных военно-морских двигателей. [5] Амортизаторы водяного тормоза сегодня относительно распространены. Они известны своей высокой мощностью, небольшими размерами, легким весом и относительно низкими производственными затратами по сравнению с другими, более быстро реагирующими типами «поглотителей мощности».
Их недостатки заключаются в том, что им может потребоваться относительно длительный период времени, чтобы «стабилизировать» величину нагрузки, и что им требуется постоянная подача воды в «корпус водяного тормоза» для охлаждения. Экологические нормы могут запрещать «проток» воды, и в этом случае устанавливаются большие резервуары для воды, чтобы предотвратить попадание загрязненной воды в окружающую среду.
На схеме показан наиболее распространенный тип водяного тормоза, известный как тип «переменного уровня». Вода добавляется до тех пор, пока двигатель не будет поддерживать устойчивые обороты в зависимости от нагрузки, затем вода будет поддерживаться на этом уровне и заменяться постоянным сливом и доливом (что необходимо для отвода тепла, образующегося при поглощении лошадиных сил). Корпус пытается вращаться в ответ на создаваемый крутящий момент, но его удерживает шкала или ячейка измерения крутящего момента, которая измеряет крутящий момент.
В большинстве случаев автомобильные динамометры симметричны; Динамометр переменного тока мощностью 300 кВт может поглощать мощность 300 кВт, а также двигатель мощностью 300 кВт. Это необычное требование при тестировании и разработке двигателей. Иногда более экономичным решением является присоединение большего абсорбционного динамометра к меньшему автомобильному динамометру. В качестве альтернативы аналогичным образом можно использовать абсорбционный динамометр большего размера и простой двигатель переменного или постоянного тока, при этом электродвигатель обеспечивает мощность двигателя только при необходимости (и без поглощения). (Более дешевый) абсорбционный динамометр рассчитан на максимально необходимое поглощение, тогда как автомобильный динамометр рассчитан на движение в автомобиле. Типичное соотношение размеров для обычных циклов испытаний на выбросы и большинства разработок двигателей составляет примерно 3:1. Измерение крутящего момента является несколько сложным, поскольку в тандеме работают две машины - в этом случае предпочтительным методом измерения крутящего момента является линейный датчик крутящего момента. Часто используемой конфигурацией этого типа является вихретоковый динамометр или динамометр с водяным тормозом с электронным управлением в сочетании с частотно-регулируемым приводом и асинхронным двигателем переменного тока. К недостаткам можно отнести необходимость второго набора услуг испытательной камеры (электропитание и охлаждение), а также немного более сложную систему управления. Необходимо уделять внимание переходу от движения к торможению с точки зрения устойчивости управления.
Динамометры полезны при разработке и совершенствовании современной технологии двигателей. Идея состоит в том, чтобы использовать динамометрический стенд для измерения и сравнения передачи мощности в различных точках автомобиля, что позволяет модифицировать двигатель или трансмиссию для обеспечения более эффективной передачи мощности. Например, если динамометрический стенд показывает, что конкретный двигатель развивает крутящий момент 400 Нм (295 фунт-сила-фут), а динамо-машина шасси показывает только 350 Нм (258 фунт-сила-фут), можно было бы знать, что потери в трансмиссии являются номинальными. Динамометры, как правило, представляют собой очень дорогое оборудование и поэтому обычно используются только в определенных областях, где они используются для определенной цели.
«Тормозной» динамометр прикладывает переменную нагрузку к первичному двигателю (ПМ) и измеряет способность ПМ перемещать или удерживать обороты в минуту в зависимости от приложенной «тормозной силы». Обычно он подключается к компьютеру , который записывает приложенный тормозной момент и рассчитывает выходную мощность двигателя на основе информации от «тензодатчика» или «тензодатчика» и датчика скорости.
«Инерционный» динамометр обеспечивает нагрузку с фиксированной инерционной массой, рассчитывает мощность, необходимую для ускорения этой фиксированной и известной массы, и использует компьютер для записи оборотов в минуту и скорости ускорения для расчета крутящего момента. Двигатель обычно тестируется от несколько выше холостого хода до максимальных оборотов, а мощность измеряется и отображается на графике .
«Моторный» динамометр обладает функциями тормозной динамометрической системы, но, кроме того, может «питать» (обычно с помощью двигателя переменного или постоянного тока) ПМ и позволяет тестировать очень малые выходные мощности (например, дублируя скорости и нагрузки, которые опыт управления транспортным средством, движущимся под уклон, или при включении/выключении дроссельной заслонки).
По существу существует три типа процедур динамометрических испытаний:
При каждом типе испытания на развертку остается проблема потенциальной ошибки измерения мощности из-за переменной общей вращающейся массы двигателя/динамостенда/автомобиля. Многие современные тормозные динамометрические системы с компьютерным управлением способны определять значение «инерционной массы», чтобы устранить эту ошибку. [ оригинальное исследование? ]
«Испытание на развертку» почти всегда вызывает подозрения, поскольку многие пользователи «развертки» игнорируют коэффициент вращающейся массы, предпочитая использовать общий «коэффициент» при каждом испытании на каждом двигателе или транспортном средстве. Простые инерционные динамометрические системы не способны определять «инерционную массу» и поэтому вынуждены использовать одну и ту же (предполагаемую) инерционную массу на каждом испытанном транспортном средстве.
Использование испытания в установившемся режиме устраняет ошибку вращающейся инерционной массы при тесте развертки, поскольку во время этого типа теста ускорение отсутствует.
Агрессивные движения дроссельной заслонки, изменение частоты вращения двигателя и вращение двигателя являются характеристиками большинства переходных испытаний двигателя. Обычной целью этих испытаний является разработка и омологация выбросов транспортных средств. В некоторых случаях более дешевый вихретоковый динамометр используется для испытания одного из переходных циклов испытаний на ранней стадии разработки и калибровки. Вихретоковая динамометрическая система обеспечивает быструю реакцию на нагрузку, что позволяет быстро отслеживать скорость и нагрузку, но не позволяет управлять автомобилем. Поскольку большинство необходимых испытаний в переходных процессах включают в себя значительную часть работы двигателя, цикл переходных испытаний с использованием вихретокового динамометрического стенда приведет к получению различных результатов испытаний на выбросы. Окончательные настройки необходимо выполнять на динамометрическом стенде, способном работать в движении.
Динамометр двигателя измеряет мощность и крутящий момент непосредственно на коленчатом валу двигателя (или маховике ), когда двигатель снят с автомобиля. Эти динамометрические стенды не учитывают потери мощности в трансмиссии, такой как коробка передач , трансмиссия и дифференциал .
Динамометр шасси , иногда называемый катящейся дорогой, [6] измеряет мощность, передаваемую на поверхность «ведущего ролика» ведущими колесами . Транспортное средство часто привязывается к ролику или роликам, которые затем вращается, и таким образом измеряется мощность.
В современных динамометрических системах шасси роликового типа используется «ролик Салвисберга» [7] , который улучшает тягу и повторяемость по сравнению с использованием приводных роликов с гладкими или рифлеными накатками. Динамометры шасси могут быть стационарными или переносными и могут делать гораздо больше, чем просто отображать обороты, мощность и крутящий момент. Благодаря современной электронике и быстрореагирующим малоинерционным динамометрическим системам теперь можно настроить максимальную мощность и максимально плавный ход в реальном времени.
Доступны другие типы динамометров шасси, которые исключают возможность проскальзывания колес на ведущих роликах старого образца и крепятся непосредственно к ступицам автомобиля для прямого измерения крутящего момента от оси.
Динамометрические испытательные системы для разработки и омологации выбросов автомобилей часто объединяют отбор проб выбросов, измерение, контроль частоты вращения и нагрузки двигателя, сбор данных и мониторинг безопасности в полную систему испытательных стендов. Эти испытательные системы обычно включают сложное оборудование для отбора проб выбросов (например, пробоотборники постоянного объема и системы подготовки проб неочищенных выхлопных газов ) и анализаторы. Эти анализаторы намного более чувствительны и работают намного быстрее, чем обычный портативный анализатор выхлопных газов. Время отклика менее одной секунды является обычным явлением и требуется для многих циклов переходных испытаний. В розничной торговле также принято настраивать соотношение воздух-топливо с помощью широкополосного датчика кислорода , график которого отображается вместе с числом оборотов в минуту.
Интеграция системы управления динамометром с автоматическими калибровочными инструментами для калибровки системы двигателя часто встречается при разработке систем испытательных камер. В этих системах нагрузка динамометра и частота вращения двигателя варьируются во многих рабочих точках двигателя, при этом изменяются выбранные параметры управления двигателем, а результаты записываются автоматически. Последующий анализ этих данных можно затем использовать для создания данных калибровки двигателя, используемых программным обеспечением управления двигателем.
Из-за трения и механических потерь в различных компонентах трансмиссии измеренная мощность тормоза колеса обычно на 15-20 процентов меньше тормозной мощности, измеренной на коленчатом валу или маховике на динамометрическом стенде двигателя. [8]
Динамометр Грэма-Дезагулье был изобретен Джорджем Грэмом и упомянут в трудах Джона Дезагулье в 1719 году. [9] Дезагулье модифицировал первые динамометры, и поэтому прибор стал известен как динамометр Грэма-Дезагулье.
Динамометр Ренье был изобретен и обнародован в 1798 году Эдме Ренье , французским производителем винтовок и инженером. [10]
Патент был выдан (июнь 1817 г.) [11] [12] компании Siebe and Marriot с Флит-стрит, Лондон, на усовершенствованную машину для взвешивания.
Гаспар де Прони изобрел тормоз де Прони в 1821 году.
Дорожный указатель Макнейла был изобретен Джоном Макнейлом в конце 1820-х годов и стал дальнейшим развитием запатентованной машины для взвешивания Marriot.
Froude Ltd из Вустера, Великобритания, производит динамометры для двигателей и транспортных средств. Они приписывают Уильяму Фруду изобретение гидравлического динамометра в 1877 году и говорят, что первые коммерческие динамометры были произведены в 1881 году их предшественником, компанией Heenan & Froude .
В 1928 году немецкая компания Carl Schenck Eisengießerei & Waagenfabrik построила первые автомобильные динамометры для испытаний тормозов, которые имеют базовую конструкцию современных испытательных стендов для автомобилей.
Вихретоковый динамометр был изобретен Мартином и Энтони Винтерами примерно в 1931 году, но в то время динамометры с двигателями/генераторами постоянного тока использовались уже много лет. Компания Dynamatic Corporation, основанная братьями Винтерс, производила динамометры в Кеноше, штат Висконсин, до 2002 года. Dynamatic была частью Eaton Corporation с 1946 по 1995 год. В 2002 году Dyne Systems из Джексона, штат Висконсин, приобрела линейку динамометров Dynamatic. Начиная с 1938 года, Heenan & Froude в течение многих лет производила вихретоковые динамометры по лицензии Dynamatic и Eaton. [13]
