Динамометр или сокращенно «дино» — это устройство для одновременного измерения крутящего момента и скорости вращения ( об/мин ) двигателя , электродвигателя или другого вращающегося первичного двигателя, с целью расчета его мгновенной мощности , которая обычно отображается самим динамометром в кВт или л. с .
Помимо использования для определения крутящего момента или характеристик мощности испытываемой машины, динамометры используются в ряде других ролей. В стандартных циклах испытаний выбросов, таких как те, которые определены Агентством по охране окружающей среды США , динамометры используются для обеспечения 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 видов деятельности по разработке двигателя, таких как калибровка контроллеров управления двигателем, подробные исследования поведения сгорания и трибология .
В медицинской терминологии ручные динамометры используются для рутинного скрининга силы захвата и кисти , а также для первоначальной и текущей оценки пациентов с травмой или дисфункцией кисти. Они также используются для измерения силы захвата у пациентов, у которых подозревается повреждение шейных нервных корешков или периферических нервов.
В области 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 задачам. Обычно измеряется сила, приложенная к рычагу или через трос, 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, которая приводится в движение первичным двигателем, который подвергается испытанию (например, колесо Пелтона ). Динамометр должен быть способен работать на любой скорости и нагрузке до любого уровня крутящего момента, который требуется для испытания.
Поглощающие динамометры не следует путать с «инерционными» динамометрами, которые вычисляют мощность исключительно путем измерения мощности, необходимой для ускорения приводного ролика известной массы, и не обеспечивают никакой переменной нагрузки на первичный двигатель.
Абсорбционный динамометр обычно оснащен средствами измерения рабочего крутящего момента и скорости.
Блок поглощения мощности (PAU) динамометра поглощает мощность, вырабатываемую 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, производят избыточную мощность постоянного тока и потенциально — с помощью инвертора постоянного тока в переменный — могут подавать мощность переменного тока обратно в коммерческую электросеть.
Абсорбционные динамометры могут быть оснащены двумя типами систем управления для проведения различных основных видов испытаний.
Динамометр имеет регулятор крутящего момента «торможения» — блок поглощения мощности настроен на обеспечение заданной нагрузки крутящего момента силы торможения, в то время как первичный двигатель настроен на работу при любом открытии дроссельной заслонки, скорости подачи топлива или любой другой переменной, которую требуется протестировать. Затем первичному двигателю разрешается разогнать двигатель до желаемой скорости или диапазона оборотов в минуту. Процедуры испытаний постоянной силы требуют, чтобы PAU был установлен с небольшим дефицитом крутящего момента по отношению к выходу 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.
Если динамометр имеет регулятор скорости (человеческий или компьютерный), PAU обеспечивает переменную величину тормозного усилия (крутящего момента), необходимого для того, чтобы заставить первичный двигатель работать на желаемой единичной испытательной скорости или оборотах в минуту. Тормозная нагрузка PAU, приложенная к первичному двигателю, может контролироваться вручную или определяться компьютером. Большинство систем используют вихревые токи, масляную гидравлику или нагрузки, создаваемые двигателем постоянного тока, из-за их линейных и быстрых возможностей изменения нагрузки.
Мощность рассчитывается как произведение угловой скорости и крутящего момента .
Двигательный динамометр действует как двигатель, который приводит в движение испытываемое оборудование. Он должен быть способен приводить в движение оборудование на любой скорости и развивать любой уровень крутящего момента, требуемый испытанием. В общем случае для приведения в действие оборудования или «нагрузочного» устройства используются двигатели переменного или постоянного тока.
В большинстве динамометров мощность ( P ) не измеряется напрямую, а должна быть рассчитана на основе значений крутящего момента ( τ ) и угловой скорости ( ω ) [ необходима ссылка ] или силы ( F ) и линейной скорости ( v ):
В зависимости от используемых единиц измерения может потребоваться деление на константу преобразования.
Для имперских или традиционных единиц США,
Для метрических единиц,
Динамометр состоит из блока поглощения (или абсорбера/привода) и обычно включает в себя средства для измерения крутящего момента и скорости вращения. Блок поглощения состоит из некоторого типа ротора в корпусе. Ротор соединен с двигателем или другим испытываемым оборудованием и может свободно вращаться с любой скоростью, необходимой для испытания. Предусмотрены некоторые средства для создания тормозного момента между ротором и корпусом динамометра. Средства для создания крутящего момента могут быть фрикционными, гидравлическими, электромагнитными или иными в зависимости от типа блока поглощения/привода.
Одним из способов измерения крутящего момента является установка корпуса динамометра таким образом, чтобы он мог свободно вращаться, за исключением случаев, когда он ограничен крутящим моментом. Корпус можно заставить свободно вращаться, используя цапфы, соединенные с каждым концом корпуса, чтобы поддерживать его в подшипниках цапфы, установленных на пьедестале. Крутящий момент соединен с корпусом динамометра, а весы расположены так, чтобы они измеряли силу, оказываемую корпусом динамометра при попытке вращения. Крутящий момент — это сила, указанная весами, умноженная на длину крутящего момента, измеренную от центра динамометра. Датчик тензодатчика может быть заменен весами для обеспечения электрического сигнала , пропорционального крутящему моменту.
Другим способом измерения крутящего момента является подключение двигателя к динамо-машине через муфту измерения крутящего момента или датчик крутящего момента. Датчик крутящего момента выдает электрический сигнал, пропорциональный крутящему моменту.
С электрическими абсорбционными блоками можно определить крутящий момент, измеряя ток, потребляемый (или генерируемый) абсорбером/приводом. Это, как правило, менее точный метод и нечасто практикуется в наше время, но он может быть достаточным для некоторых целей.
При наличии сигналов крутящего момента и скорости данные испытаний могут передаваться в систему сбора данных , а не записываться вручную. Сигналы скорости и крутящего момента также могут записываться самописцем или плоттером .
Помимо классификации на абсорбционные, двигательные и универсальные, как описано выше, динамометры можно классифицировать и по другим признакам.
Динамометрический стенд, который напрямую соединен с двигателем, называется динамометрическим стендом двигателя .
Динамометрический стенд, который может измерять крутящий момент и мощность, передаваемые силовой передачей транспортного средства непосредственно от ведущего колеса или колес, не снимая двигатель с рамы транспортного средства), называется динамометрическим стендом для шасси .
Динамометры также можно классифицировать по типу используемого ими абсорбционного блока или абсорбера/привода. Некоторые блоки, способные только на абсорбцию, можно объединить с двигателем, чтобы построить абсорбер/привод или «универсальный» динамометр.
Вихретоковые (EC) динамометры в настоящее время являются наиболее распространенными поглотителями, используемыми в современных динамометрических стендах. EC поглотители обеспечивают быструю скорость изменения нагрузки для быстрого установления нагрузки. Большинство из них имеют воздушное охлаждение, но некоторые спроектированы так, чтобы требовать внешние системы водяного охлаждения.
Вихретоковые динамометры требуют электропроводящего сердечника, вала или диска, движущегося по магнитному полю, чтобы создать сопротивление движению. Железо является распространенным материалом, но медь, алюминий и другие проводящие материалы также могут использоваться.
В современных (2009 г.) применениях большинство тормозов EC используют чугунные диски, аналогичные роторам дисковых тормозов транспортных средств, и используют переменные электромагниты для изменения напряженности магнитного поля с целью управления интенсивностью торможения.
Напряжение электромагнита обычно контролируется компьютером, который использует изменения магнитного поля для соответствия подаваемой выходной мощности.
Сложные системы электронного управления обеспечивают работу в устойчивом режиме и контролируемый темп ускорения.
Порошковый динамометр похож на вихретоковый динамометр, но в воздушный зазор между ротором и катушкой помещается тонкий магнитный порошок. Получающиеся линии потока создают «цепочки» металлических частиц, которые постоянно собираются и распадаются во время вращения, создавая большой крутящий момент. Порошковые динамометры обычно ограничены более низкими оборотами в минуту из-за проблем с рассеиванием тепла.
Гистерезисные динамометры используют магнитный ротор, иногда из сплава AlNiCo, который перемещается через линии потока, генерируемые между магнитными полюсными наконечниками. Намагничивание ротора, таким образом, циклически повторяется вокруг его характеристики BH, рассеивая энергию, пропорциональную площади между линиями этого графика, по мере того, как он это делает.
В отличие от вихретоковых тормозов, которые не развивают крутящий момент в состоянии покоя, гистерезисный тормоз развивает практически постоянный крутящий момент, пропорциональный его намагничивающему току (или силе магнита в случае блоков с постоянными магнитами) во всем диапазоне скоростей. [2] Блоки часто включают в себя вентиляционные отверстия, хотя некоторые имеют возможность принудительного воздушного охлаждения от внешнего источника.
Гистерезисные и вихретоковые динамометры являются двумя наиболее полезными технологиями в небольших (200 л.с. (150 кВт) и менее) динамометрах.
Электродвигатели / генераторные динамометры представляют собой специализированный тип привода с регулируемой скоростью . Блок поглощения/привода может быть либо двигателем переменного тока (AC), либо двигателем постоянного тока (DC). Как двигатель переменного тока, так и двигатель постоянного тока могут работать как генератор, который приводится в действие испытываемым устройством, или как двигатель, который приводит в действие испытываемое устройство. При оснащении соответствующими блоками управления электродвигатели/генераторные динамометры могут быть сконфигурированы как универсальные динамометры. Блок управления для двигателя переменного тока представляет собой частотно-регулируемый привод , в то время как блок управления для двигателя постоянного тока представляет собой привод постоянного тока . В обоих случаях блоки рекуперативного управления могут передавать мощность от испытываемого устройства к электросети. Там, где это разрешено, оператор динамометра может получать оплату (или кредит) от коммунальной службы за возвращенную мощность посредством чистого измерения .
При испытании двигателей универсальные динамометры могут не только поглощать мощность двигателя, но и приводить его в действие для измерения трения, насосных потерь и других факторов.
Динамометры электродвигателей/генераторов, как правило, более дорогие и сложные, чем другие типы динамометров.
Вентилятор используется для подачи воздуха для обеспечения нагрузки двигателя. Крутящий момент, поглощаемый тормозом вентилятора, можно регулировать, изменяя передачу или сам вентилятор, или ограничивая поток воздуха через вентилятор. Из-за низкой вязкости воздуха эта разновидность динамометра изначально ограничена в величине крутящего момента, который она может поглощать.
Масляный сдвиговой тормоз имеет ряд фрикционных дисков и стальных пластин, похожих на сцепления в автоматической коробке передач автомобиля. Вал, несущий фрикционные диски, прикреплен к нагрузке через муфту. Поршень толкает пакет фрикционных дисков и стальных пластин вместе, создавая сдвиг в масле между дисками и пластинами, прикладывая крутящий момент. Крутящий момент может контролироваться пневматически или гидравлически. Принудительная смазка поддерживает пленку масла между поверхностями для устранения износа. Реакция плавно снижается до нуля оборотов в минуту без скачкообразного скольжения. Нагрузки до сотен тепловых лошадиных сил могут поглощаться посредством требуемого силового смазочного и охлаждающего блока. Чаще всего тормоз кинетически заземлен через моментный рычаг, закрепленный тензодатчиком, который производит ток под нагрузкой, подаваемый на управление динамометром. Пропорциональные или серворегулирующие клапаны обычно используются, чтобы позволить управлению динамометром применять давление для обеспечения нагрузки крутящего момента программы с обратной связью от тензодатчика, замыкающего контур. По мере увеличения требований к крутящему моменту возникают ограничения скорости. [3]
Гидравлическая тормозная система состоит из гидравлического насоса (обычно шестеренчатого типа), резервуара для жидкости и трубопровода между двумя частями. В трубопровод вставлен регулируемый клапан, а между насосом и клапаном находится манометр или другое средство измерения гидравлического давления. Проще говоря, двигатель доводится до желаемых оборотов в минуту, и клапан постепенно закрывается. По мере того, как выпускное отверстие насоса ограничивается, нагрузка увеличивается, и дроссельная заслонка просто открывается до желаемого открытия дроссельной заслонки. В отличие от большинства других систем, мощность рассчитывается путем факторизации объема потока (рассчитанного на основе технических характеристик конструкции насоса), гидравлического давления и оборотов в минуту. Тормозная мощность HP, вычисленная с помощью давления, объема и оборотов в минуту или с помощью другого динамометра с тензодатчиком, должна давать по сути идентичные показатели мощности. Гидравлические динамометры известны тем, что имеют самую быструю способность изменения нагрузки, лишь немного превосходя вихретоковые поглотители. Недостатком 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 поглощать и измерять мощность больших морских двигателей. [5] Поглотители водяного тормоза сегодня относительно распространены. Они известны своей высокой мощностью, малыми размерами, легким весом и относительно низкой стоимостью производства по сравнению с другими, более быстро реагирующими типами «поглотителей мощности».
Их недостатки в том, что им может потребоваться относительно много времени для «стабилизации» величины нагрузки, и что им требуется постоянная подача воды в «корпус водяного тормоза» для охлаждения. Экологические нормы могут запрещать «проточную» воду, 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 поддерживаться на устойчивых оборотах против нагрузки, затем вода поддерживается на этом уровне и заменяется постоянным сливом и повторным заполнением (что необходимо для отвода тепла, создаваемого при поглощении лошадиных сил). Корпус пытается вращаться в ответ на создаваемый крутящий момент, но сдерживается шкалой или ячейкой измерения крутящего момента, которая измеряет крутящий момент.
В большинстве случаев моторные динамометры симметричны; динамометр переменного тока мощностью 300 кВт может поглощать 300 кВт, а также двигатель мощностью 300 кВт. Это необычное требование при испытании и разработке двигателей. Иногда более экономически эффективным решением является присоединение большего абсорбционного динамометра к меньшему моторному динамометру. В качестве альтернативы можно использовать больший абсорбционный динамометр и простой двигатель переменного или постоянного тока аналогичным образом, при этом электродвигатель обеспечивает только двигательную мощность при необходимости (и без поглощения). (Более дешевый) абсорбционный динамометр рассчитан на максимально необходимое поглощение, тогда как моторный динамометр рассчитан на двигатель. Типичное соотношение размеров для обычных циклов испытаний на выбросы и большинства разработок двигателей составляет приблизительно 3:1. Измерение крутящего момента несколько усложнено, поскольку используются две машины в тандеме — в этом случае предпочтительным методом измерения крутящего момента является встроенный датчик крутящего момента. Вихретоковый или гидродинамический динамометр с электронным управлением в сочетании с частотно-регулируемым приводом и асинхронным двигателем переменного тока является часто используемой конфигурацией этого типа. К недостаткам можно отнести необходимость второго набора услуг испытательной ячейки (электропитание и охлаждение) и немного более сложную систему управления. Необходимо уделить внимание переходу между моторизацией и торможением с точки зрения стабильности управления.
Динамометры полезны при разработке и совершенствовании современных технологий двигателей. Идея заключается в использовании динамометра для измерения и сравнения передачи мощности в различных точках транспортного средства, что позволяет модифицировать двигатель или трансмиссию для более эффективной передачи мощности. Например, если динамометр двигателя показывает, что конкретный двигатель достигает 400 Н·м (295 фунт-сила-фут) крутящего момента, а динамо-машина шасси показывает только 350 Н·м (258 фунт-сила-фут), можно было бы знать, что потери в трансмиссии являются номинальными. Динамометры, как правило, являются очень дорогим оборудованием, 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 зависимости от приложенной «тормозной силы». Обычно он подключен к компьютеру , который регистрирует приложенный тормозной момент и вычисляет выходную мощность двигателя на основе информации от «тензодатчика» или «тензодатчика» и датчика скорости.
«Инерционный» динамометр обеспечивает фиксированную инерционную массу нагрузки, вычисляет 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 испытывается от немного выше холостого хода до максимальных оборотов в минуту, а выход измеряется и наносится на график .
«Двигательный» динамометр обладает функциями тормозной динамометрической системы, но, кроме того, может «питать» (обычно с помощью двигателя переменного или постоянного тока) ПМ и обеспечивать тестирование очень малых выходных мощностей (например, дублируя скорости и нагрузки, которые возникают при движении транспортного средства под уклон или во время включения/выключения дроссельной заслонки).
По сути, существует 3 типа процедур динамометрических испытаний:
В каждом типе теста свипирования остается проблема потенциальной ошибки считывания мощности из-за переменной общей вращающейся массы двигателя/динамометра/транспортного средства. Многие современные компьютерные системы динамометрического тормоза способны выводить это значение «инерционной массы», чтобы устранить эту ошибку. [ оригинальное исследование? ]
"Тест на развертку" почти всегда будет под подозрением, так как многие пользователи "развертки" игнорируют фактор вращающейся массы, предпочитая использовать общий "фактор" в каждом тесте на каждом двигателе или транспортном средстве. Простые инерционные динамометрические системы не способны выводить "инерционную массу" и, таким образом, вынуждены использовать одну и ту же (предполагаемую) инерционную массу на каждом тестируемом транспортном средстве.
Использование испытаний в стационарном состоянии устраняет ошибку вращающейся инерционной массы, характерную для испытаний методом развертки, поскольку во время испытаний такого типа ускорение отсутствует.
Агрессивные движения дроссельной заслонки, изменения скорости двигателя и работа двигателя в движении являются характеристиками большинства испытаний переходных двигателей. Обычной целью этих испытаний является разработка и омологация выбросов транспортного средства. В некоторых случаях более дешевый вихретоковый динамометр используется для проверки одного из циклов переходных испытаний для ранней разработки и калибровки. Система вихретокового динамометра обеспечивает быструю реакцию на нагрузку, что позволяет быстро отслеживать скорость и нагрузку, но не позволяет работать в движении. Поскольку большинство требуемых переходных испытаний содержат значительную часть работы двигателя, цикл переходных испытаний с вихретоковым динамометром даст другие результаты испытаний выбросов. Окончательные корректировки необходимо выполнять на динамометре, пригодном для работы в движении.
Динамометр двигателя измеряет мощность и крутящий момент непосредственно с коленчатого вала двигателя (или маховика ), когда двигатель снят с транспортного средства. Эти динамометры не учитывают потери мощности в трансмиссии, такой как коробка передач , трансмиссия и дифференциал .
Динамометрический стенд , иногда называемый катящейся дорогой, [6] измеряет мощность, передаваемую на поверхность «приводного ролика» ведущими колесами . Транспортное средство часто привязывается к ролику или роликам, которые затем автомобиль вращает, и таким образом измеряется выходная мощность.
Современные роликовые динамометрические системы шасси используют «ролик Сальвисберга» [7] , который улучшает сцепление и повторяемость по сравнению с использованием гладких или рифленых приводных роликов. Динамометры шасси могут быть стационарными или переносными и могут делать гораздо больше, чем просто отображать обороты, мощность и крутящий момент. Благодаря современной электронике и быстро реагирующим, малоинерционным динамометрическим системам теперь можно настраиваться на наилучшую мощность и самые плавные ходы в реальном времени.
Существуют и другие типы динамометрических стендов для шасси, которые исключают возможность проскальзывания колес на приводных роликах старого образца, прикрепляясь непосредственно к ступицам транспортного средства для непосредственного измерения крутящего момента на оси.
Системы испытаний на динамометре для разработки и омологации выбросов автотранспортных средств часто объединяют отбор проб выбросов, измерение, управление частотой вращения двигателя и нагрузкой, сбор данных и мониторинг безопасности в полную систему испытательной ячейки. Эти испытательные системы обычно включают в себя сложное оборудование для отбора проб выбросов (такое как пробоотборники постоянного объема и системы подготовки проб сырых выхлопных газов ) и анализаторы. Эти анализаторы намного более чувствительны и намного быстрее, чем типичный портативный анализатор выхлопных газов. Время отклика значительно меньше одной секунды является обычным и требуется для многих переходных испытательных циклов. В розничных условиях также принято настраивать соотношение воздуха и топлива с помощью широкополосного датчика кислорода , который отображается в виде графика вместе с оборотами в минуту.
Интеграция системы управления динамометром с автоматическими калибровочными инструментами для калибровки системы двигателя часто встречается в системах испытательных ячеек разработки. В этих системах динамометрическая нагрузка и скорость двигателя изменяются во многих рабочих точках двигателя, в то время как выбранные параметры управления двигателем изменяются, а результаты регистрируются автоматически. Последующий анализ этих данных может затем использоваться для генерации данных калибровки двигателя, используемых программным обеспечением управления двигателем.
Из-за потерь на трение и механических потерь в различных компонентах трансмиссии измеренная мощность тормоза колеса обычно на 15–20 процентов меньше, чем мощность тормоза, измеренная на коленчатом валу или маховике на динамометрическом стенде двигателя. [8]
Динамометр Грэхема-Дезагюлье был изобретен Джорджем Грэхемом и упомянут в трудах Джона Дезагюлье в 1719 году. [9] Дезагюлье модифицировал первые динамометры, и поэтому прибор стал известен как динамометр Грэхема-Дезагюлье.
Динамометр Ренье был изобретен и представлен публике в 1798 году Эдме Ренье , французским производителем винтовок и инженером. [10]
Патент был выдан (датирован июнем 1817 года) [11] [12] компаниям Siebe и Marriot с Флит-стрит, Лондон, на усовершенствованную весовую машину.
Гаспар де Прони изобрел тормоз де Прони в 1821 году.
Дорожный указатель Макнейла был изобретен Джоном Макнейлом в конце 1820-х годов, представив собой дальнейшее развитие запатентованной весовой машины Марриота.
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 имели базовую конструкцию современных испытательных стендов для транспортных средств.
Динамометр вихревых токов был изобретен Мартином и Энтони Винтерами около 1931 года, но в то время динамометры с двигателями постоянного тока/генераторами использовались уже много лет. Компания Dynamatic Corporation, основанная братьями Винтерами, 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 продукции динамометров Dynamatic. Начиная с 1938 года, Heenan & Froude в течение многих лет производила динамометры вихревых токов по лицензии Dynamatic и Eaton. [13]
