Leistungsprüftstand - Bastelrobi 2020/11

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Versuch macht Klug!
Stand: 2020/11

Leistungsprüftstand

<-Technik->
Da mein Bruder ständig an den Boxermotoren aus seinem Käfer & Bulli herumbastelt fällt der Probelauf nach dem Überholen / tunen immer ohne Belastung aus. Es war also an der Zeit eine Motorbremse zu bauen...

Am schönsten wäre natürlich eine Leistungsbremse bei der man die abgegebene mechanische Leistung bestimmen kann. So könnte man dann auch prima erkennen ob z.B. eine Tuningmaßnahme am Motor etwas gebracht hat und wenn ja auch wie viel.

Version 1 - Nur Motorbremse

im Jahr 2006 entstand eine Motorbremse:
Auf dem Schrottplatz habe ich eine Innengekühlte Scheibenbremse eines Suzuki Swift 1,2L samt Gelenkwelle und Achsschenkel ausgebaut (40Euro). Diese Teile wurden dann in ein Gerüst aus Verkantrohr, Doppel-T-Träger und Flachstahl eingebaut. Für die Aufnahme des Motors ist ein defektes Getriebe geopfert worden.
Ich habe mir extra eine Innengekühlte Bremse ausgesucht damit ich von innen heraus Wasser zwischen die beiden Scheiben hindurch leiten kann und so die Wärme abführe.
Die Suzuki Swift Bremsscheibe kann bestimmt nicht wie bei den Rennwagen glühen sondern versagt sicher ohne diese Kühlung irgendwann einfach ihren Dienst.
Für die Kopplung an den Käfermotor habe ich eine alte Kupplungsandruckplatte geschlachtet, ein Adapterstück gedreht und mit der Gelenkwelle und der Andruckplatte verschweißt.

Unterstelle ich dem Swift mal Räder mit 550mm Durchmesser mach die Gelenkwelle im Auto bei 150km/h ca. 1446 UPM.

Macht der Käfermotor nun 4000 UPM ist die Gelenkwelle mit Scheibe umgerechnet so schnell als würde der Swift 415 km/h fahren.
Diese Seite steckte früher im Getriebe des Suzuki und ist nun in der Adapterplatte verschweißt.

Auch die Gelenkmanschette ist noch vorhanden...       
Erste "trockene" Versuche ohne die beschriebene Wasserkühlung verliefen erfolgreich. Bremsscheibe wird ratz-fatz knüppelheiß und der Motor ist mit einem leichten Druck auf den Bremshebel blitzschnell in den Drehzahlkeller geschickt. Leider hat sich bei den hohen Drehzahlen eine fettgefüllte Gelenkmanschette spektakulär zerlegt, ein Teil des Fettes hängt immer noch an der Decke... Jetzt, wo klar ist das das ganze funktioniert, muss noch ein Bedienfeld oben am Motor gebaut werden wo die Drehzahl und der Motoröldruck angezeigt werden. Von Hier kann dann auch die Zündung und der Anlasser bedient werden. Die Wasserkühlung mit Kanister oben und Auffangwanne unten und etwas Abdeckung gegen berühren rotierender Teile muss auch noch gezaubert werden. Mit etwas Glück können wir bei betriebswarmer Bremse den Öldruck im Bremssystem abfragen und im Verhältnis zur Motorleistung setzten. Aber das muss erst noch getestet werden.
Die Sache mit dem Bremsdruck ist nicht ganz so einfach da dieser sehr stark variieren kann. Erst war ein 40bar Manometer installiert wo der Bremsdruck gut abgelesen und feinfühlig dosiert werden konnte. Je nach Motor sind bei Nenndrehzahl und Vollgas ca. 20-30bar nötig. Ein einziger zu starker Druck auf den Bremshebel mit bis zu 100bar hat dann allerdings sofort das Manometer zerstört. Also musste ein größeres her zum Nachteil der guten Ablesbarkeit. Des Weiteren bleiben in diesem Strang des Bremssystems immer Luftreste eingeschlossen da dieses Manometer natürlich nicht mit einer Entlüftungsöffnung versehen ist. Da also das verbliebene Luftpolster immer wieder erneuet verdichtet werden muss ist relativ viel Bremsflüssigkeit in der kleinen Leitung unterwegs was bei (Brems-) Lastwechsel zu einer gewissen Trägheit der Anzeige führt. Auch ist die Bremse nur schlecht dosierbar. Etwas zu wenig Druck und der Motor geht mit der Drehzahl sofort "durch die Decke", etwas zu viel Druck und der Motor stirbt ab.
Die 12V Startbatterie habe ich noch irgendwie im inneren des Gestells untergebracht und noch eine zusätzliche Sicherung der Gelenkwelle montiert für den Fall das sich doch mal etwas bei 3800UpM löst.
Für die Wasserkühlung habe ich ein 8x1mm Alurohr so abgewinkelt und befestigt das das Wasser genau zwischen den beiden Bremsscheibenseiten geleitet wird. Das Wasser kommt über einen Kugelhahn aus einem Plastikkanister der erhöht aufgehängt wird. Es sieht immer recht spektakulär aus wenn sich bei Betrieb der Motorbremse das zugeführte Wasser zu ca.50% in große Mengen Wasserdampf verwandelt und schnell den Raum zunebelt.       
Version 2 - Leistungsprüfstand

Im Jahr 2020 wurde dieser Leistungsprüfstand fertig gestellt.
Jetzt kann die vom Motor abgegebene Wellenleistung gemessen werden. Der Motor mit seiner Gemischaufbereitung kann perfekt eingestellt werden.

Grundlage ist ein alter Schungsstand aus den 90er Jahren mit Benzinmotor und hydraulischer Bremseinrichtung der mal in einer Berufsschule den KFZ-Azubis Wissen vermittelt hat.
Original verbaut war hier ein 4-Zyl. Reihenmotor von VW an dem statt eines Getriebes eine Axailalkolben-Hydraulikpumpe Parker F12-30 montiert ist. Sie wird direkt von der Kurbenwelle angetrieben. Die Pumpe saugt das Öl aus einem ca. 30L Vorratsbehälter an und drückt es durch ein Nadelventil das manuel betätigt zu gedreht werden kann. Auf dieser Weise wird bei Volllast die vom Prüfling abgegebene Antriebsleistung in Erwärmung des Hydrauliköls umgewandelt. Nach dem Nadelventil durchströmt das Öl einen Wärmetauscher und gibt die Wärme an das Wasser ab. Danach strömt das Öl wieder in den Vorratsbehälter und der Kreislauf beginnt von vorne.
Es wurde alles entfernt bis auf den Hydraulik-Kreislauf, der Rahmen geändert, zwei liegende I-Träger für die Aufnahme des Prüfling montiert. In diesen stehen zwei weitere große 240x120 I-Träger die auf der einen Seite die Pumpe und auf der anderen Seite den Prüfling aufnehmen.    
Verbunden sind Prüfling und Pumpe durch eine Kardanwelle die durch eine Wellentunnel geschütz ist. Dieser Aufbau ist so gewählt damit der zu prüfende Motor in einer ergonomisch guten Höhe hängt und rundherum, auch unten, gut zugänglich ist. Durch diese "geteilte" Bauweise kann auch die Aufnahme des Prüflings an andere Motoren angepasst werden ohne die Pumpenaufnahme ändern zu müssen.
An dem originalem Schulungsstand war die Hy-Pumpe am Motor verbaut und hat sich auch an diesem abgestützt. Eine evtl. Leistungssmessung erfolgte über die Messung des Hy-Öldruck.
Das erschien mir zu ungenau da ja die Betriebsparameter je nach Temperatur und Ölviskosität schwanken können. Daher entschied ich mich das Drehmoment real zu messen. Hierfür wurde die Hy-Pumpe über einen kleinen Drehkranz drehbar gelagert montiert.


An einem definiertem Radius von 100mm aus der Achsenmitte ist eine Wiegezelle montiert die das auftretende Drehmoment misst im Faktor 10. Ich messe hier also Ndm, der Messwert muss durch 10 geteilt werden um wieder Nm zu haben. Zur Zeit ist eine Wiegezelle installiert die maximal 200Nm aufnehmen/messen kann. Das bedeutet je nach MotorSetup und gemessener Drahzahl das bei ca. 135PS die Messgrenze erreicht ist. Um diese weiter nach oben zu veschieben, könnte man den Meßaufnehmer gegen einen stärkeren wechseln oder den vorhandenen versetzten bzw. den Montageradius auf z.B. 120mm verändern. Der Mulitplikator in der Software muss dann natürlich angepasst werden.
Hier ist die Abrisssicherung zu sehen. Für den Fall das die Wiegezelle abreißt begrenzt diese Einrichtung den maximalen Drehweg der Pumpe auf dem Drehkranz.
Ohne dieses Bauteil würde im WorstCase-Fall die Pumpe wärend des Prüflausf bei voller Motorleistung anfangen zu rotieren und die Folgeschäden an der Resttechnik wären groß.
Hier wird noch ein Schalter installiert der erkennt das diese mechanische Notsicherung angefahren wurde und leitet eine automatische Notabschaltung des Prüflings ein.
Die Bedienung erfolgt über ein schwenkbares Tableau mit verschiedenen Anzeigen. Dieses kann für die Erstinbetriebnahme und Abstimmung des Prüflings nach hinten in Motornähe geschwenkt werden. Es hat oben 2 LED-Strahler die den Arbeits- und Bendienbereich ausleuchten sofern es zu dunkel ist.
Für die Prüfläufe wird es dann bis neben dem Monitor geschwenkt sodass man alle Parameter im Blick hat.
Neben der Kernparametern wie Drehzahl, Motoröl-Druck, Motoröl-Temperatur, Zylinderkopf-Temperatur Re/Li sind Anzeigen für den Generatorstrom und das Air/Fuel Ration (AFR) vorhanden. Mit letzterem werden die Messwerte der Lambdasonde die in einem Prüfadapter steckt angezeigt und die Gemsichaufbereitung kann so für alle Lastbereiche perfekt abgestimmt werden.
Als Generator kann zwischen dem LPS-internem Drehstromgenerator oder Gleich- bzw. Drehstromgenerator am Prüfling gewählt werden.

Über die Taste "Testlast" werden 30A Verbraucher zugeschaltet.
Der Leistungssteil der Steuerung ist hinten auf dem Schaltschrank montiert. Die restliche Steuerung befindet sich im Schaltschrank. Hier finden die Messwandler, Netzteile und Relais ihren Platz.
Als Software verwende ich „ProfiLab Expert 4.0“ von Abacom (abacom-online.de) in Kombination mit einem USB Modul „LabJack U12“ um die gemessenen Daten im PC verarbeiten zu können. Die SW unterstützt verschiedene Hardware und ermöglicht es recht intuitiv grafisch zu programmieren.
 

Das sehr schwache Drehmoment-Signal der Wiegezelle wird durch einen Messwandler auf ein 0-10V Signal verstärkt.
Die Drehzahl wird an der Kardanwelle per induktiven Näherungsschalter erfasst und auch per Messwandler auf ein 0-10V Analogsignal gewandelt.
Diese beiden wichtigsten Größen zur Leistungsmessung (neben weiteren) sind auf das LabJack-Modul geschaltet und werden in der Software verrechnet und grafisch visualisiert.



Hier ist der erste Testlauf zu sehen. Noch mit Laptop und stark reduzierter Elektrik.

Prüfling ist ein Typ1 Käfermotor mit 2,1L Hubraum.

Die ersten Diagramme sehen schon ganz gut aus:
Hier ist der fast fertig gestellte Prüfstand zu sehen. Unten im Rahmen erkennt man einen Wasserkühler der die Wärme des Kühlwasser, das über das Hydrauliköl erwärmt wurde, per Lüfter wieder an die Umgebung abgibt. Ein weiterer kleiner Ölkühler ist stirnseitig eingebaut der das Motoröl kühlt.
Ein kleiner Mini-PC und ein großer Bildschirm ersetzen den viel zu kleinen Laptop. Über das schwarze Handrad wird linkshändig das Bremsventil bedient. Die Rechte Hand kümmert sich um den Gashebel und die Maus. Über ein Fußtaster wir die Messung/Aufzeichnung gestartet.
Hier wurde ein Typ4 Motor aus einem T2-Bulli neu aufgebaut.

Größerer Hubraum & Vergaser, Andere Nockenwelle, BlueTooth Verteiler, angepasste Verdichtung.

Leistung ca. 138PS
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