Как сделать динамометрический стенд
VS Performance › Блог › Замер на динамометрическом стенде
Приветствуем Вас, дорогие подписчики!
Сегодня мы начнем знакомить Вас более подробно с деталями нашей работы, раскрывающими наш довольно обширный спектр услуг. О чем-то Вы уже знаете, но о некоторых из них Вы возможно даже и не догадывались! Следите за обновлениями!
Все автолюбители, которые увлечены увеличением мощности и крутящего момента автомобиля преследуют конкретную цель, которая так или иначе выражается в цифрах. Спортивный интерес, заключающийся в сокращении времени разгона или прохождения участка трассы, прямого или нет. У каждого из нас есть свой рекорд. У кого-то это данные телеметрии при прохождении квотера, а у кого-то дорога от дома на работу 😉 Ни для кого не секрет, что одним из самых верных способов улучшить свой рекорд – это увеличить мощность и крутящий момент. Таким образом, для большинства предметом гордости и личных достижений являются как раз те самые заветные цифры. Но каков верный способ узнать сколько сил в моторе после тюнинга. Есть ли прирост, или доработки привели к потери мощности (такое тоже бывает после вмешательства дилетантов).
Сегодня мы расскажем про наш динамометрический стенд SuperFlow.
Прежде чем мы вдадимся в пояснения, почему был сделан такой выбор, давайте определим круг задач, где он используется.
Во-первых, это единичный замер параметров автомобиля. Самый верный способ обозначить результат, подвести черту – это квалифицированный замер на мощностном стенде, которых, к слову не так уже и много в Москве и ближнем подмосковье. Ключевое слово здесь – «Квалифицированный», но об этом чуть позже.
Во-вторых, это двойной замер до и после проведения работ по тюнингу. Так как наша компания делает автомобили быстрее, такой замер выступает отличным подтверждением выполненных работ.
Главное назначение – это настройка параметров автомобилей. Как правило, это необходимо для автомобилей с большим списком доработок. Максимально отладить взаимодействие всех изменений, внесенных в автомобиль и добиться наилучшей отдачи в требуемом диапазоне частот вращения.
Как многие из Вас знают программное обеспечение мы пишем индивидуально под каждого клиента. Но как говорится, случаи бывают разные. Когда мы говорим про уровень доработок Stage 1 и Stage 2, практически все параметры можно откорректировать на дороге. Но когда дело доходит до более серьезного вмешательства уже требуется откатка ПО на динамометрическом стенде. Например, в случае с такими автомобилями как наша Audi RS6 T1000, чья мощность давно перевалила за 1000 л.с. Откатывать такие авто на дороге по меньшей мере страшно, и к тому же не безопасно. После любого изменения в «железе» Audi RS6 T1000 приходится ехать, ставить её на стенд и проводить отладку. Не стоит забывать, что она является автомобилем «на каждый день» и цель этого проекта не показать максимум цифр, а добиться лучшего сочетания безумного ускорения, практичного использования и комфортного вождения.
Именно для подобных нетривиальных задач мы и наши друзья и партнеры Citycustoms используем динамометрический стенд Superflow. Конкретно наш стенд полноприводный, что позволяет полностью имитировать движение по дороге, т.к. все колеса на авто вращаются с одинаковой скорости. Эта функция очень полезна не только когда требуется замерить полноприводный автомобиль. На многих современных моноприводных автомобилях установлен так называемый датчик движения, т.е. если у машины вращается только одна пара колес как на моноприводных стендах – автомобиль будет просто на просто глохнуть или ограничивать мощность, соответственно, замер таких авто возможен только на полноприводном стенде.
Почему же именно SuperFlow, спросите Вы? Данная компания производит колесные и моторные мощностные стенды с 70-х годов прошлого века. Их колоссальный опыт позволяет создать точные измерительные и диагностические приборы и быть одними из лидеров в данном сегменте.
Процесс запуска стенда занял целых полтора года с момента заказа оборудования до первых замеров, из которых более двух месяцев было потрачено на установку. Нужно было построить комнату, раму, сделать бетонную яму, вентиляцию. После установки стенд был настроен и откалиброван представителем компании из Европы. Им же была проведена проверка выполнения всех правил и норм эксплуатации нашего стенда.
Очень важным элементом является обдув. По сложности его реализации можно понять, насколько ответственным был подход к установке стенда. Должный обдув вряд ли поспособствует комфортному пребыванию рядом с автомобилем во время замера. И уж тем более если вы увидите подкатной вентилятор, то в лучшем случае верных цифр Вам не видать. В худшем такие специалисты могут перегреть Ваш мотор. Не забывайте, что один замер — это около получаса эксплуатации авто на предельных режимах. И если в гонке вам помогает встречный поток, то на стенде обдув должен создавать условия как минимум не хуже. Напомним про наш тест бензинов, в течение которого рядовой автомобиль Skoda Superb II 1,8 tsi с легкостью пережил более 50 замеров подряд, и главная заслуга принадлежит именно мощной системе обдува. Такое количество замеров можно прировнять общей продолжительности настройки сложных конфигураций авто (stage 3 и выше).
Ещё одним важным элементом является вытяжка. В целях безопасности выхлопные газы должны не задерживаться в испытательном помещении. Особенно это касается автомобилей с установленными системами подачи водометанола, когда выхлопные газы крайне опасны для людей. У нас это реализовано подъемной площадкой, которая во время замера всасывает выхлопные газы и никаких выбросов не ощущается.
Simonx › Блог › Физика работы колесного диностенда. Часть 1 (заблуждения о колесном графике)
У каждого владельца машины в документах указаны данные о максимальной мощности/моменте их двигателя. Если поискать, иногда производители делятся и графиками, показывающими изменение этих величин с оборотами. Графики эти получают в результате испытаний двигателя на моторном стенде по строго определенной процедуре. Стандартов таких процедур существует несколько, сейчас наиболее распространена версия от международной инженерной ассоциации www.sae.org SAE J1349. С вариацией от 2004 года можно ознакомиться здесь.
Если коротко, то вот основные условия, которым должно удовлетворять испытание мотора, чтобы результат имел право считаться правильным по SAE:
— температура и давление воздуха на впуске должны находиться в определенных пределах. Также задаются рабочие температуры воды/масла. И в каких конкретно местах все температуры должны замеряться. Требования к топливу.
— двигатель при испытании должен быть полностью комплектен, со всем навесным оборудованием и впускной/выпускной и прочими обеспечивающими его функционирование в серийном автомобиле системами (или их полными эквивалентами).
— режим программы управления должен соответствовать «дорожному» в каждой тестовой точке замера. При этом для современных легковых автомобилей рекомендуется в реальных дорожных условиях зарегистрировать все рабочие параметры (включая, например температуру и давление выхлопа), и в точности воспроизвести их во время замера (давление в выхлопе предлагается регулировать автоматической заслонкой).
— мощность регистрируется на маховике двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке по следующей процедуре:
Точки замера оборотов должны идти с шагом 500об/мин и 100об/мин в районе пиковых величин мощности/момента. В каждой точке двигатель должен удерживаться тормозами диностенда в течение минуты, при этом во время замера допускается отклонение оборотов от заданных не более 1%, а температур не более 2˚! Также результат считается верным, если отклонение трех последовательных замеров от среднего не более 1%!
Очевидно, что подобная процедура крайне дорогостоящая и доступна только очень крупным организациям, никак не обычному автовладельцу. Для них и придумали более «народный» метод замера – «колесный» диностенд.
Конструкция и принцип замера колесного диностенда
Основа колесного диностенда – один или два барабана на одной оси, на которые ставятся ведущие колеса испытываемой машины. В целом выглядит примерно так:
Здесь и далее для простоты будем говорить о моноприводном стенде.
Первые диностенды работали в так называемом «инерционном» режиме: автомобиль при замере просто раскручивал барабаны(довольно тяжелые) на одной передаче в нужном диапазоне оборотов. Результат замера определялся при помощи единственного датчика – датчика угловой скорости барабанов, который стоял на оси.
В дальнейшем, по причинам, которые рассмотрим ниже, к инерционным стендам стали добавлять тормоз, позволяющий увеличить нагрузку при замере. Чтобы разобраться, как это все работает и рисует необходимые нам графики, нужно сначала понять конструкцию самых простых первых стендов – инерционных.
Как измеряет мощность инерционный диностенд?
Как известно, мощность – это работа, произведенная за единицу времени. Загоняя машину колесами на барабаны, и производя замер на инерционном стенде, мы заставляем ее делать работу по раскручиванию барабанов. Как оценить эту работу? Она равна приращению энергии вращения барабанов. Сама энергия вращения определяется формулой:
Момент инерции стенда зависит исключительно от конструкции конкретного барабана, и определяется при его изготовлении экспериментальным методом в лабораторных условиях(это делается с более чем достаточной точностью). После чего в качестве константы вносится в программу, работающую с конкретным стендом.
Работа тогда (как приращение энергии):
Получается, что все нужное для определения мощности есть – момент инерции известен, угловую скорость измеряет датчик вращения на оси, время может отсекать управляющий компьютер.
Если в эту формулу подставить значения в моменты начала и конца замера, в результате получим среднюю мощность двигателя по замеренному диапазону оборотов.
Величина интересная, но нам-то нужен график ВСХ (внешней скоростной характеристики). Или график «мгновенной» максимальной мощности по всем оборотам. Чтобы его узнать, разобьем весь замер на маленькие временные промежутки, и на каждом из них замеряем скорость с датчика скорости на стенде. Запишем полученные данные в таблицу. Примерно она будет выглядеть вот так:
Здесь шаг временного квантования выбран очень грубый – 0.5с. Реально стенд снимает данные быстрее ста раз в секунду. Нанесем точки из таблицы на график и в результате получим некую траекторию из конечного числа точек:
Теперь, по выведенной выше формуле, на каждом промежутке (строке в таблице) посчитаем среднюю мощность этого промежутка:
Получим новую траекторию на графике, точки в которой отображают расчетную мощность в каждый момент времени замера:
Отлично, у нас есть график мощности от времени, но нам хочется знать мощность на конкретных оборотах двигателя (по оси Х хотим обороты). Для этого нужно стенду сообщить дополнительные данные – коэффициент пересчета оборотов барабана стенда в обороты коленвала двигателя. В большинстве случаев на стендах этот коэффициент вычисляется процедурой синхронизации – на выбранной для замера передаче двигатель плавно(для выбора всех люфтов трансмиссии) «прокручивается» через заданные обороты, и в момент их прохода по тахометру машины запоминается нужное соотношение(отношение заданных оборотов двигателя к оборотам барабана
Взяв данные из двух последних столбцов таблицы, построим искомый график:
Цифры, получившиеся в результате такого расчета, принято называть «колесными», т.к. барабан стенда раскручивали колеса автомобиля, и именно они совершали работу.
Отлично, замер произвели, график получили. Как же теперь сравнить эти цифры с паспортными, полученными по процедуре, описанной в начале? Строго говоря, делать этого нельзя:
— Во-первых, в условиях обычного динорума невозможно (или экономически нецелесообразно) добиться такой же стабильности температурных режимов работы и контроля рабочих параметров.
— Во-вторых, замер мы проводили в динамическом режиме – барабаны стенда и колеса автомобиля непрерывно ускорялись, тогда как в SAE методике двигатель при замере удерживается на фиксированных оборотах. В чем разница между такими методами, и как их можно сравнить, разберемся позже.
— И наконец, измеряли мы на колесах, а по пути между маховиком и барабаном стенда, мощность успевает несколько «расплескаться» в процессах механического трения и ускорения различных масс. А значит, цифры, полученные с колес, будут заметно меньше.
(Насколько именно они могут быть меньше, вопрос, который обычно всем крайне интересен, обязательно рассмотрим позже.)
В общем, сплошное нарушение условий эксперимента получается.
Так что, колесные стенды бесполезны? Конечно нет! По двум причинам. Во-первых, это простой и дешевый способ наглядно увидеть реальные изменения в работе двигателя после каких-либо доработок или ремонтов. Благодаря простоте способа замера и неизменности входных параметров (масса стенда не меняется), у колесного стенда очень хорошая повторяемость от замера к замеру, и любые изменения в работе двигателя будет хорошо видно (в том числе и вследствие вариации погодных условий, об этом тоже позже). Ну а во-вторых, колесный стенд отлично характеризует динамические способности всего автомобиля в целом, учитывая почти все потери, а не просто его двигателя. Мы же не на двигателе верхом перемещаемся! Цифры колесной мощности показывают, сколько реальной полезной мощности у вас осталось для разгона автомобиля и чем вы обладаете при реальной езде, а не тестах на моторном стенде. Также, эти цифры позволяют более «честно» сравнивать между собой разные автомобили с разными типами трансмиссий/колес/резины.
Более того, описанный способ замера на колесном стенде по своей динамике наиболее приближен к реальным дорожным условиям, а иногда полностью совпадает с ними. Чтобы подробней рассмотреть этот момент, введем для барабанов стенда понятие эквивалентной массы:
Эквивалентная масса стенда равна массе автомобиля, динамика разгона которого на дороге, за вычетом всех дополнительных возможных потерь, полностью соответствует динамике разгона на стенде.
Рассмотрим, как эту массу вычислить.
Для сил в пятне контакта, толкающих автомобиль на реальной дороге, применима формула(википедия):
Поскольку из определения эквивалентной массы, динамика разгона на стенде и на дороге должны совпадать, в любой момент времени, работающие мощности у нас должны быть равны. Тогда из формул (1) и (2):
Получили, что эквивалентная масса для барабана стенда будет прямо пропорциональна его моменту инерции и обратно пропорциональна квадрату его радиуса. Момент и диаметр барабана моего стенда есть на фото выше. Посчитаем его эквивалентную массу:
Что означает, что машина весом 780кг на барабане моего стенда в инерциальном режиме замера будет ускоряться практически так же, как и на дороге. Машина же, весом в полторы тонны, будет ускоряться на стенде в два раза быстрее. У моего стенда относительно маленькая эквивалентная масса, так как он рассчитан на замеры с использованием дополнительного тормоза. Чисто инерционные стенды имеют эквивалентную массу около 1500кг, позволяя с хорошей точностью эмулировать реальный разгон для любой средней машины.
Итак, в чисто инерциальном способе замера разобрались.
А сейчас разберем первое интересное заблуждение при трактовке замера, на которое, почему-то, почти никто не обращает внимания. А именно, отображение момента на «колесном» графике со стенда.
Многие считают хорошим тоном оперировать цифрами замера «с колес», с удовольствием рассматривая такие графики:
Все их видели сотнями, и никого почему-то не смущает, что мощность-то действительно «колесная» (как она считается, мы уже поняли), а вот цифры момента выглядят, на самом деле, крайне странно.
Про мощность/момент автомобильного двигателя, кто из них кого и каким образом, в интернете исписано немало простыней праведно-гневного текста. Кто захочет – почитает или уже прочел. Я же просто отмечу, что мощность, как производная энергии – фундаментальная величина, обладающая замечательным свойством, например, не зависеть от выбранной для замера передачи, главной пары и диаметра колес(не считая потери). Даже от криворукости оператора при синхронизации оборотов она не зависит (обороты мы в расчетах выше узнали уже после мощности). Да, если неправильно синхронизировать обороты, весь график мощности по оборотам «съедет» в ту или другую сторону, но его форма и абсолютные цифры на нем все равно останутся правильными!
Так что, даже если на графике, который вам выдали, обороты на момент окончания замера, на ваш взгляд, заметно отличаются от оборотов «отсечки» (если вы до нее замеряли), ничего страшного, цифры мощности, как основной характеристики вашего мотора, все равно верные.
А как же момент? Вот с ним все плохо. Момент – штука очень переменчивая, и проходя путь от маховика до колес и барабанов стенда, успевает измениться в несколько раз. Давайте посмотрим, как именно. Поможет нам вот эта формула:
Mвых и Mвход – моменты на выходе и на входе в редуктор с передаточным соотношением k
То есть, если у нас изначально было, допустим, 100Нм на маховике на определенных оборотах, то на первой передаче с передаточным числом 4, на выходе из коробки(на кардане) будет уже 400Нм! Сколько тяги нахаляву, да? 🙂
Вернемся к замеру. Пусть наш мотор выдает на 6000об/мин примерно 350Нм на маховике. Мы замеряли заднее-приводной автомобиль на «прямой» передаче, а значит, передаточное соотношение в коробке было равно 1. Момент на выходе из коробки тогда не изменился и остался 350Нм. Дальше идет редуктор. Положим, главная пара в нем равна 4.3. Отсюда момент на осях колес будет 350*4.3=1500Нм! 1500! А не чуть меньше 350, как нарисовано на этом графике и ему подобных!
Может быть, это мы где-то ошиблись, не правильно применили формулу? Давайте зайдем с другой стороны. Как справедливо пишут в тех самых многочисленных простынях в интернете, мощность и момент связаны между собой известным образом:
Мы знаем, что на нашем «колесном» графике в районе 6000об/мин на колесах примерно 200 кВт. Чтобы узнать скорость вращения колес, при которой мы получили эту мощность, спросим у стенда график скорости от оборотов:
Видим цифру 140км/ч. Что равно примерно 40м/с. Удобно, что длина окружности низко профильного колеса R17 почти ровно 2 метра. Скорость вращения тогда будет: 40/2 = 20 об/с или, т.к. в одном полном обороте 2*pi радиан, 20*2*pi — около 130 рад/c. Считаем момент:
Опять 1500! А не 350!
Итак, момент «на колесах», на самом деле, минимум раза в 4 больше, чем привычные всем цифры на маховике. Причем, зависит от передачи(скорости), и на первой передаче будет больше примерно в 16(!) раз. Так, а что же тогда за ньютон-метры рисуют стенды на «колесных» графиках? Если попытаться придать какой-то физический смысл этим цифрам, то это момент с некоего «виртуального» маховика, мощность на котором совпадает с колесной мощностью на графике, а обороты соответствуют оборотам маховика измеряемого автомобиля. Рассчитывается он следующим образом:
9549 – коэффициент, возникший в результате пересчета размерностей величин, никакого важного смысла за ним нет, формула все та же, что и выше.
По сути, такое вычисление момента физического смысла не несет. Это было бы верно для маховика (но опять же, не для колес) «идеального» автомобиля, в трансмиссии без трения и без инерции. Или для автомобиля, который движется, толкаясь маховиком. 🙂
Так что, нас бессовестно дурят производители и владельцы стендов? Похоже на то. На самом деле, если внимательно посмотреть «колесные» графики с разных стендов, на них никто и не утверждает, что цифры момента колесные. Просто написано «Крутящий момент». Какой-то. Какой именно, нигде на графике не уточняется. Кроме, конечно, особо клинических случаев:
раз
два
Причем, если поискать, можно найти примеры отображения реального колесного усилия(момента, деленного на радиус колеса):
Но такие графики распространения не получили. Вместо этого в тихую рисуют «виртуальный момент». Причина-то понятна: каждому клиенту не объяснишь, что это за цифры, в несколько раз большие, чем у него в документах на машину. Даже если попытаться, клиент покивает, и в следующий раз поедет на другой стенд, где таких заморочек нет, и цифры похожи на правду, по его мнению.
Кстати, очень жаль, так-то величина довольно интересная и информативная для реальной жизни (как и колесная мощность). Например, 10000Н колесного усилия на определенных оборотах, определенной передаче (скорости) эквивалентны 1000кг тяги. А это означает, что машина весом 1000кг на этих оборотах/передаче будет разгоняться с ускорением 1G. Можно сразу прикинуть, будет ли на этой скорости держать резина, или возникнет пробуксовка, отольет ли масло от маслозаборника в картере, какая будет нагрузка на привода, как именно потекут слезы счастья по щекам водителя, и еще много полезного.
Итак, самый простой вариант колесного стенда мы рассмотрели. В следующей части узнаем, как работает современный стенд с дополнительным тормозом на вихревых токах, а так же узнаем, наконец, кто именно крадет нашу разницу между моторной мощностью и колесной и в каких количествах.
PS: написав вот этот разбор: www.drive2.ru/b/2930860/ я обнаружил интересный, «нереальный» эффект на графике, следующий из обмана производителей стенда о колесном моменте. Что как бы в очередной раз намекает — обманывать не хорошо, особенно в точных науках. Вот график замера:
Красным — мощность, синим — момент, посчитанный на моторе, оранжевым — колесный момент. Обороты мотора в данном случае стенд узнавал непосредственно с мотора — индуктивным датчиком с катушки зажигания.
В месте, где момент на маховике «просел» началась пробуксовка(либо сцепления, либо колес). Как видим, реальный — колесный момент не просел. Откуда же взялась просадка моторного? Хорошая задачка на понимание материала выше.