Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Stanovení parametrů osobního automobilu na válcovém dynamometru Diplomová práce
Vedoucí práce: doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc.
Vypracoval: Bc. Pavel Král
Brno 2011
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Stanovení parametrů osobního automobilu na válcovém dynamometru vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne ………………………………………. podpis diplomanta ……………………….
PODĚKOVÁNÍ
Chtěl bych poděkovat panu doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc. za vedení, připomínky a odborný dohled nad diplomovou prací, panu Ing. Jiřímu Čuperovi Ph.D. za dohled při praktickém měření na zkušebně a rodičům za podporu při studiu a otci panu MVDr. Evženu Královi za zapůjčení zkoušeného vozidla.
ABSTRAKT Cílem diplomové práce je stanovení parametrů osobního automobilu na válcovém dynamometru. V úvodu jsou typy dynamometrů, jejich princip činnosti a rozdělení na motorové a válcové zkušebny. Poté následuje popis zkušebny na Mendelově univerzitě a parametry zkoušeného vozidla NISSAN PATROL GR Wagon. V závěru je vyhodnocení naměřených hodnot pasivních ztrát a ztrátových výkonů vozidla a vyhodnocení statických zkoušek výkonu pro pohon 4x2 a 4x4. Naměřené a vypočítané hodnoty jsou zaneseny do tabulek a grafů. Na konci diplomové práce jsou v příloze uvedeny grafy z kalibrací a statických zkoušek. Klíčová slova: dynamometr, výkon motoru, pasivní ztráty, ztrátové výkony, síly na kolech, výkony na kolech
ABSTRACT Purposes diploma work is assesment parameter motor-car on cylindrical dynamometer. In outset are types of dynamometer, their working principle and per motor and cylindrical test-room. After it follow description test-room on Mendels university and characteristics checking vehicles NISSAN PATROL GR Wagon. In conclusion is evaluation measured funds passive loss and unprofitable vehicle power and evaluation static performance test for drive 4x2 and 4x4. Measured and calculated funds are aggradation to the tables and graph. At the end diploma work work are in supplement state graph from calibration and static examinations.
Key words: dynamometer, engine power, passive losses, power losses, power cycling, performances cycling
Obsah 1
Úvod.......................................................................................................................... 8
2
Historie měření výkonů motorů ................................................................................ 8
3
Rozdělení dynamometrů ......................................................................................... 10 3.1
4
Dynamometry s demontáží motoru z vozidla ......................................................... 12 4.1
5
Z hlediska principu disipace energie lze dynamometry rozdělit ...................... 12 Hydraulické dynamometry ............................................................................... 12
4.1.1
S konstantním plněním ............................................................................. 13
4.1.2
S variabilním plněním ............................................................................... 13
4.1.3
Diskové dynamometry .............................................................................. 13
4.2
Hydrostatické dynamometry ............................................................................ 14
4.3
Elektrické dynamometry .................................................................................. 15
4.3.1
Stejnosměrné dynamometry ..................................................................... 15
4.3.2
Asynchronní dynamometry....................................................................... 15
4.3.3
Synchronní dynamometry ......................................................................... 16
4.3.4
Vířivé dynamometry ................................................................................. 16
4.4
Třecí dynamometry .......................................................................................... 17
4.5
Vzduchové dynamometry ................................................................................ 17
Dynamometry bez demontáže motoru z vozidla .................................................... 18 5.1
Válcové dynamometry ..................................................................................... 18
Technické požadavky ............................................................................................. 18 Legislativní požadavky ........................................................................................... 18 6
Dělení pracovišť...................................................................................................... 19
7
Charakteristiky vybraných pracovišť ...................................................................... 20
8
7.1
Emisní dynamometry ....................................................................................... 20
7.2
Zkušebny v klima-komoře a větrném tunelu ................................................... 21
7.3
Speciální zkušebny ........................................................................................... 22
Dělení válcových dynamometrů podle
konstrukce .................................... 23
8.1
Dvouválcové .................................................................................................... 23
8.2
Monoválcové .................................................................................................... 23
8.3
Vozidlový dynamometr bezválcové konstrukce .............................................. 25
9 Charakteristické znaky válcových skušeben k přesnému zjištění výkonových parametrů ........................................................................................................................ 25
10 Další metody indikace výkonu spalovacího motoru ............................................... 26 10.1 10.1.1 10.2
Měření úhlového zrychlení a zpomalení motoru .......................................... 26 Metody měření .......................................................................................... 26 Stanovení metodou postupného vypínání válců ........................................... 26
11 Válcový dynamometr na Mendelově univerzitě Brno ............................................ 27 12 Cíl práce .................................................................................................................. 31 13 Měřené vozidlo ....................................................................................................... 31 14 Metodika měření ..................................................................................................... 35 15 Vyhodnocení ........................................................................................................... 40 15.1
Hodnoty získané měřením ............................................................................ 40
15.1.1
Pasivní ztráty vozidla ................................................................................ 42
15.1.2
Ztrátový výkon vozidla ............................................................................. 44
15.2
Naměřené a přepočítané hodnoty pro pohon 4x2 ......................................... 46
15.3
Naměřené a přepočítané hodnoty pro pohon 4x4 ......................................... 49
16 Závěr ....................................................................................................................... 52 17 Seznam obrázků ...................................................................................................... 53 18 Seznam tabulek ....................................................................................................... 54 19 Použitá literatura ..................................................................................................... 55 20 PŘÍLOHY ............................................................................................................... 56
1
ÚVOD Tato práce je zaměřená na zjištění výkonu a pasivních odporů a ztrátových vý-
konů na terénním osobním automobilu NISSAN PATROL GR Wagon. Posuzuji zde průběh sil a výkonů na jednotlivých kolech vozidla při jízdních režimech se zařazeným pohonem zadní nápravy a pohonem všech čtyř kol v části vyhodnocení měření. Na závěr popisu měřeného vozidla uvedu pilový diagram s předpokládaným rozdělením rychlostí na jednotlivé převodové stupně. Dále se budu zabývat popisem způsobů měření výkonů a historií dynamometrů na měření výkonu spalovacího motoru a válcových zkušeben. Zakončením bude podrobnější popis válcové zkušebny na Mendelově univerzitěBrno, kde probíhala zkouška měřeného vozidla a popis zkoušeného vozidla.
2
HISTORIE MĚŘENÍ VÝKONŮ MOTORŮ
Jako jeden z prvních měřících přístrojů zkonstruovaný francouzským inženýrem Gaspardem de Prony, byl stroj na měří točivého momentu strojů, které generují rotační pohyb. Tento stroj byl sestaven roku 1821.
Obr. 1 První stroj na měření točivého momentu
8
Dále následoval Angličan William Froude, který jako lodní inženýr roku 1877 vynalezl první hydraulický dynamometr a komerční výroba byla spuštěna roku 1881 v továrně Heenan&Froude. Roku 1903 zahrnovalo portfolio měření pro lodní motory i soudobá vozidla.
Obr. 2 První hydraulický dynamometr
Carl Schenck založil roku 1881 továrnu, ve které se po jeho smrti (1910 ), v roce 1928 vynalezl první vozidlový dynamometr.
9
Obr. 3 První vozidlový dynamometr
Roku 1931 zakladatelem společnosti Kenosha Martinem a Anthonym Winthersovými byl sestaven první dynamometr na principu vířivých proudů.
3
ROZDĚLENÍ DYNAMOMETRŮ
Mechanický výkon motoru je veličina, která se nedá měřit přímo, ale stanovuje se na základě veličin při rotačním pohybu odečtem hodnot na klikové hřídeli u měření na motorovém dynamometru, resp. na kole pokud je měření realizováno na válcovém dynamometru. Výkon lze tedy zjistit měřením točivého momentu a otáček. Z tohoto hlediska se dělí na dynamometry motorové a válcové, kde je hodnota otáček snímána z kola. Silové působení momentu de facto dělí dynamometry na dva základní typy, a to ty které pouze brzdí, a ty které mohou i pohánět. Volba daného typu je mimo ekonomických hledisek závislá také na schopnostech změny pracovního kvadrantu, neboť ne všechny typy dynamometrů mohou pracovat čtyřkvadrantově. To znamená, že jednotlivé typy dynamometrů jsou schopné pouze vytvářet brzdný moment, ale nelze s nimi pohánět. U některých dynamometrů je možnost s nimi vytvářet jak brzdný moment tak hnací. 10
Obr. 4 Kvadranty pracovních oblastí dynamometru Tab. 1 Pracovní kvadranty vybraných dynamometrů
Typ dynamometru
Pracovní kvadrant
Hydraulický
1. nebo 2.
Hydrostatický
1,2,3,4
Elektrický stejnosměrný
1,2,3,4
Elektrický asynchronní
1,2,3,4
Vířivý
1. nebo 2.
Třecí
1. nebo 2.
Vzduchový
1. nebo 2.
Hybridní
1,2,3,4
11
Dalším základním znakem pro rozlišení je měřící charakteristika momentová a výkonová, která je rozdílná pro hydraulické a elektrické dynamometry, které jsou nejrozšířenější. ( Čupera, 2010 )
3.1 Z hlediska principu disipace energie lze dynamometry rozdělit Dělení dynamometrů z hlediska principu disipace energie:
Obr. 5 Rozdělení dynamometrů
4
DYNAMOMETRY S DEMONTÁŢÍ MOTORU Z VOZIDLA
4.1 Hydraulické dynamometry Můžou se jednoduše nazývat vodní brzdy, protože pracovním médiem a zároveň chladící složkou, která odvádí přebytečné teplo je voda. Princip je založen na prouděním kapaliny, která klade odpor. Tím se vytváří brzdný moment a současně i teplo. Vzniklé teplo je zároveň odvedeno použitým médiem (vodou). Tyto dynamometry se uplatňují ve specifických požadavcích například při měření závodního automobilu s vysokým výkonem a otáčkami díky výhodně nízkému momentu setrvačnosti. Hydraulický retardér společnosti SuperFlow má průměr 23 cm a brzdný moment 750kW. Tato konstrukce odpovídající velikosti umožňuje také brzdit i veliké lodní motory.
12
Druhy plnění hydraulických dynamometrů:
4.1.1 S konstantním plněním Jsou také nazývány jako klasické Froude dynamometry. Objem kapaliny je pro různé momenty stejný. Zvýšení odporu se dosahuje zasunováním tenkých plátů do komory statoru, které vyvolá změnu odporu proudění kapaliny a hydraulický odpor.
4.1.2 S variabilním plněním Konstrukce vychází z regulace přiváděné kapaliny do dynamometru. Pomocí ventilů na vstupu a výstupu z dynamometru se reguluje průtok kapaliny a tím se mění vytvářený brzdný moment. V praxi je také provedení, které se přímo šroubuje na přírubu spojky a tím dochází ke snížení problémů s torzními kmity na spojovací hřídeli.
4.1.3 Diskové dynamometry Konstrukce je dána vložením velmi malých disků s malými drážkami a výkon se měří střihem vodní vrstvy. Zatížení dynamometru měníme množstvím procházejícího média. Tento typ dynamometru se v praxi běžně nepoužívá pro nízkou schopnost změny dynamiky, ale občas je používán k měření plynových turbín kvůli schopnosti měřit ve vysokých otáčkách.
13
Obr. 6 Hydraulické dynamometry pro osobní vozy a lodní motory
( Vlk, 2005, Čupera, 2010 )
4.2 Hydrostatické dynamometry Jsou konstrukčně založeny na kombinaci přímočarých hydromotorů, kdy je jeden s konstantním zdvihem a druhý má zdvih proměnný. Téměř se nepoužívá, ale jako jediná výhoda je schopnost dosažení plného momentu v nulových otáčkách. ( Čupera, 2010 )
14
4.3 Elektrické dynamometry Dělení elektrických dynamometrů: 4.3.1 Stejnosměrné dynamometry Můžeme o nich říct že to jsou v podstatě elektrické stroje pracující jako elektrické generátory nebo elektromotory. Konstrukčně mají kyvné uložení statoru, které může být buď se statorem zavěšeným v ložiskách hřídele rotoru a hřídel rotoru zavěšena v pevných ložiskách, nebo je stator kyvně uložen v pevných ložiskách uložených v statoru. Regulace je prováděna proudem kotvy a magnetickým tokem, tedy i budícím proudem. Výhodou je poměrně jednoduchá regulace, možnost pracovat v obou regulacích (nkonst. a M-konst.), lze jím také motor nastartovat a protáčet. Je levným řešením oproti asynchronním dynamometrům a navíc v brzdném režimu lze energii rekuperovat zpět do sítě. Nevýhoda spočívá ve velkém momentu setrvačnosti, která může být v některých případech problematická z hlediska torzních vibrací (vzájemná vazba momentů setrvačnosti mezi spalovacím motorem a dynamometrem). Také nese zvýšenou údržbu u komutátorových motorů. (Vlk, 2005, Čupera, 2010)
4.3.2 Asynchronní dynamometry
Jsou v podstatě střídavé pohony s kotvou nakrátko a regulátor je většinou schopen regulovat dynamometr tak, že může pracovat ve čtyřech kvadrantech. Regulace je prováděna tak, že pro změnu otáček se mění frekvence proudu a momentová osa je řízena změnou napětí. Otáčky jsou tedy regulovány frekvenčním měničem a momentová regulace se provádí různými způsoby, které vycházejí z tranzistorových regulátorů. Tyto dynamometry jsou vhodné k měření přechodových charakteristik díky motoru na krátko s nižším momentem setrvačnosti.(Čupera, 2010)
15
4.3.3 Synchronní dynamometry Konstrukcí vychází z užití synchronního elektromotoru s pernametním magnetem rotoru. Jsou rozvíjeny v poslední době díky možnostem procesorového řízení. Lze s nimi měřit i vysoce dynamické jevy, neboť změna momentu může být dosažena i v čase 1 ms. Rychlost otáčení je v oblasti dynamometrů ovlivněna spíše mechanickými schopnostmi stroje a bylo dosaženo zrychlení otáček z nuly na 160 000 otáček za jednu sekundu.(www.reckersreckers.com, Čupera,2010) 4.3.4 Vířivé dynamometry Jsou nejrozšířenější díky jejich jednoduché konstrukci a dostačujícím vlastnostem. Elektromagnetické vířivé brzdy jsou založeny na působení vířivých proudů. Velikost brzdného momentu se reguluje velikostí budícího proudu přiváděného do budící cívky za vzniku magnetického pole. Statické magnetické pole proniká do objemu nemagnetického vodiče téměř beze změny. Časově proměnné magnetické pole vyvolá díky elektromagnetické indukci ve vodiči indukované elektrické pole. Intenzita vířivých proudů roste s frekvencí střídavého magnetického pole. Tepelný příkon je tedy tím větší, čím je vodič masivnější a čím lépe vede elektrický proud a čím je vyšší frekvence střídavého magnetického pole. Vířivé brzdy jsou symetrické a proto se mohou protáčet oběma směry. Elektromagnetická vířivá brzda naproti elektrickým dynamometrům stejnosměrným či střídavým nemůže pohánět motor, ale pouze brzdit.(Vlk, 2005, Čupera, 2010)
16
Obr. 7 Řez vířivým dynamometrem s vodním chlazením
4.4 Třecí dynamometry Jsou nejstarší a také již nejméně používané brzdy. Historie sahá až do roku 1821, kdy Gaspard de Prony sestrojil třecí dynamometr pro tehdejší pohony (viz Obr. 1, strana 9 ). Je-li k měření tento dynamometr užit, pak se jedná o vodou chlazený dynamometr kvůli nutnosti udržení konstantní teploty, která by jinak měla značný vliv na změnu součinitele tření. ( Čupera, 2010 )
4.5 Vzduchové dynamometry Nasazovaly se u jednoduchých válcových stolic pro zkoušení motocyklů, nebo také v oblasti zkoušení pohonů vrtulníků, kde nevadila ani malá přesnost, ani produkovaný aerodynamický hluk. Pro jejich malou přesnost se dnes nepoužívají. (Čupera, 2010)
17
5
DYNAMOMETRY BEZ DEMONTÁŢE MOTORU Z VOZIDLA Měření parametrů motoru na zkušebně motorů je vzhledem k nárokům norem
měření precizní, což může být doloženo opakovatelností měření a nízkou variabilitou výsledků i mezi různými zkušebnami. Velkou nevýhodou ovšem je přípravná práce takto realizovaného měření. Je nutné demontovat pohonné ústrojí a umístit na stanoviště. To sebou nese nejen nároky na mechanickou práci, ale v dnešní době také nutnost instalovat komponenty, které by při jejich absenci znemožňovaly spolehlivost měření, nebo i spuštění motoru. Z výše uvedených důvodů jsou konstruována pracoviště, která nesou pojmenování válcové dynamometry. Jejich úkolem je rychlé měření parametrů nejen motoru, ale i ostatních částí vozidla, neboť se na válcovém dynamometru dají simulovat stavy odpovídající jízdě na vozovce. Avšak režimy, které jsou na dynamometru simulovány jsou na rozdíl od vozovky přesně definovány.
5.1 Válcové dynamometry Jsou univerzální zařízení, která vznikají ze dvou hlavních požadavků a to technických a legislativních. Dále se na nich simulují stavy odpovídající skutečnému provozu na vozovce. Hlavními požadavky na dynamometry jsou: Technické poţadavky Jedná se o zkušební nebo vývojové zkušebny, kde existuje obecný charakter zkoušení (pohonné ústrojí a přenos síly na vozovku) nebo specifický charakter (zkoušení vibrací a hluku, klimatické testy, zkoušení spolehlivosti). Legislativní poţadavky Jsou doménou zkoušení emisních parametrů vozidel pro testy, které jsou obsaženy v homologacích (např. EHK R83 atp.), dále jsou některé dynamometry konstruovány pro zkoušení elektromagnetické kompatibility EMC či zkoušení bezpečnosti vozidel. Koncepce válcových dynamometrů vychází z jejich nasazení. Lze se setkat s velmi jednoduchými zařízeními, která nemají aktivní disipační charakter, tedy neobsahují vlastní brzdu a brzdný účinek je vytvářen odporem setrvačníků dynamometru. Spolehlivost měření je však v tomto případě vázána k ceně konstrukce. Koncept se nazývá dynamické měření na válcovém dynamometru. Na opačné straně se nachází laboratorní 18
válcové dynamometry, které se vyznačují velmi vysokou přesností zařízení, kde například nejistota měření činí pouhých 2,5 N. Dynamometry dělíme na: Pasivní Kdy je brzdný moment vytvářen odporem setrvačníků, nejčastěji tvořených hmotnými válci, ovšem podobu mohou mít rozličnou, například přenos síly z válců na vertikálně uložený setrvačník. Aktivní Vytváří brzdný moment brzdou (hydraulicky, elektricky nebo vířivým dynamometrem). Lze je dále rozdělit na pracovní kvadranty, tedy zda-li pouze vozidlo brzdí nebo jej mohou i pohánět. Pokud lze vozidlo protáčet pohony, pak je vytvořen systém, který dokáže hodnověrně simulovat stavy, které v běžném provozu nastávají – průjezd zatáčkou (diference otáček a sil na obou kolech téže nápravy), průběh brzdění atd. Mimo to lze určit s relativně vysokou přesností také pasivní ztrátu v celé trakci, byť nelze dále diferencovat, jedná – li se o ztrátu odporem valení v pneumatice, nebo je ztráta způsobena třením v ozubení kol převodovky. Dále existují specifické laboratoře, kde válcový dynamometr slouží jako zařízení, které simuluje jízdní stav a dochází k odměřování jiné veličiny. Lze jmenovat například větrné tunely nebo laboratoře hluku vozidel. (Čupera, 2010)
6
DĚLENÍ PRACOVIŠŤ 1. Brzdová stanoviště pro obecná měření 2. Servisní stanoviště úprav automobilů, kontrola programování ECU 3. Válcový dynamometr na konci výrobní linky 4. Emisní dynamometry 5. Zkušebny spolehlivosti a emisní stability vozidla 6. Bezdozvukové místnosti s válcovým dynamometrem (obr. 8.2.1.61) 7. Válcové dynamometry pro měření vibrací a elektromagnetické kompatibility 8. Zkušebny v klima-komoře a větrném tunelu 9. Speciální zkušebny (Čupera, 2010) 19
7
CHARAKTERISTIKY VYBRANÝCH PRACOVIŠŤ
7.1 Emisní dynamometry Jsou charakteristickou nutností k vytvoření stejných účinků setrvačnosti jako má zkoušené vozidlo, resp. ekvivalentní setrvačná hmotnost by měla být téměř shodná s okamžitou hmotností zkoušeného vozidla. Realizace účinků setrvačnosti je možná dvěma základními způsoby. Buď se jedná o systém mechanický pasivní, kdy jsou zařazovány hmotné kotouče. Modernější, ovšem technicky i ekonomicky náročnější systém je elektrická simulace. ( Čupera, 2010 )
Obr. 8 Válcový dynamometr pro emisní měření
20
7.2 Zkušebny v klima-komoře a větrném tunelu Pro optimalizaci provozních vlastností vozidla se zkouší modely v měřítku 1:5 v malých aerodynamických tunelech a poté i skutečné vozy ve větrných tunelech. Výrobci vozidel v nich zkoumají vlastnosti vozidel, stanovují součinitele odporů vzduchu a přibližují vozidlo skutečnému provozu. V klima-komorách se lze simulovat nízké teploty, až na mínus 40 °C. V takových podmínkách se dají simulovat studené starty, chlazení a ohřev motorů a příslušenství.
Obr. 9 Válcový dynamometr v klimatické komoře
(Vlk, 2005, Čupera, 2010)
21
7.3 Speciální zkušebny Jsou konstruovány atypicky, kde je místo válců použit ocelový pás, který je dynamometrem brzděn. Velmi často se jedná o zkušebny, které mají další využití jako například větrný tunel.
Obr. 10 Vozidlový pásový dynamometr
22
8
DĚLENÍ VÁLCOVÝCH DYNAMOMETRŮ PODLE KONSTRUKCE
8.1
Dvouválcové
Síly z kol jsou přenášeny na párové válce, po kterých se kola odvalují. Tento typ je častější pro dynamometry, které mají charakter spíše jednoduchého zkušebního zařízení. Válce mohou být z důvodu přenositelné síly spojeny řetězem, řemenem nebo se lze setkat i s jedním brzděným válcem a druhým opěrným, ovšem za cenu snížení maximální přenositelné síly, neboť se síla na válci rozkládá a při překročení limitní hodnoty dochází k nárůstu prokluzu. (Čupera, 2010, Vlk, 2005)
Obr. 11 Vozidlový dynamometr s párovými válci
8.2 Monoválcové
Monoválcové zkušebny více simulují skutečný stav pneumatiky na vozovce, protože válce velkého průměru mají povrch tvořen pouze mírným zakřivením (na rozdíl od dvojí deformace u párových válců, které sebou nesou značný vliv dynamiky celé pneumatiky). Toto jsou například u diagonálních pneumatik extrémní případ, pokud jsou vytvořeny podmínky pro stojaté vlny šířící se celým pláštěm. Pro to jsou monovál23
cové dynamometry vhodnějším řešením, ale mají také svá konstrukční úskalí, neboť není možné vytvořit zkušebnu, která by byla schopná měřit vozidla s menším rozvorem kol, než jsou průměry válců zkušebny a dále jsou válce hmotnější, v případě, že se jedná o aktivní dynamometry s pohonem, kdy se pak hůře simulují setrvačné účinky. (Čupera, 2010, Vlk, 2005)
Obr. 12 Monoválcový dynamometr
24
8.3 Vozidlový dynamometr bezválcové konstrukce
Jeho charakteristikou je odstranění problematického uzlu (kolo-válce), kde je nutné monitorovat skluz. Tato koncepce vychází z demontáže kola a montáž vlastní brzdy na náboj kola. ( Čupera, 2010 )
Obr. 13 Dynamometr bezválcové konstrukce
9
CHARAKTERISTICKÉ ZNAKY VÁLCOVÝCH SKUŠEBEN K PŘESNÉMU ZJIŠTĚNÍ VÝKONOVÝCH PARAMETRŮ
1. Velký průměr válců – vzhledem k potlačení negativních jevů deformace pneumatiky a přiblížení stavu jízdy po vozovce, průměr válce by měl být výrazně větší než průměr hnacího kola 2. Nezávislé válce pro každé kolo – válce bez pevných mechanických vazeb, nezávisle i mezi nápravami pro zkoušení pohonů 4x4 s přesným nastavením rozvoru 3. Dynamometrický pohon pro každý válec – pro další typy testů, např. brzd, rozdělení hnací síly prostřednictvím aktivních diferenciálů atp. 4. Skluzové rolny - každé kolo je vybavené nezávislou rolnou měřící skutečné otáčky kola vozidla a následně se vyhodnocuje skluz při brzdění a akceleraci 5. Řízení pomocí PC, systém by měl být modulární koncepce (současné vzorkování emisí, signálů řídicí jednotky, CAN-BUS, LIN aj.) 25
10 DALŠÍ METODY INDIKACE VÝKONU SPALOVACÍHO MOTORU
10.1 Měření úhlového zrychlení a zpomalení motoru Úhlové zrychlení nezatíženého motoru, který se rozbíhá při dané dávce paliva z určitých otáček a zároveň zpomalení při nulové dávce paliva, popřípadě vypnutém zapalování, je významnou diagnostickou veličinou pro získání hodnoty výkonu a točivého momentu motoru a ztrátového výkonu a točivého momentu. 10.1.1 Metody měření a) Akcelerací nezatíženého motoru z volnoběžných otáček na maximální při plné dávce paliva a následnou decelerací s nulovou dávkou paliva při měření úhlového zrychlení (zpomalení) klikového hřídele. b) Měření akcelerace a decelerace ve zvolených otáčkách v úzkém intervalu otáček klikového hřídele motoru.
10.2 Stanovení metodou postupného vypínání válců Cituji: ,,Princip metody spočívá v tom, že měříme pouze otáčky, na nichž se ustálí nezatížený motor při odpojeném určitém počtu válců a při plné dávce paliva. Za těchto podmínek je dosaženo rovnováhy indikovaného točivého momentu pracujících válců se ztrátovým výkonem motoru a na základě standardní závislosti ztrátového výkonu na otáčkách lze usuzovat na hodnotu indikovaného výkonu pracujících válců." (Stodola, 2007)
26
11 VÁLCOVÝ DYNAMOMETR NA MENDELOVĚ UNIVERZITĚ BRNO
Jedná se o laboratorní válcový dynamometr sloužící k měření parametrů osobních, dodávkových a lehkých nákladních automobilů. Jedná se o zkušebnu s aktivními pohony (stejnosměrné elektromotory) pro zkoušení vozidel o maximálním výkonu motoru 480 kW v konfiguraci 4x4.
Obr. 14 Válcová zkušebna na Mendelově univerzitě Brno
Konstrukční řešení vychází z tuhých základních rámů, na kterých jsou umístěna ložiska válců o průměru 1,2 m, stojin a základních rámů se stejnosměrnými elektrickými dynamometry o příkon 120 kW, (to je 240 kW na nápravu). Tyto rámy se stojinami tvoří základní bloky jednotlivých os. Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy posuvně v rozmezí požadovaného rozvoru, společně s přední osou traktorového dynamometru VDU-E270T–E150T. Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná frikční spojka. Rozpojení pravého a levého válce umožňuje dynamické měření brzdných sil z vysokých rychlostí. 27
Propojení válcových jednotek s el. dynamometry typu SDS 225 5604 je provedeno pomocí ozubených řemenů. Každý válec je vybaven pneumaticky ovládanými brzdami pro umožnění najetí vozidla a bezpečnostní zabrždění. Dále je každá válcová jednotka vybavena pneumaticky ovládaným nájezdovým a středícím zařízením a měřícími rolnami s odsouvatelným krytem. Obě osy jsou umístěny na konstrukci z ocelových profilů upevněné na základním rámu, který je zalit betonem na dně montážní jámy. Na základním rámu jsou rovněž uchyceny podpěry pevného a posuvného krytí vozidlového dynamometru. V podlaze okolo montážní jámy jsou zality kotvící drážky pro upevnění úvazků vozidla. Celá plocha okolo vozidlového dynamometru je v rovině podlahy překryta ocelovými krycími plechy. Přívod chladícího vzduchu do montážní jámy je vyústěn pod jednotlivými osami uprostřed (v zapuštěném kanálu). Před zkoušeným vozidlem je umístěn ventilátor náporového chlazení s usměrňovací hubicí, připojený pohyblivým přívodem do zásuvky spínané přes ovládací klávesnici z kabiny vozidla. ( Čupera, 2010, www.zkusebna.wz.cz, web2.mendelu.cz)
28
Obr. 15 Konstrukční řešení zkušebny Mendelovy univerzity Brno
29
Tab. 2 Parametry dynamometru na Mendelově univerzitě Brno
Základní mechanické vlastnosti dynamometru
MEZ 4VDM E120-D
Max. zkušební rychlost [km.h-1]
200
Max. výkon na nápravu [kW]
240
Max. hmotnost na nápravu [kg]
2000
Průměr válců [m]
1,2
Šířka válců [mm]
600
Mezera mezi válci [mm]
900
Povrch válců
zdrsnění RAA 1,6
Setrvačná hmotnost válců (každá náprava) [kg]
1130
Min. rozvor [mm]
2000
Max. rozvor [mm]
3500
Rozsah měření rychlosti [km.h-1]
0 - 200
Rozsah měření sil [kN]
4x
0-5
Přesnost měření rychlosti [km.h-1]
± 0,05
Přesnost měření sil [%]
± 1,5
Přesnost regulace rychlosti [%]
± 1,5
Přesnost regulace síly [%]
± 2,5
30
12 CÍL PRÁCE Cílem práce je stanovit parametry osobního automobilu na válcovém dynamometru. Změří se statické zkoušky výkonu motoru a dále pasivní a ztrátové výkony vozidla. Ze statických zkoušek se vypočítají velikosti sil a výkonů působící na jednotlivá kola při pohonu zadní nápravy a při pohonu všech čtyř kol. Všechny vypočítané hodnoty a naměřené hodnoty se vynesou do grafů. K měření bylo užito vozidlo NISSAN PATROL GR Wagon a zkušebna na Mendelově univerzitě v Brně. Podrobný popis vozu je uveden v následující kapitole a zkušebna byla popsána v předchozí kapitole.
13 MĚŘENÉ VOZIDLO Na měření bylo použito vozidlo NISSAN PATROL GR Wagon, rok výroby 2004. Jedná se o terénní vozidlo s možností pohonu 4x4 a v těžkých provozních podmínkách je možné při režimu 4x4 zařadit terénní redukci. Disponuje také pro tento režim uzávěrkou zadního diferenciálu a možností vypnutí zadních stabilizátorů pro dosažení většího křížení zadní nápravy v těžkém terénu. Konstrukce vozidla vychází z klasického uspořádání pevného žebřinového rámu a na něm přišroubovanou karoserii. Obě nápravy jsou tuhé na vinutých pružinách. Přední je 3-prvková tuhá náprava a zadní je 5-prvková tuhá náprava. Přední náprava je vybavena automaticky uzamykatelnými volnoběžkami v nábojích předních kol pro snížení rizika poškození předního diferenciálu či poškození kardanového hřídele při provozu na zpevněných komunikacích. Volnoběžky se aktivují automaticky při zařazení pohonu 4x4 a je možné je v těžkém terénu manuálně (montážním klíčem na kola) uzamknout k trvalému pohonu 4x4. Motor je vznětový s přeplňováním turbodmychadlem a intercoolerem. Je to řadový čtyřválec s přímým vstřikováním paliva uložený podélně s osou vozidla. Motor byl vyroben ve spolupráci s firmou Renault. Objem je 3000ccm, výkon motoru 116 kW a točivý moment 350 N.m. Je spojen s pětistupňovou manuální převodovkou s terénní
31
redukcí a maximální rychlostí 160 km.h-1. Při měření byly nasazeny pneumatiky BF GOODRICH Mud Terrain 265/75 R16 Q 123. V obr. 16 je pilový diagram zobrazující rychlosti na jednotlivé převodové stupně při otáčkách motoru, které byly rozvrženy pro statické měření výkonu. Tab. 3 Rychlosti jednotlivých převodových stupňů
Rychlost na jednotlivé převodové stupně
n
km/h
1/min
1. RS
2. RS
3.RS
4.RS
5.RS
R
0
0
0
0
0
0
0
1378
11,08891 19,24613 31,75429 50,52108 60,43191 11,90131
1812
14,58136 25,30768 41,75528 66,43265 79,4649
15,64962
2261
18,19451 31,57873 52,10193 82,89417 99,1557
19,52748
2695
21,68695 37,64028 62,10292 98,80574 118,1887 23,27579
3133
25,21158 43,7577
3569
28,72012 49,84719 82,24316 130,8489 156,5178 30,82423
72,19608
114,864
137,3971 27,05865
4000 3500
otáčky (min-1)
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0
20
40
60
80
100
120
140
rychlost (km.h-1) 1.RS
2.RS
3.RS
4.RS
Obr. 16 Pilový diagram rychlostí jednotlivých převodových stupňů.
32
5.RS
R
160
Z obr. 16 je patrná maximální rychlost vozidla dosažená na 5. převodový stupeň 156 km.h-1.
Obr. 17 NISSAN PATROL GR Wagon
V tab. 4 jsou uvedeny parametry motoru vydané výrobcem a vnější rozměry vozidla.
33
Tab. 4 Hodnoty uvedené výrobcem
Motor: přeplňovaný vzněTyp motoru:
tový
Válce / ventily:
4/4
Zdvihový objem (cm3):
2953
Nejvyšší výkon (kW/min-1):
116 / 3600
Nejvyšší toč. moment (Nm /min-1):
354 / 2000
Provozní vlastnosti: Maximální rychlost (km/h):
160
Zrychlení 0 - 100 km/h (s):
15,4
Rozměry a hmotnosti: Objem zavaz. prostor - sedadla/sklopena (l): Objem nádrţe (l):
668 / 2287 95
Pohotovostní hm. / nosnost (kg):
2325 / 755
Rozměr pneu:
265/70 R16
Rozměry dle nákresu - vnější rozměry: a) Délka (mm):
5095
b) Šířka (mm):
1940
c) Výška (mm):
1855
d) Rozvor (mm):
2970
e) Rozchod vpředu (mm):
1605
f) Rozchod vzadu (mm):
1625 34
14 METODIKA MĚŘENÍ Příprava vozidla na měření: Protože zkouška probíhala v zimě, bylo zapotřebí z vozidla odstranit nadměrné znečištění od sněhu, usazenin ledu a posypového materiálu. Po následném mytí bylo vozidlo řádně osušeno silným proudem vzduchu od ventilátoru sloužícího k pomocnému chlazení motoru. Z pneumatik byly odstraněny ostré zaklíněné předměty a kamínky, aby nedošlo k poškození pneumatik a válců. Současně se dbalo na suchost pneumatik, aby nedošlo vlivem mokrých pneumatik k prokluzu kol na válcích.
Příprava zkušebny a fixace vozidla: Po ukončení příprav se najelo vozidlem na zkušebnu a podle tab.4 se nastavil rozvor zkušebny a provedly se korekce pro k lepšímu dosednutí pneumatik na válce. Před motor byly nainstalovány pomocné chladící ventilátory a byl připojen snímač otáček motoru. Vozidlo bylo na zkušebně zabezpečeno pomocí napínacích řetězů a kurtů. V přední časti viz obr.18 byly řetězy zachyceny za tažné háky pod nárazníkem na obou stranách.
35
Obr. 18 Fixace vozidla v přední části
V zadní části podle obr. 19 byly řetězy zachyceny za tažná oka pod zadním nárazníkem a kurtem zafixován za tažné zařízení kouli ISO 50. Na závěr příprav byl nainstalován sběrný a odsávací systém k odvodu výfukových plynů.
36
Obr. 19 Fixace vozidla v zadní části a odvod výfukových plynů
Statická měření výkonu a valivého odporu: Statická metoda měření výkonu vozidla je realizována na základě dvojího měření, a to hnací síly na kolech vozidla a dále měření valivých odporů jednotlivých kol. Měření valivých odporů je prováděno několikanásobně tak, aby výsledkem byla regresní křivka nejlépe statisticky prezentující naměřené body v ustálených rychlostech. Ta je vytvářena v software zkušebny a pro statistické zhodnocení se porovnává index determinace. Dále je nastaven nižší váhový faktor na koncových bodech měření. Metodika je založena na skutečnosti, že pokud bude nutné zachovat silovou, resp. momentovou rovnováhu mezi válcem a soustavou kola s částí trakce, pak je k tomu zapotřebí ekvivalentní síla ze strany zkušebny. Tato hodnota interpretuje pasivní ztrátu vozidla, ovšem i zkušebny. Tak, abychom mohli stanovit pouze pasivní ztrátu vozidla, je nutné provést metodicky stejný test pro vlastní zkušebnu (bez vozidla). Také v tomto případě se jedná o regresní funkci. Tyto dvě funkce se pak v definovaném bodě rychlosti odečítají. Metoda statického měření výkonu motoru je pak prostým součtem hodnoty síly (výkonu) na kolech vozidla a síly (výkonu) valivých odporů vozidla (s odečtením valivého odpo37
ru vlastní zkušebny). Oba typy testů se zadávají v režimu v-konst., což je nastavení v definovaném bodě rychlosti pohybu válců a v případě statického měření výkonu odpovídá tato rychlost jistým otáčkám motoru (dle převodových poměrů pro daný rychlostní stupeň). U statického měření valivých odporů by přesné měření mělo respektovat stejný zařazený rychlostní stupeň. To je ovšem do určité míry riskantní, neboť spojka je po celou dobu měření rozpojena, a pokud by nebyla správně vymezena její vůle, mohlo by dojít k defektu. Proto se raději volí poloha neutral, který sice metodiku přesně neakceptuje, ovšem nehrozí zmíněné nebezpečí, a také nijak výrazně neovlivňuje velikost pasivních ztrát, neboť přenášený moment je velmi malý. Vyhodnocení: K vyhodnocení výsledků z měření bylo použito výpočtových vztahů pro zjištění hodnot výkonu motoru a také ke zjištění výkonů na jednotlivých kolech. Z těchto hodnot byly sestaveny grafy s jejich průběhem. Výkon motoru a výkon na kolech: Výkon motoru byl získán sečtením jednotlivých výkonů na kolech. Výkon na kolech byl získán výpočtem podle vzorce [1]. Pro získání výkonu motoru byly sečteny výkony bez pasivních ztrát a výkony na jednotlivých nápravách podle druhu pohonu. Výkon jednotlivých náprav byl získán stejně jako výkon na kolech podle vzorce [1], kde za Fk dosazuji síly dané nápravy. Příklad výpočtů: PK
FK
v 3,6
[kW]
[1]
Kde: Fk – síla na kole (kN) v – rychlost kola (km.h-1)
38
Síly na kolech: Síly na kolech jsou do záznamu zkušebny zaneseny přímo z tenzometrů zkušebny. Tyto síly však s sebou nesou i pasivní ztráty zkušebny. Ty je tedy pro skutečné hodnoty pouze vozidla odečíst. Každý válec je popsán regresní funkcí z testu, který je realizován v kalibračním menu zkušebny (nezávisle na sw prostředí serveru) a tyto funkce se pak předávají sw zkušebny tak, aby je automaticky odčítala. Interně je navíc vektor sil vyhlazován. Polynomy pasivních ztrát zkušebny: Levé zadní kolo:
(kN)
Pravé zadní kolo:
(kN)
Levé přední kolo:
(kN)
Pravé přední kolo:
(kN)
Polynomy pasivních ztrát vozidla: Přední náprava:
(kN)
Zadní náprava:
(kN)
kde: x – rychlost jednotlivých kol a rychlost na nápravě (km.h-1)
39
15 VYHODNOCENÍ Ze statických zkoušek měření výkonu byly získány vstupní data pro vypočítání výkonů a sil na jednotlivých kolech a nápravách pro pohon 4x2 a 4x4. Z kalibračních testů byly získány hodnoty pasivních odporů zkušebny, pasivních odporů a ztrátového výkonu zkoušeného vozidla. Pasivní odpory zkušebny jsem naměřil před vlastním měřením.
15.1 Hodnoty získané měřením V tabulkách 5-7 jsou uvedeny hodnoty získané měřením kalibračních zkoušek. Naměřili se hodnoty odporů zkušebny, pasivní odpory a ztrátové výkony zkoušeného vozidla. Tab. 5 Hodnoty odporů zkušebny MEZ 4VDM E120-D
Číslo
v (km.h-1)
měření
LP (kN)
PP (kN)
LZ (kN)
PZ (kN)
0,00308
0,046418 0,019929
1
20,31
0,017833
2
40,31
0,019989 0,000592
3
60,21
0,022552 0,002712 0,056757 0,029423
4
80,19
0,025563 0,004058 0,059159 0,033579
5
100,16
0,028288
0,00989
0,062334 0,038143
6
120,11
0,033496
0,01609
0,068847 0,039895
7
140,04
0,037645 0,021148 0,070882 0,038387
0,05171
0,025307
Legenda: LP – levý přední válec, PP – pravý přední válec, PZ – pravý zadní válec, LZ – levý zadní válec, v – rychlost válce ( km.h-1)
V tabulce 5 jsou uvedeny hodnoty odporů zkušebny. Získaly jsme je při kalibracích válců před začátkem samotného měření. Hodnoty jsou pak užity při výpočtech k přesnému zjištění dalších hodnot.
40
0,08 y = -0,00000022x 2 + 0,00023752x + 0,04216432 R2 = 0,98762891
0,07
0,06
odpor skušebny (kN)
0,05
y = -0,00000135x 2 + 0,00038344x + 0,01220772 R2 = 0,98481701
0,04
0,03
0,02 y = 0,00000068x 2 + 0,00005643x + 0,01652445 R2 = 0,99765891
0,01
y = 0,00000201x 2 - 0,00015665x + 0,00467753 R2 = 0,98427892 0 0
20
40
60
80 100 rychlost (km/h)
LP
PP
120 LZ
140
160
PZ
Obr. 20 Grafické znázornění průběhu odporu zkušebny
V obr. 20 je vidět průběh odporů zkušebny na jednotlivých kolech při dané rychlosti měření, která byla v rozmezí od 20 km.h-1do 140km.h-1 po 20 km.h-1. Stejného rozmezí bylo použito u při měření pasivních odporů a ztrátových výkonů motoru.
41
15.1.1 Pasivní ztráty vozidla V tab.6 jsou uvedeny pasivní ztráty získané měřením na zkušebně. Z této tabulky je pak sestaven graf na obr. 21.
Tab. 6 Hodnoty pasivních ztrát vozidla
Pasivní ztráty vozidla Číslo
Rychlost Celé vozidlo -1
měření v (km.h )
Zadní náprava
Přední náprava
(kN)
(kN)
(kN)
1
20,33
0,48
0,23
0,25
2
40,35
0,48
0,26
0,22
3
60,24
0,51
0,29
0,22
4
80,22
0,56
0,32
0,24
5
100,20
0,63
0,35
0,27
6
120,14
0,71
0,39
0,31
7
140,07
0,88
0,45
0,43
42
1 0,9
y = 0,00003411x 2 - 0,00229528x + 0,51637131 R2 = 0,98943793
0,8
pasivní ztráty (kN)
0,7 0,6 y = 0,00000527x 2 + 0,00089082x + 0,21409960 R2 = 0,99463895
0,5 0,4 0,3 0,2
y = 0,00002885x 2 - 0,00318610x + 0,30227172 R2 = 0,97963799
0,1 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
rychlost (km.h-1) varianta 4x4
varianta zadní náprava
přední náprava
Obr. 21 Graf pasivních ztrát vozidla
Z tabulky 6 je sestaven graf pasivních ztrát vozidla obr.21. Z grafu je vidět nárůst pasivních ztrát vozidla s rostoucí rychlostí. Nejvyšší hodnoty dosahuje při pohonu obou náprav tedy v režimu 4x4. V tomto režimu bylo dosaženo při rychlosti 140 km.h-1 hodnoty 0,88 kN. Přední náprava má nejnižší pasivní ztráty. Velikost pasivního odporu mezi přední a zadní nápravou je rozdílná a má také jiný průběh. U zadní nápravy se ztráty stále zvětšují, u přední nápravy nastává propad a nárůst s rostoucí rychlostí.
43
15.1.2 Ztrátový výkon vozidla Tabulce 7 jsou naměřené hodnoty ztrátového výkonu vozidla. Hodnoty byly naměřeny při kalibračních testech. Tab. 7 Hodnoty ztrátového výkonu vozidla
Ztrátový výkon vozidla Číslo Rychlost v
Pohon 4x4
Zadní náprava
Přední náprava
měření
(km.h-1)
(kW)
(kW)
(kW)
1
20,33
2,67
1,29
1,39
2
40,34
5,41
2,96
2,45
3
60,24
8,59
4,87
3,71
4
80,22
12,44
7,13
5,30
5
100,20
17,41
9,77
7,64
6
120,13
23,53
13,05
10,48
7
140,07
34,32
17,43
16,89
44
40
35
ztrátový výkon (kw)
30
25
20
15
10
5
0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
rychlost (km.h-1) varianta 4x4
varianta zadní náprava
přední náprava
Obr. 22 Graf ztrátového výkonu vozidla
Z obr.22 podle tabulky 7 je patrný nárůst ztrátového výkonu s rostoucí rychlostí. Při pohonu 4x4 je ztrátový výkon nejvyšší s hodnotou 34,32 kW při 140 km.h-1a má také nejostřejší náběh rostoucích ztrát . Přední náprava již nemá znatelný propad a ztrátový výkon narůstá s rostoucí rychlostí.
45
15.2 Naměřené a přepočítané hodnoty pro pohon 4x2 V tabulce 8 jsou naměřené hodnoty ze statické zkoušky výkonu při pohonu pouze zadní nápravou. Tyto hodnoty byly použity pro výpočty výkonů na kolech. Tab. 8 Hodnoty ze statické zkoušky výkonu pro pohon 4x2
Číslo
Mt
Měření n (min-1) v (km.h-1) (N.m)
F zd P (kW) T1 (°C)
(kN)
1
1378
45,17
248,70
35,90
17,00
2,86
2
1812
60,13
302,30
57,30
17,00
3,43
3
2261
75,15
312,10
73,90
16,90
3,54
4
2695
90,19
310,50
87,60
17,00
3,50
5
3133
105,11
291,80
95,70
17,40
3,28
6
3569
120,12
264,50
98,90
17,70
2,96
Legenda: T1 – teplota ve zkušebně, Fzd- síla na zadní nápravě, P – výkon motoru (kW), Mt-točivý moment motoru (N.m), v – rychlost (km.h-1), n – otáčky motoru (min-1)
Tab. 9 Naměřené a dopočítané hodnoty pro pohon 4x2
Číslo
n
v -1
měření (min )
F LZ -1
(km.h ) (kN)
F PZ P LZ
P PZ
Ztrátový
(kN)
(kW)
výkon
(kW)
P motor
4x2 (kW) (kW) 1
1378
45,17
1,28
1,35
16,10
17,04
1,29
36,48
2
1812
60,13
1,56
1,63
26,11
27,38
2,96
58,28
3
2261
75,15
1,60
1,68
33,54
35,16
4,87
75,19
4
2695
90,19
1,59
1,65
39,30
41,50
7,13
89,25
5
3133
105,11
1,43
1,54
41,91
45,04
9,77
97,64
6
3569
120,12
1,27
1,35
42,42
45,27
13,05
100,94
Legenda: FLZ- síla na levém zadním kole, FPZ – síla na pravém zadním kole, P motorcelkový výkon motoru, n – otáčky motoru, v – rychlost na zadní nápravě V tabulce 9 jsou vypočítané hodnoty sil a výkonů na jednotlivých kolech. Rozdíly mezi naměřenými hodnotami z tab.8 a vypočítanými hodnotami z tab. 9 jsou způsobené tím, že v tab. 9 nejsou pasivní odpory z tab. 6 pro dopočítání síly přenášené zadní nápravou.
46
1,80 1,60 1,40
síla (kN)
1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
otáčky motoru (min-1) F na LZ
F na PZ
Obr. 23 Rozdělení síly na kola zadní nápravy
Z grafu na obr.23 je vidět nerovnoměrné rozdělení sil na kola pravděpodobným zvýšením odporu na některém ložisku uložení hnacích hřídelů a samotným uložením kol. Přesto dosahuje maximálních hodnot 1,6 kN popřípadě 1,7 kN při otáčkách motoru kolem 2500 min-1.
47
50
výkon na kolech (kW)
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1000
1500
2000
2500
3000
3500
otáčky ( min-1 ) P na LZ
P na LZ
Obr. 24 Rozdělení výkonu na kola zadní nápravy
Z grafu obr. 24 je patrný jiný charakter průběhu výkonů jako u průběhu sil. Zatím co u sil dochází ke klesání s narůstajícími otáčky motoru, u výkonu se tyto hodnoty s rostoucími otáčkami zvětšují. Větší výkon je přenášen levým kolem. Kdyby byl rozdíl příliš veliký mohlo by to mít vliv na ovládání vozidla a větší opotřebení pneumatik. Největší výkon je na kolech přenášen při otáčkách 3500 min-1 kde dosahuje hodnot 46 kW pro levé kolo a 42 kW pro kolo pravé.
48
4000
15.3 Naměřené a přepočítané hodnoty pro pohon 4x4 V tabulce 10 jsou hodnoty ze statické zkoušky výkonu při pohonu všech čtyř kol. Tyto hodnoty jsem použil jako vstupní pro další výpočty v tabulce 11. Tab. 10 Hodnoty ze statické zkoušky výkonu pro pohon 4x4
Číslo
n
Mt
měření
(min-1)
(N.m)
1
1362
243,20
34,70
2
1798
305,20
3
2248
4
Fc př
Fc zd
(kN)
(kN)
Fc (kN)
21,20
0,82
1,37
2,76
45,31
45,23
57,50
21,00
1,27
1,55
3,44
60,24
60,20
315,40
74,30
20,80
1,40
1,49
3,55
75,24
75,23
2681
313,10
87,90
20,70
1,40
1,36
3,51
90,24
90,26
5
3116
295,20
96,30
20,60
1,36
1,14
3,30
105,14
105,18
6
3552
270,30
100,50
20,60
1,25
0,88
3,01
120,12
120,19
P (kW) T1 (°C)
v př
v zd
(km.h-1) (km.h-1)
Legenda:Fcpř – celková síla na přední nápravě, Fczd – celková síla na zadní nápravě, vpř – rychlost přední nápravy, vzd- rychlost zadní náprava, T1-teplota v místnosti, Mt-točivý moment motoru, P – výkon motoru, n-otáčky motoru, Mt – točivý moment Tab. 11 Naměřené a dopočítané hodnoty pro pohon 4x4
Číslo
n -1
ZP
P motor (kW)
měření (min ) F LP
F PP F LZ F PZ
P LP
P PP
P LZ
P PZ
4x4
(kN)
(kN) (kN) (kN)
(kW)
(kW)
(kW)
(kW)
(kW)
1
1362
0,42
0,42
0,69
0,76
5,30
5,24
8,65
9,53
2,67
34,66
2
1798
0,65
0,64
0,79
0,85
10,87
10,76
13,19
14,19
5,41
57,49
3
2248
0,72
0,71
0,75
0,82
15,02
14,78
15,77
17,23
8,59
74,35
4
2681
0,73
0,72
0,69
0,77
18,28
18,02
17,35
19,25
12,44
88,09
5
3116
0,70
0,69
0,58
0,66
20,59
20,27
17,00
19,21
17,41
96,58
6
3552
0,66
0,64
0,46
0,52
21,93
21,39
15,41
17,52
23,53
100,89
Legenda:n-otáčky motoru, FLP- síla na levým předním kole, FPP- síla na pravém předním kole, FLZ- síla na levém zadním kole, FPZ- síla na levém zadním kole, PLP-výkon na levém předním kole, PPP- výkon na pravém předním kole, PLZ- výkon na levém zadním kole, PPZ- výkon na pravém zadním kole, ZP- ztrátový výkon 4x4, P – výkon motoru
49
V tabulce 11 jsou přepočítané hodnoty sil na kolech a vypočítané hodnoty výkonů na jednotlivých kolech a celkový výkon motoru. Rozdíly v tab. 10 a 11 jsou způsobené tím, že v tab. 11 nejsou vyjádřeny a připočteny pasivní odpory z tab. 6 pro dopočítání síl přenesených na obou nápravách.
0,90 0,80
síla (kN)
0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
otáčky (min-1) síla na LP
síla na PP
síla na LZ
síla na PZ
Obr. 25 Rozdělení síly na všechna kola, pohon 4x4
Hodnoty v grafu obr. 25 vychází z tabulky 11 a je vidět rozdíl v přenášených silách jak na nápravy, tak na jednotlivá kola. Pření náprava má rovnoměrnější rozdělení síly na kola než náprava zadní. Rozdíl je dán zásahem volnoběžných nábojů v předních kolech, kdy při velkém překročení rozdílu rychlosti a sil na jednotlivých nápravách dochází k prokluzu a tím je chráněno pohonné ústrojí od poškození. Největší síla přenese50
ná předními koly je okolo 2600 otáček za minutu s hodnotami 0,73 kN pro pravé kolo a 0,72 kN pro kolo levé.
25,00
výkon (kW)
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
otáčky (min-1) výkon na LP
výkon na PP
výkon na LZ
výkon na PZ
Obr. 26 Rozdělení výkonu na všechny kola, pohon 4x4
Hodnoty v grafu obr. 26 vychází z tabulky 11 a je vidět rozdílné rozložení výkonů na jednotlivých kolech a nápravách. Výkon přenesený přední nápravou se zvětšuje s rostoucími otáčkami motoru, zatím co na zadní nápravě dochází ke klesání výkonu po dosažení hraničních otáček a rostoucí rychlosti. U zadní nápravy je hranice růstu výkonu 2600 otáček za minutu a pak přenášený výkon pomalu klesá.
51
16 ZÁVĚR
Ze statických zkoušek výkonu bylo zjištěno, že zkoušené vozidlo nemá přílišný rozdíl ve výkonu motoru udávaný výrobcem a skutečně naměřeným při zkoušce. Výrobcem je udán výkon motoru 116 kW a při zkoušení bylo prokázáno 100,5 kW. To není přílišný pokles. Výkonu je dosaženo při 3500 otáčkách za minutu a byl naměřen při pohonu všech čtyř kol (tabulka 11 měření 6). Při pohonu pouze zadní nápravou bylo dosaženo výkonu 99 kW (tabulka 9 měření 6). Zajímavostí jsou rozdíly při průběhu sil a výkonů na jednotlivých kolech. Zatímco při stálém pohonu zadní nápravy jsou rozdíly mezi koly viditelné tak při pohonu všech kol je na přední nápravě vždy rozdíl mezi koly minimální. Maximální hodnoty výkonů a sil na kolech při pohonu 4x2: Maximální síla byla dosažena při otáčkách motoru 2261 min-1 pro pravé kolo 1,68 kN a pro levé kolo 1,60 kN. Maximální síla byla dosažena při otáčkách motoru 3569 min-1 pro kolo pravé 42,42 kW a pro levé kolo 45,27 kW. Maximální hodnoty výkonů a sil na kolech při pohonu 4x4: Maximální síla na kolech přední nápravy byla dosažena při otáčkách motoru 2681 min-1 s hodnotami 0,73 kN pro levé kolo a 0,72 kN pro kolo pravé. Maximální výkon byl dosažen při otáčkách motoru 3552 min-1 s hodnotami 21,93 kW pro levé kolo a 21,39 pro kolo pravé. Maximální síla na kolech zadní nápravy byla dosažena při otáčkách motoru 1798 min-1 s hodnotami 0,79 kN pro levé kolo a 0,85 kN pro kolo pravé. Maximální výkon byl dosažen při otáčkách motoru 2681 min-1 hodnotami 17,35 kW pro levé kolo a 19,25 kW pro kolo pravé. Ze zkoušek na pasivní odpory a ztrátové výkony jsem zjistil, že jsou u vozidla viditelné rozdíly při pohonu 4x4 a 4x2. Nejvyšší ztráty dosahuje vždy při pohonu všech čtyř kol s rostoucí rychlostí pojezdu. Největší hodnoty pasivního odporu je dosaženo při 140 km.h-1 0,88 kN a největší ztrátový výkon je 34 kW při 140 km.h-1.
52
17 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 První stroj na měření točivého momentu ............................................................... 8 Obr. 2 První hydraulický dynamometr ............................................................................. 9 Obr. 3 První vozidlový dynamometr .............................................................................. 10 Obr. 4 Kvadranty pracovních oblastí dynamometru ....................................................... 11 Obr. 5 Rozdělení dynamometrů ...................................................................................... 12 Obr. 6 Hydraulické dynamometry pro osobní vozy a lodní motory ............................... 14 Obr. 7 Řez vířivým dynamometrem s vodním chlazením .............................................. 17 Obr. 8 Válcový dynamometr pro emisní měření ............................................................ 20 Obr. 9 Válcový dynamometr v klimatické komoře ........................................................ 21 Obr. 10 Vozidlový pásový dynamometr ......................................................................... 22 Obr. 11 Vozidlový dynamometr s párovými válci ......................................................... 23 Obr. 12 Monoválcový dynamometr ................................................................................ 24 Obr. 13 Dynamometr bezválcové konstrukce................................................................. 25 Obr. 14 Válcová zkušebna na Mendelově univerzitě Brno ............................................ 27 Obr. 15 Konstrukční řešení zkušebny Mendelovy univerzity Brno ............................... 29 Obr. 16 Pilový diagram rychlostí jednotlivých převodových stupňů. ........................... 32 Obr. 17 NISSAN PATROL GR Wagon ......................................................................... 33 Obr. 18 Fixace vozidla v přední části ............................................................................. 36 Obr. 19 Fixace vozidla v zadní části a odvod výfukových plynů ................................... 37 Obr. 20 Grafické znázornění průběhu odporu zkušebny ................................................ 41 Obr. 21 Graf pasivních ztrát vozidla ............................................................................... 43 Obr. 22 Graf ztrátového výkonu vozidla ........................................................................ 45 Obr. 23 Rozdělení síly na kola zadní nápravy ................................................................ 47 Obr. 24 Rozdělení výkonu na kola zadní nápravy .......................................................... 48 Obr. 25 Rozdělení síly na všechna kola, pohon 4x4 ....................................................... 50 Obr. 26 Rozdělení výkonu na všechny kola, pohon 4x4 ................................................ 51
53
18 SEZNAM TABULEK Tab. 1 Pracovní kvadranty vybraných dynamometrů ..................................................... 11 Tab. 2 Parametry dynamometru na Mendelově univerzitě Brno .................................... 30 Tab. 3 Rychlosti jednotlivých převodových stupňů ....................................................... 32 Tab. 4 Hodnoty uvedené výrobcem ................................................................................ 34 Tab. 5 Hodnoty odporů zkušebny MEZ 4VDM E120-D ............................................... 40 Tab. 6 Hodnoty pasivních ztrát vozidla .......................................................................... 42 Tab. 7 Hodnoty ztrátového výkonu vozidla.................................................................... 44 Tab. 8 Hodnoty ze statické zkoušky výkonu pro pohon 4x2 .......................................... 46 Tab. 9 Naměřené a dopočítané hodnoty pro pohon 4x2 ................................................. 46 Tab. 10 Hodnoty ze statické zkoušky výkonu pro pohon 4x4 ........................................ 49 Tab. 11 Naměřené a dopočítané hodnoty pro pohon 4x4 ............................................... 49
54
19 POUŢITÁ LITERATURA
VLK, František. Zkoušení a diagnostika motorových vozidel. Brno : Nakladatelství a vydavatelství Vlk, 2005. 576 s.
VLK, František. Dynamika motorových vozidel. 2. vydání. Brno : Nakladatelství a vydavatelství Vlk, 2003. 440 s. VLK, František . Převodová ústrojí motorových vozidel. Brno : Nakladatelství a vydavatelství Vlk, 2000. 330 s. MOTEJL, Vladimír; HOREJŠ, Karel. Učebnice pro řidiče a opraváře automobilů . Brno : Littera, 2004. 610 s. BAUER, František, et al. Traktory. Praha : Profi Press, 2006. 192 s STODOLA, Jiří ; MAREK, Josef; FURCH, Jan. Logistika. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně : Ediční středisko MZLU, 2007. 337 s. ČUPERA, Jiří. Pro studenty [online]. 2010 [cit. 2010-04-03]. Ústav techniky a automobilové dopravy. Dostupné z WWW:
.
Reckers [online]. 2011 [cit. 2011-04-02]. Synchronous dynamic dynamometers. Dostupné z WWW: .
MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ ÚSTAV ZÁKLADŮ TECHNIKY A AUTOMOBILOVÉ DOPRAVY [online]. 2011 [cit. 2011-04-02]. Metody měření výkonu. Dostupné z WWW: .
Ústav techniky a automobilové dopravy [online]. 2011 [cit. 2011-04-02]. Vozidlová zkušebna pro osobní automobily. Dostupné z WWW: . NISSAN PATROL –Y61- Eletronic Service Manual, Listopad 2005 cd nosič Propagační brožury NISSAN Patrol
55
20 PŘÍLOHY
56
10 - Protokol kalibrace pro statické zkoušky výkonu, pohon 4x2 11 – Statická zkouška výkonu motoru, pohon 4x2 14 - Protokol kalibrace pro statické zkoušky výkonu, pohon 4x4 15 - Statická zkouška výkonu motoru, pohon 4x4
57
