Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Návrh softwarového prostředí ovládání válcového dynamometru Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Bc. Zdeněk Švihálek Brno 2009
Děkuji Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za všestrannou pomoc a odborné konzultace, které mi poskytl při vypracování této diplomové práce.
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci na téma: „Návrh softwarového prostředí ovládaní válcového dynamometru“ vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
V Brně dne: 11. 5. 2009 Podpis: ………………..
Abstrakt V mé diplomové práci popisuji válcové dynamometry a metody měření na válcových zkušebnách. Seznamuji se z vývojovým prostředím LabVIEW a koncepcí regulace válcových dynamometrů na MZLU a dále vytvářím koncept uţivatelského prostředí pro zadávání zkoušek, vizualizaci dat a tisk protokolů. V dnešní době se na celém světě rozvíjí automobilový průmysl. Kladou se vysoké nároky na bezpečnost posádky, cestovní komfort, kvalitní a dostupný servis, stále se zvyšují nároky na emisní limity a hospodárnost vozu. Na posouzení skutečného technického stavu vozidla by měla diagnostická zařízení simulovat co nejpodobněji stav jako na pozemní komunikaci při provozu vozidla. Tyto podmínky lze simulovat na pracovišti automobilové dopravy na MZLU v Brně. Klíčová slova: válcové dynamometry, LabVIEW, koncept, technický stav.
Abstract In my diploma thesis I describe cylindrical dynamometers and the methods of measurement in cylindrical test facilities. I am learning about the development environment of LabVIEW and the concept of regulation of cylindrical dynamometers at Mendel University of Agriculture and Forestry in Brno. Furthermore, I am constructing a user interface design for test input, data visualization and printing of protocols. Nowadays, the car industry is developing in the entire world. Strict requirements are being placed on passenger safety, traveling comfort, and high quality and accessible service. The requirements for emission limits and the car economy are becoming more stringent. To be able to evaluate the real technical conditions of the vehicle, the diagnostic equipment should simulate conditions similar to real road situations. These conditions can be simulated at the automobile conveyance department at Mendel University of Agriculture and Forestry in Brno.
Key words: cylindrical dynamometers, LabVIEW, design, technical conditions.
OBSAH
1 2 3
Úvod ............................................................................................................... 7 Cíl práce.......................................................................................................... 8 Zkoušení motorových vozidel ........................................................................ 9 3.1 Druhy zkoušek ...................................................................................... 9 3.2
Dynamometry ..................................................................................... 10
3.2.1
Hydraulické ..................................................................................... 11
3.2.2
Hydrostatické .................................................................................. 14
3.2.3
Elektrické dynamometry ................................................................. 15
3.2.3.1
Stejnosměrné dynamometry ..................................................... 15
3.2.3.2
Asynchronní dynamometry ...................................................... 15
3.2.3.3
Synchronní dynamometry ........................................................ 16
3.2.3.4
Vířivé dynamometry ................................................................. 16
3.2.4
Třecí dynamometry ......................................................................... 18
3.2.5
Vzduchové dynamometry ............................................................... 19
3.2.6
Výběr dynamometru ....................................................................... 19 Měření na válcové zkušebně ............................................................... 22
3.3 3.3.1
Emisní válcové dynamometry ........................................................ 23
3.3.2
Koncepce válcových dynamometrů ................................................ 25
3.3.2.1
Pasivní ...................................................................................... 26
3.3.2.2
Aktivní ...................................................................................... 26
3.3.3
Konstrukční řešení dynamometrů ................................................... 26
3.3.3.1
Duoválcový............................................................................... 26
3.3.3.2
Monoválcový ............................................................................ 27
3.3.3.3 3.3.4
Bezválcové konstrukce ............................................................. 28
Válcové zkušebny nové generace se vyznačují .............................. 30
3.3.4.1
Zkoušky hnacího ústrojí (spalovacích motorů) ........................ 31
3.3.4.2
Zkoušky brzdové soustavy ....................................................... 32
3.3.4.3
Kalibrační testy ......................................................................... 32
3.3.4.4
Doplňkové zkoušky .................................................................. 32
Vozidlová zkušebna na MZLU ........................................................... 33
3.4 3.4.1
Monoválcová zkušebna................................................................... 33
3.4.1.1
Konstrukční řešení vozidlového dynamometru 4VDM E120-D ...................................................................................................34
3.4.2
Duoválcová zkušebna ..................................................................... 36 Vývojové prostředí LabVIEW ............................................................ 39
3.5 3.5.1
Dialogové okno New a šablony VI ................................................. 40
3.5.2
Expresní VI ..................................................................................... 41
3.5.3
Čelní panel ...................................................................................... 41
3.5.4
Controls ........................................................................................... 42 Koncept uţivatelského prostředí ......................................................... 43
3.6 3.6.1
Koncepce pro dynamometry 4VDM E120D a VDU E270T – E150T .........................................................................................................43
3.6.1.1
Zadávání ................................................................................... 43
3.6.1.2
Vlastní měření .......................................................................... 44
3.6.1.3
Vizualizace a tisk protokolů ..................................................... 46
3.6.2
Koncept pro Saxon.......................................................................... 47
3.6.2.1
Zadávání a nastavení Saxon ..................................................... 47
4 5 6 7
3.6.2.2
Spuštění a měření zkoušek Saxon ............................................ 53
3.6.2.3
Vizualizace a tisk protokolu Saxon .......................................... 55
Diskuze ......................................................................................................... 57 Závěr ............................................................................................................. 60 Seznam pouţité literatury ............................................................................. 61 Seznam obrázků............................................................................................ 62
1
ÚVOD
V dnešní době se na celém světě rozvíjí automobilový průmysl. Kladou se vysoké nároky na bezpečnost posádky, cestovní komfort, kvalitní a dostupný servis, stále se zvyšují nároky na emisní limity a hospodárnost vozu. Do výzkumu a vývoje se investují nemalé prostředky, které přesahují náklady na konstrukci. Následně se výzkum promítne i do prodejní ceny vozidla. Velikou součástí vývoje automobilů je testování motoru a jejich součásti. Tyto testy se označují
jako celková diagnostika vozidla. Je to souhrn úkolů, které ve
výsledku dávají přehled o celkovém stavu funkčních částí vozidla. Na posouzení skutečného technického stavu vozidla by měla diagnostická zařízení simulovat co nejpodobněji stav jako na pozemní komunikaci při provozu vozidla. V dnešní době existují diagnostické pracoviště, které se vyuţívají při vývoji a také v některých servisech. Tyto pracoviště musí splňovat přísné normy. Vývoj diagnostických zařízení se postupně posouvá kupředu a směřuje k plně automatizovaným postupům a přístrojům. Dochází k urychlení diagnostiky celého vozidla a k lepšímu určení stavu vozidla. Dnes jako standard u moderních automobilů je také diagnostická přípojka k tzv. motortesterům, která neslouţí jenom k vyhodnocování stavu vozidla, ale také k zjištění výrobních informací o vozidle a mnoho dalšího. V mé diplomové práci popisuji válcové dynamometry a metody měření na válcových zkušebnách. Seznamuji se z vývojovým prostředím LabVIEW a koncepcí válcových dynamometrů na MZLU a dále vytvářím koncept uţivatelského prostředí pro zadávání zkoušek, vizualizaci dat a tisk protokolů.
7
2
CÍL PRÁCE
V této diplomové práci popisuji válcové dynamometry a metody měření na válcových zkušebnách. Seznamuji se z vývojovým prostředím LabVIEW a koncepcí válcových dynamometrů na MZLU a dále vytvářím koncept uţivatelského prostředí pro zadávání zkoušek, vizualizaci dat a tisk protokolů.
8
3
ZKOUŠENÍ MOTOROVÝCH VOZIDEL
Význam zkušebnictví vozidel odpovídá významu experimentálních prací v jiných vědních oborech. Je však zdůrazněn komplikovaností zkušebního předmětu (vozidlo) a sloţitostí určení provozních podmínek. Mnoho faktorů, které výrazně ovlivňují funkční vlastnosti vozidla a jeho ţivotnost (spolehlivost, trvanlivost) je mnoho obtíţně předem určit jak výpočtově tak konstrukčně. Vývoj vozidla musí proto probíhat ve zkušebním provozu napodobujícím provozní podmínky daného vozidla. Výsledky zkoušek zpětně zasahují do konstrukce vozidla aţ do stádia celkového projektu. Náklady a kapacity věnované experimentální fázi vývoje a výzkumu jsou větší, neţ náklady na projekční práci (konstrukci). [4]
3.1 Druhy zkoušek
Zkušebnictví vozidel je moţno rozdělit na jízdní zkoušky a na zkoušky laboratorní (ve zkušebnách). Pro urychlení vývoje probíhá často provozní ověřování agregátu nového typu (motor, převodovka, hnací hřídel, nápravy, řídící ústrojí) ve vozidle stávající výroby, protoţe stavba nosné konstrukce a karoserie je většinou časově náročnější. Po postavení funkčního vzorku (resp. prototypu) začínají funkční zkoušky: jízdní vlastnosti (ovladatelnost), brzdné zkoušky, zkoušky rychlosti, akcelerace, stoupavosti, rozjezd ve stoupání, spotřeba, pohodlí jízdy včetně optimalizace pruţící soustavy atd. [4] Provozní ţivotností zkoušky (jízdní) začínají obvykle současně se zkouškami funkčními. Ţivotností jízdní zkoušky mohou být buď dlouhodobé, nebo krátkodobé (speciální zkušební dráhy s velmi špatným povrchem). Speciální vozidla (terénní) jsou podrobeny dalším různým zkouškám (stoupavost, průchodivost, brodivost aj.). [4]
Souběţně s jízdními zkouškami probíhají zkoušky laboratorní: funkční, pevnostní a ţivotností. V poslední době nabývají pro své výhody laboratorní zkoušky 9
neustále na významu, zejména při zkouškách trvanlivosti. Moderní měřící zařízení spolu s výpočetní technikou umoţňuje věrně simulovat provozní podmínky. [4]
Tab. 1 Rozdělení zkoušek vozidel z různých hledisek
3.2 Dynamometry
Základem je tzv. dynamometr, coţ je výkonová brzda, bez které nelze prakticky provádět ţádná zkouška. Existuje několik druhů dynamometru, které se pouţívají a to například: hydraulický, vzduchový nebo elektrický. Otáčky motoru se měří a nastavují různými tipy otáčkoměrů s určitou přesností. Spotřeba paliva se měří objemově, ale lépe je to hmotnostně se zařízením ovládaným automaticky nebo ručně. Pro měření teploty se pouţívají různé typy snímačů: termistorové, termočlánky nebo odporové snímače.
10
Základem měření na výkonovém dynamometru je skutečnost, ţe proti neznámému točivému momentu motoru působí definovaný brzdný moment, který je za ustáleného reţimu rovný točivému momentu motoru. Motor, který se brzdí a je zatěţován třením, odporem kapaliny, vzduchu, elektricky nebo pohonem jiného stroje, se mechanická práce motoru s výjimkou pohonu jiného stroje mění na jinou energii, nejčastěji tepelnou, proto se tyto dynamometry nazývají absorpční.
Obr. 1 Rozdělení dynamometrů
3.2.1 Hydraulické
Hydrokinetické obvykle označované jako hydraulické či prostě vodní brzdy, jsou obdobná zařízení jako je jiţ známá hydraulická spojka. Torodiální prostor vytváří proudění kapaliny, která „přirozeně“ klade odpor, který je vyjádřením energie ve formě tepla. Brzdný moment je úměrný čtverci rychlosti otáčení. Brzdné médium (voda) je současně i tím, které tepelnou energii odvádí. Hydraulické dynamometry se uplatňují u aplikací, které jsou specifické v některém parametru. Například při měření výkonu závodního automobilu s vysokým výkonem a otáčkami je výhodný nízký moment setrvačnosti. Například u hydraulických retardérů společnosti SuperFlow je průměr turbíny 23 cm pro výkon 750 kW a otáčky do 22 000 l/min. Na druhé straně se však 11
vyrábí i hydraulické dynamometry, které jsou schopny brzdit lodní motory do výkonu 140 000 kW (Obr. 2).
Obr. 2 Hydraulické dynamometry – pro automobilové motory (nahoře) a lodní jednotky (dole)
Konstantní plnění – tyto stroje 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 toroidálního víru, resp. rychlost proudění, které se čtvercem rychlosti mění hydraulický odpor (Obr. 3).
12
Variabilní plnění – odpor je závislý na mnoţství kapaliny, které je do soustavy přiváděno. Lze říci, ţe rychlost změny momentu je vyšší neţ v prvém případě, neboť přítok kapaliny lze uskutečnit rychleji neţ mechanické zasouvání plátů. Obvykle se ke zvýšení dynamiky reguluje mnoţství na vstupním i výpustném ventilu. V praxi existují tyto typy také v provedení, které je přímo šroubovatelné na přírubu spojky, čímţ odpadají problémy s torzními kmity na spojovací hřídeli (Obr. 4). Diskové dynamometry – nejsou často pouţívané vzhledem k jejich nízké schopnosti změny dynamiky. Lze se s nimi ovšem setkat například u zkoušení plynových turbín, kde je nutné zkoušet ve vysokých otáčkách. Sestávají z velmi tenkých disků, které mají malé dráţky a výkon je mařen „střihem“ vodní vrstvy. Zatíţení se mění změnou vodní hmoty v dynamometru.
Obr. 3 Hydraulický dynamometr s konstantním plněním (Froude, 1 –rotor, 2 – výstupní ventil vody, 3 – vstupní ventil vody, 4 – regulační talíř, 5 – vstupní otvory vody, 6 – kryt, 7 – kyvné uložení, 8 – uložení hřídele, 9 – indikace
13
Obr. 4 Hydraulický dynamometr s variabilním plněním
3.2.2 Hydrostatické
Hydrostatické
dynamometry
jsou
konstrukčně
zaloţeny na
kombinaci
přímočarých hydraulických hydromotorů, kdy jeden je s konstantním zdvihem a druhý má zdvih proměnný. Tento dynamometr se téměř nepouţívá a lze říci, ţe jediná výhoda můţe být spatřována pouze ve schopnosti dosáhnout skutečně plného momentu v nulových otáčkách.
14
3.2.3 Elektrické dynamometry
3.2.3.1 Stejnosměrné dynamometry
Stejnosměrné dynamometry si lze představit jako dynamo, které je kyvně uloţeno. Řízení je obvykle na bázi tyristorového měniče ze střídavého proudu. Jak je známo, moment stejnosměrného dynamometru je regulován proudem kotvy a magnetickým tokem, tedy i budicím proudem. Mezi výhody stejnosměrných dynamometrů patří poměrně jednoduchá regulace, moţnost pracovat v obou regulacích (n-konst. a M=konst.), lze jím také motor nastartovat a protáčet. Je také levným řešením oproti asynchronním dynamometrům a navíc v brzdném reţimu lze energii rekuperovat zpět do sítě. Nevýhoda spočívá ve velkém momentu setrvačnosti (vzájemná vazba momentů setrvačnosti mezi spalovacím motorem a dynamometrem), které v některých případech mohou být problematické z hlediska torzních vibrací. Limitem jsou také maximální dosaţitelné otáčky. U komutátorových motorů je obecně vyšší náročnost na údrţbu.[2]
3.2.3.2 Asynchronní dynamometry
Asynchronní dynamometry jsou v podstatě střídavé pohony s kotvou nakrátko (byť jsou adaptovány pro daný účel). Regulátor je většinou schopen pracovat ve čtyřech kvadrantech. Regulace se provádí v n-M tak, ţe 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 vycházející z tranzistorových regulátorů (např. IGBT atp.). Obvykle se regulace provádí tzv. vektorovým řízením, které má určité schopnosti inteligence, navíc zpřesněné zpětnovazebně hodnotou skutečných otáček. Rotor nakrátko má niţší moment setrvačnosti, proto jsou tyto dynamometry vhodné i pro testy přechodových charakteristik. [2]
15
3.2.3.3 Synchronní dynamometry
Synchronní dynamometry se začínají rozvíjet v poslední době díky moţnostem procesorového řízení. Lze s nimi měřit i vysoce dynamické jevy, neboť změna momentu můţe být dosaţena i v čase 1 ms. Rychlost otáčení je v oblasti dynamometrů ovlivněna spíše mechanickými schopnostmi stroje a bylo dosaţeno zrychlení otáček z nuly na 160 000 za jednu sekundu. [2]
3.2.3.4 Vířivé dynamometry
Vířivé dynamometry jsou ze všech typu nejrozšířenější, a to díky jejich jednoduché konstrukci, dostačujícím vlastnostem. Elektromagnetické vířivé brzdy jsou zaloţeny na působení vířivých proudů. Velikost brzdného momentu se reguluje velikostí budícího proudu přiváděného do budicí cívky za vzniku magnetického pole. Pro ilustraci je moţné vyjít z příkladu vířivé brzdy s maximálním brzdným momentem 600 Nm, kde maximální hodnota budicího proudu nepřevýší 7,5A. 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. Konstrukce vířivé brzdy je symetrická a brzda se můţe proto otáčet oběma směry.
Elektromagnetická
vířivá
brzda
naproti
elektrickým
dynamometrům
stejnosměrným či střídavým nemůţe pohánět motor, ale pouze brzdit. [2]
16
Obr. 5 Vířivý dynamometr s vodním chlazením (AVL Alpha: 500 kW, 2000 Nm, 8000 ot/min, moment setrvačnosti 3,69 kg.m3)
Konstrukce vířivé brzdy je závislá na způsobu chlazení. Existují dvě varianty. V prvém případě je teplo odváděno chladicími komorami vodou do dalších výměníků. Druhá varianta spoléhá na odvod tepla do vzduchu. Obě skýtají přednosti i nedostatky. Obvykle se vířivý dynamometr s vodním chlazením nasazuje pro motorové zkušebny, neboť je zde nutné odvádět vodou i teplený výkon z chlazení motoru, byť okruhy jsou odděleny z důvodu rozdílných pracovních teplot. Naopak u válcových dynamometrů (pro měření přes kola vozidla) se často pouţívá vzduchem chlazených vířivých dynamometrů. Často se jedná o konstrukci, která z důvodu ceny vyuţívá retardérů z vozidel (Obr. 6). [2]
17
Obr. 6 Vířivý dynamometr vzduchem chlazený (300 kW)
3.2.4 Třecí dynamometry
Třecí dynamometry jsou nejstarší a také jiţ nejméně pouţívané brzdy. Historie sahá aţ do roku 1821, kdy Gaspard de Prony (fran. inţenýr) sestrojil třecí dynamometr pro tehdejší pohony (Obr. 7). Je-li k měření tento dynamometr uţit, pak se jedná o vodou chlazený dynamometr kvůli nutnosti udrţení konstantní teploty, která by jinak měla značný vliv na změnu součinitele tření. [2]
18
Obr. 7 De Pronyho konstrukce třecí brzdy
3.2.5 Vzduchové dynamometry
Vzduchové dynamometry se dnes jiţ nepouţívají, neboť jejich přesnost je malá. Dříve se u zkušeben nasazovaly u jednoduchých válcových stolic pro zkoušení motocyklů, nebo také v oblasti zkoušení pohonů vrtulníků, kde nevadila ani malá přesnost, ani produkovaný aerodynamický hluk. [2]
3.2.6 Výběr dynamometru
Výběr vhodného dynamometru je velmi nesnadný úkol, kdy se střetávají poţadavky technického rázu s ekonomickými moţnostmi. K procesu rozhodování bylo vytvořeno „desatero“, které obsahuje určité otázky a návrhy k výběru:
1. Rychlost
změny
otáček
je
výchozím
parametrem
návrhu
vhodného
dynamometru, resp. určení jeho dynamiky (dynamometry pro ustálené stavy, přechodové stavy, dynamické nebo vysoce dynamické dynamometry). Tento bod určuje počet potřebných kvadrantů a vylučuje některé konstrukce.
19
2. Faktor zatíţení (uţívání) je důleţitý zejména u konstrukcí, kde se pro chlazení pouţívá chladicí voda tak, aby nedošlo k moţnosti vzniku koroze, případně krystalizace solí uvnitř dynamometru. 3. Přetíţení brzdy můţe některé dynamometry vyřadit z vhodných řešení. S přetíţením je nutné v návrhu počítat. 4. Mohutnost a četnost změn v zatíţení, které s sebou nesou velké změny v generovaném teple a mohou se promítnout do konstrukce z hlediska dilatací. 5. Pokrytí výkonového (momentového) spektra motorů. 6. Schopnost startovat motor bez nutnosti dalšího zařízení, resp. přímo dynamometrem. 7. Dostupnost médií, resp. energií. V mnoha částech světa je nemyslitelné například vodní chlazení z prostého nedostatku. 8. Jsou parametry médií vyhovující? Jedná se například i o moţnost výskytu pulzací, které mají dopad na schopnost kvalitní regulace. 9. Je elektrické připojení vyhovující? Ne vţdy je zdroj dostatečně „tvrdý“ a pak můţe docházet k chybě regulace vlivem změny napětí atp. 10. Jak bude řešeno připojení mezi motorem a dynamometrem? Je velmi nutné provést simulaci pro rozličné podmínky spektra vibrací a moţného výskytu axiální síly v soustavě.
20
Tab. 2 Výhody a nevýhody jednotlivých typů dynamometrů Typ dynamometru
Výhody
Hydraulický s konstantním plněním
I přes konstrukční zastaralost se pouţívá kvůli velmi nízké finanční náročnosti.
Pomalá reakce na změnu zatíţení. Zejména při modernizaci stávající brzdy je obtíţná automatizace prvků regulace.
Hydraulický s variabilním plněním
Vcelku dobré moţnosti automatizace, moţnost měřit velmi vysoké výkony.
Otevřený vodní systém můţe způsobovat problémy s kavitací a korozí.
Hydraulický diskový
Dokáţe brzdit při velmi vysokých otáčkách.
Nevhodná charakteristika ve spodní části charakteristiky dynamometru.
Hydrostatický
Lze provozovat ve čtyřech kvadrantech.
Drahý systém s nevýhodami konstrukční sloţitosti a dále je jako negativum vnímáno mnoţství tlakového oleje.
Stejnosměrný dynamometr
Ověřená konstrukce, je provozuschopný ve čtyřech kvadrantech.
Vysoký moment setrvačnosti, komutátor je zdrojem poruch.
Asynchronní dynamometr
Nevýhody
Niţší moment setrvačnosti (oproti stejnosměrnému), čtyřdkvadrantový.
Draţší varianta.
Synchronní dynamometr
Nejniţší moment setrvačnosti z elektrických dynamometrů. Je schopen velmi dynamicky měnit zatíţení.
Velmi drahý.
Vířivý
Jednoduchá a levná konstrukce, přiměřeně vhodný moment setrvačnosti.
Citlivý na chlazení, není vhodný pro velmi vysoké změny ve výkonu (dramatická změna v generovaném teple můţe způsobit teplotní šok).
Třecí brzda
Je schopná brzdit vysoké momenty při nízkých otáčkách.
Nelze pouţit pro vyšší otáčky.
Vzduchová brzda
Levná a nepotřebuje téměř údrţbu.
Je velmi hlučná. Nelze kvalitně regulovat.
Hybridní
Lze vytvořit téměř ideální charakteristiku.
Konstrukčně sloţité a velmi drahé řešení.
21
3.3 Měření na válcové zkušebně
Měření parametrů motoru na zkušebně motorů je jiţ vzhledem k nárokům norem měření precizní, coţ můţe být doloţeno 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 jej na stanoviště. To s sebou nese nejen nároky na mechanickou práci, ale v dnešní době také nutnost instalovat komponenty, které by při jejich absenci znemoţňovaly 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 je na válcovém dynamometru v podstatě nastolen stav odpovídající jízdě na vozovce. Avšak reţimy, které jsou na dynamometru simulovány jsou na rozdíl od vozovky definovány. Válcové dynamometry jsou univerzální zařízení, která vznikají ze dvou hlavních poţadavků, resp. účelů: 1. technické – 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). 2. legislativní – je doménou zkoušení emisních parametrů vozidel pro testy, které jsou obsaţeny v homologacích (např. EHK R83 atp.), dále jsou některé dynamometry konstruovány pro zkoušení elektromagnetické kompatibility EMC či zkoušení bezpečnosti vozidel. Technická řešení válcových dynamometrů je rozmanitá a vychází z konkrétního účelu zařízení. Dnešní pracoviště tak lze rozdělit na: 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. 9) 7. válcové dynamometry pro měření vibrací a elektromagnetické kompatibility 22
8. zkušebny v klima-komoře a větrném tunelu 9. speciální zkušebny
3.3.1 Emisní válcové dynamometry
Emisní válcové dynamometry jsou charakteristické nutností vytvořit stejné účinky setrvačnosti jako má zkoušené vozidlo, resp. ekvivalentní setrvačná hmotnost by měla být téměř shodná s okamţitou hmotností zkoušeného vozidla. Realizace účinků setrvačnosti je moţná dvěma základními způsoby. Buď se jedná o systém mechanický, kdy jsou ze sekce zařazovány hmotné kotouče (Obr. 8). Modernější, ovšem technicky i ekonomicky náročnější, systém je elektrická simulace.[2]
Obr. 8 Konstrukční řešení válcového dynamometru pro emisní měření
23
Obr. 9 Válcový dynamometr v bezdozvukové místnosti (Ford)
Vzhledem k charakteru provozu vozidel v extrémních podmínkách okolí, jsou podrobovány provozní vlastnosti v klimatických komorách (Obr. 10), které mohou sníţit teplotu aţ na mínus 40°C, případě teplotu zvýšit či měnit vlhkost, přičemţ je dále zkoušena trakce a dílčí testy, např. startovatelnost, opakování startů atp. Pro analýzu aerodynamiky vozidla se konstruují vzdušné tunely s rychlostí vzdušniny na vyústce i 250 km/h.
Obr. 10 Válcový dynamometr v klimatické komoře
24
Pro specifické účely vývoje jsou konstruovány atypické zkušebny tak, jak je patrné na Obr. 11, kde je místo válců pouţit ocelový pás, který je dynamometrem brzděn. Velmi často se jedná o zkušebny, které mají další vyuţití jako například větrný tunel.
Obr. 11 Vozidlový dynamometr s ocelovým pásem 3.3.2 Koncepce válcových dynamometrů
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 válcové dynamometry, které se vyznačují velmi vysokou přesností zařízení, kde například nejistota měření činí pouhých 2,5 N. Takto lze dělit válcové dynamometry na:
25
3.3.2.1 Pasivní
Pasivní, kdy je brzdný moment vytvářen odporem setrvačníků, nejčastěji tvořených hmotnými válci, ovšem podobu mohou mít rozličnou, kupříkladu přenos síly z válců na vertikálně uloţený setrvačník.
3.3.2.2 Aktivní
Aktivní, které brzdný moment vytváří brzdou (hydraulicky, ss a stř. pohony nebo vířivým dynamometrem), lze je dále rozdělit na počty kvadrantů, tedy zda-li pouze vozidlo brzdí nebo mohou i pohánět. Pokud lze vozidlo protáčet pohony, pak je vytvořen systém, který dokáţe hodnověrně simulovat stavy, které v běţném provozu nastávají – průjezd zatáčkou (diference otáček a sil na obou kolech téţe nápravy), průběh brzdění atp. Mimo to lze určit s relativně vysokou přesností také pasivní ztrátu v celé trakci, byť nelze dále diferencovat, zda-li se jedná o ztrátu odporem valení v pneumatice, nebo je ztráta způsobena třením v ozubení kol převodovky. Dále existují specifické laboratoře, kde válcový dynamometr slouţí jako zařízení, které simuluje jízdní stav a dochází k odměřování jiné veličiny. Lze jmenovat například větrné tunely nebo laboratoře hluku vozidel.
3.3.3 Konstrukční řešení dynamometrů
3.3.3.1 Duoválcový
Přenos síly z kola je tvořen párovými válci (viz Obr. 12). Tento typ je častější pro dynamometry, které mají charakter spíše jednoduchého zkušebního zařízení. Válce mohou být z důvodu přenesitelné síly spojeny řetězem či lépe řemenem, nebo se lze setkat i s jedním brzděným válcem a druhým opěrným, ovšem za cenu sníţení maximální přenesitelné síly, neboť se síla na válci rozkládá a při překročení limitní hodnoty dochází k nárůstu prokluzu.[2] 26
Obr. 12 Vozidlový dynamometr s párovými válci
3.3.3.2 Monoválcový
Válce, které respektují více skutečný stav pneumatiky na vozovce (Obr. 13), neboť velké monoválce mají povrch tvořen pouze mírným zakřivením (na rozdíl od dvojí deformace u párových válců, které s sebou nesou značný vliv dynamiky celé pneumatiky, coţ je například u diagonální pneumatiky extrémní případ, pokud jsou vytvořeny podmínky pro stojaté vlny šířící se celým pláštěm). Monoválcový dynamometr je veskrze vhodnějším řešením, ale má také svá konstrukční úskalí, neboť není moţné vytvořit zkušebnu která by měla menší rozvor neţ je průměr válce a dále je válec hmotnější a v případě, ţe se jedná o aktivní dynamometr s pohonem, pak se hůře simulují setrvačné účinky.[2]
27
Obr. 13 Monoválcový dynamometr
3.3.3.3 Bezválcové konstrukce
Vozidlový dynamometr bezválcové konstrukce je charakteristický odstraněním problematického uzlu (kolo-válce), kde je nutné monitorovat skluz. Tato koncepce vychází z demontáţe kola a montáţe vlastní brzdy na náboj kola.
28
Obr. 14 Vozidlový dynamometr bezválcové konstrukce
Válcové zkušebny vhodné jako alternativa k přesnému zjištění výkonových parametrů by měly být charakterizovány těmito znaky: 1. velkým průměrem válců – vzhledem k potlačení negativních jevů deformace pneumatiky a přiblíţení stavu jízdy po vozovce, průměr válce by měl být výrazně větší neţ průměr hnacího kola 2. nezávislé válce pro kaţdé kolo – válce bez pevných mechanických vazeb, nezávisle i mezi nápravami pro zkoušení pohonů 4x4 s přesným nastavením rozvoru 3. dynamometrický pohon pro kaţdý válec – pro další typy testů, např. brzd, rozdělení hnací síly prostřednictvím aktivních diferenciálů atp. 4. skluzové rolny - kaţdé 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.)
29
Pro vyčíslení pasivního odporu (viz obr. 15) platí formulace:
Fxr
Fx (1
r 0,5 ) R
[N]
Fxr – odpor valení pneumatiky na válci [N] Fx – odpor valení na vozovce [N] r – poloměr kola [m] R – poloměr válce [m]
Obr. 15 Valení pneumatiky po válci
3.3.4 Válcové zkušebny nové generace se vyznačují
Velkým průměrem válců - minimální průměr válců je více neţ 0,5 m u dvojic a 1 m u monoválců. Kaţdému kolu vozidla odpovídá samostatný válec - válce odpovídající jedné nápravě nejsou spojeny napevno. Je mezi nimi ovládaná spojka.
30
Kaţdému kolu vozidla odpovídá jeden dynamometrický pohon - kaţdému kolu odpovídá nezávislý čtyřkvadrantový dynamometr s digitálním řízením (otáček i momentu) PID regulací. Zkušebna zahrnuje skluzové rolny - kaţdé kolo je vybavené nezávislou rolnou měřící skutečné otáčky kola vozidla a takto vyhodnocovat skluz při brzdění a akceleraci. Pouţitím moderních konstrukčních prvků - např. ozubených řemenů. Digitální řízení celé zkušebny - celé zkušebny jsou řízeny počítači PC a dalšími procesorovými systémy. Distribuovaný řídící a měřící systém - tj. řízení, měření a zpracování výsledků je rozloţeno na více procesorů (počítačů). Pouţití nových informačních technologií - uplatnění objektových technologií ActiveX a zejména DCOM a OPC. Spolupráce s databázemi klient/server (SQL).
Seznam testů, které moderní válcové zkušebny standardně obsahují:
3.3.4.1 Zkoušky hnacího ústrojí (spalovacích motorů)
v=konstantní - standardní způsob měření rychlostních charakteristik motorů vozidel F=konstantní - standardní způsob měření zatěţovacích charakteristik motorů vozidel Vnější rychlostní - standardní způsob měření vnější rychlostních charakteristik motorů vozidel v regulaci v=konstantní Simulace vozovky - simulace jízdy Jízdní zkoušky - vychází z předchozí, ale je doplněna funkcemi pro jízdu podle předem předepsané charakteristiky v čase jako např. u exhalačních testů EHK. Akcelerační zkouška - zkouška pro měření vnější rychlostní charakteristiky dynamickou metodou.
31
3.3.4.2 Zkoušky brzdové soustavy
Pomaluběžné zkoušky - zkoušení brzdové soustavy dle metodiky platné pro STK, doplněná o moţnost měření brzdění obou náprav současně. Rychloběžné zkoušky - obdoba předešlé zkoušky s tím rozdílem, ţe zkušební rychlost můţe být výrazně vyšší neţ u pomaluběţných. Dynamické zkoušky - zkouška spočívá v brzdění vozidla z počáteční rychlosti aţ do zastavení. ABS II - obdoba předešlé zkoušky, ale s vyhodnocením reálného chování ABS. 3.3.4.3 Kalibrační testy
Určení pasivních ztrát pro zkoušky brzd - slouţí k určení pasivních ztrát nezávisle pro kaţdé kolo. Určení pasivních ztrát pro zkoušky výkonu - slouţí k určení pasivních ztrát pouze hnaných náprav. 3.3.4.4 Doplňkové zkoušky Zkouška rychloměru a tachometru - ověřuje přesnost měření rychloměru a tachometru vozidla. Zkouška otáčkoměru - slouţí k ověření přesnosti měření vozidlového otáčkoměru a zjištění dynamického poloměru pneumatik při akceleraci. Zkouška náhonu 4x4 - při akceleraci a deceleraci ověřuje chování viskózních spojek a diferenciálů. Díky řešení válcové zkušebny je moţno dále simulovat průjezdy zatáčkou, a tak sledovat rozdělení sil difereciálu(ů).
32
3.4 Vozidlová zkušebna na MZLU
3.4.1 Monoválcová zkušebna
Vozidlová zkušebna sestává z dynamometru pro osobní automobily 4VDME120D a traktorového dynamometru VDU-E270T–E150T.
Obr. 16 Vozidlová zkušebna MZLU
Dále se dělí na tyto části: Pevná část - přední monoválce pro osobní vozidla. Posuvná část - zadní monoválce pro osobní vozidla a přední válce pro traktory a nákladní vozidla. Pevná část s válci pro zadní nápravu traktoru a nákladního vozidla. Pojezdové profily a pohon pojezdu. Posuvné a pevné podlahy a kryty. Upevňovací zařízení pro osobní vozidla, traktory a bezpečnostní zábrany. 33
Pevná a posuvná část pro osobní vozidla se dělí na: rám válce se spojkou válce s hnacími řemeny a brzdou dynamometry s ventilací snímací rolny ustavovací zařízení
Obr. 17 Schéma kompletní zkušebny 4VDM E120D a VDU E270T – E150T
3.4.1.1 Konstrukční řešení vozidlového dynamometru 4VDM E120-D
Konstrukční řešení vychází z tuhých základních rámů, na kterých jsou umístěny loţiska válců o průměru 1,2 m, stojin a základních rámů se stejnosměrnými elektrickými dynamometry. Tyto rámy se stojinami tvoří základní bloky jednotlivých os. Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy posuvně v rozmezí poţadovaného rozvoru, společně s přední osou vozidlového dynamometru VDU E120 T. Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná frikční spojka.
34
Rozpojení pravého a levého válce umoţňuje dynamické měření brzdných sil z vysokých rychlostí. Propojení válcových jednotek s el. dynamometry typu SDS 225 5604 je provedeno pomocí ozubených řemenů. Kaţdý válec je vybaven pneumaticky ovládanými brzdami pro umoţnění najetí vozidla a bezpečnostní zabrţdění. Dále je kaţdá válcová jednotka vybavena pneumaticky ovládaným nájezdovým a středicím zařízením a měřicími rolnami s odsouvatelným krytem. Obě osy jsou umístěny na konstrukci z ocelových profilů upevněné na základním rámu, který je zalit betonem na dně montáţní jámy. Na základním rámu jsou rovněţ uchyceny podpěry pevného a posuvného krytí vozidlového dynamometru. V podlaze okolo montáţní jámy jsou zality kotvící dráţky pro upevnění úvazků vozidla. Celá plocha okolo vozidlového dynamometru je v rovině podlahy překryta ocelovými krycími plechy. Přívod chladicího vzduchu do montáţní 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.
Obr. 18 Schéma kompletní zkušebny
35
Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D
Tab. 3 Základní mechanické vlastnosti dynamometru MEZ 4VDM E120-D Max. zkušební rychlost [km.h-1] Max. výkon na nápravu [kW] Max. hmotnost na nápravu [kg] Průměr válců [m] Šířka válců [mm] Mezera mezi válci [mm] Povrch válců Hmotnost válců (kaţdá náprava) [kg] Min. rozvor [mm] Max. rozvor [mm] Zatíţitelnost krytí v místě jízdy [kg] v místě chůze [kg] Tlakový vzduch [bar] Rozsah měření rychlosti [km.h-1] Rozsah měření sil [kN] Přesnost měření rychlosti [km.h-1] Přesnost měření sil [%] Přesnost regulace rychlosti [%] Přesnost regulace síly [%]
200 240 2000 1,2 600 900 zdrsnění RAA 1,6 1130 2000 3500 2000 500 min. 4 0 - 200 4x 0 - 5 ± 0,05 ± 1,5 ± 1,5 ± 2,5
Velmi důleţitou součástí zkušebny je také vzduchotechnika a spalinové hospodářství. Podtlak v místnosti lze regulovat od 5 do 300 Pa, přičemţ vyměněné mnoţství vzduchu činí aţ 25 000 m3/h. U výfukových plynů lze regulovat mnoţství ručně či v závislosti na odebíraném výkonu motoru a to aţ do 24 000 m3/h.
3.4.2 Duoválcová zkušebna
Do výčtu stanovišť Ústavu techniky a automobilové dopravy na MZLU v Brně pro měření výkonových parametrů vozidel – válcových dynamometrů patří zkušebna, 36
která je určena pro měření všech kategorií vozidel od osobních automobilů, přes nákladní vozy aţ po autobusy, a to do výkonu 450 kW na kolech a rychlosti 160km/h. Jedná se o zkušebnu výkonu v provedení tandemových duoválců s obvodem 1000 mm. Brzdný moment vytváří vířivé dynamometry chlazené vzduchem. Válcová zkušebna byla ve svém původním provedení vyrobena společností Saxon, avšak vzhledem k závadám v konstrukci i regulaci zkušebny bylo přistoupeno k celkové rekonstrukci stanoviště. Z konstrukce mechanické části zkušebny muselo dojít k náhradě nevyhovujících spojek válců a retardérů, aby byla zajištěna schopnost přenosu momentu síly na retardéry. Vzhledem k dynamické nevyváţenosti soustavy musela být sníţena zkušební rychlost na 160 km/h z původně udávaných 200 km/h. Velmi pozitivně dnes hodnotíme integraci elektromotoru o příkonu 5 kW mezi zkušební válce a retardéry. Elektromotor roztáčí válce zkušebny za účelem stanovení pasivních ztrát vlastní zkušebny. Výrazně se tak zpřesní měření, neboť lze separovat pasivní ztráty v transmisích vozidla od celkových odporů soustavy zkušebny a vozidla. Jistě výhodnější by bylo do systému včlenit elektromotor s vyšším příkonem, aby bylo moţné aktivně stanovit pasivní odpory vozidla, bohuţel však toto konstrukce a nízká hloubka zástavby neumoţňuje. Zmíněných 5 kW je dostatečných na zkušební rychlost 80 km/h a dále je křivka pasivních ztrát extrapolována, přičemţ byla ověřena roztočením externím pohonem na rychlost 160 km/h. Značných změn doznala regulace dynamometrů. Původní regulace byla nepouţitelná z důvodu nesmyslných výstupů pasivních ztrát vozu a nevhodností typu zpětnovazební regulace buzení retardérů. Základními parametry výpočtu výkonu na válcích jsou silové poměry a rychlost. Obě veličiny musely být zpřesněny, a to výměnou snímače otáček, který se při svých původních 60ti bodech za otáčku podílel na nevěrohodnosti derivace otáček za účelem stanovení pasivních ztrát (nahrazeno snímačem s 2500 body/otáčka) a dále bylo upuštěno od předchozí elektronické kalibrace síly na tenzometru definovaným signálem. Tato kalibrace je vhodná pouze pro orientační měření. Proto bylo vyrobeno standardní kalibrační rameno o činné délce 1020 mm.
37
Obr. 19 Duoválcová zkušebna na MZLU
Do racku s regulací byla instalována silová část zkušebny včetně regulace i měření (viz schéma na Obr. 20). Regulátory PID jsou integrovány v modulu řízeného usměrňovače Simoreg. Digitální vstupy Simoregu jsou ovládány prostřednictvím modulu Adam. Mimo regulace buzení retardérů je Simoreg vyuţit pro ovládání nájezdových prahů, umístěných mezi válci a taktéţ snímání polohy prahů, dále je přiveden signál z inkrementálního snímače otáček a hodnota síly je zprostředkována připojením tenzometrického zesilovače RM 4220. Frekvenční měnič Micromaster slouţí k napájení elektromotoru za účelem stanovení pasivních ztrát zkušebny. Výkonová část je taktéţ ovládána Simoregem. Modul Simoregu je ovládán z nadřízeného PC prostřednictvím USS protokolu po sériové lince RS-485 a dále kartou Advatech.
38
Obr. 20 Koncepce válcové zkušebny
3.5 Vývojové prostředí LabVIEW
Programy v LabVIEW se nazývají virtuální přístroje nebo VI, protoţe svým vzhledem a činností jsou obdobou skutečných přístrojů, jako jsou např. osciloskopy a multimetry. Termín VI je tedy obdobou termínu program nebo funkce v jiných programovacích jazycích. K vytváření takových programů obsahuje LabVIEW širokou sadu nástrojů pro čtení, analýzu, zobrazení a ukládání dat a také nástroje pro hledání a 39
odstraňování chyb v programu. V LabVIEW vytváříme uţivatelské rozhraní programu pomocí ovládacích prvků a indikátorů – k tomu slouţí tzv. čelní panel (Front Panel). Ovládací prvky (Controls) jsou otočné knoflíky, tlačítka, stupnice a další vstupní zařízení. Indikátory (Indicators) se rozumí grafy, LED diody a jiné zobrazovače. Po vytvoření čelního panelu přidáme programový kód, který čelní panel řídí. Programový kód se zapisuje (resp. kreslí) do okna blokového diagramu. LabVIEW vyuţijete i při komunikaci se zařízeními pro sběr dat, zpracování obrazu, vizuální kontrolu, řízení pohybu, PXI, VXI, přes sběrnice GPIB, RS-232 a RS-485.[3]
3.5.1 Dialogové okno New a šablony VI
Dialogové okno New obsahuje mnoho šablon VI pro LabVIEW, včetně šablon. Tyto šablony pomáhají při vytváření vlastních VI pro běţná měření a další úlohy. Šablona VI obsahuje expresní VI, funkce a objekty na čelním panelu, které se vám mohou hodit v začátcích při vytváření vlastních jednoduchých měřicích aplikací.
Obr. 21 Dialogové okno New
40
3.5.2 Expresní VI
Expresní VI, která lze vyuţít pro běţné úlohy měření, se nacházejí na paletě Functions. (Obr. 9) Po umístění expresního VI do blokového diagramu se automaticky zobrazí konfigurační dialog. V tomto dialogu se nastavuje chování expresní funkce.
Obr. 22 Functions
3.5.3 Čelní panel
Čelní panel je uţivatelské rozhraní VI. Na něj umisťujeme ovládací prvky a indikátory, které slouţí pro vstup a výstup hodnot. Ovládací prvky a indikátory jsou umístěny na paletě Controls.
41
Obr. 23 Čelní panel
3.5.4 Controls
Ovládací prvky jsou knoflíky, tlačítka, posuvné stupnice a další vstupní elementy pro zadání dat. Ovládací prvky jsou obdobou nastavovacích prvků na skutečném měřicím přístroji a posílají data do blokového diagramu VI. Indikátory jsou grafy, LED diody a další zobrazovací zařízení. Indikátory jsou obdobou výstupů na skutečném měřicím přístroji a zobrazují data, která jsou měřena nebo generována v blokovém diagramu.
Obr. 24 Controls
42
3.6 Koncept uţivatelského prostředí
3.6.1 Koncepce pro dynamometry 4VDM E120D a VDU E270T – E150T
3.6.1.1 Zadávání
Pro zadávání zkoušek se jednotlivé funkce volí prostřednictvím funkčních kláves
aţ . (Obr. 25).
Obr. 25 Základní nabídka
Obr. 26 Doprovazející lišta Volbou klávesy se systém přepíná do reţimu měření. Podstatné je však, ţe dojde k inicializaci komunikace s příslušným řídícím PC a navázání komunikace s diagnostickými přístroji a přepne se lišta na lištu doprovázející (Obr.26). Je také aktivována činnost Screen1 aţ Screen4. Základní grafická obrazovka, v níţ je moţno zobrazit aţ 10 hodnot současně (Obr. 27). [3]
43
Obr. 27 Screen 1
3.6.1.2 Vlastní měření Stiskem < F2 - Zkoušky> je moţno editovat vlastní zkoušky a vyskočí okno pro výběr. Buď se provádí zkoušky hnacího ústrojí a výkonu (Obr. 28). Nebo zkoušky brzdové soustavy (Obr. 29).
44
Obr. 28 Zkoušky hnacího ústrojí a výkonu
Obr. 29 Zkoušky brzdové
45
3.6.1.3 Vizualizace a tisk protokolů
Jedná se o reţim podzpracování. Z hlediska měření a komunikace se jedná o neaktivní reţim práce systému PC serveru. Volbou klávesy z výchozího stavu se systém přepíná do reţimu Archiv. V tomto reţimu je moţno pracovat s daty v archivu, tisknout protokoly, tabulky, grafy či pouze prohlíţet. [3]
Obr. 30 Základní nabídka
Obr. 31 Podnabídka
Volbou klávesy vyskočí lišta základní nabídka datových souborů uloţených v binární podobě, která poskytuje větší komfort neţ systém Windows.
46
3.6.2 Koncept pro Saxon
3.6.2.1 Zadávání a nastavení Saxon
Zobrazí se okno pro zadávání a nastavení zkoušek (Obr. 32). V okně po levé straně se nachází tlačítka podobné jako u předchozího případu. Simoreg - dojde k zapnutí komunikace PC – Simoreg přes RS 232, budou se zobrazovat data ze snímačů (tenzometru) a na dále otáčky válců. Pak se čeká na konfiguraci zkoušky, následuje měření. Komunikace je zaloţena na interním proprietárním protokolu fy Siemens – USS. Jednotlivé funkce jsou zapsány v programu pod globální proměnnou tak, aby byly dostupné jakékoliv části programu, pokud se na ně dotáţe. Pohon - aktivuje komunikaci s Micromasterem (frekvenčním měničem), který roztáčí válce na otáčky pomocí 5 kW elektromotoru. Příkon elektromotoru byl volen s ohledem na zástavbu elektromotoru do stávající montáţní jámy. V software je nastaven limit maximální rychlosti na 80 km /h. Toto omezení z důvodu tepelného namáhání motoru. Funkce pohonu leţí v určení vlastních ztrát zkušebny dynamickou zkouškou doběhem. Zdviţ – zvedá a spouští systém pro najetí vozu na zkušební válce. Systém je pneumatický. Ventilátor – sepne se stykač pro zapnutí ventilátoru náporového chlazení (400V). Ventilátor je třeba pouţívat při zkoušení osobních automobilů, pokud se zkouší vyšší kategorie vozidel, tak z hlediska jejich provozního zatíţení není problematická teplota chladicí kapaliny, neboť NA a autobusy jsou schopny trvalého odběru maximálního výkonu bez nutnosti náporu vzdušniny na vlastní chladič. Stop – ukončí zkoušku předčasně, je to bezpečnostní opatření. Začíná se pouštět aţ 25 A pro maximální brzdný moment. Konec – ukončuje program ale za podmínky pokud válce stojí.
47
Obr. 32 Zadávání a nastavení zkoušek
Setup: zde se určí komunikační porty. Dalším přepnutím lišty se postupně nastavují údaje o motoru viz. Obr. 33.
Obr. 33 Údaje o motoru 48
Nastavujeme typ motoru, druh motoru, počet válců, kompresní poměr, zdvihový objem, zdvih, vrtání, chlazení, druh rozvodu, palivo, plnění motoru, chlazení plnícího vzduchu, teplotu paliva, hustotu paliva, katalyzátor pokud má, druh motorového oleje, dále volnoběţné otáčky, maximální otáčky, točivý moment a výkon podle výrobce.
Dále údaje o vozidle (Obr. 34)
Obr. 34 Vozidlo
Zde se zapisují údaje o vozidle jako je značka, kategorie, SPZ, stav tachometru, typ brzdového systému a další údaje.
49
Následně se klikne na lištu nastavení: zde se mění konfigurace *.Ini - zkušebny s vozidlem, dále se nastavuje, kam se bude zkouška ukládat (Obr. 35) poté se nastaví: test otáček motoru – určení celkového převodového poměru (Obr. 36), pasivních ztrát – zde se nastavuje rychlost od min. do max. rychlosti v km/h a přeběh rychlosti (z důvodu úkonů obsluhy, vyřazení atp.) (Obr. 37), tachotest – zde se určí skutečná rychlost tachometru, resp. odchylky (Obr. 38), v- konstant – nastavuje se doba ustálených otáček kde se neměří, dále doba trvání a počet řádku pro vykreslení v grafu(Obr. 39), Fkonstant – tady se nastavuje přetíţení vozidla, minimální a maximální rychlost a přeběh pro tento typ testu (obr. 40).
Obr. 35 Okno Nastavení
50
Obr. 36 Nastavení testu otáček
Obr. 37 Nastaveni pasivních ztrát
51
Obr. 38 Nastavení tachotestu
Obr. 39 Nastavení V- konstant
52
Obr. 40 Nastavení F- konstant
3.6.2.2 Spuštění a měření zkoušek Saxon
Před vlastním měřením se musí ještě nastavit podmínky měření a atmosférické podmínky viz. Obr. 41. Poté se můţeme přejít k vlastnímu měření. Můţeme vybrat z několika druhů zkoušek jako je na přiklad RoadLoad, coţ je simulace zatíţení motoru vozidla při jízdě po vozovce (Obr. 42).
53
Obr. 41 Podmínky
Obr. 42 RoadLoad
54
Další zkoušku, kterou můţeme udělat je zkouška tachometru viz Obr. 37. Zkoušku zpustíme stiskem klávesy (Ctrl+F7).
Obr. 43 Tachometr
Následně můţeme provést zkoušku V- konst, F- konst, P- konst,
3.6.2.3 Vizualizace a tisk protokolu Saxon
Jedná se o reţim podzpracování. Při kliknutí na Data vyskočí okno uloţená data (Obr.44). Dále stačí pouze vybrat dané měření a zmáčknout tlačítko Výběr, jak pro náhled (Obr. 45) nebo následné tisknutí.
55
Obr. 44 Lišta uložených dat
Obr. 45 Náhled
Pro následný tisk je zapotřebí funkční tiskárnu a kliknout na tlačítko Print. 56
4
DISKUZE Zde bych chtěl vysvětlit rozdíl softwaru u zkušebny Saxon a BrVDM. Největší a
zásadní rozdíl uţivatelského rozhraní programu ovládání zkušeben je v otvírání oken a záloţek. U BrVDM se software ovládá pomocí událostmi otevíraných oken s pomocí funkčních kláves F1- F12, kde při otevření okna se systém zatěţuje pro aktivaci a vizualizaci nového okna naopak u zkušebny Saxon není potřeba otevírání nových oken protoţe, jsou všechny záloţky (Taby) jiţ aktivní a pouze se přepínají. U BrVDM je patrná snaha autora šetřit operační paměť, ale dnes jiţ toto hledisko není prioritou. Zpracování obsluhy a vizualizace zkušebny Saxon je pomocí dvou monitorů jeden je u řízení (obsluhy u PC) a druhý je u obsluhy vozidla. Chtěl bych podotknout, ţe jak u obsluhy u automobilu tak u PC jsou vidět stejná okna a mohou mást obsluhu automobilu. Je zde vidět příliš mnoho údajů, v budoucnu se tato situace změní a obsluze vozidla budou zobrazovány pouze základní údaje a stavová hlášení. V průběhu testování bylo zjištěno několik specifických problémů v regulaci zkušebny. Jak jiţ bylo zmíněno v popisu zkušebny. Dříve pouţitý signál z otáčkoměru válců (60 bodů!!!) byl zcela nepouţitelný, neboť derivace signálu, který vykazuje značnou amplitudu, je zcela nevěrohodná a následné matematické zpracování vyhlazovacími metodami celou veličinu deformuje. Náhrada za snímač s 2500 body na otáčku tuto situaci změnila, a to zejména s ohledem na měření v nízkých rychlostech otáčení. Další úskalí přinesl způsob kalibrace. Výrobce preferoval způsob kalibrace tzv. elektronicky, kdy náhradní signál ověřoval měřicí řetězec, ovšem bez nejdůleţitějšího článku, vlastního tenzometru. Tento způsob je pro laboratorní podmínky zcela nevhodný. Při rekonstrukci některých konstrukčních uzlů dynamometru byly zároveň vytvořeny místa pro uchycení kalibračního ramena tak, aby se skutečně ověřil celý řetězec. V průběhu kalibrace byly zjištěny hodnoty, které jsou patrné z tab. (4 a 5) a dále z grafu na obr. 46. V první řadě byla zjištěna přesnost systému, která byla nastavena do původního regulačního systému (Tab.4). Hodnoty byly na tenzometrickém převodníky vynulovány a stanovena skutečná přesnost systému (Tab. 5). Následně byla data statisticky zpracována a vloţena do samostatné rutiny programu, která musí korigovat data, která jsou ze zkušebny obdrţena. Průběh polynomu 3. řádu a dále stanovená přesnost je patrná z Obr. 46.
57
Tab. 4 Kalibrace dynamometru Závaží Tíha [kg] závaží [N]
Moment vztažený k ose retardéru [Nm]
Vypočtená Síla síla na P povrchu válce [N]
Síla L Diference Stř. L-P [N] hodnota síly L+P [N]
50 490,5 470,3895 2955,6362 2881 3003 100 981 940,779 5911,2724 5765 5863 150 1471,5 1411,1685 8866,9086 8644 8757 200 1962 1881,558 11822,545 11580 11664 250 2452,5 2351,9475 14778,181 14511 14627 300 2943 2822,337 17733,817 17463 17577
122,5 98 113,2 84,2 115,3 114,1
2942,15 5813,8 8700,8 11622,3 14568,85 17519,95
Diference Přesnost [N] [%]
13,48619 97,47238 166,1086 200,2448 209,331 213,8672
0,45629 1,64892 1,87335 1,69375 1,41649 1,20598
Tab. 5 Kalibrace dynamometru Závaží Tíha [kg] závaží [N]
Moment vztažený k ose retardéru [Nm]
Vypočtená Síla P Síla L Diference Stř. síla na L-P [N] hodnota povrchu síly L+P válce [N] [N]
0 50 490,5 470,3895 2955,6362 2768 2837 100 981 940,779 5911,2724 5675 5681 150 1471,5 1411,1685 8866,9086 8591 8543 200 1962 1881,558 11822,545 11525 11437 250 2452,5 2351,9475 14778,181 14467 14357 300 2943 2822,337 17733,817 17428 17305
58
Diference Přesnost [N] [%]
0 69,01 2802,655 152,9812 5,94 5677,92 233,3524 -47,77 8566,795 300,1136 -88,13 11481,045 341,4998 -109,88 14411,7 366,481 -122,64 17366,21 367,6072
5,17591 3,94758 3,38465 2,88855 2,47988 2,07292
Diference měření sil [N]
9,00
Diference měření sil měřená:vypočtená na válci [N] Přesnost měření síly [%] Přesnost měření sil_kalibrace [%] Polynomický (Diference měření sil měřená:vypočtená na válci [N])
475 450 425
8,50 8,00 7,50
400
7,00
375
6,50
350
6,00
325
5,50
300
5,00
275
4,50
250
4,00
225
3,50
200
3,00
175
2,50
150
Přesnost měření sil_čistá [%]
Kalibrace SAXON 500
2,00
125
3
1,50
2
y = 5,392E-11x - 2,944E-06x + 5,614E-02x R2 = 9,979E-01
100
1,00
75
0,50
50
0,00
25
-0,50
0 0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
-1,00 20000
Síla na válcích [kg]
Obr. 46 Kalibrace Saxon Dále se náhodně objevovala porucha komunikace, ta byla odhalena teprve z pečlivé analýzy obsahu bufferu sériové sběrnice. Byla způsobována rušením na vodiči s poměrně značnou délkou. Eliminace spočívala na zkrácení délky a odladění RC článkem.
59
5
ZÁVĚR
V mé diplomové práci jsem měl za úkol vytvořit koncept uţivatelského prostředí pro zadávání zkoušek, vizualizaci dat a tisk protokolu. Tento koncept je vytvořen pro válcový dynamometr Saxon na MZLU a ve vývojovém prostředí LabVIEW od firmy National Instruments. Vycházel jsem z konceptu jiţ vytvořeného na MZLU a to z válcových dynamometrů 4VDM E120D a VDU E270T – E150T (laboratorní dynamometr). Tento software je vytvořen pro vozidlovou a traktorovou zkušebnu, která je jedna z nejmodernějších zkušeben v České republice. Zkušebnu Saxon lze vyuţít v rozsahu pro diagnostiku (srovnávání, výkonu). Omezení zkušebny je zkoušení pouze velmi malé rychlosti vzhledem k plánované (250km/h). Na zkušebně lze měřit do 160 km/h. Toto způsobuje nedokonalé konstrukční řešení zkušebny. Naopak softwarově je bez větších problémů a dají se provádět jiţ zmíněné zkoušky v předchozí kapitole. Navíc lze do systému integrovat jednoduše další měření a to např: CAN + OBD2 toto jiţ bylo testováno na vozidle Scania R 490. Ale i přes dobré programové vybavení se zkušebna příliš nepouţívá. Mimo jiné na bázi tohoto regulačního systému, míněno vlastní jádro programu (autor Ing. Michal Široký), byly na MZLU vytvořen typový vozidlový dynamometr pro společnost AVL, který byl uzpůsobován pro homologační testy ASM v Číně.
60
6
[1]
SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY
Bosch, R.: Automotive Handbook 7th Edition, USA, 2007, 1192 str., ISBN 978-
0-7680-1953-7 [2]
Martyr, M.A., Plint, A.,M.: Engine testing, A Butterworth-Heinemann Title,
USA, 2007, 442 str., ISBN 978-0750684392 [3]
Široký, M: Měřicí, konfigurační a vyhodnocovací systém BrTop, manuál
obsluhy, Brno, 1999 [4]
VLK,F. : Zkoušení a diagnostika motorových vozidel, Nakladatelství a
vydavatelství vlk, Brno, 2001, ISBN 80-238-6573-0
INTERNET www.zkusebna.wz.cz www.in.com www.odbornecasopisy.cz www.mezservis.cz
61
7
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Rozdělení dynamometrů ........................................................................... 11 Obr. 2 Hydraulické dynamometry – pro automobilové motory (nahoře) a lodní
jednotky (dole) ................................................................................................................ 12 Obr. 3 Hydraulický dynamometr s konstantním plněním (Froude, 1 –rotor, 2 – výstupní ventil vody, 3 – vstupní ventil vody, 4 – regulační talíř, 5 – vstupní otvory vody, 6 – kryt, 7 – kyvné uložení, 8 – uložení hřídele, 9 – indikace ......................................... 13 Obr. 4 Hydraulický dynamometr s variabilním plněním ..................................... 14 Obr. 5 Vířivý dynamometr s vodním chlazením (AVL Alpha: 500 kW, 2000 Nm, 8000 ot/min, moment setrvačnosti 3,69 kg.m3) ............................................................... 17 Obr. 6 Vířivý dynamometr vzduchem chlazený (300 kW) .................................... 18 Obr. 7 De Pronyho konstrukce třecí brzdy .......................................................... 19 Obr. 8 Konstrukční řešení válcového dynamometru pro emisní měření ............. 23 Obr. 9 Válcový dynamometr v bezdozvukové místnosti (Ford) ........................... 24 Obr. 10 Válcový dynamometr v klimatické komoře ............................................. 24 Obr. 11 Vozidlový dynamometr s ocelovým pásem ............................................. 25 Obr. 12 Vozidlový dynamometr s párovými válci ................................................ 27 Obr. 13 Monoválcový dynamometr ..................................................................... 28 Obr. 14 Vozidlový dynamometr bezválcové konstrukce ...................................... 29 Obr. 15 Valení pneumatiky po válci .................................................................... 30 Obr. 16 Vozidlová zkušebna MZLU..................................................................... 33 Obr. 17 Schéma kompletní zkušebny 4VDM E120D a VDU E270T – E150T ..... 34 Obr. 18 Schéma kompletní zkušebny ................................................................... 35 Obr. 19 Duoválcová zkušebna na MZLU ............................................................ 38 62
Obr. 20 Koncepce válcové zkušebny ................................................................... 39 Obr. 21 Dialogové okno New .............................................................................. 40 Obr. 22 Functions ................................................................................................ 41 Obr. 23 Čelní panel ............................................................................................. 42 Obr. 24 Controls .................................................................................................. 42 Obr. 25 Základní nabídka .................................................................................... 43 Obr. 26 Doprovazející lišta ................................................................................. 43 Obr. 27 Screen 1 .................................................................................................. 44 Obr. 28 Zkoušky hnacího ústrojí a výkonu .......................................................... 45 Obr. 29 Zkoušky brzdové ..................................................................................... 45 Obr. 30 Základní nabídka .................................................................................... 46 Obr. 31 Podnabídka............................................................................................. 46 Obr. 32 Zadávání a nastavení zkoušek ................................................................ 48 Obr. 33 Údaje o motoru....................................................................................... 48 Obr. 34 Vozidlo .................................................................................................... 49 Obr. 35 Okno Nastavení ...................................................................................... 50 Obr. 36 Nastavení testu otáček ............................................................................ 51 Obr. 37 Nastaveni pasivních ztrát ....................................................................... 51 Obr. 38 Nastavení tachotestu .............................................................................. 52 Obr. 39 Nastavení V- konstant............................................................................. 52 Obr. 40 Nastavení F- konstant............................................................................. 53 Obr. 41 Podmínky ................................................................................................ 54 Obr. 42 RoadLoad ............................................................................................... 54 63
Obr. 43 Tachometr............................................................................................... 55 Obr. 44 Lišta uložených dat ................................................................................. 56 Obr. 45 Náhled .................................................................................................... 56 Obr. 46 Kalibrace Saxon ..................................................................................... 59
64
