Введение

Динамометр – это устройство для одновременного измерения крутящего момента и частоты вращения двигателя, мотора или другого вращающегося привода, чтобы можно было рассчитать его мгновенную мощность, которая обычно отображается самим динамометром в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л.с.). Помимо определения характеристик крутящего момента или мощности испытываемой машины, динамометры применяются в различных других областях. В стандартных циклах испытаний на выбросы, таких как те, что определены Агентством по охране окружающей среды США, динамометры используются для имитации дорожной нагрузки либо двигателя (с использованием моторного динамометра), либо всей трансмиссии (с использованием шасси-динамометра). Помимо простых измерений мощности и крутящего момента, динамометры могут использоваться как часть испытательного стенда для различных задач по разработке двигателя, таких как калибровка систем управления двигателем, детальные исследования процессов сгорания и трибология. В медицинской практике ручные динамометры используются для регулярной оценки силы хвата и кисти, а также для первичной и последующей оценки пациентов с травмами или нарушениями функции кисти. Они также применяются для измерения силы хвата у пациентов, у которых подозревается поражение шейных корешков или периферических нервов. В области реабилитации, кинезиологии и эргономики силовые динамометры используются для измерения силы спины, хвата, рук и/или ног спортсменов, пациентов и работников с целью оценки физического состояния, работоспособности и требований выполняемых задач. Как правило, измеряется сила, приложенная к рычагу или через трос, а затем она преобразуется в момент силы путем умножения на перпендикулярное расстояние от точки приложения силы до оси рычага.

Принципы работы динамиометров, отражающих крутящий момент

Поглощающий динамиметр служит нагрузкой, приводимой в движение испытываемым первичным двигателем (например, колесом Пелтона). Динамиметр должен быть способен работать на любой скорости и при любой нагрузке, соответствующей требуемому крутящему моменту при испытании. Поглощающие динамиметры не следует путать с "инерционными" динамиметрами, которые рассчитывают мощность исключительно по величине мощности, необходимой для разгона ролика с известной массой, и не создают переменную нагрузку для первичного двигателя. Поглощающий динамиметр обычно оснащен средствами измерения рабочего крутящего момента и скорости вращения. Блок поглощения мощности (PAU) динамиометра поглощает мощность, развиваемую первичным двигателем. Эта поглощенная мощность затем преобразуется в тепло, которое обычно рассеивается в окружающий воздух или передается охлаждающей воде, которая, в свою очередь, рассеивает тепло в воздух. Регенеративные динамиметры, в которых первичный двигатель приводит в действие двигатель постоянного тока в режиме генератора для создания нагрузки, вырабатывают избыточную мощность постоянного тока и, потенциально, с использованием DC/AC инвертора, могут возвращать мощность переменного тока в коммерческую электросеть. Поглощающие динамиметры могут быть оснащены двумя типами систем управления для реализации различных основных видов испытаний.

Постоянная сила

Динамиметр имеет регулятор крутящего момента "торможения". Устройство поглощения мощности настроено на обеспечение заданной нагрузки в виде тормозного момента, в то время как первичный двигатель настроен на работу с любым положением дроссельной заслонки, скоростью подачи топлива или любой другой переменной, которую необходимо испытать. Затем первичному двигателю разрешается разгонять двигатель в пределах желаемого диапазона скоростей или оборотов в минуту. Для тестов с постоянной силой устройство поглощения мощности должно быть установлено с небольшим дефицитом момента относительно выходного момента первичного двигателя, чтобы обеспечить некоторый уровень ускорения. Мощность рассчитывается на основе угловой скорости вращения, умноженной на крутящий момент и постоянную. Значение постоянной зависит от используемых единиц измерения.

Подробный описание динамометра

Динамиметр состоит из абсорбционного (или абсорбторного/драйверного) блока и обычно включает в себя средства для измерения крутящего момента и скорости вращения. Абсорбционный блок состоит из ротора определенного типа, помещенного в корпус. Ротор соединяется с испытываемым двигателем или другим оборудованием и может свободно вращаться с любой скоростью, необходимой для проведения испытания. Для создания тормозного момента между ротором и корпусом динамометра предусмотрены специальные средства. Эти средства для создания крутящего момента могут быть основаны на трении, гидравлике, электромагнетизме или иных принципах, в зависимости от типа абсорбционного/драйверного блока. Один из способов измерения крутящего момента заключается в установке корпуса динамометра таким образом, чтобы он мог свободно вращаться, за исключением ограничения, создаваемого рычагом крутящего момента. Корпус может быть сделан свободно вращающимся с помощью цапф, соединенных с каждым концом корпуса и поддерживающих его в цапфовых подшипниках, установленных на стойках. Рычаг крутящего момента соединяется с корпусом динамометра, а весоизмерительный прибор располагается таким образом, чтобы измерять силу, с которой корпус динамометра пытается вращаться. Крутящий момент равен силе, показываемой весоизмерительным прибором, умноженной на длину рычага крутящего момента, измеренную от центра динамометра. Вместо весоизмерительного прибора можно использовать тензодатчик для получения электрического сигнала, пропорционального крутящему моменту. Другой способ измерения крутящего момента – подключение двигателя к динамометру через крутящий моментный датчик или преобразователь крутящего момента. Крутящий моментный датчик выдает электрический сигнал, пропорциональный крутящему моменту. В электрических абсорбционных блоках крутящий момент можно определить, измеряя потребляемый (или генерируемый) ток абсорбером/драйвером. Этот метод обычно менее точен и в настоящее время используется нечасто, но он может быть достаточным для определенных целей. При наличии сигналов крутящего момента и скорости данные испытаний могут передаваться в систему сбора данных вместо ручной записи. Сигналы скорости и крутящего момента также могут быть зарегистрированы с помощью самописца или графического плоттера.

Типы динамометров

В дополнение к классификации на поглощающие, двигательные или универсальные, как описано выше, динамиометры также могут классифицироваться и другими способами. Динамометр, соединенный непосредственно с двигателем, называется двигательным динамометром. Динамометр, способный измерять крутящий момент и мощность, передаваемые силовой установкой автомобиля непосредственно от ведущего колеса или колес без снятия двигателя с рамы автомобиля, называется шасси-динамометром. Динамометры также могут классифицироваться по типу абсорбционного устройства или абсорбера/привода, который они используют. Некоторые устройства, способные только к поглощению, могут быть объединены с двигателем для создания абсорбера/привода или "универсального" динамометра.

Амортизатор вихревого тока

Динамометры вихревых токов (ВТ) в настоящее время являются наиболее распространенными поглотителями, используемыми в современных стендах для испытания шасси. Поглотители ВТ обеспечивают быструю скорость изменения нагрузки и быстрое установление нагрузки. Большинство из них охлаждаются воздухом, но некоторые требуют внешних систем водяного охлаждения. Динамометры вихревых токов нуждаются в электрически проводящем сердечнике, валу или диске, движущемся в магнитном поле, для создания сопротивления движению. Обычно используется железо, но также применимы медь, алюминий и другие проводящие материалы. В современных (2009) применениях большинство тормозов ВТ используют чугунные диски, аналогичные дисковым тормозным роторам автомобилей, и переменные электромагниты для изменения силы магнитного поля с целью регулирования тормозного усилия. Напряжение электромагнитов обычно контролируется компьютером, который изменяет магнитное поле для соответствия приложенной выходной мощности. Сложные системы ВТ обеспечивают работу в установившемся режиме и с контролируемой скоростью ускорения.

Динамиметр порошковый

Динамиметр с магнитным порошком устроен аналогично динамометру с вихревыми токами, но в воздушный зазор между ротором и катушкой помещается мелкий магнитный порошок. Образующиеся линии магнитного потока создают "цепи" из металлических частиц, которые постоянно формируются и разрываются при вращении, генерируя высокий крутящий момент. Динамиметры с магнитным порошком, как правило, ограничены более низкими оборотами из-за проблем с теплоотводом.

Динамиметры гистерезисные

Гистеризовые динамиометры используют магнитный ротор, иногда из сплава AlNiCo, который перемещается в магнитном поле, создаваемом между магнитными полюсными наконечниками. Магнетизация ротора циклически изменяется по его характеристике B-H, при этом рассеивая энергию, пропорциональную площади между линиями этого графика. В отличие от тормозов вихревого тока, которые не развивают крутящего момента в состоянии покоя, гистерезисный тормоз развивает практически постоянный крутящий момент, пропорциональный току намагничивания (или силе постоянных магнитов в случае устройств с постоянными магнитами) во всем диапазоне скоростей. В конструкциях динамиометров часто предусмотрены вентиляционные отверстия, хотя некоторые допускают принудительное воздушное охлаждение от внешнего источника. Гистерезисные и вихретоковые динамиометры – одни из наиболее полезных технологий, применяемых в малогабаритных (и не только) динамометрах.

Динамиметр электродвигателя/генератора

Динамиметры электродвигателя/генератора являются специализированным типом привода с регулируемой скоростью. Поглощающий/двигательный блок может быть двигателем переменного тока (AC) или двигателем постоянного тока (DC). Как двигатель переменного, так и двигатель постоянного тока могут работать в качестве генератора, приводимого в действие испытываемым устройством, или в качестве двигателя, приводящего в действие испытываемое устройство. При оснащении соответствующими блоками управления, динамометры электродвигателя/генератора могут быть сконфигурированы как универсальные динамометры. Блок управления для двигателя переменного тока – это частотно-регулируемый привод, а блок управления для двигателя постоянного тока – это привод постоянного тока. В обоих случаях регенеративные блоки управления могут передавать мощность от испытываемого устройства в электросеть. Если это допускается, оператор динамометра может получать оплату (или зачёт) от энергоснабжающей компании за возвращённую мощность посредством системы нетто-учёта. При испытании двигателей универсальные динамометры могут не только поглощать мощность двигателя, но и приводить его в действие для измерения трения, насосных потерь и других факторов. Динамиметры электродвигателя/генератора, как правило, дороже и сложнее в эксплуатации, чем другие типы динамометров.

Тормоза вентилятора

Вентилятор используется для создания воздушного потока, обеспечивающего нагрузку на двигатель. Крутящий момент, поглощаемый вентиляторным тормозом, можно регулировать, изменяя передаточное число, сам вентилятор или ограничивая поток воздуха через него. Из-за низкой вязкости воздуха, этот тип динамометра имеет принципиальное ограничение по величине поглощаемого крутящего момента.

Силовая смазанная маслом режущая тормозная установка

Масляный тормоз с фрикционными дисками имеет серию дисков трения и стальных пластин, аналогичных сцеплениям в автоматической коробке передач автомобиля. Вал, несущий диски трения, прикреплен к нагрузке через муфту. Поршень прижимает стопку дисков трения и стальных пластин вместе, создавая сдвиг в масле между дисками и пластинами, что создает крутящий момент. Крутящий момент может регулироваться пневматически или гидравлически. Принудительная смазка поддерживает масляную пленку между поверхностями для предотвращения износа. Реакция плавная до нуля оборотов в минуту без рывков. Нагрузки до сотен тепловых лошадиных сил могут поглощаться благодаря необходимой принудительной смазке и системе охлаждения. Чаще всего тормоз кинетически закрепляется посредством рычага крутящего момента, закрепленного тензодатчиком, который генерирует ток под нагрузкой, подаваемый в систему управления динамометром. Обычно используются пропорциональные или сервоклапаны, позволяющие системе управления динамометром создавать необходимое значение крутящего момента с обратной связью от тензодатчика, замыкающей контур управления. С увеличением требований к крутящему моменту возникают ограничения по скорости.

Гидравлический тормоз

Гидравлическая тормозная система состоит из гидравлического насоса (обычно насоса шестеренчатого типа), резервуара для жидкости и трубопроводов, соединяющих эти компоненты. В трубопровод встроен регулируемый клапан, а между насосом и клапаном располагается манометр или другое устройство для измерения гидравлического давления. По сути, двигатель раскручивается до требуемых оборотов, и клапан постепенно перекрывается. По мере ограничения выходного потока насоса нагрузка возрастает, и дроссельная заслонка открывается до желаемого положения. В отличие от большинства других систем, мощность рассчитывается на основе объема потока (определяемого по конструктивным характеристикам насоса), гидравлического давления и оборотов в минуту. Мощность тормоза, рассчитанная с учетом давления, объема и оборотов, или с использованием динамометрического стенда с другим типом датчика нагрузки, должна давать практически идентичные значения мощности. Гидравлические динамометрические стенды славятся своей способностью к быстрой смене нагрузки, незначительно превосходя по этому параметру абсорберы вихревых токов. Однако их недостатком является необходимость использования большого количества горячего масла под высоким давлением и наличие масляного резервуара.

Амортизатор типа водного тормоза

Гидравлический динамиметр (также называемый водоотсасывающим тормозом) был изобретен британским инженером Уильямом Фроудом в 1877 году по запросу Адмиралтейства о создании машины, способной поглощать и измерять мощность крупных судовых двигателей. Водоотсасывающие тормоза сегодня достаточно распространены. Они характеризуются высокой мощностью, компактными размерами, небольшим весом и относительно низкой стоимостью производства по сравнению с другими, более быстродействующими типами "поглотителей мощности". К их недостаткам относится относительно длительное время, необходимое для "стабилизации" нагрузки, а также потребность в постоянной подаче воды в "корпус водяного тормоза" для охлаждения. Экологические нормы могут запрещать сброс воды в окружающую среду, в этом случае устанавливаются большие резервуары для предотвращения попадания загрязненной воды в окружающую среду. На схеме показан наиболее распространенный тип водяного тормоза, известный как тормоз "с переменным уровнем". Вода добавляется до тех пор, пока двигатель не будет удерживаться на постоянных оборотах при заданной нагрузке, после чего уровень воды поддерживается постоянным за счет непрерывного слива и пополнения (необходимого для отвода тепла, выделяемого при поглощении мощности). Корпус стремится вращаться под воздействием крутящего момента, но удерживается динамометрической шкалой или тензодатчиком, измеряющим крутящий момент.

Динамиметры

В большинстве случаев моторные динамометры симметричны: динамометр переменного тока мощностью 300 кВт может как поглощать, так и развивать мощность 300 кВт. Это нечастое требование при испытаниях и разработке двигателей. Иногда более экономичным решением является использование динамометра большего поглощающего момента в сочетании с динамометром меньшей моторной мощности. Альтернативно, можно использовать динамометр большего поглощающего момента и простой двигатель переменного или постоянного тока, при этом электродвигатель обеспечивает только приводную мощность при необходимости (без функции поглощения). Динамометр поглощения подбирается по максимальной требуемой мощности поглощения, а динамометр моторный – по требуемой мощности привода. Типичное соотношение мощностей для стандартных циклов испытаний на выбросы и большинства работ по разработке двигателей составляет примерно 3:1. Измерение крутящего момента несколько усложняется из-за использования двух машин последовательно, поэтому предпочтительным методом является использование встроенного датчика крутящего момента. Конфигурация, включающая динамометр вихревых токов или водяного тормоза с электронным управлением, привод переменной частоты и асинхронный двигатель переменного тока, является распространенным решением такого типа. К недостаткам относятся необходимость в дополнительном комплекте коммуникаций для испытательного стенда (электропитание и охлаждение) и несколько более сложная система управления. Особое внимание следует уделять переходу между режимами привода и торможения с точки зрения стабильности управления.

Как применяются динамометры для испытаний двигателей

Динамометры полезны при разработке и совершенствовании современных двигателей. Суть их применения заключается в измерении и сравнении передачи мощности в различных точках автомобиля, что позволяет модифицировать двигатель или трансмиссию для повышения эффективности передачи мощности. Например, если моторный динамометр показывает, что конкретный двигатель развивает крутящий момент, а шасси-динамометр – только , можно сделать вывод о незначительных потерях в трансмиссии. Динамометры – это, как правило, очень дорогостоящее оборудование, поэтому они обычно используются лишь в определенных областях, где их применение необходимо для конкретных задач.

Типы динамометров

Динамиметр с торможением создает переменную нагрузку на первичный двигатель (PM) и измеряет его способность вращаться или удерживать обороты в зависимости от приложенной "тормозной силы". Обычно он подключен к компьютеру, который регистрирует приложенный тормозной момент и рассчитывает выходную мощность двигателя на основе данных от "тензодатчика" или "датчика деформации", а также датчика скорости. Инерционный динамиметр создает фиксированную инерционную нагрузку, рассчитывает мощность, необходимую для разгона этой известной массы, и использует компьютер для записи оборотов и скорости изменения оборотов для вычисления крутящего момента. Двигатель обычно тестируется от немного выше холостого хода до максимальных оборотов, а результаты измерений отображаются на графике. Динамиметр с приводом обладает функциями тормозного динамического стенда, но дополнительно может "приводить в действие" (обычно с помощью двигателя переменного или постоянного тока) первичный двигатель, позволяя испытывать очень малые мощности (например, имитировать скорости и нагрузки, возникающие при движении транспортного средства под уклон или при резком открытии/закрытии дроссельной заслонки).

Характеристики прохождения испытаний

Агрессивные движения дроссельной заслонки, изменения скорости вращения двигателя и работа двигателя в режиме рекуперации – характерные особенности большинства переходных испытаний двигателя. Основная цель этих испытаний – разработка и омологация выбросов транспортных средств. В некоторых случаях для проверки одного из переходных циклов испытаний на ранних этапах разработки и калибровки используется более доступный динамометр вихревых токов. Динамометр вихревых токов обеспечивает быстрый отклик на изменение нагрузки, что позволяет оперативно отслеживать скорость и нагрузку, однако не поддерживает режим рекуперации. Поскольку большинство требуемых переходных испытаний включают значительную долю работы в режиме рекуперации, переходный цикл испытаний с динамометром вихревых токов приведет к иным результатам испытаний на выбросы. Окончательная настройка должна проводиться на динамометре, поддерживающем режим рекуперации.

Динамиметр двигателя

Динамиметр двигателя измеряет мощность и крутящий момент непосредственно от коленчатого вала двигателя (или маховика), когда двигатель установлен вне транспортного средства. Эти стенды не учитывают потери мощности в силовой передаче, такие как коробка передач, трансмиссия и дифференциал.

Динамиметр шасси (канатная дорога)

Динамиметр шасси, иногда называемый "рольным стендом", измеряет мощность, передаваемую на поверхность "приводного ролика" ведущими колесами. Автомобиль обычно фиксируется на ролике или роликах, которые затем вращаются, и выходная мощность измеряется таким образом. Современные динамометрические системы шасси роликового типа используют "ролик Сальвисберга", который обеспечивает лучшее сцепление и повторяемость результатов по сравнению с использованием гладких или рифленых приводных роликов. Динамиметры шасси могут быть стационарными или переносными и способны выполнять функции, выходящие за рамки отображения оборотов, мощности и крутящего момента. Благодаря современной электронике и быстродействующим динамометрическим системам с низкой инерцией, теперь возможно осуществлять настройку для достижения максимальной мощности и наиболее плавного хода в режиме реального времени. Существуют и другие типы динамометров шасси, которые устраняют возможность проскальзывания колес на старых типах приводных роликов, подключаясь непосредственно к ступицам автомобиля для прямого измерения крутящего момента с оси. Системы испытаний динамометров, используемые при разработке и сертификации выбросов автотранспортных средств, часто объединяют отбор проб выбросов, измерение, управление оборотами двигателя и нагрузкой, сбор данных и контроль безопасности в единую систему испытательной ячейки. Эти системы обычно включают в себя сложное оборудование для отбора проб выбросов (например, пробоотборники постоянного объема и системы подготовки проб сырых выхлопных газов) и анализаторы. Эти анализаторы значительно более чувствительны и быстрее, чем типичный портативный анализатор выхлопных газов. Время отклика менее одной секунды является обычным и требуется для многих переходных циклов испытаний. В розничных условиях также часто производится настройка соотношения воздух/топливо с использованием широкополосного кислородного датчика, графики которого отображаются вместе с оборотами двигателя. Интеграция системы управления динамометром с автоматическими инструментами калибровки для калибровки системы управления двигателем часто встречается в системах испытательных ячеек разработки. В этих системах нагрузка динамометра и обороты двигателя изменяются для множества рабочих точек двигателя, при этом выбранные параметры управления двигателем варьируются, а результаты автоматически записываются. Последующий анализ этих данных может быть использован для получения данных калибровки двигателя, используемых программным обеспечением управления двигателем. Из-за трения и механических потерь в различных компонентах трансмиссии измеренная мощность на колесах обычно на 15-20% ниже, чем мощность, измеренная на коленчатом валу или маховике на двигательном динамометре.

История

Динамометр Грэма Дезагульера был изобретен Джорджем Грэмом и упомянут в трудах Джона Дезагульера в 1719 году. Дезагулье модифицировал первые динамометры, и поэтому прибор стал известен как динамометр Грэма Дезагульера. Динамиометр Ренье был изобретен и представлен публике в 1798 году Эдме Ренье, французским оружейником и инженером. Патент был выдан (дата – июнь 1817 года) компании Siebe and Marriot с Флит-стрит, Лондон, на усовершенствованную весовую машину. Гаспар де Прони изобрел тормоз де Прони в 1821 году. Дорожный индикатор Макнилла был изобретен Джоном Макниллом в конце 1820-х годов, в дальнейшем развивая запатентованную весовую машину Marriot. Компания Froude Ltd, расположенная в Ворчестере, Великобритания, производит динамометры для двигателей и транспортных средств. Они считают, что Уильям Фроуд изобрел гидравлический динамометр в 1877 году, и утверждают, что первые коммерческие динамометры были произведены в 1881 году их предшественником, компанией Heenan & Froude. В 1928 году немецкая компания "Carl Schenck Eisengießerei & Waagenfabrik" построила первые динамометры для испытания тормозов, имевшие базовую конструкцию современных испытательных стендов для автомобилей. Динамометр с вихревыми токами был изобретен Мартином и Энтони Винтерами около 1931 года, однако к тому времени динамометры на базе генераторов постоянного тока уже использовались на протяжении многих лет. Компания Dynamatic Corporation, основанная братьями Винтерами, производила динамометры в Кеноше, штат Висконсин, до 2002 года. С 1946 по 1995 год Dynamatic входила в состав Eaton Corporation. В 2002 году Dyne Systems из Джексона, штат Висконсин, приобрела производственную линейку динамометров Dynamatic. Начиная с 1938 года, Heenan & Froude на протяжении многих лет производили динамометры с вихревыми токами по лицензии Dynamatic и Eaton.