DE19918820A1 - Antriebsmaschine zur Erzeugung von definierten Solldrehbewegungen mit höherfrequenten Anteilen - Google Patents

Abstract

Die Antriebsmaschine zum Erzeugen von definierten Solldrehbewegungen, die aus Drehzahlverläufen mit überlagerten, vorgebbaren höherfrequenten Anteilen zusammengesetzt sind, eignet sich bevorzugt zum Prüfen von Antriebskomponenten und besteht aus mindestens zwei Drehmomentgeneratoren 1, 2, vorzugsweise Elektro- oder Hydromotoren, die über eine Drehfeder 3 miteinander verbunden sind. Das zweite Wellenende des Drehmomentgenerators 2 ist mit dem Prüfling 6 verbunden. Der Drehmomentgenerator 1 erzeugt bevorzugt die niederfrequenten Anteile der Solldrehbewegung und stützt das mittlere Lastdrehmoment 7 des Prüflings 6 ab. Der Drehmomentgenerator 2 führt, unter Ausnutzung der elastischen Verbindung zum Drehmomentgenerator 1 über die Drehfeder 3, die Solldrehbewegung aus. Der vom mittleren Lastdrehmoment 7 weitgehend entkoppelte Drehmomentgenerator 2 kann in Verbindung mit der Steuer-/Regeleinrichtung 10 am Prüfling 6, unter Nutzung von Resonanzerscheinungen, hohe Drehbeschleunigungen erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs (1).

Die Antriebsmaschine erzeugt eine Solldrehbewegung, bestehend aus einem vorgegebenen Drehzahlverlauf beziehungsweise einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf des Verdreh­ winkels, dem ein höherfrequent wechselnder Relativverdrehwinkel mit vorgegebenem zeitlichem Verlauf überlagert ist und kann eingesetzt werden, um Rotationsbewegungen ausführende Antriebskomponenten zu testen.

Wird zum Beispiel eine Arbeitsmaschine im Betrieb von einem Verbrennungsmotor angetrieben, so kann die Antriebsmaschine zu Testzwecken den Verbrennungsmotor ersetzen und sein Verhalten simulieren. Mit Hilfe der Steuer-/Regeleinrichtung der Antriebsmaschine lassen sich verschiedene Typen von Verbrennungsmotoren nachbilden und damit die Auswirkungen der Motorauslegung auf die Arbeitsmaschine erfassen.

Zur Identifikation des dynamischen Verhaltens von Prüflingen kann die Antriebsmaschine ebenfalls eingesetzt werden. Mit Hilfe der Steuer-/Regeleinrichtung kann die Solldreh­ bewegung innerhalb der physikalischen Grenzen frei vorgegeben werden. Alternativ dazu läßt sich der zeitliche Verlauf des auf den Prüfling wirkenden Antriebsdrehmomentes vorgeben. Damit ist eine gezielte Schwingungsanregung des Prüflings möglich. Aus den am Prüfling gemessenen Größen wie Drehmoment, Drehzahl usw. kann auf die dynamischen Eigenschaften des Prüflings geschlossen werden.

Ein weiteres Einsatzgebiet für die Antriebsmaschine sind Lebensdaueruntersuchungen. Auf den Prüfling können hochfrequente Drehbewegungen und Belastungen, das heißt zeitgeraffte Lastkollektive, aufgebracht werden. Damit läßt sich der Zeitaufwand für die Lebensdauer­ untersuchungen reduzieren.

Eine bekannte Bauart einer Antriebsmaschine zur Erzeugung von Drehzahlverläufen mit höheren Frequenzanteilen arbeitet mit nur einem Drehmomentgenerator, der meist als Elektro- oder Hydromotor ausgeführt ist. Bei diesen Drehmomentgeneratoren ist die maximal erzeugbare Drehbeschleunigung zum maximal verfügbaren Drehmoment dividiert durch die Summe der Massenträgheitsmomente der rotierenden Teile proportional. Verbindet man die Antriebsmaschine mit einem Prüfling, so ergibt sich das zum Beschleunigen verfügbare Drehmoment als Differenz von erzeugbarem Drehmoment des Drehmomentgenerators abzüglich dem Lastdrehmoment des Prüflings. Bei den bekannten Baureihen dieser Drehmomentgeneratoren steigt das eigene Massenträgheitsmoment überproportional im Verhältnis zum erzeugbaren Drehmoment. Steigt also das Lastdrehmoment des Prüflings, so werden größere Drehmomentgeneratoren mit überproportional steigenden Eigenmassen­ trägheitsmomenten benötigt, wodurch die maximal erzeugbare Drehbeschleunigung sinkt. Folglich erzielen diese Antriebsmaschinen nur bei geringen Lastdrehmomenten hohe Dreh­ beschleunigungen und Drehunggleichförmigkeiten.

Eine Ausführung dieser Bauart ist aus DE 43 28 537, G 01 M 13/02, bekannt. Zwei dieser Antriebsmaschinen werden in einem Getriebeprüfstand verwendet, wobei eine Antriebsmaschine mit der Prüflingseingangswelle verbunden ist und zum Antreiben verwendet wird, die andere mit der Prüflingsausgangswelle verbunden ist und als Bremse dient. Als Antriebsmaschinen werden Elektromotoren verwendet, die bauartbedingt nur zusammen mit trägheitsarmen Prüflingen und bei kleinen Lastdrehmomenten höhere Frequenzanteile in den Drehzahlverläufen erzeugen können.

In DE 43 10 528 wird ein Verspannungsprüfstand zur Untersuchung eines im Betrieb rotierenden Prüflings beschrieben, der neben zwei Elektromotoren zur Erzeugung eines statischen Verspannmomentes im Prüfling einen weiteren, als Schwingmotor bezeichneten Elektromotor besitzt. Über einen rückgekoppelten Regelkreis regt der Schwingmotor eine Torsionseigenresonanz des Systems einschließlich Prüfling an. Dieser Prüfstand ist für Lebensdaueruntersuchungen konzipiert, die Frequenz der Eigenresonanz ist durch die dynamischen Eigenschaften des Prüflings und des Prüfstandes vorgegeben und läßt sich nur durch eine Veränderung der mechanischen Prüfstandskomponenten beeinflussen. Der Prüfstand eignet sich aufgrund der festen Prüffrequenz nicht für Verbrennungs­ motorsimulationen oder Prüflingsidentifikationen. Der Prüfling benötigt in der dargestellten Anordnung drei freie Wellenenden. Eine Eingangswelle ist über ein Anpaßgetriebe mit dem Antriebsmotor verbunden, an die zweite Eingangswelle ist eine Schwungmasse angeflanscht, die ihrerseits mit dem Schwingmotor verbunden ist. Die Prüflingsausgangswelle wirkt über ein Anpaßgetriebe auf den Bremsmotor. Eine Prüfung von drehmomentübertragenden Prüflingen wie Kupplungen, an denen im allgemeinen nur zwei freie Wellenenden verfügbar sind, ist nicht möglich. Besitzt der Prüfling eine hohe Steifigkeit bezüglich der Übertragung des Verdrehwinkels zwischen den beiden Prüflingseingangswellen, so muß die Amplitude des überlagerten Verdrehwinkels klein gehalten werden, um den Prüfling und das Anpaßgetriebe am Antriebsmotor mechanisch nicht zu überlasten. In diesem Fall kann nur ein überlagertes Wechseldrehmoment erzeugt werden.

Eine andere Bauart einer Antriebsmaschine zur Erzeugung von Drehzahlverläufen mit höheren Frequenzen arbeitet nach dem Überlagerungsprinzip. Es werden zwei oder mehr Drehmomentgeneratoren so zusammengeschaltet, daß sich die Einzeldrehwinkel addieren. Ein bauartbedingter Nachteil dieser Antriebsmaschinen ist, daß an jedem Drehmomentgenerator das am Prüfling wirkende mittlere Lastdrehmoment auftritt.

Eine Antriebsmaschine dieser Bauart wird beispielsweise in der Arbeit "Drehschwingungs­ simulation, Ein Prüfstand mit elektrischer Antriebsmaschine zur Nachbildung der ungleichförmigen Leistungsabgabe von Verbrennungsmotoren", Fortschr.-Ber. VDI Reihe 11 Nr. 179. Düsseldorf: VDI-Verlag 1993, dargelegt. Bei dieser Antriebsmaschine ist nachteilig, daß die mechanische Überlagerung zu Unstetigkeiten beim Nulldurchgang des Drehmomentes führt und daß die den hohen Beschleunigungen ausgesetzten Komponenten der Antriebsmaschine bauartbedingt hohe träge Massen besitzen.

Eine weitere Ausführung dieser Bauart wird in DE 42 39 096 beschrieben. Bei dieser Antriebsmaschine wird ein Antriebsmotor in Form eines Elektromotors, Pneumatikmotors oder vorzugsweise eines Hydraulikmotors über ein Anpaßgetriebe mit einer hydraulischen Drehzylindereinheit verbunden, deren Abtriebswelle einen Prüfling antreibt. Die Drehzylindereinheit erzeugt Drehschwingungen, die zur Bewegung des Antriebsmotors addiert werden. Das prinzipbedingte Spiel der Zahnräder des Anpaßgetriebes führt hier ebenfalls zu Unstetigkeiten beim Nulldurchgang des Drehmomentes. Die Zuführung der Hydraulikflüssigkeit zur rotierenden Drehzylindereinheit erfolgt über einen hydraulischen Drehübertrager mit insgesamt großem, unter wechselndem Druck stehendem Volumen. Dies führt in Verbindung mit der Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit zu einer eingeschränkten Drehmoment- und Drehzahldynamik der Antriebsmaschine. Die Regelbarkeit dieser Antriebsmaschine ist durch die Parameterempfindlichkeit und die Nichtlinearität des hydraulischen Systems eingeschränkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsmaschine so auszubilden, daß definierte Drehzahlverläufe mit vorgebbaren, höherfrequenten Anteilen erzeugt und die Nachteile der bekannten Lösungen vermieden werden. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausführungen der Erfindung beinhalten die Unteransprüche. Die Wirkungsweise der Erfindung wird im folgenden erläutert. Dabei bezeichnen:

Fig. 1 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Antriebsmaschine zusammen mit einem Prüfling,

Fig. 2 den Aufbau eines Verspannungsprüfstandes unter Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebsmaschine.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Antriebsmaschine in einer Ausführung mit zwei Drehmomentgeneratoren 1, 2, die über die Drehfeder 3 miteinander verbunden sind. Sie treibt über eine drehsteife Kupplung 5 den Prüfling 6 an. Die Drehmomentgeneratoren 1, 2 sind bevorzugt Elektro- oder Hydromotoren. Entsprechend dem Stand der Technik lassen sich durch geeignete Steller beziehungsweise Ventile die Drehmomente 8, 9 an den Rotoren der Drehmomentgeneratoren 1, 2 beeinflussen.

Durch die Koppelung der Drehmomentgeneratoren 1, 2 über eine Drehfeder 3 mit geringer Federsteifigkeit kann erreicht werden, daß der Drehmomentgenerator 1 überwiegend das dem mittleren Lastdrehmoment 7 des Prüflings 6 entgegenwirkende Antriebsdrehmoment 8 erzeugt und über die Drehfeder 3 an den Drehmomentgenerator 2 weitergibt. Der Dreh­ momentgenerator 1 besitzt ein hohes Nenndrehmoment und damit bauartbedingt ein hohes Rotorträgheitsmoment, was aber nicht nachteilig ist, da er nur den niederfrequenten Anteil der Solldrehbewegung ausführt. Damit können Prüflinge mit hohem Lastdrehmoment getestet werden.

Der Drehmomentgenerator 2 führt die Solldrehbewegung, unter Ausnutzung der elastischen Verbindung zum Drehmomentgenerator 1 über die Drehfeder 3, vom Regelfehler abgesehen, exakt aus. Er liefert, vom mittleren Lastdrehmoment 7 weitgehend entkoppelt, das im wesentlichen nur zum Beschleunigen des eigenen Rotors und des Prüflings 6 nötige Drehmoment 9. Der Drehmomentgenerator 2 besitzt ein kleineres Nenndrehmoment als der Drehmomentgenerator 1. Damit weist der Drehmomentgenerator 2 bauartbedingt ein kleineres Verhältnis von Rotorträgheitsmoment zu Nenndrehmoment auf, als der Drehmoment­ generator 1 und kann größere Drehbeschleunigungen erzeugen. Am Prüfling 6 können somit in Verbindung mit der Steuer-/Regeleinrichtung 10 Solldrehbewegungen mit großen höher­ frequenten Anteilen realisiert werden.

Die Drehfeder 3 ergibt in Verbindung mit den Drehmassen ein schwingungsfähiges System. Bei entsprechender Wahl der Drehfedersteifigkeit läßt sich die Resonanzfrequenz des Systems in die Nähe der höherfrequenten Anteile der Solldrehbewegung bringen. Infolge der Resonanzüberhöhung sind dann große Drehbeschleunigungen und folglich große Anteile der Solldrehbewegung mit höheren Frequenzen erzeugbar.

Die Lage- und Drehzahlsensoren 11, 12 erfassen die Rotorlagen und Drehzahlen der beiden Drehmomentgeneratoren und leiten sie an die Steuer-/Regeleinrichtung 10 weiter. Die Steuer-/Regel­ einrichtung 10 erhält zusätzlich das von der Drehmomentmeßeinrichtung 4 erfaßte Signal des auf den Prüfling wirkenden Drehmoments und steuert entsprechend dem gemessenen oder beobachteten Systemzustand und dem Verlauf der Solldrehbewegung die Steller beziehungsweise Ventile an.

Verbindet man mehr als zwei unterschiedliche Drehmomentgeneratoren mit unterschiedlichen Drehfedern, so läßt sich bei idealer Kombination, das heißt bei geeigneter Wahl der Resonanzfrequenzen, ein größerer Frequenzbereich mit großen höherfrequenten Anteilen der Solldrehbewegung abdecken. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß prinzipbedingt Lose und Unstetigkeiten vermieden werden. Die Ausnutzung von Resonanzerscheinungen unter Beibehaltung der Eigenschaft, daß der zeitliche Verlauf der Solldrehbewegung mit Hilfe der Steuer-/Regeleinrichtung 10 eingehalten werden kann, bringt in allen oben beschriebenen Anwendungsfällen, das heißt Verbrennungsmotorsimulation, Prüflingsidentifikation und Lebensdaueruntersuchung, Vorteile. Mit der Antriebsmaschine lassen sich an Prüflingen mit hohem Lastdrehmoment Solldrehbewegungen mit großen höherfrequenten Anteilen realisieren. Außerdem wird der erforderliche Energieeinsatz minimiert, da die Drehfedern als Energiespeicher arbeiten.

Die Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Verspannungsprüfstandes unter Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebsmaschine mit Elektromotoren als Drehmomentgeneratoren. Der Elektromotor 13, zum Beispiel, eine Drehstromasynchron- oder Drehstromsynchronmaschine mit hohem Nenndrehmoment, wirkt über die Sicherheitskupplung 14 auf die Torsionswelle 15, die der Drehfeder 3 in Fig. 1 entspricht. Das Drehmoment an der Torsionswelle 15 wird durch den Drehmomentsensor 16 erfaßt und an die Steuer-/Regeleinrichtung 31 weitergeleitet. Die Torsionswelle 15 ist drehstarr mit einem Wellenende des Elektromotors 17 verbunden, der eine hohe Drehbeschleunigung aufweist und bevorzugt als Drehstromsynchronmaschine ausgeführt wird. Die Drehzahlen und die Rotorlagen der Motoren 13, 17 werden mit den Sensoren 18, 19 erfaßt und ebenfalls an die Steuer-/Regeleinrichtung 31 weitergeleitet. Die Welle des Elektromotors 17 ist drehstarr über die Kupplung 20 mit der Antriebswelle des Prüflings 22 verbunden, an der das Drehmoment durch den Sensor 21 erfaßt und zur Steuer-/Regel­ einrichtung 31 weitergeleitet wird. Die Abtriebswelle des Prüflings ist mit der Torsionswelle 23 verbunden. An der Torsionswelle 23 wird das Drehmoment durch den Sensor 24 erfaßt und zur Steuer-/Regeleinrichtung 31 übermittelt. Die Torsionswelle 23 ist über eine Sicherheitskupplung 25 mit der Welle des Elektromotors 26 verbunden.

Der Elektromotor 26 dient als Bremsmotor, seine Drehzahl und Rotorlage werden durch den Sensor 27 an die Steuer-/Regeleinrichtung 31 übermittelt. Die Bremse ist dann notwendig, wenn Prüflinge, die nur Drehmoment übertragen oder wandeln, unter Last geprüft werden sollen, wie zum Beispiel Kupplungen oder Getriebe. Die Steuer-/Regeleinrichtung 31 erzeugt die Sollwertsignale und setzt sie unter Berücksichtigung des gemessenen beziehungsweise beobachteten Systemzustandes in Stellsignale zur Ansteuerung der Steller 28, 29, 30 um. Die Steller 28, 29, 30 kontrollieren den Leistungsfluß zu den Elektromotoren 13, 17, 26. Die Steller 28, 29, 30 bzw. die Elektromotoren 13, 17, 26 werden aus dem Netz gespeist. Natürlich ist es auch möglich, anstatt des Bremsmotors 26 mit der Torsionswelle 23 eine weitere erfindungsgemäße Antriebsmaschine einzusetzen, um den Prüfling am Eingang sowie am Ausgang mit definierten Drehunggleichförmigkeiten zu beaufschlagen.

Zur sicheren Übertragung der Signale von den Lage- und Drehzahlsensoren 18, 19, 27 und den Drehmomentsensoren 16, 21, 24 zu der Steuer-/Regeleinrichtung 31 und der Signale von der Steuer-/Regeleinrichtung 31 zu den Stellern 28, 29, 30 sind bevorzugt Lichtwellenleiter geeignet, da sie bezüglich Störungen durch elektrische und magnetische Felder der Steller 28, 29, 30 beziehungsweise der Elektromotoren 13, 17, 26 unempfindlich sind.

Durch die Verwendung von faserverstärkten Polymerwerkstoffen für die Torsionswellen 15, 23 lassen sich für die Resonanzüberhöhung geeignete Drehfedersteifigkeiten erzielen, das heißt, die Resonanzen lassen sich in den Bereich der höherfrequenten Anteile der Solldrehbewegung legen. Gleichzeitig führt diese Bauweise dazu, daß die Biegeeigen­ frequenzen der Torsionsfedern 15, 23 weit genug über den im Betrieb des Verspannungs­ prüfstandes auftretenden Anregefrequenzen liegen.

Claims (8)

1. Antriebsmaschine zur Erzeugung von definierten Solldrehbewegungen, die aus definierten Drehzahlverläufen mit überlagerten, vorgebbaren höherfrequenten Anteilen zusammengesetzt sind, bevorzugt einsetzbar zum Prüfen von Antriebskomponenten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Drehmomentgeneratoren 1, 2 über eine Drehfeder 3 miteinander verbunden sind und das zweite Wellenende von Drehmomentgenerator 2 über eine Drehmoment­ meßeinrichtung 4 auf den Prüfling 6 wirkt, wobei Drehmomentgenerator 1 überwiegend das dem mittleren Lastdrehmoment 7 des Prüflings 6 entgegenwirkende Antriebsdrehmoment 8 sowie den niederfrequenten Anteil der vorgegebenen Solldrehbewegung erzeugt, während der Drehmomentgenerator 2, unter Ausnutzung der elastischen Verbindung zum Drehmoment­ generator 1 über die Drehfeder 3 und vom mittleren Lastdrehmoment 7 weitgehend entkoppelt, seinen Rotor und den Prüfling 6 durch das Drehmoment 9 so beschleunigt oder verzögert, daß der Prüfling 6, vom Regelfehler abgesehen, die vorgegebene Solldreh­ bewegung exakt ausführt, wobei durch Anpassung der Drehfedersteifigkeit an den Prüfling 6 in Verbindung mit der Steuer-/Regeleinrichtung 10 Resonanzerscheinungen im System ausgenutzt werden, um den Frequenzgang der Antriebsmaschine bei höheren Frequenzen anzuheben.

2. Antriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Steuer/Regel­ einrichtung 10 mit Hilfe der Lage- und Drehzahlsensoren 11, 12 sowie der Dreh­ momentmeßeinrichtung 4 die Rotorlagen und Drehzahlen der Drehmomentgeneratoren 1, 2 und das auf den Prüfling wirkende Drehmoment erfaßt werden und entsprechend dem gemessenen oder beobachteten Systemzustand die auf die Rotoren der Drehmoment­ generatoren 1, 2 wirkenden Drehmomente 8, 9 über geeignete Steller eingestellt werden, damit die vorgegebene Solldrehbewegung an der Ausgangswelle der Antriebsmaschine oder der vorgegebene Verlauf des auf den Prüfling 6 wirkenden Antriebsdrehmomentes eingehalten wird.

3. Antriebsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei aufeinander abgestimmte, durch Drehfedern verbundene Drehmomentgeneratoren verwendet werden und damit der Frequenzgang in einem erweiterten Frequenzbereich angehoben wird, wobei die Rotorlagen und Drehzahlen aller Drehmomentgeneratoren und das auf den Prüfling wirkende Drehmoment an eine Steuer-/Regeleinrichtung übermittelt werden, die ihrerseits die auf die Rotoren aller Drehmomentgeneratoren wirkenden Drehmomente über geeignete Steller vorgibt.

4. Antriebsmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentgeneratoren als Elektro- und/oder Hydromotoren ausgeführt sind.

5. Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Prüflinge, die Drehmomente übertragen oder wandeln, ebenfalls geprüft werden können, indem ein weiterer Drehmomentgenerator, der im Sinne eines Verspannungsprüfstandes als Bremse arbeitet, über eine Drehfeder und eine Drehmomentmeßeinrichtung mit dem Prüflingsausgang verbunden wird, wobei die Steuer-/Regeleinrichtung die Rotorlage- und Drehzahlsignale aller Drehmomentgeneratoren und die Signale der an Prüflingsein- und -ausgang gemessenen Drehmomente empfängt und über geeignete Steller die auf die Rotoren aller Drehmomentgeneratoren wirkenden Drehmomente einstellt, damit die vorgegebene Solldrehbewegung an der Eingangswelle des Prüflings und der vorgegebene Verlauf des mittleren Verspanndrehmomentes eingehalten werden.

6. Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale von den Lage- und Drehzahlsensoren und den Drehmomentmeßeinrichtungen zur Steuer-/Regeleinrichtung und von der Steuer-/Regeleinrichtung zu den Stellern durch Lichtwellenleiter übertragen werden.

7. Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federsteifigkeit der Drehfedern verändert werden kann, um einen günstigen Frequenzgang der Antriebsmaschine in Verbindung mit dem jeweiligen Prüfling zu erzielen.

8. Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Drehfedern faserverstärkte Polymerwerkstoffe verwendet werden.