Aandrijvingen en motoren in testbanken voor auto's

Testopstellingen worden veel gebruikt in de auto- en ruimtevaartindustrie en testen verschillende voertuigen. Andy Pye bekijkt hoe aandrijvingen en motoren worden gebruikt binnen deze systemen.

Typische toepassingen in de auto-industrie waarvoor aandrijfsystemen worden gebruikt, zijn onder meer

• Teststands op rollende wegen voor de auto- en motorindustrie
• Motortestbanken – voor de productie van elektrische en verbrandingsmotoren
• Teststands voor transmissie/versnellingsbak voor toeleveranciers aan de automobiel- en machinebouwindustrie
• Teststands voor elektrische voertuigen – met DC-voeding om de voertuigomvormer van stroom te voorzien

Autofabrikanten selecteren vaak willekeurig motoren uit hun productielijnen en onderwerpen ze aan strenge tests om te bevestigen dat ze voldoen aan alle belangrijke ontwerpvereisten en parameters.

Naast interne tests door autofabrikanten en eerstelijnsleveranciers, worden automotive testopstellingen ook gebruikt door gespecialiseerde testhuizen. Zo heeft Horiba Mira uitgebreide ervaring in het leveren van test engineering services aan de wereldwijde auto-industrie, het testen volgens regelgeving en standaarden, klantspecifieke eisen en het ontwikkelen van passende testprocedures en -methoden. Deze organisatie beschikt over maar liefst 37 grote testfaciliteiten, waaronder een uitgebreide set veiligheidslaboratoria (crash, impact simulation, voetganger); milieuvoorzieningen voor voertuigen en onderdelen; een volledige aerodynamische windtunnel; voertuig en component EMC (elektromagnetische compatibiliteit); en testlaboratoria voor componenten en structuren.

Frequentieregelaars met wisselstroom zijn zeer geschikt voor toepassingen op testopstellingen, omdat ze kunnen worden gebruikt om reële omstandigheden op een zeer dynamische, nauwkeurige, lineaire en herhaalbare manier te simuleren. Ze reageren zeer snel en kunnen snel stoppen en beginnen om snelle gebeurtenissen te repliceren.

Regeneratieve aandrijvingen worden vaak gebruikt, zodat de aandrijving elektrisch vermogen kan regenereren wanneer de motor energie opneemt of een belasting levert, deze energie teruggeeft aan de voeding en de operationele kosten verlaagt.

Alle aandrijvingen die in deze toepassingen worden gebruikt, moeten worden geoptimaliseerd voor energie-efficiëntie en hoge regelprecisie, met een lage rimpelspanning en -stroom. Een uitstekende koppelrespons is van vitaal belang, omdat aandrijvingen vaak worden gebruikt als koppelversterkers, dus de tijd vanaf de koppelreferentie tot het koppel op de motoras moet worden geminimaliseerd - hoe nauwer het werkelijke koppel de koppelreferentie volgt, hoe gemakkelijker het is voor het besturingssysteem dat moet worden bestuurd en dus hoe beter de algehele prestaties van de testopstelling.

De rollenbank

De meest voorkomende typen autotestbanken zijn chassisdynamometers, motordynamometers en transmissieplatforms. Bij het testen van een chassisdynamometer wordt meestal één aandrijving en motor per as of wiel van de testeenheid gebruikt, afhankelijk van het type test dat wordt uitgevoerd.

CP Engineering produceert testsystemen voor motor- en chassisdynamometers, transmissietestsystemen en andere testopstellingen voor de automobielindustrie. Het heeft systemen geleverd aan veel toonaangevende bedrijven in deze sector, waaronder Castrol, Cosworth Technology, Delphi en Shell.

De analoge interface van het op Windows NT gebaseerde besturings- en dataloggingsysteem van CP is gesynchroniseerd met de closed-loop vectorbesturing van de drive. De testsystemen vereisen realtime controle en verwerking die nauwkeurig is gesynchroniseerd om hetzelfde belasting-/snelheidsprofiel te geven als een echt voertuig. De respons van de regellus moet dus consistent binnen een bepaalde cyclustijd blijven - typisch 3,25 ms. De omvormer moet ook in staat zijn om te rijden om overloopomstandigheden te simuleren.

Startsoftware biedt bescherming voor de aandrijfas. Terwijl de motor aanslaat en accelereert, schakelt de aandrijving over op koppel nul om het stationair draaien van de motor te simuleren. Dit kan blijkbaar niet met conventionele dynamometers en geeft CP een concurrentievoordeel.

Testbanken voor rollend wegen en remmen

Hier worden verschillende testprofielen en circuits gesimuleerd en voorgeprogrammeerd om de rijweerstanden zo realistisch mogelijk weer te geven, zoals remmen, starten of rijden in bochten, cross-country en off-road rijden. Interne en veiligheidsgerelateerde voertuigfuncties zoals antiblokkeerremsystemen (ABS) en elektrische stuurbekrachtiging (EPS) worden ook getest. Door snelle responscompensatie worden zeer nauwkeurige en reproduceerbare metingen verkregen door rekening te houden met de wrijving, elektrische en thermische afhankelijkheden en traagheidsmomenten over de gehele aandrijflijn.

Motortestbanken

Aandrijfsystemen worden gebruikt in motortestbanken, zowel in ontwikkelingscentra als in de motorproductie. Zoals bij elke testbank, is het essentieel om de dagelijkse bedrijfsomstandigheden nauwkeurig te simuleren.

Er zijn specifieke eisen aan de kwaliteitsbeoordeling van verbrandings- en elektromotoren, zoals verschillende testpatronen en toerentallen, koppel- en tegenkoppelcycli, duurtests of kortdurende belastingen.

Frequentieomvormers kunnen nauwkeurig de vereiste koppelkromme creëren, terwijl ze ook de energie die wordt gegenereerd in de verbrandingsmotor recyclen, waardoor de elektrische netvoeding wordt gespaard van sinusvormige netstromen.

Testingenieurs kunnen het testmonster ook onderwerpen aan specifieke snelheden en koppels die resonanties en technologische limieten blootleggen.

Transmissie/Versnellingsbak-testbanken

Hier worden de koppelpulsen en loopeigenschappen van een verbrandingsmotor toegepast op de transmissie/versnellingsbak die wordt getest. Door alle aandrijfcontrollers te netwerken op realtime Ethernet, zorgt de noodzakelijke synchronisatie van de stroom- en snelheidsregelcircuits van de omvormer ervoor dat de testresultaten de werkelijke omstandigheden weerspiegelen. Dit vermijdt de noodzaak van ongewenste balansaanpassingen in het besturingssysteem.

Vermogenselektronica dient als in- en uitgangsaandrijvingen voor een breed scala aan transmissie-/versnellingsbaktypes. Vier laadmachines vervangen het wiel/wegsysteem en vertegenwoordigen het rijprofiel, terwijl een invoeraandrijving de verbrandingsmotor simuleert.

Engine Torque Pulsation Simulation (ETPS) bootst de verbrandingsmotor na op een ontwikkelingstestbank. Om aan de hoge eisen voor dit type testbank te voldoen, worden synchrone permanentmagneetmotoren en asynchrone motoren met een lage massatraagheid gebruikt.

Testapparatuur voor elektrische voertuigen

Nieuwe ontwikkelingen vragen om nieuwe testtechnieken. De aandrijflijn van hybride en elektrisch aangedreven voertuigen, bestaande uit de voertuigomvormer, motor/motor en transmissie/versnellingsbak, kan worden getest als een compleet systeem, allemaal aangesloten in een gemeenschappelijke DC-busconfiguratie waarmee geregenereerd vermogen (bijvoorbeeld tijdens het remmen) kan worden opnieuw gecirculeerd.

Voor een bepaald geïnstalleerd motorvermogen betekent dit dat het nominale vermogen van de netgekoppelde omvormer wordt geminimaliseerd, wat zowel kapitaal als energiekosten bespaart. Een belangrijk kenmerk van het systeem is dat alle regelkringen gesynchroniseerd zijn, wat het risico op systeemresonanties aanzienlijk vermindert.