Hoe aandrijvingen en motoren auto-testrigs aandrijven

Testrigs worden uitgebreid gebruikt in de auto- en luchtvaartindustrie, een verscheidenheid aan voertuigen testend. Andy Pye kijkt naar hoe aandrijvingen & motoren binnen deze systemen gebruikt worden.

Typische toepassingen in de auto-industrie waarvoor aandrijvingssystemen worden gebruikt omvatten

• Rolweg teststands voor de auto- en motorfietsindustrie
• Motor teststands – voor de productie van elektrische en verbrandingsmotoren
• Transmissie/Versnellingsbak teststands voor leveranciers aan de auto- en machinefabriekindustrie
• Elektrische voertuig teststands – met DC-voorziening om de voertuiginverter te voeden

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

Naast in-house testing door autofabrikanten en eerste-tier leveranciers, worden auto-testrigs ook gebruikt door specialistische testhuizen. Bijvoorbeeld, Horiba Mira heeft uitgebreide ervaring in het leveren van test engineering diensten aan de mondiale auto-industrie, testen aan regels en standaarden, aan klant-specifieke vereisten en in de ontwikkeling van passende testprocedures en methoden. Deze organisatie beschikt over niet minder dan 37 grote testfaciliteiten, inclusief een uitgebreide set veiligheidslaboratoria (crash, impactsimulatie, voetganger); voertuig- en component omgevingsfaciliteiten; een voll-schaal aerodynamische windtunnel; voertuig- en component EMC (elektromagnetische compatibiliteit); en component- en structuurtstlabs.

AC variabele-snelheidsaandrijvingen zijn zeer goed geschikt voor testrig-toepassingen, aangezien ze kunnen worden gebruikt om echte condities te simuleren op een hoogdynamische, nauwkeurige, lineaire en herhaalbare manier. Ze zijn zeer responsief en kunnen snel stoppen en starten om hoge-snelheidsevenementen te repliceren.

Regeneratieve aandrijvingen worden vaak gebruikt, zodat de aandrijving in staat is om elektrisch vermogen te regenereren wanneer de motor energie absorbeert of een belasting levert, deze energie terugvoert naar de voorziening en operationele kosten verlaagt.

Alle aandrijvingen gebruikt in deze toepassingen moeten geoptimaliseerd zijn voor energie-efficiëntie en hoge controleprecisie, met lage rimpelspanning en -stroom. Uitstekende koppelrespons is vitaal, omdat aandrijvingen vaak als koppelversterkers gebruikt worden, dus de tijd van de koppelreferentie tot het koppel op de motoras moet geminimaliseerd worden – hoe nauwer het werkelijke koppel de koppelreferentie volgt, hoe makkelijker het is voor het besturingssysteem om te controleren en dus hoe beter de algehele testrig-prestaties.

Het chassis-dynamometer

De meest voorkomende typen auto-testrigs zijn chassis-dynamometers, motor-dynamometers en transmissie-rigs. Chassis-dynamometer testen gebruikt meestal één aandrijving en motor per testunit-as of wiel, afhankelijk van het type test dat wordt uitgevoerd.

CP Engineering produceert motor- en chassis-dynamometer testsystemen, transmissie-testsystemen en andere testrigs voor de auto-industrie. Het heeft systemen geleverd aan veel toonaangevende bedrijven in deze sector, inclusief Castrol, Cosworth Technology, Delphi en Shell.

CP's 'Cadet' Windows NT-gebaseerde controle- en datalogging-systeem's analoge interface is gesynchroniseerd met de aandrijving's gesloten-lus vectorcontrole. De testsystemen vereisen real-time controle en verwerking die precies gesynchroniseerd is om hetzelfde belasting/snelheidsprofiel te geven als een echt voertuig. De respons van de besturingslus moet dus consistent binnen een gegeven cyclusduur blijven – typisch 3,25ms. De aandrijving moet ook in staat zijn om te motoren om overloopcondities te simuleren.

Opstartsoftware biedt bescherming voor de aandrijfas. Als de motor ontbrandt en versnelt, schakelt de aandrijving naar nul koppel om motor-tikover te simuleren. Blijkbaar kan dit niet met conventionele dynamometers gedaan worden en geeft CP een competitief voordeel.

Rolweg en rem-teststands

Hier worden verschillende testprofielen en banen gesimuleerd en vooraf geprogrammeerd om rijweerstand zo realistisch mogelijk te reproduceren, inclusief remmen, opstarten of bochten rijden, cross-country en off-road. Interne en veiligheidsgerelateerde voertuigfuncties zoals Antiblokkeersystemen (ABS) en Elektrische stuurassistentie (EPS) worden ook getest. Door snelle-respons compensatie, worden hoogst nauwkeurige en reproduceerbare metingen verkreken door rekening te houden met wrijving, elektrische en thermische afhankelijkheden, en massamomenten over de gehele aandrijflijn.

Motor-teststands

Aandrijvingssystemen worden gebruikt in motor-teststands, zowel in ontwikkelingscentra als in motorproductie. Als met elke teststand, is de sleutel om alledaagse operatiecondities nauwkeurig te simuleren.

Er zijn specifieke eisen voor de kwaliteitsbeoordeling van verbrandings- en elektricemotoren, zoals verschillende testpatronen en snelheden, koppel en tegenkoppel cycli, uithoudingstests of korte-termijnbelasting.

Frequentieomvormers kunnen de vereiste koppelkurve nauwkeurig creëren, terwijl ze ook de energie die gegenereerd wordt in de verbrandingsmotor recycleren, waardoor het elektrische net wordt gespaard van sinusoïdale netstromen.

Testingenieurs kunnen het testmonster ook blootstellen aan specifieke snelheden en koppels die resonances en technologische limieten blootleggen.

Transmissie/Versnellingsbak teststands

Hier worden de koppelpulseringen en draaikarakteristieken van een verbrandingsmotor toegepast op de transmissie/versnellingsbak die getest wordt. Door alle aandrijvingscontrollers op real-time Ethernet te netwerken, zorgt de benodigde synchronisatie van de inverter-stroom- en snelheidsbesturingscircuits ervoor dat de testresultaten echte condities reflecteren. Dit vermijdt de noodzaak voor ongewenste balansaanpassingen in het besturingssysteem.

Vermogenelektronica dienen als in- en uitgangsaandrijvingen voor een wijd verscheidenheid aan transmissie/versnellingsbak types. Vier belastingmachines vervangen het wiel/weg-systeem en vertegenwoordigen het rijprofiel, terwijl een invoeraandrijving de verbrandingsmotor simuleert.

Engine Torque Pulsation Simulation (ETPS) hercreëert de verbrandingsmotor op een ontwikkelings-teststand. Om aan de hoge eisen voor dit type teststand te voldoen, worden lage-inertie permanente-magnet synchrone motoren en asynchrone motoren gebruikt.

Testapparatuur voor elektrische voertuigen

Nieuwe ontwikkelingen vereisen nieuwe testtechnieken. Het aandrijvingssysteem op hybride en elektrisch aangedreven voertuigen bestaande uit de voertuiginverter, motor/motor en transmissie/versnellingsbak, kan als een compleet systeem getest worden, allemaal aangesloten in een gemeenschappelijke DC-bus configuratie die geregenereerd vermogen (bijv. tijdens remmen) toelaat te hercirculeren.

Voor een gegeven geïnstalleerd motorvermogen, betekent dit dat de net-aangesloten inverter's vermogensnominale waarde geminimaliseerd wordt, wat kapitaal- alsmede energiekosten bespaart. Een kernkenmerk van het systeem is dat alle besturingslussen gesynchroniseerd zijn wat het risico op systeemresonanties significant vermindert.