4wd-prüfstände mit gekoppelten achsen

Die Evolution der Leistungsprüfstände. Die Evolution der Fahrzeugelektronik und der Bau erster Prüfstände mit gekoppelten Achsen gehen auf die 90er Jahre zurück.

Mitte der 90er Jahre haben die Automobilhersteller dann begonnen, in ihre Fahrzeuge elektronische Systeme zur Antriebsschlupfregelung einzubauen, die im Laufe der Jahre immer ausgeklügelter wurden (TCR, ASR, ESP usw.).
Bei diesen Systemen, die verschiedenen Zwecken dienen und in verschiedenen Modalitäten arbeiten, wird die vom Fahrzeug erbrachte Leistung zugunsten der Straßenlage und Stabilität des Fahrzeugs während der Fahrt reduziert. Doch eben aufgrund dieser Systeme wurde es damals dann so schwierig, ein Fahrzeug mit Allradantrieb auf Prüfständen mit nicht gekoppelten Achsen zu testen, da nämlich keine Funktion zur Deaktivierung der Traktionskontrolle vorgesehen war (mit dem Risiko falscher Testergebnisse, weil nicht die gesamte Motorleistung verfügbar war).

Um dieses Problem zu lösen, wurden in den 90er Jahren Prüfstände mit gekoppelten Achsen gebaut, in der Überzeugung, dass damit ein Produkt geschaffen wurde, mit dem die Bedingungen der Fahrt auf der Straße einwandfrei simuliert werden konnten. Entsprechend diesem Prinzip HÄTTE man in der Lage sein MÜSSEN, jedes Fahrzeug schnell und fehlerfrei testen zu können, ohne sich weiter um das Eingreifen der Traktionskontrolle kümmern zu müssen.

Doch die Produkte entsprachen nicht den Erwartungen, da sie sich als einfach in der Anwendung darstellten, was aber auf Kosten der Genauigkeit der Messungen und der Wiederholbarkeit der Tests ging.

UNGENÜGENDE Genauigkeit bei Messungen an Prüfständen mit gekoppelten Achsen

Jeder gekoppelte Prüfstand muss den zusätzlichen Trägheiten Rechnung tragen, die durch die Übertragungsorgane und entsprechende Reibung entstehen, wodurch die Fähigkeit einer genauen Messung auf jeden Fall beeinträchtigt wird. Allgemein gesprochen ist – abgesehen von den Problemen mit der perfekten Synchronisierung der Achsen – auch die Tatsache in Betracht zu ziehen, dass eine erhöhte Trägheit immer mit einer geringeren Genauigkeit der Messungen einhergehen wird. Und einer geringen Kontrolle der verschiedenen Reibungen (Übertragungsorgane) wird eine geringere Wiederholbarkeit der Tests entsprechen.

Bei einer Vielzahl von auf dem Markt angebotenen technischen Lösungen können keine Testergebnisse mit Toleranzwerten von unter +/- 10% gewährleistet werden, wodurch die Prüfstände praktisch nutzlos sind (viele Anwender versuchen, sich mit Lösungen wie wiederholten Tests zu behelfen, was Zeit und Energie kostet, oder sie nehmen Berechnungen mit ‚gewichteten Durchschnittswerten‘ vor).

Die Prüfstände mit einfach gekoppelten Achsen (ohne elektrische Traktionssysteme) versprechen, jedes Fahrzeug testen zu können. Dabei können sie jedoch nicht die erforderliche Präzision gewährleisten, denn sie sind nicht in der Lage, die Bedingungen auf der Straße zu simulieren, weil die Elektronik bei diesen Systemen unkontrolliert auf die Motorleistung einwirkt (was zu einer Verfälschung der Testergebnisse führt).

EINFACHER GESAGT: Wenn die Elektronik des Fahrzeugs ‚fühlt‘, dass sich Vorder- und Hinterachse synchron drehen, sollte sie nicht eingreifen, eben weil die (theoretischen) Bedingungen während der Fahrt auf der Straße simuliert werden und keine Anomalie vorliegt, welche die Stabilität des Fahrzeugs beeinträchtigen könnte.

TECHNISCHE UNMÖGLICHKEIT, EINE PERFEKTE SYNCHRONIE ZU SCHAFFEN: Die Erwartungen, die in das Produkt gesetzt wurden, müssen jedoch den unvermeidlichen technischen Schwierigkeiten bei seiner Anwendung standhalten. Aufgrund der ständig steigenden Sensibilität der elektronischen Kontrollsysteme können auch kleinste Abweichungen erfasst werden, wodurch die Motorleistung reduziert und der Test ungültig wird.

Die Gewährleistung einer perfekten Synchronie bei gleichzeitiger Präzision der Messungen ist technisch unmöglich, soweit man nicht zu Technologien und Lösungen greift, die wesentlich komplexer und kostspieliger sind als bei den heute auf dem Markt angebotenen Geräten (so gibt es zum Beispiel von Elektromotoren angetriebene Prüfstände für den Bereich Zulassungen, die mit hohen Kosten in Anschaffung und Betrieb verbunden sind, angefangen bei der Installation und Wartung bis hin zu umfangreichen Anpassungen des Stromnetzes bei Mindestanforderungen von 60 kWh, während unsere Prüfstände mit 7 kWh auskommen).

Ein einfacher Test mit einem Fahrzeug mit eingeschaltetem ESP-System kann die obigen Ausführungen verdeutlichen: Während des Tests werden Sie beobachten können, dass die Kontrollleuchte auf dem Armaturenbrett aufleuchtet, was zu einer Reduzierung der Motorleistung führt. Das Ergebnis ist ein ungültiger Test, der nicht die reale Motorleistung wiedergibt.

Doch auch wenn die genannte Elektronik nicht eingreifen sollte, könnten bei dieser Art von Prüfstand keine ausreichende Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Tests gewährleistet werden.

Im Rahmen jüngster Entwicklungen wurden neue Kontrollsensoren (wie zum Beispiel Gyroskope) im Fahrgastraum installiert, eine weitere technische Neuerung, die – wie auch die Neuerungen, die noch folgen werden und heute noch nicht vorhersehbar sind – die Wirksamkeit der Lösung mit dem ‚gekoppelten‘ Prüfstand immer weiter einschränken wird. Daher geht die Entwicklung jetzt in die Richtung elektronischer Lösungen, welche derartige Sensoren während der Tests auf dem Prüfstand ausschließen können (erste Schritte sind schon getan, was auch den immer strengeren Umweltschutzvorschriften zuzuschreiben ist).

Weitere Entwicklungen im Bereich Elektronik (auch zur Steigerung der aktiven und passiven Sicherheit der Fahrzeuge) sehen schließlich ein engeres Zusammenwirken zwischen den verschiedenen Steuergeräten des Fahrzeugs vor. So entwickeln die Hersteller heute Protokolle, die einer erhöhten Kontrolle und einem besseren Zusammenwirken der verschiedenen Systeme dienen, wobei die gemeinsame Zielsetzung (zum Beispiel) darin besteht, die Reduzierung der vollen Motorleistung dann zu verfügen, wenn ein Signal von einem der ‚peripheren‘ Steuergeräte vorliegt.

Der Body-Computer würde dies als Fehler auslegen und die Motorleistung dementsprechend reduzieren (wodurch das Testen von Fahrzeugen auf Prüfständen ohne geeignete Systeme zum Ausschalten der elektronischen Kontrollen noch schwieriger werden würde).

Genau aus diesem Grund hat Bapro nie Lösungen mit ‚mechanisch gekoppelten Achsen‘ angeboten und wird dies auch nicht tun, soweit es sich nicht um spezifische Anfragen handelt.

Bapro hat eine ELEKTRONISCHE SYNCHRONISIERUNG DER ACHSEN entwickelt und patentieren lassen, bei der unter Einsatz einer Hochfrequenzkontrolle die typische Genauigkeit unserer dynamometrischen Leistungsprüfstände gewährleistet werden kann.

Die Philosophie von Bapro ist es, Prüfstände anbieten zu können, die sich durch ihre Genauigkeit, die Wiederholbarkeit der Tests und ihre Zuverlässigkeit auszeichnen – Eigenschaften, die eine derartige technische Lösung nicht bieten kann.

Daher hat Bapro sich für die Entwicklung und Implementierung von Softwaresystemen mit der Bezeichnung DYNO MODE entschieden, die in der Lage sind, derartige Kontrollsensoren auszuschalten, sodass genaue und zuverlässige Leistungstests an der Antriebswelle vorgenommen werden können, ganz abgesehen einmal von den heutigen und zukünftigen Entwicklungen der Fahrzeugelektronik.

PRÜFSTÄNDE MIT MECHANISCH GEKOPPELTEN ACHSEN;
kritische Analyse der VOR- UND NACHTEILE der verschiedenen technischen Lösungen:

  • Hydraulische Kopplung der Achsen:Vorteile: Geringe Inertiallast, mittlere bis untere Kostenklasse

    Nachteile: Hohe Kosten für planmäßige und außerplanmäßige Wartung; keine Eigenmontage möglich; Verzögerungen der Synchronie zwischen den Achsen aufgrund technischer Einschränkungen bei der hydraulischen Übertragung, wodurch die Durchführung von Tests an Fahrzeugen mit besonders sensiblen elektronischen Kontrollen (das Eingreifen der Elektronik ist äußerst wahrscheinlich) wie auch die Wiederholbarkeit der Tests unmöglich werden.

    Die Sensibilität und Eichung des Prüfstandes können durch unterschiedlichen Betriebsbedingungen und die Viskosität des Öls im Hydrauliksystem verfälscht werden. Das gilt besonders für die Phase des ‚coast down‘ (Berechnung der Leistungsverluste), sodass es zu Messungen mit Fehlern von über 20% kommt (Test der Wiederholbarkeit der Prüfung).

    Keine Eigenmontage möglich, die Anlage ist zu komplex.

  • Mechanische Kopplung mit Kardangelenk:Vorteile: Gute Synchronisierung, mittlere Kostenklasse.

    Nachteile: Hohe Kosten, keine Eigenmontage möglich, Eingreifen der elektronischen Systeme aufgrund der hohen Inertiallast sehr wahrscheinlich, Unmöglichkeit einer genauen Bestimmung der Leistungsverluste durch Reibung der Übertragungsorgane, wodurch es zu Messfehlern von über +/- 15% kommt und keine Wiederholbarkeit des Tests gegeben ist.

    Besonders ungeeignet für Fahrzeuge mit geringer Leistung, bei denen die hohe Inertiallast die oben aufgeführten Probleme noch weiter verstärkt.

    Keine Eigenmontage möglich, die Anlage ist zu komplex. Hoher Platzbedarf aufgrund des Übertragungssystems.

  • Mechanische Kopplung mit Riemen:Vorteile: Akzeptable Synchronisierung, geringe Gesamt-Inertiallast und mittlere/untere Kostenklasse.

    Nachteile: Unmöglichkeit, die durch die Reibung der Übertragungsorgane und bei der Hysterese des Riemens entstehenden Leistungsverluste (vor allem in der Phase des ‚coast down‘) festzustellen, wodurch es zu Messfehlern von +/- 15% kommt.  Keine Wiederholbarkeit der Tests.

    Sehr wartungsaufwändig (Maschinenstillstände), da die Riemenspannungen wiederhergestellt bzw. die Riemen durch teure Ersatzriemen ausgewechselt werden müssen, damit die Leistungsfähigkeit der Anlage erhalten bleibt und ein Durchrutschen der Riemen auf der Riemenscheibe verhindert wird. (Ein derartiges Durchrutschen ist bei den meisten handelsüblichen Prüfständen festzustellen.) Häufiges Eingreifen der elektronischen Traktionskontrollen, wodurch die Wiederholbarkeit der Tests unmöglich wird.

    Keine Eigenmontage möglich, die Anlage ist zu komplex.

  • Synchronisierter Prüfstand mit ElektromotorenVorteile: Akzeptable, aber immer noch ungenügende Synchronisierung; es können fast alle Fahrzeuge bis maximal 250 PS getestet werden.

    Nachteile: Hoher Anschaffungspreis und hohe Betriebskosten (Anpassung des Stromnetzes auf mindestens 60 kWh);

    außerdem ist die Synchronisierung zum Testen von Fahrzeugen mit über 250 PS aufgrund der begrenzten Leistungen der Elektromotoren und einer Höchstbeschleunigung von nicht mehr als 2 m/s2 nicht ausreichend.

    Keine Eigenmontage möglich, die Anlage ist zu komplex. Hohe Energiekosten und hohe Kosten zum Anpassen der Anlagen (mindestens 60 kWh).