2. Визначення крутний момент і потужність двигуна

Ефективна потужність, що розвивається автомобільний двигун при випробуваннях, повинна поглинатися зовнішнім опором. При стендових випробуваннях автомобільних двигунів для цієї мети служить спеціальний пристрій, зване гальмом.

Гальма бувають різних типів. Незалежно від принципу дії гальмо складається з ротора, сполученого з колінчастим валом двигуна, і статора, який має в основному балансирних підвіску, тобто він закріплений в стійках на підшипниках і може здійснювати кутові переміщення навколо осі ротора.

Балансована підвіска статора гальма дозволяє йому, крім виконання функцій навантажувального пристрою, приводити в дію пристрій для вимірювання розвинутого двигуном крутного моменту - динамометр.

Якщо гальмо не має балансованої підвіски, що розвивається, двигуном крутний момент вимірюють динамометром, принцип дії якого заснований на вимірюванні кута закручування з'єднувального вала гальма з двигуном під дією переданого валом крутного моменту. Такі випробувальні установки дозволяють вимірювати не тільки середні, а й миттєві значення крутного моменту.

Знаючи значення розвинутого двигуном крутного моменту М_е (Н • м) при заданій частоті /L. (хв.^-1) або швидкості ω (рад / с) кручення колінчастого вала, можна визначити реалізовану ефективну потужність за формулами:

(1)

(2)

Для випробування автомобільних двигунів зазвичай застосовують гідравлічні, електричні та індукторні гальма.

При виборі гальма того чи іншого типу враховують, наскільки повно гальмо даного типу відповідає основним вимогам, що пред'являються до гальмівних установкам. Гальмо, що застосовується при випробуваннях автомобільних двигунів, повинно забезпечувати:

1) гальмування двигуна на всіх можливих режимах його роботи;

2) стабільне гальмування, підтримуючи досить довго незмінним гальмівний момент;

3) стійке гальмування, зберігаючи заданий швидкісний режим у випадку невеликих короткочасних змін навантаження;

4) плавне регулювання поглинається гальмом потужності у всьому діапазоні частоти обертання вала випробуваного автомобільного двигуна;

5) дистанційне регулювання створюваної гальмом навантаження на автомобільний двигун;

6) при необхідності прокручування вала випробуваного автомобільного двигуна або його прокручування від стороннього джерела енергії, комплексну механізацію та автоматизацію випробувань;

7) можливість корисного використання енергії, одержуваної від автомобільного двигуна в процесі гальмування, і менший рівень шуму.

Основним критерієм при виборі гальма є відповідність зовнішніх характеристик-гальма і випробуваного автомобільних двигунів.

Характеристика гальма - це залежність гальмівної потужності або гальмівного моменту від частоти обертання вала ротора. Як приклад на рис. I показана характеристика гідравлічного гальма. Можливий діапазон поглинання потужності даними гальмом визначається замкнутим контуром оавса. Основна умова використання гальма для навантаження АД соотоіт в тому, що зовнішня швидкісна характеристика АД полягає в тому,що зовнішня швидкісна характеристика АД N_e=f(n) повинна вписуватися всередині робочого поля характеристики гальма, як це показано на рис. I. У цьому випадку гальмо зможе поглинати розвивається АТ потужність на всіх режимах його роботи. Більш детальний аналіз характеристик гальм деяких типів наведено далі.

У гідравлічних гальмах поглинається потужність витрачається на здійснення гідродинамічної роботи і на тертя ротора про рідину. Енергія витрачається на нагрівання рідини в гальмі. В якості рідини в гідравлічних гальмах зазвичай використовується вода, так як вона має високу теплоємність і в'язкість її трохи залежить від температури .

За особливостями конструкції гідротормоза ділять на дискові, лопатеві, гідравлічного гальма штифтові, плівкові й об'ємні. При випробуваннях автомобільних двигунів найбільше pозповсюдження отримали штифтові і лопатеві гальма.

На рис. 2 показана схема гідравлічного штифтового гальма. Основними його вузлами є ротор 9 і статор 8. Вал ротора крутиться в підшипниках статора 3 і 10. Статор встановлений на підшипниках 2 і 11, закріплених в стійках I і 12, і має можливість повертатися навколо осі ротора. На ободку ротора в кілька рядів розташовані три або чотиригранні штифти 6. З внутрішньої сторони статора укріплені такі ж штифти 7, між якими з деяким зазором обертаються штифти ротора.

Через бічну кишеню до маточини ротора подається вода. При обертанні ротора вода захоплюється ним і відкидається до периферії барабана, проходить через отвір в ободку барабана і утворює кільцевий слой, який захоплюється штифтами ротора в обертальний рух. Штифти статора розсікають кільцевий шар води, чинячи опір обертанню ротора.

Реакція всіх сил опору обертанню ротора, включаючи також тертя в підшипниках і сальниках останнього, передається на статор і прагне повернути його в напрямку обертання ротора. Перевертальна дія реактивних сил врівноважується вантажем динамометра, котрий з'єднаний з важелем, змонтованим на статорі гальма. У випадку роботи автомобільного двигуна на сталому режимі статор утримується в відповідному положенні і за допомогою динамометра вимірюється момент реакції статора, рівний розвитому автомобільним двигуном до крутного моменту.

Потужність, що поглинається гальмом, залежить від кількості води, на пестячи всередині нього, яке регулюється краном 5, розташованим на підвідної трубі, і зливним золотником 13.

Вода повинна подаватися в гальмо з постійним натиском. Ця умова забезпечується в тому випадку, якщо підведення води здійснюється з бака постійного рівня, піднятого на 3 .. м над віссю гальма, або з окремого насоса, який підтримує заданий тиск. Постійний рівень води в баку підтримується за допомогою поплавкового пристрою.

Якщо напір води не постійна, наприклад у випадку подачі води з водопровідної мережі, це призводить до коливань поглинається потужності. При малих наповнення гальма водою навіть незначні відхилення в режимі її подачі призводять до порушення стабільності гальмування, що є одним з недоліків штифтових гальм. Недоліком цих гальм є також збільшення шуму випробувальної установки при великих навантаженнях, що викликається вібрацією штифтів.

Порівняльна простота конструкції, велика енергоємність при невеликих габаритах і реверсивності штифтових гальм дозволили широко використовувати їх при випробуваннях АД.

Лопатевої гальмо по конструкції нагадує звичайну гідромуфту. У роторі гальма на обох його бічних поверхнях, а також в статорі є кишені напівеліптичних форми. Кишені розділені радіальними лопатками.

При обертанні ротора вода під дією відцентрових сил рухається від центру до периферії ротора по поверхні його кишень і відкидається в кишені статора, де гальмується і знову повертається до центру, а потім знову захоплюється ротором. Таким чином встановлюється циркуляція води. При цьому в роторі вода набуває енергію »а в статорі - втрачає її і нагрівається.

Лопатеві гальма працюють за принципом повного заповнення статора водою. При цьому гальмівний момент регулюється зміною активною. Поверхні ротора за допомогою заслінок - шиберів, що вводяться в зазор між ротором і статором.

Оскільки внутрішня порожнину лопатевого гальма повністю заповнена водою, коливання тиску в мережі майже не позначаються на його характеристику. Це дозволяє живити таке гальмо водою безпосередньо але від водопровідної: мережі, причому і в цьому випадку гальмо буде забезпечувати стабільне гальмування на всіх навантажувальних режимах. Лопатеві гальма найбільш енергоємні з гідравлічних гальм, проте вони відрізняються складністю конструкції.

Теоретична характеристика гідравлічного гальма представляє собою криву, близьку до параболи, тобто.

N_Т=аn³

М_Т=аn²

де N_Т , і М_Т відповідно гальмівна потужність і гальмівний момент;

а, - коефіцієнт пропорційності, постійний для даного гальма.

Дійсна зовнішня характеристика гідравлічного гальма показана на рис I. Ділянка О_а і відповідає роботі гальма при повному навантаженні з теоретичної характеристиці. У точці а гальмівний момент досягає максимальною, величини, з якої, розраховують ротор і статор гальма на міцність. На ділянці ав потужність збільшується за прямолінійним законом за рахунок підвищення частоти обертання вала при постійному гальмовому моменті, рівним його значенням в точці а. У точці в поглинаюча потужність обмежується допустимою температурою нагріву води, яка повинна підтримуватися на виході з гальма в межах 50...57 ° С. На ділянці вс обороти збільшуються при постійній потужності внаслідок зменшення гальмівного моменту. У точці С число обертів ротора обмежується його міцністю. Лінія cd характеризує зменшення гальмівної потужності при постійному максимально допустимому числі оборотів ротора. Ділянка do відповідає потужності, що поглинається при відсутності води в гальмі, за рахунок втрат на тертя в підшипниках, опору повітря обертанню ротора і т.д.

Електричне гальмо являє собою звичайну електричну машину, в якій статор має балансирних підвіску. Як гальм використовуються електричні машини як постійного, так і змінного струму. При цьому вони називаються відповідно гальмами постійного і змінного струму.

До перших з них відносяться електричні машини постійного струму з незалежним збудженням. Вони можуть працювати як в режимі генератора, так і в режимі двигуна, що є одним з важливих переваги електричних гальм.

При роботі машини у режимі генератора механічна енергія випробувального двигуна перетвориться в ній в електричну. Гальмування автомобільного двигуна здійснюється внаслідок взаємодії магнітних полів якоря і статора. Сприйманий статором реактивний момент, рівний крутному моменту автомобільного двигуна, вимірюється за допомогою динамометра. Застосування в якості гальм електричних машин дозволяє використовувати напрацьовану ними електричну енергію. Це має велике практичне значення і дає значний економічний ефект при експлуатації випробувальних станцій з великим обсягом випробувань.

Якщо електрична машина живиться енергією від зовнішнього джерела струму, вона буде працювати в режимі двигуна і може прокручувати колінчастий вал випробуваного двигуна, що необхідно для холодної обкатки його після складання, визначення механічних втрат у ньому і т.д. У цьому випадку машина перетворює електричну енергію в механічну. У результаті взаємодії магнітних полів якоря і статора реактивний момент, що виникає, на статорі, прагне повернути його в напрямку, протилежному обертанню якоря.

Момент реакції статора, вимірюваний про допомогою динамометра, дорівнює обертовому моменту, що витрачається на прокручування вала випробуваного АД.

Електричні гальма можуть бути із небалансуючою підвіскою статора. При цьому для визначення потужності, що поглинається гальмом, вимірюється напруга U на затискачах генератора і струм якоря I.

Тоді

N_T=IU/ ,

де ƞ_r ККД генератора.

Як видно з формули (3), для визначення потужності необхідно знати ККД генератора, який залежить від навантаження та частоти обертання вала. Це ускладнює використання не балансуючих машин для гальмування АД. Їх застосовують у тих випадках, коли немає необхідності досить точно визначати потужність артеріального тиску, наприклад при обкатці АД після збірки на заводах.

Момент опору, який створюється гальмом постійного струму, регулюється зміною сили струму збудження. Це дозволяє порівняно легко автоматизувати і програмувати при необхідності процес випробувань. Крім того, такі гальма дозволяють плавно і в широких межах регулювати режими роботи випробовуваних АД.

В якості електричних гальм змінного струму можуть застосовуватися асинхронні і синхронні електричні машини, регульовані за допомогою реостатів і різних машинних перетворювачів З метою забезпечення плавного регулювання застосовуються рідинні реостати, які не забезпечують потрібних меж регулювання, громіздкі і не зручні в експлуатації. Регулювання, засноване на застосуванні частотних перетворювачів і електромагнітних муфт ковзання, забезпечує плавну зміну режимів роботи, двигуна в широких межах, проте при цьому ускладнюється гальмівна установка. Внаслідок наявності в електрогальмах змінного струму зазначених недоліків вони не отримали широкого розповсюдження при випробуваннях АД.

Теоретична характеристика електричного гальма.

N_Т=вn²

або

М_Т=вn

Де в - постійна для даного гальма величина.

Зовнішня характеристика електричного гальма показана на рис. 3. Ділянка Оа відповідає роботі гальма з теоретичної характеристиці при повному порушенні. На ділянці ав збільшення кутової швидкості вала гальм можливе тільки при постійній потужності, яка обмежується умовами нагріву обмоток якоря. У точці в кутові швидкість обмежується за умовами механічної міцності обмоток якоря, внаслідок чого на ділянці вс гальмівна потужність і момент зменшуються при постійній частоті обертання вала. Лінія со відповідає гальмуванню при відсутності збудження за рахунок взаємодії залишкових магнітних полів статора і ротора, а також механічних втрат.

Динамометри. Для вимірювання крутного моменту, що розвивається АД, можуть застосовуватися механічні, гідравлічні і електричні динамометри. При випробуваннях АД для вимірювання сталого крутного моменту найбільш широко застосовуються механічні динамометр. маятникового і квадрантного типів. Замір крутного моменту цими динамометрами зводиться до вимірювання сили, прикладеної до важеля статора гальм, у точці з'єднання важеля з тягою динамометра.

Принцип дії маятникового динамометра полягає в наступному До плеча Q (рис. 4) двухплечового важеля за допомогою тяги прикладається вимірювальна сила Р. На плечі в закріплений врівноважуючий вантаж Q. При повороті статора гальма маятник відхиляється на певний кут . Система прийде в рівновагу, коли момент від сили Р буде дорівнювати моменту від сил Q відносно точки О підвісу, тобто .

,

звідки

(5)

На шкалі динамометра відраховується вимірюване зусилля Р, яке можна визначити »крутний момент двигуна

(6)

де - довжина плеча гальма.

Підставляючи (6) в (1) і (2), одержуємо

Для маятникових динамометрів значення сили P [(див. формулу (5)] пропорційно тангенсу кута відхилення маятника, внаслідок чого шкала таких динамометрів нерівномірна, що є одним з їх недоліків. Крім того, через наявність тертя в шарнірах точність вимірювання за допомогою маятникових динамометрів порівняно невисока. Завдяки реверсивності маятникових динамометрів, простоті пристрою і обслуговування, їх використовують при випробуваннях, коли вимоги до точності вимірювань порівняно невисокі.

Більш точні результати вимірювань отримують при використанні квадрантних динамометрів »Схема квадратних динамометрів показаних на рис. 5.Квадрантні динамометр має два маятника 1, укріплених на кулаках-квадрантах 2, які підвішені на тонких сталевих стрічках 3 до напрямних 7, закріпленим у корпусі терез. Зусилля, що діє на важелі статора гальма, передається через балансир 9 і дві сталеві стрічки 8 кулачка 6, конструктивно об'єднаним з квадрантами 2. У стані спокою маятники займають положення, показане штриховою лінією, тобто відхиляються від вертикалі на кут , а їх центри тяжіння співпадають по вертикалі з точками підвіса стрічки 3. Під дією зусилля Р маятники будуть здійснювати складні рухи, перекочуючись по сталевих стрічки 3 квадрантами 2, відхиляючись від положення рівноваги на кут і піднімаючись вгору на висоту . Точка прикладання сили Р при цьому зміститься вниз на величину . Рівновага системи при сталому режимі роботи двигуна буде досягнуто при

(7)

Із формули (7) випливає, по-перше, що при близьких розмірах невеликими вантажами Q можна врівноважувати великі сили Р по-друге, тому що сила Р пропорційна синусу кута відхилення маятників, то шкала у квадрантних динамометрів буде набагато рівномірніше, ніж у маятникових. Практично шкалу, за якою проводиться відлік показанні вагових пристроїв за допомогою покажчика 4, що приводиться в рух від зубчастої рейки 5, можна вважати цілком рівномірної при .

Квадратні динамометри нереверсивні і для вимірювання сили яка може змінювати свій знак, вони використовуються в поєднанні з реверсивною важільної системи (рис. 6). Важіль 9, закріплений, на статорі балансованого гальма має на кінці траверсу до якої вмонтовані призми 3 та 10 на котру спираються підвіски 2 і 11 з'єднані важелем 1, закріпленим шарнірно на рамі механізму. При будь-якому напрямку сили, прикладеної до важеля 9, зусилля на динамометр буде передаватися в одному напрямку. Через важіль 5 зусилля впливає на покажчик динамометра 6. Пружина 6 і вантажів 7 включається в систему для зменшення коливань стрілки динамометра в тих випадках, коли випробуваний двигун схильний вібрації, а також при значних коливаннях крутного моменту.

Крім того, для гасіння коливань крутного моменту і вібрацій у вагових пристроях будь-якого типу можуть включатися демпфери, зазвичай представляють собою циліндр, заповнений маслом малої в'язкості. У циліндрі з деяким зазором переміщається демпферний поршень.

Тарування шкали і визначення ефективної потужності двигуна при використанні динамометрів квадрантного типу проводиться аналогічно, як і при використанні маятникових динамометрів.

Вагові головки з циферблатним відліковим пристроєм зручні і надійні в експлуатації, хоча вимагають ретельного захисту їх зчленувань від вологи і пилу і ще більш ретельного усунення в них люфтів . Конструкція вагових головок, як правило допускає повертання їх близько вертикальної осі в будь-яке положення , що дозволяє спостерігати за показаннями під найбільш вигідним кутом зору незалежно від місця знаходження спостерігача.