Frână dinamometrică

O frână dinamometrică este un aparat utilizat pentru măsurarea momentului mecanic și indirect puterea furnizată de un motor.

Caracteristici generale

Principalele tipuri de frână dinamometrică

Frânele dinamometrice pot fi clasificate în 3 categorii principale:

Frâne mecanice: frânele cu sabot, disc sau tambur folosesc fricțiunea dintre două corpuri în contact pentru a crea o acțiune de frânare.
Frâne hidraulice: exploatează acțiunea unui fluid (de obicei apă) pentru a crea frecare și a genera o acțiune de frânare.
Frâne electrice: mașini electrice reversibile sau cu curenți turbionari care utilizează curent electric pentru a crea o acțiune de frânare.

Componente

O frână dinamometrică se caracterizează prin principalele componente:

Rotor: fixat rigid la arborele motorului printr-o articulație.
Stator: oscilant, echipat cu un braț calibrat pentru măsurarea cuplului.
Regulator de sarcină: componentă care vă permite să reglați cuplul de frânare exercitat de frână.
Dinamometru de precizie: instrument necesar pentru măsurarea cuplului de antrenare exercitat de motor
Senzor de viteză unghiulară: instrument necesar pentru măsurarea puterii motorului supus încercării.

Frâne hidraulice

Operațiune

Frâna hidraulică a carcasei oscilante este formată din suporturi ancorate ferm la sol, o carcasă (sau stator) și un rotor. Motorul testat rotește arborele de antrenare , care poate fi poziționat imediat după volant sau după cutia de viteze în funcție de necesitățile bancului de testare, activând rotația rotorului. Odată ce rotația din interiorul statorului a început, o cantitate variabilă de lichid este introdusă de utilizator în funcție de condițiile pe care doresc să le recreez; cu cât este mai mare cantitatea de apă permisă în interiorul statorului, cu atât este mai mare cuplul de frânare.

În timpul funcționării, rotorul exercită un cuplu asupra statorului, egal cu cuplul de antrenare, care tinde să-l tragă în rotație; mișcarea este prevenită de un cuplu rezistent care se obține prin conectarea capătului brațului de forță cu un dinamometru de precizie. Dinamometrul , de obicei o bară metalică cu manometre , comprimă și permite măsurarea indirectă a cuplului rezistent cunoscând deformarea prin comprimare și, în același timp, menține carcasa blocată în raport cu rotația liberă.

Tipuri de frână hidraulică

Frânele hidraulice sunt împărțite în 2 categorii principale:

Frâne rulante: numite și frâne de tip Ranzi, au un rotor format din discuri din tablă de oțel. Când apa intră în stator se dispersează la un nivel liber, în partea de jos, fără presiune. Când motorul este pornit, cuplul de frânare este generat de fricțiunea dintre discurile rotative și apa în care sunt scufundate. Nivelul apei este controlat de o supapă de poartă care permite o reglare milimetrică. Pentru acest tip de frâne, cu cât grosimea radială este mai mare, cu atât frânarea cu același nivel de apă este mai mare.

Frâne cu vortex: numite și frâne Froude, sunt utilizate pentru un cuplu semnificativ la turații mici. În pereții orientați ai statorului și ai rotorului se obțin celule de formă adecvată. Când rotorul este pus în mișcare de motorul cuplat la acesta, apa care circulă în el, datorită prezenței alveolelor, ia mișcări rotative pe măsură ce este proiectat, datorită forței centrifuge, de la rotor spre exterior, pătrunde în periferia alveolelor statorice și revine, cu viteză redusă, la alveolele rotorului în apropierea axei de rotație. Acțiunea de frânare care provoacă reacția la cuplul motor al rotorului este produsă de mișcările rotitoare ale apei și de variația sarcinii pe motor - și, prin urmare, variația acțiunii de frânare - se obține prin mișcare radială, prin intermediul o roată de mână, două jumătăți de cutie semicirculare, inserate în spațiul dintre rotor și cele două elemente ale statorului. Acoperind mai mult sau mai puțin alveolele statorului și ale rotorului, o parte din aceste cavități devine inactivă și este posibil să se aplice o sarcină corespunzătoare puterii care trebuie frânată la motor. În cele mai moderne realizări, pentru a accelera timpul de răspuns și pentru a îmbunătăți precizia în controlul cuplului de frânare, fiecare jumătate de rotor se confruntă cu o jumătate de stator și ambele apar ca două toroide goale în interiorul cărora sunt realizate aripioarele. „Sarcina” este reglată acționând asupra unei supape (șoc) plasată la ieșirea debitului de apă.

Înclinarea deflectoarelor în frânele vortex are o mare influență asupra puterii disipabile, maximul puterii disipabile se obține cu o înclinație de 38 de grade. Puterea disipabilă este foarte variabilă cu turația motorului, atingând maximul pentru valori relativ mici, în jur de 700 rpm. Puterea disipabilă are, de asemenea, o dependență de numărul de septuri, cu o tendință asimptotică după septul 7 (dincolo de 7 septuri, fracția disipată este foarte mică comparativ cu înainte).

Frânele hidraulice sunt potrivite pentru motoarele marine. O frână de tip electric este preferată pentru aplicații pe motoare auto sau motociclete.

Puterea și răcirea frânelor hidraulice

Fluidul din frână are două funcții principale: de a crea putere de frânare și de a elimina căldura. Alimentarea este încredințată gravitației sau unei pompe care tinde să anuleze fluctuațiile de sarcină uniformizând presiunea. Apa care alimentează frâna este circulată într-un circuit de răcire care are scopul de a elimina căldura și de a nu lăsa lichidul să depășească temperatura de 70 de grade.

Frâne electrice

Frânele electrice sunt împărțite în două categorii principale:

frâne magnetice: sau curent turbionar , în care puterea este transformată în căldură și apoi eliminată printr-un sistem de răcire similar cu cel al frânelor hidraulice. În aceste frâne, cuplul rezistent este reglat prin acționarea adecvată a cantităților electrice (tensiuni, curenți, frecvențe);
frâne reversibile : puterea termică este transformată în căldură și cuplul rezistent acționând întotdeauna asupra cantităților electrice; diferența cheie este că aceste mașini pot acționa ca motoare sau ca generatoare. Acțiunea ca generator permite efectuarea unei acțiuni de frânare în același timp pentru a trece la un punct precis al motorului și în același timp pentru a transforma acest cuplu în energie electrică pentru a fi alimentat în rețea. Acțiunea ca motor permite să simuleze situația frânei motorului, să trageți motorul pentru a permite o rulare pasivă sau pentru măsurarea directă a fricțiunii și a cuplului cerut de auxiliari. Acest tip de frână constă dintr-o dinamă, care poate fi acționată și de un motor continuu, unde puterea „frânată” este descărcată în sistemul de răcire, în timp ce puterea utilizată pentru acționarea motorului provine dintr-o sursă electrică externă.

Frâne magnetice

În frânele cu curenți turbionari:

Rotorul este o roată dințată dreaptă cu permeabilitate magnetică ridicată, fixată direct pe arborele de frână.
Statorul are o carcasă oscilantă, similară cu cea a unei frâne hidraulice și este situat pe rulmenți conectați la baza fixă a frânei. La capătul extern al statorului, pe cele două fețe circulare, există două inele de material feromagnetic care sunt alimentate de o bobină și răcite de un sistem care elimină căldura.

Înfășurarea statorului este alimentată cu curent continuu producând un câmp magnetic cu concentrație de flux în corespondență cu dinții rotorului, care este magnetizat și demagnetizat alternativ, pe măsură ce trece un dinte. Oscilația sinusoidală a câmpului magnetic generează curenți pe stator (curenți turbionari) care dezvoltă o acțiune de frânare asupra rotorului. Secțiunile de material feromagnetic sunt răcite cu ajutorul unei serii de conducte care permit trecerea apei de răcire. În acest caz, curenții turbionari ar seta statorul în rotație, dar este blocat de dinamometru pentru măsurarea cuplului. Câmpul magnetic generat de rotor are o oscilație sinusoidală în funcție de numărul de dinți. Alimentează intensitatea curenților turbionari, oferind mai mult sau mai puțin curent bobinei. Spațiul de aer dintre stator și rotor trebuie să fie cât mai mic posibil pentru a maximiza cuplul de frânare obținut. Pentru motoarele rapide, acestea pot avea mai multe rotoare în serie.

Limitările acestor tipuri de frâne sunt:

limită de mărime: sunt limitată ca mărime din cauza acțiunilor centrifuge.
limita de răcire: zona de răcit are canale mici, unde se dezvoltă multă putere.
limita cuplului: la turații mici există o limită a cuplului de frânare.

Cum se folosește

Sistemul de comandă a frânei poate fi utilizat cu permutări ale următoarelor setări:

in perechi.
în rotații pe minut (viteza de rotație).

Exemplu (motor pe benzină): doriți să lucrați la 200 Nm cuplu la 1250 rpm. Trebuie să ajungeți într-o stare stabilă, mai exact starea ideală în care motorul funcționează perfect la 1250 rpm și cuplul motor este egal cu cel rezistent.

Cazul 1: poziționându-se la 1250 rpm cu cuplu rezistent zero din partea frânei. Corpul clapetei de accelerație va avea o deschidere de 5% și va permite motorului să funcționeze stabil în aceste condiții. Deschiderea clapetei de accelerație este mărită la 10%, crescând astfel viteza de rotație, dacă cuplul rezistent este menținut la zero. Curentul este acum aplicat frânei, de exemplu 50 Nm, pentru a readuce viteza de rotație a motorului la 1250 rpm. Repetând iterativ, deschizând clapeta de accelerație și generând mai mult cuplu, menținând în același timp o constantă de 1250 rpm, până când se atinge obiectivul de 1250 rpm.
Cazul 2: ne poziționăm la o valoare de cuplu de 200 Nm alimentând frâna cu un curent care generează o viteză de rotație de 3000 rpm. Se aplică mai mult curent pentru a-l readuce la 1250 rpm. Cuplul motorului va scădea, apoi corpul clapetei de accelerație se va deschide corespunzător, pentru a crește cuplul motorului. Se repetă până când punctul motor dorit este atins la o anumită deschidere a clapetei de accelerație.

Cuplaje

Cuplaje utilizate:

Setarea motorului	Reglarea frânei	Caracteristică
Poziţie	Putere	Test caracteristic elicei, nu este nevoie de feedback
Poziţie	Viteză	Control deosebit de stabil și utilizat pentru a oferi curbe de cuplu, feedback necesar
Viteză	Cuplu	Util pentru limitarea sarcinilor pe motor, este necesar feedback
Cuplu	Viteză	folosit pentru a compara motoare diferite, feedback-ul necesar
Poziţie	(Cuplu)	Instabil la sarcini mari și turații reduse, feedback necesar