Ein umfassender Führer zu Dynamometern – Arten, Anwendungen und Vorteile

Eine kurze Geschichte des Dynamometers

Das Konzept des Dynamometers geht auf das 18. Jahrhundert zurück, als Edme Régnier die früheste Version entwickelte, um die Zugkraft von Pferden zu messen. Später, im 19. Jahrhundert, brachte die industrielle Revolution bedeutende Fortschritte, zu denen auch die Entwicklung eines Geräts durch James Watt gehörte, mit dem er die Leistung und das Drehmoment seiner Dampfmaschinen messen konnte und den Grundstein für die moderne Leistungsmessung legte. Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden die Anwendungsbereiche von Dynamometern dann auf die Messung und Prüfung von Verbrennungs- und Elektromotoren sowie Industriemaschinen ausgeweitet.

Funktionsweise von Dynamometern

Die Funktionsweise von Dynamometern beruht auf der Messung von Kräften. In ihrer einfachsten Form funktionieren sie ähnlich wie Federwaagen, bei denen ein Ende einer Feder an einer festen Basis befestigt ist, während die zu messende Kraft auf das andere Ende wirkt. Wenn sich die Feder ausdehnt, kann die aufgewendete Kraft in Newton (N) auf einer verbundenen Skala abgelesen werden. Dieser simple Mechanismus eignet sich für einfache Messungen, für Hochleistungsanwendungen werden jedoch fortschrittlichere Dynamometer benötigt, die Elektromotoren oder Gasmotoren ähneln.

Verwendung mit Verbrennungs- und Elektromotoren

Bei größeren Dynamometern – oder Prüfständen – wird das Gerät mit dem Antriebssystem eines Motors verbunden. Während der Motor läuft, erfasst und misst der Prüfstand die Ausgangsleistung und liefert Daten zu Drehmoment und Leistung. Dieser Prozess umfasst die Dissipation der aufgenommenen Leistung durch Elektromagnetismus. Moderne Prüfstände übertragen die Messdaten an eine Computersoftware, die verschiedene Parameter wie Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Öltemperatur, Luftstrom, Drosselklappenstellung und Drehzahl erfasst.

Dynamometer als Kraftmessgeräte

Dynamometer können als Kraftmesser auch für die Messung von Zug- und Druckkräften verwendet werden. Moderne digitale Dynamometer besitzen eine Wägezelle, die mechanische Kräfte in elektrische Signale umwandelt, die dann auf einem LCD-Display angezeigt werden. Analoge Dynamometer hingegen verwenden häufig Dehnungsmessstreifen, um die gemessene Kraft in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die Messwerte werden in Newton, Pfund oder Pascal aufgezeichnet.

Haupttypen von Dynamometern

Dynamometer lassen sich nach ihrer Bauweise und ihren Funktionen in mehrere Kategorien einteilen, darunter:

• Absorptionsdynamometer

• Transmissionsdynamometer

• Motordynamometer

• Fahrwerksdynamometer

• Trägheitsdynamometer

• Zugkraftdynamometer

Im Folgenden werden wir uns die einzelnen Typen, ihre Untertypen und ihre wichtigsten Merkmale etwas näher anschauen.

Absorptionsdynamometer

Absorptionsdynamometer messen die Ausgangsleistung von Verbrennungsmotoren und anderen rotierenden Maschinen, indem sie die während der Prüfung erzeugte Energie absorbieren. Dynamometer dieses Typs sind unerlässlich für die Bewertung von Leistung, Effizienz und Haltbarkeit. Zu den wichtigsten Unterarten zählen:

Hydraulische Dynamometer

• Funktionsweise: Hydraulische oder Wasserbrems-Dynamometer nutzen einen Flüssigkeitswiderstand, um die Belastung eines Motors zu simulieren.

• Anwendung: Werden häufig bei der Prüfung von Kraftfahrzeugen, Lokomotiven und Industriemotoren eingesetzt.

• Vorteile: Sind in der Lage, hohe Leistungen zu bewältigen und stabile Lastbedingungen zu bieten.

• Nachteile: Benötigen ein Kühlsystem, um die durch den Flüssigkeitswiderstand erzeugte Wärme abzuführen.

Wirbelstrom-Dynamometer

• Funktionsweise: Nutzen Magnetfelder, um durch in einem Leiter induzierte Wirbelströme Widerstand zu erzeugen.

• Anwendung: Werden vielfach zur Prüfung von Kfz-Motoren und in der Forschung eingesetzt.

• Vorteile: Ermöglichen eine präzise Laststeuerung und sind im Vergleich zu hydraulischen Systemen relativ wartungsfrei.

• Nachteile: Benötigen ein Kühlsystem zur Abführung der erzeugten Wärme.

Elektrische Dynamometer

• Funktionsweise: Wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um, die als Wärme abgeführt wird.

• Anwendung: Werden zur Prüfung von Elektromotoren und Lichtmaschinen verwendet.

• Vorteile: Hohe Effizienz bei der Prüfung elektrischer Antriebssysteme und regenerativer Bremssysteme.

• Nachteile: Erfordern oft komplexe, anspruchsvolle Steuerungssysteme.

Reibungsdynamometer

• Funktionsweise: Nutzen die Reibung zwischen einem rotierenden und einem stationären Element, um Widerstand zu erzeugen.

• Anwendung: Werden häufig in Ausbildungsumgebungen und als Motorprüfgeräte eingesetzt.

• Vorteile: Einfacher Aufbau, kostengünstig.

• Nachteile: Sind weniger präzise und erzeugen erhebliche Wärme, die abgeführt werden muss.

• Hinweis: Der Pronysche Zaum und die Bandbremse werden den mechanischen Reibungsdynamometern zugerechnet.

Transmissionsdynamometer

Transmissionsdynamometer messen das Drehmoment und die Drehzahl anhand der Kraftübertragung zwischen Komponenten – normalerweise direkt an einer rotierenden Welle – und absorbieren dabei keine Leistung.

Dehnungsmessstreifen-Dynamometer

• Funktionsweise: An der rotierenden Welle angebrachte Dehnungsmessstreifen erfassen die Verformung, die proportional zum Drehmoment ist.

• Anwendung: Erlauben die direkte Messung des übertragenen Drehmoments, z. B. an Kfz-Getrieben und Industriemaschinen.

• Vorteile: Hohe Genauigkeit, keine Leistungsabsorption.

Drehmomentdynamometer

• Funktionsweise: Verwenden Drehmomentaufnehmer zur Messung des Drehmoments direkt an der Welle.

• Anwendung: Ideal für die kontinuierliche Überwachung des Drehmoments in Betriebsmaschinen.

• Vorteile: Hochpräzise, für Echtzeitüberwachung geeignet.

Motordynamometer

Motordynamometer oder -prüfstände können den zu prüfenden Motor selbst antreiben und verschiedene Betriebsbedingungen simulieren. Sie werden häufig in der Forschung und Entwicklung, für Dauerhaltbarkeitsprüfungen sowie bei Anwendungen eingesetzt, die die Simulation spezifischer Bedingungen erfordern.

Elektrische Wechselstrom-/Gleichstromdynamometer

• Funktionsweise: Nutzen Elektromotoren, um die Belastung eines Motors zu simulieren.

• Anwendung: Werden im Forschungs- und Entwicklungsbereich in der Automobil- und Luftfahrtindustrie häufig eingesetzt, um verschiedene Belastungs- und Betriebsbedingungen zu simulieren.

• Vorteile: Sehr gut steuerbar, ermöglichen die präzise Simulation von Betriebsbedingungen.

Fahrwerksdynamometer

Fahrwerksdynamometer oder -prüfstände messen die Leistung eines gesamten Fahrzeugs und nicht nur die des Motors. Sie werden häufig zur Leistungsbewertung von Kraftfahrzeugen unter quasi realen Bedingungen eingesetzt.

Rollenprüfstände

• Funktionsweise: Das Fahrzeug wird auf Rollen gefahren, die die Ausgangsleistung an den Rädern messen.

• Anwendung: Prüfung von Fahrzeugleistung, Kraftstoffeffizienz und Emissionen.

• Vorteile: Ermöglichen die umfassende Prüfung des gesamten Fahrzeugs, einschließlich der Analyse möglicher Verluste im Antriebsstrang.

Trägheitsdynamometer

Trägheitsdynamometer berechnen die Ausgangsleistung anhand der Beschleunigungsrate einer bekannten Masse.

Schwungmassenprüfstände

• Funktionsweise: Der Motor beschleunigt eine Schwungmasse mit bekanntem Trägheitsmoment, die Leistungsabgabe wird auf Grundlage der Beschleunigungsrate berechnet.

• Anwendung: Werden häufig zur Leistungsprüfung von Motoren eingesetzt, insbesondere im Automobil- und Motorsportbereich.

• Vorteile: Einfacher Aufbau, praktisch für Leistungstests.

Zugkraftdynamometer

Zugkraftdynamometer messen die Zugspannung oder Zugkraft in Kabeln, Seilen, Ketten und ähnlichen Objekten. Sie werden in der Technik, im Bauwesen und bei Materialprüfungen eingesetzt, um sicherzustellen, dass die einwirkenden Kräfte innerhalb sicherer und festgelegter Grenzen liegen.

• Funktionsweise: Die vom Objekt ausgeübte Zugkraft führt zu einer Reaktion eines mechanischen oder elektronischen Bauteils im Dynamometer, die in eine Zugkraftmessung umgewandelt wird.

• Arten: Mit mechanischen Federn, kalibrierten Gewichten oder elektronischen Sensoren, wie Dehnungsmessstreifen oder Wägezellen. 

• Anwendung: Technik und Bauwesen, Materialprüfung, industrielle Wartung, Sicherheitsinspektionen.

• Vorteile: Genauigkeit, Vielseitigkeit und Benutzerfreundlichkeit.

Transientenprüfstand

Ein Transientenprüfstand ist ein spezielles Dynamometersystem zur Leistungsmessung an Motoren und anderen rotierenden Maschinen unter dynamisch wechselnden Bedingungen. Im Gegensatz zu stationären Dynamometern, die bei konstanter Drehzahl oder Last arbeiten, ermöglichen Transientenprüfstände die Simulation realer Betriebsbedingungen mit plötzlichen Änderungen der Drehzahl, Last oder anderer Variablen.

Transientenprüfstände dienen der genauen Erfassung der Leistung von Motoren oder Maschinen während transienter Vorgänge wie Beschleunigung, Abbremsung oder Laständerungen und liefern wertvolle Daten über das Systemverhalten unter realen Bedingungen.

Elemente eines Dynamometersystems

Ein typisches Dynamometersystem umfasst in der Regel die folgenden Komponenten:

Mechanische Einheit

Das Herzstück des Systems bildet ein Absorptions-, Getriebe- oder Motordynamometer-Mechanismus, der eine Last auf den zu prüfenden Motor ausübt und dabei das resultierende Drehmoment sowie die Drehzahl misst.

Steuerungssystem

Das Steuerungssystem reguliert den Betrieb des Dynamometers und kontrolliert die auf den Motor ausgeübte Last. Über die Benutzeroberfläche kann der Bediener die Ergebnisse überwachen und in Echtzeit Anpassungen vornehmen.

Sensoren und Wandler

Dehnungsmessstreifen messen das Drehmoment, indem sie die Dehnung der rotierenden Welle erfassen. Drehmoment-Messwandler an der Antriebswelle messen das Drehmoment und wandeln es zur Analyse in ein elektrisches Signal um. Tachometer und Encoder messen die Drehgeschwindigkeit der Welle in Umdrehungen pro Minute (1/min).

Datenerfassungssystem (DAQ)

Während der Prüfung erfasst das Datenerfassungssystem Daten von verschiedenen Sensoren (Drehmoment, Drehzahl, Temperatur usw.). DAQ-Systeme umfassen Signalaufbereitung, Analog-Digital-Wandler und Datenspeicherung sowie Software für die Systemkonfiguration, Echtzeit-Datenüberwachung und Analyse. Ein gutes Beispiel für ein Datenerfassungssystem für Dynamometer ist das Dewesoft SIRIUS, dessen Verstärker mit allen benötigten Sensoren (Dehnungs-, Druck-, Last- und Drehzahlsensoren, Encoder usw.) kompatibel sind. SIRIUS-Systeme bieten die für Prüfstandsanwendungen erforderlichen Abtastraten und verfügen über eine umfassende, einfach zu bedienende Benutzeroberfläche.

SIRIUS® ModularModulares Datenerfassungssystem (DAQ)

SIRIUS® R1DB/R2DBAll-In-One Messsysteme

Dynamometeranwendungen nach Branchen

Automobilbranche

Zu dem Hauptnutzern von Dynamometern und Prüfständen zählen Automobilhersteller, die sie zur Prüfung von Motorleistung, Kraftstoffeffizienz, Emissionen und Dauerhaltbarkeit von Fahrzeugen verwenden. Große Unternehmen wie General Motors, Ford, Toyota und BMW setzen Prüfstände bei der Entwicklung neuer Motoren und zur Gewährleistung der Einhaltung von Umweltvorschriften ein. 

Neben herkömmlichen Straßenfahrzeugen werden auch Landmaschinen wie Traktoren und Erntemaschinen auf Leistungsprüfständen getestet. Dies hilft den Herstellern, zuverlässigere und effizientere Geräte zu entwickeln, was letztlich den Landwirten und dem Agrarsektor insgesamt zugute kommen. 

Im Bergbau und im Baugewerbe wird mit Dynamometern die Leistung von schweren Maschinen wie Baggern, Bohranlagen und Kränen getestet. So wird sichergestellt, dass sie den anspruchsvollen Bedingungen und Belastungen gewachsen sind, denen sie im realen Betrieb ausgesetzt werden, wodurch sich die Sicherheit und Effizienz am Einsatzort erhöht. In der Schifffahrtsindustrie tragen Dynamometer durch die Messung der Leistung von Schiffsmotoren und Antriebssystemen dazu bei, die Kraftstoffeffizienz zu optimieren und den sicheren und effektiven Betrieb der Schiffe unter verschiedenen Bedingungen zu gewährleisten.

Erfahren Sie mehr zu diesem Thema:

• Indiziermesstechnik

• Elektromotor- und Wechselrichterprüfung

• Prüfung schwerer Maschinen

• Maritime Tests

Luft- und Raumfahrtindustrie

In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden Prüfstände eingesetzt, um die Leistung von Düsentriebwerken, Propellern und anderen wesentlichen Komponenten zu testen. Unternehmen wie General Electric, Pratt & Whitney und Rolls-Royce verwenden sie, um sicherzustellen, dass ihre Triebwerke den strengen Sicherheits- und Leistungsstandards entsprechen.

Verarbeitendes Gewerbe und Industrie

In der Fertigungsindustrie werden Prüfstände dazu verwendet, die Leistung von Industriemotoren, Turbinen und anderen rotierenden Maschinen zu messen. Unternehmen wie Siemens, GE und ABB setzen industrielle Dynamometer ein, um sicherzustellen, dass ihre Produkte den strengen Qualitäts- und Leistungsstandards entsprechen.

Energiesektor

Im Energiesektor werden Prüfstände eingesetzt, um Windturbinen, Wasserkraftgeneratoren und andere Stromerzeugungsanlagen zu testen. Unternehmen wie Vestas, Siemens Gamesa und General Electric nutzen sie zur Optimierung der Effizienz und Zuverlässigkeit ihrer Energiesysteme.

Weitere Dynamometer-Anwendungen

Dynamometer und Prüfstände werden über ihre konventionelle Verwendung in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrtbranche und Fertigungsindustrie sowie im Energiesektor hinaus für zahlreiche weitere interessante und ungewöhnliche Anwendungen eingesetzt. Hier einige spannende Beispiele:

Dynamometer dienen in der Sportwissenschaft, Biomechanik und Prosthetik zur Messung der Muskelkraft und -leistung. Die erfassten Daten unterstützen die Entwicklung von Trainingsprogrammen, die Beurteilung von Heilungsprozessen nach Verletzungen und die Optimierung sportlicher Leistungen. Ein Beispiel ist das Handdynamometer, das die Griffkraft misst, die Rückschlüsse auf die allgemeine Muskelkraft und -gesundheit erlaubt. Zudem werden Dynamometer verwendet, um die Leistungsfähigkeit von Prothesen und Orthesen zu testen. Hersteller können mittels der Durchführung präziser Kraft- und Drehmomentmessungen die Haltbarkeit und Funktionalität ihrer Produkte gewährleisten.

In der Rehabilitation und Physiotherapie unterstützen Dynamometer die Messung der Kraft bestimmter Muskelgruppen. Sie helfen, individuelle Rehabilitationsprogramme zu erstellen und therapeutische Fortschritte zu verfolgen. Dadurch können Übungen gezielt angepasst werden, um eine effektive Rehabilitation nach Verletzungen oder Operationen zu gewährleisten.

Im Bereich der Ergonomie messen Dynamometer die Kräfte, die bei verschiedenen Aufgaben ausgeübt werden. Diese Informationen sind entscheidend für die Gestaltung von Arbeitsmitteln und -umgebungen, um Belastungen und Verletzungsrisiken zu minimieren und so die allgemeine Sicherheit und Produktivität zu verbessern.

In der Robotik werden mit Dynamometern das Drehmoment und die Leistung von Robotergelenken und -aktoren gemessen. Die erfassten Daten sind essenziell für die Entwicklung von Robotern, die präzise und effiziente Bewegungsabläufe ausführen und ihre Aufgaben genau und zuverlässig bewältigen können.

Bei Umwelttests werden Dynamometer eingesetzt, um die Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad von erneuerbaren Energiesystemen wie Windturbinen und Wasserkraftgeneratoren zu ermitteln. Die erfassten Daten tragen zur Leistungsoptimierung und Weiterentwicklung nachhaltiger Energielösungen bei.

In der Forschung und Entwicklung dienen Dynamometer in verschiedenen Versuchsanordnungen zur Messung der mechanischen Leistungsfähigkeit neuer Materialien, Komponenten und Systeme. Diese Anwendungen finden sich in zahlreichen Bereichen, darunter Materialwissenschaften, Maschinenbau sowie Luft- und Raumfahrttechnik.

Dynamometer können in Unterhaltungs- und Simulationsumgebungen dazu dienen, ein realistisches Bewegungsfeedback für Fahrgeschäfte und Simulatoren zu erhalten. Sie werden zum Beispiel bei der Entwicklung und Prüfung von Bewegungsplattformen für Flug- und Fahrsimulatoren eingesetzt, wo sie dazu beitragen, Benutzern ein authentisches Erlebnis zu bieten.

Im Gerichtsingenieurwesen helfen Dynamometer bei der Analyse mechanischer Fehler, indem sie die bei Unfällen oder Struktureinstürzen auftretenden Kräfte messen. Die resultierenden Informationen sind oft entscheidend, wenn es darum geht, Versagensursachen zu ermitteln und zukünftige Vorfälle zu verhindern.

Vor- und Nachteile von Dynamometern und Prüfständen

Vorteile

• Genauigkeit: Dynamometer sind mechanische Prüfinstrumente, die präzise und zuverlässige Messungen von Drehmoment, Leistung und Kraft ermöglichen, die für die Leistungsprüfung und -optimierung von entscheidender Bedeutung sind.

• Vielseitigkeit: Dynamometer und Prüfstände kommen in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen zum Einsatz – von Fahrzeugtests über Industriemaschinen bis hin zu Energiesystemen.

• Entwicklungswerkzeug: Dynamometer und Prüfstände sind unverzichtbar bei der Prüfung und Erforschung von Elektromotoren und unterstützen Ingenieure bei der Entwicklung effizienterer und leistungsstärkerer Motoren.

• Qualitätssicherung: Dynamometer und Prüfstände gewährleisten, dass Produkte den vorgegebenen Leistungs- und Sicherheitsstandards entsprechen, und verringern so das Risiko von Ausfällen und Rückrufaktionen.

Nachteile

• Kosten: Dynamometer und Prüfstände mit hoher Präzision und Datenerfassungsfunktionen können teuer in der Anschaffung und Wartung sein.

• Komplexität: Die Bedienung von Dynamometern und Prüfständen erfordert Fachkenntnisse und spezielle Schulungen.

• Platzbedarf: Prüfstände benötigen viel Platz und eine umfassende Infrastruktur, vor allem bei Hochlastanwendungen.

Künftige Trends

Die Zukunft der Dynamometer- und Prüfstandstechnologie wird durch Fortschritte in den Bereichen Materialien, Elektronik und Datenanalyse geprägt sein:

• Integration in digitale Systeme: Moderne Dynamometer und Prüfstände werden zunehmend in digitale Systeme integriert, die die Datenerfassung und -analyse in Echtzeit sowie die Fernüberwachung ermöglichen.

• Miniaturisierung: Es werden kleinere, kompaktere Dynamometer für tragbare Anwendungen oder die Integration in kleinere Maschinen entwickelt.

• Verbesserte Datenanalyse: Die Integration von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen wird eine tiefgreifendere Analyse der mithilfe von Dynamometern und Prüfständen erfassten Daten ermöglichen, um Leistungstrends vorherzusagen, potenzielle Fehlerquellen frühzeitig zu erkennen und Designs zu optimieren.

• Nachhaltigkeit: Der Fokus wird auf der Entwicklung und Prüfung effizienterer Motoren zur Reduzierung von Emissionen und Energieverbrauch liegen.

Fazit

Dynamometer und Prüfstände sind unverzichtbare Werkzeuge für die Leistungsmessung an Motoren und anderen rotierenden Maschinen in verschiedenen Branchen. Von ihren historischen Anfängen bis hin zu modernen Anwendungen sind sie kontinuierlich weiterentwickelt worden, um präzise und zuverlässige Daten zu liefern, die für die Produktentwicklung, Qualitätskontrolle und Wartung von entscheidender Bedeutung sind. 

Sie bieten zahlreiche Vorteile, wie ihre Genauigkeit und Vielseitigkeit, bringen aber auch Herausforderungen mit sich, etwa bezüglich ihrer Kosten und Komplexität. Konkurrierende Technologien wie Beschleunigungssensoren oder Dehnungsmessstreifen stellen zwar Alternativen dar, bieten aber in der Regel einen wesentlich geringeren Funktionsumfang. In Zukunft werden Fortschritte in Bereichen wie digitale Integration, Miniaturisierung, Datenanalyse und Nachhaltigkeit die Dynamometertechnologie weiter voranbringen und gewährleisten, dass sie in einer zunehmend technologisch fortschrittlichen Welt weiterhin relevant bleibt.