Winkelsynchrones Messen an schnellen Motoren

Motortests mit High-Speed

Moderne Zweitaktmotoren für den mobilen Einsatz zeichnen sich durch wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Betrieb aus. Bauform, Gewicht und Motorkennlinie werden optimal auf den jeweiligen Anwendungszweck abgestimmt.

Dabei werden bei dieser Motorenbauart verstärkt elektronische Motorsteuerungskomponenten eingesetzt, um mehr Leistung bei kleinerem Schadstoffausstoß zu erhalten. Nicht nur bei den Tests in der Entwicklung, auch bei den komplexen Prüfabläufen in der Produktion sind Drehzahlen von 15000 U/min gefordert. Deshalb ist nicht nur eine schnelle Datenerfassung sondern auch eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit für die großen Datenmengen nötig.

Pro Winkelgrad einen Datensatz erfassen und auswerten - bei 15000 U/min

Das elektronische Zündungsmodul eines Einzylinder-Zweitaktmotors soll über den gesamten Drehzahlbereich getestet werden. Dabei sollen Start- und Auslaufvorgänge ebenso betrachtet werden wie wechselnde Lastzustände im Normalbetrieb. Veränderungen bzw. Schwankungen im Drehzahlverlauf, abweichende Zündzeitpunkte oder das Fehlen von Zündimpulsen müssen sicher erfasst und protokolliert werden.

Von besonderem Interesse ist z. B. die Erkennung von Nachzündungen infolge unerwünschter Pendelbewegungen der Kurbelwelle im Auslaufvorgang. Zusätzlich wird die Schnittstelle des elektronischen Motormanagementsystems einmal pro Kurbelwellenumdrehung in Verbindung mit den Messdaten ausgewertet.

Diese Randbedingungen stellen hohe Anforderungen an die Reaktionszeit und das Reaktionsverhalten des verwendeten Messsystems. ADwin-Systeme sind auf diese Echtzeitanforderungen im Mikrosekundenbereich optimiert, da sie über einen eigenen Prozessor verfügen, der ausschließlich für die eigentliche Messaufgabe und die Bereitstellung der Mess- und Ergebnisdaten an die Außenwelt zur Verfügung steht. Das Systemkonzept garantiert nicht nur eine Reaktionszeit von 300 ns, es ermöglicht auch das einfache Erstellen von Programmen mit exakt vorhersagbarem Zeitverhalten in ADbasic. Damit sind ADwin-Systeme für den Einsatz an schnellen Motorprüfständen und winkelsynchrones Messen, z. B. über externe Triggersignale, optimal geeignet.

Im vorliegenden Beispiel nutzt ADwin das Inkrementalgebersignal der Kurbelwelle als Messtakt. In Abhängigkeit von der Winkelstellung werden die analogen und digitalen Messsignale pro Grad Winkeländerung erfasst und sofort weiterverarbeitet, um die festgelegten Grenzwerte zu überwachen. Die Motordrehzahl liegt dabei zwischen Stillstand und 15000 U/min, d. h., der Takt für die getriggerte Messung liegt bei bis zu 100 kHz. Das ADwin-System stellt dabei sicher, dass für jedes Winkelgrad eine exakt nachvollziehbare zeitliche Zuordnung aller Messsignale zueinander entsteht.

Die PC-Bedienoberfläche

Die Benutzerschnittstelle zur Bedienung des Prüfablaufs wurde durch eine an die Anforderungen des Kunden angepasste Windows-Oberfläche realisiert. Durch die Erstellung mit der Entwicklungsumgebung Delphi® wird sowohl eine zeitgemäße Gestaltung als auch eine intuitive Bedienbarkeit erreicht.

Der Bediener kann Kalibrierdaten setzen und zwischen verschiedenen Prüfabläufen wählen. Nach Ablauf des Prüfvorgangs liegen die Messdaten zunächst in verschiedenen Darstellungsarten zur grafischen Beurteilung vor. Die kompletten Datensätze werden jedoch auch im DIAdem®-Datenformat abgespeichert und stehen so für weitere, umfangreichere Auswertungen zur Verfügung.

Mehr Know-how mit ADwin

Im Beispiel erfasst das ADwin-System die Signale des Inkrementalgebers auf der Kurbelwelle über zwei Zählereingänge und berechnet die momentane Winkelstellung und aktuelle Drehzahl. Die Zähler arbeiten mit einer zeitlichen Auflösung von ±25 ns, die durch Mittelwertbildung über beide Zähler nochmals verbessert wird. Dadurch werden selbst kleinste Schwankungen im Drehzahlverlauf sichtbar.

Bei den ersten Tests in der Entwicklungsabteilung zeigten sich überraschenderweise höherfrequente Schwingungen im Drehzahlsignal. Die Untersuchung dieses bisher nicht bekannten Phänomens in mehreren Testreihen ergab, dass eindeutig die Ankopplung des Drehgebers an die Kurbelwelle des Motors dafür verantwortlich war. Eine geänderte Montage des Drehgebers an der Kurbelwelle führte zu einer deutlichen Reduzierung der Schwingungen. Bei Bedarf kann jedoch in ADbasic auch eine nachträgliche Glättung der Messsignale durch Mittelwertbildung oder Tiefpassfilterung programmiert werden.

Das Beispiel zeigt, dass die einfache Programmierbarkeit in ADbasic und das zeitlich exakte Verhalten des ADwin-Systems einen präzisen Einblick in die zu untersuchenden Komponenten ermöglichte und letztlich mit einem geringen konstruktiven Aufwand zu einer erheblichen Verbesserung des untersuchten Systems führte.

Dynamische Perspektiven für die Zukunft

Inzwischen werden in der Motorenentwicklung dieses Herstellers mehrere baugleiche ADwin-Systeme für die Verbesserung der vorhandenen Motoren und die Entwicklung neuer Technologien im Motorenbau eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von hochdynamischen Untersuchungen relativ kurzer Dauer bis zur Online-Überwachung im Dauerlauftest bei gleichzeitiger Auswertung der Schnittstellen des Motormanagements. ADwin-Systeme liefern neue Erkenntnisse zum dynamischen Systemverhalten oder Fehlerzuständen auch im Langzeitversuch. Dadurch helfen ADwin-Systeme als flexibles und effizientes Werkzeug bei der Produktoptimierung.

Weitere Signale unterschiedlichster Art können durch den modularen Aufbau der ADwin-Systeme jederzeit in den Messaufbau integriert werden. Die Jäger Messtechnik GmbH garantiert durch die kontinuierliche Weiterentwickelung der ADwin-Systeme, auch in Zukunft optimale Problemlösungen für die Mess- und Prüftechnik zur Verfügung zu stellen.