Die elektrische Bremsmethode für Leistungs- und Wirkungsgrad-Prüfungen von Kraft- und Werkmaschinen. Von Oberingenieur F. A. Förster-Berlin. F. A. FOERSTER, Die elektrische Bremsmethode. Alle Trieb- und Kraftmaschinen, alle Elektro-Verbrennungs-, Kraftfahrzeug-, Oel-, Glühkopf-, Preßluft- und sonstigen Motoren, müssen, bevor sie die Fabrik verlassen, einer sachgemäßen und eingehenden Prüfung auf Leistung und Wirkungsgrad unterzogen werden. Zu diesem Zweck sind in den betreffenden Fabriken sogenannte Prüffelder eingerichtet, auf denen die fertigen Maschinen gebremst werden. Sie werden dabei in sicherer Aufstellung auf solidem Fundament aufgestellt und bis zu ihrer Nennleistung belastet und im 6- bis höchstens 10-stündigen Dauerlauf auf ihre effektive Leistung und auf ihren Wirkungsgrad, sowie ganz allgemein auch auf ihr Verhalten in jeglicher Hinsicht kontrolliert und geprüft. Vor der Vollbelastung werden die Maschinen in der Regel auf ihr Verhalten bei verschiedenen Teilbelastungen, insbesondere auf ihren Strom- oder auf ihren Betriebsstoff-Verbrauch geprüft, wobei alle Prüfungsergebnisse und etwaige anormale Erscheinungen in ein Protokollbuch eingetragen werden, so daß man späterhin immer in der Lage ist, bei Störungen und anderen Vorkommnissen im Betriebe, sich aus dem Prüfungsprotokoll über die betreffende Maschine und ihr Verhalten bei der Prüfung zu informieren. Textabbildung Bd. 339, S. 101 Abb. 1. Gleichstrom-Pendelmaschine. Zur Bremsbelastung der zu prüfenden Maschinen benutzte man früher fast ausschließlich den allen Ingenieuren bekannten „Prony'-schen Zaum“, der auch heute noch bei Einzelprüfungen und auf Prüfständen für kleinere Maschinen Verwendung findet. Der ursprünglichen und einfachsten Ausführungsform des Prony'schen Zaumes, der im wesentlichen aus zwei, der Riemenscheibe angepaßten Bremsbacken aus Hartholz und einem hölzernen oder eisernen einseitigen oder doppelseitigen Wagebalken von meist etwa 0,6 bis 1,5 m Länge des Hebelarmes, von Mitte der Maschinenachse bis zum Angriffspunkt der Bremsbelastung am Hebel gemessen, besteht, folgten bald verschiedene Verbesserungen, so z.B. die von Appold, bei der die Holzbacken durch ein Stahlband ersetzt wurden. Weitere Verbesserungen brachten Raffard, Carpentier, Ayrton & Perry, u.a. für den Bremszaum, der in seiner vorstehend angedeuteten einfachsten Form gewiß die weiteste Verbreitung gefunden hat. Textabbildung Bd. 339, S. 101 Abb. 2. Pendelmaschine in Verbindung mit Laufgewichtswage. Allmählich aber ist man in neuerer Zeit doch mehr und mehr über die Transmissions-Dynamometer und Ergometer, unter denen die von Fischinger, Morin, v. Hefner-Alteneck (Siemens-Dynamometer) Bramwell, Froude u.a. hervorzuheben sind, zu der elektrischen Bremsmethode übergegangen, die unter anderen Vorzügen – abgesehen von der größeren Reinlichkeit, die noch Erwähnung finden wird – den sehr wesentlichen Vorzug der Rückgewinnung der Bremsbelastung hat. Für die Prüfung von Maschinen sehr großer Leistung bei niederen Drehzahlen sei an dieser Stelle auch die Wasserbremse,vgl. Otto Koehn, „Die AEG.-Wasserbremse“ in „AEG.-Mitteilungen“ Heft 8/1926 S. 281 u. f. ein hydraulisches Bremsdynamometer, erwähnt, bei der aber eine Rückgewinnung der Bremsleistung ebenso wenig möglich ist wie beim Prony'schen Zaum, weil dieselbe hier wie dort absorbiert wird. Das Prinzip ist bei fast allen Bremsvorrichtungen mit Bremshebel das gleiche wie beim Prony'schen Zaum, weshalb hier auf diesen noch etwas näher eingegangen werden soll: Die zu prüfende Maschine wird, nachdem man den Prony'schen Bremszaum mit seinen Bremsbacken auf die Riemenscheibe der zunächst leerlaufenden, zu prüfenden Maschine aufgesetzt hat, allmählich dadurch belastet, daß man eine der Leistung der Maschine entsprechende Bremsbelastung in Form von Gewichten an das Ende des Bremshebels, entgegen dem Drehsinn der Maschine, anhängt und die Bremsbacken an die Riemenscheibe anpreßt, bis die Gleichgewichtslage des Wagebalkens wiederhergestellt ist, die während der ganzen Prüfung, auch während der mehrstündigen Dauerbelastung aufrechterhalten werden muß. Da durch die Reibung der hölzernen Bremsbacken auf der eisernen Riemenscheibe Wärme erzeugt wird, die sich leicht bis zum Entflammen der hölzernen Bremsbacken steigern kann, so ist für reichliche Kühlung und Schmierung Sorge zu tragen. Als Schmiermittel hat sich Seifenwasser mit einem Oelzusatz bestens bewährt, das ununterbrochen zwischen Riemenscheibe und Bremsbacken, auch während des mehrstündigen belasteten Dauerlaufs fließen muß. Es ist einzusehen, daß der Prüfstand dabei nicht immer durch übermäßige Reinlichkeit ausgezeichnet sein kann. Textabbildung Bd. 339, S. 102 Abb. 3. Torsions-Dynamometer. Die Bremsbelastung für die verschiedenen Leistungen der zu prüfenden Maschinen berechnet man mit Hilfe der uns aus dem Allgemeinen Maschinenbau geläufigen Formeln wie folgt: Es ist N=\frac{P\,.\,v}{75} und v=\frac{d\,.\,\pi\,.\,n}{60} In diesen Formeln bedeuten: N = effektive Nennleistung in P.S. (1 P.S. = 75 kgm/sec) P = Umfangskraft (Riemenzug) in kg. v = Umfangs- oder Riemengeschwindigkeit in m pro Sek. d = Riemenscheiben-Durchmesser in cm (d = 2 r) π = Ludolph'sche Zahl = 3,1416 n = Drehzahl oder Umdr. pro Min. 60 = Divisor für die sekundliche Leistung. Obige Formeln entwickeln sich weiter in: N=\frac{P\,.\,d\,.\,\pi\,.\,n}{75\,.\,60}=\frac{P\,.\,2\,.\,r\,.\,3,1416\,.\,n}{75\,.\,60} wobei unter r der Radius der Riemenscheibe zu verstehen ist. Setzt man nun statt der Kraft P die Bremsbelastung, das Bremsgewicht G und für den Radius r die Länge 1 des Bremshebels in die Formel ein, so erhält man: N=\frac{G\,.\,2\,.\,1\,.\,3,1416\,.\,n}{75\,.\,60}, da weiter \frac{2\,.\,3,1416}{75\,.\,60}=\frac{1}{716} ist, so ist auch: N=\frac{G\,.\,l\,.\,n}{716} Textabbildung Bd. 339, S. 102 Abb. 4. Elektro-dynamische Präzisions-Schnell-Leistungs-Wage. Diese Formel ist als „Zaumformel“ allgemein bekannt. Aus ihr berechnet man die Bremsgewichtsbelastung G, die sich beispielsweise für einen 15 P.S.-Motor mit 500 Umdr. pro Min., wenn der zur Bremsung benutzte Zaum einen Hebelarm von der Länge 1 = 1,2 m, von Mitte der Maschinenachse bis zum Angriffspunkt der Bremsbelastung am Hebel gemessen, besitzt, wie folgt: N=\frac{G\,.\,l\,.\,n}{716}, somit G=\frac{N\,.\,716}{l\,.\,n} damit ist in vorliegendem Falle das Bremsgewicht: G=\frac{15\,.\,716}{1,2\,.\,500}=17,9 oder rund 18 kg. Das Drehmoment errechnet sich aus den gleichen Formeln: Md = P · r, d.h. das Drehmoment Md (Kraft × Hebelarm) = Zugkraft P in kg am Hebelarm r = 1 m. Aus der oben entwickelten Formel ergibt sich: N=\frac{P\,.\,v}{75},\ P=\frac{N\,.\,75}{v} und da v=\frac{d\,.\,\pi\,.\,n}{60} oder \frac{2\,.\,r\,.\,\pi\,.\,n}{60} so ist: P=\frac{N\,.\,75\,.\,60}{2\,.\,r\,.\,\pi\,.\,n} und Md=\frac{N\,.\,75\,.\,60\,.\,r}{2\,.\,r\,.\,3,1416\,.\,n}, das ergibt: Md=716\,\frac{N}{n} Textabbildung Bd. 339, S. 103 Abb. 5. Bremsdynamo mit feststehendem Gehäuse, angetrieben von Glühkopfmotor. Für unser obiges Zahlenbeispiel ergibt sich danach das Drehmoment: Md=716\,\frac{N}{n}=716\,\frac{15}{500}=21,48\mbox{ kgm} Bei einem Riemenscheiben-Durchmesser von d = 350 mm oder vom Radius r = 175 mm ist die Umfangskraft oder der Riemenzug P=\frac{21,48\,.\,1000}{175}=122,7\mbox{ kg} Aus diesem Riemenzug ist der Querschnitt des Treibriemens für die Riemenübertragung zu bestimmen. Anstatt die Bremsbelastung an das Ende des Bremshebels aufzuhängen, kann die Einrichtung auch so getroffen werden, das der Bremshebel, der von der gebremsten Maschine mitgerissen wird, auf die Schale oder die Plattform einer Wage oder Dezimalwage drückt, die durch Gewichtsbelastung der anderen Schale oder Plattform ins Gleichgewicht gebracht wird. Auch kann – was in Abb. 2 veranschaulicht ist – eine Laufgewichtswage benutzt werden. Die elektrische Bremsmethode für die Leistungs- und Wirkungsgrad-Prüfung von Trieb- u. Kraftmaschinen sowie aller Antriebsmotoren überhaupt und nicht nur von diesen, sondern auch von Werksmaschinen, Getrieben usw. mittels der sogenannten Bremsdynamo, die auch als Meßmotor Verwendung findet, ist heute die für serienfabrikationsmäßige Herstellung von Maschinen die übliche. Diese rein elektrische Bremsmethode zur Leistungsprüfung, richtiger zur Drehmomentprüfung, ist nicht nur reinlicher als die rein mechanische mittels des Prony'schen Zaumes, weil die Kühlung und Schmierung wegfällt, sondern sie ist viel einfacher und dabei genauer und zuverlässiger, weil alle Messungen in absolut sicherer und einwandfreier Weise elektrisch unter Verwendung von Präzisionsinstrumenten ausgeführt werden. Textabbildung Bd. 339, S. 103 Abb. 6. Bremsstand für Reihenprüfung von Benzinmotoren. Die einfachste und billigste Maschine für Bremszwecke ist die ganz normale Gleichstromdynamo, die entweder durch Riemen von dem zu prüfenden Motor oder in direkter Kupplung von diesem angetrieben wird (vgl. Abb. 5). Diese Bremsdynamo muß eine Drehzahländerung in weiten Grenzen durch Feldregulierung ermöglichen. Die normale Gleichstromdynamo ist als Bremsgenerator für die üblichen täglichen Prüfungen fertiggestellter Maschinen und für deren vollbelasteten Dauerlauf durchaus geeignet. Wo es sich aber um genauere Untersuchungen an Neukonstruktionen und um absolut verläßliche Prüfungen bei Teilbelastungen und bei verschiedenen Drehzahlen u.a. w. handelt, da wird man zweckmäßiger eine Bremsdynamo mit pendelndem Gehäuse (vgl. Abb. 1 u. 2) verwenden. Auch diese pendelnde Bremsdynamo ist ein Gleichstrom-Generator, dessen Welle aber nicht nur in den beiden normalen Lagerschilden läuft, sondern sie ist außerdem noch in zwei weiteren Lagerböcken gelagert, wodurch das ganze Gehäuse der Bremsdynamo sich um die Achse drehen kann. Durch einen Anschlag wird der Drehwinkel aber auf beiden Seiten begrenzt, so daß das Gehäuse de facto nur um einen relativ sehr kleinen Winkel nach beiden Seiten pendeln kann. Sobald die Bremsdynamo als Generator oder als Motor in Funktion tritt, wird das Gehäuse unter der Wirkung der auftretenden elektromagnetischen Kräfte in der Drehrichtung des Ankers mitgenommen, bis es durch den Anschlag an weiterer Drehung gehindert wird. Um das Gehäuse in die Gleichsgewichtslage zurückzuführen, wird der mit dem Gehäuse starr verbundene Bremshebel auf der dem Drehsinn entgengesetzten Seite des Gehäuses so mit Gewichten belastet, deren Größe sich aus den obigen Formeln nach der jeweiligen Leistung der zu prüfenden Maschine bestimmt. Die absolute Größe des Bremsgewichtes multipliziert mit der Länge des Hebelarmes ergibt das wirksame Drehmoment, aus dem man unter Berücksichtigung der Drehzahl die übertragene Leistung erhält. Bei einer Länge des Hebelarmes von 1 = 1 m ist: Md=\frac{716\,.\,N}{n} und nach den oben entwickelten Formeln ist N=\frac{1\,.\,P\,.\,n}{716} Die Drehzahl wird während der ganzen Dauer der Prüfung zweckmäßig mittels Tachometer, das durch Riemen von der Bremsdynamo mitbetrieben wird, kontrolliert. Textabbildung Bd. 339, S. 104 Abb. 7. Prüfstand für Kraftfahrzeugmotoren. Textabbildung Bd. 339, S. 104 Abb. 8. Komplette Prüfanlage für Kraftfahrzeuge. Um auf dem Prüffelde oder Prüfstande bei der Prüfung von serienmäßig hergestellten Maschinen die immer gleichförmige Rechnerei zu vereinfachen, gibt man zweckmäßig dem Hebelarm die Länge 1 = 716 mm, dann ist: N=\frac{P\,.\,n\,.\,l}{1000}=\frac{P\,.\,n}{1000} Handelt es sich um Prüfung von Trieb- oder Kraftmaschinen mit niederen Drehzahlen, bei denen sowohl der Antriebsmotor wie der Bremsgenerator verhältnismäßig groß und deshalb teuer ausfallen würde, oder will man aus anderen Gründen die Leistungsprüfung nicht elektrisch ausführen, so bedient man sich des in Abb. 3 dargestellten Torsions-Dynamometersvgl. E. Lötterle, „Werkstätten-Prüfanlagen“ in „ Siemens-Zeitschrift“ Heft 11/1929 S. 800 u. f.. Das Torsions-Dynamometer wird bei der Prüfung von Triebmaschinen als Verbindungskupplung zwischengeschaltet, wie in Abb. 3 dargestellt. Das Drehmoment wird durch einen geeichten Meßstab übertragen, dessen jeweilige Verdrehung dem übertragenen Drehmoment proportional ist und an einer Teilung mit Hilfe eines umlaufenden Spiegels durch ein Fernrohr abgelesen wird. Außerdem muß noch die Drehzahl gemessen werden, dann wird aus Drehmoment und Drehzahl – wie bei der Pendelmaschine – die übertragene Leistung berechnet. In manchen Fällen ist dieses Verfahren noch einfacher als das an sich sehr einfache Verfahren der Bestimmung der übertragenen Leistung aus der elektrisch gemessenen unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades. Textabbildung Bd. 339, S. 105 Abb. 9. Prüfstand für Revolverbänke in einer Werkzeugmaschinenfabrik. Neuerdings ist für die praktische Durchführung der Leistung- und Wirkungsgrad-Prüfung ein sehr geeignetes Gerät unter der Bezeichnung „Elektrodynamische Leistungswage“ ausgebildet und auf den Markt gebracht worden, die mit einer Zeigerwage ausgerüstet (vgl. Abb. 4) in einfachster Weise, selbst von ungelernten Arbeitern bedient werden kann, was bei der Massenprüfung der serienfabrikationsmäßig hergestellten Triebmaschinen etc. von wesentlichem Vorteil sein dürfte. Bei der Verwendung von Zeigerwagen, wie sie als Federwagen allgemein bekannt und im Gebrauch sind, läßt sich eine größere Meßgeschwindigkeit erreichen, weil das jeweilige Drehmoment unmittelbar am Zeiger abgelesen wird. Die Steigerung der Geschwindigkeit geht jedoch auch hier auf Kosten der Genauigkeit, denn einerseits läßt die Genauigkeit aller Federwagen an sich zu wünschen übrig, andererseits besitzen sie eine von Null bis zum Maximum gleichmäßige Teilung. Wenn beispielsweise eine maximale Zugkraft von 100 kg gemessen werden soll, und die Ablesung hierbei mit einer Genauigkeit von ± 1 % vor sich geht, so so sinkt die Genauigkeit beim Messen einer Zugkraft von 10 kg bereits auf + 10 %. Bei der in Abbildung dargestellten Präzisions-Schnellwagevgl. S. Schüler, „Die elektrische Leistungswage“ in der „Zeitschrift des V. D. I.“ Band 70, Nr. 34/1926, Seite 1137. werden diese Schwierigkeiten insofern vermindert oder vermieden, als außer den beiden Hebelarmen noch eine Richtkraft in Gestalt einer Spiralfeder vorgesehen ist, die in radialer Richtung (senkrecht nach oben) auf das pendelnde Gehäuse der Bremsdynamo einwirkt. In der Ruhelage ist die tangentiale Komponente dieser Richtkraft gleich Null, so daß die Messung des Drehmoments durch Gewichtsbelastung, infolge des Vorhandenseins der Zusatzkraft, in keiner Weise beeinträchtigt wird. Als Bremsdynamometer für Triebmotoren und Werkmaschinen aller Art wird die elektro-dynamische Leistungswage besonders da überall mit Vorteil zur Anwendung gebracht, wo eine größere Anzahl von Maschinen gleichzeitig, entsprechend der serienmäßigen Fertigung, geprüft werden soll. In Abb. 5 bis 10 sind einige ausgeführte Prüffeldanlagen veranschaulicht, aus denen ersichtlich, daß die elektrische Bremsmethode bereits auf den verschiedensten Fabrikationsgebieten, insbesondere für Trieb- und Werksmaschinen Anwendung gefunden hat. Textabbildung Bd. 339, S. 105 Abb. 10. Meßmotor zur Ermittlung der Verluste eines Zahnradgetriebes.