Lab Report

Betriebsverhalten eines Motorrad - BMW K1200S

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Lab Report
Mechanical Engineering

University, School

Technische Hochschule Mittelhessen - THM Friedberg

Grade, Teacher, Year

2,4, Prof. Metz, 2015

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Betriebsverhalten eines Motorrad - BMW K1200S


2. Inhaltsverzeichnis


2. Inhaltsverzeichnis 1

3. Einleitung 2

4. Versuchsaufbau 3

5. Versuchsdurchführung 5

6. Bearbeiteten Aufgaben 6

    1. Fahrzeuggeschwindigkeiten über Motordrehzahl 6

    2. Motorleistung, Leistung am Antriebsrad und Widerstandsmomente 8

    3. Motormoment und Verlustleistung 11

    4. Zugkraft- Geschwindigkeit- Diagramm 13

    5. Toroidgetriebe 15

7. Quellenverzeichnis 16


3. Einleitung


[7]

Im Rahmen des Maschinenlabors wurde an der THM am Campus Friedberg im Labor für Verbrennungsmotoren im Sommersemester 2015 an einem Cartec LPS 500 Motorrad-Rollenleistungsprüfstand eine Überprüfung des Betriebsverhaltens gemacht. Der Rollenleistungsprüfstand zeichnet sich durch eine in den Boden eingelassene Rolle mit Wirbelstrombremse aus. Damit ist es nur möglich, Fahrzeuge mit einem angetriebenen Rad vor Ort zu untersuchen.

Zur Verfügung steht ein Supersport-Motorrad der Firma BMW mit der Bezeichnung K1200S.

Der Hintergrund solcher Test bezüglich des Betriebsverhaltens ist folgender:
Vor der Markteinführung eines neuen Kraftfahrzeugs müssen Angaben über das Gesamtkonzept getroffen werden können. Wesentliche Punkte dabei sind die Abgasemissionen, die Fahrleistung und der Kraftstoffverbrauch. Auch die Lebensdauer einzelner Komponenten und des Gesamtkonzeptes sind wichtige Kriterien.

Die gesamten ermittelten Messwerte geben schließlich die charakteristischen Eigenschaften des Modells an und lassen somit Rückschlüsse über Entwicklungsstand und Konkurrenzfähigkeit zu. Um vergleichbare Werte ermitteln zu können, ist es wichtig, unter reproduzierbaren Randbedingungen zu testen. Da es sich dabei um einen Schritt in der Entwicklung handelt, ist es unverzichtbar, den Rahmen an technischen Aufwand [6] und entstehender Kosten überschaubar zu halten.

Ziele einer solchen Analyse sind es, Aussagen darüber treffen zu können, wie sich die Fahrzeugleistung unter Berücksichtigung von den Fahrwiderständen, den Verlusten im Antriebsstrangs und des Beschleunigungsverhalten darstellt.

4. Versuchsaufbau

Der aufgebaute Cartec LPS 500 Rollenleistungsprüfstand besteht aus einer in den Boden eingelassenen Rolle mit einem Durchmesser von 0,86 Metern und einer angeschlossenen, ebenfalls in den Boden versenkten Wirbelstrombremse. Auf dieser Vorrichtung steht das Testmotorrad mit dem angetriebenen Hinterrad auf der Rolle und zusätzlich ist das Vorderrad auf einer verstellbaren Schiene fixiert (absolutes Festlager):


[7]


[7]

Daten zu dem Versuchsaufbau und dem Testfahrzeug:

  • Fahrzeug:

  • Hydraulisch betätigte Mehrscheibenkupplung im Ölbad

  • Klauengeschaltetes Sechsganggetriebe

  • Kardanwelle als Sekundärantrieb

  • Motor:

  • Wassergekühlter 4-Takt Ottomotor

  • 4 Zylinder z = 4

  • Bohrung x Hub = 79 x 59 mm

  • Hubraum = 1,157 l

  • Nennleistung bei Drehzahl = 123 kW; 10250

  • Maximales Drehmoment be.....[read full text]

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= (Gl.6.1.1)

Bei der gegebenen Getriebevorübersetzung = 4,45 =ergibt das für die jeweiligen Gänge des Testfahrzeugs folgende Übersetzungen:

Gang

Formel

Ergebnis

1.

10,73

2.

7,84

3.

6,19

4.

5,48

5.

4,87

6.

4,07


Aus den ermittelten Werten für die Drehzahl kann die Fahrzeuggeschwindigkeit über folgenden Zusammenhang ermittelt werden:

v = (Gl. 6.1.2)

= 2 (Gl. 6.1.3)

Aus den Gleichungen (Gl. 6.1.2) und (Gl. 6.1.3) ergibt sich die Formel

v = 2 (Gl. 6.1.4)

Außerdem muss die Umrechnung zwischen dem Rad und Motor berücksichtigt werden:

Denn es gilt:

= (Gl. 6.1.5)


Damit folgt letztendlich:

v = (Gl. 6.1.6)

In dem Diagramm „v über n“ der beiliegenden Exceltabelle ist die Fahrzeuggeschwindigkeit []in allen sechs Gängen über der relevanten Motordrehzahl [] dargestellt.

Abb. 1: Fahrzeuggeschwindigkeit über Motordrehzahl

Das Diagramm verdeutlicht den linearen Zusammenhang zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Motordrehzahl n. Da diese lineare Abhängigkeit bei allen sechs Gängen vorliegt, handelt es sich bei dem vorliegenden Getriebe um ein Lineargetriebe. Jeder Gang deckt den gleichen Drehzahlbereich ab. Umso höher der Gang, desto schneller ist die erreichbare Fahrzeuggeschwindigkeit bei gleicher Drehzahl.

Mit den ermittelten Drehzahlen des 6. Gangs konnten nicht nur auf die Fahrzeuggeschwindigkeiten geschlossen, sondern auch für die anderen fünf Gänge die Verläufe im Diagramm 1 über die jeweiligen Überse.....

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kR(kR2kR1)kR1 (Gl. 6.2.2)

Abb.2 : Rollwiderstandsbeiwert

Das Diagramm verdeutlicht den linearen Anstieg des Rollwiderstandsbeiwertes über der Geschwindigkeit. Da der Rollwiderstandsbeiwert mit der Geschwindigkeit steigt, wurde der linear steigende Bereich bis zur Endgeschwindigkeit angenommen.

6.2.2 Beschleunigungswiderstandsmoment

Der Beschleunigungswiderstand setzt sich bei diesem Versuch nur aus rotatorischen Anteilen zusammen, da die relative Geschwindigkeit des Motorrades 0 km/h beträgt und berechnet sich aus:

MB,R(JGes;RaFzg)RR (Gl. 6.2.3)

Das Trägheitsmoment aus dem gesamten Antriebsstrang, dem Motor und der Rolle jeweils auf das Rad bezogen berechnet sich wie folgt:

JGes;RJRiRo/R2JRoiM/R2JM (Gl. 6.2.4)

iRo/R (Gl. 6.2.5)


6.2.3 Leistung am Antriebsrad

Die Leistung am Antriebsrad setzt sich aus den Leistungskomponenten PAbr aus dem Rollwiderstandsmoment und PB,R aus dem Beschleunigungswiderstandsmoment zusammen. Diese Leistungen PAbr bzw. PB,R beziehen sich auf das Hinterrad, dies bedeutet es muss mit der Winkelgeschwindigkeit ωR gerechnet werden. Beziehung zwischen Winkelgeschwindigkeit ω des Motors und des Hinterrades ist:

ωRω (.....

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PRad,NPAbr,NPB,R,N PBrems,N (Gl. 6.2.12)

Um die Motorleistung zu ermitteln wird noch der Wirkungsgrad ηTr des Antriebstranges wie folgt mit einberechnet:

PMotor,NPRad,NηTr (Gl. 6.2.13)


6.3 Motormoment und Verlustleistung

6.3.1 Motormoment

Das Motormoment berechnet sich wie folgt:

MMotor,NPMotor,N(2πn) (Gl. 6.3.1)

Für die Berechnung der Verluste PVerlust-Antriebsstrang,N im Antriebsstrang nutzt man:

PVerlust-Antriebsstrang,NPMotor,N(1ηTr) (Gl. 6.3.2)


Abb.3: Motorleistung und -moment, Widerstandsmomente und Verluste des Antriebsstrangs über der Motordrehzahl

In dem Diagramm ist die typische Motorleistungskurve für ein Sportmotor zu sehen. Die Leistungskurve steigt kontinuierlich an, bis es am Ende zu einem Abfall der Leistung kommt. Die Motordrehmomentkurve zeigt einen Büffelkurven ähnlichen Charakter, nur statt zwei Höhen gibt es bei diesem Versuch drei Höhen. Bei Betrachtung der Verlustleistung durch den Antriebsstrang ist zu erkennen, dass diese sich mit steigender Drehzahl vergrößert, aber dennoch einen sehr geringen Teil darstellt.

Die Widerstandsmomente für das Abrollen und das Beschleunigen sind in dieser Darstellung auf das Antriebsrad bezogen, weshalb die Werte relativ hoch erscheinen. Mit einer Verrechnung der Getriebeübersetzung und somit auf den Motor bezogen, wären diese Werte kleiner. Es ist zu erkennen, dass das Beschleunigungswiderstandsmoment einen konstanten Verlauf aufweist. Dies ist zu erklären mit der konstanten Beschleunigung aFzg.

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Die auf der X- Achse aufgetragenen Fahrzeuggeschwindigkeit, werden über lineare Interpolation ermittelt.

Gl. (4.1)


gewünschte Drehzahl

minimale Drehzahl im ersten Gang

maximale Drehzahl im sechsten Gang

minimale Geschwindigkeit im ersten

Gang

maximale Geschwindigkeit im sechsten

Gang


Abb.5: Fahrzeuggeschwindigkeit über Motordrehzahl mit interpolierter idealer Fahrzeuggeschwindigkeit


Die auf der y-Achse aufgetragene ideale Zugkrafthyperbel errechnet sich mit der Formel.


Gl. (4.2)


Um die realen Zugkräfte ebenfalls in das Diagramm eingetragen zu können, müssen diese vorerst berechnet werde. Die zugehörige Formel lautet:

Gl. (4.3)


Durch feste Getriebeübersetzungen entstehen zwischen den einzelnen realen Zugkräften der zugehörigen Gängen Lücken. Diese Lücken werden “Getriebelücken“ genannt. In den genannten “Getriebelücken“ können die realen Zugkräfte nicht an die ideale Zugkrafthyperbel angenähert werden, d. h. in dem Bereichen existieren keine Zugkräfte. Dies führt zu einem Leistungsabfall. Um diesen Leistungsabfall gering zu halten müssen die Getriebeübersetzungen optimiert werden.

“Getriebelücken“




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Toroidgetriebe [8]


Grafisch betrachtet bedeutet dies [Abbildungen: 1, S.252], dass der Verlauf der Übersetzungen in unendlich kleinen Schritten durchgeführt werden kann. Somit gibt es viel mehr Schnittpunkte zwischen den Büffelkurven und der idealen Zugkrafthyperbel.

Betrachtet man diese unendlich kleinen Abstufungen der Übersetzungen, kann genau der Zugkrafthyperbel entlang gegangen werden. Das bedeutet, dass es keine Getriebelücken gibt. Somit ist ein Zugkraftgewinn zu verzeichnen, welcher sich in einer Steigerung der Fahrleistung äußert. Außerdem ist es möglich den Motorbetriebspunkt im Teillastbereich in den Bereich des minimalen Kraftstoffverbrauchs zu rücken [1, S.251].

Gerade in Zeiten der Flottenquoten ist dies ein entscheidender Faktor zur Emissionsreduktion, da Kraftstoff eingespart werden kann.

Die Funktionsweise eines Toroidgetriebes erfolgt über schwenkbare Reibrollen. Die torusförmigen Antriebs- und Abtriebsscheiben ermöglichen die Kraftübertragung. Durch eine Veränderung des Neigungswinkels [1, S.251] lässt sich das Übersetzungsverhältnis zwischen An- und Abtrieb stufenlos einstellen, da die Größe der wirksamen Reibraddurchmesser [5, S.43] an der Berührungsstelle der Reibräder variiert, wodurch die Änderung des Übersetzungsverhältnisses eintritt.

Bei dieser Anwendung wird ein geeignetes Traktionsfluid benötigt, welches die Umfangskräfte übertragen kann und gleichzeitig in der Lage ist, die hohen Hertz’schen Pressungen zwischen den .....

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[8] Abb.1. ist von der Seite aufgerufen am 02.05.2015 um 10:40 Uhr


7

Labor für Ver.....


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