Pomiar momentu przy wysokich prędkościach obrotowych
Koncepcje mobilności zmieniły się dramatycznie od czasu pojawienia się silnika spalinowego i wprowadzenia silnika elektrycznego. Te innowacje z kolei wpłynęły na stanowiska badawcze i technologie pomiaru momentu obrotowego. Dwa szczególnie dominujące trendy w klasycznych obszarach zastosowań to wyższe prędkości obrotowe i dynamiczny pomiar momentu obrotowego. W tym artykule opisujemy pomiar momentu obrotowego przy wysokich obrotach, jednocześnie nakreślając niektóre wyzwania i zmiany oczekiwane w przyszłości. Trzy klasyczne rynki wymagające pomiaru momentu obrotowego przy wysokich obrotach to sektory: motoryzacyjny, lotniczy i procesów przemysłowych (testowanie komponentów, monitorowanie turbin itp.).
W sektorze motoryzacyjnym moment obrotowy jest podstawową miarą pomiaru osiągów pojazdu jako stosunek mocy do masy oraz jako parametr funkcji silnika, funkcjonalności skrzyni biegów, przekładni itp. Generalnie pomiar momentu obrotowego na rynku motoryzacyjnym dotyczy obsługiwanego zakresu obrotów. Typowy silnik wysokoprężny pracuje w zakresie około 3500 – 5000 obr./min, podczas gdy silnik benzynowy może osiągać nawet 6500 obr./min. Wartości te są ograniczone do pojazdów konsumenckich z niższej i średniej półki.
Pomiar momentu obrotowego przy wysokich prędkościach obrotowych staje się warunkiem wstępnym w branży motoryzacyjnej, jeśli chodzi o wysokiej klasy samochody sportowe poruszające się z prędkością około 9 000 obr./min, konkurencyjne rynki (np. Formuła 1) oraz pojazdy wyczynowe o stosunkowo wysokich prędkościach 18 000 obr./min. Zapotrzebowanie na bardziej wydajne i charakteryzujące się wyższymi osiągami pojazdy zwiększyło również zapotrzebowanie na pomiar momentu obrotowego przy wysokich prędkościach obrotowych zintegrowanych komponentów, takich jak turbosprężarki. Wirnik w typowej turbosprężarce może przy standardowej pracy przekraczać prędkość 100 000 obr./min.
Testowanie wysokowydajnych silników, skrzyń biegów, układów napędowych, przekładni i komponentów w tej nowej sytuacji pomiaru momentu obrotowego przy wysokich prędkościach obrotowych wymaga solidnego rozwiązania.
Pomiar momentu obrotowego przy wysokich prędkościach obrotowych w sektorze lotniczym jest rutynowym wymogiem zarówno przy testach turbin (ok. 22 000 obr./min+), jak i przy pomiarach szybkich skrzyń biegów (ok. 30 000 obr./min+). Różne obszary zastosowań na rynku lotniczym osiągają wysokie zakresy prędkości obrotowych, co z kolei wpływa na pomiary momentu obrotowego dla standardowych komponentów, takich jak koła zębate, łożyska, pompy paliwowe i uszczelnienia. Typowe zastosowania lotnicze wymagające rozwiązania do pomiaru momentu obrotowego przy wysokich obrotach obejmują:
- Urządzenia pomocnicze silników lotniczych (alternatory, rozruszniki itp.),
- Badanie wałów turbosprężarek i turbin,
- Testowanie przekładni śmigłowców.
Przyszłe wyzwania w zakresie pomiaru momentu obrotowego przy wysokich prędkościach obrotowych
Podobne zakresy obrotów występują w sektorze napędów elektrycznych, przy czym są już dostępne synchroniczne maszyny elektryczne osiągające prędkości do 25 000 obr./min. Ta aplikacja jest szczególnie trudna do pomiaru momentu obrotowego, ponieważ innowacyjne elektryczne układy napędowe (np. osie napędowe e-Axle) stale zmieniają się pod względem momentu bezwładności i rozmiaru. Na klasyczne przemysłowe stanowiska testowe wyższe prędkości obrotowe mają również wpływ, szczególnie w odniesieniu do elektryfikacji.
Elektryfikacja leży u podstaw głównych czynników napędzających stale rosnące możliwości osiągania prędkości obrotowych i dynamicznych pomiarów momentu obrotowego. Podstawową koncepcją jest osiągnięcie większej gęstości mocy poprzez zwiększenie prędkości napędu silnikowego bez proporcjonalnego zwiększania rozmiaru urządzenia. Jest to najtrudniejszy aspekt nowoczesnego pomiaru momentu obrotowego dla wyższych prędkości obrotowych – wyzwanie leżące u podstaw każdego z tych klasycznych rynków.
