High-Speed Drehmomentmessflansche für E-Mobility und Luftfahrt

Im Bereich der Luftfahrt sowie für die Entwicklung der E-Mobility sind Prüfstände mit großen Drehzahlen bis zu 60.000 -1/min notwendig. Im Gegensatz zu den Verbrennungsmotoren sind bei den E-Motoren die Drehzahlen deutlich höher.

Solch hohen Drehzahlen waren im Prüfstandsbau und der Automobilindustrie bisher selten und deshalb bewegt man sich hier auf technischem Neuland. Bekannt und gut erforscht sind solche hohen Drehzahlen in der Luftfahrt bei Turbinenherstellen. Die klassischen Prüfstandskonzepte der Automobilindustrie mit ihrem modularen Aufbau und der damit verbunden Komponentenbetrachtung sind jetzt nicht mehr ausreichend. Prüfstandskonzepte für die Elektromobilität der Zukunft müssen mit diesem Hintergrund neu entwickelt werden.

Als langjähriger Partner der Luftfahrt- und insbesondere der Turbinenindustrie hat die Firma Manner Sensortelemetrie in der Herstellung derartiger Aufnehmer sehr viel Erfahrung. Für die Auslegung derartig hoher Drehzahlen muss der gesamte Antriebstrang betrachtet werden. Die Eigenfrequenzen der einzelnen Komponenten gehen entscheidend in die Gesamtstabilität des Wellenstrangs ein. Eine große Masse und torsionale „Weichteile“ die von Kupplungen zur Entkopplung von parasitären Kräften wie Biegemoment, Seitenkräften und Axialkraft verwendet werden, sind bei den hohen Drehzahlen äußerst kritisch. Dank seiner leichten und kompakten Bauweise weisen unsere High-Speed-Drehmomentsensoren ein geringes Massenträgheitsmoment auf. In der Folge verringern sich das Drehmoment bei Beschleunigungsvorgängen und die Lagerbelastung. So erhöhen Sie die Lebensdauer Ihres Systems.

Natürlich ist auch hier die hochgenaue Drehmomenterfassung zur Bestimmung des Wirkungsgrades von zentraler Bedeutung. Allerdings sind herkömmliche Konzepte zur Drehmomenterfassung nicht mehr ausreichend. Die geforderten hohen Resonanzfrequenzen des Antriebsstranges, ein geringes Übersprechen von parasitären Kräften auf die Drehmomentmessung und hohe Radialkräfte erfordern neuartige Designs der Drehmomentaufnehmer und deren Einbindung in den Wellenstrang. Für diese Aufgabenstellung sind Designkriterien, wie die für Turbo-Maschinen bzw. Turbinenprüfstände anzuwenden.

Zusätzliche Forderungen nach Schmierung von Gleitlagern erfordern häufig auch Hohlwellenausführungen. In den Bohrungen wird häufig das Schmiermittel transportiert. Auch die notwendige Temperaturfestigkeit ist deutlich höher als die bisher üblichen +85°C. Bei Klimaprüfständen umfasst der Temperaturbereich -40 bis +160°C. Durch die integrierte Ausführung ist ein angepasstes Design häufig unabdingbar. Dabei ist die Robustheit des Messmittels von besonderer Bedeutung.

Durch die ständige Weiterentwicklung beim Entwurf und der Realisierung von Spezialaufnehmern für Turbinen- und Turboladerprüfstände hat Manner in den letzten zwei Jahrzehnten sehr viel Know-How aufgebaut. Die Kompetenz reicht vom mechanischen Design bis hin zur hochgenauen Erfassung des Drehmoments sowie der Drehzahl auch bei hohen Umgebungstemperaturen von bis zu +160°C und der entsprechend kontaktlosen Übertragungstechnik, der Sensortelemetrie.

Eine besondere Herausforderung stellt bei Prüfständen für E-Motoren die erhöhte und stetig wechselnde Umgebungstemperatur dar. Bekanntlich ändert sich der E-Modul eines Messkörpers über der Temperatur mit ca. 2,5 % pro 100°K , dies ist erheblich. Zusätzlich gibt es bei diesen Drehzahlen einen drehzahlabhängigen Fehler des Nullpunktes. Für diese Herausforderungen ist der Manner High-Speed Aufnehmer temperatur- und drehzahlkompensiert und kann über den gesamten Betriebsbereich eine gleichbleibende und hohe Genauigkeit liefern.
Der Nachweis der Güte des Messaufnehmers wird mittels eines klimatisierbaren Kalibrierstandes, welcher mit Umgebungstemperaturen von -40 bis +160°C arbeitet, geführt. Entsprechende Drehzahltesteinrichtungen sichern die Drehzahlunabhängigkeit des Messaufnehmers ab.

Das erfasste Drehmoment wird bereits im Rotor digitalisiert. Die Messwerte werden digital und kontaktlos zur Signal Pick Up übertragen. In der Regel werden bei modernen Prüfstands Konzepten die erfassten Daten digital via EtherCAT, CAN oder Ethernet an die Prüfstands Datenerfassung übergeben.

Die Baureihe umfasst sämtliche Ausführungen

• 0,1 kN·m
• 0,2kN·m
• 0,5kN·m
• 1 kN·m
• 2 kN·m
• 3 kN·m
• 5 kN·m
• 10 kN·m
• 20 kN·m

und ist je nach Baugröße in den folgenden Drehzahl-Standardausführungen erhältlich:

• 40000 min^-1 (60000 min^-1)
• 35000 min^-1 (50000 min^-1)
• 25000 min^-1 (35000 mn^-1)

Optional ist Manner offen für kundenspezifische Flanschgeometrien mit individueller Anbindung. Dies kann entscheidend für die Wellendynamik sein. Auch Lösungen im Hochsetzgetriebe sind aufgrund der hohen Temperaturfestigkeit umsetzbar. Die Option der Hohlwelle erlaubt die Versorgung- mit Schmier und Kühlmitteln direkt durch den Drehmomentaufnehmer. Gerade dies wird bei E-Mobility Prüfständen immer relevanter.

Die hochgenaue Drehmomenterfassung für neue Prüfstandskonzepte weist folgende Charakteristiken auf:

• Design mit Entkopplung von parasitären Kräften wie Biegemoment, Seitenkräften und Axialkraft
• Genauigkeitsklassen von bis zu 0.05
• Temperaturbereich -45 bis +160°C
• Erhaltung der Genauigkeit über den gesamten Temperaturbereich durch elektronische Kompensation
• Integrierte Drehzahlerfassung
• Ölfest
• Datenausgang: Analog oder EtherCAT, CAN und Ethernet möglich