Egy jármű kapcsán talán az egyik legtöbbet hangoztatott adat a mindennapi életben a teljesítménye. Önmagában azonban nem sokat árul el, hiszen más paraméterekkel együttvéve tudunk csak következtetni az adott jármű menettulajdonságaira. Lehet két személyautónak azonos a teljesítménye, mégis egészen különböző gyorsulási értékekkel rendelkezhetnek. Eltérő lehet a tömegük, hajtáslánc-felépítésük, nyomatékváltóiknak áttételezése, nyomatékgörbéjük alakja stb, amik akár önmagukban is kihatással lehetnek a jármű gyorsulási értékére. Ennek ellenére a gépjármű teljesítményének nagysága mégis az egyik legdominánsabb adat az autórajongók körében két jármű összehasonlításakor. Mivel és hogyan lehet kellő pontossággal megmérni egy adott jármű tényleges - nem a katalógusból kiolvasott, hanem a valós - teljesítményét? Erről lesz szó az alábbi átfogó, néhol mélyebben a részletekbe merülő kétrészes cikksorozatban. Az első részben a teljesítménymérő padok általános bemutatására kerül sor - a gyorsulásmérőkkel végzett teljesítménymérés nem kerül tárgyalásra -, a második részben a görgős fékpaddal történő nyomaték- és teljesítménykarakterisztika-felvétel követelményeiről, a mérés fizikai hátteréről és a kapott adatok elemzéséről lesz szó.
A teljesítmény definíciója az egységnyi idő alatt végzett munka. Azaz munkát végző eszköz teljesítményt fejt ki egy adott időintervallum alatt. Az elvégzett munka különféle lehet, például súrlódási, elektromos, mechanikai munka stb. Így beszélhetünk például fékberendezés teljesítményéről, elektromos izzó teljesítményéről. Gépekre vetítve az elvégzett munkák különfélesége miatt merült fel az az igény, hogy számszerűleg összehasonlíthatóvá kellene tenni az eltérő gépek, munkaeszközök által kifejtett teljesítményt. Legelőször James Watt állt elő azzal, hogy az általa feltalált gőzgép teljesítményét az akkori univerzális munkaeszköz, azaz egy ló teljesítményéhez mérje. Egy bányapóni által egy perc alatt felhúzott szén mennyiségét mérte meg, ezt az értéket saját becslésére alapozva 1,5-el megszorozta, ezzel meghatározva egy normális ló által kifejtett teljesítményt. Az így számított gépi lóerő (LE, angolul horsepower, hp) körülbelül akkora teljesítménnyel egyenértékű, amelyet egy ló hosszabb időn keresztül ki tud fejteni. Összehasonlításképp: egy hétköznapi ember rövid távon kb. 1,1-1,2 LE-t, míg hosszabb távon 0,1 LE-t tud leadni. Megkülönböztethetünk gépi lóerőt, metrikus lóerőt és elektromos lóerőt, kazánlóerőt. A gépi lóerő az angolszász területeken terjedt el, a kazánlóerő és az elektromos lóerő pedig az ezekhez kapcsolódó iparágakban. Európa jelentős részén (hazánkban is), Japánban és Dél-Amerikában a metrikus LE használata a jellemző. A Magyarországon használatos lóerőnek megfelel a német Pferdestärke (PS), a svéd hästkraft (hk), a finn hevosvoima (hv), a norvég valamint dán hestekraft (hk), az olasz cavalli (cv), a spanyol caballos, a holland paardenkracht (pk), a portugál cavalos és a francia chevaux (ch). A LE nem hivatalos SI mértékegység, helyette SI rendszerben a Watt használatos.
Belsőégésű motorok teljesítménye (P) esetén származtatott mennyiségről beszélhetünk. A motor teljesítményét közvetlenül nem, csak két másik, mért érték szorzataként kapjuk meg. Ez a két mért érték a motor nyomatéka (M) és szögsebessége (omega).
A hengerbe bejutott keverék elégésekor fellépő nyomásnövekedés a dugattyút lefelé mozdítja el a hengerben. A gázerő a dugattyún, dugattyúcsapszegen, hajtórúdon keresztül áttevődik a főtengelyre (forgattyúcsapra), nyomatékot (illetve forgómozgást) létrehozva. A főtengelyre szerelt lendkeréken ez a nyomaték és a motor fordulatszáma mérhető. SI rendszerben a nyomaték mértékegysége a Nm (Newtonméter), a szögsebességé pedig 1/s, így a teljesítményé a Watt (Nm * 1/s= Nm/s=J/s=W). A fentebb említett lóerő és Watt közötti egyenlőség : 1 LE=735,5 W. Könnyebb megjegyezni, ha 1kW-ra (1000 W-ra) írjuk fel az egyenlőséget: 1 kW= 1,36 LE.
Az erőforrás nyomatékát leggyakrabban fékpad vagy torziós dinamométer segítségével mérik. A torziós dinamométert a vizsgálandó belsőégésű motor és a hajtott munkagép közé helyezik. A motor által leadott nyomatékot gyakorlatilag veszteség nélkül közvetíti a munkagép felé, miközben méri annak nagyságát. Ismertebb és széles körben elterjedt eszköz a (teljesítménymérő) fékpad. Míg a torziós dinamométer a hajtáslánc (mérőlánc) belső elemeként van jelen, addig a fékpad a hajtáslánc végén helyezkedik el: tengelykapcsoló segítségével a motor rá van csatlakoztatva, vagy a gépjármű kereke forgatja közvetlenül. A teljesítménymérő fékpad nem azonos a műszaki vizsgán a fékberendezés állapotának felmérésére alkalmazott tesztpaddal!
Léteznek egyéb teljesítménymérő-eszközök is, például gyorsulásmérők vagy kerékagy-dinamométerek, ám ebben az írásban a továbbiakban csak a motorfékpadokról és görgős fékpadokról lesz szó, mivel a való életben az ilyen mérőberendezésekkel végzett mérési eljárások a legelterjedtebbek.
A gépjárművek vizsgálatához alkalmazott fékpadokat két nagy csoportba lehet sorolni: vannak a kimondottan csak a motor vizsgálatára kifejlesztett fékpadok (motorfékpad, angolul: engine dynamometer (engine dyno), motorlabor esetén: engine cell), illetve vannak a már gépjárműbe beszerelt és a hajtáslánccal összekapcsolt erőforrások vizsgálatára alkalmas teljesítménymérő vagy más néven görgős fékpadok (angolul: chassis dynamometer (chassis dyno), rolling road). A fékpadokkal végzett vizsgálatok nem korlátozódnak a teljesítménymérésre, segítségükkel laborkörülmények között - megfelelő műszerekkel - mérhető a tüzelőanyag-fogyasztás, kipufogógáz-emisszió, turbonyomás stb, elvégezhető az adott erőforrás finomhangolása.
A motorfékpadok olyan vizsgálóberendezések, melyekkel a motor különféle paraméterei (teljesítmény, nyomaték, tüzelőanyag-fogyasztás, kartergáz mennyisége stb.) üzem közben mérhetőek. Többnyire hangszigetelt helyiségekben működtetik ezeket a mérőberendezéseket. Felépítésük lehetővé teszik különböző motorok vizsgálhatóságát; az erőforrás (állítható) bakok segítségével rögzül a pad vázához. A vizsgált motor tengelykapcsolón keresztül hajtja a pad fékberendezését (a fékberendezésekről későbbiekben részletesen szó lesz). A motorfékpadok egyik legnagyobb előnye, hogy a motor nyomatéka, teljesítménye közvetlenül a motor főtengelyénél (lendkerekénél) mérhető. A motor üzemeltetési körülményei (pl. hűtőfolyadék hőmérséklete, beszívott levegő hőmérséklete) könnyebben kontrollálhatóak, mint görgős fékpad esetén, így a motor működése precízen szabályozott körülmények között vizsgálható, ami megkönnyíti a motorfejlesztői munkát, valamint a motor bejáratása - ha a padot erre (is) használják - kevésbé körülményes. Az engine dyno-k hátránya azonban épp ebből adódik: a motor nem a gépjárműbe szerelt állapotában kerül tesztelésre. Emiatt, mivel nem annyira zárt térben működik, mint a motortérben, eltér(het) a melegedése a közúton tapasztalhatótól. Továbbá ha nem a gyári szívó / kipufogórendszert, hanem a labor levegőellátó / kipufogógáz-elvezető  rendszerét kötik a gyári szívórendszer helyére / rá a kipufogó leömlőre, akkor változhat a motor nyomaték-karakterisztikája. Az ebből adódó eltérés miatt írható motorvezérlő esetén a motor felprogramozása motorfékpadon nem célszerű, ellenben - régebbi konstrukciójú motorok esetén - a karburátor beállítása, finomhangolása gond nélkül elvégezhető.
A mellékelt képen jól látható az állítható motorfelfogatás, ami lehetővé teszi különféle méretű/kivitelű belsőégésű erőforrásoknak a motorfékpadon való rögzíthetőségét. Látható a motor lendkerekéhez csatlakoztatott fékgép is (jelen esetben örvényáramú fék), a fékgép támasztókarja az erőmérő cellával (lásd később), és a kipufogó leömlőhöz csatlakoztatott gázelvezető rendszer.
A görgős fékpadok olyan vizsgálatóberendezések, melyekkel a már járműbe szerelt erőforrás üzemi paraméterei mérhetőek, illetve - a motorfékőpaddal szemben - vizsgálható a hajtáslánc-veszteség is. Két fő típusuk van: inercia fékpad, stacioner fékpad. Mindkét típus közös jellemzője, hogy a mérőpadok érdesített görgőit a vizsgált jármű hajtott kerekei forgatják meg. 
A görgők mozgásállapotának változásából mérhető a vizsgált jármű teljesítménye.
Felépítésük szerint beszélhetünk két- vagy összkerékhajtású jármű mérésére alkalmas padokról (léteznek speciális padok többtengelyes teherjárművek mérésére is), valamint fixen telepített és mobil mérőpadokról.
A görgőágy felépítése szempontjából lehetnek egy vagy kétgörgős kivitelűek.
A kétgörgős ágyban stabilabban rögzül a jármű, ám nagyobb a gumi igénybevétele. A mellékelt képen egy négykerékhajtású jármű vizsgálatára (is) alkalmas, kétgörgős görgőággyal szerelt stacioner fékpad látható.
Az inercia fékpadok ma már kevésbé használatosak, az "ős" görgős fékpadok tartoznak ebbe a csoportba. Felépítésük sematikus ábrája:
 |
Ahogy látható, fékgép nélküli mérőberendezések. Emiatt felhasználási területük korlátozottabb, mint a stacioner padoké. A teherviselő görgőhöz (menetirány szerinti mellső görgő) van csatlakoztatva a lendtömeg, mellyel a mérőpad tehetetlenségi nyomatéka kellően nagy értékű lesz (ennek jelentősége a második részben fog kiderülni). Mind a teherviselő, mind a támasztógörgő szögelfordulását szögjeladóval mérik, ebből a rendszer szögsebessége (görgők fordulatszáma), szöggyorsulása számítható az idő ismeretében. Inercia padok esetén a (gyorsító)nyomaték meghatározására a rendszer szöggyorsulásának mérése és a mérőberendezés ismert tehetetlenségi nyomatékának szorzata szolgál. A második részben részletesen szó lesz erről. A görgőágyból való kiállást a süllyeszthető-emelhető kiemelő pad segíti. A fékgéppel felszerelt görgős fékpadok elterjedésével egyre inkább háttérbe szorultak, jó ideje már a stacioner padok dominálnak.
Az inercia padokkal szemben a stacioner fékpad alkalmazási területe igen széles. A fékberendezésüknek (power absorber unit - PAU) köszönhetően képesek állandósult (stacioner) üzemállapot / terhelés létrehozására. Így a teljesítménymérés mellett diagnosztikai vizsgálatok és különféle menetszimulációk (pl. hegymenet, légellenállás) elvégzésére is alkalmasak. A stacioner padok felépítése (az ábrán örvényáramú fékgéppel szerelt pad sematikus képe szerepel):
 |
A fékezett görgők a menetirány szerinti mellső görgők. Némely pad rendelkezik kiegészítő lendkerékkel is. A vezérlőegységbe a szögjeladóktól és az erőmérő cellától érkezik a bemenőjel. A szögjeladók jeleiből számolható a görgők szögsebessége (fordulatszáma), szöggyorsulása, az erőmérő cella (nyúlásmérő bélyeg) jele alapján pedig a nyomaték (mért erő x erőkar hossza). A vezérlőegység a beállítástól függően küld jelet (feszültséget) az örvényáramú fékgépnek a megfelelő fékezőnyomaték létrehozásához.
A stacioner teljesítménymérő padok és motorfékpadok működésének a lényege: a gépjárműmotor tengelykapcsolón (engine dyno) vagy a tesztpad görgőin keresztül hajtja a mérőpad fékgépének forgórészét. A forgórészről a fékgép állórészére munkaközeg (víz, elektromágneses mező, vaspor, levegő) továbbítja a nyomatékot. Az állórészen a pad konstrukciójától függően fékezőnyomaték keletkezik (hidraulikus pad esetén örvénylési és súrlódási veszteség lép fel, villamos fékpadnál: örvényáram indukálódik). Az állórész a csapágyazásának köszönhetően hossztengelye körül el tud billenni. Az állórész adott hosszúságú kar segítségével támaszkodik vagy mérlegre (régebbi konstrukciójú fékpadok) vagy erőmérő cellára. A mérleg (erőmérő cella) ellenerejéből és a kar ismert hosszúságából számítható a reakciónyomaték, mely egyensúlyt tart fenn a gépjármű motorjának nyomatékával:
 |
Hidraulikus fékpad esetén a fékezőnyomatékot létrehozó munkaközeg többnyire víz. Az ilyen berendezésekre jellemző, hogy a fékpadban lévő vizet a forgórész mozgásba hozza, majd a víz az állórészen lefékeződik. Ezáltal a motor nyomatéka átadódik az állórésznek és örvénylési, súrlódási veszteséggé alakul át, a motor mozgási energiája hőenergiává transzformálódik. A vízfékpadoknál egyúttal hűtőközegként is funkcionál a munkaközeg. Egyre inkább kezdenek a hidraulikus fékpadok háttérbe szorulni, mivel beállításuk a modern, könnyen szabályozható örvényáramú vagy egyenáramú padokhoz képest körülményes és lassú. Személyes példával élve: hidraulikus, víz munkaközegű motorfékpadon (Schenck U1-16 vízfékpad) végeztem laborgyakorlataimat a BME Gépjárművek Tanszék motorlaborjában (vizsgált belsőégésű motor: VAZ 2101), egy-egy méréssorozat során több munkapontot kellett felvenni. A munkapontok beállítása jelentette néha a mérés nehezebb részét: adott, rögzített gázpedálállással üzemeltetve a motort, úgy kellett a fékgépet beállítani, hogy az erőforrás egy meghatározott fordulatszámra fékeződjön, adott fordulatszámon működjön. Leginkább az olyan mérési sorozatok elvégzése volt problémásabb, mely során különböző gázpedálállással, de azonos fordulaton kellett a motor jellemzőit rögzíteni. A fékezés körülményessége miatt az adott fordulatszámot csak kisebb-nagyobb eltérésekkel sikerült beállítani. 5-6 munkapont egymás utáni felvétele már elég időrabló tevékenység volt, és az azonos fordulatszámon való járatás nem minden esetben teljesült.
Villamos örvényáramú (eddy current brake) fékgéppel felszerelt fékpadnál a fékezőnyomatékot a forgó- és állórész közötti mágneses hatás hozza létre. Az állórészben tekercsek vannak, melyekre egyenáramot kapcsolnak. A fogazott tárcsájú forgórész forgásakor (melyet a gépjármű motorja hajt) az állórészben örvényáram indukálódik. Ez az örvényáram - az örvényáram által létrehozott mágneses mező - a tárcsát fékezni igyekszik. Mivel a motor mechanikai munkájának felemésztése nagy hőképződéssel jár, ezért a fékező berendezést hűteni kell. Legtöbbször lé ghűtésesek, ám nagy teljesítményű padoknál akár vízhűtésre is szükség lehet. A tekercsekben folyó egyenáram (gerjesztő áram) szabályozható, mellyel a fékezőnyomaték nagysága változtatható. Az egyik legelterjedtebb típusú teljesítmény-abszorber, mivel helyigénye kicsi, valamint könnyedén és igen gyorsan szabályozható a fékezőnyomaték nagysága, ezzel különféle terhelési görbék mentén egyszerűen vizsgálható az adott erőforrás. A mellékelt képen léghűtéses örvényáramú fékgép látható a támasztókarral együtt.
A hidraulikus és örvényáramú fékpadok mellett léteznek mágnesporos, hiszterézises, légfékes (levegő munkaközegű), mechanikus dörzsfékes (Prony fékes), egyenáramú és aszinkron fékpadok is. A légfékes padoknál a fékezőnyomatékot a forgórész lapátszögének változtatásával vagy a szállított levegő fojtásával érik el. Mivel jelentős a helyigényük, ezért használatuk járműmodellek motorjainak vizsgálata esetén kerül előtérbe. A dörzsfékes (Prony fékes) konstrukciót ritkán alkalmazzák önmagukban, többnyire más kialakítású fékező mechanizmussal együtt használják. Nagy előnyük, hogy kis fordulatszám esetén is képesek nagy fékezőnyomaték kifejtésére. Az egyenáramú fékpadok használata ellen magas áruk szól, azonban az ilyen fékpaddal az előbb említettekkel ellentétben tolóüzemi szimulációs vizsgálatok is elvégezhetőek, mivel a mérőpad hajtani is képes.
A fékpadok mérési tartományáról jellegmezőjük ad tájékoztatást. A jellegmező olyan derékszögű koordináta-rendszer, melynek x  tengelyén a mérés fordulatszáma, y tengelyén a mérhető nyomaték (M) vagy teljesítmény (P) kerül feltüntetésre. A jellegmezőt határoló görbék között minden pontban fennáll a dP/domega=1/2pi*dP/dn=M egyenlőség. Hidraulikus motorfékpad M-n és P-n jellegmezője látható a jobb oldali ábrán. A diagramok O-A szakasza a teljes terhelésre szabályozott fékpad jelleggörbéje. Az ábrán hidraulikus pad görbéje van feltüntetve, örvényáramú fékberendezéssel szerelt pad O-A görbéje domború. Az A-B szakasz mutatja azt a legnagyobb nyomatékértéket, mellyel a pad terhelhető. Mivel a teljesítménymérő padon a motor munkája többnyire hőenergiává alakul, ezért a fékberendezést hűteni kell. A hőelvezető képessége korlátozott, emiatt a fékezhető legnagyobb teljesítmény is korlátozott. A B-C szakasz ennek felel meg. A C-D függőleges szakaszt a maximális fordulatszám értéke határozza meg. A D-O szakasz a pad legkisebb terhelésre állított teljesítményfelvétele. Ennél kisebb terhelés nem valósítható meg a csapágysúrlódások, kis hidraulikus fékerő, maradó mágnesesség (örvényáramú fékpad esetén) miatt. Adott motor akkor mérhető a motorfékpadon, ha a motor jelleggörbéje (ábrán pirossal jelölve a nyomaték és teljesítménygörbe) berajzolható a fékpad jellegmezőjébe.
Szokás logaritmikus léptékű diagramon is ábrázolni a P-n jellegmezőt. A nagyobb gyártócégek (például: Land&Sea (Dynomite), Mustang, Schenck, Maha) általában fékpadsorozatokat készítenek. Egy közös log-log diagramon ábrázolva az egyes padok görbéit, könnyen meghatározható, hogy egy adott sorozat mely eleme felel meg egy létrehozandó vizsgálólabor előzetes követelményeinek, vagy másként fogalmazva: melyik fékpad rendelkezik azzal a szükséges fékgéppel, mellyel x fordulaton y teljesítményt leadó motort vizsgálni lehet.  A mellékelt alábbi ábrán egy motorfékpad-sorozat jellegmező látható. Az x tengelyen a fordulatszám (görgős padoknál a görgő kerületi sebességet szokás megadni), az y tengelyen a fékpad által felvehető teljesítmény van feltüntetve logaritmikus léptékben (görgős fékpad esetén a görgő kerületén kifejtett teljesítmény a mérvadó, nem a motor teljesítménye). Kékkel kiemeltem a GW100-as pad mérési tartományát. Az ábrán nyíllal jelölt egyenes szakasz a fékkarra ható erő nagyságát jelzi (gyártó cég által megadva). Az ábráról leolvasható, hogy egy általunk tesztelni kívánt, 3800 1/min-en 48 kW maximális teljesítményt leadó belsőégésű motort csúcsteljesítményen járatva tesztelhetünk ezzel a paddal.
A teljesítménymérés "hardware" oldala mellett lényeges a mérést támogató "software" oldal is. Ahogy már szó volt róla, a régebbi konstrukciójú padokkal egy-egy munkapont beállítása körülményes feladat volt. A technika fejlődésével azonban ez a probléma megoldódott, egy korszerű motorfékpad, stacioner görgős fékpad elengedhetetlen tartozéka a vezérlő számítógép a megfelelő programmal. Ezzel nem csak a munkapontok beállítása, a mért adatok rögzítése és a mérési eredmények gyors kiértékelése egyszerűsödik le néhány kattintásra, hanem olyan új tesztelési eljárások elvégzése válik lehetővé, melyek korábban kivitelezhetetlenek voltak. Egy extrém esetet említve: például a F1-es motorfejlesztő laborban lehetőség van arra, hogy egy korábbi futam alatt rögzített telemetriai adatokat felhasználva a fékpadon a vizsgált motort ugyanúgy terheljék, mint amilyen igénybevételnek ki volt téve a versenyen. Hétköznapibb, konkrét példát említve: Land&Sea (Dynomite) motorfékpadokkal lehetőség van komplett, váltakozó terhelésű bejáratási folyamatot lefuttatni a motoron, illetve saját mérési folyamatot rögzíteni. Miért jó ez? Például azért, mert motortuning után az erőforrást mindvégig (a leg)optimális(abb) üzemi körülmények között járatva lehet bejáratni, így a vevő már olyan kész motort kap, melyet azonnal maximálisan terhelhet. Nem kell saját magának "bekoptatnia" az erőforrást, arról nem is beszélve, hogy utcai használat esetén a bejáratáshoz szükséges üzemi körülmények közel sem annyira ideálisak, mint laborkörülmények között. A fejlesztő/motortuningoló szemszögéből: több motoron teljesen azonos mérési ciklust képes lefuttatni.
A teljesítménymérő padok a motor teljesítményének mérése mellett különféle feladatok elvégzésére is alkalmasak. Alkalmazhatóak mind hatósági vizsgálatok elvégzésére - például típusvizsgálat - mind diagnosztikai vizsgálatok végrehajtására, nem beszélve a motorfejlesztési, motorátalakítási munkálatokról. Segítségükkel laborkörülmények között mérhető a tüzelőanyag-fogyasztás, kerék- és motorteljesítmény, kipufogógáz-emisszió. Fékgéppel rendelkező padok az írható motorvezérlők felprogramozásának - ha nem is nélkülözhetetlen, de - fontos kellékei. Komoly gépjárműtuningolással, járművizsgálattal foglalkozó cégek alapvető eszköze.
A fentiekben megismerkedhettünk a fékpadok főbb típusaival, jellemző felépítéseivel. Nem esett szó azonban a teljesítménymérés fizikai hátteréről, mért értékekről. A következő részben ezekről lesz szó.
Észrevételed, javaslatod, kérdésed van a cikkel kapcsolatban? Ide kattintva megírhatod!
Felhasznált irodalom:
1, Dr. Nagyszokolyai Iván - Görgős járműfékpadok: A szerkezet - BME Gépjárművek Tanszék
2, Dr. Nagyszokolyai Iván - Görgős járműfékpadok: Motorteljesítmény-mérés görgős fékpadon - BME Gépjárművek Tanszék
3, Dr. Dezsényi - Dr. Emőd - Dr. Finichiu: Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata - Nemzeti Tankönyvkiadó
4, BME - Közlekedésmérnőki Kar - Gépjárműmotorok vizsgálata - Laboratóriumi segédlet
5, Dave Walker: Engine Management, Haynes
6, A. Graham Bell: Modern Engine Tuning, Haynes
7, A. Graham Bell: Performance Tuning in Theory and Practice, Haynes |
- Minden jog fenntartva! ::.