Slotbench - Der Motorprüfstand für Slotcarmotoren

  • Hallo Freeslotter,


    vor geraumer Zeit hatten wir es hier ja schon von Prüfständen für Slotcars, welche über die einfache Aufnahme der Motordrehzahl hinaus gehen. Erste Fotos meines Slotbench habe ich euch da ja schon gezeigt. Da einige User hier ihr Interesse am Thema gezeigt hatten und das Projekt mittlerweile auch über das einfache Bastelstadium hinaus ist, möchte ich euch das Projekt jetzt vorstellen:


    Slotbench - der Motorprüfstand für Slotcarmotoren!

    Entstanden ist das Ganze aus dem Wunsch, zwei Fragen zu klären:
    1. Sind die Streuungen zwischen Motoren gleichen Typs wirklich so groß, wie es mancher Fahrer nach einem Rennen gerne behauptet?
    2. Stimmt die Behauptung: Der Motor mit der höchsten Leerlaufdrehzahl muss "untenrum" nicht auch den größten Durchzug haben (im Vergleich zu anderen Motoren gleichen Typs)?


    Also habe ich mir Gedanken gemacht, wie eine geeignete Bremse für die Motoren aussehen könnte, aus der sich auch noch das Drehmoment bestimmen lässt. Aktive Gegenregelung auf einem zweiten Motor mit Drehmomentwaage? Wirbelstrom? Reibungsbremse? Alles irgendwie nicht der Knaller. Daher fiel die Wahl auf ein Konzept mit Schwungrad!


    Die Idee war dann schnell formuliert: Der zu messende Motor muss eine Schwungmasse beschleunigen. Die Drehzahlmessung ist einfach und präzise und die Trägheit eine zuverlässige und stabile Größe. Aus dem Drehzahlverlauf lässt sich das Drehmoment genau bestimmen. Die Daten kann am besten eine Software auf dem PC verarbeiten: Diese kann die vielen Daten handlen und neben skalaren Tabellen auch noch Diagramme erstellen und bietet deutlich mehr Komfort in der Bedienung als ein kleines Display mit 2-4 Zeilen.


    Was braucht es dazu?

    • Die Theorie zur Beschleunigung träger Massen steht im Roloff/Matek (Alternativ auf https://de.wikipedia.org/wiki/Trägheitsmoment)
    • Die Schaltung zur Ansteuerung des Motors kann ich aus meinem Regler übernehmen. Der USB-Anschluss ist auch gleich ergänzt. Die Drehzahlerfassung ist über einen Hallsensor und Magnete im Schwungrad einfach umsetzbar. Daher: Die Schaltung vom Regler überarbeiten und ein paar Teile ergänzen, layouten und ein paar PCBs ordern
    • Die Mechanik des Prüfstands wird auch machbar sein. Das Grundgerüst bilden zwei Aluplatten: Die eine trägt die Elektronik und dient als Sockel für den Prüfstand. Auf der zweiten Aluplatte ist das Schwungrad und der Motor befestigt. Um es einfacher und universell zu gestalten möchte ich auf Standardbauteile von Slotcars zurückgreifen: Achshalter von Plafit oder Scaleauto, Standard-Kugellager und eine lange 3mm-Achse. Dadurch können auch die normalen Achsritzel eingesetzt werden, um die Übersetzung an den jeweiligen Motor anzupassen. Die Teile kann ich fertig kaufen oder selbst fertigen, nur die Schwungmasse kann ich mangels Drehbank nicht selbst herstellen - aber wofür gibt es andere Hobbyisten :) . Also ab an's CAD!
    • Bleibt noch die Software übrig. Ist nicht mein erstes Programm, wird viel Aufwand - aber machbar sein. Die größte Aufgabe ist es, den Datenstrom vom Prüfstand sauber und verlustfrei auf dem PC wegzuschreiben, simultan zu verarbeiten und die aktuellen Werte zu visualisieren. Man möchte ja sehen, was gerade passiert! Danach müssen die unterschiedlich aufbereiteten Messdaten noch durch weitere Algos geschickt, in Dateien gespeichert bzw. geladen und am Schluss auch als Graphen ausgegeben werden. Nach der Definition des Datenprotokolls zwischen Bench und PC lässt sich auch die Firmware für den Prüfstand erstellen. Auch hier ist es das Wichtigste, alle Daten sauber zu erfassen, zu puffern und an den PC zu schicken

    Und was ist mittlerweile daraus geworden? Seht selbst:


    Slotbench_05.jpgGUI_Messung.pngGUI_Auswertung.pngGUI_Zugkraft.png

    Die Validierung der Messergebnisse habe ich (zum Glück nicht alleine) vorgenommen: Ich habe den Bison1-Motorenpool unseres Clubs auf der Slotbench vermessen und jeweils die Top 3 und Flop 3-Motoren herausgenommen. Diese sechs Motoren haben wir an einem Abend auf der Bahn "blind" verglichen und anhand der Rundenzeit klassifiziert: Volltreffer! Die Messung auf der Bench zeigt sich repräsentativ


    Welche Erkenntnis ziehe ich nun aus dem Prüfstand im Hinblick auf die ursprünglichen Fragen?


    1. Klares Jein! Ein gut gepflegter Motorenpool wird nur ein enges Streuband haben. Heißt aber auch: Die großen Streuungen zwischen den Motoren kann es real geben. Der Prüfstand kann dabei helfen, die "Gurken" zu identifizieren, welche sich dann mit entsprechender Pflege in den meisten Fällen auch wieder regenerieren oder aussortieren lassen.
    2. Klares Nein! Eine "Gurke" ist eine "Gurke" - egal bei welcher Drehzahl. Das passt auch zu meinem Verständnis eines permanenterregten Gleichstrommotors, der ab dem Anlauf einen zur Drehzahl proportionalen Drehmomentverlauf hat. @Benno - SAC hat neulich auch einen passenden Link zu einem Artikel über solche DC-Motoren gepostet.


    Viele Grüße
    Philipp


    P.S. Hier noch ein pdf, welches der Prüfstand als Output der Messungen erzeugen kann: Motorenvergleich_Slotbench.pdf

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  • Hallo Philipp,


    da hast du dir richtig Mühe gemacht mit dem Prüfstand.


    In den Tabellen in welchen das Drehmoment aufgeführt ist sind sicherlich nicht die Absolutwerte für die Motoren, oder?


    Grüße
    Walter

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  • Hallo Walter,


    in der Tabelle sind die Randbedingungen der Messung aufgeführt (Übersetzung, Versorgungsspannung, etc), keine Messdaten - siehe auch die angegebenen Einheiten. Das Drehmoment kannst du in den entsprechenden Diagrammen ablesen. Da die Motoren ihr Maximalmoment im Anlauf aufbringen ist das kaum plausibel zu messen. Abgesehen davon ist das Drehmoment "aus dem Stand heraus" für unsere Autos auch kaum relevant, die Rennen werden selten in der ersten Kurve entschieden. Der eigentliche Nutzen des Prüfstands ist auch die vergleichende Messung, nicht die Ermittlung von Absolutwerten.


    Grüße
    Philipp

  • Philipp, einfach super umgesetzt :thumbup: .
    Ich hatte die Idee mit der Schwungradgleichung ebenfalls mal in einem anderen Forum eingeworfen. Hab es dann noch mit ein paar Leuten an der Bahn diskutiert. Aber die haben gleich an der Idee so viel gemosert, dass z.B. im Beharrungszustand, irgendwas größer 0 und kleiner max. Drehzhal, kein Drehmoment zu messen bzw. zurück zu rechnen ist usw.. Ich habe es damals nicht verstanden, wozu man ein Drehmoment im Beharrungszustand braucht. Wir reden schließlich von einem Slotcar-Motor, der stets dynamisch betrieben wird. Und da ich das Equipment dazwischen, also bis die Messdaten im Rechner sind, nicht hinbekommen hätte, habe ich es liegen lassen und nicht weiter verfolgt. Um so schöner zu sehen, dass es funktioniert und das Ergebnis definitiv brauchbar ist. Letztendlich will man doch nur die Motoren vergleichen und dafür ist dein Prüfstand top.


    Gruß Alex

  • Topp Idee und Umsetzung

  • Hallo Philipp,


    zu der Leistung kann ich auch nur gratulieren. :daumen3:

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  • Hallo Philipp,


    ich hatte mich vor langer Zeit auch einmal mit dem Messen der Slot-Motoren beschäftigt und mir einen Motorprüfstand gebaut. Mein Ziel war es das absolute Drehmoment zu erfassen (deshalb meine vorherige Frage auf Absolutwert) und danach dieses Drehmoment mit der Drehzahl zu multiplizieren um die Leistung des Motors bei seiner Nennspannung von 12VDC zu berechnen.
    Manche Motoren (ich spreche jetzt nur beispielhaft von einem FOX10) sind ja unterschiedlich in Drehzahl und Drehmoment. Ein Motor kann langsam drehen aber dafür mehr Drehmoment haben und natürlich auch umgekehrt. Aber trotzdem sind die Motoren in der Leistung gleich. Das merkt man dann, wenn man plötzlich mit einem anderen Poolmotor das Getriebe etwas anpassen muss. Und siehe da, man erreicht wieder die gleiche Rundenzeit.
    Ich hatte mal die Gelegenheit an Poolmotoren von einem Club ranzukommen um diese mit meinem Prüfstand zu messen, weil ich selber nicht viele Motoren habe. Bei den Poolmotoren handelt es sich um FOX10 Motoren die ich in einer Excel-Tabelle ausgewertet habe. Da ich keine zuverlässigen technischen Daten von diesem Motor hatte habe ich diese über den Durchschnitt bestimmt.
    Nenndrehzahl: 26.847 1/min
    Drehmoment: 161gr/cm
    Diese Daten habe ich dann in die Tabelle „Nenndaten aus Messung „ übernommen um auf diese Daten in den Spalten Auswertung Bezug zu nehmen. Ich habe ein Bild von der Excel-Datei hochgeladen. Viel Spaß beim Anschauen der Tabelle und hoffentlich habe ich etwas Licht in Sachen Motorenleistung beigetragen.


    Grüße
    Walter

  • Hallo Walter,


    jetzt machst du es aber spannend, hast du Bilder von deinem Messaufbau? :)
    Die Software zu meinem Prüfstand ermittelt ja auch die absoluten Drehmoment- und Leistungswerte (s. pdf), gibt am Ende aber keinen Fixwert dafür aus, sondern eine Kurve als Funktion der Motordrehzahl.
    Noch eine Verständnisfrage: Du hast erst das max. Drehmoment und danach die max. Drehzahl ermittelt und daraus die max. Leistung berechnet? Um Leistung zu erzeugen, müssen Drehmoment und Drehzahl gleichzeitig anliegen...


    Manche Motoren (ich spreche jetzt nur beispielhaft von einem FOX10) sind ja unterschiedlich in Drehzahl und Drehmoment. Ein Motor kann langsam drehen aber dafür mehr Drehmoment haben und natürlich auch umgekehrt

    Auch wenn diese These immer wieder zu lesen ist, halte ich sie für falsch: Das Drehmoment unserer Slotcarmotoren nimmt linear zur steigenden Motordrehzahl ab - es ist nunmal ein permanenterregter Gleichstrommotor. Damit kann ein Motor mit geringerem Drehmoment keinesfalls mehr Drehzahl aufbauen als ein Motor gleichen Typs mit höherem Maximalmoment.


    Was du völlig zurecht schreibst, ist dass ein guter Motor alleine noch keinen Sieg garantiert! Er hilft natürlich, ab Ende entscheidet aber das Gesamtsystem.

  • Hallo Phillip,


    zu deinen Fragen und Thesen.


    Zuerst ermittle ich die Leerlaufdrehzahl.
    Im zweiten Schritt belaste ich den Testmotor mit einem Lastmotor und ermittle dabeidie Drehzahl. Die Differenz der beiden Drehzahlen nehme ich im Prinzip als Maß für das Drehmoment oder egal wie man es nennt (Kraft, Power oder Bums…).


    Der Rest wird im Excel gemacht. Das ist alles.


    Belaste ich den Testmotor, betrieben mit nur 6VDC mit der gleichen Last, so hat der Testmotor nahezu den gleichen Drehzahlabfall wie beim12VDC-Betrieb.


    Manchmal gehen halt Meinungen und Thesen auseinander. Die Hauptsache ist, dass jeder das erreicht hat was er bezweckt hat mit dem zur Verfügung stehenden Zeitaufwand sowie die Möglichkeiten dies umzusetzen.


    Meinen Prüfstand habe ich mechanisch in zwei Abenden gebaut. Schraubstock, Säge, Bohrmaschine und das Material, das ich gerade hatte wie Lager, Achshalter, Zahnräder und Lastmotor. Die Achse und die Kopplung der Motoren läuft mechanisch super, ist auch mit dem Tool ausgerichtet. Aber das Aussehen des Prüfstandes ist schlichtweg hässlich. Das bekommen die meisten hier im Forum viel besser hin.


    Den Laser zur Drehzahlerfassung habe ich bei gekauft. Die Excel-Datei habe ich am dritten Abend erstellt und dann halt ständig im Laufe der Zeit mit den Motorneuzugängen erweitert.


    Von slot.it habe ich von verschiedenen Typen mehrere Motoren. Da lassen sich die Angaben der technischen Herstellerdaten besonders gut testen und nachvollziehen. Bei vielen anderen Motoren habe ich keine technischen Herstellerdaten. So hilft da nur der Vergleich, sofern zwei oder mehrere Motoren zur Verfügung stehen. Das ist ja das was die meisten wollen, den besten Motor vom eigenen vorhandenen Pool verwenden.


    Grüße
    Walter

    Einmal editiert, zuletzt von bluelake ()

  • Hallo Phillip,


    ich habe hier einige Bilder von meinem Prüfstand eingestellt. Der Testmotor wird mit den Flügelschrauben befestigt. Der Ninco-Lastmotor wird über des gelbe Zahnrad zugeschaltet. Die Spannungsversorgung wird über ein stabilisiertes Netzteil mit einer separaten Sensleitung zugeführt. Auf dem braunen Zahnrad ist der Punkt vom Laser zu sehen für die Drehzahlmessung. Der Nincomotor hat sich als ideal erwiesen gegenüber anderen Motoren.


    Gerne beantworte ich noch Fragen.


    Grüße Walter

  • Hallo Philipp N


    Ich kram gerade wieder Deine Slotbench raus, da mir der Ansatz immer noch der kompletteste und passenste erscheint. Er erfordert etwas an numerischer Auswertung aber dazu hat man ja seinen PC. :D


    Ich habe aber eine andere Frage zu Deinen Messergebnissen.

    In den Messungen des Drehmoments sieht man immer einen Knick. Weißt Du woher der kommt? Siehe Bild.

    IMG_20211026_085047.jpg

    Grüße,

    Mike

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  • Hallo Mike,


    diese Unstetigkeit ist mir auch schon aufgefallen. Während des Messlaufs hört man an dieser Stelle auch eine kleine Unstetigkeit, ich gehe von einer Resonanz aus (die Drehungleichförmigkeit des Antriebmoments trifft auf die Eigenfrequenz des Welle/Schwungrad-Verbundes). Je nach Übersetzung variiert die Drehzahl des "Knicks", das würde passen. Du hast natürlich recht, die Verstimmung des Prüfstandes wäre eigentlich richtig - für's Hobby kann ich mit dem Makel aber ganz gut leben. Hast du einen anderen Verdacht?


    Zu Messbeginn gibt's bei mir übrigens auch gerne eine "Beule" im Drehmoment - da geht meinem (5A) Netzteil der Dampf aus (Strom in orange, Spannung in Gelb) - Umpfis 3025B ist da so ein Anlaufstrommonster...


    Grüße

    Philipp


    Drehmomentmessung_Umpfi3025B_Messung.pngDrehmomentmessung_Umpfi3025B_Auswertung.png

  • Hallo Phillip


    Dass du bei dem Motor erst bei 13000U/s stabile Bedingungen hast ist schon heftig. Aber klar wenn das LNT bei 5A abregelt hast Du natürlich keine Chance.

    Bzgl Resonanz - ein Gedanke:

    Was meinst Du, dass der Hauptfaktor ist? Wenn es die Elastizität der Achse ist, sollte die Zeit ab Start eher konstant bleiben, wenn Du mit weniger Leistung (V geringer) anläufst. Wenn es die Resonanz des Systems ist sollte es eher mit der Drehzahl mitwandern. Zumindest in erster Nahrung.

    Aber wir sind jetzt definitiv sehr esoterisch Idiot:


    Wie hast Du den Trägheitsmoment deines Schwungräder gewählt? So, um ungefähr die Massenträgheit eines guten 1:24 zu simulieren? Oder größer um mehr Messzeit zu haben?

    Wenn man den Trägheitsmoment passend zum Auto wählt erhält man ja sehr schön realistische Testbedingungen. Beschleunigen und Bremsen. Kein großes theoretisches Übertragen nötig.


    Grüße Mike

  • Hallo Mike,


    die Eigenfrequenz von Welle+Schwungrad ist konstruktiv gegeben, aus der Drehsteifigkeit der Achse und der Masse des Schwungrads. Wenn die (drehzahlabhängige) Anregung über den Motor nun auf die Eigenfrequenz Welle+Schwungrad trifft, gibt's ne unschöne Überhöhung und den von dir aufgezeigten Knick. Apropos: Der Prüfstand ist natürlich gewuchtet. Was meinst du mit der "Resonanz des Systems"?


    Das Schwungrad habe ich möglichst groß gewählt, um die Drehzahlgradienten klein zu halten und damit die Messgenauigkeit zu erhöhen. Im Bauraum ist schlichtweg nicht mehr Platz und der Dreher, welcher die Schwungmasse gefertigt hat, konnte nur Alu verarbeiten. Ich hätte gerne eine Schwungmasse aus Messing, das hat sich aber bislang nicht auf bezahlbarem Weg ergeben. Deine Idee liegt auch auf dem Stapel: Die effektive Trägheit der Schwungmasse so auszulegen, dass sie einem (1:24)-Slotcar entspricht (ca. 170g - 220g). Die "Umrechnung" ist ja nicht allzu kompliziert - wartet aber noch auf Umsetzung.


    Grüße

    Philipp

  • Und das Schwungrad um die senkrechte Achse drehen lassen?

    Dann baut das System nicht so hoch auf?

    Dein Dreher kann nur Alu :fragend2: jubel ihm doch Kupfer unter. Dann hast Du mehr Masse oder es wird kompakter :)

    :winke2: The only difference between men and boys is the price of their toys.

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