Durch die zunehmende Verbreitung von Rollenprüfständen, auch „Chassis-Dynos“ genannt, lässt sich die Leistung eines Fahrzeugs sehr bequem messen und mit anderen Autos vergleichen.
Viele gehen davon aus, dass die auf einem Rollenprüfstand erzielten Ergebnisse mit denen eines anderen Prüfstands vergleichbar sind und dass die angezeigte Leistung der tatsächlichen Leistung des Fahrzeugs entspricht.
Dabei müssen wir die Frage der Messgenauigkeit berücksichtigen und wie empfindlich die Messung auf kleine Änderungen am Motor reagiert.
In diesem Artikel analysieren wir, was sich hinter den Werten von Rollenprüfständen verbirgt.
Arten von Rollenprüfständen
Derzeit gibt es zwei Arten von Rollenprüfständen:
Reine Schwungmassen-Prüfstände und Rollenprüfstände mit Bremse (elektrisch oder hydraulisch).
Reine Schwungmassen-Prüfstände können nur bei voll geöffneter Drosselklappe, unter Volllast und stets während der Beschleunigung messen. Prüfstände mit Bremse dagegen können stationäre Messungen bei konstanter Drehzahl und Teillast durchführen und sogar bestimmte Lasten wie den Luftwiderstand simulieren.
Wie funktionieren Schwungmassen-Rollenprüfstände?
Schwungmassen-Prüfstände ermitteln die Energie, die auf eine Schwungmasse (die Rolle selbst) aufgebracht wird, und die Geschwindigkeit, mit der sie beschleunigt wird. Aus der bekannten Schwungmasse der Rolle ergibt sich die Leistung, die zum Beschleunigen aufgewendet wird. Aus dieser Leistung werden weitere Daten abgeleitet, etwa das aufgebrachte Drehmoment.
Schwungmassen-Prüfstände können die Leistung nur während der Beschleunigung berechnen. Messungen unter konstanter Last sind nicht möglich. Das schränkt den Einsatz für bestimmte Anwendungen ein, zum Beispiel für die Abstimmung von Einspritzung und Zündzeitpunkt unter verschiedenen Lastbedingungen. Da sich die Masse der Rolle nicht ändern lässt, ist man zudem immer an eine feste Beschleunigungsrate gebunden, die von dieser Masse und der Motorleistung abhängt. Ist die Rolle zu leicht oder zu schwer, werden die realen Betriebsbedingungen des Motors nicht nachgebildet, etwa um ausreichenden Ladedruck zu erreichen.
Wie funktioniert ein Rollenprüfstand mit Bremse?
Hier verhält sich die Rolle während der Beschleunigung wie eine Schwungmasse, wird aber meist mit geringerer Trägheit ausgelegt, da der Großteil der vom Fahrzeug abgegebenen Leistung an eine Leistungsaufnahmeeinheit übertragen wird, etwa eine Wirbelstrombremse oder eine hydraulische Bremse. Diese Bremse kann die abgegebene Leistung abführen und dem Fahrzeug sogar einen Widerstand entgegensetzen, sodass es nicht beschleunigt und bei konstanter Drehzahl bleibt.
Gleichzeitig erzeugt diese Einheit ein Gegenmoment, das dem Drehmoment des Fahrzeugs entgegenwirkt. Dieses Drehmoment wird von einer Kraftmessdose gemessen, die die Information an einen Computer überträgt. Aus Drehmoment und Drehzahl lässt sich die von der Bremse aufgenommene Leistung berechnen, die proportional zur Motorleistung ist (aber nicht mit ihr identisch).
Wichtig ist: Die Messung über die Bremse ist nur bei konstanter Drehzahl möglich. Steigt die Drehzahl, wird ein Teil der Leistung zum Beschleunigen der rotierenden Massen verwendet; diese Leistung erreicht die Bremse nicht und wird von der Kraftmessdose nicht erfasst. Deshalb zeigt die Bremse beim Beschleunigen weniger Leistung an als bei konstanter Drehzahl. Moderne Systeme kombinieren Schwungmassen- und Bremsenmessung, um diesen Effekt auszugleichen, und liefern so ähnliche Werte bei Beschleunigung und bei Last mit konstanter Geschwindigkeit (oder in Stufen).
Was ist der Unterschied zwischen der Leistung auf einem Rollenprüfstand und auf einem Motorprüfstand?
Viele Bedingungen beeinflussen die Messgenauigkeit bei jeder Art von Prüfstand, sowohl auf Rollen- als auch auf Motorprüfständen:
- die Temperatur im Prüfraum
- der Luftstrom im Ansaugtrakt
- der Luftdruck
- die Kalibrierung des Systems
Bei Rollenprüfständen gibt es jedoch zusätzliche Variablen, die die Messung beeinflussen und nur sehr schwer zu kontrollieren und auszugleichen sind.
Der wichtigste Faktor sind die Leistungsverluste im Antriebsstrang. So beeinflusst etwa der Gang, in dem gemessen wird, das Ergebnis mehr oder weniger stark; im direkten Gang (1:1) oder möglichst nahe daran sind die Getriebeverluste in der Regel am geringsten. Weitere Faktoren sind die Temperatur der Getriebe- oder Differenzialöle, die Beschleunigungsrate und die parasitären Trägheiten der Antriebskomponenten, die sich zur Trägheit der Rolle addieren, Bremsreibung, die Art der Fahrzeugverzurrung auf dem Prüfstand, die Achslast und die Verformung der Reifen, beispielsweise durch unterschiedliche Last, Luftdruck oder Gummimischung, sowie der Reifenschlupf auf der Rolle.
Dazu gibt es einen sehr treffenden Vergleich: Auf einem Rollenprüfstand zu messen ist, als wolle man sein Gewicht in Kleidung bestimmen.
Mal wiegst du dich mit Schuhen, mal barfuß, mal in Unterwäsche und mal mit Mantel. Dein wahres Gewicht wirst du nie erfahren.
Auch wenn Software verschiedene Schätzungen und zusätzliche Messungen nutzt, lässt sich die Motorleistung mit einem Rollenprüfstand nie ermitteln, da diese Verluste nicht exakt messbar sind.
Manche verwenden die Faustregel, etwa 10 % der Leistung als Verlust im Antriebsstrang anzusetzen. Das ist aber offensichtlich eine sehr ungenaue Schätzung: Zwei ähnliche Fahrzeuge mit gleichem Gewicht können 200 PS bzw. 500 PS haben. Mit einem Prozentsatz ergeben sich sehr unterschiedliche Verluste, obwohl die Verluste bei ähnlichen Fahrzeugen in Wirklichkeit wahrscheinlich ähnlich sind. Die Verluste von Antriebssträngen können je nach Bauart, Einstellung und Qualität der Teile enorm variieren, und entsprechend unterschiedlich fallen die Verlustwerte aus.
Zu versuchen, auf die Motorwerte zu kommen, ist eine Illusion, die uns von unserem eigentlichen Ziel ablenkt. Das Ziel ist, mehr Leistung auf die Straße zu bringen, und darauf sollten wir uns konzentrieren. Diesen Wert können wir steigern, indem wir die Motorleistung verbessern, aber auch, indem wir die Komponenten des Antriebsstrangs optimieren und verbessern.
Wenn Sie dennoch exakte Werte erreichen möchten, geht das nur mit einem Motorprüfstand und einem Rollenprüfstand mit Belastungsbremse. Auf beiden Prüfständen müsste eine Stufenmessung bei stabilisierten Drehzahlen durchgeführt werden. Dabei ist zu beachten, dass die Luftversorgung der Motoren auf beiden Prüfständen ausreichend ist, ebenso Öl- und Motortemperatur, Wetterbedingungen und Zustand des Prüfraums (Belüftung und Abgasbelastung), und dass dieselbe Abgasanlage mit gleicher Rohrlänge verwendet wird. Nur so ließen sich die tatsächlichen Verluste im Antriebsstrang ermitteln. Kompliziert, oder?
Was sind die wichtigsten Faktoren für die Genauigkeit eines Rollenprüfstands?
Genauigkeit lässt sich auf verschiedene Weise betrachten. Einerseits gibt es die Genauigkeit des Messsystems selbst (Sensoren, Elektronik, Software), andererseits äußere Einflüsse, die die auf die Straße gebrachte und vom Messsystem erfasste Leistung verändern.
Gehen wir davon aus, dass die vom System gemessene Leistung wiederholgenau und präzise ist (hier müssen Sie selbst prüfen, welche Marke diese Genauigkeit bietet). Betrachten wir nun die äußeren Einflüsse.
Dazu gehören vor allem die Komponenten des Antriebsstrangs, die bei einem Rollenprüfstand großen Einfluss haben. Der Kontakt zwischen Reifen und Rolle ist die erste Stelle, an der Fehler entstehen können. Gummimischung, Profil, Luftdruck, Material und Temperatur des Reifens können das Ergebnis beeinflussen, wenn man die Prüfbedingungen nicht sorgfältig kontrolliert. Das Gewicht auf dem Reifen oder die Spannung der Verzurrung verformen den Reifen stärker; er verbraucht dadurch mehr Leistung, die im Endergebnis fehlt und Fehler verursacht.
Weiter in Richtung Motor können Faktoren wie die Ansaugluft, sowohl Menge als auch Druck, erheblichen Einfluss haben. Werden die Abgase nicht aus dem Raum abgeführt, gelangen sie wieder in den Ansaugtrakt und der Motor leistet ebenfalls weniger. Sogar die Art, wie der Fahrer das Gaspedal betätigt, kann das Endergebnis beeinflussen, wenn man nicht aufpasst.
Im Antriebsstrang erwärmen sich die Bauteile, die Viskosität des Öls ändert sich und die Lager werden warm.
Bei Fahrzeugen mit elektronischem Motorsteuergerät gibt es zahlreiche Stellen, an denen das Steuergerät eingreift und den Motorbetrieb an die Bedingungen anpasst: von der einfachsten Korrektur, der Gemischanpassung an Luftdruck und Ansauglufttemperatur, bis zu weiteren Korrekturen wie Ladedruck oder Ladeluftkühlertemperatur. Bei Fahrzeugen mit Traktionskontrolle, die sich nicht vollständig abschalten lässt, ist auf einachsigen Rollenprüfständen keine korrekte Messung möglich, da das System Schlupf gegenüber den stehenden Rädern erkennt und die Motorleistung automatisch reduziert.
Deshalb werden am Fahrzeug immer mehrere Messungen durchgeführt, um ein Profil der Wiederholgenauigkeit zu erhalten. Wenn ich zwischen den Messungen Unterschiede von 3 PS erhalte, ist das meine Grenze für das Erkennen von Änderungen; genauer kann ich nicht werden. Je besser Umgebung und Messung kontrolliert sind, desto kleiner ist dieser Wert, desto wiederholgenauer sind die Messungen und desto feinere Änderungen am Motor kann ich erkennen. Dennoch sind kleine Änderungen von weniger als 5 % der Gesamtleistung in typischen Anlagen wahrscheinlich schwer zu erkennen, da sich kaum feststellen lässt, ob die Verbesserung auf echte Änderungen am Motor oder auf vorübergehende Einflüsse von Umgebung oder Bedingungen zurückzuführen ist.
Wie stark wirkt sich die Getriebeübersetzung aus?
Zwischen den Gängen gibt es Unterschiede. Jeder Gang hat sein eigenes Trägheitsmoment, seine eigene Reibung und wirkt sich außerdem auf den Reifenschlupf auf der Rolle aus.
In den niedrigen Gängen ist die Untersetzung größer, das Getriebe arbeitet daher tendenziell weniger effizient, die Verluste sind höher und folglich kommt weniger Leistung am Rad an. Außerdem neigen die Räder stärker zum Durchrutschen.
Theoretisch sollte in jedem Gang dieselbe Leistung gemessen werden, doch es gibt einen weiteren Faktor. Wie schnell das Fahrzeug beschleunigt, hängt direkt von der Übersetzung ab: Je schneller es beschleunigt, desto mehr Energie wird benötigt, um das Schwungrad des Motors zu drehen, und diese Energie kommt nicht am Rad an. Deshalb empfiehlt es sich, die Messungen möglichst nahe an einer direkten Übersetzung von 1:1 durchzuführen.
Wie beeinflussen die Reifen die Ergebnisse?
Reifen sind Teil der Prüfbedingungen, und wer die Prüfbedingungen ändert, ändert die Ergebnisse. Das reicht vom physischen Reifenwechsel (Breite, Durchmesser, Profil usw.) bis zur Änderung seines Zustands, etwa des Luftdrucks oder der Achslast des Fahrzeugs. Die Räder beeinflussen 1 bis 3 Prozent des gemessenen Gesamtwerts.
Außerdem dehnen sich Reifen durch die Fliehkraft aus, was die Gesamtübersetzung verändert.
Wie kann man auf einem Rollenprüfstand schummeln?
Es gibt viele Möglichkeiten, manche absichtlich, andere als Folge schlechter Prüfbedingungen. Je mehr Faktoren kontrolliert werden, desto genauer ist die Messung.
So kann zum Beispiel die Art der Fahrzeugverzurrung das Ergebnis stark beeinflussen. Je größer die Kraft nach unten, desto stärker verformen sich die Reifen und desto weniger Leistung kommt auf der Rolle an. Auch das Ändern des Reifendrucks, Messungen mit zu kaltem oder zu heißem Motor, das Verändern von Softwareparametern allgemein, etwa ein falsches Trägheitsmoment, oder das Heranrücken bzw. Entfernen der Lüfter vom Motor können die Messung beeinflussen.
Prüfstände mit Bremse sind zwar potenziell die genauesten, aber ebenfalls manipulierbar. Als Erstes ist die korrekte Kalibrierung der Kraftmessdose der Bremse zu prüfen.
Reine Schwungmassen-Prüfstände gelten als die wiederholgenauesten, da die Leistung nur vom Trägheitsmoment der rotierenden Masse abhängt. Das stimmt, und man kann tatsächlich sehr kleine Änderungen erkennen. Man muss jedoch bedenken, dass wiederholgenau nicht gleich genau ist. Die von dieser Art Prüfstand angezeigte Leistung entspricht nämlich oft nicht der tatsächlichen Fahrzeugleistung. Wer Genauigkeit sucht, erzielt die besten Ergebnisse mit Prüfständen mit Belastungsbremse.
Entgegen der landläufigen Meinung rate ich, Prüfständen zu misstrauen, die sehr hohe Werte liefern. Wahrscheinlich ist ein Rollenprüfstand, der eher niedrige Werte anzeigt, genauer. Fordern Sie immer möglichst viele Informationen zur Messung an (Prüfbedingungen, Umgebungstemperatur, Luftfeuchte und Luftdruck, verwendeter SAE-Korrekturfaktor, Trägheitsmoment der Rolle). In jedem Fall eignen sich Rollenprüfstände nicht dazu, Werte zwischen verschiedenen Anlagen zu vergleichen. Die Unterschiede sind erheblich. Ein Rollenprüfstand ist als Werkzeug zu verstehen, mit dem schrittweise Änderungen am selben Fahrzeug am selben Ort gemessen werden.
Daten aus der Praxis
Ein im Mai 2004 im Magazin Hot Rod veröffentlichter Artikel verglich die Messwerte der führenden Prüfstandshersteller in den USA, indem dasselbe Fahrzeug auf verschiedenen Anlagen gemessen wurde.
Wie zu erwarten, weichen die Ergebnisse stark voneinander ab. So zeigten die Prüfstände mit Belastungsbremse etwa 18 HP weniger an als die reinen Schwungmassen-Prüfstände.
Herstellerangabe: 260 HP (am Motor)
Gemessene Leistung (am Rad)
- Dynapack (mit Belastungsbremse): 208,9 HP
- Dynojet (Schwungmasse): 226,9 HP
- Mustang (mit Belastungsbremse): 219,1 HP
- Superflow (Schwungmasse): 225,0 HP
Fazit
Wie man sieht, sind sich nicht einmal die führenden Prüfstandsmarken über die angezeigte Leistung einig, und die Werte liegen sogar weit von den Herstellerangaben entfernt. Es empfiehlt sich, Messungen immer am selben Ort und unter denselben Bedingungen durchzuführen. Vor diesem Hintergrund ist es weder sinnvoll, Ergebnisse verschiedener Prüfstände zu vergleichen, noch zu versuchen, den Rollenprüfstand die Motorleistung anzeigen zu lassen: Er misst die Leistung am Rad, und die Verlustleistung ist nicht messbar (auch nicht mit einem Ausrollversuch).
Unsere Erfahrung zeigt jedoch, dass Rollenprüfstände sehr empfindliche Geräte sind: Gut gebaut und mit einem hochpräzisen Messsystem ausgestattet, können sie sehr kleine Leistungsunterschiede erfassen. So lassen sich kleine Änderungen am Motor vornehmen und nachweisen. Hinter der sehr einfachen Bedienung verbirgt sich allerdings eine große Komplexität bei allen Faktoren, die die gemessene Leistung beeinflussen. Genau hier machen die Bediener des Prüfstands den Unterschied zwischen einer seriösen, präzisen Messung und einer ungefähren Messung, die mehr Zweifel als Gewissheit schafft. Wer mit zuverlässigen und präzisen Werkzeugen arbeitet, für den wird die Ausbildung und Kompetenz des Bedieners zum wichtigsten Element des Rollenprüfstands.