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Mehrkörpersimulation an einem Frontmähwerk

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ME S S - U N D R E G E LTE C H N I K

Carsten Eberle, Braunschweig Modellbildung

Mehrkörpersimulation an einem Frontmähwerk

Bei der Bodenanpassungsfähigkeit und der Beweglichkeit von Frontmähwerken ergibt sich ein Zusammenspiel von Traktor und dem Anbaugerät In einem ersten Schritt wurden Starrkörpermodelle für ein komplet­

tes Mähwerk, den Dreipunktanbau sowie den vorderen Anbaubereich des Traktorrah­

mens entwickelt. Bildl stellt die genannten Komponenten dar. Für die Geometriezuord­

nung der einzelnen Bauteile wurden ver­

schiedene Wege beschritten. Bestimmte Bauteile konnten durch den Import von CAD-Daten im IGES-Format erstellt wer­

den. Für alle weiteren B auteile erfolgte eine ausführliche Maßaufuahme. Hierdurch wer­

den das Volumen der Komponenten und durch Zuweisung der j eweiligen Material­

dichte deren Masse-Eigenschaften definiert.

Hierauf folgt die Festlegung von Gelenken, die Festlegung der Parameter zur Berech­

nung von Kräften und Momenten (etwa Kennlinien-Vorgaben von Federstei­

figkeiten) und die Generierung von Bewe­

gungen (die Drehzahl der rotierenden Mäh­

werkskomponenten).

Zur Simulation der Bodenanpas­

sungsfähigkeit bei Frontmähwer­

ken kann die Mehrkörpersimulati­

on zur Untersuchung der auftreten­

den mechanischen Bodenbelastung dienen. Zur Beurteilung der getrof­

fenen Modellannahmen werden Feldversuche mit Hilfe von künstli­

chen und natürlichen Hindernissen genutzt. Erste Ansätze auf der Grundlage reiner Starrkörpermo­

delle zeigen hierbei eine zu geringe Simulationsgüte im Vergleich mit den im Versuch aufgenommenen Messwerten. Fortlaufende Arbeiten binden deshalb elastische Struktu­

ren in die vorhandenen Mehrkör­

permodelle ein. Entsprechend vali­

dierte Modelle bilden dann die Grundlage zur Analyse des Systems Frontmähwerk

Dipl.-lng. Carsten Eberle ist wissenschaftl icher Mitarbeiter am Institut für Landmaschinen und Fluidtechnik der Technischen Universität Braun­

schweig (lnstitutsleiter: Prof. Dr.-lng. H.-H. Harms).

Langer Kamp 1 9a, 38106 Braunschweig, e-mail: c.eberle@tu-bs.de

Schlüsselwörter

Frontmähwerk, Modellbildung, Mehrkörpersimulation

Keywords

Front-end-mounted mower, modeling, multi-body simulation

Literatur

[1 ] • Rauen de Souza, W: Ein Beitrag zur kinemati­

schen und dynamischen Analyse von Front­

mähwerksaufhä ngungen. Fortschritt-Berichte Reihe 14, Nr. 72, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1 995

1 54

B

werkzeuge bei der Entwicklung von eispiele für augewandte Simulations­

Landmaschinen und Traktoren sind die Me­

thode der Finiten Elemente (FEM), die Mehrkörpersimulation (MKS) sowie die Si­

mulation hydraulischer Systeme. Dadurch lassen sich Parametereinflüsse bezüglich des Systemverhaltens untersuchen, die dann zur Gestaltung einer möglichst optimalen Kon­

struktion genutzt werden können.

Im Folgenden werden die am Institut für Landmaschinen und Fluidtechnik genutzten Versuchsbedingungen und die Software zur Untersuchung der Bodenanpassungsfähig­

keit bei Frontmähwerken vorgestellt. Hier­

durch ist die Möglichkeit gegeben, frühere am Institut durchgeführte Forschungsarbei­

ten [ l ] , die sich mit der Kinematik von Frontmähwerken befasst hatten, fortzuset­

zen. Hierbei wurden kinematische und dyna­

mische Untersuchungen anhand von zweidi­

mensionalen Modellen für den ebenen Be­

wegungszustand und mit Hilfe eines eigens entwickelten Versuchsstands durchgeführt.

Anstelle eines aufwendig zu betreibenden Versuchsstands kommen für die aktuellen Untersuchungen die Ergebnisse von entspre­

chend umfangreichen Feldversuchen zum Tragen. Zur Nachbildung des Bewegungs­

verhaltens der Frontmähwerke kommt die MKS-Simulation mit dem Programmpaket ADAMS zum Einsatz. Zur Funktionserwei­

terung ist eine Schnittstelle zu dem FEM­

Programm Ansys vorhanden, um elastische Strukturen in die MKS-Simulation einzu­

binden. Für eine Simulation von beispiels­

weise hydraulisch an-

getriebenen Struktu- Traktorrahmen

Der Dreipunktanbau bildet die Schnittstel­

le zwischen Traktor und Mäh werk. Das dar­

gestellte Frontmähwerk ist starr mit dem Gerätedreieck verbunden und verfügt nicht über einen eigenständigen Anbaurahmen. In dieser Konstellation ergibt der Aufbau zwi­

schen Mähwerk und Traktor bei ebener Betrachtungsweise ein Viergelenkgetriebe.

Diese Art der Aufhängung bietet naturgemäß nur stark eingeschränkte Möglichkeiten für eine optimale Bodenanpassung des Mähwerks. Die einzige B ewegungsmöglich­

keit wird durch die Schwimmstellung der Fronthydraulik ermöglicht.

Für eine Modellentwicklung bietet diese Bauart jedoch entscheidende Vorteile. Man muss davon ausgehen, dass jede Drei­

punktaufhängung Lagerspiel in den Koppel­

punkten aufweist. Der weitestgehend starre Aufbau des realen Mähwerks ermöglicht es, das Lagerspiel ohne störende zusätzliche Pa-

ren besteht eine Frame of the tractor weitere Kopplungs-

möglichkeit zu der Si­

mulationsumgebung MATLAB/Simulink.

Bild 1: Elemente eines MKS-Model/s Fig. 1: Elements of a

Lower links

Oberlenker Upper link

Mähwerk Mower

multi-body model L_ ________________________j

54. J a h rgang LAN DTECHNIK 3/99

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Bild 2: Vertikale Beschleunigung des Mähbal­

kens - Messung und Simulation

Fig. 2: Vertical acceleration of the cutting bar ­ measurement and simulation

rametereinflüsse zu analysieren. Hierdurch wird eine wichtige Möglichkeit geschaffen, die Güte des Simulationsmodells mit einfach durchführbaren Feldversuchen zu überprü­

fen. Ein weiterer Aspekt betrifft das Schwin­

gungsverhalten und die elastische Struktur des Mähbalkens bei dem abgebildeten Scheibenmäher. Auch hier können Modell­

erweiterungen durch Einbindung von FEM­

Daten ohne den zusätzlichen Einfluss weite­

rer mechanischer Komponenten untersucht werden.

Frontmähwerke mit eigener Aufhän­

gungskinematik sind entsprechend aufwen­

diger konstruiert. Zwischen Anbaurahmen und dem Tragholm sind Zugstreben ange­

bracht. Durch ihre parallelogrammähnliche Konfiguration bieten sie eine wesentlich er­

weiterte Beweglichkeit des Mähbalkens. Die zukünftigen Forschungsarbeiten werden sich darauf konzentrieren, diese Art der Aufhän­

gung eingehend zu analysieren. Die ent­

wickelten und validierten Simulationsmo­

delle sollen dann für umfangreiche Parame­

teroptimierungen herangezogen werden. Es sollen Möglichkeiten für eine Verminderung und Vergleichmäßigung des Bodendruckes bei gleichzeitiger Verbesserung der Aus­

weichmöglichkeit im Falle einer Hindernis­

berührung untersucht werden. Unabhängig von der aktuellen Bewegungsrichtung (etwa bergauf/bergab, schräg bergauf/bergab) des Mähwerkes soll eine möglichst gleichmäßi­

ge Belastung des Bodens erzielt werden.

Begleitet werden die Simulationsstudien von Feldversuchen mit serienmäßigen oder baulich veränderten Mähwerken. Hierfür

54. J a h rgang LANDTEC H N I K 3/99

stehen zwei Mähwerke der Firma Krone mit Die Traktorräder kommen während der einer Schnittbreite von je 2,8 m bereit. Überfahrt nicht mit dem Hindernis in Kon­

takt, wodurch deren direkte Anregung ver­

Feldversuche

Für Feldversuche werden die Mähwerke und der Traktor mit Messtechnik ausgerüstet.

Die aktuelle Traktorposition und verschiede­

ne Auslenkungen von Unterlenker und Mäh­

werkskomponenten werden gemessen. Wei­

terhin können die Beschleunigungen ver­

schiedener Komponenten erfasst werden.

Auch sollen zukünftig verschiedene Kräfte, etwa Scherkräfte in den Gelenken oder Zug­

kräfte im Oberlenker, aufgezeichnet werden.

Für die Feldversuche werden künstliche oder natürliche Hindernisse verwendet. Bei den künstlichen Hindernissen handelt es sich um stahlbeplankte Holz- oder Ganz­

stahlkonstruktionen, die fest mit dem Unter­

grund verankert sind. Hierdurch ergeben sich absolut reproduzierbare Versuchsbedin­

gungen. Es findet keine plastische Verfor­

mung des Untergrundes statt. Bei einer er­

sten Modellbildung kann deshalb der Unter­

grund vereinfacht als ideal starr angenommen werden. Die Effekte beim Auftreffen des Mähbalkens auf die Rampe sind entsprechend deutlich und unverfälscht.

So zeigt eine Auswertung von Beschleuni­

gungen in der Mitte und am Rand des Mäh­

balkens dessen deutliche Schwingungsnei­

gung in vertikaler Richtung bei der Anre­

gung durch ein Hindernis.

Ebenso wichtig sind Feldversuche auf Grünland zur Berücksichtigung des realen Bodeneinflusses. Außerdem weisen die Ver­

suche auf die tatsächliche Schädigung oder auch Schonung der Grasnarbe hin. Die Er­

kenntnisse aufgrund von Simulationsläufen tmd Tests an künstlichen Hindernissen kön­

nen so untermauert werden. Hierfür wurde in Institutsnähe eine Versuchswiese ange­

legt. Es entstanden dort mehrere regelmäßi­

ge trapezförmige Bodenkonturen unter­

schiedlicher Größe und mit verschiedenen Neigungswinkeln. Um eine möglichst dau­

erhafte und beschädigungsresistente Boden­

oberfläche zu erhalten, wurden die Erdhügel unter Mitverwendung einer zuvor verdichte­

ten Lehmschicht angefertigt. Hierauf wurde dann die für den Grasaufwuchs notwendige Schicht Mutterboden aufgebracht.

Erster Vergleich von Simulation und Messung

Einen ersten Eindruck bezüglich der Aussa­

gekraft einer Simulation vermitteltBild 2. Es zeigt die vertikale Beschleunigung des Mäh­

balkens über der Zeit beim Überfahren einer künstlichen Rampe. Gemessen wurde die Beschleunigung in der Mähbalkenmitte. Das Profil der Rampe ist schematisch dargestellt.

mieden wird.

Die Kurvenverläufe machen deutlich, dass Simulation und Messergebnis nur grob mit­

einander übereinstimmen. Speziell das Schwingungsverhalten des Mähbalkens lässt sich durch ein reines Starrkörpermodell nur schwer nachbilden.

Zur Bewältigung des Hindernisses erfahrt der Mähbalken in vertikaler Richtung ent­

sprechende Beschleunigungen. Die Höhe des Amplitudenverlaufs im Simulationser­

gebnis zeigt, dass die impulsartigen Be­

schleunigungenjeweils zu Beginn einer ver­

tikalen Richtungsänderung in ihrer Größen­

ordnung den gemessenen Beschleunigungen ähneln. Lediglich bei einer Zeit von etwa 1 ,75 s ergibt sich in der Simulation ein deut­

licher unrealistischer Impuls. Dieser ist durch einen zu harten Aufschlag der hinteren Mähbalkenkante beim Übergang von der Aufwärts- in die Horizontalbewegung be­

gründet. Für eine notwendige Modellopti­

mierung muss die Kontaktkraft zwischen Mähwerk und Bodenoberfläche, definiert aus Federsteifigkeiten und Dämpfungen, weiter der Realität angepasst werden.

Ausblick

Die bisher entwickelten Mehrkörpermodelle bilden eine gute Basis für die weiteren Untersuchungen der Bodenanpassungs­

fähigkeit bei Frontmähwerken. Die Mög­

lichkeiten für Feldversuche jeglicher Art sind gegeben. Durch weitere Nutzung der vorhandenen Schnittstelle zu einem FEM­

Programm steht ein geeignetes Werkzeug ftir das weitere Vorgehen zur Verfügung.

Für eine Betrachtung des Schwingungs­

verhaltens der Mähwerke im Falle einer Hin­

dernisberührung muss zunächst ein Blick auf die tragenden Mähwerkskomponenten geworfen werden. Alle wesentlichen Bantei­

le sind sehr steif ausgeführt. Lediglich der Mähbalken besteht in der Regel aus relativ dünnwandigem Stahlblech. Dieses Hohlpro­

fil ist im Vergleich zu den übrigen Trag­

werksteilen eines Mähwerks relativ leicht elastisch deformierbar. Daher ist besonders bei diesem Bauteil ein großer Einfluss auf das Schwingungsverhalten des Gesamtsy­

stems zu erwarten.

Es wurde deshalb mit der Implementie­

rung des Mähbalkens in ein Finite-Elemen­

te-Modell begmmen. Erste Erfahrungen zei­

gen, dass die Einbindung von elastischen Strukturen auf der Basis von FEM in ein MKS-Modell mit vertretbarem Aufwand möglich ist. Die hiermit erzielbaren Simula­

tionsergebnisse werden zeigen, inwieweit sich die Simulationsgüte steigern lässt.

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