Optimierte Getriebekonzepte mittels Systemsimulation

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1 Titelthema Optimierte Getriebekonzepte mittels Systemsimulation Offroad-Fahrzeuge erfordern spezielle und intelligente Getriebe, die insbesondere auch den Fahrer bei seiner Arbeit unterstützen. hofer powertrain entwickelt seit Jahren Powersplitgetriebe inklusive optimierter Funktionssoftware bis auf Serienniveau. Mittlerweile wird der Entwicklungsprozess entscheidend durch leistungsfähige Simulationsmodelle aus einer umfassenden speziellen Bibliothek unterstützt. Die Leistungsfähigkeit dieser Modelle soll anhand eines Konzeptansatzes für einen Tier-4-konformen Baumaschinen- Triebstrang demonstriert werden. 24

2 autoren Dipl.-Ing. Michael Wunder ist Leiter der Simulation und Systemanalyse bei der hofer forschungs & entwicklungs GmbH in Garsten (Österreich). Dipl.-Ing. Thomas Hackl ist Technischer Leiter bei der hofer forschungs & entwicklungs GmbH in Garsten (Österreich). Dr. Mohamed Ez Eldin ist Entwicklungsingenieur Simulation und Systemanalyse bei der hofer forschungs & entwicklungs GmbH in Garsten (Österreich). Downsizing-Potenzial für Baumaschinen Eine Verbrennungskraftmaschine hat jeweils genau einen Betriebspunkt, bei dem maximale Leistung, minimaler Verbrauch oder maximales Drehmoment herrschen. Bei Anwendung von Getrieben mit konstanter Übersetzung wird durch eine Geschwindigkeits- oder Laständerung des Fahrzeugs zwangsläufig auch der Betriebszustand des Motors mitgeändert und so auch der jeweilige Bestpunkt verlassen. Hydromechanische oder elektromechanische Powersplitgetriebe ermöglichen ein stufenloses ändern der Übersetzung und sind so für den Fahrer eine direkt spürbare Erleichterung, besonders bei dynamischen Zyklen wie zum Beispiel beim Rangieren. Durch die CVT-Funktionalität eines Powersplitgetriebes ist es möglich, den Verbrennungsmotor weitgehend konstant in einem betriebsoptimalen Bereich zu halten und die gewünschte Geschwindigkeit und Last an den Nebenaggregaten mit der Getriebeübersetzung variabel einzustellen. Diese Kombination erweist sich als wesentlich effizienter als konventionelle Automatikgetriebe mit diskreten Gangübersetzungen und Drehmomentwandler und bewirkt eine wesentlich bessere Performance im realen Betriebszyklus bei gleichem Verbrennungsmotor. Alternativ ermöglicht die Verwendung eines Powersplitgetriebes auch den Einsatz eines kleineren Verbrennungsmotors bei gleicher Fahrzeugperformance (Downsizing). In Traktoren ist diese Technik seit Jahren bewährt in Serie, im Bereich der sehr kostengetriebenen Baumaschinen haben die höheren Kosten dieser Getriebe dagegen eine breite Anwendung bisher verhindert. Aufgrund geänderter Rahmenbedingungen durch die Abgasgesetzgebung ergeben sich aber nun auch bei Baumaschinen ökonomische Einsparungspotenziale. Ab 2014 tritt die Abgasvorschrift Tier 4 in Kraft. Sie betrifft Fahrzeuge im Offroad- Bereich mit mehr als 56 kw und weniger als 560 kw. Um diese Abgasnorm zu erfüllen, sind kostenintensive Abgasnachbehandlungssysteme notwendig. Somit ist die Entwicklung leistungsfähiger Antriebe im Bereich < 56 kw zum Ersatz größerer Verbrennungsmotoren besonders interessant. Mithilfe von modernen Simulationsmethoden und einer speziellen hofer-bibliothek für Offroad-Triebstränge und -Fahrzyklen hat hofer powertrain untersucht, ob es bei gleicher Fahrzeugperformance möglich ist, einen konventionellen 75-kW- Triebstrang durch einen Triebstrang mit 55-kW-Verbrennungsmotor und einem Powersplitgetriebe zu ersetzen. Die Bibliothek, aufgebaut in LMS Imagine. Lab AME- Sim, enthält verschiedene Komponenten, Triebstränge, Fahrzeugmodelle und Fahrzyklen inklusive Nebenabtriebe, die für detaillierte dynamische Betrachtungen ohne Zuhilfenahme von Hardware prototypen verwendet werden können. Mit ihrer Hilfe sind detaillierte dynamische Simulationen möglich, wie im Folgenden an einem Tier-4-Antrieb für eine Baumaschine gezeigt wird. In ❶ sind die Zugkraftkurven der einzelnen Gänge eines 75-kW-Motors mit Viergang-Wandlergetriebe abgebildet. Dieser Triebstrang eines Schaufelbaggers dient als Referenz für die weiteren Betrachtungen. Entwicklungswerkzeuge Die klassische Auslegung eines Triebstrangs besteht aus einer stationären Berechnung der Zugkraft und Geschwindigkeit inklusive aller Übersetzungen des hydrostatischen oder elektromechanischen Variators. Die Eingangsleistung des Verbrennungsmotors wird ebenso in der Berechnung berücksichtigt wie die Wirkungsgrade der Zahnräder und des Variators. Das Resultat dieser stationären Betrachtung sind der Zugkraftverlauf über der Fahrzeuggeschwindigkeit am ❶ Zugkraftverlauf über der Fahrzeuggeschwindigkeit Drawbar pull over vehicle speed 25

3 COVER STORY Optimised Transmission Concepts using System simulation Off-road vehicles require special and intelligent transmissions, which support the drivers work. hofer powertrain has many years of experience in developing such power split transmissions, including optimised control software, up to serial production quality. Additionally, powerful simulation models including a library of components significantly support the development process. The performance of these models will be demonstrated using a concept approach to a Tier 4 compliant construction machine powertrain. Downsizing Potential for construction Machines An internal combustion engine has only exactly one operating point each for maximum power, minimum fuel consumption and maximum torque. A change of speed or load of a vehicle with a constant ratio transmission causes also a change within the operation point of the engine and deviates it from the optimum. Hydromechanical or electro-mechanical power split transmissions allow continuous variation of the gear ratio. This is a significant support for the driver, especially during dynamic situations as manoeuvring. The additional CVT-functionality of the power split transmission allows to keep the engine in an optimised operation point and to adjust the desired speed and load to the auxiliary units with the gear ratio set variably. This combination is much more efficient than a conventional transmission with discrete ratios and torque converter and results in a much better performance in a real driving cycle with the same engine. Alternatively, the implementation of a power split transmission allows the use of a smaller engine with the same vehicle performance (downsizing). In tractors, this technology has been a standard for many years but in the area of construction machinery, the higher costs of such a transmission prevented the application in high volumes. Due to changing conditions through the emissions legislation there is economic saving potential concerning construction machines. Starting with 2014 the exhaust emission regulation Tier 4 will become effective. It concerns vehicles for off-road application from 56 kw to 560 kw. To meet these emission standards cost-intensive exhaust gas aftertreatment systems are necessary. Therefore the development of a powerful powertrain with < 56 kw to replace bigger engines is very interesting. Using cutting edge system simulation technology and a hoferlibrary for off highway drivelines and driving cycles, hofer powertrain investigated the possibility to replace a 75 kw engine with a conventional driveline with a 55 kw engine in combination with a power split transmission. The library, built in LMS Imagine.Lab AMESim, contains several components, drivetrains, vehicle models and driving cycles including take-offs that can be used for detailed dynamic observations without the use of hardware prototypes. The library is able to simulate the dynamic behaviour in detail. This will be demonstrated for a new Tier 4 compliant driveline concept for a construction machine. ❶ shows the drawbar pull curves of the gears of a 75-kW-engine with four-speed torque converter transmission. This bucket diver powertrain is used as a reference for further considerations. Development Tools The classical method for the dimensioning of a powertrain is a stationary calculation of the drawbar force and the velocity with all gear ratios of the hydrostatic or electromechanical variators. It considers the input power of the engine as well as the efficiency of the gears and the variator. The results of the stationary calculations are the maximum of available drawbar force at the wheels and the maximum torque and speed of all components, 1. A modern approach of dimensioning also uses system simulation tools that gives more insight than the stationary calculation. Additionally to the stationary calculation of the powertrain, a calculation of the load of the additional traction in the cycle can also be done. Therefore, it is possible to predict the dynamic behaviour of the vehicle in a real driving cycle. authors Dipl.-Ing. Michael Wunder is Head of Simulation and System Analysis at hofer forschungs & entwicklungs GmbH in Garsten (Austria). Dipl.-Ing. Thomas Hackl is CTO at hofer forschungs & entwicklungs GmbH in Garsten (Austria). Dr. Mohamed Ez ElDin is Development Engineer of Simulation and System Analysis at hofer forschungs & entwicklungs GmbH in Garsten (Austria). 26

4 Titelthema Abtrieb, 1, sowie alle Drehzahlen und Drehmomente im Triebstrang. Ein moderner Ansatz der Auslegung greift zusätzlich noch auf die Verwendung von System- Simulationswerkzeugen zurück. Dadurch erhält man weitere Informationen, die weit über eine stationäre Betrachtung hinausgehen. Es kann zusätzlich zu der dynamischen Berechnung des Fahrantriebes auch eine Berechnung von Belastungen aus Zusatzantrieben im Zyklus durchgeführt werden. Damit sind Aussagen über das dynamische Fahrverhalten in realen Fahrzyklen machbar. Die virtuelle Betrachtung des kompletten Antriebstrangs von Motor bis zum Rad ist die Basis für genauere Untersuchungen zu den Themen Downsizing, Kraftstoffverbrauch und Fahrleistung. So können für Traktoren, Radlader, Kommunalfahrzeuge, Pistenraupen etc. spezielle hydromechanische Konzepte als Modul aus einer hofereigenen Bibliothek ausgewählt werden. Diese Bibliothek umfasst ebenfalls Modelle von Zustell- und Kommunalfahrzeugen mit Getrieben, die einen elektrischen Variator beinhalten. Das Modell wird dann nach Anwendungsgebiet und Motor noch weiter verfeinert und an einer Reihe von Fahrzyklen, die ebenfalls aus der Bibliothek ausgewählt werden können, virtuell getestet. Neben der Suche nach dem optimalen Triebstrang kann eine Sensitivitätsanalyse zusätzliche Informationen über das Gesamtsystem bringen, die einem herkömmlichen Entwicklungsprozess verborgen bleiben. So wird zum Beispiel durch Variation der Parameter schnell klar, bei welcher Komponente eine Wirkungsgradverbesserung große Auswirkungen auf den Gesamtverbrauch hat. Auf Basis der Kundenanforderungen kann so mittels Simulation binnen kurzer Zeit eine verlässliche Auslegung der wichtigsten Komponenten durchgeführt werden. Die Ergebnisse werden dann in weiterer Folge an die Konstruktion und Bauteilberechnung weitergeleitet und auf ihre Machbarkeit überprüft. Jede Änderung und jeder Verbesserungsvorschlag im Entwicklungsprozess können mittels Simulation wieder untersucht werden und somit den Fortschritt in den anderen Abteilungen beschleunigen. Diese Entwicklungsmethode, unterstützt durch moderne Simulationswerkzeuge und eine Systemanalyse, lässt das schnelle Entstehen eines Produkts zu, da Fehler während der Erstellung der Systemauslegung sofort auffallen und behoben werden können. Zusätzlich wird das Simulationsmodell als sogenanntes plant model für die modellbasierte Softwareentwicklung verwendet. Alle Kontrollalgorithmen können vorab auf Basis eines sehr realistischen Triebstrangmodells schon in frühen Phasen der Entwicklung getestet und optimiert werden. Dadurch wird die Applikationszeit am Fahrzeug und auf Prüfständen reduziert, was die Entwicklung insgesamt beschleunigt. Ergebnisse Die stationäre Berechnung ergibt, 1, dass die Hüllkurve des Powersplitgetriebes trotz Downsizing (55 kw) über der Referenz (75 kw) liegt. Die Endge- Systemsimulation 20 % weniger CO 2 für LKw und sogar noch mehr! Die zukünftige Emissionsgesetzgebung für Nutzfahrzeuge fordert neue Antriebslösungen, die die Betriebskosten drastisch senken. Systemoptimierung ist der Schlüssel, um 20 % und mehr CO 2 einsparen zu können. AVL s Ansatz ist ganzheitlich und geht weit über den eigentlichen Antrieb hinaus: Neue Antriebskonfigurationen Verbesserte Motorkonzepte und -spezifizierungen Neue Getriebetechnologien mit hochentwickelten Schaltstrategien Reduzierung von Reibung und Verlustleistungen Optimierung der Abgasnachbehandlung Waste Heat Recovery Hybridantriebe für Nutzfahrzeuganwendungen 27

5 COVER STORY System Simulation The simulation of the complete powertrain from the engine to the wheel is the base for future investigations on downsizing, fuel consumption and driving performance. It is possible to choose the concept out of a hofer-library depending on the vehicle, such as tractor, a wheelmounted front-end loader, municipal vehicle or a snow groomer. The hofer-library also comprises additional models for deliver or municipal vehicles including a transmission with an electro mechanical variator. The model will be fine-tuned, depending on the chosen engine and employment and tested on different driving cycles in simulation. Additionally to the search for the optimised powertrain, a sensitivity analysis can provide further information about the overall system, which would not be gained in a standard development process. By variation of the parameters it is possible to find the component with the biggest impact on efficiency and fuel consumption. Based on requirements of the costumer the simulation is able to deliver the input for optimised design of the most important components within short time. These results will be checked by the design department and the calculation department. All changes and improvements in the development process will be recalculated by the simulation and accelerate the progress of the other departments. This method of development sported by modern simulation tools and a system analysis, allows a faster product development because mistakes in the system design instantly attract attention and can be solved. An additional advantage is the usage of the system simulation model as a so-called plant model for the model based software development. All control algorithms can be tested on basis of a very realistic driveline model at a very early phase of the development. Due to that the application time on the vehicle and on test benches can be reduced significantly. Results The results of the stationary calculations show, 1, that the envelope of the driveline with a 55 kw engine and a power split transmission is higher than the envelope of the driveline with the 75 kw engine and a torque converter transmission. The maximum required velocity of 40 km/h can be reached with both configurations. Thus, the dynamic behaviour can be compared in a second step. The inputs for the dynamic model, ❷, developed by the system simulation, are the vehicle speed and load, from which the applied torque can be calculated using a closed loop control model and an engine map. Depending on the transmission diagram of a power split transmission, the torque is divided on the mechanical and variable gear set or drives a hydraulic pump through the power take-off and further in the described case an excavator bucket. In the model the efficiency can be adjusted depending on the operating point for each gear, bearing or hydrostatic variator. The resulting torque on the driving wheels generates either a maximum drawbar force (equivalent to the stationary calculation) or an acceleration of the vehicle. This is the requirement for a realistic fuel consumption calculation during a driving cycle and thus a big advantage over the stationary calculation. The classic use of a bucket digger, which was the basis for the investigation, is the transport of bulk material from one location to another. This driving cycle is modelled in the so-called Y-cycle, which will be used here exemplarily. ❸ shows the simulation results for the Y-cycle. It shows the targeted and simulated speed of the vehicle and the used power for the power take off unit to lift the bulk material. The speed of the vehicle using the power split transmission is changing very steadily. The superior controllability and the high comfort are big advantages compared to the torque converter transmission, which creates a notable bump with every gear shift. Further dynamic investigations of different load cycles and comparison with measurements of the reference vehicle with 75 kw and different working and driving cycles confirm that the downsizing approach with a power split transmission results in the same vehicle performance as in the reference vehicle. Functional and Software Development The function and software department develops the control algorithms for the transmission actuators for specific use in a vehicle parallel to the mechanical design of the transmission. In addition to the functions for comfortable start and shifting, also diagnosis and error handling functions have to be developed to react in case of errors and protect the driver and the vehicle from damage. The functional and software development process according to the V-model is shown in ❹. In the right branch of the V-model, there is testing of components and systems with MiL (model in the loop), SiL (software in the loop) and HiL (hardware in the loop) methods based on a system simulation plant model. During simulation, the software functionalities communicate with this plant model instead of the real sensors and actuators of the driveline. This enables the testing and optimisation of robustness over temperature and other variables as well as the reaction to errors without danger. This leads to a much better maturity level before starting real vehicle testing. In the phase of application, the software functions are adjusted to the vehicle to get the desired behaviour. Even here the simulation can be helpful. Some effects can be reproduced in simulation, to give the application engineer a direct insight into the transmission and therefore offer a better understanding of the system. Summary On basis of stationary calculations and a dynamic simulation using a hofer-owned model library, the replacement of a 75 kw engine with conventional torque converter transmission by a 55 kw engine with power split transmission was demonstrated. The system simulation was done by using a hofer library for off highway applications based on LMS Imagine.Lab AMESim. Not only the performance but also the sensitiveness and comfort at work can be improved. This looks like a smart alternative to handle the challenge of the emission regulation Tier 4, that will start Furthermore, the process for function and software development supported by system simulation was presented, as it has been implemented in the hofer powertrain departments. 28

6 Titelthema ❷ Dynamisches Simulationsmodell eines Triebstrangs mit Powersplitgetriebe Dynamic simulation model of a power split transmission schwindigkeit des Fahrzeugs wird mit beiden Varianten erreicht. Somit kann in einem zweiten Schritt das dynamische Verhalten verglichen werden. Das mittels Systemsimulation entwickelte dynamische Modell, ❷, hat die Fahrzeuggeschwindigkeit und -belastungen als Eingangs größen. Daraus ergibt sich aus einer Regelung und einem Motorkennfeld das aufgebrachte Drehmoment. Je nach Getriebeschema eines Powersplitgetriebes teilt sich das Moment auf den rein mechanischen und variablen Teil des Getriebes auf oder treibt über den Nebenabtrieb eine Hydraulikpumpe und weiter im beschriebenen Fall eine Baggerschaufel an. Im Modell kann für jedes Zahnrad, Lager oder den hydrostatischen Variator der Wirkungsgrad betriebspunktabhängig eingestellt werden. Das resultierende Drehmoment an den Antriebs rädern erzeugt dann entweder eine maximale Zugkraft (äquivalent dem stationären Berechnungsmodell) oder eine Beschleunigung des Fahrzeugs. Dies ist Voraussetzung für eine Verbrauchsberechnung in einem realen Fahrzyklus und somit ein großer Vorteil gegenüber der stati onären Betrachtung. Das klassische Anwendungsgebiet eines Schaufelbaggers ist das Transportieren von Schüttgut von einem Ort zu einem anderen. Dieser Arbeitsbetrieb wird mit dem sogenannten Y-Zyklus abgebildet, welcher hier exemplarisch betrachtet wird. In ❸ sind die Simulationsergebnisse für den Y-Zyklus zusammengefasst. Es zeigt die vorgegebene und simulierte Geschwindigkeit des Fahrzeugs und die aufgebrachte hy draulische Leistung zum Heben des Schüttguts. Es fällt sofort auf, dass das Fahrzeug mit dem Powersplitgetriebe sehr stetig seine Geschwindigkeit ändert. Die gute Regelbarkeit und der damit verbunden Komfort ist der große Vorteil gegenüber dem reinen Wandlergetriebe, das beim Gangwechsel einen merkbaren Ruck erzeugt. Weitere dynamische Untersuchungen in anderen Arbeitszyklen und Vergleiche mit Messungen des Referenzfahrzeugs mit 75 kw bei verschiedenen Arbeits- und Fahrzyklen untermauern, dass dieser Downsizing-Ansatz mit einem Powersplitgetriebe die gleiche Fahrzeugperformance wie das Referenzfahrzeug bringt. Funktions- und softwareentwicklung Die Funktions- und Softwareabteilung entwickelt parallel zum Design die Ansteuerung der Aktuatorik im Getriebe für die speziellen Anwendungen des Fahrzeugs. Dafür müssen, abgesehen von den Funktionen, die das Fahrzeug komfortabel in Bewegung setzen und sanftes Schalten ermöglichen, auch noch Diagnosefunkti onen entwickelt werden, die im Schadensfall reagieren und den Fahrer und das Fahrzeug schützen. In ❹ ist der Funktions- und Software- Entwicklungsprozess nach dem V-Modell dargestellt. Im rechten Zweig finden die MiL- (Model in the loop), SiL- (Software in the loop) und HiL- (Hardware in the loop) Tests der Softwarekomponenten und -systeme statt, welche mithilfe des Systemsimulationsmodells durchgeführt werden. Die Softwarefunktionen kommunizieren anstatt mit den realen Sensoren und Aktoren des Triebstrangs mit einem sogenannten plant model, welches den ganzen Triebstrang repräsentiert. Es bietet die Möglichkeit, die Robustheit über 29

7 Titelthema der Temperatur und bei Fehlerfällen vorab ohne Gefahr zu testen und zu optimieren, und führt daher zu einem wesentlich besseren Reifegrad vor den Tests am realen Fahrzeug. In der Applikationsphase werden die Softwarefunktionen im Fahrzeug angepasst und das gewünschte Fahrverhalten eingestellt, auch hier kann die Simulation hilfreiche Informationen liefern. Gewisse physikalische Phänomene können im Modell leicht nachgestellt werden und geben den Anwendern so die Möglichkeit, einen direkten Blick in das Getriebe zu werfen. Das Modell liefert damit ein zusätzliches Verständnis für den Ablauf. Zusammenfassung ❸ Vergleich der Simulationsergebnisse des Y-Zyklus eines 55-kW-Verbrennungsmotors mit Powersplitgetriebe mit einem 75-kW-Verbrennungsmotor mit Viergang-Automatikgetriebe Simulation results Y-cycle of a 55 kw engine with power split transmission versus a 75 kw engine with a four-speed torque converter transmission Mithilfe von stationären Berechnungen und dynamischer Systemsimulation auf Basis einer hofer-eigenen Modellbibliothek wurde nachgewiesen, dass vor allem im Bereich der Baumaschinen bis zu 75 kw ein konventioneller Triebstrang mit Wandlergetriebe durch einen 55-kW- Verbrennungsmotor in Kombi nation mit einem Powersplitgetriebe ersetzt werden kann. Die Systemsimu lation wurde mittels einer hofer-bibliothek für Offroad-Anwendungen realisiert, die auf LMS Imagine. Lab AMES basiert. Sowohl die Feinfühligkeit beim Arbeiten, der Komfort als auch die Performance können dadurch deutlich verbessert werden. Es scheint dies ein sinnvoller Weg zur Bewältigung der Herausforderungen der Abgasvorschrift Tier 4, die 2014 in Kraft tritt. Des Weiteren wurden der Funktions- und Software-Entwicklungsprozess mit Unterstützung der Systemsimulation vorgestellt, wie er sich bei hofer powertrain in der Praxis bewährt hat. Als Ingenieur souverän Kundenkontakte meistern springer-gabler.de Dirk Preußners Sicher auftreten im Technischen Vertrieb So überzeugen Sie Ihre Kunden 3. Aufl S. Br. EUR 34,95 ISBN Einfach bestellen: Telefon +49 (0)6221 / Änderungen vorbehalten. Erhältlich im Buchhandel oder beim Verlag. 30

8 ❹ Funktions- und Software-Entwicklungs prozess mit Unterstützung durch System simulation im rechten Zweig des V-Modells Function and software development process with support of system simulation during the right branch of the V-model Actuating for life from mind to motion Reliable robustness. Dependable precision. Accuracy always. Life demands it, and Sonceboz supplies it. No matter how harsh the environment, no matter how intricate the needed motion. Specify Sonceboz actuators. Simply : they work. Your partner for electric actuators and mechatronic drive solutions 31

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