Konzeption und Simulation eines passiven Kabinenfederungssystems für Traktoren

Transkript

1 Konzeption und Simulation eines passiven Kabinenfederungssystems für Traktoren Von der Gemeinsamen Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Bernd Thomas aus Haßloch Eingereicht am: Mündliche Prüfung am: Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. H.-H. Harms Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil G.P. Ostermeyer Mitberichterstatter: Dr. E. Bodmann

2

3 Forschungsberichte des Instituts für Landmaschinen und Fluidtechnik Bernd Thomas Konzeption und Simulation eines passiven Kabinenfederungssystems für Traktoren. Shaker Verlag Aachen 2001

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Thomas, Bernd: Konzeption und Simulation eines passiven Kabinenfederungssystems für Traktoren / Bernd Thomas. Aachen : Shaker, 2001 (Forschungsberichte des Instituts für Landmaschinen und Fluidtechnik) Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2001 ISBN Copyright Shaker Verlag 2001 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Mein besonderer Dank gilt dem Leiter des Instituts für Landmaschinen und Fluidtechnik (ILF), Herrn Prof. Dr.-Ing. H.-H. Harms, der mir die Möglichkeit zur Promotion gab und mich durch seine wertvollen Anregungen während der Durchführung dieser Arbeit immer freundlich und äußerst motivierend unterstützt hat. Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. habil G.P. Ostermeyer für die Durchsicht der Arbeit in seiner Funktion als Mitberichter und Herrn Prof. Dr.-Ing. F. Küçükay für die Übernahme des Vorsitzes in der Prüfungskommission. Dank möchte ich auch an Herrn Prof. Dr.-Ing. K. Höhn und Herrn Dr.-Ing. E. Bodmann richten, deren Ermunterung zu dieser Arbeit und vorbehaltlose Unterstützung während der Durchführung wesentlich zum Erfolg beigetragen haben. Besonders danken möchte ich auch meiner lieben Frau Claudia und meinen Kindern Isabel und Philipp für ihr Verständnis und ihre Unterstützung über einen langen Zeitraum. Weiterhin danke ich allen, die mich tatkräftig unterstützt haben: Herrn J. Hülskamp, der mich durch seinen unermüdlichen Einsatz im Rahmen seiner Diplomarbeit bei der Ermittlung der experimentellen Ergebnisse sehr unterstützt hat. Herrn Prof. Dr.-Ing. P. Pickel für seine Beratung. Besonders hervorheben möchte ich, dass die von ihm durchgeführten Untersuchungen im Rahmen seiner Promotion diese Arbeit wesentlich beeinflussten. Herrn Dr.-Ing. Christian von Holst für die Durchführung der experimentellen Untersuchung der fahrdynamischen Eigenschaften von Traktorreifen und Herrn Tersitsch, Fa. Michelin, für die dabei geleistete Unterstützung. Haßloch, im Oktober 2001 Bernd Thomas

6 VI Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Stand der Technik Kabinenfederungssysteme für Traktoren Untersuchungen von passiven Kabinenfederungssystemen Numerische Simulationsverfahren Zielsetzung der Arbeit Konzeption einer Kabinenfederung für Traktoren Mechanische Führung Traktoreigenfrequenzen Schwingungsisolation Technische Ausführung Verfahren zur Bewertung des fahrdynamischen Verhaltens Kontrollierbarkeit Fahrkomfort Subjektive Bewertungsverfahren Objektive Bewertungsverfahren Einhaltung der verfügbaren Federwege Modellbildung und Parametrierung Massen, Massenträgheitsmomente, Schwerpunktslagen Reifen Reifen Vertikaldynamik Reifen Querdynamik Reifen Längsdynamik Allgemeines Vorderachsfederung Kabinenfederung Sitzfederung Antrieb Lenkung Fahrbahnen Simulationen zur Konzeption des Kabinenfederungssystems Unballastierter Traktor Vergleich der Federungssystem-Kombinationen... 54

7 VII Einfluss der Kabinen-Eigenfrequenz Einfluss der Kabinen-Dämpfung Einfluss der vertikalen Sitz-Eigenfrequenz Zusammenfassung der Simulationsergebnisse, unballastierter Traktor Heckballastierter Traktor Vergleich der Federungssystem-Kombinationen Einfluss der Kabinen-Eigenfrequenz Einfluss der Kabinen-Dämpfung Einfluss der vertikalen Sitz-Eigenfrequenz Zusammenfassung der Simulationsergebnisse, heckballastierter Traktor Frontballastierter Traktor Vergleich der Federungssystem-Kombinationen Einfluss der Kabinen-Eigenfrequenz Einfluss der Kabinen-Dämpfung Einfluss der vertikalen Sitz-Eigenfrequenz Zusammenfassung der Simulationsergebnisse, frontballastierter Traktor Zusammenfassung aller Simulationsergebnisse Experimentelle Validierung des Kabinenfederungskonzepts Unballastierter Traktor Subjektive Bewertung des Fahrkomforts Objektive Bewertung des Fahrkomforts Vergleich zwischen subjektiver und objektiver Komfortbewertung Kontrollierbarkeit Einhaltung des zulässigen Kabinenfederweges Heckballastierter Traktor Subjektive Bewertung des Fahrkomforts Objektive Komfortbewertung Vergleich zwischen subjektiver und objektiver Komfortbewertung Kontrollierbarkeit Einhaltung des zulässigen Kabinenfederweges Zusammenfassung der experimentellen Konzeptvalidierung Validierung des Simulationsmodells Validierung durch Trapezschwellenüberfahrten Validierung durch Fahrten auf stochastischen Profilen Zusammenfassung und Schlussfolgerungen für die Praxis Quellenverzeichnis

8 VIII Formelzeichen Bezeichnung Einheit Größe a m/s 2 Beschleunigung A k m 2 Kolbenfläche A s m 2 Wirksame stangenseitige Fläche c N/m Steifigkeit c a N/m Steifigkeit des Vorderachsfederungssystems c h N/m Vertikale Steifigkeit der Hinterräder c v N/m Vertikale Steifigkeit der Vorderräder c vg N/m Gesamtsteifigkeit aus Vorderachsfederung und zwei Reifen c k N/m Steifigkeit der Kabinenfederung d k m 2 Kolbendurchmesser d s m 2 Stangendurchmesser D Lehrsches Dämpfungsmaß f 1/s Frequenz F N Kraft F dyn N Dynamische Radlast F stat N Statische Radlast G c N Gewichtskraft des Chassis J T,y kg m 2 Massenträgheitsmoment um die Traktor-Querachse k N s/m Dämpfungskonstante L v m Horizontaler Abstand Vorderachse zu Traktorschwerpunkt L h m Horizontaler Abstand Hinterachse zu Traktorschwerpunkt m kg Masse M T kg Traktormasse n Dynamischer Radlastfaktor n 1/m Wegfrequenz n 0 1/m Bezugswegfrequenz p 0k N/m 2 Kolbenseitiger Gasvorspanndruck p 0s N/m 2 Stangenseitiger Gasvorspanndruck p k N/m 2 Kolbenseitiger Druck p s N/m 2 Stangenseitiger Druck

9 IX V 0k m 3 Kolbenseitiges Gasfüllvolumen V 0s m 3 Stangenseitiges Gasfüllvolumen V k m 3 Kolbenseitiges Gasvolumen V s m 3 Stangenseitiges Gasvolumen V D Durchlässigkeit t s Zeit v m/s Geschwindigkeit w Welligkeit von Fahrbahnen x m Koordinate in Fahrtrichtung y m Koordinate quer zur Fahrtrichtung z m Koordinate in vertikaler Richtung T ab,th s Theoretische Abhebezeit G d m 3 Einseitige spektrale Leistungsdichte von Unebenheiten G d (Ω 0 ) m 3 Unebenheitsmaß (oder Unebenheitsgrad) von Fahrbahnen η Frequenzverhältnis η Hub 1/s Hubeigenfrequenz des Traktors η Nick 1/s Nickeigenfrequenz des Traktors σ Standardabweichung ω 1/s Kreisfrequenz Ω 1/m Wegkreisfrequenz Ω 0 1/m Bezugswegkreisfrequenz Indizes Ch K dyn e E h sitz stat v x y z Chassis Kabine dynamisch Eigenfrequenz Erreger hinten, Hinterrad Sitz statisch vorne, Vorderrad Fahrzeug Längs-Richtung Fahrzeug Quer-Richtung Fahrzeug Hoch-Richtung

10 X rx ry rz Fahrzeug Wank-Richtung Fahrzeug Nick-Richtung Fahrzeug Gier-Richtung