Verwendung von Simcenter Amesim zur Optimierung von Notbremsungen für Traubenvollernter

Herausforderungen im Hydrauliksystem

Hydraulische Systeme sind entscheidende Elemente bei der Entwicklung der neuesten technologischen Innovationen. Sie werden zur Lösung einer Vielzahl von technischen Problemen verwendet und unterstützen Produktinnovationen für (unter anderem) mehr Komfort in Lenksystemen, Umweltfreundlichkeit in Kraftstoffeinspritzsystemen, Sicherheit in Antiblockiersystemen und Leistungsvermögen in Wärmerückgewinnungssystemen.

Da die Systemkomplexität mit der eingebetteten Elektronik zunimmt, verlängern sich die Konstruktionszyklen tendenziell und die Kosten steigen. Die Implementierung der mechatronischen Systemsimulation ist mittlerweile zu einer Standardmethode geworden, um diese Faktoren unter Kontrolle zu halten. Dies erfordert jedoch nicht nur Software-, sondern auch Anwendungs-Know-how. „Mit einem starken Hintergrund in der Herstellung intelligenter Hydraulikkomponenten hat Fluidesign die Bedeutung der Simulation für die Beherrschung der technischen Komplexität erkannt“, sagt Vincent Moulin, Vertriebs- und Marketingdirektor von Fluidesign. „Wir haben schon vor Jahren begonnen, Simcenter Amesim zu verwenden, und sind inzwischen ein bevorzugter Partner für führende Unternehmen der Branche, die robuste und hochmoderne Produkte suchen, die durch Simulation optimiert wurden.“

Aus diesem Grund hat sich New Holland Agriculture (New Holland) an Fluidesign gewandt, um Innovationen bei den Hydrauliksystemen für seine neuesten selbstfahrenden Traubenvollernter zu entwickeln. Seit mehr als drei Jahrzehnten entwickelt New Holland speziell für den Weinbau konzipierte Maschinen, mit Innovationen wie schwenkbaren Ernteköpfen, dem Noria-Fördersystem, den SDC-Schüttelsystemen und Kabinen mit mehr Komfort. Diese Innovationen haben den Ruf von New Holland in Bezug auf Qualität, Sicherheit, Leistungsvermögen und Effizienz begründet. Die Maschinen des Unternehmens wurden weithin gelobt und machen New Holland zum unangefochtenen Marktführer.

Die europäischen Vorschriften zur Verringerung der Schadstoffemissionen sind inzwischen allumfassend und betreffen jedes Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Traubenerntemaschinen bilden da keine Ausnahme und müssen diese Normen erfüllen, die die Einführung neuer Motortechnologien wie Abgasrückführung und selektive katalytische Reduktion vorantreiben. Die Reduzierung der Emissionen führt jedoch zu zusätzlichen Kosten und Gewicht.

Vor diesem Hintergrund besteht eine Lösung darin, die Auslastung der Traubenvollernter zu erhöhen. Je weniger Zeit für den Transport einer Maschine zu und von einer Weinrebe aufgewendet wird, desto rentabler wird die Maschine. Deshalb wurden die Erntemaschinen mit stärkeren Motoren ausgestattet, um die Arbeitsfelder schneller zu erreichen und die Einsatzzeit zu optimieren.

Das Fahren auf geteerten Straßen unterliegt ebenfalls strengen Sicherheitsvorschriften, insbesondere was den Bremsweg betrifft. Vorschriften zur Notbremsung definieren einen bestimmten Bremsweg und klare Zertifizierungskriterien. Mit zunehmendem Gesamtgewicht von Erntemaschinen werden diese Anforderungen immer schwieriger zu erfüllen. Ganz zu schweigen davon, dass die Nichteinhaltung der Vorschriften sehr kostspielig sein kann, nicht nur in Form von Bußgeldern und Strafen, sondern auch durch den Verlust von Marktanteilen.

Aus diesem Grund hat New Holland Fluidesign mit der Entwicklung einer technologischen Lösung beauftragt, die es dem Unternehmen ermöglicht, die Vorschriften für seine Traubenerntemaschine vom Typ VN9040 zu erfüllen.

Modellierung des gesamten Chassis

Um das dynamische Verhalten zu bewerten und die Auswirkungen des Ventildesigns auf die Notbremsung zu bewerten, verwendet Fluidesign die Software Simcenter Amesim™, eine führende Lösung für die physikalische Simulation mechatronischer Systeme, die Teil des Simcenter-Portfolios ist. Die Ingenieure modellierten das komplette Fahrwerkssystem – einschließlich des Fahrwerks und der Reifenaufstandsfläche auf einer 3D-Straßenoberfläche sowie des hydrostatischen Getriebes – mit handelsüblichen Simcenter Amesim-Bibliotheken, einschließlich Hydraulik, Hydraulikkomponentendesign, hydraulischem Widerstand und Fahrzeugdynamik.

Die Untersuchung der Dynamik und Reaktionszeit der verschiedenen Elemente des Getriebesystems, wie z.B. der hydraulischen Steuerung der Verstellpumpe, war für diese Studie unerlässlich. Nach der Modellkalibrierung auf der Grundlage von Messungen konzentrierte sich die Studie auf die Auswirkungen verschiedener Hydraulik- und Steuerungsparameter für Notbremsungen. „Durch den Einsatz von Simcenter Amesim konnte New Holland schnell unterschiedliche Last- und Drehmomentübertragungsraten identifizieren“, sagt Frederic Lagors, Technical Director bei Fluidesign. „Mit diesen Daten im Hinterkopf haben wir die Modellierung und Simulation von Fahrzeugen durchgeführt, verschiedene neue Ventile integriert, die Verteilung von Drehmoment und Lasten angepasst sowie das Bremsen optimiert.“

Durch die Verwendung von Simcenter Amesim konnte Fluidesign die architektonischen Entscheidungen validieren und die Industrialisierung des Hydraulikventils des hydrostatischen Kreislaufs einleiten. Diese virtuelle Studie ermöglichte es New Holland, die idealen Parameter zu ermitteln, um die optimalen Bremsziele zu erreichen. Darüber hinaus konnte das Unternehmen eine spezielle Konstruktion für ein Bremsunterstützungsventil entwickeln, das dort eingesetzt wird, wo es im Hydraulikkreislauf am effizientesten ist, um die Notbremsung zu optimieren. Dieses hydraulische Durchflussregelventil wird – nur im Notfall – über ein Steuergerät betätigt.

Einen Einblick geben, was am besten funktioniert

„Das Simcenter Amesim 3D-Animationstool bot die Möglichkeit, die Ergebnisse so zu visualisieren, als ob die Ingenieure die reale Maschine beobachten würden, und das Beste aus den leistungsstarken Analysetools herauszuholen“, sagt Lagors. „Diese Funktion verleiht den Ergebnissen eine besondere und unmittelbare Bedeutung, als perfekte Ergänzung zu Diagrammen und Grafiken. Verschiedene Produktkonfigurationen können dann schnell virtuell getestet werden, um die relevanteren für tiefere Einblicke auszuwählen.“

Die Verwendung von Simcenter Amesim ermöglichte es Fluidesign, die Physik des kompletten Fahrgestells der Traubenerntemaschine besser zu verstehen und die wichtigsten Teile des Hydraulikkreislaufs zu identifizieren, die die Notbremsung beeinflussen. Die Ingenieure waren in der Lage, ein detailliertes Verständnis und eine präzise Beobachtung von hydraulischen Phänomenen wie Durchfluss, Druck und Zeitverhalten zu erhalten, die normalerweise schwer direkt an der Maschine zu messen sind, aber die Entwicklung relevanter Lösungen ermöglichen. „Die erforderliche Lösung ist in den meisten Fällen technisch einfach“, sagt Moulin. „Wenn es nicht einfach ist, ermöglicht die Software den Ingenieuren, die Ursachen eines Problems zu identifizieren. Das ist es, was Simcenter Amesim am besten kann – Ingenieuren dabei zu helfen, sich auf ihr Fachwissen zu konzentrieren, nicht auf Tools.“

Dadurch war es möglich, Worst-Case-Szenarien und extreme Bedingungen virtuell zu bewerten, was bei realen Tests nicht der Fall gewesen wäre. Dies ist eine wesentliche Verbesserung der Sicherheitsoptimierung. „Der Einsatz von Simcenter Amesim war eine echte Bereicherung und ermöglichte es New Holland, mehrere Monate an technischen Studien einzusparen, während sie an diesem Sicherheitsoptimierungsprojekt arbeiteten“, sagt Lagors.

Um die Ursache von Problemen zu ermitteln oder technische Lösungen zu finden, gehen die Winzer in der Regel nach der traditionelleren Methode vor, d. h. sie führen reale Messungen im Weingarten durch. Dies kann jedoch für den Traubenvollernter in Bezug auf Transportkosten, Engineering-Gebühren und Testmaterialien kostspielig sein. Zudem sind die Ergebnisse ungewiss. Als Pionier im Bereich der mechatronischen Systemsimulation entschied sich New Holland, in die Komponenten und das Software-Know-how von Fluidesign zu investieren, um den Entwicklungsprozess zu optimieren.

Die Gesamtkosten des Projekts wurden um 25 Prozent gesenkt und, was noch wichtiger ist, es wurde eine robuste Lösung gefunden. Die Ausstattung seiner Traubenvollernter mit der sichersten Technologie für Notbremsungen trägt dazu bei, New Holland als technischen Marktführer in diesem Bereich zu positionieren. New Holland hat es sich schon immer zur Aufgabe gemacht, seinen Kunden einfache, aber effiziente Maschinen zur Verfügung zu stellen. Die Zusammenarbeit mit Fluidesign und Siemens Digital Industry Software hat dem Unternehmen geholfen, intelligentere, bessere und schnellere Wege zu finden, um Technologie zugänglich und benutzerfreundlich zu machen.