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LMS仿真与试验解决方案
LMS仿真与试验解决方案 (编号 1107) http://www.siemens.com.cn/plm/lms
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John Deere采用LMS仿真工具大大地改善了拖拉机的乘坐舒适性
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拖拉机/低速汽车展厅
农用车, 履带拖拉机, 拖拉机, 手扶拖拉机, ...
John Deere公司的工程师们广泛的运用LMS多体仿真工具用以开发新型电控油气驾驶室悬架,结果无论在农田中,还是在道路上都大大地改善了其乘坐舒适性。到目前为止,驾驶室悬架系统已经采用了螺旋弹簧或具有高固有频率的气垫,因此对竖直方向的振动起到的阻尼很小的作用。当实物样机制造出来并进行测试时,所得结果与仿真结果非常接近,从而肯定了乘坐舒适性确实得到了大大地改善。

平顺性已日益成为农用车辆中一个重要的话题。过度振动使人感到很不舒服,同时也减少了操作者的工作时间。十年前,几乎所有的拖拉机都只有一个座椅悬架,同时主要依赖拖拉机巨大的车轮来解决振动问题,但是车轮提供的阻尼比率非常低,通常只有0.02,因此在近几年多数大型拖拉机制造商都增加了悬架系统,用以改善乘坐舒适性,同时还可以提高经济效益,即提升拖拉机在道路和农田的驾驶速度。Deere的方案是开发出一种前悬架,即所谓"三连杆悬架"(Triple Link Suspension),它与底盘有三处连接。一个是面板结点连接,它可以传递悬架和底盘间的横向力;作为悬架的一部分,用氮蓄电池作为动力的液压柱提供了另一个连接;最后,拖拉机中间的球铰连接则是第三处连接。"这种悬架可以非常有效地改善乘坐舒适性,同时还能使着地的前车轮更好的传递转向力。"托马斯博士说。

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制造实物样机前对设计进行评价

在设计此种悬架的初期,Deere工程师就意识到这项工作非常复杂,因此无法根据手册计算并预测其品质。然而制造和测试每一个主要的悬架设计方案势必会限制悬架方案的数目。因此John Deere公司在寻找一个商业软件,用以帮助他们预测悬架设计的品质,而无需制造实物样机。

"我们在三连杆悬架设计的初期选择LMS Virtual.Lab Motion (LMSDADS)软件是因为它和其它软件相比,可以得到更准确的结果,而且计算速度也更快。"托马斯博士说,"LMS技术人员在最初几年和我们一起工作,用以改良他们的软件,现在我们觉得改良后的软件对于悬架分析来说真是太理想了。例如:他们增加了悬架建模模块,如McPherson支撑、短长臂和旋转柱等等。LMSVirtual.Lab Motion (LMS DADS)在三连杆悬架的设计过程中起到了非常重要的作用,它对概念设计提供了非常准确的品质评价,而无需花费制造实物悬架所需的支出;它还帮助我们按时完成了有效的设计方案。我们不断改变固有频率和阻尼条件,而且还在确定实物悬架的部件前尝试了不同的方案。当实物悬架最终制成并进行测试时,结果与预期的一致。因此我们购买了Motion(DADS)软件,现在它已成为我们进行产品工程设计中不可缺少的基础工具之一。"

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开发设计标准

最近,Deere公司管理层决定通过安装一个独特的驾驶室悬架系统来进一步改善乘坐舒适性。一方面,直到现在多数驾驶室悬架系统还使用螺旋弹簧,其固有频率高于1.6Hz。这样在2.3Hz的频率范围内振动没有得到削弱,相反加强了,而这个频率范围正是通常工况条件下所处的频率范围。另外一个因素是驾驶员座椅和驾驶室悬架系统的固有频率在同一范围内,因此驾驶室和座椅间可能产生共振。为了改善这种情况,Deere工程师在带有驾驶室悬架的拖拉机仿真模型上进行了一系列的多体仿真。这些仿真结果肯定了一个众所周知的理论,即悬架系统只能将驾驶室同高于驾驶室悬架系统固有频率的激励隔离开来。因此工程师们得出结论:悬架理想的固有频率应该设定在1Hz。这个结论指导了以后的设计过程,并且如果品质参数在现场开发出来的话,它可以在更短时间内,用更低的成本获得最佳的设计方案。

如果考虑到驾驶室后部悬架系统的连接,1Hz的标准就意味着在满负荷和最小负荷情况下,弹簧变形的长度相差60mm。在这种情况下,就需要一个载荷调节系统来满足在不同载荷工况下获得足够的弹簧行程。这种功能是传统螺旋弹簧无法完成的,因此油气弹簧系统就应运而生。多体仿真用于选择合适的氮气体积和初始的压力设置,从而将系统的固有频率调整到1Hz。

预测不同设计的舒适性

此时,才制造了样机并进行测试,结果肯定了它比现有驾驶室悬架系统已经在乘坐舒适性方面得到了极大改善。为比较以后设计方案的舒适性,Deere公司采用了国际标准组织第2631-1号规范中依靠频率评估人体舒适性的方法。此规范中包括两个测量标准:均方根值(RMS)和振动功率(power vibration dose)。频率加权座椅加速度的均方根值被选择作为评价以后设计方案的主要方法,而这种参数无论在道路还是农田条件都可容易地从LMS Virtual.Lab Motion(DADS)仿真中得到。在设计过程中,当Deere工程师评价不同设计的参数和部件时,他们可以将其设计结果对驾驶员乘坐舒适性的影响进行量化。

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上图显示的是Deere拖拉机带有和不带驾驶室悬架的乘坐舒适性比较曲线。图中清楚地显示出乘坐在带有前轴和驾驶室悬架、以50km/h速度行驶的无载荷拖拉机中要比在只装配了前轴悬架以20km/h速度行驶的拖拉机中要舒服得多;在50km/h时,舒适度可达31%。因为驾驶员要花费相当长的时间往返于工作地点,所以其发展潜力是显而易见的。上图中通过座椅竖直加速度的功率谱密度曲线相比,驾驶室悬架系统的舒适效果就很明显了。此图显示司机在不带驾驶室悬架的拖拉机上是处于频率为2.3Hz左右的高度振动中,因此如果驾驶室悬架系统的固有频率远远低于这个范围,那么就可以免受这种振动,所以油气低频驾驶室悬架可以说是一个优秀的解决方案。

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"We selected LMS DADS because result quality and calculation speed were higher than the other alternatives."

为疲劳研究预测部件载荷

多体仿真在设计过程中体现的另一优势就是工程师们能够更早地考虑到疲劳方面的问题。建立仿真过程就意味着仿真过程中所用的条件将在实物样机制成后用于评价部件耐久性。仿真使用同样的高度和几何障碍,可以产生部件载荷;作为输入数据用于有限元分析,最终从疲劳的角度协助完成部件的设计。Deere工程师也使用与LMS Virtual.Lab Motion (DADS) 连接的MATLAB数学计算和Simulink建模软件来评价悬架控制系统,包括:驾驶舒适性计算的滤过设计,前轴和驾驶室悬架液压系统,自动负载调整系统,动力传动系统模型及简单的驾驶员模型等等。

新的驾驶室悬架系统最近已安装在Deere 6020系列拖拉机上并被推向市场,与已有的安装了TLSII前轴悬架系统的6320型号拖拉机共同成为用户的选择。新型电控油气驾驶室悬架可以永久调节驾驶室的平衡,此悬架的行程最长可达100mm,用以改善驾驶员在农田和道路上的乘坐舒适性。托马斯博士说:"多体仿真在这项设计创新中起到了关键性的作用:它帮助产品开发小组在设计初期就进行关键设计参数重要性的评价;它还能够在实物样机制成前对不同设计参数进行优化。"(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (8/28/2012)
LMS仿真与试验解决方案联系方式:
网址: http://www.siemens.com.cn/plm/lms 电话:86--4000920665
地址: 中国·北京·北京市朝阳区望京中环南路7号西门子大厦9层 邮编100101 传真:86--85292998
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