Theses

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Horn, Tobias;
Entwicklung und Untersuchung einer sensorisierten Spitze für stabförmige nachgiebige Aktuatoren. - Ilmenau. - 109 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Diese Masterarbeit handelt von der Entwicklung eines nachgiebigen Kraftsensors. Dieser ermöglicht es, ein elektrisches Signal zu erzeugen, wenn eine Druckkraft einen kritischen Betrag überschreitet. Der Sensor basiert auf elektrisch leitfähigem Silikon, welches sich durch die Krafteinwirkung verformt, bis es zu einem Kontaktschluss kommt. Dabei hat die Richtung der einwirkenden Kraft keinen Einfluss auf den kritischen Kraftbetrag. Dieser Sensor wird im Hinblick auf eine medizintechnische Anwendung entworfen und soll ein aktuierbares Cochlea-Implantat erweitern. Das Ziel ist es, die Kontaktkraft zu reduzieren, um Schäden am Innenohr durch die Insertion zu vermeiden. Zunächst wird der Stand der Technik zu nachgiebigen Biegeaktuatoren mit und ohne Sensorik umrissen sowie auf nachgiebige Sensoren und Switch-Sensoren eingegangen. Anschließend werden mehrere technische Prinzipe für eine Realisierung des Sensors vorgestellt. Bevor ein Prinzip ausgewählt wird, werden zwei Vorversuche zur Fertigung einer dünnen Isolationsschicht und zur Herstellung von elektrisch leitfähigem Silikon durchgeführt. Zusätzlich wird der Übergangswiderstand eines Kontaktes von leitfähigen Silikonen erforscht. Der Insertionsprozess wird mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode untersucht. Weiterhin werden für die Auslegung Kräfte analysiert, die bei der Insertion auftreten. Anschließend wird die Geometrie des Sensors wiederum mit der Finite-Elemente-Methode dimensioniert. Danach werden Formwerkzeuge konstruiert und gefertigt, um den Sensor herzustellen. Zum Schluss werden mit diesem Sensor verschiedene Messungen durchgeführt und deren Ergebnisse interpretiert.



Zweier, Johannes;
Konzeption und Entwicklung eines Antriebssystems für das mechanische Uhrwerk einer Turmuhr. - Ilmenau. - 97 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Zeitanzeige der Turmuhr des Heimatmuseums in Dröbischau erfolgt über ein historisches mechanisches Uhrwerk. Dieses wird nach derzeitigem Stand durch regelmäßiges manuelles Aufziehen am Laufen gehalten. Durch eine Automatisierung soll der Bediener von der körperlichen Routinearbeit entlastet werden. Dazu wird im Rahmen dieser Arbeit ein Antriebssystem entwickelt, mit dem der Uhrenaufzug selbstständig und zuverlässig erfolgen kann, ohne die Funktionsfähigkeit des bisherigen Uhrwerks zu beeinträchtigen. Zunächst wird eine Bestandsaufnahme durchgeführt, auf deren Basis anschließend die Definition der Anforderungen an das System erfolgt. Im Zuge des weiteren Entwicklungsprozesses werden geeignete Konzepte und Umsetzungen für die Aktorik, Sensorik und Steuerung des Antriebssystems erarbeitet. Um den Ablaufmechanismus des Uhrwerks durch den Antrieb nicht zu blockieren, wird eine Schleppscheibenkupplung entwickelt, die eine Verzögerung der Drehbewegungsübertragung ermöglicht. Der Aufbau eines Funktionsmodells gewährt eine Veranschaulichung des gewählten Konzepts und ermöglicht den Nachweis der Funktionsfähigkeit. Durch eine kritische Betrachtung des Ergebnisses werden Erkenntnisse über die Eignung des entwickelten Antriebs gewonnen. Dabei wird ersichtlich, dass die erarbeitete Konstruktion die definierten technischen und wirtschaftlichen Festanforderungen erfüllt. Sofern auch ein anschließender Langzeittest erfolgreich überstanden wird, steht einer Umsetzung des Antriebs am Uhrwerk mit der vorgeschlagenen Entwicklung nichts entgegen.



Jahn, Hannes;
Entwicklung einer Synthesemethode für nachgiebige Mechanismen auf Basis analytischer Modellbildung. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken gewinnen aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften, wie beispielsweise Reproduzierbarkeit, Spielfreiheit und Wartungsfreiheit, zunehmend an Bedeutung. Ihre Verformung wird maßgeblich durch Biegung bestimmt, weshalb sie analytisch auf Basis der Euler-Bernoulli-Balkentheorie modelliert werden können. Die analytische Betrachtung wird aufgrund ihres komplexen mathematischen Modells durch geometrische Nichtlinearität primär in der Analyse nachgiebiger Mechanismen und seltener in der Synthese eingesetzten. Derzeitige Syntheseansätze beschreiben das Bewegungsverhalten nur näherungsweise und benötigen zum Beispiel aufgrund aufwändiger Topologieoptimierungen einen erhöhten Rechenaufwand, was eine einfache und schnelle Synthese erschwert. In dieser Masterarbeit wird mit Hilfe nichtlinearer Rechenmethoden großer Verformungen stabförmiger Strukturen eine Synthesemethode entwickelt und in Matlab und Python umgesetzt. Die Synthese wird auf die Position der Festkörpergelenke entlang einer vorgegebenen Stabachse beschränkt. Zur Überprüfung der Synthesemethode werden zunächst Variantenstudien für mögliche Gelenkpositionen dreier Mechanismen durchgeführt und deren Optimum im betrachteten Parameterbereich ermittelt. Anschließend wird eine Synthesemethode auf Basis nichtlinearer Optimierungsverfahren entwickelt. Die Gelenkpositionen der zuvor betrachteten Beispiele werden synthetisiert und mit den Ergebnissen der Variantenstudien verglichen, um die Synthesemethode zu verifizieren. Darauf aufbauend wird ein eigenständiges Python-basiertes PC-Programm zur Analyse und Synthese nachgiebiger Mechanismen umgesetzt welches durch eine grafische Benutzeroberfläche die Option bietet, nachgiebige Mechanismen, mit unterschiedlichen Randbedingungen, intuitiv aufzubauen und die Position der Festkörpergelenke zu optimieren. In der Benutzeroberfläche sind fünf verschiedene Gelenkkonturen zur Auswahl implementiert. Die gestalteten Mechanismen können schließlich mit richtungstreuen Kräften belastet werden um das Verformungsverhalten, sowie weitere wichtige elasto-kinematische Parameter zu analysieren. Anschließend kann die Position der einzelnen Festkörpergelenke synthetisiert und die optimale Lösung dargestellt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit und die intuitive Anwendbarkeit der grafischen Benutzeroberfläche vereinfachen die Synthese nachgiebiger Mechanismen und leisten so einen Beitrag zur schnelleren Erstellung nachgiebiger Mechanismen.



Platl, Vivien;
Modellbildung räumlicher freier Schwingungen von nachgiebigen Mechanismen. - Ilmenau. - 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Als nachgiebiger Mechanismus wird ein System bezeichnet, dessen Beweglichkeit vorrangig oder ausschließlich durch dessen Nachgiebigkeit bestimmt wird. Diese Nachgiebigkeit wird heutzutage nicht mehr nur als Nachteil aufgefasst, sondern wird in vielen Anwendungsbereichen gezielt eingesetzt. So gewinnen nachgiebige Mechanismen sowohl in der Forschung als auch in der Industrie zunehmend an Stellenwert. Während bei der statischen Analyse solcher Mechanismen in den letzten Jahren viele Fortschritte gemacht wurden, wurde das dynamische Verhalten bisher vergleichsweise wenig erforscht. Ziel dieser Masterarbeit ist es, die dynamische Analyse von nachgiebigen Mechanismen durch die Berechnung von Eigenfrequenzen voranzutreiben. Bisher ist deren Ermittlung nur mit zeitaufwändigen 3D-FEM-Simulationen oder über Starrkörpermodelle und Lagrange-Gleichungen möglich. Auf Basis einer analytischen Methode wird ein Algorithmus entwickelt, um die Berechnung der Eigenfrequenzen von nachgiebigen Mechanismen zu vereinfachen und zu beschleunigen. Es werden vollständige oder teilweise nachgiebige Mechanismen mit konzentrierter und/oder verteilter Nachgiebigkeit im dreidimensionalen Raum betrachtet. Das zu untersuchende System soll dabei aus einer beliebigen Anzahl an stabförmigen elastischen Segmenten zusammengesetzt sein, die miteinander verbunden und monolithisch gefertigt sind. Außerdem wird eine grafische Benutzeroberfläche entwickelt, die es ermöglichen soll, die Erstellung und die Berechnung des Systems möglichst zeiteffizient zu bewerkstelligen. Eine Verifizierung der Ergebnisse erfolgt durch 3D-FEM-Simulationen mit ANSYS Workbench und durch eine zusätzliche Validierung mit einem Experiment. Die Auswertung zeigt gute Übereinstimmungen mit den Referenzmodellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen eine verlässliche und effiziente Berechnung der Eigenfrequenzen und dient der Erleichterung weiterführender Arbeiten hinsichtlich der dynamischen Analyse von nachgiebigen Mechanismen.



Zhao, Chengwu;
Model-based investigation and optimization of the bending-torsion-stiffness ratio of flexure hinges. - Ilmenau. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken besitzen ein großes Anwendungspotenzial in der Präzisionstechnik aufgrund ihrer Vorteile gegenüber konventionellen Gelenken. In der praktischen Anwendung tritt neben der idealen reinen Biegebeanspruchung oftmals noch eine ungewollte Torsionsbeanspruchung auf. Dennoch wird die kombinierte Biege- und Torsionssteifigkeit von prismatischen Kerbgelenken in der Literatur selten betrachtet. Zudem ist die exakte analytische Berechnung der Torsionssteifigkeit anspruchsvoll. Diese Masterarbeit konzentriert sich auf die Untersuchung und Minimierung des Biege-Torsions-Steifigkeitsverhältnisses von Festkörpergelenken basierend auf FEM-Simulationen. Die Festkörpergelenke werden mit unterschiedlichen geometrischen Parametern und Kerbkonturen modelliert, insbesondere mit Polynomkonturen unterschiedlicher Ordnung. Es wird eine umfassende Parameterstudie mittels einer quasistatischen nichtlinearen 3D-FEM Simulation mit ANSYS Workbench durchgeführt. Die Minimierung des Biege-Torsions-Steifigkeitsverhältnisses basiert auf einer vollständigen Variantenstudie durch Variation der geometrischen Parameter und Konturen. Die FEM-Ergebnisse zeigen, dass die Gelenkbreite den größten Einfluss auf das Steifigkeitsverhältnis hat. Außerdem nimmt das Verhältnis mit zunehmender Gelenklänge und minimaler Höhe leicht zu. Zudem kann die Gelenkkontur gut zur Minimierung des Verhältnisses genutzt wurden. Unter allen Konturen hat die Polynomkontur 2. Ordnung in den meisten Fällen das kleinste Verhältnis, besonders für dünne Gelenke. Andererseits muss die Ordnung erhöht werden, um das kleinste Verhältnis für dicke Gelenke zu realisieren. Weiterhin wird in der Arbeit eine analytische Berechnung der Biege- und Torsionssteifigkeit mittels MATLAB durchgeführt. Der Vergleich zwischen den FEM- und den analytischen Ergebnisse zeigt, dass die Berechnung der Biegesteifigkeit sehr exakt möglich ist. Die analytisch berechnete Torsionssteifigkeit von Kerbgelenken hat jedoch große Abweichungen. Deswegen werden zwei generelle Korrekturgleichungen mit 4 bzw. 14 konturspezifischen Faktoren bestimmt, um die Genauigkeit der analytischen Berechnung der Torsionssteifigkeit zu verbessern. Somit kann die relative Gesamtabweichung zu den FEM-Ergebnissen mit unter 15.81 % signifikant reduziert werden.



Frisch, Andreas;
Mehrkörpersimulation eines neuartigen Kettenfahrzeuglaufwerks. - Ilmenau. - 170 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Diese Masterthesis behandelt die Untersuchung eines neuartigen Kettenfahrzeug-Laufwerks. Im Gegensatz zu konventionellen Kettenfahrzeug-Laufwerken, besitzt das hier betrachtete Laufwerk zwei Kettenmodule mit je zwei Antriebsrädern. In dieser Arbeit soll das Schwingungsverhalten sowie die Drehmomentverteilung untersucht werden. Die Untersuchung des Laufwerks erfolgt mittels Lagrange-Formalismus sowie der MKS-Software NX SimCenter 3D. Zunächst wird der Stand der Forschung in Bezug auf Kettenfahrzeug-Laufwerke und deren analytische Beschreibung mittels Lagrange näher erläutert. Im Anschluss daran werden wichtige Parameter des Kettenfahrzeuglaufwerks aufgenommen. Es wird die analytische Modellbildung mittels Lagrange-Formalismus folgen. Hierbei wird das Kettenfahrzeug-Laufwerk als Einmassenschwinger mit einem Massenträgheitsmoment beschrieben. Dieser wird hinsichtlich der Hub- sowie der Nickbewegung untersucht. Die Feder- und Dämpferelemente des vorderen Moduls werden zu jeweils einem Federdämpferbein zusammengefasst. Für das hintere Modul wird dies analog ausgeführt. Es werden jeweils das vordere und das hintere Federdämpferbein mittels Sinusfunktionen angeregt, um Unebenheiten des Untergrunds zu simulieren. Für die Modellbildung in NX SimCenter 3D werden sämtliche Bauteile des Laufwerks als Volumenkörper dargestellt. Diese werden mittels Drehgelenken, Schubgelenken und Federdämpferelementen gekoppelt. Die Ketten der jeweiligen Module werden mittels des Tools Discrete-Drivetrain modelliert. Die Federungs- sowie Dämpfungseffekte der Kette werden mittels des Befehls Buchse dargestellt. Für die Schwingungsanalyse wird das Laufwerkmodell mittels konstanten Geschwindigkeiten im Aufbau, den Laufrollen und den Antriebsrädern bewegt. Für die Drehmomentanalyse wird das vordere Antriebsrad mit einem linear ansteigenden Drehmoment angetrieben. Für die Parameterstudie für die Feder- sowie Dämpferparameter wird das analytische Modell verwendet. Hierbei werden die kritischen Geschwindigkeiten untersucht. Zudem wird der Amplitudenverlauf näher betrachtet. Für die Untersuchung der geometrischen Abmessungen wird die statische Vorspannung der Kette beleuchtet. Hierfür wird das Modell in NX SimCenter 3D verwendet. Es wird der Amplitudenverlauf der Nick- sowie der Hubbewegung analysiert. Im Anschluss wird die Geschwindigkeit des Laufwerks und die Geschwindigkeit des Antriebsrads in Bezug auf das aufgebrachte Drehmoment untersucht. Hierbei wird das Drehmoment untersucht, welches benötigt wird, um die Massenträgheit des Laufwerks zu überwinden und zu beschleunigen. Anhand der Ergebnisse der Parameterstudien werden die geforderten Feder- sowie Dämpferparameter für das Laufwerk abgeleitet. Weiterhin wird mittels der Drehmomentanalyse der Drehmomentbedarf des Laufwerks berechnet. Abschließend werden Forderungen für das Laufwerk und dessen Antrieb aufgestellt.



Denissel, Felix Arthur;
Untersuchungen zur Sensorisierung eines nachgiebigen Mechanismus mit Hilfe berührungsloser magnetischer Sensoren auf Basis analytischer und FEM Modellbildung. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Die Sensorisierung von nachgiebigen Mechanismen mit dem Ziel der Kraftüberwachung ist für viele Anwendungsbereiche wie bspw. die Medizin- und Robotertechnik interessant. Dabei erfüllt der nachgiebige Mechanismus neben seiner Hauptfunktion auch die Funktion der Kraftübertragung an die integrierte Sensorik. Eine Möglichkeit zur Erkennung der auf einen nachgiebigen Mechanismus wirkenden Kräfte stellt die Verwendung von berührungslosen Magnetfeldsensoren dar. In dieser Arbeit wird das Verformungsverhalten eines nachgiebigen Mechanismus am Beispiel einer Kunststoffmatratzenfeder analytisch mit Hilfe der Theorie großer Verformungen stabförmiger Strukturen beschrieben. Die Berechnungen werden numerisch in MATLAB durchgeführt woraufhin Ergebnisse für die Verschiebungen wichtiger Punkte ausgewertet werden. Die analytische Betrachtung erfolgt zunächst an einem kontinuierlichen, ebenen Modell der Matratzenfeder. Zudem wird das Modell um Verzweigungen erweitert um die Genauigkeit zu erhöhen. Anschließend werden die analytischen Betrachtungen auf Basis von nichtlinearen FEM-Simulationen validiert. Weiterhin werden analytische Berechnungen zur Magnetfeldverteilung von in die Matratzenfeder integrierten Dauermagneten mit Hilfe der Maxwell-Gleichungen durchgeführt und im Anschluss mit FEM-Simulationen in ANSYS Maxwell validiert. Abschließend werden Aussagen über benötigte Parameter von Magneten und Sensoren zur Ermittlung der wirkenden Kräfte getroffen sowie Sensorkennlinien für verschiedene Messachsen ermittelt.



Jahn, Hannes;
Nichtlineare Modellbildung und Parameterstudien stabförmiger Strukturen. - Ilmenau. - 82 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

Nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken gewinnen aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften zunehmend an Bedeutung. Ihre Verformung wird maßgeblich durch Biegung bestimmt, weshalb sie analytisch meist als Biegebalken auf Basis der Euler-Bernoulli-Balkentheorie modelliert werden. Mit dieser analytischen Betrachtung ohne Querkraftschub werden derzeit für schlanke Gelenke sehr gute Ergebnisse für das Verformungs- und Bewegungsverhalten im Vergleich zu 3D-FEM-Berechnungen erreicht. Bei breiten Gelenken entstehen größere Abweichungen, die in der Präzisionstechnik nicht mehr vernachlässigbar sind. In dieser Bachelorarbeit werden analytische Modelle anhand einer Parameterstudie mit FEM-Simulationen verglichen, um Empfehlungen für die Balkenmodellierung im Hinblick auf die Anwendung für Festkörpergelenke mit stark variierenden Abmessungen zu erarbeiten. Dabei wird die Balkengeometrie bei vorgegebener Länge in Höhe und Breite variiert. Untersucht werden sowohl linear als auch nichtlinear die Verschiebung, der Auslenkwinkel, die Dehnung und die Kraft. Für die analytische Beschreibung mit MATLAB wird die Theorie großer Verformungen stabförmiger Strukturen mit und ohne Berücksichtigung des Querkraftschubes verwendet. Für die simulative Beschreibung werden FEM-Modelle mit ANSYS Workbench erstellt. Die FEM-Berechnungen werden mit unterschiedlichen Elementtypen durchgeführt, um deren Einfluss auf die Ergebnisgrößen zu bestimmen. Darunter sind BEAM-, PLANE-, SHELL- und SOLID-Elemente. Zwischen den Elementtypen zeigen sich signifikante Unterschiede aufgrund der Modellannahmen. Basierend auf einem Ergebnisvergleich werden Faktoren, die zu Abweichungen zwischen den Modellen führen, identifiziert und Empfehlungen für die Berechnung in Abhängigkeit der Geometrie abgeleitet. Zusammenfassend wird gezeigt, dass im Vergleich zum geometrisch nichtlinearen 3D-FEM-Modell der verwendete nichtlineare analytische Ansatz in Abhängigkeit der Balkengeometrie exakte Ergebnisse ermöglicht. Dabei ist bei zunehmender Balkenhöhe allerdings der Querkraftschub zu berücksichtigen. Aufgrund von nicht mehr zu vernachlässigender Querkontraktion sind bei zunehmender Balkenbreite weiterhin zusätzliche Effekte der Plattentheorie mit einzubeziehen. Diese Aussagen haben auch bei der FEM-Simulation Gültigkeit, weshalb oftmals eine Reduzierung auf ein 2D-Modell mit Plane-Elementen zu empfehlen ist.



Taillard, Vincent;
Entwicklung und Untersuchung einer Sensorspitze auf Basis leitfähiger Silikone für stabförmige nachgiebige Aktuatoren. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer Sensorspitze auf Basis leitfähiger Silikone für einen stabförmigen Aktuator. Hierfür wurden verschiedene Prinzipien für eine Anordnung an der Spitze sowie für den Schaft entworfen und diese miteinander verglichen. Die bestbewertete Lösung wurde weiter mittels der FEM untersucht. An einem vereinfachten FE-Modell wurde der Einfluss geometrischer Größen auf den zu ermittelnden Kraftantrittswinkel untersucht. Gleiche Sensor-Ausgangsgrößen sind für einen Kraftangriffswinkel im Bereich von -62.5˚ bis +62,5˚ zu erwarten. Für die Herstellung der einzelnen Sensorik-Bauteile wurden Formwerkzeuge konzipiert. Für die Untersuchung der später herzustellenden Funktionsmuster wurde ein Vorschlag für einen möglichen Versuchsaufbau erbracht.



Kleinschroth, Max;
Modellbasierte und experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung der dreidimensionalen Verformung eines nachgiebigen Mechanismus mit Hilfe von Hall-Sensoren. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

In der vorliegenden Arbeit wird die dreidimensionale Verformung eines nachgiebigen Mechanismus mit nur einem einzelnen Hall-Sensor bestimmt. Herausfordernd ist dabei die Ermittlung der sechs Freiheitsgrade des vorliegenden Mechanismus aus lediglich drei Messwerten. Nach einer umfangreichen Einarbeitung in die Thematik wird zur Beschreibung des Verformungsverhaltens des nachgiebigen Mechanismus ein statisch-mechanisches Modell gebildet. Die Materialeigenschaften werden hierzu in Druckversuchen ermittelt. Zudem wird eine Analyse des Bewegungsvorgangs innerhalb der Versuche mit dem Motion-Tracking-Verfahren durchgeführt. Das statisch-mechanische Modell und die in den Druckversuchen festgestellte kritische Kraft werden genutzt, um den betrachteten Bewegungsbereich einzugrenzen. Ein geeigneter Magnet wird mit Hilfe eines magneto-statischen Modells gewählt, sodass im gesamten Bewegungsbereich eine ausreichende Magnetfeldstärke vorliegt. Ein Versuchsstand zur gezielten Einbringung von Verformungszuständen wird konzipiert und aufgebaut. Für die Auswertung und Speicherung der Messwerte des Sensors wird eine Anwendung mit grafischer Oberfläche programmiert. Die experimentellen Untersuchungen werden in eine punktuelle und eine kontinuierliche Aufnahme der Messwerte aufgeteilt. Bei der punktuellen Aufnahme kann jedem Messwert ein Verformungszustand zugeordnet werden, während bei der kontinuierlichen Aufnahme eine Geschwindigkeitsabhängigkeit der Messwerte geprüft werden kann. Die Bestimmung des Zusammenhangs zwischen der Verformung des nachgiebigen Mechanismus und den Messwerten erfolgt über verschiedene Kurvenanpassungen in MATLAB. Somit werden schließlich Modelle für den nachgiebigen Mechanismus und den genutzten Permanentmagneten mit bekannter Genauigkeit, ein funktioneller Zusammenhang zwischen den Messwerten und dem Verformungszustand des nachgiebigen Mechanismus sowie ein Programm mit grafischer Oberfläche zur Auswertung der Sensordaten erarbeitet.