Theses

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit dem Auswuchtvorgang von mehrteiligen Gelenkwellen. Nach einem Überblick über den aktuellen Stand der Technik folgen Betrachtungen der theoretischen Grundlagen zum Verständnis des Themenkomplexes des Auswuchtens. Da eine unwuchtbehaftete Gelenkwelle negative Auswirkungen auf den Fahrkomfort und die Lebensdauer benachbarter Baugruppen haben kann, ist der Auswuchtvorgang von entscheidender Bedeutung. Hierbei ist die zu erreichende Wuchtgüte von den verwendeten Gelenken abhängig. Zur Beurteilung des Auswuchtvorganges wird ein Simulationsmodell der Gelenkwelle mit dem MKS - Programm alaska erstellt und der Einfluss konstruktiver Parameter auf das dynamische Verhalten untersucht. Durch das Auftreten von Axialspiel eines Kreuzgelenks bzw. Radialspiel im Längenausgleich wird eine Unwucht der Gelenkwelle simuliert und jene Auswirkungen auf die Wuchtgüte in den Ausgleichsebenen untersucht. Neben der Variation jener Parameter erfolgt die Betrachtung des Einflusses der Lagersteifigkeit des Zwischenlagers einer zweiteiligen Gelenkwelle auf den Auswuchtvorgang. Anhand der Auswertung der Simulationsergebnisse werden Schlussfolgerungen getroffen, die für die Auswahl der Gelenke und das Ausmaß von Axial- bzw. Radialspiel von Bedeutung sind.

Diese Bachelor-Arbeit zeigt den Entwicklungsprozess der Umstrukturierung des "ExAUV-NHRI" des Fraunhofer IOSB-AST. Das Fahrzeug wird zuerst klassifiziert und in seinem Status Quo beschrieben. Zudem werden aufgetretene Fehler aufgenommen. Danach werden Grundlagen erklärt, die für die Umgestaltung des ROVs nötig sind. Grundlagen sollen hierbei der Begriff Trimmung, die Herangehensweise an den Prozess der Trimmung und die Berechnung dieser sein. Das Fahrzeug wird größtenteils druckneutral gestaltet. Daher wird zunächst Druckneutralität erläutert. Es werden die verschiedenen Arten aufgezeigt, die diesen Zustand herstellen. Dann werden Vor- sowie Nachteile aufgezählt und gewertet. Es müssen zudem die Folgen für das Gesamtfahrzeug erläutert werden. Zentrale Themen dieser Arbeit sind die Neukonstruktion der Antenne und die Neukonstruktion des Trimmsystems. Es wird eine verkürzte Version des entwicklungsmethodischen Ansatzes der TU Ilmenau verwendet. Bei beiden Konstruktionen werden technische Prinzipe entwickelt und verglichen. Es folgen Lösungssynthesen mit der Auswahl der endgültigen Gestalt. Es werden zudem Änderungen, die im Laufe der Bearbeitungszeit getroffen wurden, begründet. Sie zeigen den iterativen Konstruktionsprozess und die Vernetzung der einzelnen Bauteile untereinander. Das Ergebnis ist eine vollständige und tiefgreifende Abstimmung der Teilkomponenten untereinander sowie mit dem Gesamtfahrzeug.

Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit frequenzabhängiger Materialdämpfung in Balken. Hierzu werden frei und erzwungene Biegeschwingungen von Balken aus Stahl und Aluminium untersucht. Im Grundlagenteil werden Dämpfungsphänomene und Modelle vorgestellt. Der Schwerpunkt wird auf die in ANSYS verfügbaren Beschreibungsformen gelegt. Es folgt die analytische Betrachtung eines gedämpften Ein-Massen-Schwingers, um den Einfluss viskoser Reibung nachzuvollziehen und typische Effekte zu wiederholen. Anschließend werden die experimentellen Aufbauten, Messverfahren und gewonnenen Ergebnisse beschrieben. Dämpfungswerte werden aus Ausschwingvorgängen und aus Frequenz-Amplituden-Verläufen der zu erzwungenen Schwingungen angeregten Balken bestimmt. Dazu wurde ein elektromagnetischer Schwingungserreger benutzt. Die ermittelten Werte liegen deutlich über den Materialdämpfungswerten aus der Literatur. Grund hierfür ist die starke Fügestellendämpfung an der nicht idealen Einspannung. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit Werten, die durch FE-Simulationen ermittelt wurden verglichen. Dabei kamen verschiedene Dämpfungsmodelle zum Einsatz.

Bei der Entwicklung taktiler Messsysteme zur Umgebungserkennung dient häufig die sog. Vibrisse (Tasthhaar) von Säugetieren als Vorbild. In zahlreichen Forschungsarbeiten zu diesem Thema sind die Vibrissen als gerader, zylindrischer oder konischer Stab modelliert. Die Tatsache, dass in der Natur Vibrissen grundsätzlich vorgekrümmt sind, wird in den meisten Fällen vernachlässigt. In dieser Arbeit liegt der Fokus der Betrachtungen auf der Vorkrümmung der Vibrissen, wobei besonders auf die Anwendung der Vibrissen bei der Objektabtastung eingegangen wird. Es werden zunächst die Spannungs- und Verformungsgleichungen für den vorgekrümmten Stab anhand der sog. Winkler-Bach-Theorie hergeleitet. Weiterhin wird gezeigt, dass für gewisse Grenzfälle die Gleichungen erheblich vereinfacht werden können. Anschließend erfolgt ein Vergleich mit bisher durchgeführten Untersuchungen zu vorgekrümmten Stäben bzw. technischen Vibrissen. Dabei werden Forschungsergebnisse vor allem im Bereich der Objektabtastung präsentiert, welche später als Orientierung für die durchgeführten Untersuchungen dienen. Um die Eigenschaften des vorgekrümmten Stabes besonders im Vergleich zum geraden Stab herauszuarbeiten, werden daraufhin eingehende Untersuchungen zum statischen Biegeverhalten vorgekrümmter Stäbe durchgeführt. Es werden Parameter wie Art und Richtung des Kraftangriffes, Betrag der Kraft, Art der Lagerung und Größe der Stabvorkrümmung variiert. Weiterhin wird die konkrete Anwendung vorgekrümmter Stäbe bei der Objektabtastung untersucht. Dabei werden mehrere Simulationen durchgeführt, bei denen verschieden vorgekrümmte, einseitig eingespannte, technische Vibrissen durch die Verschiebung der Einspannstelle an unterschiedlich geformten, konvexen Profilen entlangstreichen. Anhand der ermittelten Lagerreaktionen und der Position der Einspannstelle (Observablen) können die Profile rekonstruiert werden. Dabei wird grundsätzlich sowohl mit Vibrissen konstanter, als auch variabler Krümmung gearbeitet. Es wird gezeigt, dass bei geeigneter Wahl eines variablen Krümmungsradius der Abtastvorgang optimiert werden kann. Darauf aufbauend werden Experimente/Messungen an einem Versuchsstand zu Abtastvorgängen mit verschieden vorgekrümmten Vibrissen durchgeführt. Abschließend wird ausblickshaft auf das Schwingungsverhalten unterschiedlich vorgekrümmter Stäbe eingegangen. Dabei werden die Eigenfrequenzen zum einen für "natürlich" vorgekrümmte Stäbe und zum anderen für gerade Stäbe, die durch äußere Belastungen vorgespannt (und damit vorgekrümmt) sind, bestimmt. Hier erfolgt jeweils der Vergleich mit einer FEM-Simulation.

In der vorliegenden Bachelorarbeit wird nach einer Regelungsstrategie gesucht, mit deren Hilfe die auf einen Sensor wirkende Erregung gemessen und identifiziert werden kann. Der Sensor wird durch ein mechanisches System in Form eines Feder-Masse-Dämpfer-Schwingers mit Freiheitsgrad 2 und indirekter Erregung über das Gehäuse modelliert. Die Sensoreigenschaften werden den aus der Natur stammenden Eigenschaften von Mechanorezeptoren nachempfunden, welche ihre Reaktion den aus der Umgebung einwirkenden Reizen anpassen können. Aus diesem Grund werden adaptive Reglerverstärkungen in dieser Arbeit verwendet. Während sich nicht ändernder Erregungen soll der Sensor weiterhin Änderungen in der Umgebung wahrnehmen und Absolutwerte identifizieren können. Zusätzlich soll er möglichst universell einsetzbar sein und einen möglichst geringen Wert des Verstärkungsfaktors benötigen. Zunächst werden bereits bestehende Regelungsstrategien zusammengetragen, untersucht und modifziert. Anschließend werden diese auf ein Sensorsystem des Freiheitsgrads 1 angewendet. Dies erfolgt über eine Simulationsstudie mithilfe der Software "MatLab", in dem das Sensorsystem mit allen Regelungsvarianten implementiert wird. Die sich als am wirkungsvollsten erweisenden Regelungsstrategien werden auf das System mit Freiheitsgrad 2 angewendet. Die Regler mit den besten Ergebnissen zur Identifikation von Bodenerregungen werden zum Schluss auf ihr Langzeitverhalten, sowie ihre Reaktion auf verschiedene Erregungsformen und zufällig gewählte Systemparameter erfolgreich und leistungsstark geprüft.

Die Arbeit umfasst die Analyse des Aufbaus und der Funktion eines Fettsensors, Recherche zum Stand der Technik und die Entwicklung einer adaptiven Regelungsstrategie. Diese wird in MATLAB umgesetzt und empirische Auswertungen zur Kalibrierung anhand von Ergebnissen aus Simulationen bestimmen die Festlegung der einstellbaren Parameter.

Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Synthese neuer passiver Konzepte zur Reduktion von mechanischen Drehschwingungen in Kraftfahrzeugantriebssträngen, die durch die Drehungleichförmigkeit des Verbrennungsmotors hervorgerufen werden.

Der Abgasturbolader ist ein effektives Mittel zur Leistungssteigerung und für Downsizing von Verbrennungsmotoren. Aufgrund der hohen Abgastemperatur unterliegt er auch im normalen Betrieb einer hohen thermomechanischen zyklischen Beanspruchung, wodurch Risse am Turbinengehäuse entstehen können. Bedingt durch immer kürzer werdende Entwicklungszeiten soll die Identifizierung rissgefährdeter Bereiche bereits im konstruktiven Entwurfsprozess erfolgen. Die hierfür notwendigen theoretischen Untersuchungen sind aktuell mit einem großen Zeitaufwand verbunden und liefern häufig Ergebnisse mit nicht zufriedenstellender Qualität. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Masterarbeit zunächst eine Literaturrecherche zur Rissbildung sowie Rissausbreitung durchgeführt. Anschliessend wurden transiente thermisch-mechanische nichtlineare FE-Analysen an einem Abgastrakt durchgeführt, mit welchen Aussagen über mögliche Rissstellen im Turbinengehäuse getroffen werden können. Abschließend wurden Betrachtungen zur Optimierung der Simulation durch Reduzierung der Berechnungsdauer durchgeführt.

Die Bachelorarbeit beschreibt den Konstruktiven Entwicklungsprozess eines fixierbaren Stativarmes mit Gewichtsausgleich und Freiheitsgrad 6 zum Tragen einer aktiven Robotereinheit. Dazu sind geeignete kinematische Strukturen anhand der Anforderungsliste bewertet und ausgewählt worden, der Arbeitsraum konnte über zeichnerische Verfahren eingegrenzt werden. Zur Auswahl der durch Gewichtskraftkompensation entlasteten Gelenke ist das mechanische Modell des Stativarmes hinsichtlich der auftretenden lageabhängigen Belastungen berechnet worden. Prinzipe für Gewichtsausgleich und Fixierung wurden erörtert und für die Anwendung dimensioniert. Dabei konnte eine nahezu vollständige Gewichtsentlastung mit passiven Bauelementen für eine übliche Lage des Stativarmes über einen großen Arbeitsbereich erreicht werden. Aus dem Konstruktiven Entwicklungsprozess ging ein CAD-Entwurf hervor, sodass im nächsten Schritt die Schnittstellen zu umgebenden Baugruppen gestaltet werden können.

Ausgehend vom biologischen Vorbild, dem Regenwurm, wird in der vorliegenden Arbeit zunächst ein mechanisches Modell und daraus anschließend das mathematische Berechnungsmodell abgeleitet. Dieses Modell besteht aus diskreten Massepunkten, die durch masselos angenommene Feder-Dämpfer-Aktor-Elemente miteinander verbunden sind. An jedem Massepunkt sind Spikes befestigt, die ein Zurückrutschen verhindern und somit nur eine Fortbewegungsrichtung zulassen. Die gerichtete Vorwärtsbewegung, in Form einer peristalltischen Bewegung, des Wurmroboters entsteht durch das Zusammenwirken der Abstützung der Spikes gegenüber dem Untergrund und den vorgegebenen Längenänderungen der Feder-Dämpfer-Aktor-Elemente und damit der Abstände der Massepunkte zueinander. Die Art und Weise der Änderung der Massepunktsabstände wird durch Referenztrajektorien beschrieben. Aufgabe der adaptiven Regelung ist es, durch das Aufbringen von Stellkräften die realen Massepunktsabstände den Referenztrajektorien nachzuführen. Ausgehend von einem gegebenen Programmgerüst wird die Reglerstruktur zunächst von PD auf PID erweitert. Aus Parameterstudien wird ein optimaler PID-Regler ermittelt, der als Grundlage für die im weiteren Verlauf neu entwickelten Regelungskonzepte genutzt wird. Die Trichter-Regelung, die Regelung mittels Differenzenquotient und Time Delay und die Regelung mit nicht-klassischem Feedback werden in der vorliegenden Arbeit erstmals für den speziellen Einsatz und die direkte Anwendung auf den wurmartigen Roboter implementiert. Die Erweiterung teilweise bestehender Regelungsansätze und die Durchführung von Parameterstudien bilden den Hauptteil der Arbeit. Die Simulationsergebnisse der als optimale Parametersätze bestimmten Einstellungen der jeweiligen Reglertypen werden hinsichtlich ihrer Reglerdynamik und ihres Einflusses auf das Gesamtsystem miteinander verglichen. Weitere Simulationen untersuchen das Verhalten der verschiedenen Regler beim Wechsel des Fortbewegungsmusters, da ein solcher Wechsel als Reaktion auf die Änderung bestimmter Umwelteinfüsse sinnvoll und notwendig ist, um Beschädigungen am Roboter oder Beeinträchtigungen in dessen Funktion zu vermeiden. Es werden ebenfalls Simulationen mit Kombinationen der neu implementierten Regelungen durchgeführt, die Hinweise darüber geben, ob und wie sich verschiedene Regelkonzepte aufeinander auswirken. Alle Simulationen werden mit Hilfe einer, in MATLAB programmierten, GUI durchgeführt, in der sowohl die Wurmparameter wie auch die Regelungsparameter beliebig einstellbar sind.