Entwicklung eines Prüfstandes zur Messung von Reibungskräften zwischen vibrierenden Oberflächen. - Ilmenau. - 112 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Gleitreibung entsteht bei der Berührung zweier sich relativ zueinander bewegender Körper. Sie ist eine Eigenschaft, die in technischen Systemen häufig nachteilig ist und reduziert werden soll. Typische Methoden zur Reibungsreduzierung sind die Variation der Materialpaarung sowie der Einsatz von Schmiermitteln. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Reibkraft ist die hochfrequente mechanische Anregung der Reibpartner, die virbrationsinduzierte Reibungsreduzierung. Durch diese Technik kann die Reibung vermindert und in Grenzen gesteuert werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Prüfstand zur Messung von Reibungskräften zwischen vibrierenden Oberflächen entwickelt. Die Konzeption beinhaltet die Erstellung einer Anforderungsliste und die Betrachtung verschiedener Auslegungsvarianten. Weiterhin erfolgt die Auslegung potenziell kritischer Stellen und die Fertigung des Versuchsaufbaus. Nach der Inbetriebnahme erfolgt die Justierung, um das angestrebte Betriebsverhalten der konstruierten Führung des Prüfstandes zu realisieren. Mit Hilfe des Prüfstandes werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Abhängigkeit der Reibungsreduktion von festgelegten Parametern durchgeführt. Im Anschluss erfolgen die Auswertung der aufgenommenen Messwerte, Interpretation, Dokumentation und Fehlerbetrachtung. Es konnte gezeigt werden, dass eine Reibungsreduktion von bis zu 90 % für die untersuchten Parameter möglich.
Aufbau und Inbetriebnahme eines Prüfstandes zur Untersuchung des Haftkontaktes bei unterschiedlichen Kontaktflächen. - Ilmenau. - 49 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Als physikalisches Phänomen, welches Wissenschaftler schon seit Jahrhunderten beschäftigt, ist die Reibung bis heute nicht vollständig analysiert. Vor ca. 200 Jahren leistete Charles Augistin Coulomb, mit dem nach ihm benannten Gesetz, einen bahnbrechenden Beitrag zum Verständnis der Reibung. Noch heute findet seine Formel zur Berechnung von Reibungskräften Anwendung, wenn auch klar ist, dass sie Werte liefert, die nur in erster Näherung korrekt sind. Denn durch Untersuchungen aus der Tribologie ist bekannt, dass die Reibungskraft von Größe oder Beschaffenheit einer Oberfläche abhängig ist. Da Coulomb von dem Gegenteil ausgegangen ist, spiegelt seine Formel lediglich die Materialpaarung des Reibvorgangs wider und geht auf keinerlei Abhängigkeiten der Reibungskraft von den Parametern der Oberfläche ein. Aus diesem Grund ist das Ziel dieser Arbeit die Untersuchung der Einflüsse von Art bzw. Größe der Kontaktfläche und deren Beschaffenheit auf die auftretende Haftreibungskraft während eines Reibversuches. Die Reibversuche basieren auf dem Prinzip des Reibschwingers, welcher auch analytisch betrachtet wurde. Zur Durchführung der Reibversuche und der Messung der Haftreibungskraft wurde ein Prüfstand realisiert. Dieser umfasst zwei voneinander unabhängige Messsysteme, ein Fließband zur Ausführung der Reibversuche und ein Koppelelement zur Verwendung verschiedener Prüflinge. Außerdem wurde eine Software zur Durchführung der Messungen und zur Weiterverarbeitung sowie Auswertung der Messwerte entwickelt. Die Untersuchungen einiger Prüflinge ergaben, dass die Variation von Art und Form der Kontaktfläche deutlichen Einfluss auf die übertragbare Haftreibungskraft hat. Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss verschiedener Parameter der Kontaktfläche auf die übertragbare Kraft nachgewiesen und der Grundstein für weitere Untersuchungen gelegt werden.
Non-linear beam theory in context of bio-inspired sensing of flows. - Ilmenau. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Die folgende Arbeit ist ein Teil eines Forschungsprojekts, das Vibrissen-inspirierte Tastsensoren für Objekt- und Strömungserkennung zu analyzieren versucht. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines technischen und mathematischen Modells für Objekterkennung unter dem Einfluss einer Strömung. Dazu wird ein mechanisches Modell auf Basis der nicht-linearen Euler-Bernoulli Biegungstheorie entwickelt. Das Modell enthält Hauptmerkmale, die in einer natürlichen Vibrisse gefunden werden, z.B. intrinsische Vorkrümmung, die Veränderung des Querschnitts, elastische Lagerung. Diese Hauptmerkmale werden als Parameter des Modells dargestellt. Das Modell wird dann einer Kontakt- und einer Strömungsbelastung ausgesetzt, die durch eine konzentrierte Kraft und eine verteilte Kraft repräsentiert werden. Dann wird das Modell in eine dimensionslose Form für weitere Untersuchungen transformiert. Eine Variation der Größe dieser Lasten, sowie die Vibrissen-Parameter wird analysiert. Eine direkte numerische Näherung durch das Finite-Differenzen-Verfahren wird zusammen mit dem Schießverfahren verwendet, um eine Lösung für das Modell zu erhalten. Danach soll der Kontaktvorgang zwischen Objekt und Vibrisse simuliert werden. Dabei wird ein quasi-statisches Vorbeiziehen der Vibrisse an der Objektkontur betrachtet, während die Lagerreaktionen bestimmt und aufgezeichnet werden. Diese Prozedur wird dann in Kombination einer Strömungsbelastung wiederholt, die eine Strömung simulieren soll. Es werden zwei Arten von Kontaktphasen identifiziert und die Bedingungen für jede Gruppe festgelegt. Schließlich werden die gemessenen Größen verwendet, um die Größe der Strömungskraft zu bestimmen und die Profilkontur der Oberfläche zu rekonstruieren. Das entwickelte Modell wird wieder für die Rekonstruktion verwendet, eine Analyse der Observablen wird vorgenommen, um zu identifizieren und vorherzusagen, in welcher Kontaktphase die Vibrisse ist. Die Ergebnisse zeigen eine erfolgreiche Identifikation der Fluidströmungsbelastung sowie eine Rekonstruktion des Profils, die Differenz zwischen dem rekonstruierten Profil und dem Originalprofil wird dann als ein Maß für die Rekonstruktionsqualität berechnet.
Entwicklung und Konstruktion von Sensoren basierend auf magneto-sensitiven Elastomeren. - Ilmenau. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Grundlagen für die Entwicklung von adaptiven Sensorsystemen auf der Basis von magneto-sensitiven Elastomeren zu erarbeiten. Diese Klasse von funktionellen Materialien zeichnet sich dadurch aus, dass ihre mechanischen Eigenschaften durch magnetische Felder wesentlich beeinflusst werden können. Zunächst wurde der Stand der Technik zu magneto-sensitiven Elastomeren, Beschleunigungs- und Magnetfeldsensoren recherchiert und analysiert. Die Beeinflussbarkeit der mechanischen Eigenschaften von Elastomeren mit weich- und hartmagnetischen Partikeln wurde anhand von Ausschwingversuchen im homogenen Magnetfeld untersucht. Aus den Messergebnissen wurden die erste Eigenfrequenz, der effektive Elastizitätsmodul und der Dämpfungsgrad für magnetische Flussdichten zwischen 0 und 60 mT ermittelt. Des Weiteren wurde ein Beschleunigungssensor mit einer Adaptivität von Messbereich und Sensitivität unter Ausnutzung der Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften von magneto-sensitiven Elastomeren durch ein äußeres Magnetfeld entwickelt und konstruiert. Zur Messung der Auslenkung der seismischen Masse wird die durch diese hervorgerufene Magnetfeldänderung, welche durch einen entsprechenden Magnetfeldsensor detektiert wird, genutzt. Es wurden zunächst eine Anforderungsliste und die Hauptfunktion des Sensors erstellt. Aufbauend auf einer Funktionsstruktur wurden für die Funktionselemente "Magnetfelderzeugung", "Federung und seismische Masse", "Dämpfung" und "Magnetfeldsensor" verschiedene Lösungsprinzipe anhand einer morphologischen Matrix aufgezeigt. Diese wurden mithilfe geeigneter Bewertungskriterien gegenübergestellt sowie Vor- und Nachteile für deren Verwendung herausgearbeitet. Auf dieser Grundlage wurden drei Sensorkonzepte in Form von technischen Prinzipen erstellt. Anhand eines Bewertungssystems mit gewichteten Bewertungskriterien wurde ein technisches Prinzip zur weiteren Betrachtung ausgewählt. Das Schwingungssystem und das ausgewählte Prinzip zur Magnetfelderzeugung wurden auf Basis analytischer Betrachtungen dimensioniert. Weiterhin wurde ein Magnetfeldsensor ausgewählt und der Beschleunigungssensor konstruktiv umgesetzt. Die Anordnung des Magnetfeldsensors relativ zur seismischen Masse aus magneto-sensitivem Elastomer geht aus experimentellen Untersuchungen hervor. Der entworfene Beschleunigungssensor besteht aus einem Schwingungssystem aus magneto-sensitivem Elastomer mit weichmagnetischen Partikeln, dessen Steifigkeit durch das Magnetfeld einer Helmholtzspulenanordnung angepasst werden kann. Die Auslenkung der seismischen Masse wird mittels Hall-Sensor anhand proportionaler Magnetfeldänderungen detektiert. Das Sensorsystem liegt als technischer Entwurf mit 3D-CAD-Dateien, Zusammenbauzeichnung und Stückliste vor.
Analyse autonomer und heteronomer, nichtlinearer Differentialgleichungssysteme bei der Objektabtastung durch taktile Sensoren. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Modell eines taktilen, stiftführenden Sensors, mit dem Objekte mit streng konvexer, stetig differenzierbarer Umrissfunktion durch rotatorisches Scannen rekonstruiert werden können. Der Sensor ist durch Tasthaare, wie sie viele Säugetiere besitzen, inspiriert. Als Modell dient ein langer, schlanker Biegebalken mit kreisrundem Durchmesser, konstantem Flächenträgheitsmoment und konstantem Elastizitätsmodul, der durch ein Festlager gelagert ist. Das rotatorische Scannen wird durch ein Moment in der Lagerung gesteuert und läuft quasi-statisch ab. Zuerst wird das autonome Differentialgleichungssystem, welches die Verformung des Balkens beschreibt, hergeleitet und alle Größen dimensionalisiert. Danach werden Aussagen über Existenz und Eindeutigkeit von Anfangswert- und Randwertproblemen vorgestellt. Zur Lösung des autonomen Differentialgleichungssystems sind zwei Methoden denkbar: Methode 1 nutzt das Schießverfahren, um drei Unbekannte zu erhalten, bei Methode 2 wird durch analytische Betrachtungen vorab die Anzahl der Unbekannten verringert, sodass nur eine Unbekannte mit Hilfe des Schießverfahrens ermittelt werden muss. Beim rotatorischen Scannen wird zwischen Spitzenkontakt (Phase A) und Tangentialkontakt (Phase B) des Balkens mit dem Objekt unterschieden. Bei Spitzenkontakt werden Formeln für $x(\varphi)$, $y(\varphi)$ und Kraft $F$, bei Tangentialkontakt Formeln für $x(s)$, $y(s)$, $F$ und das Bogenmaß $s_1$, an dem der Kontakt stattfindet, hergeleitet. Dabei entstehen Elliptische Integrale, die in Kombinationen aus Elliptischen Integralen 1. Art und 2. Art überführt werden. Damit kann für beide Phasen der Kontaktpunkt zwischen Balken und Objekt bestimmt werden. Für die Rekonstruktion des Objekts mit Hilfe der Randbedingungen an die Lagerung und die Lagerreaktionen selbst, das bedeutet mit den Größen, die einem Tier mit Vibrissen beim Objektabtasten zur Verfügung stehen würden, wird eine Formel hergeleitet, mit der entschieden werden kann, ob sich der Balken in Phase A oder Phase B befindet. Bei quasi-statischer Rotation des Balkens kann so eine Folge von Kontaktpunkten bestimmt werden, welche die Umrissfunktion des Objekts approximiert. Zum Schluss werden Simulationen mit einem Matlab-Programm zur Rekonstruktion verschiedener Umrisse durchgeführt.
Aufbau eines Prüfstandes zur Ermittlung der mechanischen Parameter von Elastomerelementen mit Erarbeitung von Vorschlägen für die Messdurchführung und -auswertung. - Ilmenau. - 128 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Das Trennergebnis in Zentrifugen wird durch Vibrationen beeinträchtigt. Diese können beim Anfahr- und Bremsvorgang, und dem damit verbundenen Durchlaufen von Resonanzfrequenzen, auftreten. Ziel ist es, die Schwingamplituden mit texturierten Elastomerflächen, die aufeinander reiben, zu dämpfen. Dafür wird ein Kontaktmodell benötigt, mit dem es möglich ist, das Schwingungsverhalten von Zentrifugen in einer Mehrkörpersimulationsumgebung abzubilden. Flächenhafte Kontakte von zwei texturierten Elastomerkörpern sind nach Stand der Technik nicht berechenbar. Aus diesem Grund wird ein Prüfstand benötigt, der es ermöglicht die mechanischen Kontakteigenschaften messtechnisch zu bestimmen, bevor sich diese Eigenschaften in die Parameter für ein Kontaktmodell überführen lassen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Schwingprüfstands mit dem die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Dämpfung von aufeinander reibenden, texturierten Elastomerflächen erfasst werden können. Mit dem Prüfstand ist es möglich, das Kontaktverhalten messtechnisch nicht nur mit verschiedenen Dämpfungsfaktoren, sondern auch in den drei Schwingzuständen, unterkritisch, überkritisch sowie in Resonanz aufzuzeichnen. Weiterhin ist es möglich den Einfluss der Normalkraft, der Kontaktgeschwindigkeit und des Kontaktwegs zu untersuchen. Darüber hinaus wird die Kontaktmodellbildung für ein 3 - Parameter - Modell beschrieben und Vorschläge für die Messdurchführung und Auswertung, in Anlehnung an Normen für Prüfverfahren von Elastomeren bei erzwungener Schwingung, sowohl außerhalb als auch im Resonanzbereich dargelegt.
Entwurf und Aufbau eines Differentialantriebsmoduls. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Differentialantriebsmoduls für einen kleinen mobilen Roboter. Das Modul soll über einen Motor verfügen der zwei Räder antreibt und drehbar in ein Roboterchassis integrierbar sein. Zur Ausrichtung des Moduls soll eine variable Drehzahldifferenz zwischen den Rädern hergestellt werden. Dazu werden drei mögliche Antriebsprinzipe in Form von technischen Prinzipen entworfen und vorgestellt. Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse wird ein Prinzip ausgewählt und zu einem konkretisierten Entwurf weiterentwickelt. Auf Basis dieses Entwurfs wird ein Mehrkörpersimulationsmodell entwickelt. Anschließend werden Fahrversuche mit dem einzelnen Modul und abschließen mit drei drehbar in einem Chassis gelagerten Modulen unternommen.
Untersuchung der Wirkung von Metallkissen zur Schwingungsbeeinflussung in senkrecht stehenden elastisch gelagerten Rotorsystemen. - 119 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Wirkverhaltens von Ganzmetallkissen (GMK), die zur Optimierung des Schwingungsverhaltens in senkrecht stehenden, elastisch gelagerten Rotorsystemen verwendet werden. Die GMK werden durch ein Umformverfahren aus einem Chrom-Nickel-Stahldraht hergestellt. Für die Analyse des Schwingungsverhaltens der GMK werden zunächst die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeits- und Dämpfungscharakteristik untersucht. Hierfür werden statische und dynamische Messungen mittels ausgewählter Prüfvorrichtungen durchgeführt und diskutiert. Danach wird ein Mehrkörper-Modell der GMK erstellt und deren dynamisches Verhalten simuliert. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und Schlussfolgerungen für den Einsatz der GMK in Rotorsystemen abgeleitet.
Erweiterung eines nichtlinearen FE-Berechnungsalgorithmus zur Formfindung von Tensegrity-Strukturen. - 180 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Formfindung von Tensegrity-Strukturen unter Nutzung der Finiten-Elemente-Methode nach der geometrisch nichtlinearen Theorie. Es werden die theoretischen Grundlagen für die Anwendung von massebehafteten Stab- und Balkenelementen, sowie von Mischstrukturen dieser Elementtypen dargestellt. Anschließend erfolgt die Implementierung der Finiten Elemente zur Verifizierung der zuvor getroffenen Erkenntnisse. Zuletzt wird ein bestehender Algorithmus zur Formfindung von Tensegrity-Strukturen um die betrachteten Elementtypen und -eigenschaften erweitert und anhand verschiedener praktischer Beispiele untersucht. Die Implementierungen erfolgen in MATLAB, zur Verifizierung der Ergebnisgrößen wird die kommerzielle Software Mechanical APDL von ANSYS genutzt.
Analyse und Optimierung eines Schwingungsprüfstandsaufbau für bewegliche Heckspoiler. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse und Optimierung eines Schwingungsprüfstands für bewegliche Heckspoilermodule. Der Prüfstand dient zur Absicherung der Betriebsfestigkeit und soll besonders in frühen Entwicklungsphasen die Erprobung der Komponente im Gesamtfahrzeug substituieren. In einer früheren Arbeit wurden die Schädigungen am Montageträger des Moduls auf dem Prüfstand und im Fahrversuch verglichen. Der Vergleich zeigte, dass die Schädigungshöhen und -verteilungen nicht übereinstimmen. Zur Identifizierung der Ursache werden in dieser Arbeit mögliche Optimierungspotentiale hinsichtlich des Versuchsaufbaus am Prüfstand, des dynamischen Verhaltens der Komponente und der Anregungsmethodik untersucht. Dies geschieht durch die modale Analyse des Prüfgestells und des Heckspoilers, die Spektrographie des Fahrsignals und die bandpassgefilterte Rainflow-Zählung der Dehnungen im Fahrversuch. Mithilfe der hieraus gewonnen Erkenntnisse werden Maßnahmen zur Optimierung abgeleitet und erprobt. Eine bessere Überdeckung des Schadensbildes am Montageträger wird durch die Erstellung eines neuen Anregungssignals und die Erweiterung des Prüfumfangs realisiert. Die hierbei erwartete Prüfdauer ist kürzer als die bisher vorgesehene Zeit. Eine abschließende Validierung der Ergebnisse muss über eine vollständige Betriebsfestigkeitsprüfung erfolgen.