Studienabschlussarbeiten

Für die anspruchsvollsten Aufgaben in Messgeräten in der Kraftmesstechnik gehören Festkörpergelenke in nachgiebigen Mechanismen zu den leistungsbestimmenden Bestandteilen. Um die mechanischen Eigenschaften von Geräten wie Wägezellen zu verbessern, ist die genaue Modellierung von Festkörpergelenke wesentlich. Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit konzentriert sich auf die Modellierung des mechanischen Verhaltens eines einzelnen Festkörpergelenkes, das geometrischen Abweichungen und nicht idealen Lastbedingungen wie sie in Wägezellen auftreten unterliegt. Das betrachtete Gelenk hat eine Halbkreiskontour und eine große Breite im Vergleich zu seiner minimalen Kerbhöhe. Diese Geometrie wird mit der Finite-Elemente-Methode modelliert. Anforderungen für eine vertrauenswürdige und effiziente Berechnung werden unter Berücksichtigung geometrischer Abweichungen für spätere parametrische Untersuchungen erarbeitet. Analytische Gleichungen aus der Literatur werden mit numerischen Ergebnissen verglichen, um die Gültigkeit ihrer Annahmen bezüglich dünner Gelenke zu überprüfen. Das Modell wird verwendet, um die Abweichung der Drehsteifigkeit in nicht idealen Festkörpergelenken zu untersuchen. Quellen der Abweichungen wird identifiziert und durch Parameter beschrieben. Der Wertebereich für jeden Parameter wird aufgrund der zu erwartenden Abweichungen von typischerweise anwendbaren Fertigungsverfahren bestimmt. Einflussreiche Parameter werden durch eine Sensitivitätsanalyse ermittelt. Die Auswirkung der Lasteinleitung wird im Zusammenhang mit der Anwendung in Wägezellen untersucht. Zur Verbesserung der Gesamtempfindlichkeit kann die Steifigkeit der Festkörpergelenke reduziert werden. Eine Option, die Änderung der Geometrie durch Hinzufügen eines Streifens in der Mitte des Festkörpergelenks, wird im Vergleich zu bestehenden analytischen Gleichungen untersucht. Die Auswirkungen von Bodenneigungen für ein einzeln belastetes Festkörpergelenk werden als Grundlage für die zukünftige Modellierung eines neigungunempfindlichen Zustands der Wägezelle untersucht (autostatischer Zustand). Durch das Einstellung der vertikalen Lage des Schwerpunktes des Hebels kann die Neigungsempfindlichkeit theoretisch vollständig beseitigt werden. Ein Ansatz, um die Position für diesen Zustand zu finden, wird unter Berücksichtigung der numerischen Begrenzungen der Finite-Elemente-Modellierung vorgestellt. Mit Hilfe dieses Ansatzes wird die Variation der gesuchten Position für verschiedene Werte der Designparameter ausgewertet.

Festkörpergelenke und nachgiebige Mechanismen finden aufgrund ihrer Vorzüge vielfältig Einsatz in Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Präzision des Bewegungsverhaltens. Bei der Synthese und Optimierung von Mechanismen kann auf eine Vielzahl von Richtlinien auf Basis von Starrkörpermodellen zurückgegriffen werden. Diese bilden jedoch die Eigenschaften von nachgiebigen Mechanismen nicht ausreichend gut ab. Die auftretenden Abweichungen resultieren zum Teil aus den Eigenschaften von Festkörpergelenken und können die Bewegungsbahn bzw. den Bewegungsbereich des Mechanismus beeinflussen. Für eine Verbesserung der Synthese ist daher die genauere Beschreibung und Untersuchung von Festkörpergelenken und nachgiebigen Mechanismen sowie deren Umsetzung in einheitliche Syntheserichtlinien notwendig. Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Synthese eines monolithischen Positioniersystems zur Erzeugung einer rotatorischen Freiheit mit einem Bewegungsbereich von ±2˚. Hierfür wird ein im Starrkörpermodell vorliegender viergliedriger Mechanismus durch einen vollständig nachgiebigen Mechanismus mit Festkörpergelenken ersetzt. Zunächst erfolgt eine Analyse, Optimierung und Bewertung von Mechanismen im Starrkörpermodell, die grundsätzlich zur Erzeugung einer präzisen Rotation in Frage kommen. Die zwei Mechanismen mit den kleinsten Momentanpolverschiebungen - eine gleichläufige Antiparallelkurbel und ein gleichschenkliger durchschlagender Mechanismus in einer stabilen Lage - werden anschließend als nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken mit Polynomkontur umgesetzt. Daraufhin werden verschiedene konstruktive Einflüsse auf deren Bewegungsverhalten mittels Finite-Elemente-Methode simuliert. Im Anschluss daran erfolgt ein Vergleich der Ergebnisse mit den zugrundeliegenden Starrkörpermodellen sowie mit zwei nachgiebigen Einzelgelenken, deren Bewegungsverhalten als Referenz dient.

Auf Grundlage einer Kupplungsdruckplatte eines international tätigen Automobilzulieferers wurde in dieser Bachelorthesis eine neue Verstelleinheit zur Verschleißnachstellung entwickelt. Diese Kupplungsdruckplatte stellt weggesteuert Verschleiß der Kupplungsscheiben nach. Seit der Markteinführung dieses Produkts haben sich einige Schwachstellen gezeigt. Eine ist in der Aufgabenstellung dargelegt. Des Weiteren wurden im Zuge dieser Arbeit zwei weitere Schwachstellen gefunden. Zur Beseitigung war ein neues Antriebskonzept zu ermitteln und auszuarbeiten. Um festzustellen, welche Konzepte bereits verwendet werden oder bereits ausgearbeitet wurden, wurde eine Patentrecherche betrieben. Zur Gliederung der Erkenntnisse wurde ein Konstruktionskatalog erarbeitet. Dieser unterteilt jede Antriebsart in ihre elementaren Bestandteile. Bei Betrachtung der möglichen Konzepte unter den Aspekten der Anforderungsliste fällt auf, dass lediglich ein einziges Konzept die Aufgabenstellung erfüllt. Im konstruktiven Teil dieser Arbeit wurden die zusätzlich benötigten Bauteile gestaltet und sowohl analytisch als auch mittels FEM berechnet. Bei einigen war es notwendig, aus einer Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten die technisch beste Variante mittels Nutzwertanalyse zu finden. Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine Verschleißnachstellung, die alle anfänglichen Anforderungen erfüllt. Bei theoretischer Betrachtung hinsichtlich Funktion sowie Kosten stellt sie eine konkurrenzfähige Alternative zum Stand der Technik dar. Für praktische Tests wurde als Abschluss dieser Thesis ein Prototyp gefertigt.

Nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken werden aufgrund ihrer Vorteile oft für Applikationen mit hohen Präzisionsansprüchen genutzt. Zur Synthese nachgiebiger Mechanismen existieren im Vergleich zu Starrkörpermechanismen wenige Richtlinien. Dabei sind Syntheserichtlinien für den schnellen und effizienten Einsatz von nachgiebigen Mechanismen für den Anwendungsfall, z. B. als Positioniersystem, notwendig. In der vorliegenden Masterarbeit erfolgt eine skalenübergreifende Betrachtung für die Synthese nachgiebiger Mechanismen. Es werden die Eigenschaften von Festkörpergelenken und nachgiebigen Mechanismen bei Skalierung ihrer geometrischen Merkmale untersucht. Ziel ist es vor allem, Kenntnis über das Bewegungsverhalten skalierter nachgiebiger Mechanismen zu gewinnen. Hierzu wird eine Übersicht der Einflüsse geometrischer Skalierung erarbeitet. Es werden Festkörpergelenke mit Halbkreis-, Viertelkreis- und Polynomkontur für die Untersuchung verwendet. Die Untersuchung eines nachgiebigen Mechanismus erfolgt am Beispiel des Starrkörpermechanismus einer Parallelkurbel, welche in einen nachgiebigen Mechanismus überführt wird. Dazu werden die Gelenke des Starrkörpermechanismus durch Festkörpergelenke ersetzt. Die Eingangsgröße ist eine eingeleitete Verschiebung in die Systeme. Diese wird mitskaliert, um die Ergebnisse vergleichen zu können. Als Ausgangsgrößen werden beispielsweise Verschiebungen und Kräfte sowie Steifigkeiten und Maximaldehnungen betrachtet. Die geometrische Skalierung wird mit den Faktoren 0,1 bis 2 durchgeführt, wobei die Miniaturisierung im Fokus steht. Anschließend erfolgt eine simulative Untersuchung der Modelle mittels Finite-Elemente-Methode. Die analytischen Ergebnisse aus vorangegangener Modellbetrachtung werden bestätigt. Zur Validierung der Ergebnisse der Finite-Elemente-Methode-Simulationen wird ein Prüfstand aufgebaut. Bestandteile sind unter anderem Zweistrahl-Interferometer sowie Wägezelle zur Messung von Verschiebungen und Kraftreaktion. Zur messtechnischen Untersuchung werden die mittels Drahterosion gefertigten Prototypen in den Prüfstand eingespannt. Anhand der Messergebnisse für die gefertigten Prototypen werden die Ergebnisse der Finite-Elemente-Methode-Simulationen validiert.

Die Abschlussarbeit mit dem Thema "Getriebegehäuse mit integrierter Getriebe-Motoren-Kopplung für einen Kleinleistungsantrieb" beschäftigt sich mit der Entwicklung eines in einem Getriebegehäuse integrierten Bajonettverschlusses und seinen dazugehörigen Funktionsgruppen für einen Kleinleistungsantrieb. Neben dem Bajonettverschluss sollten dabei eine steckbare Kupplung, ein Sicherungsmechanismus und eine Dichtung entsprechend einer simultanen Funktionserfüllung ausgelegt werden. Für die Realisierung der Funktionsgruppen wurde eine Abwägung von Lösungsprinzipien anhand entscheidungsgebender Kriterien durchgeführt und die am besten geeigneten Prinzipien wahrgenommen. Gehäuse- und Bajonettkomponenten sollten als Zinkdruckgussteile hergestellt werden und nicht spanend nachbearbeitet werden. Der Bajonettverschluss wurde deshalb auf Einflüsse prozessresultierender Toleranzen hinsichtlich Geometrie und Funktionalität untersucht. Anhand vereinfachter Berechnungsmodelle und Funktionstests eines ersten Entwurfes, wurde eine Optimierung des Bajonettverschlusses durchgeführt. Mithilfe einer FEM Simulation wurden außerdem Spannungen und Verformungen untersucht und mit den Ergebnissen verglichen. Für die Passungen an den Lagersitzen des Gehäuses wurde eine kalibrierfähige Geometrie und damit verbundene Randbedingungen erarbeitet. Anhand der in der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse wurde ein funktionstüchtiger Prototyp der Gesamtbaugruppe inklusive Getriebe gefertigt und zusammengebaut.