Studienabschlussarbeiten

Eine Kraftfahrzeug-Sitzstruktur stellt eine wichtige Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Fahrer dar. Der wachsende Wettbewerb und die Anforderungen von Kunden verlangen nach stetiger Verbesserung, Weiterentwicklung und Innovationen. Wesentliche Aufgabe bei der Konstruktion neuer Sitze ist das Erzielen von leichteren und effizienteren Strukturen im Einklang mit dem geforderten Komfort und der notwendigen Sicherheit im Fahrzeug. Dabei wird großer Wert darauf gelegt, kürzere Entwicklungszeiten zu erreichen und Kosten zu senken. Konventionelle Gelenke bestehen in der Regel aus zwei oder mehr Bauteilen, die in einer Gelenkachse relativ zueinander beweglich verbunden sind. Festkörpergelenke hingegen bieten aufgrund des Stoffschlusses mit gezielter geometrischer Schwächung die Möglichkeit, Bewegungen innerhalb eines Körpers zu gewährleisten und damit Material und Montageschritte einzusparen. Unter diesen Gesichtspunkten soll die Anwendung von Festkörpergelenken und nachgiebigen Mechanismen in Sitzstrukturen untersucht werden. Zentrales Ziel ist dabei die Konstruktion eines ausgewählten Mechanismus. Zunächst werden wichtige Definitionen zur Thematik und ein Überblick über die Anwendung von Mechanismen in Kraftfahrzeug-Sitzstrukturen gegeben. Daraufhin werden wichtige Berechnungsgrundlagen zur Beschreibung des Bewegungsverhaltens von Festkörpergelenken geliefert, mit denen die Hauptfaktoren für die Auslegung von nachgiebigen Mechanismen erörtert werden. Dabei kommen verschiedene Berechnungsmethoden zum Einsatz, deren jeweilige Eignung analysiert wird. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird ein konkreter Mechanismus ausgewählt anhand dessen die Abwandlung des konventionellen Systems zu einen nachgiebigen Mechanismus demonstriert wird. Dazu wird das bestehende System zuerst bezüglich seiner Bewegungsbahnen und Gelenkreaktionen analysiert. Weiterhin werden Berechnungen zum nachgiebigen Mechanismus vorgestellt. Die Auslegung wird daraufhin durch die Erstellung eines Funktionsmusters überprüft. Abschließend werden anhand der gewonnenen Erkenntnisse Auslegungsempfehlungen geliefert, die für zukünftige Auslegungen als Dimensionierungshilfe dienen.

Die Bedeutung von nachgiebigen Koppelmechanismen nimmt in den Bereichen der Feinwerktechnik und Mikrotechnik stetig zu. Die Konjunktur dieses Mechanismentyps ist vor allem mit dessen Vorteilen wie Spielfreiheit, Wartungsfreiheit, Kosteneffizienz etc. zu begründen. Der wichtigste Bestandteil derartiger Mechanismen ist das stoffschlüssige Gelenk, auch bekannt als Festkörpergelenk. Dieser Gelenktyp ersetzt in den genannten Branchen mehr und mehr das konventionelle Drehgelenk. Allerdings weicht die Drehachsenlage von Festkörpergelenken von ihrer ursprünglichen Position bei Auslenkung des Mechanismus ab. Dieser Sachverhalt wird als Drehachsenverlagerung bezeichnet und erschwert besonders die kinematische Analyse und Auslegung von nachgiebigen Mechanismen. Um dennoch das kinematische Verhalten des Mechanismus bestimmen zu können, ist die Kenntnis über die momentane Lage oder die Minimierung der Drehachsenverlagerung notwendig. In dieser Arbeit werden verschiedene Einflüsse auf die Drehachsenverlagerung, wie z. B. die konstruktive Gestaltung des Mechanismus und dessen Belastung, analytisch untersucht. Anhand der Ergebnisse werden Kennlinien, Nomogramme sowie algebraische Gleichungen erzeugt, mit deren Hilfe die Verlagerung der Drehachse direkt ermittelt werden kann. Somit wird der Zugang für weitere Untersuchungen bezüglich der Drehachsenverlagerung erleichtert. Zusätzlich werden aus den Ergebnissen Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion bzw. Ableitung eines nachgiebigen Mechanismus aus dem zugrunde liegenden Starrkörpermechanismus abgeleitet, mit deren Anwendung die resultierende Drehachsenverlagerung verringert und somit die Bahngenauigkeit des Mechanismus erhöht wird.

Die langen, seitlich abstehenden Tasthaare im Schnauzbereich von Säugetieren werden als mystaziale Makrovibrissen bezeichnet. Sie wachsen einzeln in speziellen Follikeln und werden in der Haut von einer mit Blut gefülltem Kapsel umschlossen. Diese Lagerung wird Follikel-Sinus-Komplex genannt und ist mit verschiedenen Muskeln verbunden, welche die Schnurrhaare in Schwingungen versetzen können ("Whiskerbewegung"). Da die Vibrisse in der Natur als Tastsinnesorgan benutzt wird, sieht man sie auch als biologisches Vorbild für taktile Sensoren. In der vorliegenden Arbeit wird eine mechanische Vibrisse als starrer Stab modelliert, der drehbar gelagert ist und an dessen Ende sich ein paramagnetischer Körper befindet. Die viskoelastische Lagerung wird mit einem Ferrofluid nachgebildet. Um die Vibrisse in Bewegung zu versetzen, soll die magnetische Kraft auf den Körper genutzt werden, welche mit einem äußeren Magnetfeld im Ferrofluid erzeugt werden kann. Es erfolgen sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen der Kraftwirkung in Abhängigkeit der äußeren Magnetfeldstärke sowie Volumen und Form des Körpers im Ferrofluid. Die quantitative Analyse zeigt, dass die Stärke der Kraft in erster Linie vom Volumen des Körpers abhängt und weniger von der Form. Die numerische Berechnung liefert trotz vereinfachender Annahmen eine gute Annäherung an die im Experiment gemessenen Werte.

In der vorliegenden Bachelor-Arbeit werden die Energiesätze von Castigliano und Menabrea aus der analytischen Mechanik sowie deren Anwendung auf Beispiele aus dem Maschinenbau behandelt. Zu Beginn der Arbeit wird die Herleitung der beiden Energiesätze nachvollzogen. Hierbei werden die vereinfachenden Annahmen getroffen, dass keine schiefe Biegung auftritt und der Querkraftschub vernachlässigt werden kann. Für die Herleitung wird der Zusammenhang zwischen Formänderungsarbeit / -energie, Kraft, Weg und Spannung in die Sätze von Castigliano und Menabrea eingesetzt. Die Formeln werden anschließend so umgeformt, dass sie in der Praxis einfach anzuwenden sind. Anhand immer komplexer werdender Beispielaufgaben wird die Anwendung der Energiesätze demonstriert. Hierbei wird auf übliche Vorgehensweisen und typische Fehler eingegangen. Im folgenden Kapitel wird die schiefe Biegung in die Theorie mit einbezogen. Die Formeln werden um die notwendigen Terme erweitert und in einigen Beispielaufgaben angewendet. Alle Erfahrungen und Ratschläge, die in der bisherigen Arbeit enthalten sind, werden im nächsten Kapitel in Form einer umfassenden Anleitung zusammengefasst. Diese dient als Grundlage für alle folgenden Aufgaben der Aufgabensammlung. Abschließend werden ausgewählte, symbolische Lösungen mit Zahlenwerten hinterlegt und mit Ergebnissen der kommerziellen Berechnungssoftware "Ansys" verglichen und verifiziert.

Die Masterarbeit beschreibt die Entwicklung eines Miniatur-Gewebemanipulators für den Einsatz unter CT/MRT Bedingungen. Dazu wurde eine grundlegende Betrachtung geeigneter kinematischer Strukturen mit besonderem Augenmerk auf die erreichbaren und geschickten Arbeitsräume durchgeführt. Die werkstofflichen Anforderungen einer radiologiegerechten Gestaltung waren aus Betrachtungen der Verfahren Computertomographie und Magnetresonanztomographie abzuleiten. Zur Fertigung der aktiven und passiven Bestandteile des Manipulators ist in Entwurf und Auslegung vorrangig auf generative Verfahren eingegangen worden. Es wurde ein Testmodell gebaut, das mit einem Wechselsystem für unterschiedliche Werkzeuge ausgestattet ist. Exemplarisch sind zu Testzwecken zwei Greifer entworfen und gefertigt worden. Das Modell gestattet die manuelle Bedienung des Manipulatorsystems in seinen Bewegungsbereichen.

Gegenstand der Arbeit ist die Erweiterung eines Finite-Elemente-Modells des Luftfederdämpfers in Abaqus sowie die Erstellung eines MKS-Gesamtfahrzeugmodells für die spätere Integration. Unter anderem werden MKS-Modelle in der Automobilindustrie zur Simulation und Auslegung von Fahrwerkseigenschaften eingesetzt. Die Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Fahrwerkskomponenten wie etwa Federung und Dämpfung steht im Vordergrund. Ein neuer Ansatz, in Form eines Luftfederdämpfers, nutzt das Medium Luft sowohl für Federungs- als auch Dämpfungseigenschaften. Um eine realitätsnahe Modellierung des Luftfederdämpfers in Abaqus zu erzielen, wurden in einem bereits bestehenden FE-Modell Druckbegrenzungsventil und Kolbenkonturierung berücksichtigt. Simulationen wurden sowohl an der Komponente Luftfederdämpfer als auch am generierten MKS-Gesamtfahrzeugmodell vorgenommen. Der Fokus der Untersuchungen galt dem Systemverhalten des Luftfederdämpfers, insbesondere der Auswirkungen auf das Gesamtfahrzeugmodell. Die Validierung erfolgte anhand vereinfachter, dynamischer Anregungen. Zur Beurteilung der Ergebnisse dienten ein Komponentenmodell des Luftfederdämpfers sowie ein Viertelfahrzeugmodell, die die wesentlichen Funktionen mit hinreichender Genauigkeit abbilden. Die Ergebnisse werden als Grundlage weiterer Untersuchen herangezogen, beispielsweise ist das harshness-Verhalten des Gesamtfahrzeugmodells zu nennen.

In dieser Arbeit wird die approximative Berechnung des Eigenkreisfrequenz-Spektrums biegeschwingender Balken unter Voraussetzung der Euler Bernoulli-Theorie und der Timoshenko-Balkentheorie betrachtet. All diesen Berechnungen liegt das Modell eines einseitig eingespannten Balkens zu Grunde. Hierbei soll ermittelt werden, wie die exakte Eigenkreisfrequenz am besten zu nähern ist und in wie weit Variationen der Parameter möglich sind, um das Ergebnis möglichst genau zu nähern, ohne dabei langwierige Berechnungsabläufe vollführen zu müssen. Dabei werden zuerst Untersuchungen an Längsschwingern durchgeführt. Es wird dabei ermittelt, welche Herangehensweise sich eignet, um das Mehrmassensystem zu beschreiben. Dies geschieht, indem als Ausgangslage die exakten Eigenkreisfrequenzen berechnet werden, um diese dann mit den verschiedenen Näherungen zu vergleichen. Die Näherungen bestehen aus unterschiedliche Verteilungsarten der Massen im Bezug auf die Stablänge. Dementsprechend entstehen unterschiedliche Federsteifigkeiten und Lagen der Massepunkte. Anschließend werden Biegeschwingungen betrachtet, bei welchen ebenfalls als Grundlage die exakten Eigenkreisfrequenzen berechnet werden, um diese dann mit den Näherungen zu vergleichen. Bei den Näherungen erfolgt die Verteilung anhand von vorgegebenen Funktionen. Ziel ist es, die Näherungsverfahren zu verifizieren, um eine Grundlage zu legen für die Näherung von komplexen Systemen. Als Grundgedanke dieser Arbeit ist der Gedanke die Vibrisse von Tieren (z.B.: Ratten oder Robben), welche ein komplexes Gebilde ist und mit Blutsäcken unter der Haut gesteuert wird, mittels eines technischen Modells darzustellen.

Diese Arbeit befasst sich mit der FE-Berechnung des von der Uhde Inventa-Fischer AG patentierten DISCAGE®-Reaktors sowie des sich anschließenden Vakuumsystems, zur Herstellung von Polymeren. Hierzu sind zunächst theoretische Grundlagen zur Spannungskategorisierung und zu den Stoffgesetzen näher erläutert. Danach werden die einzelnen Komponenten des zu berechneten Systems detailliert beschrieben. Im vierten Gliederungspunkt der Arbeit wird auf die Modellerstellung im CAD sowie im FEM eingegangen. Die Ergebnisse der FEM Berechnung werden im fünften Gliederungspunkt ausgewertet. Hierzu erfolgen zunächst eine Spannungsauswertung der einzelnen Lastfälle sowie eine Analyse der vorliegenden Stutzenlasten. Im letzen Teil werden die Kernaussagen der Arbeit zusammenfassend dargestellt. Für weiterführende Analysen können die an das System angekoppelten Leitungen in die Betrachtung einbezogen werden. Des Weiteren können zusätzliche Lastfälle berechnet werden, welche speziell auf den jeweiligen Standort des Systems ausgerichtet sind.

Zur Unterstützung und Begleitung hilfsbedürftiger Menschen im eigenen Zuhause wurde eine mobile Indoor-Roboterplattform entwickelt. Der bisher in der Plattform verwendete Radantrieb ist für glatte und harte Bodenbeläge ausgelegt und zeigt Schwächen bei der Überwindung kleinerer Hindernisse im häuslichen Bereich wie Schwellen, Teppiche usw. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Entwicklung eines Kettenantriebs zur Erfüllung der besonderen Anforderungen der geplanten Anwendung und zur Verbesserung der Fahreigenschaften. Zu diesem Zweck wurden zunächst Anforderungsliste und Funktionsstruktur erstellt. Auf dieser Basis ist eine umfangreiche Untersuchung des Standes der Technik inklusive Patentrecherche erfolgt. Die aus der Analyse gewonnenen Erkenntnisse wurden im Rahmen der Ideenfindung für den Kettenantrieb verarbeitet und mit Hilfe des Morphologischen Kastens in Form einer funktionellen Betrachtung übersichtlich dargestellt. Die aus einer qualitativen Bewertung hervorgegangenen Vorzugslösungen wurden zu einem geeigneten und in die bestehende Plattform integrierbaren Konzept kombiniert, das als CAD-Modell umgesetzt wurde. Damit ist ein Kettenantrieb entstanden, der die an das System gestellten Anforderungen erfüllt, Hindernisse überwinden kann und Verbesserungen im Fahrverhalten zeigt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Simulation der Schwingungen des Maschinenfundamentes bei Präzisionsmaschinen. Als Vorbild für die Modellbildung dient die Nanopositioniermaschine der Technischen Universität Ilmenau. Nach einer Literaturrecherche zum Thema Modellierung, Fundament und Mehrkörpersimulation werden die Grundlagen, die für diese Arbeit notwendig sind, erklärt. Die Simulation und die Erstellung des Modells erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird das Fundament auf Federelementen gegenüber dem Boden gelagert. Dabei soll geklärt werden, welche Aufstellung, welche Anzahl und welcher Federtyp für die Lagerung des Fundamentes am besten geeignet ist. Nachdem diese Punkte geklärt sind, wird das vollständige Modell und die Erkenntnisse, die durch die Simulationen gewonnen worden sind, erklärt. Dabei ist die Frage zu klären, wie die Bewegungssteuerung des Positioniersystems umzusetzen ist. Im Anschluß an die Zusammenfassung der Ergebnisse folgt ein Kapitel zur Optimierung der Modellerstellung und Erstellen von xml-Dateien.