Studienabschlussarbeiten

Das fahrdynamische Verhalten eines Fahrzeuggespanns bestehend aus PKW und Anhänger wird durch das Wirken von mechanischen Koppelkräften beeinflusst. Diese Koppelkräfte beeinflussen maßgeblich sicherheitskritische Fahrsituationen, wie das Aufschaukeln der Fahrezeugkombination oder das Einknicken bei extremen Bremsmanövern. Aufgrund von nicht alltäglichem Gebrauch, können viele Fahrer*innen das Verhalten des Fahrzeuggespanns in Gefahrensituationen nicht antizipieren und dementsprechend handeln. Durch den Entwicklungstrend von Elektrifizierung von Fahrzeugen und Effizienzsteigerung von Antrieben, werden neue Einheiten von Anhängern entwickelt, die eigene Antriebe oder Rekuperationsvorrichtungen besitzen. Daraufhin wird die Fahrdynamik des Fahrzeuggespanns zusätzlich mit weiteren fahrdynamischen Eigenschaften beeinflusst. Aufgrund mangelnder Möglichkeiten die Koppelkräfte zu messen, soll zu diesem Zweck ein Koppelkraftaufnehmer zur Messung der Koppelkräfte entwickelt und dessen Messarme optimiert werden. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst das zu Grunde liegende Ersatzmodell des Biegebalkens aus der Technischen Mechanik erläutert. Anhand des Modells wurde eine erste grobe Abschätzung der Verformung der Messarme vorgenommen. Weiterhin wurden die Grundlagen der Materialermüdung und deren Einflussfaktoren behandelt. Aufgrund der konstruktiven Diskrepanz zwischen den echten Messarmen und dem Ersatzmodell wurde im nächsten Schritt die FEM-Simulation angewendet und die nötigen Kenntnisse erläutert. Im Zusammenhang wurde das Originalmodell des Koppelkraftaufnehmers beschrieben. Daraufhin wurde auf die Anforderungen an die Fähigkeiten des Aufnehmers und dessen technischen Spezifikationen eingegangen, die auf einer gesetzlichen Richtlinie basieren. Im Zuge der Durchführung wurde der Koppelkraftaufnehmer Studien zur FE-Netzuntersuchung und Genauigkeit der Ergebnisse anhand drei konstruierten Varianten des Koppelkraftaufnehmers unterzogen. Im Kontext der Auswertung stellte sich die dritte Variante des Aufnehmers als geeigneteste Variante heraus, denn diese Variante erlangte die höchste Lebensdauer und größte Dehnung in der Messtelle. Desweiteren wurde ein Pareto-Optimum zwischen der Ergebnisgenauigkeit von FEM-Belastungssimulationen und dessen Rechenaufwand gefunden.

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.

Thermosensitive Elastomere (TSE) sind Verbundwerkstoffe, deren Materialeigenschaften durch Temperaturveränderung gezielt beeinflusst werden können. Das in dieser Bachelorarbeit verwendete TSE-Material besteht aus einer nachgiebigen Silikon-Matrix als Basis, in der thermoplastische Polycaprolacton-Partikel (PCL) eingebettet sind. Der Gegenstand dieser Arbeit sind weiterführende Untersuchungen der mechanischen Materialeigenschaften von TSE-Proben mit verschiedenen PCL-Konzentrationen. Kernpunkt sind die Messung des Einflusses der Temperatur auf das Zug-Druck-Verhalten und die Schwingungseigenschaften sowie die Nutzbarkeit des materialspezifischen Shape-Memory-Effektes (SME). Die Versuche bestätigen das temperaturabhängige Materialverhalten im Bereich des Schmelzpunktes von PCL zwischen 58 ˚C - 60 ˚C. In diesem Temperaturbereich wurde eine Reduzierung des Spannungs-Dehnungs-Verlaufs um bis zu 50 % sowie eine Veränderung von Dämpfung und Resonanz festgestellt, was auf das Schmelzen der PCL-Partikel zurückgeführt werden kann. Der SME ermöglicht formvariable plastische Verformung des TSE Materials (z.B. Längenänderung, Krümmung, Formeinprägung) durch temporäres Erhitzen der Proben. Der Effekt ist reversibel, wiederholbar und bietet großes Anwendungspotential, welches in einem ersten Greifer-Demonstrator angedeutet wird.

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.

Zur Kontrolle und Minderung niederfrequenter Turmbiegeschwingungen von Windenergieanlagen werden u.a. gedämpfte passive Tilger eingesetzt, deren Dämpfungselement durch einen trockenen Reibdämpfer realisiert ist. Im Rahmen der im Hause Wölfel Engineering GmbH + Co. KG angefertigten Bachelorarbeit, wird das Reibverhalten der im Tilger verwendeten Reibpaarung experimentell untersucht sowie ein zur Nachbildung des Reibverhaltens geeignetes Reibmodell ausgewählt. Anschließend werden drei verschiedene Reibmodelle, das ausgewählte Reibmodell sowie das Coulomb-Modell und das lineare Dämpfermodell, zur Beschreibung des Reibverhaltens eingesetzt und das Schwingungsverhalten des gedämpften passiven Tilgers in Simulink simuliert. So kann eingeschätzt werden, in welchem Umfang sich auch einfache Reibmodelle zur Nachbildung trockener Festkörperreibung eignen, wenn weniger das Reibverhalten selbst, als das daraus resultierende Schwingungsverhalten des Tilgers interessiert.

Bei der Herstellung von Sandwichbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen in Kombination mit Honigwaben kann es zu verschiedenen Bauteilfehlern kommen. Mit Hilfe von Prozesssimulationen kann das Risiko möglicher Fehlstellen bereits vor der Bauteilherstellung bewertet werden. Um das Materialverhalten realitätsgetreu in der Simulation abbilden zu können, werden neben den mechanischen Kennwerten der Materialien auch die tribologischen Eigenschaften benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Reibverhalten zwischen Sandwichkern und Deckschicht in die Simulation eingearbeitet werden. Dafür sollen bereits vorhandene Reibwerte in Abhängigkeit der relevanten Prozessparameter ausgewertet und anschließend ein Modell in der Simulationssoftware ABAQUSTM entworfen werden. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit Testbauteilen soll zur Validierung der Simulation erfolgen. Bereits vorhandene Reibwerte werden in Abhängigkeit der verschiedenen Einflussfaktoren ausgewertet. Mit Hilfe modellfreier Kinetik wird die Aushärtekinetik des Epoxidfilmklebers FM300 bestimmt und darauf aufbauend ein athematisches Modell zur Beschreibung der Viskosität entworfen. Zur Berechnung des Reibwertes aus den Viskositäten des Epoxidfilmekleber FM300 vom Hersteller Solvay und des Harzes des Prepregs M18 vom Hersteller Hexcel wird ein Reibmodell aufgebaut. Mit Hilfe einer UFIELD Subroutine wird das Modell in die Simulationssoftware Abaqus integriert und ein Abgleich sowie eine Bewertung der Simulation mit Hilfe von Testbauteilen durchgeführt. Zur besseren Darstellung des Wabeneinfalls wird die Dehnung des Prepregs mit Hilfe einer Vorrichtung aufgenommen und die Ergebnisse in die Simulation integriert. Erste Annahmen über die Ursache und die verschiedenen Einflüsse auf den Wabeneinfall konnten getroffen werden. Die modellfreie Kinetik des Epoxidfilmklebers FM300 ermöglicht näherungsweise die Bestimmung der Viskosität und kann für beliebige Zyklen verwendet werden. Die Stärke des Wabeneinfalls kann in Abhängigkeit des Härtungszyklus, der Orientierung von Fasern und Honigwabe, der Anzahl an Lagen FM300 und des Schrägenwinkels der Wabe in der Simulation dargestellt werden. Erste Aussagen über das Auftreten des Wabeneinfalls können auf diese Weise bereits in der Bauteilentwicklungsphase getroffen und Maßnahmen zur Reduzierung des Einfalls bewertet werden.

Magneto-sensitive Elastomere (MSE) sind sogenannte "intelligente Materialien", deren mechanische und magnetische Eigenschaften durch äußeres Magnetfeld beeinflusst werden können. Infolgedessen kann dieses Material an die Aktoren und Sensoren mit einstellbarer Sensitivität eingesetzt werden. In dieser Masterarbeit wird die Möglichkeit der sensorischen Anwendung von MSE untersucht. Das Ziel der Arbeit ist es, ein Prototyp eines Beschleunigungssensors mit magnetisch einstellbarer Sensitivität für die Messung externer mechanischer Erregung zu entwickeln. Die Steifigkeitsänderung von MSE wird durch ein externes Magnetfeld von der Helmholtz-Spule erreicht. Während der Biegeschwingungen von MSE-Körper wird die Magnetfeldänderung mit Hallsensoren detektiert. Der Einfluss von Magnetfeld auf das Schwingungsverhalten von MSE wird untersucht. Darüber hinaus wird auch die Beziehung zwischen der Schwingung des MSEs und den von ihr verursachten Magnetfeldänderungen untersucht.

Technische Systeme sind meist in kontrollierten Umgebungsbedingungen im Einsatz. Sollte sich ein solches System jedoch in freier Natur befinden, so ist es den Naturgewalten schutzlos ausgesetzt. Regen, Schnee und Wind sind dabei nur geringe Belastungen im Vergleich zu Erdbeben oder Fluten. Um auch unter Extrembedingungen eine Energieversorgung zu gewährleisten ist es für elektrische Generatoren relevant diese Lasten zu berücksichtigen. Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, eine Validierung der Ölversorgung eines Generators im Phasenschieberbetrieb für die am Aufstellungsort geltenden Umgebungsbedingungen durchzuführen. Dabei werden die aus den Umgebungsbedingungen resultierenden Belastungen auf die Baugruppen zusammengetragen und nach entsprechenden Regelwerken in berechenbare Größen überführt. Diese Lasten werden dann zu Lastkombinationen zusammengefasst und auf die Baugruppen angewendet. Um die Auswirkungen zu ermitteln werden verschiedene Rechenmethoden verwendet. Die dominierende Methodik ist eine Auswertung der Spannungen mittels Finite Elemente Methoden in einer rechnergestützten Anwendung. Das Ergebnis der Betrachtungen ist, dass die Konstruktion den Umgebungsbedingungen in allen Lastkombinationen standhält. Da die Berechnung einen rein theoretischen Hintergrund mit konservativen Annahmen besitzt, kann mit einer Abweichung der real auftretenden Spannungen und Verformungen gerechnet werden. Diese Differenzen werden mit ausreichend großen Reserven, sowie Sicherheitsfaktoren in der Ausnutzung berücksichtigt.

Magnetorheologische Fluide sind Suspensionen aus einem Öl und mikrometergroßen magnetischen Partikeln. Unter dem Einfluss von Magnetfeldern ändern sie unter anderem ihre rheologischen Eigenschaften. Die folgende Arbeit befasst sich mit Aktoren, die mithilfe solcher Flüssigkeiten, Schwingungen in gleichgerichtete Bewegungen umwandeln, sowie mit der Entwicklung eines Systems zur Umwandlung von Schwingungen in eine Linearbewegung. Zunächst wird eine Einführung in den Stand der Technik gegeben. Anschließend werden die bestehenden MR-Antriebe beschrieben und die Vor- und Nachteile erläutert. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen des magnetischen Feldes und die Einflüsse auf das magnetorheologische Material. Im weiteren Verlauf werden die verschiedenen Entwicklungsschritte und Berechnungen vorgestellt, die zu einem Entwurf und zu einem Prototyp geführt haben. Weiterhin erfolgt eine Beschreibung des ersten Funktionstests und die Veröffentlichung der Testergebnisse.

Die vorliegende Arbeit hat ihren Ursprung in den Algorithmen und Ansätzen zur Analyse eines Roboters mit variabler Geometrie, der an der TU Ilmenau entwickelt wurde. Ein solcher Roboter hat einen anfangs zylindrischen Roboter in eine kegelstumpfförmige Geometrie umgewandelt, um um die vertikale Achse drehen zu können, die sich am Erzeugungspunkt eines solchen Kegels befindet. Die vorliegende Arbeit beginnt mit einer Einführung der Grundlagen für das Studium von Tensegrity-Strukturen; Später werden aus den variablen Parametern der geometrischen Beschreibung des Roboters die kinematischen Gleichungen von Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung für jeden Punkt der Geometrie des Roboters ausgewertet. In demselben Kapitel wird eine Alternative zum Vorhersagen der Bahn des Roboters unter Verwendung einer Klothoide vorgeschlagen. Diese Kurve hat den Zweck, Gleichungen der Bewegungsbahn des geometrischen Mittelpunkts des Roboters zu geben. In einem folgenden Kapitel werden die Steuerungsalgorithmen für die Abrollbewegung des Roboters sowie eine mögliche konstruktive Form vorgestellt, die zuvor für eine ähnliche Anwendung verwendet wurde. Im letzten Kapitel werden verschiedene Alternative von Materialien für die Herstellung des Roboterkörpers sowie die Grundlagen eines Ansatzes zur Bewertung gekrümmter Zugstrukturen vorgestellt. Darüber hinaus wird eine Berechnungsform für die spätere Entwicklung der endgültigen Geometrie des Roboters vorgeschlagen.