Synthesewerkzeuge für Festkörpergelenke und nachgiebige Mechanismen basierend auf analytischen und simulativen Untersuchungen. - Ilmenau. - 140 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Festkörpergelenke und nachgiebige Mechanismen erfahren zunehmend Anwendung in Industrie und Forschung, wo sie für ihre hohe Reproduzierbarkeit und Lösungsvielfalt geschätzt werden. Vorteile sind Spiel-, Reibungs- und Wartungsfreiheit sowie kostengünstige Fertigungsmöglichkeiten. Das Bewegungsverhalten wird maßgeblich durch Biegung in den nachgiebigen Strukturabschnitten bestimmt, die vorrangig durch Aussparungen realisiert werden. Die Analyse derartiger Strukturen ist in Abhängigkeit der Gelenkkontur aufgrund von Nichtlinearitäten durch große Verformungen meist ein iterativer Prozess und nicht intuitiv. Bei der anspruchsvollen Synthese dieser Gelenke und Mechanismen müssen Werte für die geometrischen Parameter, welche zu einer gewünschten Bewegung führen, vorwiegend unter Zuhilfenahme zeitaufwendiger Simulationen ermittelt werden. In dieser Masterarbeit werden nichtlineare Berechnungsmethoden großer Verformungen stabförmiger Strukturen in Form eines eigenständigen MATLAB-basierten PC-Programms zur Analyse und Synthese von Festkörpergelenken mit unterschiedlichen Gelenkkonturen umgesetzt. Es wird eine grafische Benutzeroberfläche erstellt, womit einzelne, mit einer Kraft und/oder einem Moment belastete, Festkörpergelenke numerisch oder mittels bestehender Design-Gleichungen analysiert werden können. Zusätzlich kann mit einer erstellten Syntheseoberfläche ausgehend von einem bekannten Bewegungsverhalten eine optimale Gelenkkontur ermittelt werden. Weiterhin werden die Erkenntnisse einzelner Gelenke für die Analyse eines nachgiebigen Mechanismus einer Parallelkurbel genutzt. Auch die nachgiebigen Mechanismen werden mit der nichtlinearen Theorie betrachtet. Es wird gezeigt, wie beliebig orientierte Getriebeglieder und Gelenke modelliert werden können. Wichtige Kenngrößen, wie Führungsabweichung, Koppelverdrehung sowie Maximaldehnung und Dehnungsverlauf, werden innerhalb weniger Sekunden für zwei Parallelkurbelvarianten mit gekrümmten Gelenk- oder Gliedsegmenten berechnet. Die Ergebnisse werden mit nichtlinearen FEM-Berechnungen validiert. Abschließend wird eine Vorgehensweise zur Synthese nachgiebiger Mechanismen unter Nutzung des erstellten PC-Programms vorgeschlagen. Die Ergebnisse der Arbeit dienen der Erleichterung weiterführender Arbeiten zur Analyse und Synthese nachgiebiger Mechanismen mit optimierten Festkörpergelenkkonturen für die Präzisionstechnik.
Entwicklung eines Algorithmus zur Bestimmung geometrischer Parameter für einen Kippfenstermechanismus. - Ilmenau. - 136 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Für das Öffnen und Schließen von Fenstern in modernen Gebäudefassaden werden immer komplexere Fenstermechanismen entwickelt, um eine bessere Funktion bei gleichzeitiger Verbesserung der Ästhetik der Fenster zu erreichen. Ein großes Problem dabei ist, dass die Grundgetriebe für verschiedene Fensterabmessungen und -massen einsetzbar sein sollen. Daneben spielen aber auch weitere Einflussparameter eine Rolle. Außerdem muss die Handkraft beim Öffnen und Schließen des Fensters in einem ganz bestimmten Bereich liegen, um die optimale Funktion des Getriebes zu gewährleisten. Das erfordert eine individuelle Auswahl bestimmter Konstruktionsparameter. Es ist jedoch zu beachten, dass bei der Anpassung die grundlegende Kinematik des Getriebes nicht und nur möglichst wenige Konstruktionsgrößen geändert werden sollen. Das hat zur Folge, dass sowohl die Entwicklungs- als auch die Fertigungskosten sinken. Die Anpassungen an die Vielzahl von Fenstergrößen, -ausstattungen und Einsatzbedingungen sind manuell kaum noch möglich, die Wahl der optimalen Parameter muss daher automatisiert erfolgen. Aus diesem Grund ist das Ziel dieser Arbeit eine Methodik und darauf aufbauend einen Algorithmus zu entwickeln, welcher zwei geometrische Parameter des Getriebes so bestimmt, dass die Betätigungskraft über den gesamten Arbeitsbereich des Fensters in einem bestimmten Rahmen liegt, und dabei alle gestellten Restriktionen eingehalten werden. Das Problem entspricht einem nichtlinearen, globalen Optimierungsproblem der Dimension zwei unter Einhaltung von Nebenbedingungen. Dazu wird das reale Getriebe zuerst abstrahiert und auf Gelenke und deren Verbindungen reduziert. Anschließend wird ein parametrisches, kinematisches Modell des Mechanismus in Form von Gleichungen erstellt. Die Validierung des Modells erfolgt mit der Getriebeanalysesoftware SAM. Darauf aufbauend wird ein parametrisches, dynamisches Modell des Getriebes auf Basis der Langrangeschen Gleichungen 2. Art entwickelt. Die Validierung des dynamischen Modells erfolgt ebenfalls mit der Software SAM. Es wird gezeigt, dass die Trägheitseffekte für diese Arbeit vernachlässigbar sind, weshalb das dynamische Modell in ein statisches Modell überführt wird. Das zugrunde liegende Optimierungsproblem wird anschließend formuliert sowie klassifiziert, und eine Analyse der Zielfunktion wird vorgenommen. Daraus können die Grenzen der aktuellen Konstruktion aufgezeigt und Empfehlungen für dessen Verbesserung abgeleitet werden. Die Optimierungsmethodik basiert auf der vollständigen Enumeration und der branch-and-bound-Methode. Sie wird in einen Algorithmus überführt und in der Software Mathematica programmiert. Abschließend wird die Funktion des Optimierungsalgorithmus an Beispielen demonstriert.
Modellierung der dynamischen Eigenschaften von Statoren und Rotoren in elektrischen Motoren. - Ilmenau. - 155 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Statoren von EMaschinen für den KFZEinsatz sind in Form von imprägnierten Blechpaketen (Verbundwerkstoffe) aufgebaut. Die numerische Beschreibung solcher Komponenten zieht unterschiedliche Herausforderungen, die für eine fortlaufende Entwicklung und ein Verständnis des Systemverhaltens gelöst werden müssen, nach sich. Schwerpunkt der Arbeit ist die Untersuchung der dynamischen Eigenschaften, respektive Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften, von imprägnierten und nicht-imprägnierten Blechpaketen. Dazu werden unterschiedliche Materialmodelle und Homogenisierungsmethoden angewandt. Es werden ein nicht-imprägniertes Blechpaket eines Versuchsaufbaus, ein nicht- und ein imprägniertes Statorblechpaket experimentell und numerisch untersucht. Es hat sich gezeigt, dass Blechpakete, unabhängig von der Imprägnierung, nicht mit isotropen Materialmodellen beschrieben werden können. Ein transversal isotropes Material auf Basis von Druckversuchen zeigt im Gegensatz dazu deutlich bessere Ergebnisse. Die Definition von modalen Dämpfungen zeigen in diesem Kontext ebenfalls bessere Ergebnisse als konstante Dämpfungseigenschaften. Die Untersuchung einer weiteren Homogenisierungsmethode (RVE), mit der Materialeigenschaften von sich periodisch wiederholenden Verbundwerkstoffen bestimmt werden können, wird aufgrund sehr guter Ergebnisse als zielführend bewertet. Der abschließende Teil der Arbeit fasst die wichtigsten Erkenntnisse zusammen und es werden Vorschläge für weiterführende Untersuchungen getroffen.
Analytische und numerische Untersuchung von erzwungenen und (selbst-) erregten Schwingungsvorgängen. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Die Bachelor-Arbeit behandelt das Thema Schwingungen. Es soll zunächst die freie ungedämpfte sowie die freie gedämpfte Schwingung betrachtet werden. Dabei wird die Auslenkung des Systems über die Zeit t untersucht. Diese Betrachtung gibt Rückschlüsse über maximale Auslenkungen sowie das Verhalten des Schwingers über sehr lange Zeitintervalle ($t\rightarrow\infty$). Zudem werden die Phasenportait betrachtet. Diese liefern Rückschlüsse darüber ob das System Energie aufnimmt oder diese abgibt. Danach wird die erzwungene Schwingung anhand der periodischen harmonischen Anregung betrachtet. Hierbei wird die Kreisfrequenz $\Omega$ der Erregung mit der der freien ungedämpften Schwingung $\omega_0$ verglichen. Zudem wird untersucht, welchen Einfluss das Verhältnis der beiden auf das System hat. Da eine rein harmonische Anregung in der Praxis der Technologie nicht genügt, wird die Auswirkungen eines Stoßes auf ein System betrachtet. Hierbei wird der Zeitverlauf untersucht, um erneut festzustellen, welche maximalen Auslenkungen das System durchläuft sowie wie sich dieses über sehr lange Zeitintervalle ($t\rightarrow\infty$) verhält. In der Fahrwerksauslegung spielt dies eine wichtig Rolle. Diese Untersuchungen ermöglichen es hier den Fahrkomfort auch bei Unebenheiten wie Bodenwellen zu gewährleisten. Infolgedessen wird betrachtet die periodische stoßhafte Anregung. Hierbei werden die Amplitudenspektren verschiedener Anregungen verglichen. Diese geben Rückschlüsse, welche Anteile der Anregungen maßgeblichen Einfluss auf das System haben. In der Praxis der KFZ-Technik dient diese Analyse erneut der Optimierung des Fahrkomfort. Um weitere Rückschlüsse über technische Systeme zu erhalten, werden die Ergebnisse auf den Freiheitsgrad 2 übertragen. Hierbei wird untersucht, welchen Einfluss zwei gekoppelte Massen aufeinander haben, wenn eine der beiden angeregt wird. Da in der Praxis das technische System des Fahrzeuges aus vielen oszillierenden sowie rotierenden Teilen bestehen, ist die Betrachtung der Kopplung zweier Bauteile notwendig, um weitere Rückschlüsse auf den Fahrkomfort zu erhalten. Die beiden letzten Themenbereiche entsprechen nicht-linearen Schwingungen. Im Folgenden wird die Reibschwingung einer PKW-Scheibenbremse betrachtet. Hierbei werden der Zeitverlauf und das Phasenportrait angenähert. Dies gibt erneut Rückschlüsse über: maximale Auslenkungen, den Zeitverlauf $t\rightarrow\infty$, sowie über Energieauf- wie auch Energieabgabe. Die Ergebnisse hieraus liefern Randbedingungen für die Konstruktion der Bremsanlage, um eine Havarie im Betrieb zu vermeiden. Abschließend wird die selbsterregte Schwingung anhand der Radialkraftschwankung eines PKW-Reifens beschrieben. Hierbei sollen Stabilität, Phasenportrait sowie der Zeitverlauf betrachtet werden. Diese Betrachtungen dienen erneut der Auslegung, um Havarie sowie Resonanzerscheinungen im Betrieb zu vermeiden, welche in der Praxis schwere Unfälle zur Folge hätten.
Inversaufgaben und Rückwärtstransformationen in der Kinematik und Kinetik für mechanische Bewegungssysteme. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
In der vorliegenden Arbeit wird exemplarisch an verschiedenen mechanischen Bewegungssystemen die sogenannte Inversaufgabe der Kinematik und Kinetik gelöst. Betrachtet werden drei Pendelroboter mit Freiheitsgrad n=1 bzw. n=2, wobei die beiden komplexeren Systeme untereinander verglichen werden, ein Feder-Masse-Dämpfer-System mit n=3 und ein System zur aktiven Federung eines Starrkörpermodells mit n=4. Hierbei werden für die jeweiligen Systeme Bewegungen vorgegeben, die Rückwärtstransformation ermöglicht im Anschluss die Bestimmung der nötigen Antriebsgrößen, um die gewünschte Bewegung zu erzeugen. Mit den wieder in die Bewegungsgleichung eingesetzten Antriebsgrößen können die Systeme numerisch simuliert werden. Die Ergebnisse der Simulation werden anschließend mit den Soll-Werten verglichen und auftretende Abweichungen diskutiert. Die numerischen Simulationen wird mit den Programmen Matlab und Maple durchgeführt und die Ergebnisse der beiden Programme miteinander verglichen, um numerische Einflüsse abschätzen zu können. Es zeigte sich, dass ein System mit einem Dreh- und einem Schubgelenk die vorgegebenen Bewegungen besser einhalten konnte als eines mit zwei Drehgelenken. Einer der Pendelroboter hat strukturell die Form eines Doppelpendels, womit sich die Problematik ergibt, dass für fast jeden Bahnpunkt zwei mögliche Gelenkstellungen existieren. Dies führt bei diesem Modell in dieser Arbeit jedoch zu keinen Problemen. Bei drei Systemen werden die Eigenkreisfrequenzen analytisch bzw. numerisch berechnet und auftretende Schwingungen diskutiert. Bei der letzten Aufgabe gibt es bei der Inversen Kinetik die Problematik, dass von den vier vorliegenden Freiheiten nur für zwei direkt eine Soll-Vorgabe formuliert werden kann. Es muss ein Weg gefunden werden, für die anderen eine geeignete Abhängigkeit von den Erregungen zu finden.
Untersuchung von Lokomotionssystemen mit peristaltischem Fortbewegungsprinzip auf Basis von Tensegrity-Strukturen. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Diese Masterarbeit befasst sich mit der Erprobung und Untersuchung eines mobilen Roboters auf Basis einer nachgiebigen Tensegrity-Struktur. Der Roboter mit wurmartiger Fortbewegung besteht aus drei kaskadiert zusammengesetzten Grundsegmenten. Diese können jeweils durch einen integrierten Aktor ihre Form ändern. Durch die koordinierte Aktuierung der Segmente kann eine Fortbewegung des Roboters innerhalb eines Tunnels realisiert werden. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden experimentelle Untersuchungen zum Verformungs- und Bewegungsverhalten des Roboters. Dabei werden verschiedene Steuerungskonzepte erprobt und dessen Leistungsfähigkeit in verschiedenen Umgebungsbedingungen, wie Tunnelsteigungen und Reibpaarungen, auf Basis von Video Tracking ermittelt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden zur Verifikation eines mathematischen Modells des Wurmroboters herangezogen. Abschließend werden konstruktive Verbesserungsvorschläge diskutiert, um den Roboter zuverlässiger, funktionaler und leitungsfähiger zu gestalten.
Modellreduktion zur Berechnung dynamischer Fundamentlasten von drehzahlvariablen Turbomaschinen. - Ilmenau. - 112 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
In der vorliegenden Arbeit steht die Verwendung eines modal transformierten Finite-Element-Modells zur Erzeugung eines flexiblen Körpers in Mehrkörpersimulationsmodellen im Vordergrund. Dabei ist das Ziel eine Methodik zur Modellreduktion anhand des Modells eines drehzahlvariablen Turbogetriebes zu entwickeln, dessen Freiheitsgrade soweit wie möglich zur vereinfachten Berechnung der dynamischen Fundamentlasten reduziert werden sollen. Aus diesem Grund wird zu Beginn der Arbeit ein Überblick über die gängigen Methoden zur Reduktion von Finite-Element-Modellen gegeben. Dann wird eine vereinfachte Berechnungsmethodik zur Ermittlung dynamischer Fundamentlasten aus statischen Ersatzlasten vorgestellt, auf deren Basis dann die Frage beantwortet wird, inwiefern die einfache Methode durch Aufbau eines Finite-Element-Modells verbessert werden kann. Die Reduktion der Finite-Element-Struktur mit der Methode nach Craig-Bampton zum Erhalt der Eigenschaften unter dynamischer Belastung im Frequenzbereich der Antriebsdrehzahl wurde mit Eigenmoden der an den externen Knoten fixierten Struktur durchgeführt. Anschließend wird der Vergleich der Eigenmoden der Struktur mit denen des ungebundenen, flexiblen Körpers durchgeführt. Dann wird die modale Synthese des flexiblen Körpers im Mehrkörpersystem erläutert und anschließend der Aufbau eines Mehrkörpermodells in zwei Schritten vorgestellt, welches als Ausgangspunkt für eine weitere Modellordnungsreduktion dienen kann. Dabei wurde das Übertragungsverhalten der dynamischen Kräfte über die Lagerstellen der Antriebswelle am Gehäuse zum Fundament als Maß für den Vergleich der Mehrkörpermodelle mit dem ursprünglichen Finite-Element-Modell verwendet. Abschließend werden eine Zusammenfassung der durchgeführten Arbeiten und ein Ausblick gegeben.
Entwurf und dynamische Analyse eines Führungsgetriebes zur Erzeugung planarer parametrisierter Bahnbewegungen. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Der Entwurf und die Analyse eines Führungsgetriebes zur Erzeugung planarer parametrisierter Bahnbewegungen, am Beispiel eines Laborshakers, wird dargestellt. Die dazu verwendeten Simulationen wurden mit alaska durchgeführt. Es lässt sich feststellen, dass die Ergebnisse der Simulation sich mit Vermutungen decken. Zum einen gibt es Mechaniken die zur Selbstzerstörung in Folge von Aufschwingen neigen, zum anderen ist ein Zwanglauf sinnvoll für das betrachtete System. Ein Linearshaker mit einer Übersetzung von 1:20 wurde auf Grundlage der Simulationsergebnisse als am Besten geeignet bewertet.
FEM-basierte Untersuchung verschiedener Festkörpergelenktypen und Vergleich ihrer Anwendung in hochpräzisen nachgiebigen Mechanismen. - Ilmenau. - 105 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Nachgiebige Mechanismen haben im Vergleich zu Starrkörpermechanismen zahlreiche Vorteile und sind für die Anwendung in hochpräzisen nachgiebigen Mechanismen und miniaturisierten Mechanismen von Interesse. Es ist bekannt, dass die Aussparungsgeometrie der Festkörpergelenke einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der nachgiebigen Mechanismen hat, weshalb Untersuchungen zur Konturoptimierung stattfinden. Zusätzlich existieren weitere, meist komplexe, Festkörpergelenktypen, deren Einfluss insbesondere auf die Mechanismuseigenschaften bisher nicht systematisch untersucht wurde. In dieser Masterarbeit wird für zehn verschiedenen Festkörpergelenktypen der Einfluss von drei geometrischen Parametern auf die Verformungs- und Bewegungseigenschaften mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode verglichen: Untersucht werden das Blattfedergelenk, das Viertelkreiskerbgelenk, das Halbkreiskerbgelenk, das Trapezfedergelenk, das symmetrische Kreuzfedergelenk, das asymmetrische Kreuzfedergelenk, das prismatische Kreuzfedergelenk, das Doppelkreuzfedergelenk, das Blattfederkerbgelenk und das Butterflygelenk. Dabei werden die Auslenkkraft bzw. das Auslenkmoment, die Drehachsenverlagerung, die resultierende Maximaldehnung sowie die Eigenfrequenz der Gelenke für einen vorgegebenen Auslenkwinkel bestimmt. Nach der Betrachtung der zehn Gelenktypen als Einzelgelenk werden alle Gelenke in einer nachgiebigen Parallelkurbel mit jeweils vier identischen Festkörpergelenken eingesetzt und für die folgenden Eigenschaften verglichen: Die Auslenkkraft, die Geraden- und Bahnabweichung, die Maximaldehnung sowie die Winkeländerung der Koppel. Als Ergebnis dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zum häufig verwendeten Kerbgelenk drei komplexere Gelenke besonders günstige Eigenschaften im Hinblick auf die Bewegungspräzision aufweisen. Das Doppelkreuzfedergelenk ist im Allgemeinen das genaueste Gelenk, gefolgt vom Butterflygelenk und dem prismatischen Kreuzfedergelenk. Die Schwankung der Drehachsenverlagerung für die Änderung der untersuchten geometrischen Parameter im Variationsbereich ist für das vergleichsweise ungenaue Trapezfedergelenk am geringsten, wodurch das Gelenk robust gegenüber geometrischen Änderungen bzw. Toleranzen ist. Das asymmetrische Kreuzfedergelenk ist als Einzelgelenk am ungenauesten, im Mechanismus der Parallelkurbel hingegen, ist es eines der genauesten Gelenke.
Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von magneto-sensitiven Elastomeren für sensorische Anwendungen. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In den letzten Jahren haben magneto-sensitive Elastomeren eine große Aufmerksamkeit erregt. Magneto-sensitive Elastomere sind Kompositwerkstoffe, die aus hart- oder weichmagnetischen Partikeln und einer Elastomermatrix bestehen. Ihr Verhalten und ihre Eigenschaften ändern sich unter dem Einfluss von Magnetfeldern. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der theoretischen und experimentellen Untersuchungen der Eigenschaften von Balken bestehend aus einem magneto-sensitiven Elastomer in Abhängigkeit von verschiedenen Stärke des homogenen Magnetfeldes. Für das Experiment werden Proben mit verschiedenen Geometrie und Partikel-Konzentrationen entworfen und hergestellt. Die Eigenschaften der Balken einschließlich der ersten Eigenfrequenz und des Elastizitätsmoduls werden aus den experimentellen Daten berechnet. Das theoretische Modell für die Berechnung der ersten Eigenfrequenz des Balkens ist validiert. Die Beziehung zwischen Eigenfrequenz und Magnetfeld wurde theoretisch und experimentell untersucht und verglichen. Es wurde gezeigt, dass das theoretische Modell verwendet werden kann, um die Amplituden-Frequenz-Charakteristiken des magneto-sensitiven Elastomer-Balken zuverlässig vorhersagen zu können.