Studentische Arbeiten

Magnetoaktive Elastomere (MAE) bestehen aus einer elastischen Matrix bzw. einem Elastomer, in welchem sich magnetisch weiche und/oder magnetisch harte Partikel befinden. Durch ein äußeres Magnetfeld kann das Verhalten und die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien beeinflusst werden. Die folgende Arbeit behandelt den Einfluss homogener Magnetfelder auf die statische Durchbiegung mehrpolig magnetisierter MAE-Balken. Hierbei werden Proben mit einem Anteil von 20 Vol.-% magnetisch harten Partikeln (NdFeB) und 20 Vol.-% magnetisch weichen Partikeln (CIP) untersucht, welche einen Südpol in der Mitte und die Nordpole jeweils an ihren Enden besitzen. Die untersuchten Proben haben teilweise unterschiedliche Eigenschaften bzw. Herstellungsarten. Für verschiedene Magnetfeldstärken wird die statische Durchbiegung der MAE-Balken experimentell ermittelt, sowie durch theoretische Betrachtung mit Hilfe der Euler-Bernoulli Theorie untersucht. Die Erkenntnisse aus den Untersuchungen der statischen Durchbiegung der MAE-Balken werden genutzt, um Lokomotionssysteme mit mehrpolig magnetisierten MAE zu entwickeln. Die Fortbewegung der drei Lokomotionssysteme basiert hierbei auf der periodischen Durchbiegung der mehrpolig magnetisierten MAE-Balken, welche durch ein wechselndes Magnetfeld einer externen oder internen Magnetfeldquelle hervorgerufen wird. Das Prinzip unsymmetrischer Reibung sorgt dafür, dass eine Bewegung in Richtung der geringeren Reibung entsteht. Ein Funktionsnachweis der entwickelten Lokomotionssysteme wird über die experimentelle Untersuchung der Geschwindigkeit für die verschiedenen Erregungsfrequenzen des Magnetfeldes erbracht.

In dieser Arbeit wird ein Probenschüttler entwickelt, welcher durch seinen Aufbau einen vibrationsarmen Betrieb gewährleistet. Hierfür werden Simulationen der Dynamik eines Mehrkörpersystems in der Software alaska durchgeführt. Es werden die Methoden des statischen und dynamischen Auswuchtens angewandt. Mit dem statischen Auswuchten kann kein vibrationsarmer Betrieb besonders im hohen Drehzahlbereich erreicht werden. Beim dynamischen Auswuchten kann dies im gewünschten Drehzahlbereich realisiert werden. Für die unterschiedlichen Beladungen wurde ein Prinzip mit zwei Ausgleichsmassen entwickelt. Dazu wurde eine Verstelleinrichtung konzipiert. Aus Machbarkeitsgründen wurde aus dem Lösungsansatz mit der verstellbaren unteren Ausgleichsmasse ein technisches Prinzip entwickelt. Ein besonderer Vorteil dieses Aufbaues ist, dass die Einprägung der orbitalen Bahn und die Verstellung der Masse über einen Motor und einen Elektromagneten realisiert werden. Der Auswuchtzustand kann anhand der auftretenden Beschleunigungen ermittelt werden, wodurch ein automatisiertes Auswuchten des Probenschüttlers möglich ist. Es liegt eine Konstruktion für einen Prototyp vor, mit dem ein vibrationsarmer Betrieb demonstriert werden kann.

Als magnetosensitive Elastomere (MSE) bezeichnet man eine Gruppe intelligenter Werkstoffe. Sie bestehen aus einer elastischen Trägermatrix mit eingebundenen weich- und/oder hartmagnetischen Mikropartikeln. Unter dem Einfluss äußerer Magnetfelder lassen sich die mechanischen Eigenschaften dieser hybriden Materialien variieren, was sie besonders für den Einsatz in adaptiven Aktoren und Sensoren auszeichnet. Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Beschleunigungssensors, der ein balkenförmiges, permanentmagnetisches MSE mit hybrider Partikelfüllung als Funktionselement enthält. Dieses lässt sich aufgrund der eingebundenen magnetischen Partikel durch ein äußeres oszillierendes Magnetfeld in mechanische Schwingung versetzen. Die Schwingungskenngrößen des MSE lassen sich durch das Anlegen eines äußeren uniformen Magnetfeldes reversibel beeinflussen. Im Rahmen der Vorversuche wird ein Laboraufbau entworfen, an dem das Schwingverhalten des MSE-Balkens bei elektromagnetischer und Beschleunigungsanregung untersucht werden kann. Dies geschieht sowohl ohne als auch mit äußerlich angelegtem Magnetfeld. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird anschließend der Prototyp eines Beschleunigungssensors mit einem lagegeregelten MSE als Funktionselement entwickelt und in einem Laboraufbau realisiert. Der Funktionsnachweis für das erarbeitete Sensorprinzips wird anhand praktischer Versuche erbracht. Dabei werden charakteristische Betriebsgrößen herausgearbeitet und wichtige Ansatzpunkte für die Weiterentwicklung des Systems definiert. Es wird gezeigt, dass der Beschleunigungssensor im vorliegenden Entwicklungsstadium in der Lage ist, die Wirkung konstanter Beschleunigungen auf das MSE-Funktionselement zu kompensieren.

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.

In dieser Arbeit wird die Anwendung von multistabilen Tensegrity Strukturen zur Realisierung einer vibrationsbasierten Fortbewegung untersucht. Hierbei liegt der Fokus auf der experimentellen Verifizierung des Lokomotionsverhaltens an einem Prototyp. Besonderes Augenmerk liegt auf der Entwicklung, Inbetriebnahme dieses Prototyps und der konstruktiven Realisierung von Tensegrity Strukturen. Neben der Untersuchung der multistabilen Charakteristik wird eine potentielle Aktuierungsstrategie zur Realisierung eines kontrollierten Gleichgewichtslagenwechsels betrachtet. Weiterhin wird der Einfluss verschiedener Aktuator Größen und der Gleichgewichtskonfiguration auf der Bewegungsverhalten in Experimenten untersucht. Als Umgebung wird ein horizontaler Untergrund vorausgesetzt und die resultierenden Bewegungen optisch ausgewertet. Die Ergebnisse bestätigen die vorteilhaften Eigenschaften multistabiler nachgiebiger Tensegrity Strukturen zur Realisierung von vibrationsbasierter Fortbewegung.