Studentische Arbeiten

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.

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.

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.

Seit knapp 50 Jahren werden radgetriebene Fahrzeuge, genannt Rover, zur planetaren Exploration des Sonnensystems eingesetzt. Diese Rover sind gemessen an ihren Missionszielen erfolgreich, müssen aber auf Grund des Risikos auf rauem und sandigem Terrain stecken zu bleiben sehr langsam und vorsichtig betrieben werden. In dieser Arbeit wird ein alternatives Fortbewegungskonzept untersucht, welches sich bei erdgebundenen Robotern als erfolgreich erwiesen hat: das mantellose Rad, auch bekannt als Whegs (Kofferwort aus wheel und leg). Dieser Ansatz zur robotischen Lokomotion repräsentiert einen Kompromiss zwischen Rädern und Beinen, indem diskrete Schritte gemacht werden, das Rad aber immer noch volle Umdrehungen durchführt. Ersteres verhindert den Bedarf einer kontinuierlichen Fahrbahn und Letzteres vereinfacht den Mechanismus und seine Steuerung deutlich. Diese Eigenschaften wie auch seine inhärente Redundanz (mehrere Speichen pro Rad, mehrere Räder pro Roboter), machen das mantellose Rad besonders geeignet für einen Einsatz in der planetaren Exploration. Zuerst werden analytische Zusammenhänge zur Kinematik des mantellosen Rades hergeleitet und verschiedene mechanische Modelle nachgiebiger Speichen untersucht. Die resultierenden Schlussfolgerungen zum Überwinden von Stufen, dem Rennen auf einer Ebene und dem Verhalten auf rauem Terrain werden anhand von numerischen Mehrkörpersimulationen weiter untersucht und verifiziert. Geeignete Parameter für einen zukünftigen Erkundungsroboter werden mit Hilfe einer Parameter-Variation hergeleitet. Ein einzelnes mantelloses Rad wird konstruiert und getestet, um die vorangegangenen modellbasierten Betrachtungen zu überprüfen. Diese Experimente werden auf einem Prüfstand am DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik durchgeführt und bestätigen die getroffenen Annahmen. Das entwickelte Fortbewegungssystem hat das Potential, einem Erkundungsroboter die Lokomotion auf rauem Terrain zu ermöglichen und die Effizienz der Fortbewegung auf flachen und harten Oberflächen zu verbessern.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Magnetfeldmesssystems für einen Teststand, an welchem Schwingversuche mit magento-sensitiven Elastomeren durchgeführt werden. Die herrausstechende Eigenschaft dieser recht neuen Stoffklasse ist, dass ihre mechanischen Eigenschaften über ein außen anliegendes Magnetfeld beeinflusst werden können. Im Zuge dieses Entwicklungsprozesses wurde der aktuelle Stand der Technik zu magneto-sensitiven Elastomeren und Messprinzipien zur Magnetfeldmessung ermittelt. Das Prinzip des Hall-Sensors wurde für die nachfolgende Konstruktion ausgewählt. Es wurde ein konstruktiver Entwicklungsprozess nach Ilmenauer Schule durchgeführt. Anhand der Informationen über die geplanten Messungen wurde eine Anfoderungsliste erstellt und die Aufgabenstellung abstrahiert. Von dieser Abstrahierung ausgehend wurde im Anschluss methodisch hin zur Erstellung von drei Varianten konkretisiert. Zudem war ein Vergleich mit einer Kauflösung angedacht. Auf Basis der anschließenden Marktrecherche wurden Komponenten für die drei erstellen Varianten sowie die Kauflösung ausgewählt und anhand der konkreten Bauteildaten die Erfüllung der wichtigsten Anforderungen nachgewiesen. Mit Hilfe von aus der Anforderungsliste abgeleiteten und nach Relevanz gewichteten Kriterien erfolgte nun eine Bewertung und ein Vergleich der Varianten. Für die technisch wertigste Variante wurden Anmerkungen zur technischen Umsetzung gegeben. Abschließend wurde über die Anwendbarkeit von klassischer Konstruktionsmethodik auf Elektronikentwürfe ein Fazit gezogen, die Arbeit zusammenfassend dargestellt und ein Ausblick auf weiterführende Forschung gegeben.