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Studentische Arbeiten

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Erstellt: Thu, 28 Mar 2024 23:05:33 +0100 in 0.0755 sec


Merker, Lukas;
Objektabtastung und -konturerkennung durch rotatorisch gelagerte, taktile Sensoren mittels nichtlinearer Balkentheorie. - Ilmenau. - 106 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Aktuelle Forschungsthemen in der Bionik beschäftigen sich mit der Analyse und Synthese der Umgebungswahrnehmung von Säugetieren mithilfe ihrer Vibrissen (spezielle Tasthaare). Durch Verwendung dieses komplexen Sinnesorgans sind beispielsweise Ratten und Mäuse in der Lage mithilfe weniger Berührungen Objektabstände, -konturen oder -oberflächenbeschaffenheiten zu detektieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit liegt der Fokus auf der Entwicklung und Untersuchung eines biologisch inspirierten mechanischen Modells zur Objektabtastung und Konturrekonstruktion. Vibrissen, als Reizaufnehmer, werden häufig durch einen zylindrischen oder konischen Euler-Bernoulli-Balken modelliert, der einseitig eingespannt ist und zum Zwecke der Abtastung translatorisch an einem Objekt entlanggeführt wird. Mit Blick auf das biologische Vorbild wird die Abtastprozedur in der vorliegenden Arbeit um eine Rotationsbewegung erweitert. Die Modellierung der Vibrisse erfolgt mithilfe eines langen schlanken Balkens, der eine vorgekrümmte, konische Form aufweist und drehbar gelagert ist. Die Rotationsabtastung eines streng konvexen Profils wird im quasi-statischen Fall betrachtet. Dabei erfährt der Balken große Verformungen, die mithilfe der nichtlinearen Euler-Bernoulli-Theorie beschrieben werden. Zunächst wird für das Modell das beschreibende Differentialgleichungssystem hergeleitet. Anschließend wird zwischen der Phase des Spitzen- und des Tangentialkontakts (Phase A und Phase B) mit dem Objekt unterschieden und für beide Fälle die zugehörigen Randbedingungen aufgestellt. Die entstandenen Randwertprobleme werden auf verschiedenen Abstraktionsebenen betrachtet. Der rotatorische Vorbeizug einer geraden zylindrischen Vibrisse an einer streng konvexen Profilkontur wird weitestgehend analytisch beschrieben. Anschließend wird durch Lösung eines Anfangswertproblems gezeigt, wie die Kontaktlokalisierung möglich ist, wenn ausschließlich Informationen an der Lagerstelle (Lagerreaktionen, Lagerposition und Stellwinkel), die möglicherweise auch den Tieren zur Verfügung stehen, ausgewertet werden. Auf Grundlage des mechanischen Modells wird ein Matlab-Programm aufbereitet, das die Simulation des rotatorischen Vorbeizugs einer Vibrisse an einem streng konvexen Profil sowie dessen Rekonstruktion anhand der berechneten Lagerreaktionen ermöglicht. Der Abbruch des Algorithmus, der auf ein in der Realität stattfindendes Ablösen der Vibrisse vom Profil hindeuten könnte, wird genauer untersucht. Die Abtastprozedur wird um eine Rotationsbewegung in entgegengesetzter Richtung und eine Variation der Lagerposition erweitert. Durch Überlagerung der entstehenden Abtastbereiche kann anschließend ein Großteil des Profils rekonstruiert werden. Zuletzt werden Parameterstudien durchgeführt, um das Potential einiger durch die Biologie vorgegebener Eigenschaften zur Verbesserung des Abtastverhaltens zu untersuchen.



Kemper, Thilo;
Simulation von Ein- und Mehrmassenschwingern mit nichtlinearen Koppelelementen. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Diese Arbeit behandelt die Erstellung von MKS-Simulationsmodellen von Koppelelementen. Bei dynamischen Messungen zeigen viele reale Bauteile eine Hysterese im Kraft-Weg-Diagramm. Um diese, teilweise nichtlinearen, Effekte nachzubilden, werden Ersatzmodelle bestehend aus Feder, Dämpfer und Reibelementen in der Simulationssoftware "alaska" aufgebaut. Die Struktur der Modelle lehnt sich an bekannte rheologische Ersatzmodelle an. Die so erzeugbaren Kraft-Weg-Verläufe dienen als Vorlage für die Modellierung realer Bauteile. Dies ermöglicht die Simulation als Mehrkörpersystemen. Durch die Kombination der Ersatzmodelle wird das Verhalten, z.B. die Dämpfungseigenschaften, von realen Bauteilen nachgebildet. In der Arbeit werden die aus Versuchen bekannten Kraft-Weg-Verläufe der realen Bauteile Gummi-Metall-Element, Hydrolager und Metallkissen modelliert. Für die zunächst als "black box" betrachteten Bauteile werden durch das Zusammenschalten von Feder-, Dämpfer- und Reibelementen solche Ersatzmodelle aufgebaut, die die entsprechenden Kraft-Weg-Verläufe erzeugen. Eine Validierung der Modelle erfolgt durch den Vergleich mit den real gemessenen Verläufen. In einem Modellkatalog wurden die einzelne Ersatzmodelle zusammengefasst, um die Erstellung von weiteren Simulationsmodellen zu erleichtern.



Ebert, Andreas;
Tragfähigkeitsanalyse von Hohlrädern mit Kranzeinfluss. - Ilmenau. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Für die Drehzahlübersetzung elektrischer Antriebsachsen von Elektrofahrzeugen hat sich in der Elektromobilität das Planetengetriebe etabliert. Aufgrund der Lastaufteilung auf mehrere Zahnräder (Planetenräder) ist die Übertragung von großen Momenten bei einem relativ kleinen axialen Bauraum möglich. Die Größe des Getriebes in Radialrichtung wird durch das äußere Rad, dem sog. Hohlrad, festgelegt. Da es bei der Belastung von dünnwandigen Hohlrädern zu einer nicht zu vernachlässigbaren radialen Verformung kommt, sind die gängigen Berechnungsmethoden zur Zahnfußtragfähigkeit von Stirnrädern nur bedingt geeignet. Die Berechnungsverfahren der ISO 6336-3 sowie der VDI 2737 berücksichtigen zwar den Einfluss der radialen Verformung auf die Zahnfußsicherheit, sind jedoch nur für Hohlräder mit freiem Zahnkranz - d. h. keine Anschlussgeometrie an der äußeren Mantelfäche - gültig. Die in der Abteilung "Planetenradsätze und Differentiale" der Schaeffler AG eingesetzten Hohlräder sind mit einer zusätzlichen Außenverzahnung im Gehäuse gelagert und können demnach mit den Berechnungsmethoden der ISO 6336-3 oder VDI 2737 nicht exakt ausgelegt werden. In dieser Abschlussarbeit werden zunächst die Auslastung der Innen- sowie Außenverzahnung verschiedener Hohlräder der Schaeffler AG miteinander verglichen. Anschließend erfolgt ein Vergleich der mit der Verzahnungssoftware KISSsoft möglichen Berechnungsmethoden. Zentraler Aspekt dieser Abschlussarbeit ist schließlich die Erarbeitung eines Hilfsprogramms zur Vorabschätzung der Zahnfußtragfähigkeit von Hohlrädern für den Modulbereich von 1 bis 2 mm. Zuletzt werden Auslegungsrichtlinien für Hohlräder der Schaeffler AG definiert.



Gast, Simon;
Modellierung von Tensegrity-Strukturen als Mehrkörpersystem und Simulation des dynamischen Verhaltens. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

In der vorliegenden Arbeit werden Tensegrity-Strukturen auf ihre dynamischen Eigenschaften hinsichtlich einer Anwendung als Bewegungssystem untersucht. Dies erfolgt mit der dynamischen Analyse dieser Systeme in dem Mehrkörpersystem-Simulationstool alaska. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Modellierung und Realisierung einer Lokomotion. Für die Fortbewegung wird jeweils ein System mit geraden und gekrümmten Stäben vorgestellt und simuliert. Die Implementierung der Bogenelemente erfolgt durch ein analytisch ermitteltes Ersatzmodell. Mit der Realisierung beliebiger Trajektorien sind die Grundlagen für eine Bahnplanung oder eine geregelte Fortbewegung gelegt. Für die Lokomotion der Strukturen kommen zusätzliche Massen zum Einsatz, die entlang vorgegebener Bahnen verschoben werden. Der Großteil der Fortbewegung ist durch eine Steuerung der Position der Massen gekennzeichnet. Für die Struktur mit geraden Stäben stellt die Arbeit einen Ansatz für eine geregelte Fortbewegung vor. Eine Untersuchung der Systemzustände zeigt, dass diese einfach messbar und für eine geregelte Lokomotion nutzbar sind. Ferner wird in dieser Arbeit ein Tensegrity-ähnlicher Aufbau mit mehreren Gleichgewichtslagen untersucht. Hierbei liegt der Fokus auf der Einstellbarkeit und Variation zweier Zustände hinsichtlich einer technischen Nutzbarkeit als Lagerelement. Dazu wird das gefundene System einer Eigenfrequenzanalyse unterzogen.



Siedler, Konrad;
Numerische und experimentelle Verifikation von adaptiven Regelungsstrukturen an einem mechatronischen, nachgiebigen System. - Ilmenau. - 200 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

In der vorliegenden Masterarbeit werden durch eine Simulationsstudie adaptive Regelungsstrategien dahingehend untersucht, einen Roboterarm mit Doppelpendelstruktur - angetrieben durch antagonistisch angeordnete, muskelähnliche Aktoren - möglichst schnell und präzise auf vorgegebenen Bahnen zu regeln. Parallel dazu wird ein derartiger Roboter als Prototyp aufgebaut und die untersuchten Regelungsstrategien am realen Modell verifiziert. Über erste Simulationen mit einem Modell mit Freiheitsgrad n=1 werden die Wirkprinzipien der adaptiven Regler untersucht (v.a. mit Blick auf die Absolutwerte von Rückführung und Verstärkungsfaktor, Einregelzeit und Genauigkeit der Einhaltung von Zielvorgaben) und eine Vorauswahl der als am besten eingeschätzten Regler getroffen, um diese anschließend auf ein System mit Freiheitsgrad n=2 anzuwenden. Dazu werden vorerst Modellanpassungen bzgl. der realen Mechanik des Prototypen vorgenommen und daraus eine Intensitätensteuerung ermittelt, mit der die Reglergrößen der Regler auf die jeweiligen Muskelpaare aufgeteilt werden können. Es folgt eine Simulationsstudie an einem System mit Freiheitsgrad n=2 (Doppelpendelstruktur). Die vorher beschriebenen und analysierten Regelungsstrukturen werden bzgl. einer Referenzposition mit Positionswechsel und einer Referenzbahn untersucht. Hierbei werden für eine Optimierung des Simulationsergebnisses verschiedene Ansätze eingeführt, wie bspw.: Begrenzung der Muskelleistung, Einführung eines Fehlervektors, adaptives Ermitteln von Faktoren einer beschränkten Regelung. Während oben genannten Simulationsarbeiten wird der zur Verifikation einzusetzende Prototyp der TU Ilmenau aus vorherigen, älteren Untersuchungen rekonstruiert und optimiert: Dabei müssen fehlende Teile neu konstruiert, sowie die Ansteuerung neu entworfen werden. Hierfür wird der Microcontroller "Arduino" eingesetzt. Vor einem möglichen Betrieb des Roboterarms müssen zunächst Messdaten zur Ermittlung des Kontraktionsverhaltens und der Muskelleistung der pneumatischen Muskeln ermittelt werden. Anschließend werden weitere Simulationen mit den Systemparametern des Prototypen durchgeführt. Mithilfe der Regelungsstrukturen wird dem Prototyp die Verfolgung einer Bahn ermöglicht.



Mittag, Hannah;
Untersuchung des Bewegungsverhaltens einer nachgiebigen Tensegrity-Struktur für einen Zweifingergreifer. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017

In dieser Arbeit wird das mechanische Verhalten eines Zweifingergreifers auf Basis einer ebenen Tensegrity-Struktur mit zwei stabilen Gleichgewichtskonfigurationen theoretisch und experimentell betrachtet. Im Fokus der Untersuchungen liegt die Beschreibung des Bewegungsverhaltens, der Greifkraft sowie der mechanischen Nachgiebigkeit des betrachteten Kraftschlussgreifers. Nach Umkonstruktion eines vorhandenen Prototypen und dessen Neuaufbau wird in einem ersten Schritt sein Bewegungsverhalten mit und ohne Greifobjekt während der Aktuierung untersucht und analysiert. Hierfür wurde ein Algorithmus in Matlab entwickelt, der die Bewegung charakteristischer Punkte des Greifers aus Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen ermittelt. Anschließend wird ein Messstand zur Messung der Greifkraft und mechanischer Nachgiebigkeit konzipiert, konstruiert und aufgebaut. Die Ergebnisse der durchgeführten Messungen werden mit Ergebnissen aus theoretischen Untersuchungen verglichen. Letztere wurden mit Hilfe eines vorliegenden FE-Berechnungsalgorithmus ermittelt. Abschließend werden auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse konstruktive Verbesserungsvorschläge für den Zweifingergreifer gegeben.



Kräml, Jonas;
Erarbeitung von objektiven Bewertungskriterien für einen Spurwechselassistenten anhand des menschlichen Verhaltens im realen Straßenverkehr. - Ilmenau. - 113 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Um das Ziel des autonomen Fahrens möglichst schnell zu erreichen, spielen Fahrerassistenzsysteme bei der Entwicklung von Automobilen eine immer größere Rolle. Diese erhöhen den Komfort und die Sicherheit für den Fahrer. Damit Fahrerassistenzsysteme vom Kunden als angenehm und komfortabel empfunden werden, müssen sie das Verhalten des Menschen in den jeweiligen Fahrsituationen bestmöglich abbilden. Ziel der vorliegenden Master-Arbeit ist das Analysieren des menschlichen Verhaltens und der Wahrnehmung beim Spurwechsel. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Auslegung des Spurwechselassistenten der BMW Group ein. Hierzu wird eine Probandenstudie mit einem Versuchsfahrzeug im Realverkehr durchgeführt. Führt der Fahrer einen Spurwechsel aus, so werden relevante Fahrzeugsignale und Bewegungsgrößen umliegender Objekte aufgezeichnet und das subjektive Empfinden des Fahrers beim Spurwechsel erfragt. Im ersten Schritt ist die Probandenstudie zu planen und zu organisieren. Dazu müssen zunächst die relevanten Szenarien im Verkehr festgelegt werden, woraus objektive und subjektive Kennwerte für einen Spurwechsel abgeleitet werden. Anschließend werden Hypothesen über den Zusammenhang von objektiven und subjektiven Größen formuliert. Nach der Durchführung der Studie werden die erfassten Daten ausgewertet. Hierfür werden zunächst die aufgezeichneten Daten nach der Entwicklung eines neuartigen Datenverarbeitungsalgorithmus aufbereitet. Anschließend wird die in der Abteilung bestehende Objektivierungsmethodik erweitert und mit deren Anwendung die Hypothesen überprüft. Zusätzlich wird erstmalig ein Durchschnittsprofil aus den Daten aller Fahrer hinsichtlich des Spurwechsels erstellt. Abschließend wird mit den Ergebnissen eine Auslegungsempfehlung für den Spurwechselassistenten abgegeben.



Müller, Jeanine;
Modellbildung und numerische Simulation biologisch inspirierter Schwingungssysteme von Vibrissen. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017

Vibrissen sind die taktilen Tasthaare von Ratten und anderen Säugetieren und dienen der Umgebungswahrnehmung. In der Schnauzenregion, dem mystazialen Vibrissenfeld, ist jede Vibrisse in einem separaten sensoraktorischen Apparat eingebettet, dem Follikel-Sinus-Komplex (kurz FSC). Der widerstandsfähige Haarschaft fungiert als Reizaufnehmer, welcher sowohl aktiv durch das Tier, als auch passiv durch äußere Einflüsse ausgelenkt werden kann. Die aufgenommenen mechanischen Stimuli erzeugen in der Basis des Haarschafts ein Moment, dass seinerseits von Mechanorezeptoren im FSC registriert und als Signal an das Zentralnervensystem (ZNS) des Tieres geleitet wird. Es besteht die Annahme, dass der FSC als viskoelastisches Lager mit einer Blutdruckregulierung betrachtet werden kann, worüber eine adaptive Regelung durch ein Steuermoment möglich ist, dass den Stellwinkel der Vibrisse variiert. Elektrische Impulse die vom ZNS ausgehen, aktivieren zusätzlich die Muskeln des FSC und versetzen damit das Tasthaar in Schwingungen. Dieses Bewegungsverhalten, auch Whiskern genannt, muss in zwei Arten unterschieden werden: dem Erkundungs-Whiskern und dem Fovealen Whiskern. Dieses Verhalten und die aktive Steuerung des Vibrissenwinkels ermöglicht es den Tieren Oberflächen und dreidimensionale Gegenstände auch unter dem Einfluss von Störkräften zu erkennen und zu unterscheiden. Bisherige biologische Modelle sind aufgrund ihrer Detailliertheit zu Simulationszwecken ungeeignet, weshalb sich die vorliegende Arbeit mit der Modellierung, mathematischen Beschreibung und Simulation einfacher Grundprinzipien des Tasthaar-FSC-Systems befasst. In der ersten Abstraktionsstufe wird dafür das dynamische Verhalten einer Vibrisse analysiert. Diese wird als langer, dünner, homogener, starrer Stab betrachet, an dessen unterem Stabende ein viskoelastisches Festlager befestigt ist. Eine indirekt Anregung über das Gehäuse veranlasst das System zum Schwingen. Eine Berücksichtigung zweier unterschiedlich langer, über ein Feder-Dämpfer-System gekoppelter Vibrissen mit teils variierenden Erregungen, führte zu einer Erhöhung der Komplexität der Modelle in der zweiten und dritten Abstraktionsstufe. In allen Stufen und Verhaltensweisen (Erkundungs/Foveales Whiskern) werden die Vibrissen unterschiedlichen Störkräften ausgesetzt. Mit dem Ansatz der adaptiven Regelung können qualitative Rückschlüsse aus den Winkelpositionen der Vibrissen, sowie ihrer generierten Steuermomente auf die Störkräfte getroffen werden.



Keßler, Tobias;
Optimierung der Konstruktion omnidirektionaler Räder von mobilen Robotern. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Optimierung der Konstruktion omnidirektionaler Räder von mobilen Robotern am Beispiel des Ethon-Roboters. Zwangserregte Schwingungen auf der Roboterplatform beinflussen das Kamerasystem negativ und beeinträchtigen somit die Orientierung. Die Arbeit präsentiert eine Vibrationsanalyse und untersucht die Radgeometrie der verwendeten Allseitenräder. Die resultierende Erregung wird systemtheorethisch modelliert. Das Robotersystem wird dabei mit konzentrierten Variablen und mittels Impedanz Analogie beschrieben. Zirkularitätsfehler der Räder die zu periodischen Stößen durch Diskontinuitäten zwischen den passiven Rollern führen, generieren vertikale Vibrationen und werden in der Vibrationanalyse untersucht. Zwei erarbeitete Messmethoden; eine indirekte Methode und eine neuartige direkte Methode, werden vorgestellt, um die zwangserregten Schwingungen durch Reaktionskräfte auf der Roboterplatform zu bestimmen und die dazugehörigen Erregerfrequenzen der Räder anhand von Beschleunigungsmessungen nachzuweisen. Die Erregerfrequenzen mit den dazugehörigen Oberwellen der periodischen Stöße des omnidirektionalen Rades werden mittels Frequenzanalyse der Leistungsspektren identifiziert. Die Annahmen bezüglich Linearität des Systems und Geschwindigkeitsabhängigkeit werden durch Messungen nachgewiesen. Die Reaktionskräfte basierend auf den ermittelten absolut Werten aus den Leistungsspektren werden berechnet und diskutiert. Beide Messmethoden werden auf ihre Konsistenz durch einen Vergleich der entstehenden Frequenzen geprüft. Resultierend wird eine erarbeitete Prototypenkonstruktion mit einem äußeren Durchmesser von 200 mm, basierend auf dem Continuous Alternate Wheel (CAW) Model, vorgestellt. Die in der Arbeit durchgeführte Analyse bestätigt die zwangserregten Schwingungen, welche durch die omnidirektionalen Räder ausgelöst werden und präsentiert eine alternative Prototypenkonstruktion zur Minimierung der vertikalen Vibrationen.



Hennen, André;
Untersuchung des Einflusses der Streifenhonung auf das dynamische Verhalten der Kolbengruppe bei Dieselmotoren. - Ilmenau. - 112 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Der Inhalt dieser Masterarbeit stellt die Untersuchung des Einflusses der Streifenhonung auf das dynamische Verhalten der Kolbengruppe bei Dieselmotoren dar. Insbesondere stehen dabei die Parameter Reibung, Verschleiß und Ölverbrauch im Fokus. Die Einführung der Arbeit ergibt sich aus einer kurzen Vorstellung des Unternehmens und einer Einführung in das Thema. Es folgen eine Analyse des Standes der Technik bezüglich der Streifenhonung und eine Übersicht über die nötigen theoretischen Grundlagen. Anschließend wird die konkrete Problemstellung dargelegt und ein theoretisches Modell zur Beschreibung der Kolbenbewegung entwickelt. Ferner erfolgt eine Auslegung von Prototypen des Kurbelgehäuses hinsichtlich der Oberflächenrauheit und der axialen Aufteilung der Streifenhonung. Darüber hinaus ist der Einfluss der Zylinderrohrverzüge Gegenstand dieser Arbeit. Final folgt eine Versuchsreihe mit befeuerten Motormessungen sowohl im Serienzustand als auch mit streifengehonten Zylinderlaufflächen. Hierdurch wird der Einfluss der Streifenhonung im befeuerten Motorbetrieb untersucht.