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.
Systematische Untersuchung von monolithischen Mehrfachdrehgelenken und der Anwendung in nachgiebigen Mechanismen. - Ilmenau. - 104 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Nachgiebige Mechanismen gewinnen aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile im Hinblick auf Einsatzmöglichkeiten und ihr Bewegungsverhalten gegenüber Starrkörpermechanismen, insbesondere im Bereich der Feinwerk- und Mikrotechnik, vermehrt an Bedeutung. Ein verbreiteter Ansatz zur Synthese ist es dabei, konventionelle Drehgelenke durch Festkörpergelenke, meist in Form von Kerbgelenken, zu ersetzen. Während diese nachgiebigen Einzeldrehgelenke häufig Gegenstand der Forschung sind, werden nachgiebige Mehrfachdrehgelenke bisher kaum betrachtet. Letztere bieten aber ein großes Potenzial, bislang nicht betrachtete, nicht-planare Starrkörpermechanismen in planare nachgiebige Mechanismen zu überführen. In dieser Masterarbeit werden ein nachgiebiges Einzeldrehgelenk sowie ein Mehrfachdrehgelenk, deren Strukturen auf gekrümmten Blattfedern beruhen, systematisch mithilfe der Finite-Elemente-Methode simuliert und untersucht. Neben der Betrachtung der grundlegenden Eigenschaften dieser Gelenke wird je Gelenk eine Variantenstudie mit ausgewählten geometrischen Parametern durchgeführt. Des Weiteren werden u. a. die betrachteten Gelenke in zwei ausgewählten nachgiebigen Mechanismen angewendet und die resultierenden Mechanismuseigenschaften untersucht. Es wird aufgezeigt, dass sich ähnliche günstige Geometrieparameter für monolithische Einzel- und Mehrfachdrehgelenke ergeben und der Gelenktyp der blattfederartigen Drehgelenke Vorteile im Hinblick auf eine spannungsgünstige Gestaltung gegenüber gewöhnlichen Kerbgelenken zeigt. Ebenso stellt sich heraus, dass die betrachteten Mehrfachdrehgelenke Potenzial für die Anwendung in nachgiebigen Mechanismen bieten und durch sich sie Vorteile gegenüber nicht-planaren Mechanismen ergeben.
Experimentelle Untersuchungen zum Schwingungsverhalten von magneto-sensitiven Elastomeren für sensorische Anwendungen. - Ilmenau. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Magneto-sensitive Elastomere (MSE) gehören zur Gruppe der "intelligenten Materialien", deren mechanische Eigenschaften durch äußere Einwirkungen verändert werden können. Unter dem Einfluss des Magnetfeldes kann man eine Änderung des Materialverhaltens beobachten. Deswegen sind sie sehr attraktiv für viele technische Implementierungen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Materialeigenschaften von MSE, die in einem äußeren, homogenen Magnetfeld periodisch bewegt werden. Der Fokus liegt dabei auf der Ermittlung mechanischer Schwingungseigenschaften. Für die Untersuchungen wird die Neukonstruktion eines Prüfstandes ausgeführt. Der praktisch umgesetzte Prüfstand ermöglicht die Untersuchung eines Prüfkörpers aus MSE, der mit Hilfe eines Shakers zu erzwungenen Schwingungen erregt wird. Der Amplituden-Frequenzgang und der Phasengang des Schwingungssystems werden für verschiedene Parameter ermittelt und mit analytischen und numerischen Methoden ausgewertet.
Auswahl und Optimierung eines Starrkörpermechanismus für die Konstruktion von nachgiebigen Mechanismen in hochauflösenden Schreitantrieben. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Hochpräzise Positioniersysteme haben große Bedeutung für eine Vielzahl von Anwendungen in der Optik, Halbleitertechnik, Messtechnik, Medizintechnik oder Mikrofertigung. Eine mögliche Lösung für den Antrieb dieser Positioniersysteme sind piezoelektrische Schreitantriebe. Sie basieren auf einer Anordnung von piezokeramischen Elementen, die eine Schreitbewegung gegenüber einem Läufer erzeugen. Vorteile dieser Antriebe sind eine Positionierungsauflösung im Sub-Nanometerbereich bei hohen Haltekräften. Allerdings sind die Investitionskosten für derartige Systeme, durch kostenintensive Piezoaktoren, sowie deren Ansteuerung, vergleichsweise hoch. Ein bisher wenig betrachteter Ansatz zur Kostenreduzierung ist die Nutzung von nachgiebigen Mechanismen in Kombination mit alternativen Aktoren. Die Vorteile von nachgiebigen Mechanismen sind ihre Spielfreiheit und ihre Positioniergenauigkeit im Sub-Mikrometerbereich. Eine Möglichkeit zur Realisierung alternativen Schreitantrieben liegt in der Adaption von Schreitmechanismen aus dem Bereich der mobilen Robotik. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Starrkörpermechanismen für die Entwicklung von nachgiebigen Mechanismen als Bestandteil von Schreitantrieben. Hierzu werden die anwendungsspezifischen Anforderungen analysiert und Entwicklungsziele festgelegt. Es wird eine Reihe von Starrkörpermechanismen aufgelistet, verglichen und anhand der festgelegten Entwicklungsziele bewertet. Anschließend erfolgt die Auswahl eines Starrkörpercmechanismus, um diesen für die Anwendung in einem nachgiebigen Schreitantrieb weiter zu optimieren. Für den optimierten Starrkörpermechanismus wird der Einfluss der Maß- und Lagetoleranzen näher untersucht. Abschließend erfolgt eine Auswertung der erzielten Eigenschaften des entworfenen Starrkörpermechanismus, sowie ein erster Entwurf für die Umsetzung als nachgiebiger Mechanismus.
Modellbasierte Entwicklung eines mobilen Scouts für extreme Gelände in der planetaren Exploration. - Ilmenau. - 117 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
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.
Erweiterung eines strukturmechanischen FE-Berechnungsalgorithmus im Programmsystem MATLAB®. - Ilmenau. - 304 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In der vorliegenden Masterarbeit werden Lösungsalgorithmen zur geometrisch linearen Finite-Elemente-Berechnung von Stab-, Balken und Scheibenelementen vorgestellt. Ausgehend von den notwendigen Grundlagen für die Analyse der genannten Elementtypen erfolgt durch die Erarbeitung verschiedener Lösungsmethoden die Bestimmung von Knotenverschiebungen, inneren Elementkräften, Eigenfrequenzen und kritischen Knicklasten. Zu diesem Zweck wird ein bestehender Algorithmus um die genannten Elementtypen erweitert und für die Entwicklung von Lösungsansätzen von einfachen und komplexen Problemstellungen benutzt. Die Umsetzung der Berechnungen erfolgt dabei durch das numerische Berechnungsprogramm MATLAB, die Ergebnisse werden durch die kommerzielle FE-Software ANSYS Mechanical APDL verifiziert. Als Ergebnis dieser Arbeit liegt neben den erzeugten Programmcodes eine ausführliche Dokumentation zu den Lösungsansätzen der gewählten Problemstellungen vor.
Entwicklung eines Sensorsystems zur Magnetfeldmessung. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
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.
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.
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.
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.