Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeption eines stufenlosen Getriebes für elektrifizierte Kraftfahrzeuge. Im Speziellen besteht die Schwerpunktsetzung darin, die Nachteile bisheriger Umsetzungen stufenloser Getriebe in Hinblick auf das übertragbare Drehmoment auszugleichen. Zudem soll das zu erarbeitende Konzept zu einer Effizienzsteigerung in elektrifizierten Antriebssträngen führen und somit dazu beitragen insbesondere Komponenten mit hohem Ressourcenbedarf wie Motor und Batterie effektiver dimensionieren zu können. Eine Analyse verbreiteter Getriebearten im Allgemeinen und im Speziellen von repräsentativen Realisierungsvarianten stufenloser Getriebe unterstützt bei der Ableitung von zu erfüllenden Anforderungen an die zu erzielende Neukonzeption. Darüber hinaus trägt eine Patentrecherche dazu bei, etwaige differente Lösungsansätze zu generieren. Auf Basis der zu Grunde liegenden Analyse werden unter Berücksichtigung der abgeleiteten Anforderungen und weiterer notwendiger Randbedingungen Lösungselemente zur Erfüllung der Zielstellung erarbeitet. Anschließend erfolgt die Kombination der Einzelelemente zu funktionserfüllenden Konzepten, welche im Rahmen einer Gegenüberstellung anhand von objektiven Bewertungskriterien verglichen werden. Das potenziell effektivste Konzept wird durch Einbeziehung realer Motorparameter überschlägig berechnet und durch eine konstruktive Grobgestaltung visualisiert. Ziel der Arbeit ist somit die konzeptionelle Umsetzung eines stufenlosen Getriebes zur Anwendung in elektrifizierten Kraftfahrzeugantriebssträngen mit hoher Drehmomentkapzität.
Konstruktion einer Roboterplattform für mobile Assistenzroboter. - Ilmenau. - 185 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Mobile Roboter werden bereits in vielen industriellen Bereichen eingesetzt. Auch im häuslichen Umfeld finden sie zunehmend Anwendung. Hier ergeben sich jedoch gänzlich andere Anforderungen bezüglich der Gesamtabmessungen, Masse und Manövrierbarkeit, was die Entwicklung neuartiger Roboterplattformen nötig macht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem methodischen Entwurf und der Konstruktion eines mobilen Assistenzroboters für den häuslichen Einsatz. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf der Untersuchung, Auswahl und Dimensionierung des Fahrgestells, der Radführung und des Rahmens zur Aufnahme der Hardwarekomponenten, mit dem Ziel der Gewichts- und Kostenminimierung. Einleitend werden im Stand der Forschung und Technik die Einsatzgebiete und Antriebskonzepte mobiler Roboter vorgestellt. Es folgt die Aufarbeitung der Anforderungen im häuslichen Umfeld. Für die einzelnen Systemkomponenten wird eine Reihe von Prinzipen erarbeitet, verglichen und ausgewählt. Insbesondere dreirädrige und sechsrädrige Antriebskonzepte werden anhand von Auslegungsrechnungen hinsichtlich ihrer Gesamtabmessungen, Kippstabilität und Manövrierbarkeit gegenübergestellt. Auf Basis der ausgewählten Prinzipe erfolgt der Gestaltentwurf des Roboters. Funktionsentscheidende Baugruppen werden mithilfe von Dimensionierungsrechnungen unter Anwendung einer Topologieoptimierung in ihrem Gewicht reduziert. Die erarbeiteten Baugruppen werden den gestellten Anforderungen gerecht und bilden eine ausgereifte Grundlage für eine Reihe verschiedener Roboterplattformen.
Using model-based systems engineering for need-based and consistent support of the design process. - In: Proceedings of the Design Society, ISSN 2732-527X, Bd. 1 (2021), S. 3369-3378
Model-Based Systems Engineering (MBSE) is an efficient approach to support product development in order to meet today's challenges. The MBSE approach includes methods and, above all, modelling approaches of the technical system with the aim of continuous use in development. The objective of this paper is to use the potential of the MBSE models and to show the added value of such models on the system level when used as a single source. With this objective, this paper presents a three-step approach to systematically identify and apply meaningful modelling approaches within MBSE, based on the needs during the development process. Furthermore, an FMEA example is included in this paper to elaborate the use of MBSE in the system failure analysis.
https://doi.org/10.1017/pds.2021.598
High-precision and large-stroke XY micropositioning stage based on serially arranged compliant mechanisms with flexure hinges. - In: Precision engineering, Bd. 72 (2021), S. 469-479
Compliant mechanisms are state of the art in micropositioning stages due to their many beneficial features. However, their design usually compromises between motion range, motion accuracy and design space, while mechanisms with distributed compliance are mostly applied. The further use of flexure hinges with common notch shapes strongly limits the stroke in existing high-precision motion systems. Therefore, this paper presents a high-precision compliant XY micropositioning stage with flexure hinges capable of realizing a motion range of ± 10 mm along both axes. The stage is based on a novel plane-guidance mechanism, which is optimized to realize a precise rectilinear motion of the coupler link while keeping the rotation angles of all hinges below 5˚. The XY motion is then achieved by coupling two of these mechanisms in a serial arrangement. Next, the synthesis of the monolithic XY stage is realized by replacing all revolute joints of the rigid-body model with flexure hinges using optimized power function notch shapes. Emphasis is also placed on the embodiment design of the stage and the actuator integration to minimize possible error sources. Finally, the quasi-static behavior of the compliant stage is characterized by a simulation with a 3D FEM model and by an experimental investigation of a prototype. According to the results, the developed compliant XY micropositioning stage achieves a maximum positioning deviation of less than 10 μm in both axes and a yaw error of less than 100 μrad over a working range of 20 mm × 20 mm with a comparably compact design of the compliant mechanism of 224 mm × 254 mm.
https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2021.02.001
Entwurf von Pressmechanismen für Kernschießmaschinen. - Ilmenau. - 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In dieser Arbeit wird ein Pressmechanismus unter Nutzung eines servomotorisch angetriebenen Doppelkniehebelsystems entwickelt, der für Triethylamin-Kaltkammer-Kernschießmaschinen zum Einsatz kommen soll. Grundlage der Entwicklung waren umfangreiche Kinematik- und Kraftanalysen an Einfach- und Doppelkniehebelsystemen zur Ermittlung von Aufbauformen mit niedrigen Anforderungen an Servomotoren und Spindeln, wobei Doppelkniehebelsysteme sich als besonders geeignet erwiesen haben. Aufbauend auf diesen theoretischen Untersuchungen wurde eine Berechnungsvorschrift zur Auslegung von Doppelkniehebelsystemen unter Nutzung der Software Mathematica entwickelt, die die kinematischen Parameter unter Beachtung von Bauraum- und Pressanforderungen ermittelt. Die kinematischen Parameter werden dabei so bestimmt, dass sich immer ähnliche Kinematik- und Krafteigenschaften des Doppelkniehebelsystems während der Fahrbewegung ergeben, d.h., dass eine hohe Ausgangsgeschwindigkeit beim Beginn des Einschießens gesichert ist, die im Laufe des Schießvorgangs bis zur Formschließung abnimmt, wobei die Antriebsgeschwindigkeit während des Bewegungsvorgangs konstant bleibt und die max. Antriebskraft weniger als das Doppelte der Schwerkraft der beweglichen Aufspannplatte ist. Die Berechnungsvorschrift enthält auch einen iterativen Algorithmus zur Abschätzung der Gelenkkräfte und -momente in Abhängigkeit von der Presskraft, um die Grundlage für ein 3D-Modell zu schaffen. Mit dem 3D-Modell, das das Doppelkniehebelsystem, den Servomotor mit Spindel und Führungen usw. berücksichtigt, können anschließend weitere Untersuchungen zur Beanspruchung und den Verformungen mit der Presskraft durchgeführt werden, und die Spannungsverteilung für jeden Hebel ähnelt der Spannungsverteilung unter Gelenklast, die mit iterativen Verfahren berechnet wurde. Den Abschluss der Arbeit bilden Vorgaben zur Kalkulation der Herstellkosten des Pressmechanismus.
Entwicklung mechanisch bewegter Rostfeuerungen unter Nutzung neuer Bewegungskonzepte. - Ilmenau. - 153 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Rostfeuerungen finden Anwendung bei der Erzeugung von Prozesswärme für die Industrie, zur kommunalen Wärmeversorgung und zu der Verwertung von Abfällen und anderen festen, stückigen Reststoffen. Bewegliche Rostfeuerungen ermöglichen den Transport, die Durchmischung des brennenden Gutes und den Abtransport der Asche aus dem Feuerraum. Die entstehende Wärme wird mittels des Rauchgases Wärmetauschern zugeführt und zur beispielsweise Dampferzeugung genutzt. Das Thema dieser Arbeit ist, unterschiedliche Bewegungskonzepte für Rostfeuerungen zu analysieren und zu entwickeln, um Brennstoffe wie Holz, andere biogene Brennstoffe und Abfälle auf dem Weg durch den Feuerraum zu durchmischen und somit gleichmäßig zu verbrennen. Auf Basis dieser Ergebnisse sollen Lösungen auf Konzept- und Gestaltebene erarbeitet werden.
Ausarbeitung von Praktika zur Präzisionsmessung unterschiedlicher Maschinenteile unter Anwendung einer Universallängenmessmaschine. - Ilmenau. - 182 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die ULM 01-600d ist ein hochpräzises, optisches Universallängenmessgerät, das das Abbesche -Komperatorprinzip in Verbindung mit einer mikrometrischen Skala nutzt. Durch die universelle Bauweise der ULM 01-600d können unterschiedliche Messanordnungen aufgebaut werden, die vielfältige Messaufgaben zur Innen- und Außenmessung an Objekten bis zu einer Maximalgröße von 100 mm x 100 mm x 100 mm erlauben. Das Ziel der Masterarbeit bestand darin, verschiedene Messszenarien für die ULM 01-600d zu entwerfen und Arbeitsunterlagen für deren praktische Durchführung auszuarbeiten. Diese Unterlagen erlauben Studierenden sich selbstständig auf Messversuche vorzubereiten. Dabei werden die notwendigen DIN-Normen bzw. die einschlägige Literatur und Fragen für Selbsttests berücksichtigt. Als konkrete Messobjekte kommen metrische Gewinde, Wälzlager und Stirnräder zum Einsatz. Zudem wurden Versuchsunterlage für Prüfer entworfen, die ergänzende Hinweise zur Nutzung der ULM 01-600d, die Antworten der Selbsttests und weitere Informationen enthalten.
Topologieoptimierung von Mechanismengliedern unter Berücksichtigung von Kollisionen. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Mechanismen finden sich in zahlreichen Bereichen des Maschinenbaus. Für die Gestaltung von Mechanismen sind neben den grundlegenden Funktionen der Bewegungs- und Kraftübertragung weiterer Eigenschaften von Bedeutung. Zu diesen Eigenschaften zählen unter anderem die Steifigkeit und Masse der Mechanismenglieder. Bestehende Verfahren der Topologieoptimierung ermöglichen diesbezüglich eine zielgerichtete Unterstützung bei der Gestaltung. Bisherige Ansätze vernachlässigen jedoch zumeist mögliche Kollisionen zwischen den Mechanismengliedern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Konzepten zur Topologieoptimierung von Mechanismengliedern unter Vermeidung von Kollisionen. Aufbauen auf der Analyse bestehender Arbeiten, werden nötige Teilfunktionen und Ansätze für das zu erarbeitende Lösungskonzept ermittelt. Diese dienen zur Erarbeitung, Systematisierung und Bewertung möglicher Konzepte. Im Hauptteil der Arbeit werden anschließend die Teilfunktionen eines ausgewählten Optimierungskonzeptes erarbeitet und implementiert. Kernbestandteil des ausgewählten Konzeptes ist die kollisionsfreie Aufteilung des zur Verfügung stehenden Bauraums für die Topologieoptimierung der einzelnen Glieder. Diese beinhaltet die Diskretisierung des Bauraums, die Verarbeitung der Relativbewegungen der Glieder, heuristische Verfahren zur Kollisionsvermeidung sowie die Aufbereitung der Daten für die Topologieoptimierung. Anhand von ausgewählten Fallbeispielen wird das Gesamtkonzept bestehend aus kinematischer Analyse, Bauraumaufteilung und Topologieoptimierung validiert. Das erarbeitete Vorgehen ermöglicht die Topologieoptimierung von Gliedern ebener Mechanismen für eine Vielzahl möglicher Zielfunktionen und Optimierungsverfahren. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick mögliche Weiterentwicklungen gegeben.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Nachgiebige Mechanismen haben einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Mechanismen mit konventionellen Gelenken, die vor allem für Präzisionsanwendungen von Bedeutung sind. Aufgrund zahlreicher Gestaltparameter und vielschichtiger Zusammenhänge zwischen den mechanischen Eigenschaften, stellt die Synthese eines nachgiebigen Mechanismus eine Herausforderung dar. Dabei steht zumeist die Gestaltung der Gelenke im Vordergrund. Aber auch die Gliedgestaltung ist von Bedeutung für die Eigenschaften des Mechanismus. Sie beeinflusst beispielsweise maßgeblich den Bauraum, die Fertigbarkeit und die Kollisionsfreiheit. Automatisierte Entwurfswerkzeuge könnten hierbei die Gliedgestaltung wesentlich erleichtern. Als erster Schritt zur Erarbeitung solcher Entwurfswerkzeuge, werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit geeignete Analysemethoden und Lösungsstrategien erarbeitet. Dazu werden Merkmale und Eigenschaften aufgezeigt, die für die Gliedgestaltung eines nachgiebigen Mechanismus von Bedeutung sind. Auf deren Grundlage werden verschiedene Lösungsstrategien und Anwendungsmöglichkeiten für die Gliedgestaltung von planaren Mechanismen betrachtet. Darunter zeigen Lösungsstrategien mittels Wegfindungsalgorithmen eine hohes Potenzial. Diese bilden daher den Fokus der Untersuchungen. Hierzu werden die nötigten Grundlagen der Graphentheorie erläutert. Es werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, mit denen der zur Verfügung stehend Bauraum für die Wegfindung aufbereitet werden kann. Zudem wird ein Überblick zu Wegfindungsalgorithmen gegeben. Aus diesem werden geeignete Wegfindungsalgorithmen ausgewählt. Zugehörige Implementierungen werden anschließend hinsichtlich ihrer Laufzeit und Robustheit verglichen. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden aufgearbeitet, ausgewertet und Schlussfolgerungen für die Anwendung in Lösungsstrategien zur Gliedgestaltung gezogen. Abschließend werden die Ergebnisse kritisch reflektiert und ein Ausblick auf die mögliche weiterführende Forschungstätigkeit gegeben.
Modelling and use of SysML behaviour models for achieving dynamic use cases of technical products in different VR-systems. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (XXII, 241 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 38)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Digitale Methode und Modellen ermöglichen den Produktdesignern eine frühzeitige Evaluierung des Produkts, damit sie das Verhalten des Produkts und seine Interaktionen mit benachbarten Systemen in seinen späteren Lebensphasen besser verstehen können. Virtual Reality (VR) ist eine Technologie, die zum frühen Evaluierungsprozess beitragen kann, indem spätere Lebenssituationen eines Produkts schon in der Entwurfsphase angezeigt werden können. Die Anwendung von VR in der Industrie ist jedoch derzeit aufgrund des hohen Modellaufbereitungsaufwands und der limitierten Wiederverwendbarkeit vorhandener Modelle begrenzt. Daher befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung einer Methode, die die frühzeitige Evaluierung des Produkts innerhalb von VR und die Verwendung von VR im Produktentwicklungsprozess erleichtern kann. Diese Methode befasst sich mit dem Prozess der Entwicklung allgemeiner Verhaltensbeschreibungen zur Verwendung in VR, die auch wiederverwendet werden können, um dynamische Anwendungsfälle eines Produkts in den verschiedenen VR-Systemen abzubilden. Der Fokus liegt auf der Reduzierung des gesamten Aufbereitungsaufwands von VR-Modellen und auf das Verwirklichen einer hohen Wiederverwendbarkeit bereits vorhandener Modelle. Die Kernkomponenten der Arbeit bestehen in der Verwendung von Model Based Systems Engineering (MBSE) zur Entwicklung allgemeingültiger Verhaltensmodellbeschreibungen, ihrer Verwendung beim Erstellen verschiedener Anwendungsfälle eines Produkts in einem VR-System und ihrer Wiederverwendung in den verschiedenen VR-Systemen. Die Systems Modeling Language (SysML) wird zur Beschreibung der Verhaltensmodelle verwendet, der Modellierungsprozess wird systematisch beschrieben und auch in Form allgemeiner Anwendungsrichtlinien für die spätere Verwendung zusammengefasst. Darüber hinaus wird eine dedizierte Physik-Engine verwendet, um die physikalischen Berechnungen für virtuelle Objekte in VR durchzuführen, welche auch mit SysML integriert ist. Diese SysML-Verhaltensmodelle zusammen mit der Physik-Engine bilden eine echtzeitfähige Produktanwendungssimulation in VR. Dieselben SysML-Verhaltensmodelle werden für verschiedene VR-Systeme verwendet, um Echtzeitsimulationen abzubilden und ihre Wiederverwendung zu validieren. Zwei VR-Prototypen wurden entwickelt, um die Wirksamkeit und Verwendung der vorgestellten Methoden zu demonstrieren. Schließlich wurde einer der Prototypen einer empirischen Untersuchung unterzogen, die mithilfe von Experten aus Wissenschaft und Industrie durchgeführt wurde.
https://doi.org/10.22032/dbt.47179