07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Seniorengerechtes Design : aktuelle Studien im Technischen Design(2007) Maier, Thomas‚Wer von „den Senioren“ spricht, macht bereits den ersten Fehler’, auch diesen Titel kann man sehr werbewirksam in der Zeitschrift Absatzwirtschaft lesen. Er beschreibt aber sehr treffend das Spannungsumfeld, in dem wir uns – das heißt das Forschungs- und Lehrgebiet Technisches Design am Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design (IKTD) – mit unseren Studien derzeit bewegen. Denn die unterschiedlichen Einstellungen und Werthaltungen der ‚Senioren’ sind genau so heterogen und facettenreich wie in anderen Altersgruppen. Für die Altersgruppe der Senioren wurden viele Begriffe beziehungsweise Synonyme wie zum Beispiel ‚Best Ager’, ‚Junge Alte’, ‚Silver Surfer’ beziehungsweise ‚Generation 50 Plus, Generation 55 Plus und Generation 60 Plus’ geprägt.Item Open Access Auslegung hybrider Querpressverbände für erhöhte Betriebstemperaturen(2020) Wagner, Miriam; Binz, HansgeorgDie vorliegende Veröffentlichung befasst sich mit der Auslegung hybrider Querpressverbände, d. h. der Verbindung von Stahlwellen und vollkeramischen Naben, bei Betriebstemperaturen oberhalb der Raumtemperatur. Zunächst wird in einer Einführung auf die Vorteile dieser Verbindung eingegangen. Es folgt ein Überblick über den Stand der Forschung und die erzielten Ergebnisse bei Raumtemperatur. Die zwei bisher vorhandenen Auslegungsverfahren bedienen sich strukturmechanischer bzw. thermomechanischer Simulationen, um die wirkenden Kräfte auf die Fügepartner und die daraus resultierenden Verformungen zu berechnen. Mit den Ergebnissen wird eine neue Wellenform definiert. So gefertigte Wellen führen im Pressverband zu einem annähernd konstanten Fugendruckverlauf. Simulationen zeigen jedoch, dass sich diese Wellen nicht für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen eignen. Um einen ähnlich günstigen Spannungszustand zu erreichen und Spannungsspitzen zu vermeiden, muss das Vorgehen modifiziert werden. Die hierfür notwendigen Schritte werden ausführlich beschrieben. Darüber hinaus werden anwendungsnahe Hinweise zur Optimierung der Ergebnisse bzw. geometrischen Gestaltung des Pressverbands gegeben.Item Open Access Investigation of a large‐scale adaptive concrete beam with integrated fluidic actuators(2022) Burghardt, Timon; Kelleter, Christian; Bosch, Matthias; Nitzlader, Markus; Bachmann, Matthias; Binz, Hansgeorg; Blandini, Lucio; Sobek, WernerAs the world population keeps growing, so does the demand for new construction. Considering material resources are limited, it will be unfeasible to meet such demand employing conventional construction methods. A new resource‐saving approach is provided by adaptive structures. Using sensors, actuators and control units, structures are enabled to adapt to loads, for example, to compensate for deformations. Since deformations are dominant in the design of bending‐stressed load‐bearing structures, adaptivity enables such structures to be realized using less material and achieving the same load‐bearing capacity in comparison to conventional designs. This article presents a concrete beam of typical building dimensions that compensates deflections by means of integrated fluidic actuators. These actuators offer the possibility of reacting optimally to general loading. The investigation is carried out on an approximately 4‐m‐long beam with integrated hydraulic actuators. To ensure the overall functionality, accurate dimensioning of the beam as well as the hydraulic system is mandatory. Analytical design of the beam and actuation system are carried out for predimensioning. Experimental testing validates the function and demonstrates that the adaptive beam works as predicted. A fully compensation in deflection is possible. Therefore, a significant increase in load‐bearing capacity is possible with the same material input compared to conventional beams.Item Open Access Herleitung einer analytischen Optimierungsmethode für Beveloidräder durch lokale Anpassung der Verzahnungsdaten(2020) Marino, Daniel; Bachmann, Matthias; Binz, HansgeorgBei schneidend oder windschief angeordneter An- und Abtriebswelle (kleine Achswinkel bis 30°) bieten Beveloidverzahnungen, auch konische Verzahnungen genannt, eine Möglichkeit, Bauraum und Gewicht einzusparen. Aufgrund der zueinander geneigten Grundzylinder liegt jedoch keine gemeinsame Eingriffsebene vor, weshalb Beveloidradpaarungen im Allgemeinen nur punktförmig an einer Breitenposition der Zahnflanke abwälzen. Dieser punktförmige Kontakt führt bei nicht modifizierten Beveloidradpaarungen zu hohen lokalen Flankenpressungen. Um wie bei Zylinderrädern einen konjugierten, linienartigen Eingriff zu erzielen, sind bei Beveloidrädern derzeit komplexe, iterative Modifikationen der Flankenfeingeometrie notwendig. Daher wird in diesem Bericht ein analytischer Ansatz hergeleitet, der eine Bestimmung der modifizierten Flankenfeingeometrie für Beveloidräder in beliebiger Achslage ermöglicht. Grundlage dieses Optimierungsansatzes ist die stirnschnittweise Anpassung der Verzahnungsdaten, sodass ein konjugierter Eingriff erzielt wird. Erste Untersuchungen zeigen, dass eine zusätzliche tangentiale Modifikation die korrekte Position der Stirnschnitte entlang der Zahnbreite gewährleistet. Hierzu wird ein analytischer Ansatz basierend auf dem Verzahnungsgesetz verwendet, welcher die evolventische Zahnform im Stirnschnitt nicht verändert. Die Wirksamkeit der Modifikation wird mit lastfreien Kontaktsimulationen für drei exemplarisch modifizierte Beveloidradpaarungen gezeigt. Das Tragbild ist wie beim konjugierten Eingriff voll ausgebildet und der Drehfehler ist vergleichbar gering zu nicht modifizierten Beveloidrädern.Item Open Access An investigation of increased power transmission capabilities of elastic-plastic-designed press-fit connections using a detachable joining device(2024) Falter, Jan; Herburger, Daniel; Binz, Hansgeorg; Kreimeyer, MatthiasDrive systems are an important part of general mechanical engineering, automotive engineering, and various other fields, with shaft–hub connections being an important part of such systems. Decisive aspects in the development of such systems today are, for example, high transmittable forces and torques, low masses, and the cheapest possible production of components. A possibly threefold increase in the force and torque transmission capacity can be achieved by using press-fit connections with an elastic-plastic design as opposed to regular elastically designed alternatives. An elastic-plastic design of the press-fit connection is achieved by using a large interference. A large transition geometry on the shaft (which replaces the conventional chamfer) is required to join such an interference. The material and space requirements have a negative impact on lightweight applications and limited building spaces. Therefore, the objective of the research presented in this paper is to design and analyze a detachable joining device that substitutes this geometry. A simulation study was conducted to determine the geometry of the joining device that improves the stress state and consequently the force and torque transmission capacity of the connection. Moreover, the influence of manufacturing tolerances of the joining device and the shaft, corresponding risks, and measures to mitigate them are analyzed using finite element analysis. The results show that large transition radii, enabled by using a joining device, lead to a homogenous distribution of plastic strain and pressure in the press-fit connection, even for large interferences ξ and soft hub materials like wrought aluminum alloys. The influence of manufacturing tolerances on the stress state was quantified, leading to design guidelines that minimize the risk of, e.g., the front face collision of a shaft and hub, while maximizing the power transmission of the connection. The results show the capability of a detachable joining device to enable elastic–plastic press–fit connections and the corresponding threefold increase in the force and torque transmission capacity in lightweight applications, resulting from the substitution of the installation space consuming and mass increasing the transition geometry of the shaft.Item Open Access Experimentelle Untersuchung des Abwälzverhaltens von Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite(2022) Marino, Daniel; Bachmann, Matthias; Binz, HansgeorgZur Übertragung von Drehmoment und Drehzahl in beliebiger Achsanordnung eignen sich bei kleinem Achswinkel bis 30° Beveloidverzahnungen. Besonders die windschiefe Achslage bietet dabei Potenzial, Bauraum und Gewicht aufgrund eines möglichst direkten Leistungsfluss zu realisieren. Beveloidradpaarungen in nicht paralleler Achslage haben jedoch den Nachteil, dass aufgrund der geneigten Grundzylinder nur ein punktförmiger Kontakt vorliegt. Der auftretende Ease-Off kann ausschließlich durch komplexe Zahnflankenmodifikationen kompensiert werden, um so das Übertragungsverhalten zu verbessern. Zum Überprüfen der Wirksamkeit solcher Modifikation sind simulative Zahnkontaktanalysen unumgänglich. Zusätzlich sind Abwälzversuche erforderlich, um die simulativen Ergebnisse abzusichern. Durch Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite kann ein konjugierter Eingriff angenähert werden, was ein voll ausgebildetes Tragbild mit geringem Drehfehler in Kontaktsimulationen zeigt. In diesem Bericht sollen die vielversprechenden Ergebnisse der Kontaktsimulationen in Abwälzversuchen validiert werden. Zunächst wird mithilfe des Versuchskonzepts das Vorgehen definiert, um die Prüfstandsversuche durchzuführen und die erzielten Ergebnisse am Prüfstand mit den Simulationsergebnissen abzugleichen. Die exemplarisch ausgelegte Prüfverzahnung wird mittels Fünf-Achs-Fräsen gefertigt und kann mit drei Mikrogeometrien am Umfang verteilt ausgeführt werden. Zwei Ansätze zur Definition der Mikrogeometrien werden vorgestellt, mit denen ausgehend vom konjugierten Eingriff eine gezielte Positionierung und Skalierung des Tragbilds möglich ist. Die tatsächliche Zahnflankengeometrie wird topografisch vermessen und kann in Kontaktsimulationen untersucht werden. Der Vergleich zwischen diesen Simulationsergebnissen und den am Prüfstand ermittelten Ergebnissen zeigt beim Tragbild und lastfreien Drehfehlerverlauf eine hohe Übereinstimmung. Der Vergleich zwischen den Prüfstands- und Simulationsergebnissen validiert die analytische Berechnungsmethode zur Auslegung und Optimierung von Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite.Item Open Access Influence of Skydrol immersion at elevated temperatures on the thermo‐mechanical properties of a high‐Tg anhydride epoxy resin toughened with a hydroxy‐terminated polyester(2022) Hübsch, Jan David; Demleitner, Martin; Bard, Simon; Berendes, Philipp; Altstädt, Volker; Mittelstedt, ChristianCurrently, the application of composites in aerospace parts exposed to higher temperatures and in aggressive media is still severely limited. To replace metal alloys, alternative resins systems with suitable long‐term heat resistance are needed. In this study, the effect of the aviation hydraulic fluid Skydrol on the thermal and mechanical properties of a high‐Tg, anhydride‐cured epoxy resin in the unmodified and toughened state at elevated temperature is investigated. An aliphatic polyester diol was selected as an intrinsic toughener and its impact on the thermal, mechanical, and aging properties was determined. Experimental characterization of the aging effects is carried out with dynamic‐mechanical characterization, infrared spectroscopy, and electron dispersion x‐ray spectroscopy. In addition, the fracture toughness and the fatigue crack propagation behavior are determined. Initially, the toughened system shows an improved fracture toughness. Since oxidation is blocked by the Skydrol fluid only thermal degradation takes place as determined by the decrease in glass transition temperature Tg and network density. The thermal degradation leads to a tougher behavior, which is observed in both systems in static and dynamic mode with toughness decreasing with aging time again.Item Open Access Investigation of pressure chambers for integrated fluidic actuators in adaptive slabs(2024) Bosch, Matthias J.; Nitzlader, Markus; Bachmann, Matthias; Binz, Hansgeorg; Blandini, Lucio; Kreimeyer, MatthiasA high proportion of the CO 2 emissions worldwide are caused by the construction sector or are associated with buildings. Every part of the industry needs to reduce its share of emissions, so the building sector must also do its part. One possible solution for achieving this reduction in the field of load-bearing structures is the use of adaptive structures. This research focuses on adaptive slab structures, which require specific actuators to be integrated into the system. Conventional actuators are not suitable due to the prevailing requirements, namely installation space and performance. For this investigation, the actuator is divided into different functional components. A rough description of the requirements for one component, namely the energy converter, is given. Different concepts are developed, tested, and compared with numerical results. Due to the requirements, the concepts are limited to hydraulics. The authors then present a comparison of different simulation strategies for the energy converter. Overall, this paper provides a new contribution to the design of energy converter concepts for integrated hydraulic actuators in slabs, along with experimental verification of the working principle of the energy converters to meet the requirements. A simplified numerical model is proposed to estimate the behavior of the energy converter during the early design phase.Item Open Access Decision support for defining adaptive façade design goals in the early design phase(2023) Voigt, Michael P.; Roth, Daniel; Kreimeyer, MatthiasCompared to conventional façades, adaptive façades (AFs) can adjust their properties in response to environmental changes and user requirements. Often performed through the integration of actuators, sensors, and control units, this provides benefits such as reduced energy consumption in buildings but also increases the complexity of the façade design. To efficiently deal with the higher complexity, this article aims to provide suitable decision support for the early design phase, identify suitable design goals, and compare these to previously implemented Afs (make-or-buy decision). There is particular focus on the AF-specific characteristics, as these are new compared to well-known conventional façades. To systematically develop decision support, requirements are identified in expert interviews and the literature, and the current state of the art is evaluated against these. Research gaps found in current methods are addressed in this article, and continuous decision support is developed for the early design phase of an integrated design process. This support includes a checklist with AF-specific characteristics and a digitally implemented database of AFs. Based on the requirements, an evaluation is performed for both methods: this includes the comparison of the results to three ongoing AF projects and the assignment of 40 case studies to the database.Item Open Access Development of a low-expansion and low-shrinkage thermoset injection moulding compound tailored to laminated electrical sheets(2024) Braunbeck, Florian; Schönl, Florian; Preußler, Timo; Reuss, Hans-Christian; Demleitner, Martin; Ruckdäschel, Holger; Berendes, PhilippThis study presents a thermoset moulding compound designed for electrical machines with high power densities. The compound reduces residual stresses induced by the difference in thermal expansion during use and by shrinkage in the compound during the manufacturing process. To reduce the internal stresses in the compound, in the electrical sheet lamination and at their interface, first the moulding’s coefficient of thermal expansion (CTE) must match that of the lamination because the CTE of the electrical sheets cannot be altered. Second, the shrinkage of the compound needs to be minimized because the moulding compound is injected around a prefabricated electrical sheet lamination. This provides greater freedom in the design of an electric motor or generator, especially if the thermoset needs to be directly bonded to the electrical sheet. The basic suitability of the material for the injection moulding process was iteratively optimised and confirmed by spiral flow tests. Due to the reduction of the residual stresses, the compound enables efficient cooling solutions for electrical machines with high power densities. This innovative compound can have a significant impact on electric propulsion systems across industries that use laminated electrical sheets.