07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Konstruktionstechnik und Technisches DesignStart date: 2023

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    Geometrieanalyse und menschzentrierte Untersuchung zur markenspezifischen Formgebung von Produkten mit unterschiedlicher Aufbaugestalt
    (Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Fischer, Matthias Sebastian; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
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    Ganzheitliche Analyse und Optimierung der Systembelastungen schnell drehender Hochdruck-Radialventilatoren
    (Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Recker, Stefan; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
    Die Arbeit beschäftigt sich mit der umfassenden Untersuchung und Optimierung der Systembelastungen bei schnell drehenden Hochdruck-Radialventilatoren. Durch ein systematisches Vorgehen und gewonnene Erkenntnisse ermöglicht sie die Anwendung hoher Drehzahlen in Kombination mit der bewährten und kostengünstigen Blechbauweise von Laufrad und Gehäuse. Dies führt zu neuen Ventilatorentypen mit bisher nicht verfügbarer Effizienz und Betriebspunkten. Die herkömmlichen Blechbauweise-Ventilatoren sind meist ineffizient und bauen sehr groß, während Ventilatoren mit Freiformlaufrädern kompakter sind, aber teurer in der Herstellung. Die Arbeit schließt eine Marktlücke, indem sie schnell drehende Ventilatoren mit hoher Effizienz in kostengünstiger Blechbauweise untersucht. Die Studie analysiert und bewertet die auftretenden Belastungen im Ventilator, insbesondere die Lagerkräfte. Durch Lagerkraftmessungen und ein entwickeltes Vorauslegungsprogramm können effizient ausgelegte Ventilatoren hinsichtlich Lagerkräften und Lebensdauer vorhergesagt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wahl des Nennbetriebspunktes die lasttechnisch optimale Auslegungsdrehzahl beeinflusst, des Weiteren werden Maßnahmen zur Optimierung der Lebensdauern gefunden. Nach Festlegung der belastungsoptimalen Basisparameter erfolgt die Feingestaltung des Ventilators. Potenziell problematische Eigenfrequenzen werden analysiert und optimiert, um Resonanzen zu vermeiden. Die Arbeit betrachtet zudem den Fliehkrafteinfluss auf das hochbelastete Blechlaufrad mit Optimierungsmöglichkeiten durch den Einsatz von hochfesten Werkstoffen und Reduzierung von Kerbspannungen. Die vorgestellten Methoden und Optimierungsmöglichkeiten werden anhand zweier entwickelter Ventilatoren bewertet. Der direkte Vergleich mit anderen Herstellern bestätigt einen bis zu 30 % höheren Luftwirkungsgrad und kompakte, kostengünstige Blechbauweise. Die Arbeit schließt mit einem Leitfaden zur Analyse und Optimierung der Systemlasten.
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    Challenges of using augmented reality to support an efficient and error-free assembly in complex variant environments
    (2023) Dausch, Valesko; Roth, Daniel; Kreimeyer, Matthias; Bohr, Sebastian
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    Function integration in additive manufacturing: a review of approaches
    (2023) Tüzün, Gregory-Jamie; Roth, Daniel; Kreimeyer, Matthias
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    Methodik zur Entwicklung von adaptiven Interfacesystemen in mobilen Maschinen
    (Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Kaufmann, Andreas; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
    Die vorliegende Arbeit behandelt die methodische Entwicklung adaptiver Interfacesysteme in mobilen Maschinen. Bei den bereits zur Verfügung stehenden methodischen Ansätzen zur Produktentwicklung, im Speziellen zur Entwicklung von adaptiven Mensch-Maschine-Schnittstellen, existiert keine zufriedenstellende Methodik für den geforderten Anwendungskontext. Diese Forschungslücke wird durch Experteninterviews, die mit der Delphi-Methode durchgeführt werden, validiert. Hierbei werden zusätzlich sämtliche Einflussparameter, die zur Entwicklung von adaptiven Interfacesystemen dienen, erfasst. Außerdem werden Einflussparameter generiert, welche eine Bedienfunktionskategorisierung hinsichtlich einer virtuellen bzw. realen Bedienung ermöglichen. Sämtliche Parameter werden einerseits durch die entwickelten Methoden im Entwicklungsprozess berücksichtigt, dienen andererseits auch als Bewertungsparameter innerhalb dieser Methoden. Die entstandene Methodik setzt sich aus insgesamt fünf neu entwickelten Methoden, der Fokusgenerierung (FG), der Funktions- Zuordnungsmethode (FZM), der Komplexitätsmethode (KM), der Funktions- und Bedienanalyse (FuB) und der Layer-Methode (LM), zusammen. Die FG dient der Fokussierung und Vereinheitlichung der Projekterwartungen und –ziele unterschiedlicher Projektpartner. Resultierend entsteht eine Empfehlung welche der weiteren vier Methoden angewendet werden sollen. In der FZM wird eine Bedienfunktionskategorisierung generiert. Diese beinhaltet eine Empfehlung hinsichtlich des geeigneten Interfaces (real oder virtuell) bei der Umsetzung der betrachteten Funktionen. Die KM ermittelt einen Komplexitätsgrad, welcher eine Gestaltungsempfehlung für die Interfaceentwicklung hinsichtlich deren Komplexität beinhaltet . Die FuB erfasst sämtliche Charakteristiken der Bedienfunktionen, die in dem betrachteten technischen System relevant sind. Mit Hilfe der LM werden Interfacekonzepte generiert, welche hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Bedienfläche, der Anordnung und Ausführung sinnvoll zugeordnet werden. Die Tauglichkeit der entwickelten Methodik wird anhand von sechs verschiedenen Evaluationsprojekten, 16 zu überprüfenden Anforderungen und mit der Hilfe von vier unterschiedlichen Evaluationsarten erfolgreich überprüft.
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    Classification of methodologies for design for circular economy based on a literature study
    (2023) Stölzle, Merlin Gerald; Roth, Daniel; Kreimeyer, Matthias
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    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, Matthias
    Drive 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.
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    Experimentelle Validierung von dreidimensionalen interaktiven Systemen in der Medizintechnik
    (Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Schmid, Peter; Maier, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
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    Gestaltoptimierung von 3D-Fügeflächen umformtechnisch gefügter Welle-Nabe-Verbindungen für eine erhöhte dynamische Torsionsfestigkeit
    (Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2024) Ulrich, Daniel; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
    Umformtechnisch hergestellte Welle-Nabe-Verbindungen, die mittels Quer-Fließpressen gefügt werden (Q-WNV), stellen ein neues Verfahren zur ressourceneffizienten Fertigung hochfester Verbindungen zwischen duktilen Wellen und gehärteten Naben dar. Bisherige querschnittskonstante Fügeprofile auf Basis komplexer Trochoiden führen aufgrund des inhomogenen Kontaktverhaltens zu einer hohen Reibdauerbeanspruchung (RDB) unter dynamischer Torsion, welche die Ermüdungsfestigkeit der Q-WNV limitiert. Mit der Entwicklung und Validierung einer Methode zur fugendruckorientierten Gestaltoptimierung von 3D-Fügeflächen trägt diese Arbeit zur Festigkeitssteigerung von Q-WNV bei und liefert wichtige Erkenntnisse für die Gestaltung und festigkeitstechnische Optimierung von umformtechnisch gefügten WNV sowie für die Aussagekraft rechnerischer Bewertungsparameter der RDB. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Entwicklung der Gestaltoptimierungsmethode, die auf einer gekoppelten Finite-Elemente-Simulation des Umformprozesses und der nachfolgenden Belastung basiert. Dabei werden Eigenspannungen und Verfestigungseffekte des Wellenwerkstoffs aus dem Fügeprozess bei der Beanspruchungsanalyse berücksichtigt. Die Methode wird zunächst auf eine rotationssymmetrische Beispielverbindung angewendet, bei der die Kontur der Nabeninnenfläche in axialer Richtung iterativ angepasst wird, um eine vorgegebene Fugendruckverteilung anzunähern. Anschließend erfolgt eine Erweiterung der Methode auf unrunde Fügeflächen, die an den Profilhochpunkten und den Profiltiefpunkten eine vordefinierte Fugendruckverteilung aufweisen. In einer Parameterstudie werden Fugendruckverteilungen mit geringer rechnerischer RDB ermittelt. Im zweiten Teil der Arbeit erfolgt die Validierung des Simulationsmodells sowie die Untersuchung des Beanspruchungsverhaltens der Q-WNV unter statischer und dynamischer Belastung. Dabei werden verschiedene Fugendruckniveaus sowie zwei Wellenwerkstoffe unterschiedlicher Festigkeit berücksichtigt. Die Validierung erfolgt über die Messung der Aufweitung der Nabenmantelflächen, die indirekte Bestimmung des Fugendruckniveaus sowie die Ermittlung von Reibwerten. Für den Wellenwerkstoff 16MnCr5 wird bei Anwendung der optimierten 3D-Fügefläche eine Steigerung der Torsionsdauerfestigkeit um 26 % gegenüber dem ursprünglichen querschnittskonstanten Fügeprofil nachgewiesen, während für den höherfesten Wellenwerkstoff 42CrMo4 eine geringere Steigerung von 12 % ermittelt wird. Abschließend erfolgt ein Vergleich der Anrissposition und des Schädigungsbildes gebrochener Dauerlaufproben mit rechnerischen Bewertungsparametern der RDB. Die Arbeit endet mit der Diskussion der Ergebnisse und Gestaltungshinweisen für Fügeflächen von Q-WNV.