07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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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 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.Item Open Access Wertigkeitsanalysen zur Betätigungshaptik und -akustik manuell-mechanischer Bedienelemente im Pkw(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2024) Tondera, Michael; Maier, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Methodik zum situativen Designmanagement in der Design-Technik-Konvergenz in den frühen Phasen der Fahrzeugentwicklung(Universität Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2024) Reichelt, Florian; Maier, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Methoden zum funktionsintegrierten und leichtbaugerechten Konstruieren für pulverbettbasiertes Schmelzen(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2024) Garrelts, Enno Edzard; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)Additive Fertigungstechnologien bauen schichtweise Werkstücke ohne die Notwendigkeit produktspezifischer Werkzeuge auf. Sie bieten damit die Möglichkeit, reaktionsschnell und flexibel auf Marktentwicklungen zu reagieren. Das pulverbettbasiertes Schmelzen (Englisch: Laser Powder Bed Fusion - LPBF) ist vor allem für Industrieunternehmen von Bedeutung und ein geeignetes Verfahren zur additiven Fertigung von metallischen Werkstücken. Allerdings stellen die hohen Fertigungskosten, die mit diesem Verfahren verbunden sind, derzeit ein Hindernis für dessen industrielle Anwendung dar. Die beiden hauptsächlichen Kostentreiber des Verfahrens sind die Nutzungszeit der Maschinen und die Nachbearbeitung von rauen Oberflächen der hergestellten Bauteile, besonders an Kontaktpunkten zwischen mehreren Bauteilen. Die Nutzungszeit der Maschinen korreliert direkt mit der gravimetrischen Masse der hergestellten Bauteile. Mit einer gezielten Bauteilkonstruktion für LPBF kann den genannten Kostentreibern begegnet werden, indem Konstruktionen mit geringer Masse und einer möglichst geringen Bauteilanzahl angestrebt werden. In der Konstruktionstechnik werden hierzu u. a. die beiden Umsetzungsstrategien „Leichtbau“ und „Funktionsintegration“ angewandt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Konstrukteure bei der Reduktion der Kosten von mittels LPBF gefertigten Produkten zu unterstützen. Dies erfolgt durch Methoden für Funktionsintegration und Leichtbau für solche Bauteile. Eine effiziente Methode zur Funktionsintegration ist es, sich an bereits gestalteten Bauteilbeispielen zu orientieren und bewährte Konzepte zu adaptieren. Diese Erkenntnis findet sich zwar wiederholt in der Literatur, aber die vorhandenen Lösungsmethoden, wie beispielsweise Konstruktionskataloge, gehen nicht auf die Aspekte der Funktionsintegration ein. Im Gegensatz dazu gibt es einzelne Beispielbauteile, die das Konzept der Funktionsintegration vermitteln. Diese Bauteile passen jedoch nicht immer zur aktuellen konstruktiven Aufgabenstellung, und die Suche nach geeigneten funktionsintegrierten Lösungen wird bisher nicht unterstützt. In dieser Arbeit wird untersucht, wie die Suche nach funktionsintegrierten Lösungen für eine konstruktive Aufgabe vereinfacht werden kann und wie diese Lösungen dem Anwender des Katalogs auf einfache Weise vermittelt werden können. Die vorgeschlagene Methode ist ein Konstruktionskatalog zum systematischen Auffinden funktionsintegrierter Lösungen. Dieser besitzt einen mehrdimensionalen Zugriffsteil und vermittelt durch die Bereitstellung grundlegender Struktur- oder Konturelemente ein Verständnis für die funktionsintegrierten Lösungen. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist ein Vorgehen zum Entwurf von funktionsintegrierten Bauteilen und Modulen. Ein gängiges Hilfsmittel bei diesem Schritt ist die Strategie der „einteiligen Maschine“. Diese Methode wird jedoch auf unterschiedliche Weise eingeführt und angewendet. In dieser Arbeit wird untersucht, wie Konstrukteure bei der Integration von Bauteilen in der frühen Entwurfsphase angeleitet werden sollten. Aus den Untersuchungen geht hervor, dass ein schrittweises Vorgehen zu empfehlen ist, bei dem ein Gestaltelement nach dem anderen analysiert und mit dem Hauptteil der Konstruktion verbunden wird. Für jede der möglichen Operationen zur Integration der Gestaltelemente wurden Anwendungsbeispiele entwickelt, um ein besseres Verständnis für die vorhandenen Integrationsmöglichkeiten zu schaffen. Es ist bekannt, dass in frühen Entwurfsphasen oft mit Freihandskizzen gearbeitet wird. Die kraftflussgerechte Gestaltung auf dieser Grundlage hat einen großen Einfluss auf die leichtbaugerechte Gestaltung. Um eine effiziente und einfach zu bedienende Unterstützung während der ersten Auseinandersetzung mit der Produktgestalt zu bieten, wurde ein neuartiger Ansatz mit einem Softwarewerkzeug entwickelt und untersucht. Das Softwarewerkzeug analysiert eine Handskizze von Konstrukteuren und gibt Vorschläge für einen optimierten Kraftfluss. Das Kernelement des entwickelten Softwarewerkzeugs ist eine künstliche Intelligenz, die darauf trainiert wurde, Freihandskizzen zu evaluieren. Dies unterstützt Konstrukteure bei der Entwicklung von massearmen und damit leichtbaugerechten Konstruktionen ohne eine aufwändige Modellierung im CAD-System. Im Anschluss wurden die entwickelten Werkzeuge und Methoden aufeinander abgestimmt und eine durchgängige Unterstützung zum funktionsintegrierten und leichtbaugerechten Konstruieren für pulverbettbasiertes Schmelzen entwickelt. In den Evaluationen der Methoden mit 37 Studierenden konnten die angestrebten Konstruktionserfolge nachgewiesen werden. Die Studierenden konnten durch die Anwendung der Methoden mehr als 45 % der Bauteile in ihren Konstruktionen einsparen und gestalteten massereduzierte Bauteile. Diese Ergebnisse wurden durch Workshops mit insgesamt 17 Industrievertretern bestätigt. Mehr als 88 % der Workshop-Teilnehmer gaben an, dass sie nun in der Lage seien, massereduzierte und stärker integrierte Produkte zu konstruieren. Damit unterstützt diese Arbeit bei einem funktionsintegrierten und leichtbaugerechten Konstruieren für pulverbettbasiertes Schmelzen und folglich den vermehrten Einsatz von LPBF.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 Effiziente Methode zur Reduzierung von Spannungsspitzen im Fugendruckverlauf von zylindrischen Querpressverbänden(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2024) Wagner, Markus; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit ermöglicht es, ohne teure und komplexe Softwarepakete eine Konturanpassung in der Trennfuge von zylindrischen Querpressverbänden zu definieren, durch die sich kritische Spannungsspitzen am Nabenrand vermeiden lassen und die problemlos auf Standard-CNC-Drehmaschinen gefertigt werden kann. In technischen Anwendungen steht die Welle in einem Querpressverband funktionsbedingt an mindestens einer Seite der Verbindung über die Nabe hinaus. Durch diesen Steifigkeitssprung kommt es zu Spannungsspitzen am Nabenrand, die besonders bei harten und spröden Werkstoffen versagenskritisch sein können. Zudem stellen die Spannungsüberhöhungen grundsätzlich eine unnötig große statische Grundlast (Mittelspannung) dar, welche die Dauerfestigkeit reduziert. Aktuell existieren einige Gestaltungsempfehlungen, die jedoch mangels Berücksichtigung verschiedener geometrischer Einflussfaktoren nicht allgemein anwendbar sind, die Spannungsspitzen nur verschieben aber nicht vermeiden oder zu einer starken geometrischen Beeinflussung der Funktionsflächen der Nabe führen, sodass diese in der Praxis keine breite Akzeptanz finden. Darüber hinaus sind Methoden bekannt, die auf Basis komplexer Finite-Elemente-Simulationen eine spezielle Trennfugenkontur liefern, um den Fugendruck in der Trennfuge eines Pressverbands sehr genau zu homogenisieren. Diese Methoden erfordern jedoch umfangreiche Softwaresysteme sowie Expertenwissen und führen zu einer sehr filigranen Trennfugenkonturierung, die auf Standardmaschinen nur äußerst schwer prozesssicher hergestellt werden kann. Weil die Spannungsverteilung in einem Pressverband analytisch nur für den Fall einer gleich langen Welle und Nabe berechnet werden kann, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Methode entwickelt, mit der ein Pressverband mit überstehender Welle in eine äquivalente Verbindung überführt wird, die die gleichen Steifigkeitseigenschaften aufweist und sich analytisch einfach berechnen lässt. Auf Basis von umfangreichen FE-Untersuchungen wurde ein Verfahren zur Gestaltung einer Trennfugenkontur abgeleitet, die mit wenigen analytischen Rechenoperationen definiert und auf branchentypischen CNC-Maschinen prozesssicher hergestellt werden kann. Für die Validierung der FE-Modelle und Optimierungsergebnisse kamen experimentelle Verformungsmessungen infolge des Fügevorgangs sowie Beanspruchungsanalysen mittels Dehnmessstreifen zum Einsatz.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.Item Open Access Design and evaluation of new user control devices for improved ergonomics in flexible robotic endoscopy(2025) Heisterberg, Leander; Manfredi, Luigi; Wichmann, Dörte; Maier, Thomas; Pott, Peter P.Background: The ergonomics of flexible endoscopes require improvement as the current design carries a high risk of musculoskeletal injury for endoscopists. Robotic systems offer a solution by separating the endoscope from the control handle, allowing a focus on ergonomics and usability. Despite the increasing interest in this field, little attention has been paid towards developing ergonomic human input devices. This study addresses two key questions: How can handheld control devices for flexible robotic endoscopy be designed to prioritize ergonomics and usability? And, how effective are these new devices in a simulated clinical environment?
Methods: Addressing this gap, the study proposes two handheld input device models for controlling a flexible endoscope in four degrees of freedom (DOFs) and an endoscopic instrument in three DOFs. A two-stage evaluation was conducted with six endoscopists evaluating the physical ergonomics and a final clinical user evaluation with seven endoscopists using a virtual colonoscopy simulator with proportional velocity and position mapping.
Results and discussion: Both models demonstrated clinical suitability, with the first model scoring 4.8 and the second model scoring 5.2 out of 6 in the final evaluation. In sum, the study presents two designs of ergonomic control devices for robotic colonoscopy, which have the potential to reduce endoscopy-related injuries. Furthermore, the proposed colonoscopy simulator is useful to evaluate the benefits of different mapping modes. This could help to optimize the design and control mechanism of future control devices.Item Open Access Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP 2025 : Tagungsband zur Konferenz, Stuttgart, 22. Mai 2025(Stuttgart : Fraunhofer IAO, 2025) Hölzle, Katharina; Kreimeyer, Matthias; Roth, Daniel; Maier, Thomas; Riedel, OliverMit dem Ziel, nationale und internationale Fachleute unterschiedlicher Disziplinen der Produktentwicklung aus Industrie und Wissenschaft in den Dialog zu bringen, organisiert der Verein zur Förderung produktionstechnischer Forschung e.V. und das Fraunhofer IAO gemeinsam mit dem Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design IKTD, dem Institut für Maschinenelemente IMA und dem Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement IAT der Universität Stuttgart das Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP. Am 22. Mai 2025 findet das SSP zum achten Mal statt. Die Konferenz bietet Wissenschaftlern eine Plattform zur Präsentation und Diskussion ihrer neuesten Forschungsergebnisse im Bereich der Produktentwicklung und fördert so den interdisziplinären Wissenstransfer. Aufgerufen waren in der SSP 2025 Beiträge aus folgenden Kategorien: • Adaptive Bedienung für automatisiertes Fahren • Advanced Systems Engineering (ASE) / Model-Based Systems Engineering • Agile Produktentwicklung • Design-Technik-Konvergenz • Digital Engineering • Innovations- und Technologiemanagement • Konstruktionsmethodiken • Leichtbau in der Produktentwicklung • Nachhaltige Produktentwicklung • Nutzerzentriertes Design •Produktkomplexität • Wissensmanagement in der Produktentwicklung • Zuverlässige Produktentwicklung Im Plenum und vier Tracks mit jeweils drei Sessions werden 38 Beiträge präsentiert. Der Abstract der Keynote sowie die 38 Volltexte mit deutschen und englischen Abstracts sind in diesem Band zusammengefasst.