07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/8

Browse

Filters

2023 - 202522

Settings

Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für MaschinenelementeStart date: 2023

Search Results

Now showing 1 - 10 of 22
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Comprehensive study of failure mechanisms of field-aged automotive lead batteries
    (2023) Conradt, Rafael; Schröer, Philipp; Dazer, Martin; Wirth, Jonathan; Jöris, Florian; Schulte, Dominik; Birke, Kai Peter
    Modern vehicles have increasing safety requirements and a need for reliable low-voltage power supply in their on-board power supply systems. Understanding the causes and probabilities of failures in a 12 V power supply is crucial. Field analyses of aged and failed 12 V lead batteries can provide valuable insights regarding this topic. In a previous study, non-invasive electrical testing was used to objectively determine the reasons for failure and the lifetime of individual batteries. By identifying all of the potential failure mechanisms, the Latin hypercube sampling method was found to effectively reduce the required sample size. To ensure sufficient confidence in validating diagnostic algorithms and calculating time-dependent failure rates, all identified aging phenomena must be considered. This study presents a probability distribution of the failure mechanisms that occur in the field, as well as provides insights into potential opportunities, but it also challenges diagnostic approaches for current and future vehicles.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Modeling the pumping behavior of macroscopic lead structures on shaft counterfaces of rotary shaft seals
    (2023) Engelfried, Maximilian; Haffner, Georg; Baumann, Matthias; Bauer, Frank
    The leak tightness of the sealing system rotary shaft seal is based on the formation of an active back-pumping effect of the sealing ring. Here, the sealing ring pumps the fluid in the sealing gap back into the housing. However, this active sealing mechanism is disturbed by so-called “lead structures”. Lead structures include all types of directional structures on the sealing counterface which create rotation-dependent axial fluid pumping. Lead-affected sealing counterfaces can thus cause leakage or insufficient lubrication of the sealing contact. To ensure leak tightness, lead must be avoided or tolerated. This article investigates how different structural characteristics of lead affect the amount of fluid pumped by the shaft surface. For this purpose, 26 shafts are subjected to surface analyzing methods and an experimental pumping rate test. The interaction of various geometric features of the lead structures and their combined effect on the pumping capacity is modeled based on the measured data. Appropriated correlation models are discussed and relationships between shaft lead and its pumping effect are shown. The aim is to estimate shaft pumping rates based on surface measurements in future. The results contribute to the derivation of measurable tolerance values for lead and to the prevention of leakage.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Influence of protection lips on the frictional torque of rotary shaft seals
    (2024) Olbrich, Christoph; Feldmeth, Simon; Bauer, Frank
    Rotary shaft seals are used to seal rotating machine parts. In most cases one single sealing lip (main lip) contacts the shaft and separates the fluid on one side from the environment on the other side. To prevent the entry of other fluids and or particles, seals with additional protection lips are used (two lips), especially in heavily contaminated environments. When the protection lip contacts the shaft, a vacuum can form between the main lip and the protection lip, leading to increased contact pressure and friction. The increased frictional torque generates more heat and leads to overheating in the contact area between the lip and the shaft. Test runs conducted on a friction torque test bench with various seal configurations confirm that the two lips influence each other. Higher frictional torques and contact temperatures occur, when the volume between the lips isn't vented. This shows the importance of venting.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Realitätsnahe Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0
    (Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2023) Long, Fei; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)
    Die schnelle Verbreitung des Internets und die rasante Entwicklung der Logistik haben die Globalisierung und Internationalisierung beschleunigt. Durch die Entwicklung und Verbreitung moderner Technologien befindet sich die Industrie an einem Wendepunkt. Um seine internationale Führungsposition und seinen Wettbewerbsvorteil zu sichern, hat Deutschland die Strategie „Industrie 4.0“ umgesetzt. Daraufhin reagierte China mit der Strategie „Made in China 2025“ und Amerika mit „Strategy for American Leadership in Advanced Manufacturing“. Automatisierung, Digitalisierung und Globalisierung machen die Grenzen zwischen Herstellern und Kunden transparenter. Die Globalisierung ermöglicht es den Kunden, auf dem internationalen Markt problemlos eine Vielzahl von Produkten auszuwählen und die gewünschten Produkte mit vergleichbaren Eigenschaften, dem niedrigsten Preis und ausreichender Qualität zu finden. Kunden überzeugen nicht mehr nur die universellen Produkte, sondern auch die Produkte, die zu ihrer eigenen Persönlichkeit passen und ihre Individualität zeigen. Der Trend zur Personalisierung wird immer deutlicher. Darüber hinaus ermutigen die expandierenden sozialen Netzwerke und Online-Echtzeitnachrichten die Industrie, dem Feedback und den Meinungen der Kunden mehr Aufmerksamkeit zu schenken. Die Bedeutung der Kundenzufriedenheit und die Rolle der Kunden auf dem Markt nehmen deutlich zu. Vor dem Hintergrund der Globalisierung suchen die internationalen Wettbewerber nach neuen Strategien und Methoden, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Verschiedene Maßnahmen zur Steigerung von Effizienz und Effektivität wurden untersucht und umgesetzt. Es wurden verschiedene Aspekte analysiert, um die Kundenzufriedenheit zu erhöhen und die Produktionskosten zu senken und damit die Rentabilität zu steigern. Durch die Anwendung der automatisierten Technik und Technologie wird der Automatisierungsgrad des industriellen Sektors erhöht und standardisiert. Der erhöhte Automatisierungsgrad und die zunehmende Digitalisierung ermöglichen es der Industrie, kundenspezifische Produkte herzustellen. Auch die Produktqualität kann gewährleistet werden. Um auf dem internationalen Markt Fuß zu fassen und internationale Kunden zu gewinnen, muss die Industrie die kundenspezifischen Anforderungen und Wünsche erfüllen. Daher entstand die Herausforderung, variantenreiche kundenspezifische Produkte in kleinen Losgrößen effizient zu produzieren. Um die Effizienz zu steigern, sollen neue Konzepte von Produktionssystemen in der Industrie 4.0 untersucht werden. In der Literatur werden vielseitige Produktionssysteme, digitale Produktion etc. vorgeschlagen, um dem Trend der Individualisierung und den zukünftigen Herausforderungen zu begegnen. Traditionelle Produktionssysteme basieren auf der Strategie der "Massenproduktion". Aufgrund der hohen Stückzahlen werden die Herstellungskosten gesenkt. Diese Produktionssysteme sind jedoch ineffizient, wenn es darum geht, personalisierte Produkte in kleinen Losgrößen herzustellen. Daher können sie die Anforderung der Individualisierung nicht erfüllen. Im Zukunftsforschungsprojekt Industrie 4.0 wurden neue Konzepte von Produktionssystemen vorgeschlagen. Kernlösung für die Erfüllung der Individualisierung ist die flexible und wandlungsfähige Produktion. Heute besteht die Notwendigkeit, das Konzept vor der Anwendung systematisch zu analysieren, um die möglichen Herausforderungen und Risiken zu untersuchen. Die Literatur hat sich mit dem Design und den Konzepten beschäftigt. Einige haben die vereinfachten Produktionssysteme modelliert. Viele Aspekte können jedoch nicht zusammen betrachtet werden. Es gibt noch keine Methode, um Produktionssysteme unter Berücksichtigung umfassender Aspekte systematisch zu modellieren und realistische, anwendungsreife Ergebnisse zu erhalten. Eine realitätsnahe Modellierung der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in der Industrie 4.0 wird dann mögliche Fragestellungen zur Reduzierung von möglichen Verlusten, Schäden und Risiken untersuchen. Im Anschluss daran können konkrete Maßnahmen zur Optimierung der Produktionssysteme vorgeschlagen werden. Für die Auswahl einer geeigneten Methode zur Modellierung von Produktionssystemen in der Industrie 4.0 werden die Fähigkeiten der vorhandenen Methoden zur Modellierung der spezifischen Eigenschaften von Produktionssystemen in der Industrie 4.0 in Bezug auf Netzwerkfähigkeit, Kommunikation, künstliche Intelligenz und Anpassungsfähigkeit bewertet. Die Auswertungen zeigen, dass das Petrinetz für die Modellierung der Produktionssysteme in der Industrie 4.0 sehr gut geeignet ist. Das Hauptziel der Arbeit ist es, die Verfügbarkeit von Produktionssystemen in der Industrie 4.0 mit Petrinetz realistisch zu modellieren. Durch die Modellierung der Produktionssysteme können die möglichen Probleme im Konzept untersucht werden, um mögliche Verluste, Schäden und Risiken zu reduzieren. Anschließend kann eine konkrete Maßnahme zur Optimierung der Produktionssysteme vorgeschlagen werden.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Multiscale structural mechanics of rotary shaft seals : numerical studies and visual experiments
    (2023) Grün, Jeremias; Gohs, Marco; Bauer, Frank
    Although rotary shaft seals have been used successfully in many industrial applications for decades, their tribological behavior is still not completely understood. In-depth knowledge of the structural mechanics is essential for the design and optimization of such sealing systems. High complexity results from the multiscale interactions in the tribological system rotary shaft seal. Large macroscopic deformations occur due to the hyperelastic material behavior of elastomers coupled with microscopic tangential distortions of the sealing edge surface in the contact area. This paper includes both numerical and experimental studies on the tribological behavior of rotary shaft seals. A multiscale finite element model provides the simulation of the macroscopic deformations and the microscopic displacements. A test rig equipped with a hollow glass shaft enables in situ visual contact analyses, qualitative determinations of pressure distributions and quantitative measurements of elastomer surface distortions. The optical phenomenon of frustrated total internal reflection enables qualitative evaluations of the pressure distribution. Particle image velocimetry (PIV) is employed to quantify the tangential distortions. The test rig enables the measurement of the friction torque with the same configuration. The results of the numerical and experimental investigations for the radial load, friction torque and tangential distortions are compared and discussed. This serves to validate the simulation methods and the correlation of the measured parameters. This finally results in a solid and validated basis for further tribological investigations of rotary shaft seals.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Parameter assessment for reliability modeling of machine components using heuristic screening
    (2023) Arndt, Marco; Dazer, Martin; Raither, Wolfram; Bertsche, Bernd
    For the investigation of influence of various parameters on properties and outputs of components or systems, Design of Experiments (DOE) offers the most efficient approach to create a comprehensive empirical insight into product performance. However, especially if product lifetime is treated as the investigation objective, the main focus of attention must be placed on the efficiency of testing - if only to comply with the principle of DOE, even before testing begins. Without actual test runs, a pre-selection of relevant factors influencing the target quantity can be performed here and strategically adjusted in scale compared to the subsequent method. In this work, common heuristic tools and methods are analyzed and evaluated with respect to a deliberate preselection of influencing factors versus the challenges in lifetime testing and degradation behaviors. Several factors as well as their interactions are taken into account to achieve this. For this purpose, these methods are partially extended and adapted in their focus in order to finally be made applicable in a suitable procedure. An illustration of this is also provided in a selected use case with limited empirical and experimental prior-knowledge, in which a sample of relevant influences is identified through qualitative heuristic decision making with respect to parameters that influence product lifetime.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Verknüpfung von Zuverlässigkeitstechnik und Prognostic and Health Management mittels virtueller Sensoren
    (Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2023) Diesch, Martin; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Multiphase conjugate heat transfer analyses on the assembly situation of rotary shaft seals
    (2023) Hannss, Jacqueline; Grün, Jeremias; Olbrich, Christoph; Feldmeth, Simon; Bauer, Frank
    Rotary shaft seals prevent the exchange of fluid at shaft passages. Their function and service life depend decisively on the temperature in the contact area between the sealing edge and the shaft. Since the temperature depends on both the generation of frictional heat in the contact area and the heat transfer to the surrounding sealing system, the design of the sealing system is crucial. Within the scope of this work, multiphase conjugate heat-transfer analyses were performed considering different assembly situations. The computed results were presented and contrasted to experimental data. This resulted in a valid model for predicting the temperature in the sealing system, which provided insight into the influence of the sealing surroundings on the contact temperature.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Methode zum simulationsbasierten Nachweis der funktionalen Sicherheit fehlertoleranter Systeme
    (Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2023) Bergen, Patrick van; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)
    Zur Realisierung automatisierter Fahrfunktionen ist der Einsatz fehlertoleranter Systeme im Fahrzeug unvermeidbar. Mit steigender Automatisierungsstufe entfällt der Fahrer als Rückfallebene. Aufgrund dessen muss das Fahrzeug im Fehlerfall selbsttätig den sicheren Zustand erreichen. An der Realisierung der automatisierten Fahrfunktionen sind E/ESysteme beteiligt, weswegen die ISO 26262 bei der Entwicklung berücksichtigt werden muss. Die ISO 26262 umfasst den gesamten Sicherheitslebenszyklus eines Fahrzeuges. Ein Teil der ISO 26262 befasst sich ausgehend von den Sicherheitszielen mit der Ableitung von Sicherheitsanforderungen an die Komponentenebene. Dabei werden unter anderem die ASIL der Sicherheitsziele mittels ASIL Allokation und Dekomposition an untergeordnete Systeme und Komponenten abgeleitet. Aufgrund der hohen Systemkomplexität durch die Fehlertoleranz des Fahrzeugs ist dies händisch nicht effizient durchführbar. Aufgrund dessen werden die mathematischen Grundlagen der ASIL Dekomposition sowie ein Algorithmus zur automatisierten ASIL Allokation und Dekomposition auf Basis einer Fehlerbaumanalyse vorgestellt. Ein weiterer Bestandteil der ISO 26262, der durch die Analyse fehlertoleranter Systeme beeinflusst wird, ist der Nachweis, dass das Fahrzeug ausreichend sicher ist. Aufgrund der hohen Systemkomplexität sind die ISO 26262 Standardmethoden, Fehlerbaumanalyse und FMEDA, zur Modellierung der fehlertoleranten Systeme nur bedingt geeignet. Aufgrund dessen wird ein Ansatz basierend auf einer Markov-Analyse zur Modellierung der Fehlertoleranz vorgestellt. Das Markov-Modell wird automatisiert auf Basis von Fehlerinjektionssimulationen aufgebaut, welche das Systemverhalten im Fehlerfall bei Einfach- und Mehrfachfehlern beschreiben. Die Zustandsübergänge des Markov-Modells werden mittels Fehlerbaumanalysen der fail-safe Komponentenebene quantifiziert. Durch die vorgestellte Methode - werden die zum Sicherheitsnachweis benötigten ISO 26262-Metriken berechnet, - eine effiziente Systemoptimierung durch Identifikation der einflussreichsten Fehler / Fehlerkombinationen durchgeführt, - der Einfluss von Parametervariationen mittels Sensitivitätsanalysen bewertet, - der Nachweis der Funktionsfähigkeit von Sicherheitsmechanismen durchgeführt, - die Erkennung und Behebung systematischer Fehler des Systemdesigns, der Komponentendimensionierungen und Fehlerreaktionen umgesetzt.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access