07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Influence of protection lips on the frictional torque of rotary shaft seals(2024) Olbrich, Christoph; Feldmeth, Simon; Bauer, FrankRotary 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.Item Open Access Sicherheitsrelevante Verfügbarkeit bei warm-redundanten E/E-Systemen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2024) Kilian, Philipp; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Die Automobilindustrie befindet sich zur Zeit im Wandel durch die zunehmende Elektrifizierung und das automatisierte sowie vernetzte Fahren. Dadurch werden immer komplexere Funktionen und damit neue elektrische und/oder elektronische (E/E-) Systeme im Fahrzeug notwendig. In diesem Zuge gewinnt die funktionale Sicherheit vermehrt an Bedeutung, wofür in der Automobilindustrie die Normenserie ISO 26262 maßgebend ist. Während bei früheren Fahrzeugfunktionen, z. B. Fahrerassistenzsystemen, ein sicherer Zustand im Fehlerfall durch Deaktivieren, d. h. die Nichtverfügbarkeit, der entsprechenden Funktion und beteiligten E/E-Systeme erreicht wurde - fail-passive - wird für die Erfüllung moderner Fahrzeugfunktionen, z. B. dem automatisierten Fahren, die Verfügbarkeit der beteiligten E/E-Systeme sicherheitsrelevant - dies wird als „sicherheitsrelevante Verfügbarkeit“ bezeichnet. Das führt zu neuen Herausforderungen an die funktionale Sicherheit, da diese hierdurch mit der Verfügbarkeit einhergehen muss, d. h. aktuelle fail-passive Ansätze sind nicht mehr ausreichend. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methodik bzw. ein Rahmenkonzept für den Umgang mit sicherheitsrelevanten Verfügbarkeitsanforderungen vorgestellt, wobei der Fokus auf warm-redundanten E/E-Systemen liegt - von der Anforderungsspezifikation bis hin zur Verifizierung und Validierung. Hierfür wird zunächst der Begriff „sicherheitsrelevante Verfügbarkeit“ in den Kontext gängiger Begrifflichkeiten, wie z. B. fail-safe oder fail-operational, gesetzt und die Auswirkungen solcher Anforderungen auf die zu entwickelnden E/E-Systeme werden untersucht. Zur Erfüllung einer sicherheitsrelevanten Verfügbarkeitsanforderung werden im Rahmen der Anforderungsableitung - im linken Teil des V-Modells - Maßnahmen zur Fehlervermeidung, Fehlervorhersage und/oder Fehlertoleranz spezifiziert, d. h. relevante Funktionen müssen hinreichend robust oder fehlertolerant ausgelegt sein. Dabei gewinnt besonders das Energiebordnetz an Bedeutung, da eine sichere, verfügbare und stabile Energieversorgung die Basis unterschiedlichster E/E-Systeme bzw. Fahrzeugfunktionen bildet. Im Falle von Fehlertoleranzmaßnahmen bzw. Redundanzen zur Erfüllung einer sicherheitsrelevanten Verfügbarkeitsanforderung befindet sich das Fahrzeug nach Verlust der Redundanz in der Regel in einem Notbetrieb. Das aktuell in der ISO 26262 bereitgestellte Konzept zur Erreichung eines funktional-sicheren Notbetriebs bezieht sich nur auf kalte Redundanz, das Energiebordnetz stellt häufig jedoch eine warme Redundanz dar. Zur Erreichung eines funktional-sicheren Notbetriebs ist es zwingend erforderlich, dass ein sicherer Zustand erreicht wird, bevor ein weiterer Fehler zum Ausfall des Backups bzw. redundanten Elements führt. Um diese Lücke zu schließen, wird ein ganzheitliches Konzept für einen funktional-sicheren Notbetrieb vorgestellt, das sowohl für kalt- als auch warm-redundante E/E-Systeme anwendbar ist. Zur Verifizierung und Validierung - im rechten Teil des V- Modells - ist abschließend das nicht zu vermeidende, verbleibende Restrisiko der Verletzung der sicherheitsrelevanten Verfügbarkeitsanforderung quantitativ zu bewerten. Dies ist v. a. bei hohen Sicherheitsintegritäten relevant. Hierfür wird eine Berechnungsmethodik für komplexe Fehlerkombinationen vorgestellt, die den Einfluss implementierter Sicherheitsmaßnahmen zur Erfüllung einer sicherheitsrelevanten Verfügbarkeitsanforderung, d. h. Maßnahmen zur Fehlervermeidung, Fehlervorhersage und Fehlertoleranz, realitätsnah widerspiegelt und im Falle von Fehlertoleranz auch die Dauer des Notbetriebs berücksichtigt, z. B. nach Verlust der Redundanz - sofern relevant.Item Open Access Einfluss alternativ gefertigter Dichtungsgegenlaufflächen auf die Funktionsmechanismen von Radial-Wellendichtungen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2024) Schulz, Markus; Bauer, Frank (apl. Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Zuverlässigkeitsnachweis von Systemen durch Komponenten- und Systemtests unter Berücksichtigung von Vorkenntnissen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2024) Grundler, Alexander; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Zentraler Gegenstand dieser Arbeit ist der Nachweis der Zuverlässigkeit von Systemen und die Planung der dazu notwendigen Tests. Selbst einfache Produkte können durch mehrere Ursachen und Mechanismen ausfallen und besitzen dazu meist mehrere Komponenten und Subsysteme. Diese Arbeit behandelt die Planung von Tests für den effizienten Nachweis der Systemzuverlässigkeit, welche die Systemstruktur und die Komponenten mit der Kombina- tion von Tests dieser Elemente berücksichtigt. Dazu wird die Probability of Test Success als zentrale, objektive Bewertungsmetrik verwendet. Sie ist fähig, die Wahrscheinlichkeit für einen erfolgreichen Zuverlässigkeitsnachweis anzugeben und erlaubt damit beispielsweise auch die Frage nach dem erforderlichen Stichprobenumfang bei ausfallbasierten Tests zu beantworten. Durch die vorgenommene Einordnung der Probability of Test Success in den statistischen Kontext eines Hypothesentests kann die Probability of Test Success auch als Trennschärfe verstanden werden. Dadurch werden Berechnungsmethoden entwickelt, die diesen Kontext ausnutzen. Ebenso ermöglicht dies die notwendige Erweiterung auf Systeme mit mehreren Ausfallmoden sowie die Berücksichtigung der Unsicherheit in der Vorkenntnis und die zusätzliche Berücksichtigung der Vorkenntnis mit dem Satz von Bayes. Ein ganzheitliches Vorgehen zeigt auf, wie im individuellen Fall der effizienteste Test identifiziert werden kann. Das heißt ein Test, welcher sowohl den Nachweis mit hoher Wahrscheinlichkeit erbringt, als auch die gesetzten Grenzen bezüglich des zur Verfügung stehenden Budgets einhält und die Ressourcen dabei möglichst effizient einsetzt. Untersuchungen zeigen, dass sich daraus ein grundsätzliches Verständnis zu den Tests, der Vorkenntnis und den Systemen ableiten lässt. Beispielsweise sind ausfallfreie Tests auf Komponentenebene den ausfallbasierten Tests aus statistischer Sicht fast immer unterlegen. Zudem verhält sich der Effekt von hohem Aufwand auf die Güte des Tests bei ausfallbasierten und ausfallfreien Tests gegensätzlich. Werden bei einem ausfallbasierten Test mehr Prüflinge verwendet, so steigt die Wahrscheinlichkeit für einen erfolgreichen Nachweis. Bei den ausfallfreien Tests sinkt dagegen die Wahrscheinlichkeit für einen erfolgreichen Nachweis. Das bedeutet, dass ausfallfreie Testverfahren nur dann mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Nachweis erbringen können, wenn die dabei gewonnene Aussage von schlechter statistischer Güte ist. Zudem sind sie unfähig, Zuverlässigkeitsnachweise für Systeme zu erbringen, welche die Anforderung nur wenig übererfüllen. Werden die Komponenten des Systems ausfallbasiert getestet, um den Nachweis zu erbringen, so ermöglichen die entwickelten Methoden eine optimale Aufteilung der Prüflinge zu berechnen. Neben der Auswahl der Testart erlaubt diese Arbeit demnach die Untersuchung der optimalen Testgestaltung, sodass der Nachweis mit größtmöglicher Wahrscheinlichkeit erbracht werden kann. Hierzu zählen auch Kombinationen verschiedener Testtypen und Komponenten des Systems. Es lassen sich beispielsweise ausfallbasierte Komponententests mit ausfallfreien Dauerlauftests auf Systemebene kombinieren und hinsichtlich deren Eignung für den Zuverlässigkeitsnachweis bewerten. Durch die zusätzliche Berücksichtigung der Vorkenntnis mittels des Satzes von Bayes lassen sich Testaufwände einsparen. Die Bewertung solcher Tests ist durch die erarbeiteten Methoden ebenso möglich und stellt sicher, dass der effizienteste Test zum Nachweis der Zuverlässigkeit gefunden werden kann. Weitere Untersuchungen ergeben ergänzende Erkenntnisse. Die Anwendung des ganzheitlichen Verfahrens am Fallbeispiel eines Synchronmotors demonstriert zusätzlich den Nutzen der entwickelten Methoden und Prozesse. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag zur umfassenden und statistisch fundierten Planung von Zuverlässigkeitstests zum Nachweis von Systemen. Sie konzentriert sich dabei auf die statistischen Aspekte und erlaubt den objektiven Vergleich und Bewertung von Tests verschiedener Systemebenen und Arten, sowie Kombinationen davon zum Nachweis der Systemzuverlässigkeit. Um möglichst effiziente Tests zu ermöglichen, wird eine Methode mit dem Satz von Bayes integriert. Die Güte der Planung selbst wird durch die Berücksichtigung der Unsicherheit der Eingangsdaten mitbewertet.Item Open Access Studies on 3D printed rotary shaft seals(2024) Gohs, Marco; Hannss, Jacqueline; Bauer, FrankRotary shaft seals are an established standard for sealing rotating shafts [1]. The geometry has been optimized over decades and adapted to the material properties to ensure an optimum sealing capability [2]. With the widespread availability of 3D printing technologies, there is a growing interest in printable seals for replacement parts or prototypes. This means that failed parts can be replaced as quickly as possible and the development process can be significantly accelerated. However, geometries established for conventional production cannot be implemented as 3D printed variants without accepting severe functional restrictions. A seal that can be successfully 3D printed must therefore be specially adapted. The following findings provide an overview of the latest research and development in the field of 3D-printed rotary shaft seals.Item Open Access Using multiphase conjugate heat transfer analyses to predict the contact temperature of rotary shaft seals(2024) Hannss, Jacqueline; Grün, Jeremias; Olbrich, Christoph; Feldmeth, Simon; Bauer, FrankRotary shaft seals are used to seal shaft passages and prevent the exchange of fluids. The performance and service life of rotary shaft seals is strongly dependent on the temperature in the contact area between the sealing edge and the rotating shaft. Multiphase conjugate heat-transfer analyses covering different assembly scenarios, for example additional bearings or different shaft geometries, were performed in the software Ansys CFX 2021 R2. A model for predicting the maximum temperature in the sealing contact and for determining the heat dissipation from the sealing contact to the surrounding geometry was developed. This model provides the ability to predict the influence of the design of the surrounding sealing system on the contact temperature. Thus, the surrounding geometry of rotary shaft seals can be optimally designed to reduce the contact temperature between the sealing ring and the shaft as much as possible in order to achieve a longer service life.Item Open Access Numerische Untersuchungen zum Dichtmechanismus von Radial-Wellendichtungen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2025) Grün, Jeremias; Bauer, Frank (apl. Prof. Dr.-Ing.)In numerous applications, the tribological system rotary shaft seal is subjected to various dynamic loads on multiple scales. Trends and challenges towards electromobility have further increased the exposure of rotary shaft seals to extreme operating conditions and loads. The associated increasing demand for shorter development times with simultaneously growing requirements and changing conditions make the use of numerical models for the simulation of tribological systems inevitable. Within the scope of this study, a multiscale model has been developed for the transient simulation of the lubrication and sealing mechanism of rotary shaft seals. A multiscale finite element model divided into two subdomains provides the computation of the structural mechanics. The macroscopic subdomain is utilized to compute the large deformations of the sealing ring during mounting, while the second subdomain is used to determine the microscopic distortions of the surface roughness on the sealing edge. An efficient and automated modeling approach allows the direct integration of physical surface measurement data into the numerical model. A transient computational fluid dynamics model enables the simulation of the dynamic flow processes in the sealing gap on the microscale. Lubricant film thickness equations serve as an indirect coupling between structural mechanics and fluid mechanics. The temperature dependence of the lubricant data is taken into account in the fluid mechanics model and in the determination of the sealing gap height. An empirical model is introduced, in conjunction with the computational fluid dynamics model, to account for mixed lubrication effects, considering only the viscous portion of friction. Established test rig experiments, extended experimental approaches, and data from previous work validate and verify the developed and applied methods. The numerical analyses demonstrate reasonable outcomes and a high level of consistency between the numerical simulation results and experimental data across the scales under consideration. Deviations between the simulation and experimental results increase as the scale moves from macroscale to microscale, potentially due to various factors that have a more significant influence on the microscale and extrapolation errors. In conclusion, the multiscale analyses provide unique insights into the complex flow dynamics in the sealing gap of rotary shaft seals. This presents clear evidence of the active dynamic lubrication and sealing mechanism. Additionally, the model presents various possibilities for extension and application to other tribological problems.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.Item Open Access Vibration analysis for early pitting detection during operation(2024) Häderle, Philipp; Merkle, Lukas; Dazer, MartinThe economic efficiency of machinery operation is significantly impacted by maintenance strategies. In the realm of condition-based or predictive maintenance strategies, the early detection of fatigue-induced damages is crucial. Therefore, this study focuses on the early detection of pitting damages during operation. Experimental investigations are conducted on a test gearbox acquiring acceleration data for different sizes of pitting damages under diverse operating conditions. A successful detection of the pitting damages during operation is achieved at a very early stage of progression, with a minimum size of 0.41% of an active tooth flank area. The utilization of design of experiments techniques facilitates the identification of factors influencing the detectability of pitting damages. The obtained results are analysed to elucidate the physical basis for the reliable detection of pitting damages across diverse operating conditions.Item Open Access Zur Schmierfilmbildung und Reibung von Stangendichtungen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2024) Feuchtmüller, Oliver; Bauer, Frank (apl. Prof. Dr.-Ing.)Rod seals are crucial machine elements for hydraulic and pneumatic cylinders. During the outstroke and instroke of a cylinder, the piston rod drags a thin oil film into the sealing gap forming a lubrication film. The oil film formation and tribological mechanisms in the sealing gap are of great technical interest due to their influence on friction, wear and leakage. In empirical tests with different sealing systems and operating conditions, the oil film formation and friction of rod seals were analyzed. The film thickness was measured using ellipsometry. For the friction measurements, a common test arrangement described in ISO 7986 was used. Additionally, a new measurement procedure, which combines film thickness measurements and friction measurements, is introduced. Different polyurethane U-cups and different lubricants were used for the empirical tests. Based on the results, the influence of operating conditions (rod speed, pressure, temperature) and properties of the sealing rings (hardness, surface energy, roughness) and lubricants (viscosity, surface tension) on the oil film formation and friction are discussed. It is remarkable that the analysis of the oil film formation in the nanometer range was successful, and the measured friction can be approximated by Newtonian fluid friction (speed, film thickness, viscosity, contact area). A correlation between wetting properties and the friction of the rod seals was not observed.