07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Automatische Applikation modellbasierter Diesel-Luftsystem-Funktionen in Motorsteuergeräten(2020) Xie, Yijiang; Kistner, Arnold (Prof. Dr.-Ing.)The continuous development of diesel engines for meeting the legal and functional requirements, e.g. reducing emissions and fuel consumption while taking drivability into account, has led to a significant increase in the number of sensors and actuators required for the engine. For the diesel-air system it means to introduce a turbocharger, a system for exhaust gas recirculation (EGR), an exhaust gas aftertreatment system, a variable valve control, etc. In order to control such an increasingly complex system in diesel engines, ECU-functions are developed by means of a model-based approach. The success of a model-based development methodology is based on a precise and e cient modeling of the relevant engine behavior. Because of the limited computing power of an ECU, a combination of physical models and so-called calibration parameters is usually preferred for engine modeling. The calibration parameters can be scalar or one or two-dimensional empirical models and usual ly have to be determined (calibrated) by experiments on an engine test bench. Typical examples for such calibration parameters are lookup-tables for modeling the cylinder charge (volumetric e ciency) and the e ective area of the EGR valve. In this thesis a procedure is proposed which is able to calibrate the ECU functions for stationary relationships, e.g. in the diesel-air system, automatically and with as little measurement e ort as possible in terms of the number of measurement points. The algorithm runs within the framework of sequential experimental planning, in which Gaussian models with non-stationary covariance functions are used to approximate the relations of interest. For adaptive experimental planning an active sampling strategy is developed based on the concept of mutual information and optimal system inputs (engine speed, fuel quantity, air actuators, etc.) and which determines the resulting operating points, with respect to the input space coverage, the inhomogeneous properties of the relations, the uncertainty of the estimated calibration parameters and the feasibility of the operating points. The method is able to predict the stationary engine behavior, which results from the selected system inputs, by means of the physical structure of the air system and the data-based models of the calibration parameters. On this basis the uncertainties of the application parameters are estimated using extended Kalman filters. The feasibility of the operating point is checked by comparing the predicted system behavior with the engine limits. For validation the developed algorithm was implemented on an engine test bench to calibrate the air system of a diesel engine equipped with high and low pressure EGR, a variable geometry turbocharger and variable valve timing. As a result, using the presented approach, using as little as approx. 130 measurement points is enough to obtain a comparable application quality to that achieved by conventional methods with more than 800 measurement points.Item Open Access Die Kornstruktur und der Heißrisswiderstand von Laserstrahlschweißnähten in Aluminiumlegierungen(München : utzverlag, 2020) Hagenlocher, Christian; Graf, Thomas (Prof. Dr. phil. nat.)Die Kornstruktur einer Schweißnaht beeinflusst ihren Widerstand gegen die Bildung von Nahtmittenheißrissen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der übergreifende Zusammenhang zwischen Schweißparameter, Kornstruktur und Heißrisswiderstand beim Laserstrahlschweißen durch analytische Gleichungen beschrieben und das resultierende Modell experimentell validiert.Item Open Access Beitrag zur Untersuchung von hochfesten synthetischen Faserseilen unter hochdynamischer Beanspruchung(Stuttgart : Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT) der Universität Stuttgart, 2017) Wehr, Martin; Wehking, Karl-Heinz (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Item Open Access 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.)Item Open Access Präzise Fahrzeugpositionierung durch Entzerrung der gepulsten magnetischen Flussdichteverteilung einer Ladespule(2017) Martinovic, Dean; Reuss, Hans-Christian (Prof. Dr.-Ing.)Elektrofahrzeuge werden in Zukunft nicht mehr per Kabel, sondern mittels induktiver Ladesysteme mit Strom versorgt. Um eine hohe Ladeleistung sicher übertragen zu können, müssen die Spulen hinreichend genau übereinander positioniert werden, was für den Fahrer eine kaum lösbare Aufgabe darstellt. Das allgemeine Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, eine neue Methode zu untersuchen, die ein gepulstes Magnetfeld der Ladespule zu dessen Ortung nutzt. Hierbei wird das magnetische Pulssignal durch den ferromagnetischen Unterboden des Elektrofahrzeugs verzerrt. Dieser verändert die Pulsamplitude entsprechend einer unbekannten Abbildung, ohne deren Kenntnis eine präzise und eindeutige Positionierung nicht möglich ist. Die Herausforderung der vorliegenden Arbeit ist daher die Bestimmung dieser Abbildung samt ihrer Eigenschaften und Abhängigkeiten. Theoretische Untersuchungen zeigen, dass die Abbildung allgemein vom nicht-deterministischen magnetischen Zustand des Unterbodenmaterials abhängt und dessen messtechnische Erfassung kaum möglich ist. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen wird jedoch hergeleitet, dass die Ladespule, das Elektrofahrzeug und die umgebende Atmosphäre zusammen einen magnetischen Kreis bilden, der aufgrund der sehr hohen Reluktanz der Atmosphäre linear ist. Änderungen des magnetischen Zustands haben folglich keinen Einfluss auf die Abbildung. Diese ist somit reproduzierbar und kann messtechnisch einfach erfasst werden. Die These wird für unterschiedliche magnetische Zustände experimentell nachgewiesen. Basierend auf den Forschungsergebnissen wird ein vollständiger Prototyp entwickelt und in ein Versuchsfahrzeug integriert. Das Gesamtsystem wird anschließend erfolgreich getestet. Die gefundenen Ergebnisse zeigen, dass mittels gepulster magnetischer Felder eine universelle, kostengünstige, sichere und präzise Positionierung von Elektrofahrzeugen möglich ist. Dies unterstreicht das Potential des neuen, komfortablen Positionierungsverfahrens eine Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität zu werden.Item Open Access Modeling and optimization of turning duplex stainless steels(2015) Ali, Rastee Dalshad; Heisel, Uwe (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. mult. Dr. h. c. mult.)In the present dissertation, machining investigations into duplex stainless steels are performed under different and systematically well-structured modeling and optimization frameworks. Focusing on the main objective of finding optimum machining process parameters and com-prehensively applying the statistical design of experiments to design the experiments, the study tackles the challenge of integrating modeling and optimization algorithms using six different approaches. Firstly, sets of non-dominated optimal solutions are obtained during cutting standard EN 1.4462 and super EN 1.4410 duplex grades employing statistical regres-sion and Multi-Objective Bat Algorithm. Secondly, fuzzy implication rules are used to derive a universal characteristics index to simultaneously eliminate the discrepancy among the rank-ing system of four multiple attribute decision-making methods and define the optimum cut-ting condition during the facing of austenitic EN 1.4404, duplex EN 1.4462 and 1.4410 stain-less steels at constant cutting speeds. Thirdly, the Taguchi-VIKOR-Meta-heuristic concept is proposed and applied to the mono- and multi-objective optimization of austenitic and duplex stainless steels. Fourthly, a novel approach based on the fuzzy set theory is applied to optimize the multiple surface quality characteristics of austenitic and duplex stainless steels. Fifthly, the multi-pass facing of duplex stainless steels at constant cutting speeds is sustainably optimized using the hybridization of statistical and computation modeling as well as optimization techniques. A new sustainability index is defined and a novel Cuckoo Search for neural network system algorithms is employed for the modeling and optimization. Lastly, the finite element simulation of turning duplex stainless steels is performed, and a novel procedure of the inverse identification of the input parameters is proposed. Statistical and computational optimization techniques are employed to minimize the percentage difference between experimental and numerical results. The study also covers the hypothetical application of finite element simulations in defining the optimum criteria during cutting duplex stainless steels.Item Open Access Ablenk-Systeme für die Multi-Elektronenstrahllithografie auf Basis CMOS-kompatibler Fertigungsprozesse(2017) Jurisch, Michael; Burghartz, Joachim N. (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Sustainable test site decision-making : decision-making under technological-social-ecological considerations(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2022) Keßelring, Michaela; Riedel, Oliver (Prof. Dr.-Ing.)Sustainable technology advancements ushered in various industries and sustainable development methods have spurred. Recent technological innovations in environmental sensing, computing, and automation offer the potential to revolutionize existing industries. However, in highly innovative and therefore often high-risk fields, a principal barrier to sustainable technology adoption is the provision of a body of evidence to provide to regulatory, scientific, or investment communities. Physical test sites can serve to verify and validate technologies in their end-setting. Barriers to the development of physical test sites stem from the requirement to balance technological, social, and ecological stakeholders. The practical need for an interdisciplinary approach and the absence of theoretical work to support sustainable test site development in real environments often exceeds the capabilities of single companies or entire industries. Thus the present thesis reflects on the theorical and practical work on sustainable technology development in real environments and develops a framework for the development of test sites under technological, social, and ecological considerations.Item Open Access Methodik zum leichtbaugerechten Konzipieren(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2016) Posner, Benedikt; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wurde ein Methoden-Baukasten erarbeitet, um Leichtbaupotenziale zu analysieren und bereits in der Konzeptphase Leichtbau-Lösungen zu entwickeln. Aus der Leichtbau-Produktentwicklung sind verschiedene Leichtbau-Strategien bekannt, wie z. B. der Werkstoffleichtbau. Durch eine Zuordnung dieser Strategien zum generischen Produktentwicklungsprozess ergeben sich Lücken in der Methodik der Leichtbau-Produktentwicklung. Leichtbau wird in der von verschiedenen Autoren als wesentlich hervorgehobenen Konzeptphase kaum methodisch unterstützt. Der in der vorliegenden Arbeit entwickelte Methoden-Baukasten zum leichtbaugerechten Konzipieren schließt diese Lücke. Dieser kann durch seinen modularen Aufbau den unterschiedlichen Schwerpunkten der unternehmens- und projektspezifischen Produktentwicklungsprozesse angepasst werden. Die Funktionsmassenanalyse stellt das erste Methoden-Modul des Methoden-Baukastens dar. Mit ihr kann der Konstrukteur systematisch ein umfassendes Grundverständnis für die Funktionszusammenhänge und die im Produkt verbauten Massen entwickeln. Dabei werden zum einen die Wichtigkeit der Funktionen für die Erfüllung der Kundenanforderungen analysiert und zum anderen die Massen untersucht, die für die Umsetzung der Funktionen aufgebracht werden. Daraus lassen sich Massenziele sowie Leichtbaupotenziale ableiten. Anschließend wird mit dem resultierenden Wissen das Produkt auf das für den Kunde Wesentliche reduziert. Um die identifizierten Leichtbau-Potenziale auszuschöpfen, müssen Leichtbau-Lösungen gefunden werden. Die vorliegende Arbeit setzt dabei den Fokus auf alle Abstraktionsebenen der Konzeptphase, d. h. Funktions-, Wirk- und Gestaltebene. Die für die Erarbeitung dieser Lösungen entstandenen Methoden-Module basieren auf Grundsätzen zur systematischen Leichtbau-Lösungsentwicklung, diese wurden aufgestellt. Die Idee dieser Grundsätze ist es, zunächst den Informationsgehalt des Modells zu analysieren, das in der jeweiligen Abstraktionsebene der Lösungsbeschreibung eingesetzt wird. Ein Beispiel eines solchen Modells ist die Funktionsstruktur. Danach werden die Variationsmöglichkeiten erweitert. Dies geschieht basierend auf dem Ansatz, den das Contact & Channel - Model zur Lösungsvariation vorschlägt. Daraufhin werden die Variationsmöglichkeiten überprüft, ob sie für die Entwicklung einer Leichtbau-Lösung zweckmäßig sind. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sie das Umsetzen einer bestimmten Leichtbau-Strategie begünstigen. Um aus der entstandenen Lösungsvielfalt diejenigen mit einem größeren Leichtbaupotenzial auszuwählen, wird in der vorliegenden Arbeit ein zielführendes Vorgehen präsentiert. Die resultierenden Methoden werden in den sogenannten Funktions-, Wirk- und Gestalt-Leichtbau-Modulen beschrieben. Besonders auf Gestaltebene ist es wichtig, Lösungen abstrahieren zu können, um sich nicht auf diese zu fixieren. Das Gestalt-Leichtbau-Modul, welches auch als Leichtbau-Denkwerkzeuge bezeichnet wird, unterstützt dies. Außerdem umfasst dieses Methoden-Modul eine schrittweise Variation und eine vollständige, systematische Entwicklung von Leichtbau-Lösungen. Aus der Erweiterung der Leichtbau-Denkwerkzeuge unter Nutzung der bionischen Methoden entstand das Struktur-Leichtbau-Modul. Dieses hilft Konstrukteuren bereits ab der abstrakten Ebene der Wirkstruktur bei der Entwicklung von Strukturen unter Leichtbauaspekten. Die einfachen Regeln des Modells können bereits auf abstraktem Niveau für die Leichtbau-Strukturentwicklung angewendet werden. Die Regeln wurden dabei beispielsweise zur Berücksichtigung von Bauraumbeschränkungen und bewegten Bauteilen ergänzt. Eine Herausforderung des Leichtbaus beim Konzipieren ist es außerdem, dass die Masse von verschiedenen Funktionsstrukturen, Wirkprinzipien und Wirkstrukturen erst nach Festlegung des Volumens jedes Bauteils sowie des Werkstoffs bzw. dessen Dichte bekannt ist. Die Funktionsmasseneinschätzung, als weiteres Methoden-Modul, dient der Abschätzung des Leichtbau-Potenzials verschiedener Lösungen auf dem abstrakten Niveau der Funktions- und Wirkebene. Dazu werden systematisch Lösungen in Teillösungen zerlegt sowie andere Produkte mit teilweise ähnlicher Umsetzung dieser Teillösung analysiert. Basierend darauf kann eine Aussage über das Leichtbaupotenzial der abstrakten Lösungen getroffen und diese bezüglich Leichtbaukriterien ausgewählt werden. Der Methoden-Baukasten wurde in verschiedenen Industrieprojekten angewendet. Die resultierenden Evaluationsergebnisse waren ausnahmslos positiv. Als besonderer Vorteil zeigte sich, dass die Methoden-Module ohne weitere Softwareimplementierung mit einfachen Hilfsmitteln und in moderierten Workshops mit Entwicklern angewendet wurden. Dadurch konnten systematisch Leichtbau-Lösungen mittels des Methoden-Baukastens entwickelt werden.Item Open Access Vorauslegung konischer Außenstirnräder für beliebige Achslagen(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2021) Schöler, Timon; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit wurde ein Werkzeug geschaffen, das die effiziente Auslegung der Hauptverzahnungsdaten konischer Außenstirnräder („Beveloidräder“) in einem geschlossenen Berechnungsablauf ermöglicht. Die damit ausgelegten und voroptimierten Hauptverzahnungsdaten ermöglichen eine nachfolgende Optimierung zugunsten eines ausgewogenen Abwälzverhaltens unter Last. Insbesondere hinsichtlich des erforderlichen Bauraums weisen Beveloidverzahnungen für kompakte Antriebssysteme mit kleinen Achswinkeln ein großes Potenzial auf, wie Anwendungsbeispiele im Fahrzeug-, Schiffs- oder auch im allgemeinen Maschinenbau demonstrieren. Für die Beveloidrad-Auslegung werden jedoch geeignete Auslegungsansätze/-werkzeuge benötigt. Nach dem derzeitigen Stand der Technik existieren zwar Formelsätze, die bei weitgehender Vorgabe der Hauptverzahnungsdaten eine geometrische Nachbestimmung der noch freien Verzahnungsparameter ermöglichen. Gesichtspunkte der Tragfähigkeit werden hierbei jedoch vernachlässigt. Ferner ist deren Anwendung bei der Neuauslegung einer Beveloidverzahnung mit aufwendigen Iterationsschleifen, bestehend aus Auslegung, Simulation und wiederholter Anpassung der Hauptverzahnungsdaten, verbunden. Das Ziel dieser Arbeit ist daher eine implementierte und validierte Methode zur Auslegung der Hauptverzahnungsdaten ohne verpflichtende Vorgabe wesentlicher Verzahnungsgrößen. Die erarbeitete Vorauslegungsmethode für Beveloidräder in paralleler, schneidender und windschiefer Achslage basiert auf der initialen Vordimensionierung einer Ersatz-Stirnradverzahnung unter Festigkeitsaspekten. Diese bildet die Grundlage für die Auslegung von zwei spielfreien mittleren Stirnschnitten in paralleler oder schneidender Achslage. Die Auslegung für windschiefe Achsanordnungen erfolgt in einem iterativen Berechnungsverfahren, in dem der Achsversatz und der Achswinkel auf die Auslegungsvorgaben abgestimmt, die übrigen Einbauparameter sowie die Schrägungswinkel berechnet werden. Die Verzahnungsgrenzen finden bei der Bestimmung der Konuswinkel und der Profilverschiebungen Berücksichtigung. Weiterhin ermöglicht die Methode die Umsetzung eines definierbaren Drehflankenspiels sowie die Optimierung der Konuswinkel für ein mittiges Tragbild. Die Kopfkegel werden unter Einhaltung eines vorgebbaren Mindestkopfspiels ausgelegt. Neben einer freien Auslegung sind bei anwendungsspeziefiischen Randbedingungen genauso Vorgaben zur Bestimmung der Konuswinkel, Schrägungswinkel und Profilverschiebungen möglich. In der vorliegenden Arbeit wurde der in [SCHÖLER17A] erarbeitete Algorithmus erheblich verbessert und erweitert. Die Auslegungsmethode wurde in das neu konzipierte Berechnungsprogramm „Vorauslegungssoftware Konischer Stirnräder“ (VoKoS) der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) implementiert. Datenschnittstellen sowohl zu FVA-Programmen als auch zur Institutssoftware SimKoS ermöglichen die Weiterverarbeitung der Verzahnungen. Zur autarken, effizienten Nutzung der hergestellten FVA-Berechnungskette wurde ein sog. Handler entwickelt, der gleichzeitig auch Parameterstudien ermöglicht. Die theoretische Validierung der implementierten Vorauslegungsmethode erfolgte in einer umfangreichen Studie mit systematisch variierten Auslegungsgrößen. Die Auswertung der dabei ausgelegten Hauptverzahnungsdaten ergab durchweg plausible Ergebnisse. Die ausgewerteten Wälzabweichungen der Radpaarungen bewegen sich in einer vernachlässigbaren Größenordnung. Mit VoKoS lassen sich Verzahnungen mit Achsversätzen von bis zu rund 50 % der Summe der Wälzkreisradien und bis zu Schrägungswinkeln von ca. 30° mit einem mittigen Tragbild auslegen. Bei ungünstiger Kombination optionaler Vorgaben zur Profilverschiebungsaufteilung/-summe und zu den Schrägungswinkeln tendieren die Tragbilder leicht in Richtung Zehe bzw. Ferse, was jedoch durch eine geringfügige Modifikation, z. B. eines Schrägungswinkels, korrigierbar ist. Neben den theoretischen Untersuchungen wurden an drei ausgelegten Beveloidradpaarungen auch experimentelle Abwälzversuche durchgeführt. Hierfür musste der Drehübertragungsprüfstand des Instituts um die Prüfmöglichkeit mit stufenlos einstellbarem Achsversatz erweitert werden. Anhand der Prüfstandsversuche konnte nachgewiesen werden, dass die Simulationsergebnisse plausibel sind. Insgesamt stimmen die Simulations- und Versuchsergebnisse sehr gut überein. Mit der entwickelten Auslegungssoftware trägt diese Arbeit dazu bei, dass ressourcenschonende Antriebssysteme mit Beveloidrädern zielgerichtet ausgelegt werden können. Damit wird der Weg für eine breitere Verwendung von Beveloidrädern in den unterschiedlichsten technischen Anwendungsbereichen geebnet.
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