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Aktoren zur Aktuierung linearer Tragwerkselemente
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Burghardt, Timon; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Ein Ansatz zur Verringerung des Material- und Energieverbrauchs über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes stellen adaptive Strukturen dar. Mittels Sensoren, Aktoren und einer Regelungseinheit sind diese Tragwerke in der Lage, aktiv auf äußere Belastungen zu reagieren. Durch das Aufbringen von Kräften oder Verschiebungen kann der Spannungszustand in der Struktur oder in einzelnen Bauteilen verändert werden. So können dynamische Lasten gedämpft und (quasi-)statische Lasten umverteilt werden. Bisherige Studien zu adaptiven Strukturen fokussieren das Tragverhalten aufgrund der Aktuierung. Die dazu erforderlichen Aktoren sind dabei von untergeordneter Bedeutung. Für eine effektive Aktuierung müssen das Strukturelement und der Aktor gemeinsam betrachtet werden. Dies erfordert eine ganzheitliche Entwicklung. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist es, diese Entwicklung aus Sicht der Aktorik zu unterstützen. Dabei wird das Thema auf die Aktuierung von linearen Strukturelementen beschränkt. Konkret wird die Frage beantwortet, wie durch die Variation bereits bestehender Lösungen für Teile des Gesamtsystems aktuierbare Strukturelemente entwickelt werden können. Hierzu werden zunächst die benötigten Teilfunktionen ermittelt und in Funktionsstrukturen zusammengefasst. Daraus lassen sich Aktuierungskonzepte ableiten, aus denen die Anforderungen an die Aktorik hervorgeht. Die Konkretisierung der ermittelten Teilfunktionen führt zu einer Sammlung von Lösungsprinzipien. Anhand von vier Beispielen wird gezeigt, wie durch Variation der Lösungsprinzipien Aktoren zur Aktuierung linearer Strukturelemente entwickelt werden können. Alle Beispiele wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1244 (SFB 1244) untersucht. Zunächst werden die Anforderungen ermittelt. Die Konzeption erfolgt auf Basis der Lösungsprinzipsammlungen. Die Möglichkeit, durch Variation der Lösungsprinzipien ganzheitliche Konzepte zu erstellen, wird bestätigt. Die Funktion der adaptiven Strukturelemente wird an Prototypen experimentell validiert. Im ersten und zweiten Beispiel sind Aussteifungen und Stützen des Demonstrationshochhauses des SFB 1244 zu aktuieren. Dazu werden hydraulische Aktoren verwendet. Im Falle der Aussteifungen werden die Aktoren direkt in die lastabtragende Struktur eingebaut. Die Stützen bestehen aus Hohlprofilen, in deren Inneren sich die Aktoren befinden. Hier erfolgt die Aktuierung parallel zur äußeren Struktur. Die Funktion der beiden aktuierbaren Elemente wird an einer maßstabsgetreuen Prototypstruktur erfolgreich nachgewiesen. Im dritten Beispiel ist ein biegebeanspruchter Stahlbetonbalken zu aktuieren. Dazu werden in den Balken Druckkammern integriert, die sich aufgrund eines hydraulischen Innendrucks ausdehnen. Das dadurch entstehende Biegemoment wirkt der durch äußere Lasten verursachten Durchbiegung entgegen. Die Funktion wird an ca. 1,2 m langen Prototypen nachgewiesen. Die experimentelle Validierung erfolgt an einem ca. 4,4 m langen Balken. In einem vierten Beispiel ist ein weiterer Balken aus Stahlbeton zu aktuieren. Hierfür wird ein thermomechanischer Aktor entwickelt. Im Gegensatz zum vorigen Beispiel ist kein externes System zur Erzeugung und Leitung hydraulischer Drücke erforderlich. Der Funktionsnachweis erfolgt anhand eines ca. 1,2 m langen Balkens in einem Vier-Punkt-Biegeversuch.
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Analyse der Belastung und Beanspruchung von konischen Stirnrädern in kreuzender Achslage
(2015) Beck, Matthias; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
In dieser Arbeit wurden neue numerische und analytische Methoden für die Ermittlung der Lastverteilung und Beanspruchung von Beveloidrädern in kreuzender Achslage entwickelt und vorgestellt. Beveloidräder gehören, ebenso wie die bekannten Stirnräder, zur Gruppe evolventischer Zahnräder, da sie mit den gleichen zahnstangenartigen Werkzeugen gefertigt werden können. Die Zahnform ist aufgrund der über der Breite veränderlichen Profilverschiebung variabel. Im Gegensatz zu Stirnrädern ermöglichen Beveloidräder eine kreuzende Achsanordnung. Abhängig von der gewählten Zahnbreite und den Profilverschiebungswinkeln kann ein Achswinkel von bis zu 20° realisiert werden. Die kämmenden Zahnflanken berühren sich in der Regel punktförmig, woraus eine Konzentration der Belastung und Beanspruchung resultiert. Aus diesen Gründen sind Auslegungsmethoden und Simulationsprogramme anderer Zahnradformen nicht ohne Weiteres auf Beveloidräder anwendbar. Nicht zuletzt deshalb ist der Einsatz von Beveloidrädern im Maschinenbau deutlich weniger verbreitet als der von Stirn- oder Kegelrädern. Abwandlungen von Auslegungsprogrammen anderer Zahnformen, welche die geometrischen Besonderheiten von Beveloidrädern berücksichtigen sollen, befinden sich in der Entwicklung. Die darin enthaltenen Berechnungsmodelle, wie beispielsweise die FEM, erfordern für ihre Anwendung verschiedene Formen von Aufwand, etwa Rechenzeitbedarf, Kosten für die Lizenz der Software und Nutzerkenntnisse. Für eine breite Anwendung von Beveloidverzahnungen in unterschiedlichsten Einsatzbereichen ist daher eine analytische Methode besonders vorteilhaft, mit der die Beanspruchung einer Verzahnung ohne Computersimulationen bestimmt werden kann. Zur detaillierten strukturmechanischen Analyse der Beanspruchungen von Beveloidverzahnungen und zur Überprüfung eines analytischen Ansatzes wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Simulation mithilfe der Finiten-Elemente-Methode entwickelt. Dazu wurde das „Simulationsprogramm für Konische Stirnräder SimKoS“ des Instituts für Konstruktionstechnik und Technisches Design der Universität Stuttgart um eine Daten- und Steuerungsschnittstelle zum kommerziellen FE-Programm „ANSYS“ erweitert. Mit der Skriptsprache „APDL“ konnte das Vorgehen automatisiert und dadurch der Zeitbedarf zur Modellerzeugung und Ergebnisauswertung von mehreren Tagen auf wenige Sekunden reduziert werden. Das Vorgehen wurde an Stirnrädern getestet und die Ergebnisse mit analytischen Rechnungen nach [DIN3990] verglichen. Innerhalb von Screening-Versuchen für eine Vielzahl von Verzahnungen zeigte sich eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse. Mittels FE-Analysen konnte die Steifigkeit von Beveloidrädern systematisch untersucht werden. Aufgrund der Stirnschnittform ergeben sich zu Stirnrädern abweichende Steifigkeiten. Zur vereinfachten Ermittlung der Steifigkeit von Beveloidradstirnschnitten wurden Korrekturwerte definiert, welche die für Stirnräder in [DIN3990] enthaltenen Berechnungsgleichungen für Beveloidräder anpassen. Für die analytische Berechnung der Breitenlastverteilung und Fußbeanspruchung von Beveloidrädern in kreuzender Achslage wurde ein Rechenmodell vorgestellt. Das Modell vereinfacht die räumliche Beveloidradgeometrie durch eine Diskretisierung auf eine Reihung scheibenförmiger, ebener Stirnradpaarungen. Aufgrund der charakteristischen Diskretisierung wird das Modell als Scheibenmodell bezeichnet. Die Berechnung der Lastverteilung erfolgt innerhalb des Scheibenmodells mithilfe einer Analogie zu Druckfedern und den für Beveloidrädern angepassten Steifigkeitswerten. Für die Bestimmung der Fußspannung wird der Berechnungsansatz nach [DIN3990] und die ermittelten Breitenlastfaktoren verwendet. Ein Einsatz von Computerprogrammen ist dazu nicht erforderlich. Das Scheibenmodell bestimmt die höchste Fußbeanspruchung der Verzahnung, führt aber keine lokale Beanspruchungsanalyse wie etwa höherwertige Rechenverfahren durch. Die Ergebnisse des Scheibenmodells wurden durch Messungen an Beveloidrädern überprüft. Anhand von sechs verschiedenen Verzahnungen wurden die Ergebnisabweichungen zwischen den numerischen und analytischen Berechnungen bestimmt. Variiert wurden der Achswinkel, die Belastung, die aufgebrachten Flankenmodifikationen, die Tragbildlage und der Schrägungswinkel. Das Scheibenmodell ergab im Vergleich zu den Messungen ein um höchstens 9 % abweichendes Ergebnis und ist damit konservativ. Die Abweichung der FE-Simulation zu den Messungen war stets geringer. Damit sind die numerischen und analytischen Berechnungen anhand von Messungen bestätigt. Die Überprüfung des analytischen Scheibenmodells wurde durch die Simulation weiterer Beveloidverzahnungen in Screening-Versuchen systematisch ergänzt. Dabei zeigte sich, dass ein Achswinkel bis 10° im vorgestellten Rechenansatz keinen wesentlichen Einfluss auf die Ergebnisgüte besitzt. Für Schrägungswinkel von 10° betrugen die Abweichungen zwischen den analytisch und numerisch bestimmten Werten im Mittel ca. 6 % und bei einem Schrägungswinkel von 20° ca. 11 %. Die vorgestellten numerischen und analytischen Berechnungsverfahren unterstützen den Konstrukteur bei der Verzahnungsauslegung direkt und methodisch. Mit dem analytischen Ansatz ist die Berechnung wesentlicher Kenngrößen wie der Steifigkeit im Stirnschnitt, die Breitenlastverteilung und die Fußbeanspruchung möglich. Bisher nötige Abschätzungen von Kenngrößen sind bei der Berechnung nicht mehr erforderlich. Die Größenordnung der Ergebnisunterschiede im Vergleich zu höherwertigeren Rechenverfahren ist vergleichbar zur analytischen Auslegung von Stirnrädern nach DIN 3990. Die erzielten Ergebnisse können im Rahmen der Verzahnungsauslegung in einen nachfolgenden Tragfähigkeitsnachweis einfließen, beispielsweise für Anwendungsfelder, bei denen die Momentübertragung im Vordergrund steht, wie etwa Stellantriebe. Für Anwendungen mit weiteren Anforderungen, wie etwa geräuschreduzierte Verzahnungen, steht mit dem Scheibenmodell ein zusätzliches Auswahlkriterium möglicher Auslegungsvarianten im Vorfeld weiterführender Untersuchungen zur Verfügung. Das Vorgehen zur Auslegung ist mithilfe des Scheibenmodells deutlich strukturierter, methodisch fundiert, eindeutig dokumentiert und weniger aufwändig.
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Analyse und Bewertung von Wissen in der Produktentwicklung
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2020) Roth, Daniel Jörg; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit besteht in der Entwicklung einer Methode zur Bewertung von Produktentwicklungswissen bzw. des in der Produktentwicklung benötigten Wissens. Aktuell gelingt es nur unzureichend, Wissen zielgerichtet zu entwickeln. Dies lässt sich unter anderem mit der mangelnden Kenntnis vorhandenen und benötigten Wissens in der Produktentwicklung erklären. Unerwünschte Folgen dieser intransparenten Wissensbestände können sich in längeren Entwicklungszeiten, steigenden Quoten an Entwicklungsfehlern, schlechterer Qualität der Produkte und damit einer langfristigen Schädigung der (nachhaltigen) Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen widerspiegeln. Eine zentrale Herausforderung besteht somit im Instrumentalisieren und Messen dieses Wissens. Als Konsequenz wurde folgende Hauptforschungsfrage formuliert: „Wie kann Produktentwicklungswissen definiert, strukturiert und analysiert werden, so dass eine Aussage bezüglich des vorhandenen sowie eine Abschätzung hinsichtlich des benötigten Wissens ermöglicht wird?“. Die entwickelte Gesamtvorgehensweise besitzt einen modularen Aufbau. Zu Beginn wird ein allgemeingültiges Verständnis von Wissen in der Produktentwicklung erarbeitet. Hierbei entsteht ein Strukturmodell für Wissen in der Produktentwicklung, das aus 14 Wissenstypen besteht. Für die zweckmäßige Bestimmung des notwendigen Wissens werden im Modul Wissensidentifikation drei Methoden angeboten. Für die Wissenserhebung vorhandenen Wissens werden zwei Handlungsstränge identifiziert: Für das Erheben kontextstarker Wissenstypen stehen fallspezifisch passende Methoden in einer Entscheidungsmatrix bereit. Kontextschwache Wissenstypen werden in angepassten Wissensstrukturen repräsentiert und mit geeigneten Fragestellungen überprüft. Ein weiteres Modul befasst sich mit dem Thema Wissensrepräsentation. Im Modul zur Wissensbewertung werden alle entstehenden Module zusammengeführt, so dass eine Gesamtvorgehensweise zur Bewertung von Wissen in der Produktentwicklung entsteht. Diese befähigt durch Darstellung der Ist- und Soll-Wissensstände zu Aussagen über benötigtes und vorhandenes Wissen. Bereits während der Erarbeitung der Methode werden die einzelnen Module auf ihre Anwendbarkeit und Unterstützung hin untersucht. In einer abschließenden Expertenevaluation wird der grundsätzliche Nachweis für den Nutzen der Methode geführt.
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Anwendungsspezifische Entwicklung eines proaktiven Konstruktionssystems auf Basis von Softwareagenten
(2014) Kratzer, Martin; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Innerhalb des ProKon-Projekts wurde der Kern eines proaktiven Konstruktionssystems auf Basis von Softwareagenten entwickelt. Zum Nachweis der grundlegenden Funktionsweise erfolgte darin ebenso die Ausrichtung dieses Kernsystems auf eine fiktive Anwendung, die in der Industrie evaluiert werden konnte. Zur Erbringung der Funktionalität müssen Softwareagenten generell Aufbau- und Ablaufstrukturen in einer Organisation repräsentieren, die sich jedoch nach Unternehmen, Branche und Produkt unterscheiden. Dem entsprechend kann ein proaktives Konstruktionssystem nicht alle Anwendungen gleichermaßen unterstützen. Das Kernsystem muss vielmehr auf eine spezifische Anwendung ausgerichtet werden. Unter Beachtung des Stands der Forschung ist dafür eine modellbasierte Vorgehensweise notwendig, die die Abgrenzung von Wissens- und Symbolebene berücksichtigt. Bisherige Vorgehensweisen zur Entwicklung von wissensbasierten Systemen und Agentensystemen konnten die aufgestellten Anforderungen nur punktuell erfüllen. Aus der Analyse des bereits existierenden Kernsystems aus dem ProKon-Projekt resultierte, dass ein Organisations-, ein Agenten- und ein Organisationsmodell von einem Wissensingenieur zu erarbeiten ist. Die Erarbeitung des Organisationsmodells als erstes Modell der Vorgehensweise hat das Ziel, den Einsatzkontext des proaktiven Konstruktionssystems anwendungsspezifisch zu analysieren und abzubilden. Generell leistet das auf eine Anwendung ausgerichtete, proaktive Konstruktionssystem besonders bei Variantenkonstruktionen Unterstützung. Dort werden geometrische Änderungen an einem bestehenden Produktmodell durchgeführt, was sich mit der Funktionalität des Systems deckt. Durch den Abgleich des so erhobenen Einsatzkontextes mit 31 vordefinierten Kriterien, ist es dem Wissensingenieur möglich, zu entscheiden, in wie fern der Einsatz des proaktiven Konstruktionssystems unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll ist. Das Agentenmodell als zweites Modell in der Vorgehensweise beinhaltet die Agenten, die für die Unterstützung der spezifischen Anwendung notwendig sind. An dieser Stelle erfolgt der Einsatz des Contact and Channel Approaches (C&C²-A) als Möglichkeit zur systematischen Produktanalyse. Letztlich ist es die Aufgabe des Wissensingenieurs, ein Wissensmodell zu erarbeiten um den identifizierten Agenten das richtige Wissen zur Unterstützung der spezifischen Anwendung zuzuweisen. Das Wissensmodell wird durch semi-formale Wissensbeschreibungen in Form von Wissenskarten dargestellt, die in einen Zusammenhang gebracht und Agenten zugewiesen werden. Die Erarbeitung der drei Modelle befindet sich auf der informalen Wissensebene. Die Ergebnisse aus der Vorgehensweise werden dem Softwareingenieur zur formalen Entwicklung des proaktiven Konstruktionssystems übergeben, der auf der Symbolebene operiert. Die Anwendbarkeit und Nützlichkeit der Vorgehensweise konnte durch sechs Fachexperten bestätigt werden, wobei die Anwendbarkeit durch Untersuchungen mit Probanden zudem gesondert untersucht wurde. Eine Ergänzung fand durch die Evaluation des ProKon-Systems im industriellen Kontext statt, wobei acht Konstrukteure das ProKon-System testen konnten. Zur Entwicklung des Prototyps wurden zwei der drei Modelle erarbeitet und von einem Softwareingenieur umgesetzt. Die gesamte Evaluation ergab, dass 17 der 22 Anforderungen erfüllt wurden. Fünf Anforderungen wurden teilweise erfüllt.
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Auslegung und Entwurf adaptiver Strukturen und Systeme mit Formgedächtnislegierungen
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2021) Hein, Andrea; Maier, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
Steigende Individualisierung, neue Technologien und die Forderungen nach Leichtbau, Systemzuverlässigkeit und der Reduktion eingesetzter Ressourcen bestimmen die zukünftigen Konzepte neuer Produkte. Dabei kommen passive und mechatronische Systeme häufig an ihre Grenzen. Um sich den unterschiedlichen Randbedingungen optimal anzupassen, werden intelligente Strukturen und adaptive Elemente immer wichtiger, integrierte Funktionen gewinnen an Bedeutung und moderne Strukturen (smart und adaptiv) rücken in den Fokus der Entwicklungen. Ein wichtiger Bestandteil sind dabei Smarte Materialien, die durch steuerbare Eigenschaften neuartige und effiziente Produkte generieren. Zu den SM die zunehmend erforscht werden, zählen beispielsweise thermische Formgedächtnislegierungen (FGL), die durch ihre spezielle Eigenschaft, sich nach einer Verformung an ihre ursprüngliche Form zu erinnern, zur Entwicklung leichter, leistungsfähiger, energieeffizienter und innovativer Lösungen führen. Die entstehenden adaptiven Strukturen und Systeme (ASS) und deren Einsatz bei zukünftigen Konzepten ermöglichen eine optimale Anpassung an die jeweiligen Betriebszustände sowie an unterschiedliche Nutzer und Aufgaben. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist daher die Erarbeitung einer Vorgehensweise zur Auslegung und zum Entwurf von ASS mit FGL im Kontext des Technischen Designs. Im Besonderen geeignet sind Anwendungen aus dem Bereich des Technischen Designs, die durch die Kombination von Technik, Ergonomie und Design die Hauptvorteile der FGL wie geringer Platzbedarf (Bauraum), niedriges Gewicht (Leichtbau), geringe Anzahl an Komponenten (Komplexität) und geräuschloser Betrieb (Komfort) optimal nutzen. Zur Entwicklung der Vorgehensweise und der Untersuchung des Zusammenwirkens der Elemente des Gesamtsystems wurden zunächst die relevanten Grundlagen erarbeitet. Dazu erfolgten Untersuchungen zu den Gebieten Ergonomie durch die Anthropometrie und Mensch-Maschine-Schnittstelle, Design in Bezug auf die Produktgestalt sowie Technik durch Aufbaugestalt, Regelung, smarte Materialien und FGL. Darauf aufbauend wurde eine Definition zum Entwurf und zur Gliederung von ASS abgeleitet. Auf Basis dieser Erkenntnisse fand die Untersuchung des Aufbaus von ASS, mit dem Fokus auf sich beeinflussende Parameter statt. Auf die theoretische Untersuchung folgten der Aufbau und Test von Struktur-Prototypen. Dazu wurden die erarbeiteten Erkenntnisse in Simulationen und Prototypen umgesetzt, um die Parameter zu evaluieren und zu vervollständigen. Final wurden Richtlinien für die Auslegung und Entwicklung von ASS mit FGL abgeleitet. Enthalten sind Beschreibungen, Anforderungen und Empfehlungen zur Auslegung der aktiven und passiven Struktur. Abschließend fand die Analyse eines anwendungsbezogenen Prototyps statt. Es zeigte sich, dass durch die Richtlinien die Beachtung wichtiger Anforderungen effizient und vollständig ermöglicht wird. Das Zusammenführen der gesamten Ergebnisse stellt das Vorgehen zur Entwicklung von ASS dar.
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Auslegung von Kugelgewindetrieben bei oszillierenden Bewegungen und dynamischer Belastung
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2017) Münzing, Thomas; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
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Betriebsverhalten von konventionellen und fugendruckhomogenisierten Pressverbänden unter Biegelast
(2010) Schwämmle, Timm; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Ziel der durchgeführten Untersuchungen ist der Einsatz der Kontaktoptimierung bei biegebelasteten Pressverbindungen. Über Entwicklung und Anwendung experimenteller und simulativer Methoden wird das Betriebsverhalten derartiger Verbindungen im Vergleich zu konventionellen Pressverbänden unter Beachtung der Reibdauerbeanspruchung analysiert sowie der Einfluss der Pressungshomogenisierung auf die Haltbarkeit untersucht. Die Methodik wurde erfolgreich auf Pressverbindungen unter Biegung angewandt und in der Praxis umgesetzt. Über die im Rahmen der Methodik entwickelte FE-Simulation können die Schlupfbewegungen und Pressungen im Kontakt von Maschinenbauteilen unter Last ermittelt und optimiert werden unter Beachtung spezifischer Reibarbeit und dem FFDP-Parameter. Zur dynamischen Belastung von Pressverbindungen wurde ein neuartiger Prüfstand entwickelt und realisiert. Das Prüfstandskonzept erlaubt die effiziente Erprobung von Pressverbindungen unter beliebiger Kombination von Biege- und Torsionsbelastung und beinhaltet die Entwicklung und Verwendung von kostenoptimierten Doppelproben. Zur Analyse des Schlupfs in Pressverbindungen unter Biegelast wurde ein experimentelles Verfahren zur direkten Messung der Relativbewegung zwischen Welle und Nabe entwickelt. Damit wurde der Schlupf in konventionellen und fugendruckhomogenisierten Pressverbindungen unter Biegung sowohl nach dem Fügen als auch nach dynamischer Biegelast mit hoher Genauigkeit gemessen. Parallel wurde eine FE-Simulationsmethode entwickelt, die das experimentell ermittelte Schlupfverhalten nachvollziehbar abbildet. Im Zusammenspiel von experimenteller und simulativer Analyse des Schlupfverhaltens und den Abpressversuchen sowie optischer Analyse der Schlupfbereiche sind sowohl Aussagen für das Betriebsverhalten biegebelasteter Pressverbindungen im Allgemeinen als auch relative Betrachtungen bzgl. des Einflusses der Pressungshomogenisierung möglich. Die Kernaussagen sind: - Das Schlupfverhalten von fugendruckhomogenisierten und konventionellen Pressverbänden unter Biegelast ist generell vergleichbar. - Die nach gewisser Betriebsdauer tatsächlich nur noch sehr geringen Schlupfwe-ge unter Biegelast wurden über Experiment und FE-Simulation sowohl qualitativ als auch quantitativ nachgewiesen. - Die bei den Proben gemessenen und nach der entwickelten Simulationsmethode berechneten Schlupfwege unter realistischen Reibwerten korrelieren mit dem op-tisch erfassten Verschleißverhalten. Dazu wurde eine Klassifizierung der optisch erkennbaren Schädigungszonen durchgeführt. Es lässt sich eine Oberflächen-schädigung bei Relativbewegungen kleiner als 1 µm proklamieren. Ein typischer RDB Anriss mit den typisch hohen Kerbwirkungszahlen ist schon bei Schlupf von ca. 0,5 bis 1 µm möglich. - Über den kombinierten Einsatz von Experiment, FEM und analytischen Berech-nungsverfahren ist auch eine quantitative Aussage zu den Reibwerten in den Schlupfbereichen möglich. Die bei den betrachteten Proben ermittelten Reibwer-te betragen ca. 0,2 im jungfräulichen Zustand. Nach Vorlast bewegen sie sich in einem Bereich von 0,5 bis maximal 0,7. - Die durch Abpressversuche ermittelten integralen Haftbeiwerte bewegen sich auf demselben Niveau wie die ermittelten Gleitbeiwerte in der Schlupfzone unter Biegelast. Unter Ansatz von annähernd gleichen Haft- und Gleitbeiwerten in den Schlupfbereichen konnten über vergleichende Betrachtungen keine deutlich erhöhten Reibbeiwerte gegenüber dem Rest der Fügefläche festgestellt werden. - Bezüglich Schädigung durch RDB und Anrisswahrscheinlichkeit sind nach Aus-wertung von Schädigungsparametern bei Reibwerten bis ca. 0,5 Vorteile durch die Fugendruckhomogenisierung festzustellen. Bei höheren Reibwerten ergeben sich nominell Vorteile bei den konventionellen Proben. Ob die Oberflächen der Bauteile diese sehr hohen Reibschubspannungen aufgrund der hohen Reibwerte in Verbindung mit hoher Pressung schadensfrei ertragen können, ist jedoch frag-lich. Da die Pressungshomogenisierung die Reibschubspannungen an der Nabenkante senkt, kann dies für die Dauerhaltbarkeit trotz des geringfügig höheren Schlupfes auch von Vorteil sein. - Die Dauerversuche fugendruckhomogenisierter Pressverbindungen ergaben keine Nachteile in der Haltbarkeit im Vergleich zu den konventionellen Ausführun-gen, sondern die Tendenz zu leicht erhöhter Haltbarkeit homogenisierter Proben. - Über Vergleich von bekannten analytischen Ansätzen zur Schlupfberechnung unter Biegung mit den experimentellen und simulativen Ergebnissen dieser Ar-beit wird ein Vorgehen zur Berechnung des Schlupfes in Pressverbindungen un-ter Biegung vorgeschlagen zur Analyse von Verbindungen in der Praxis. Der Einsatz der Fugendruckhomogenisierung und damit die Verwendung von Naben aus hartem und sprödem Werkstoff bei Pressverbindungen unter Biegelast sind damit möglich.
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Bewertungsverfahren zur Bestimmung des Erfolgspotenzials und des Innovationsgrades von Produktideen und Produkten
(2006) Reichle, Manfred; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Bewertungsverfahren zur Bestimmung der Chancen der Marktdurchsetzungsfähigkeit (Erfolgspotenzial) und des Grades an Neuheit (Innovationsgrad) von technischen Produktideen und Produkten. Ziel dieses neuen Verfahrens ist die quantitative Ermittlung von Kenngrößen, die einen Vergleich zu anderen Produkten (Vorgängermodelle oder Wettbewerbsprodukte) ermöglichen.
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Definition und Abgrenzung hybrider, intelligenter Konstruktionselemente
(2011) Keller, Alexander; Binz, Hansgeorg
Ein Konstruktionselement verhält sich seinen konstituierenden Merkmal-Wert-Kombinationen entsprechend. Sie begründen seine Eigenschaften. Als Voraussetzung für Intelligenz gilt in der Literatur, dass ein System Aktoren, Sensoren und Regler umfasst, teilweise noch ergänzt um eine selbständige Energieversorgung. Intelligenz führt zu einer situationsbezogenen und/oder zielgerichteten Eigenschaftsveränderung, d.h. Anpassung. Angelehnt an die Adaptronik werden der Vorgang Anpassung und der Zustand Angepasstheit unterschieden. Für das Verständnis von HIKE sind beide losgelöst vom biologisch geprägten, am Menschen orientierten Verständnis von Intelligenz zu verstehen. Ein Konstruktionselement ist angepasst, wenn eine oder mehrere Eigenschaften in Abhängigkeit von seinem Umfeld und dessen Veränderungen zielorientiert auf ein günstigeres Verhalten bereits während der Konstruktion hin angepasst wurden („intelligent zugeschnittene Konstruktionen“) oder während der späteren Lebenszyklusphasen angepasst werden können. Dies führt beim Konstruieren zu zwei wesentlichen Fragen: Hinsichtlich welcher Gesichtspunkte ist eine Anpassung erforderlich? Und wie kann das im Vergleich günstigere Verhalten bestimmt werden? Eine primäre Angepasstheit (passive Adaptivität) liegt aus makroskopischer Sicht vor, wenn ein Konstruktionselement grundsätzlich für alle relevanten Umweltbedingungen seines Einsatzbereichs in technisch sinnvollem Umfang geeignet ist. Primäre Angepasstheit bedeutet, dass ein Konstruktionselement an seine Umwelt langfristig angepasst ist. Die Angepasstheit ist Ergebnis des Konstruktionsprozesses sowie der nachgelagerten Prozesse der Produktentstehung und -nutzung. Sie stellt eine Verträglichkeit (vgl. Design-for-X Ansätze) des Eigenschaftskollektivs des Konstruktionselements mit den langfristigen, aggregierten Eigenschaften der Umwelt des Elements dar. Eine sekundäre Angepasstheit (reaktive Adaptivität) liegt aus mikroskopischer Sicht vor, wenn ein Konstruktionselement in technisch sinnvollem Umfang an relevante vor-übergehende Umweltzustände und deren kurzfristige Änderungen anpassungsfähig ist. Anpassungsfähigkeit ist die Möglichkeit durch Eigenschaftsänderung zu reagieren. Reagieren zu können setzt einen Regelkreis voraus. Mit anderen Worten ist Anpassungsfähigkeit unmittelbar eine aus dem Konstruktionsprozess folgende Eigenschaft, die mittelbar die Anpassung (einen Anpassungsprozess) während der auf die Konstruktion folgenden Phasen des Produktlebenszyklus‘ ermöglicht, insbesondere in der Nutzungsphase des Konstruktionselements. Diese Form der Anpassung setzt voraus, dass das Konstruktionselement, das umgebende System und die Umwelt hinsichtlich der folgenden Aspekte übereinstimmen oder verträglich sind: • kurzfristige Anpassungsmöglichkeiten des Konstruktionselements • veränderliche Umwelteigenschaften/-zustände • veränderliche Systemeigenschaften/-zustände Die Veränderungen der Umwelt können kurz- oder langfristig sein, in Folge dessen reversibel oder irreversibel. Sie sind im Konstruktionsprozess als Annahmen unter Umständen nur statistisch erfassbar. Ein angepasstes Konstruktionselement kann sowohl passiv als auch aktiv sein. Nur angepasste aktive Konstruktionselemente sind anpassungsfähig im Rahmen der durch die konstruktive Angepasstheit vorgegebenen, möglichen Zustände. Das heißt, die primäre Angepasstheit ist Voraussetzung für die sekundäre Angepasstheit. Hybride, intelligente Konstruktionselemente (HIKE) sind technische Gebilde mit einer auf Basis der Gestaltelemente niedrigen bis mittleren Komplexität. Sie besitzen eine hohe Komplexität hinsichtlich der Aspekte, welche die Hybridität verursachen. Sie sind hybrid hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale wie zum Beispiel Werkstoff, Fertigungstechnologie, Rolle im Regelkreis oder strukturellen (Werkstoff-)Eigenschaften. HIKE sind entweder unmittelbar aus sich selbst heraus (intrinsisch) oder von außen (extrinsisch) regel- oder steuerbar oder tragen mittelbar durch sensorische, aktorische oder regelnde Eigenschaften zur Regel-/Steuerbarkeit des sie umgebenden Systems bei. Sie sind somit entweder selbst sekundär angepasst oder unterstützen die sekundäre Angepasstheit des sie umgebenden Systems. Während des Konstruierens mit HIKE werden sie nicht mehr wesentlich verändert. Sie sind einem konstruktionsrelevanten Verhalten, z. B. den Elementen und Größen eines Regelkreises, zugeordnet. HIKE unterscheidet die beschriebene Hybridität und Intelligenz von herkömmlichen Konstruktionselementen. Ein HIKE kann, wenn es die entsprechenden Eigenschaften aufweist, ein adaptronisches System sein. Ein HIKE kann auch in mechatronischen Systemen eingesetzt werden. In der Regel wird es aber alleinstehend kein mechatronisches System bilden. Die untersuchten HIKE erzielen die Hybridität in so, dass eine zerstörungsfreie Trennung der Regelkreiselemente nicht möglich ist.
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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.
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Einflüsse auf die Lebensdauer von Bus-Automatgetriebegehäusen
(2004) Kley, Markus; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Aufgrund des weltweit steigenden Verkehrsaufkommens nimmt die Anzahl der Stadt- und Überlandbusse ständig zu. Stadtbusse weisen im Gegensatz zu anderen Fahrzeugarten einen charakteristischen Fahrzyklus auf, der durch häufige Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge gekennzeichnet ist. Die Antriebsstrangkonfiguration, d. h. die Anordnung von Motor, Getriebe und angetriebenen Achsen von Bussen ist äußerst vielfältig. Daraus ergeben sich unterschiedliche Abtriebsvarianten für Getriebe, die in vielen Bussen zum Einsatz kommen sollen. Im Nutzfahrzeugbereich finden Automatgetriebe überwiegend in Stadtbussen ihre Anwendung. Die wesentlichen Gestaltungsmerkmale von Automatgetrieben werden ermittelt. Daraus wird der Aufbau eines Prinzipgehäuses abgeleitet. Des weiteren werden verschiedene Antriebsstrangkonfigurationen untersucht. Die Belastungen der Gehäuse sind insbesondere auf die Längsdynamik des Busses, auf Fahrbahnunebenheiten und auf Schwingungen zurückzuführen. Aufgrund der Längsdynamik entstehen am Getriebegehäuse Momente durch Kupplungen und den Retarder sowie Lager- und Stützkräfte. Der Einsatz eines Getriebetyps in unterschiedlichsten Fahrzeugen auf verschie-densten Strecken, führt zu einem breiten Belastungsspektrum der Bauteile. Neben der Drehmomentenkapazität des Motors sind für die Belastung der Getriebebauteile das Fahrzeuggewicht, die Achsübersetzung, das Schaltprogramm, die Topografie der Strecke und das Geschwindigkeitsprofil des Fahrzeugs von entscheidender Bedeutung. Hierzu ist die Bestimmung repräsen-tativer Streckendaten von großer Bedeutung. Basierend auf einer repräsentativen Anzahl an Messdaten bzgl. Topografie und Geschwindigkeit von realen Einsätzen werden die zeitabhängigen Belastungen sowie der Verbrauch und weitere Fahrparameter mittels Antriebsstrangsimulation ermittelt. Die Belastungen infolge von Lagerkräften, Kupplungsreaktionskräften und Retardermoment usw. werden an unterschiedlichen Stellen in unterschiedlichen Richtungen nicht proportional über der Zeit zueinander am Gehäuse abgestützt. Das bedeutet, dass eine mehrachsige Belastung vorliegt. Die Beanspruchungen werden mit Hilfe der Finiten-Element-Methode berechnet. Die Belastungen werden an den entsprechenden Stellen als Einheitslasten wirkend auf das Gehäuse bzw. die Anbauteile aufgebracht. Durch entsprechende Wahl der Lasten ist es möglich, z. B. dynamische Belastungen aufgrund des Schaltvorgangs in der Lebensdaueranalyse zu berücksichtigen. Die Beanspruchungen infolge multiaxialer Belastung werden für jeden Einheits-lastfall berechnet. Die Beanspruchung zu einem bestimmten Zeitpunkt wird durch Linearkombination der Beanspruchungen von den Einheitslastfällen mit den entsprechenden Lasten bestimmt. Die Kenntnis über den Zusammenhang zwischen Betriebsgröße und Bauteille-bensdauer hilft kritischere und weniger kritische Betriebsgrößen zu identifizieren sowie die Folgen der Änderung von Betriebsgrößen abzuschätzen. Unter anderem wurde der Einfluss der Durchschnittsgeschwindigkeit, die Anzahl der Stopps pro Kilometer, die Anzahl der Schaltungen, der Verbrauch, die Be-schleunigung, die Steigung und die Masse des Busses betrachtet. Der Einfluss verschiedener Abtriebsvarianten auf die Lebensdauer der Gehäuse wird außerdem betrachtet. Diese Parameter werden der Schädigung des Gehäuses gegenübergestellt um Korrelationen zu erkennen und die schädigungsverursachenden Betriebsgrößen zu ermitteln. Viele Stopps bzw. die Beschleunigungsphasen des Busses, die von einem Stopp ausgehen, führen zu einer hohen Gehäuseschädigung. Ein hoher Verbrauch tritt bei Strecken auf, bei denen eine hohe Schädigung am Gehäuse vorliegt. In einem vollbesetzten Bus wird das Gehäuse stärker beansprucht als in einem leeren Bus. In einem weiteren Schritt wird die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf Wellen und Zahnräder untersucht. Aus diesen Erkenntnissen heraus werden bauteilbezogene kritische Belastungskollektive für Gehäuse, Wellen und Zahnräder definiert. Als wesentliche Betriebsparameter für Busautomatgetriebe haben sich die Anzahl der Stopps, die Anzahl der Beschleunigungsvorgänge, die Steigung und die Gesamtmasse des Fahrzeugs herausgestellt. Ist ein Zusammenhang zwischen einem auf eine bestimmte Streckenlänge bezogenen Fahrparameter und der Bauteilschädigung erkennbar, kann ein Einheitszyklus definiert werden. Bei der Gegenüberstellung der bezogenen Fahrparameter und der bezogenen Schädigung muss ein kritischer Fahrparameter, wie z. B. die Anzahl der Stopps, entsprechend der Korrelation zwischen Fahrparameter und Schädigung definiert werden. Aufgrund der umfangreichen Untersuchungen ist es möglich, für die Getriebe-bauteile repräsentative Lastkollektive zu definieren. Als Grundlage hierfür diente der Zusammenhang unterschiedlicher Fahrparameter und der Schädigung verschiedener Getriebeteile. Durch die Definition entsprechender Einheitszyklen ist es möglich Versuchs- und Rechenzeiten zu reduzieren.
Open Access
Entwicklung einer modularen Methode zur Bewertung der Mensch-Maschine-Interaktion mit Applikation bei Medizinprodukten
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2017) Pfeffer, Stefan; Maier, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
Vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Methode zur Bewertung der Mensch-Maschine-Interaktion (Gebrauch) unter Einbezug von Nutzern, was als Gebrauchsevaluation bezeichnet wird. Dabei wurde ein vorwiegend quantitativer Ansatz verfolgt. Darüber hinaus sollte die Methode vielfältig und flexibel anwendbar sein, um bei den unterschiedlichen Produkten des Technischen Designs und zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Designprozess eingesetzt werden zu können. Aus diesem Grund wurde für die Methode eine modulare Struktur vorgesehen, die eine Anpassung auf gegebene Rahmenbedingungen eines Proojektes erlaubt. Die Entwicklung der "Modularen Evaluationsmethode (MEM)" orientiert sich weiterhin an den Anforderungen für die Gebrauchsevaluation von Medizinprodukten (Klassen 1, 2a und 2b), bei denen die Validierung der Gebrauchstauglichkeit einen notwendigen Aspekt für das Inverkehrbringen des Medizinproduktes darstellt. Um die genannten Spezifika der Methode zu realisieren, baut die Methodenentwicklung auf zwei bestehenden Bewertungsverfahren auf. Dies ist zum einen die metrikbasierte Bewertung („performance measurement“) aus dem Bereich der Mensch-Computer-Interaktion und zum anderen der dynamisch-nutzerbasierte Ansatz der „Workflow-Methode“ des Technischen Design. Der Bewertungsprozess der MEM umfasst drei Phasen: die Planung, die Datenerhebung und -auswertung und die Ergebnisinterpretation und -nutzung. Aufgrund des modularen Aufbaus kann die MEM sowohl für formative als auch für summative Bewertungen eingesetzt werden. Das entwickelte Auswahlverfahren, welches in der ersten Phase (Planung) durchgeführt wird, unterstützt hierbei die Metrikwahl entsprechend dem geplanten Einsatzzweck. Die insgesamt 47 Metriken der MEM werden hierbei hinsichtlich des Evaluationsziels gefiltert. Die ausgewählten Metriken werden dann in Phase 2 (Datenerhebung und -auswertung) angewendet. Sie beziehen sich auf die drei empirischen Datenerhebungsmodule der Beobachtung, Befragung und Messung (physikalisch und physiologisch). Hieran wird der Multimethoden-Ansatz der MEM zur Bewertung der Gebrauchsqualität deutlich. Phase 3 im Bewertungsprozess der MEM beinhaltet die Ergebnisinterpretation und -nutzung mit dem Hauptziel einer zielgerichteten Aufbereitung der Ergebnisse. Hierbei werden die beiden Berichtsformen des Status- (summativ) und des Maßnahmenberichts (formativ) unterschieden. Für Gestaltungsiterationen ist es unerlässlich, die quantifizierten Ergebnisse ursachenbezogen darzustellen. Hierbei kommt das „Interaktionsdiagramm“ zum Einsatz. Des Weiteren wurden die „Gestaltungspriorisierung“ und die „Risikopriorisierung“ als mögliche Techniken der effektiven und effizienten Ergebniskommunikation für die MEM entwickelt.
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Entwicklung einer schnell schaltenden Bremse und Kupplung für Linearbewegungen zum Überlastschutz in Werkzeugmaschinen
(2009) Dennig, Hans-Jörg; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Große Kollisionskräfte aufgrund eines Bedien- oder Programmierfehlers sind ein zentrales Problem bei der modernen Produktion mit hocheffizienten Werkzeugmaschinen. Dadurch entstehen teure Reparaturen vor allem an der Hauptspindel und den Spindelmutter-Antrieben, was zu langen Ausfallzeiten an der betroffenen Maschine führt. Eine Umfrage bei insgesamt 23 Anwendern und Herstellern von Werkzeugmaschinen ergab, dass die Service- und Ersatzteilkosten durch eine heftige Kollision bis zu 23.000 € betragen können. Verfügbare Überlastsicherungssysteme können derzeit weder die hohen Kollisionsschäden verhindern noch die Auswirkungen eines Schadens gering halten. Es bedarf also neuer Ansätze. Um dies zu ändern, wird eine Lösung verfolgt, die vorsieht, die Vorteile elektronischer und mechanischer Überlastsicherungssysteme zu vereinen. Diese Lösung basiert darauf, dass der erste Kontakt bei einer Kollision beispielsweise zwischen Werkzeug und Werkstück erkannt und über eine nachgeschaltete Entscheidungslogik verarbeitet wird. Durch diesen kontakterkennungsbasierten Ansatz ist es möglich, Kollisionen schneller als bei herkömmlichen Schutzsystemen zu erkennen und Maßnahmen einleiten zu können. Je nach Kollisionshärte muss die Maschine dann möglichst schnell gestoppt werden, wobei abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit zwei Strategien zur Verfügung stehen. Im Bereich niedriger Vorschübe kann mittels eines steuerungsinternen Notstopps die Maschine sicher gestoppt werden, ohne dass nennenswerte Schäden auftreten. Im Fall einer Kollision mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten reicht der interne Notstopp nicht mehr aus, weshalb die Steuerung ein Signal an eine aktiv geschaltete Sicherheitskupplung/-bremse weitergibt. Das schnell schaltende Bremssystem kann vor allem den Spindelkasten inkl. Hauptspindel schützen, indem die Überlast vom Bremssystem aufgenommen wird und bleibende Verformungen verhindert werden. Dazu muss das Bremssystem mit hoher Kraft schnellstmöglich wirken. Eine Überlastkupplung, die eine hohe Axialsteifigkeit aufweist und direkt an der Schnittstelle zwischen Antriebssystem und Werkzeugschlitten in die Spindelmutter integriert ist, kann den Kraftfluss infolge einer Kollision früh unterbrechen und somit das Antriebssystem schützen. Solche Maschinenelemente zur schnellen Kopplung bzw. Entkopplung von großen Kräften sind nach dem derzeitigen Stand der Technik und Forschung nicht verfügbar. Ziel dieser Arbeit ist somit die Entwicklung einer schnell schaltenden Bremse und Kupplung für Linearbewegungen am Beispiel des beschriebenen Überlastsicherungssystems für Werkzeugmaschinen mit Spindelmutter-Antrieben. Damit erfolgt eine Eingrenzung des Lösungsansatzes auf die mechanischen Komponenten. Die ebenfalls benötigte Steuerungstechnik zur Auslösung von Bremse bzw. Kupplung wird in einer weiteren Arbeit am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen entwickelt. Die Hauptanforderung an die einzelnen Systeme besteht dabei in der Verkürzung der Reaktionszeit. Maßnahmen zur Vermeidung von schwerwiegenden Beschädigungen infolge Kollisionen müssen in den ersten Millisekunden eingeleitet werden. In der vorliegenden Arbeit wird zur Lösung dieser Aufgabe als Vorgehensweise der Produktentwicklungsprozess gemäß VDI2221 gewählt. Dabei wird gezeigt, dass die Anforderungen durch eine hydraulische Betätigung des Brems- bzw. Kupplungssystems erreichbar sind. Das Herzstück bildet daher ein Hydraulikventil, das durch einen extrem schnellen Aktor geöffnet wird. Das zentrale Problem dabei ist die Optimierung der Parameter Kraft, Weg und Zeit. So müssen die eingesetzten Aktorprinzipien hohe Kräfte und Wege innerhalb kürzester Reaktionszeit aufbringen. Das schnell schaltende Bremse-Kupplung-System wird hier exemplarisch für die x-Achse einer Fräsmaschine in Fahrständerbauweise entwickelt. Die Antriebssysteme bestehen dabei aus Kugelgewindetrieben. Es steht jedoch nicht die Werkzeugmaschine im Vordergrund, sondern die Entwicklung des Bremse-Kupplung-Systems, das somit auch in weiteren Anwendungsfeldern ihren Einsatz finden kann. Für die geforderte Aufgabenstellung leiten sich jedoch aus den Eigenschaften von Werkzeugmaschinen wie z. B. Verfahrgeschwindigkeiten, Steifigkeiten etc. verschiedene Anforderungen ab, welche die Basis für die vorliegende Arbeit darstellen.
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Entwicklung und Untersuchung vibrotaktiler Muster im Kontext der Mensch-Maschine-Interaktion
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2020) Schwalk, Matti; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit liefert einen systematischen Ansatz, um die Basis für eine taktile Sprache am Beispiel des Fahrzeugsitzes grundlegend zu erforschen. Dabei wird zunächst ein übertragbares, methodisches Vorgehensmodell generiert sowie die Taktile Sitz-Matrix (TSM) mit 25 Vibrationsmotoren in der Rückenlehne und 16 Vibrationsmotoren in der Sitzfläche als Prüfstand für die Realisierung entwickelt. Die Methode beschreibt im Kern die folgenden drei Schritte zur Generierung einer taktilen Sprache: Erkennbarkeit vibrotaktiler Muster (Syntax-Ebene); Bedeutung vibrotaktiler Muster (Semantik-Ebene); Lernen und Abrufen vibrotaktiler Muster (Pragmatik-Ebene). Jede dieser drei Ebenen wird in einer separaten Versuchsreihe behandelt und jeweils mit einem definierten Probandenkollektiv ohne Vorprägung evaluiert, wobei insgesamt 21 Hypothesen überprüft werden. Als Nutzungskontext wird die Fahrer-Fahrzeug-Interaktion im PKW gewählt. In Versuchsreihe 1 (N=24) wird systematisch und umfassend untersucht, welche taktilen Muster vom Menschen generell erkannt und unterschieden werden können. Die Untersuchung von insgesamt 146 Mustern mit unterschiedlichen Darbietungsarten und Motoranordnungen liefert grundlegende Aussagen zur Eignung von konkreten vibrotaktilen Mustern und Musterarten. Auf dieser Basis werden die Reizmuster für Versuchsreihe 2 (N=24) ausgewählt, welche erstmals in diesem Umfang semantische Verknüpfungen zwischen taktilen Mustern und expliziten Informationen auf Basis von intuitiven Zuordnungen der Versuchsteilnehmer liefert. Die Probanden bewerten die insgesamt 184 Muster-Informations-Kombinationen in „beiden Richtungen“. Dabei werden den einzelnen taktilen Mustern jeweils passende Informationen (aus einer definierten Auswahl) zugeordnet und umgekehrt, je nachdem was der Proband intuitiv als semantisch zugehörig bewertet. Dadurch werden geeignete Muster-Informations-Kombinationen identifiziert, die als Basis für Versuchsreihe 3 (N=30) dienen. Dabei werden 24 Informationen mit zugehörigen Mustern definiert, welche von den Probanden gelernt und anschließend in neun unterschiedlich großen Musterpools abgerufen werden. Durchschnittlich werden dabei alle Reizmuster 360-mal abgefragt und generell sehr hohe Erkennungsraten bis zu 100 % erreicht. Auf Basis der Ergebnisse wird davon ausgegangen, dass eine Anzahl von mindestens 14 vibrotaktilen Mustern in kurzer Zeit (ca. 1 min pro Muster) gelernt und in einem Nutzungskontext zuverlässig eingesetzt werden kann. Subjektiv kommt es dabei weder zu einer deutlichen Unter- noch zu einer Überschätzung bzgl. der Erkennung taktiler Hinweisreize seitens der Versuchsteilnehmer. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass durch vibrotaktiles Feedback auch komplexe Informationen effektiv und effizient übermittelt werden können, um damit den Nutzer bei der Bewältigung seiner Aufgaben zu unterstützen. Vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten werden dabei insbesondere in der multimodalen Kombination der taktilen Muster mit visuellen und/oder akustischen Reizen gesehen. The present work provides a systematic approach to explore the basis of tactile language development using the example of the vehicle seat. Initially, a transferable, methodical approach is generated and the Tactile Seat Matrix (TSM) with 25 vibration motors in the backrest and 16 vibration motors in the seating surface is developed as a test bench for realisation. In essence, the method describes the following three steps for the generation of a tactile language: recognisability of vibrotactile patterns (syntax level); meaning of vibrotactile patterns (semantic level); learning and retrieving vibrotactile patterns (pragmatic level). Each of these three levels is treated in a separate test series and evaluated with a defined group of participants without any preconditioning. In the process, a total of 21 hypotheses are tested and the driver-vehicle interaction in a passenger car is chosen as context of use. In test series 1 (N=24), it is systematically investigated which tactile patterns can be recognised and distinguished by humans in general. The investigation of a total of 146 patterns with different types of presentation and motor arrangements provides fundamental information on the suitability of specific patterns and pattern types. On this basis, the stimulus patterns for test series 2 (N=24) are selected, which for the first time to this extent provides semantic connections between specific tactile patterns and explicit information on the basis of intuitive assignments of test participants. The subjects evaluate 184 pattern-information combinations in "both directions". Thereby, for each specific tactile pattern they assign suitable pieces of information (from a defined selection) and vice versa, depending on what the participants intuitively determine as semantically suitable. In this way, suitable pattern-information combinations can be identified, which serve as the basis for test series 3 (N=30). This involves 24 defined pieces of information with associated patterns, which are learned by the test persons and then retrieved in nine sample pools of different sizes. On average, all stimulus patterns are presented 360 times and generally high recognition rates of up to 100 % are achieved. On the basis of the results, it is assumed that a minimum number of 14 vibrotactile patterns can be learned in a short period of time (approx. 1 min per pattern) and reliably used within one context of use. Subjectively, there is neither a significant under- nor overestimation regarding the recognition of tactile cues by the test participants. The test results show that vibrotactile feedback can be used to effectively and efficiently transmit complex information in order to support the user in accomplishing his tasks. Promising application possibilities are seen especially in the multimodal combination of tactile patterns with visual and/or acoustic stimuli.
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Entwicklung von gestaltvariablen Bedienelementen zur Überwindung von Nutzungsbarrieren am Beispiel alternsgerechter Drehstellteile
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2018) Janny, Benedikt; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
Aufgrund des sich aktuell vollziehenden demografischen Wandels der deutschen Bevölkerung und einer daraus resultierenden alternden Gesellschaft ergibt sich ein erhöhter Bedarf an alternsgerechter Technik. Bei der Interaktion mit Maschinen und technischen Produkten stellt der Umgang mit Drehbedienelementen sowohl im kraftintensiven als auch im feinmotorischen Betätigungskontext eine erhebliche Problematik für ältere Menschen dar. In vorliegender Arbeit wird deshalb die Auswirkung unterschiedlicher Drehbedienelementgestaltgebung auf die Usability und User Experience aus der Sicht von jüngeren und älteren Nutzern im Rahmen von experimentellen Probandenstudien untersucht. Des Weiteren findet die Erarbeitung einer durchgängigen Methodik zur Gestaltung alternsgerechter, physischer Mensch-Maschine-Schnittstellen statt. Zuletzt erfolgt die Untersuchung adaptierbarer und adaptiver Gestaltungsansätze zur Steigerung der Usability und User Experience bei der Verwendung durch jüngere und ältere Menschen.
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Erfassung und Berücksichtigung von Persönlichkeitsmerkmalen im Kontext der ergonomischen Fahrzeugauslegung
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2022) Pomiersky, Philipp Sebastian; Maier, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit behandelt die Optimierung der ergonomischen Fahrzeugauslegung durch die Miteinbeziehung von Persönlichkeitsmerkmalen. Trotz der Berücksichtigung vieler Einflussfaktoren, wie Anthropometrie oder Sinnesphysiologie, verbleibt bei vielen Aspekten der Makroergonomie im Sinne des Technischen Designs eine bisher nicht erklärbare Streuung zwischen Personen. Um die Passung zwischen Nutzenden und Fahrzeug zu optimieren, müssen zukünftig Persönlichkeitsmerkmale berücksichtigt werden. Allerdings ist bisher weder bekannt, welche Persönlichkeitsmerkmale ergonomierelevant sind, noch gibt es ein spezifisches Messinstrument hierfür. Aus dieser Problemstellung ergibt sich das Ziel dieser Arbeit, ergonomierelevante Persönlichkeitsmerkmale zu detektieren, messbar zu machen und erste Einflüsse dieser Persönlichkeitsmerkmale auf die Makroergonomie zu ermitteln. Mit einem mehrstufigen systematischen expertenbasierten Verfahren wird ermittelt, dass die Persönlichkeitsmerkmale Fahrspaß, Sicherheitsbedürfnis, Komfortaffinität, Diskomfortempfindlichkeit, Infotainmentorientierung, Gewohnheit, Ergonomiebewusstsein und Aufwandsvermeidung den größten Einfluss auf die Makroergonomie haben. Zur Messung der Merkmale wird der Fragebogen „Ergonomierelevantes Persönlichkeitsinventar für das Auto“ (ERPI-A) systematisch mithilfe diverser Methoden mit Fachleuten und Autofahrenden entwickelt. Die Überprüfung der Gütekriterien zeigt, dass ERPI-A die Persönlichkeitsmerkmale valide und ökonomisch misst. Um ERPI-A im praktischen Einsatz zu testen und erste Zusammenhänge mit der Makroergonomie zu detektieren, wird eine breit aufgestellte Anwendungsstudie im Fahrzeug-Ergonomie-Prüfstand konzipiert und durchgeführt. Der Fokus liegt dabei auf der Körperhaltung, Sitz- und Lenkrad-position, dem Einstellvorgang von Sitz und Lenkrad, der Berücksichtigung des Infotainmentsystems während der Fahrt sowie der Bewertung von Fahrzeug-, Maß- und Bedienkonzept. Dabei haben alle Persönlichkeitsmerkmale Auswirkungen auf Teilaspekte der Makroergonomie. Aufbauend auf den Versuchsergebnissen werden Empfehlungen für den zukünftigen Einsatz von ERPI-A hinsichtlich der Durchführung und Interpretation von Untersuchungen und der Anpassung der Fahrzeugkonzeption gegeben.
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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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Fremdbetätigte Linearkupplungen für klemmtolerante Primärflugsteuerungsaktoren
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2018) Naubert, Alexander; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Ein Lösungsansatz für umweltfreundliche Technologien ist die Elektrifizierung von Flugsystemen unter der Überschrift „More Electric Aircraft“, das die Weiter- und Neuentwicklung von kundenspezifischen elektrischen Systemen mit hoher spezifischer Leistung umfasst. Hinsichtlich der primären Flugsteuerung von Hubschraubern gibt es allerdings noch erhebliche Sicherheitsrisiken, da diese Anwendung für elektromechanische Aktoren eine besondere Herausforderung darstellt. Insbesondere der Fehlerfall eines klemmenden Antriebsstrangs ist für diese Antriebe charakteristisch und muss aufgrund begrenzt verfügbarer Daten bei der Entwicklung berücksichtigt werden. Im Vorfeld dieser Forschungsarbeit wurde ein Lösungsansatz mit redundanten Stellantrieben gewählt, bei dem das Lösen von klemmenden Bauteilen mit Hilfe fremdbetätigter Linearkupplungen erfolgt. Nach Detektion mittels Sensoren sind die klemmenden Bauteile freizuschalten, sodass ein redundanter Stellantrieb die Steuerungsfunktion des ausgefallenen Aktors übernehmen kann. Die vorliegende Forschungsarbeit setzt bei der Neuentwicklung fremdbetätigter Linearkupplungen an, die aktiv steuerbar, schnell schaltend, kompakt, leicht und bei hoher Belastung robust schaltbar sein müssen. Konkret bedeutet dies, dass das Entkuppeln innerhalb von 20 ms bei Vorspannkräften von bis zu ±50 kN durchzuführen ist. Um eine Substitution der aktuell verwendeten servohydraulischen Aktoren direkt zu ermöglichen, müssen sowohl die Masseanforderung von maximal 2 kg pro Kupplung als auch die Bauraumanforderung an das Flugsteuerungssystems eingehalten werden. Als Bestandteil eines sicherheitskritischen Systems sind möglichst viele Teilfunktionen der Kupplungen im Rahmen von automatisierten Vorflugtests zu überprüfen, mit denen ein frühzeitiges Erkennen von Fehlfunktionen garantiert wird. Des Weiteren sind alle relevanten Fehlerursachen für einen klemmenden Antriebsstrang, d. h. insbesondere alle Schäden an wälzenden Kontakten, von den Kupplungen auch bei rauen Umgebungsbedingungen abzudecken. Hinzu kommt das für wälzende Kontakte ungünstige Belastungs- und Bewegungsprofil von stark hämmernden Lasten und kleinen oszillierenden Stellbewegungen der primären Flugsteuerungsaktoren. Um alle Anforderungen zu erfüllen, werden im Rahmen dieser Forschungsarbeit innovative Lösungen in reversibler und irreversibler Ausführung entwickelt und erprobt.
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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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Gefallensurteil und Blickanalyse zum Fahrzeugdesign zukünftiger Aufbaugestalten anhand einer technischen Prognose
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2016) Holder, Daniel; Maier, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
Die Gestalt eines Fahrzeugs wird von vielen funktionalen Zusammenhängen bestimmt. Dabei sind die Gestalt und das Design eines Fahrzeugs wesentliche Produkteigenschaften aus der Sicht des Betrachters und Benutzers. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, welche Aufbaugestalten bei zukünftigen Fahrzeugkonzepten relevant sind und wie diese prognostizierten Fahrzeugkonzepte auf den Betrachter wirken. Im ersten Schritt wurde eine Methode zur Prognostizierung zukünftig relevanter Fahrzeugkonzepte erarbeitet. Hierbei wurden Einflüsse auf die Fahrzeugentwicklung berücksichtigt sowie eine Neustrukturierung der Aufbauarten in kubische, additive und integrative Ausprägungen vorgenommen. Das Ergebnis dieser Methode liefert eine allgemeingültige und zeitlos anwendbare Definition des Fahrzeugaufbaus mittels der Aufbauarten. Die Ergebnisse des Prognoseprozesses sind ziel- und maßinduzierte Vorgaben an Aufbaugestalten von Fahrzeugkonzepten. Auf Basis dieser Vorgaben wurden parametrische 3D-CAD-Fahrzeugmodelle und daraus abgeleitet Reizmuster mit Fahrzeugdarstellungen entwickelt. Die Modelle dienen als Grundlage für die Erstellung von 36 unterschiedlichen Reizmustern von Fahrzeugdarstellungen. In der anschließenden Studie wurden die Reizmuster 80 Probanden dargeboten. Die Probanden hatten die Aufgabe, ihr Gefallensurteil auf einer siebenstufigen Ratingskala zu differenzieren. Parallel zum Gefallenstest wurden die Blickbewegungen mit einem Eye-Tracker aufgezeichnet und anhand von AOIs und Heatmaps analysiert. Auf Basis der Blickanalyse traten relevante Zonen des Fahrzeugaufbaus zu Tage. Es zeigte sich, dass Unterschiede in den Aufbauarten das Gefallen beeinflussen und Aufbauveränderungen die Gefallenswerte weiter differenzieren. In der Deutung und Anwendung der Studienergebnisse ist zusammengefasst und aufgezeigt, welche Maßänderungen das Potenzial haben, die Wahrnehmung positiv zu beeinflussen und welche Maßänderungen in Abhängigkeit einer Aufbauart kritisch zu sehen sind. Des Weiteren wurden Empfehlungen abgeleitet, was bei der Teilgestalt Form im Hinblick auf die Aufbaugestalt im Entwicklungsprozess zu beachten ist, da die Beurteilung und Wahrnehmung der Fahrzeugaufbaugestalt nun bekannt ist. Die vorliegende Arbeit bestätigte das wissenschaftliche Potenzial der interdisziplinären Schnittstellenthematik. Dabei bewährte sich die Verknüpfung funktionaler Aspekte der Fahrzeugtechnik und formaler Aspekte der Designtheorie in einem nutzerzentrierten Ansatz zur Analyse des Gefallens und der visuellen Wahrnehmung.