Universität Stuttgart
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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 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.Item Open Access 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.Item Open Access TANGO Guideline - Design Guidance und Methoden Review(Stuttgart : TANGO Konsortium, 2021) Reichelt, Florian; Laßmann, Paula; Maier, ThomasDie in dieser Guideline vorgestellten Ergebnisse stellen die wesentlichen Erkenntnisse aus dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsprojekt TANGO (Laufzeit 2016 - 2020) dar. Die hier präsentierten Inhalte basieren auf zahlreichen Studien und Entwicklungsleistungen innerhalb des Projekts. Auf Grund der Vielzahl an Projektergebnissen werden ausschließlich die vom Konsortium für relevant befundenen Ergebnisse in dieser Guideline kurz und kompakt zusammengefasst. Eine detaillierte Übersicht über die Projektergebnisse steht in den jeweiligen Partnerberichten (bei der TIB Hannover einsehbar) sowie den Publikationen und Informationen auf der TANGO-Website (https://projekt-tango-trucks.com/) zur Verfügung. Die hier vorgestellten Inhalte basieren weiterhin auf den Erkenntnissen, die im Projektzeitraum von Dez. 2016 - Sept. 2020 generiert wurden. Des Weiteren entstammen alle Studiensettings, Entwicklungsschritte und das Ergebnis - der virtuelle Beifahrer - selbst dem zielgerichteten Forschungsauftrag des Projekts. Alle Studien orientierten sich an dieser Zielvorgabe, sodass ein Übertrag der TANGO-Ergebnisse auf ein anderes Projekt in jedem Fall überprüft werden muss.Item Open Access Auslegung von Kugelgewindetrieben bei oszillierenden Bewegungen und dynamischer Belastung(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2017) Münzing, Thomas; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Tragfähigkeit von mittels Quer-Fließpressen hergestellten Welle-Nabe-Verbindungen bei Torsionsbeanspruchung(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2017) Funk, Michael; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access TANGO - Projektvorstellung & Ergebnisse(Stuttgart : TANGO Konsortium, 2021)Als Könige der Landstraße bezeichneten sich früher Lkw-Fahrer und gingen in ihrem Beruf einer großen Leidenschaft mit viel Freude nach. Das Bild hat sich heutzutage deutlich gewandelt. Lkw-Fahrer sind einem gnadenlosen Kampf gegen die Uhr und um die letzten freien Parkplätze ausgesetzt. Endlose Kilometer Stau, lange Wartezeiten beim Be- und Entladen sowie ein schlechter werdendes Image in der Gesellschaft bestimmen heutzutage den Alltag. Als wäre das nicht schon genug, ist mit dem automatisierten Fahren eine neue Technologie auf dem Vormarsch, welche das Transportgewerbe in Zukunft maßgeblich verändern wird. Die damit verbundenen Ängste um die Fahrerkabine als Arbeitsplatz führen zu einer großen Ablehnung der Technologie bei den Fahrern. In diesem Spannungsfeld hat sich ein Konsortium zusammengefunden und mit dem Projekt „TANGO“ ein Forschungsvorhaben beim Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) initiiert, um diesen Fragestellungen nachzugehen. Im Verbundprojekt standen die Nutzerbedürfnisse im Mittelpunkt - mit dem Ziel, das Arbeitsumfeld sowie das Fahrerlebnis nachhaltig zu verbessern. Seit dem 01.12.2016 forschte das Konsortium gemeinschaftlich für eine Projektlaufzeit von 3,5 Jahren an diesem Themenfeld, entwickelte Lösungen und evaluierte diese in regelmäßigen Abständen mit Lkw-Fahrern. Diese Broschüre soll dazu dienen, die Ergebnisse der Forschungsarbeiten vorzustellen und als Nachschlagewerk zur Verfügung zu stellen.