Universität Stuttgart
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Item Open Access An extended biphasic description of the inhomogeneous and anisotropic intervertebral disc(2009) Karajan, Nils; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)It is the aim of this contribution to develop a finite element model, which is as simple as possible, but at the same time complex enough to capture many of the occurring tissue properties of the intervertebral disc (IVD). In order to better understand these properties from an engineering point of view, the needed basic anatomical knowledge is briefly reviewed in the beginning of this treatise, thereby addressing the lumbar spine with focus on the IVD and its material properties. In particular, the IVD appears as the largest avascular part of the body and its microstructure leads to an electro-chemically active material with anisotropic, inhomogeneous and strongly dissipative behaviour. In the following main part of this work, the complete continuum-mechanical modelling process is extensively discussed as well as the numerical treatment of the resulting governing equations. Starting from the thermodynamically consistent Theory of Porous Media (TPM), two phases and three components are introduced for the description of IVD tissue. In particular, this is the extracellular matrix (solid skeleton) carrying fixed negative charges which is saturated by a pore fluid consisting of a solvent (liquid) as well as anions and cations of a dissolved salt. Following the idea of superimposed continua, an individual motion function is introduced for each of the constituents, whereas the components of the pore fluid are always expressed relative to the deforming solid skeleton. In order to capture the finite kinematics of the inelastic solid skeleton, its deformation gradient is multiplicatively split into inelastic and elastic parts. Next, the materially independent balance equations are derived from the respective master balances and accustomed to the soft biological tissue under study. In order to keep the resulting set of equations as simple as possible, while still keeping the ability to reproduce osmotic effects, an assumption according to Lanir is made. In this context, the tissue is regarded to be always immediately in electro-chemical equilibrium, which allows to describe the electro-chemically active tissue using only an extended biphasic model. Applying van't Hoff's law finally allows to compute the occurring osmotic pressure as a function of the solid displacement. Moreover, in order to characterise the inhomogeneous anisotropic and viscoelastic solid skeleton as well as the viscous pore fluid, several constitutive equations need to be formulated, thereby depending on a thermodynamically admissible set of process variables. Herein, the endangerment of postulating nonphysical constitutive assumptions is avoided by strictly following the restrictions resulting from the evaluation of the entropy inequality. Finally, the chosen constitutive functions of the solid skeleton are based on Ogden-type strain energy functions, which automatically include several simpler material laws. The viscoelastic contribution is based on a generalised Maxwell model which is dominated by the concept of internal variables with linear evolution equations. Finally, the superimposed dissipative effect of the viscous pore fluid is captured using the famous Darcy filter law. As a last step, the applicability of the derived model is proven with realistic computations of the IVD. Herein, the resulting set of governing partial differential equations is discretised in time and space using the finite difference method and the mixed finite element method, respectively. The theoretically introduced material parameters are determined using experimental data as well as material parameters obtained from a vast collection of related literature sources. Since many parameters appear in a coupled manner, their identification is often only possible via inverse computations. Following this, a numerical sensitivity analysis is carried out yielding an indication for the relevant parameters in experiments concerning a motion segment in a short-duration compression-flexion experiment as well as in long-term loading situations. Subsequently, the efficiency of the implementation is demonstrated by a parallel simulation of a lumbar spine segment carried out on 84 processors simultaneously, thereby exhibiting almost one million degrees of freedom.Item Open Access Städte am Wasser - Wasserstädte : die nachhaltige Erhöhung der Konkurrenzfähigkeit von urbanen Räumen durch Sanierung und Umnutzung von Uferzonen(2009) Ebner, Stefan; Ribbeck, Eckhart (Prof. Dr. Ing.)Darstellung und Untersuchung von Best-Practice-Beispielen zur Erhöhung der nachhaltigen Konkurrenzfähigkeit von urbanen Räumen durch Sanierung und Umnutzung von UferzonenItem Open Access 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.Item Open Access Entwicklung eines Systems zur immersiven Arbeitssystemgestaltung mit CAD-Schnittstelle(2009) Schirra, Roman; Spath, Dieter (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.)Neue Systeme der Virtuellen Realität bekommen in der industriellen Praxis immer größere Bedeutung. Besonders im Bereich der Arbeitssystemgestaltung besteht ein großes Potential, die vorhandenen Probleme des hohen Aufwands für dynamische Menschmodellsimulationen oder der vielen Iterationen in der Layoutgestaltung durch die VR-Technologie zu lösen. Aus diesen Gründen wird für diese Arbeit ein neuer Ansatz gewählt, welcher einen Planungsprozess für Arbeitssysteme nahezu vollständig mit einer VR-Anwendung ermöglicht. Dazu werden die Systemanforderungen, bestehend aus den Anforderungen der Anwendergruppe sowie den systemtechnischen Anforderungen, dargestellt. Die Planungssystematik für Arbeitssysteme liefert einen Baustein zur Entwicklung eines VR-Planungsprozesses sowie zur Gestaltung zusätzlicher Funktionen der VR-Anwendung. Die Einheiten Produkt, Prozess und Ressource bilden einen weiteren Baustein der Konzeption. Ein zusätzlicher Baustein sieht die parallele Datenhaltung von Arbeitssystemkomponenten vor. Für die Umsetzung wurde zunächst die Systemarchitektur aufgestellt. Basierend darauf wurden verschiedene VR-Module und CAD-System-Module entwickelt. Das Datenmodell wird durch die Erweiterung bestehender Dateien um bestimmte Einheiten realisiert. Die Umsetzung der parallelen Datenhaltung sieht vor, jede Arbeitssystemkomponente sowohl als VR-Datei als auch als CAD-Datei vorzuhalten. Durch die Entwicklung eines VB-Servers können parametrisierte Arbeitssystemkomponenten immersiv verändert und eingeladen werden. In der Groblayoutplanung wurden Vorgehensweisen entwickelt, um Stationen, Linien bis hin zu Fabrikstrukturen in groben Abmaßen festzulegen. Die Feinlayoutplanung wurde für die Detaillierung des Layouts durch Bibliothekskomponenten realisiert. Für die ergonomischen Analysen wurde die Idee umgesetzt, Bewegungsabläufe vom Anwender direkt auf ein Menschmodell zu übertragen. Zusätzlich wurde eine Positionierungsmethodik entwickelt, um Objekte und Menschmodelle interaktiv zu verschieben und auszurichten. Ein Projektnavigator wurde zur Verwaltung der Planungsprojekte umgesetzt. Darüber hinaus wurde ein VR-Konverter für den Austausch entsprechender Planungsdaten verwirklicht. Im Rahmen einer Anwenderstudie erfolgte die Evaluierung des Gesamtsystems. Dabei wurden zunächst die Testpersonen ins System eingewiesen, danach erfolgte die Durchführung der Tests und im Anschluss wurde das System bewertet. Insgesamt bewerteten die Anwender das entwickelte System positiv.Item Open Access Experimental investigation of flow boiling of water in narrow rectangular vertical channels(2009) Sobierska, Ewelina; Groll, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)In the last century electric and electronic devices have become an integral part of our life. Simultaneously, in pursuance of people's nature, needs and demands are incessantly increasing. Consequently, the devices are becoming more convenient (by means of being smaller and lighter) and the number of their functions is rising. One of the restrictions which stop this development is the Joule effect which creates a thermal management problem. Many options to achieve successful cooling are available, ranging from very simple passive cooling to active cryogenics methods. Among those, flow boiling offers very good heat transfer performance taking advantage of the latent heat of vaporisation. During flow boiling in microchannels a liquid coolant is pumped through an array of channels which can be attached to heated surfaces. A closed loop containing an evaporator with microchannels, a micropump and a condenser can be very compact and relatively inexpensive. There are three aspects of flow boiling: flow pattern, pressure drop and heat transfer. All three and their relationship are experimentally investigated in this work with the aim to find the best heat transfer performance conditions. The experiments were carried out in three rectangular channels with hydraulic diameters below 0.5 mm. Deionised water was used as working fluid. The heat transfer and pressure drop were investigated. Additionally a visualisation of two-phase flow was done in order to obtain a better understanding of the heat transfer mechanism. The results of this work can be briefly summarized as follows: The best heat transfer performance was found at thermodynamic vapour qualities close to zero, where slug flow was usually observed. The two-phase pressure drop can be predicted by a separate flow model which is based on governing equations (mass, energy and momentum conservation laws), the Lockhart-Martinelli method and the empirical void fraction equation with constants proposed by Lockhart and Martinelli.Item Open Access Variable-density swirl-enhanced mixing within the lower plenum of high-temperature nuclear reactors(2009) Lavante, Dominik von; Laurien, Eckert (Prof. Dr.)With recent progress in high-temperature pebble-bed reactor programs research focus has started to include more ancillary engineering issues. One very important aspect for the realizability is the mixing of hot and colder helium in the reactor lower plenum. Under nominal operating conditions, depending on core design, the temperature of hot gas leaving the core can locally differ by up to 210°C. Due to material limitations, these temperature differences have to be reduced to at least 15°C at the turbine inlet, or heat exchanger inlet, by mixing in the lower plenum. To achieve this, swirling flows can be used. Several reduced-size air experiments have been performed to demonstrate the ability, but their applicability to modern commercially sized reactors is not certain. With the rise in computing power CFD simulations can be performed in addition, but advanced turbulence modelling is necessary due to the highly swirling and turbulent nature of this flow. The presented work uses the geometry of the German HTR-Modul which consists of an annular mixing channel and radially arranged ribs. Using the commercial CFD code ANSYS CFX, a detailed analysis of the complex 3D vortical flow phenomena within this geometry has been made. Several momentum transport turbulence models, e.g. the classical k-e model, advanced two-equation models and Reynolds-Stress Models were compared with respect to their accuracy for this particular flow. In addition, the full set of turbulent scalar flux transport equations was developed, validated and implemented for modelling the three components of turbulent transport of enthalpy separately and were compared with the standard turbulent Prandtl number approach. As expected from previous work in related fields of turbulence modelling, the differences in predicting the mixing performance between models were significant. Only the full Reynolds-Stress model coupled with the scalar flux equations was able to reproduce the experimentally observed reduction of mixing efficiency with increasing Reynolds number. The correct scaling of mixing efficiencies demonstrates that the utilized turbulence models are able to reproduce the physics of the underlying flow. Hence they could be employed for the scaling and optimization of the lower plenum geometry. The results also showed that the original geometry used for the HTR-Modul is insufficient to provide adequate mixing, and hence for future reactor designs adequate mixing might not be guaranteed. Based on this work, an optimization for future lower plenum geometries has become feasible.Item Open Access Optimierung von Flüssigkristall-Lichtmodulatoren in aktiven optischen Systemen(2009) Kohler, Christian; Osten, Wolfgang (Prof. Dr.)Die Dissertation behandelt den Einsatz von reflektiven Flüssigkristallmodulatoren, sogenanntenLiquid Crystal on Silicon Displays (LCoS), in aktiven optischen Systemen. Es werden zunächst die verschiedenen eingesetzten Modulatortypen beschrieben und deren Unterschiede bei der Anwendung aufgezeigt. Einen wichtigen Punkt der Arbeit stellt die Charakterisierung dieser Elemente dar. Es wurden im Rahmen dieser Arbeit neue Methoden entwickelt mit Hilfe derer es möglich ist, modellfrei die komplette Jones-Matrix der Displays für die adressierbaren Grauwerte zu messen. Insbesondere die Phasenbeziehung zwischen zwei adressierten Grauwerten wird berücksichtigt. Die hierfür notwendigen Messaufbauten und Auswerteallgorithmen werden ausführlich beschrieben. Der Vorteil dieser neuen Art der Kalibrierung liegt darin, dass man für eine komplette polarisationsoptische Kalibrierung der Displays nicht mehr auf (meist nicht verfügbare) Herstellerdaten angewiesen ist. Die Ergebnisse der Kalibrierung werden dann eingesetzt, um gezielt die Modulationseigenschaften der Displays für ihren Einsatz als Phasenmodulatoren zu optimieren. Als Kriterien für eine Optimierung wurden der erreichbare Beugungswirkungsgrad, die Transmission des polarisationsoptischen Systems aus Display und den zusätzlichen notwendigen Komponenten, sowie die nicht quantitative Rekonstruktionsqualität gewählt. Für die Optimierung werden unterschiedliche Methoden eingesetzt. In einem ersten Schritt wurden mit den Daten der Charakterisierung spezielle Display-Modulationskurven, sogenannte Display-Kennlinien, berechnet. Der Einfluss auf die Rekonstruktionsqualität und den Beugungswirkungsgrad wurde in Simulationen und Experimenten untersucht und der Einfluss der Kennlinie wurde demonstriert. Die polarisationsoptische Charakterisierung bietet darüber hinaus weitere Möglichkeiten für eine Optimierung. Speziell bei verdrillt nematischen Displays kann durch eine Berücksichtung der Polarisationseffekte bei der Hologramm-Optimierung auf einen linearen Polarisator hinter dem Display verzichtet werden. Dadurch kann eine erhebliche Steigerung der Transmission des optischen Systems bestehend aus Polarisatoren und dem Display erreicht werden. Die hierfür notwendigen Algorithmen wurden im Rahmen dieser Dissertation erarbeitet und werden detailliert vorgestellt.Item Open Access Konzeption und Entwicklung eines synchronen Kommunikationssystems für die verteilte Produktentwicklung(2009) Tippmann, Volker; Bullinger, Hans-Jörg (Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. e.h. mult. Dr. h.c. mult.)Ziel dieser Arbeit war es, auf der Grundlage einer detaillierten Anforderungserhebung ein synchrones Kommunikations- und Kooperationssystem zu entwickeln, das erweiterbare Basistechnologien zur Verfügung stellt. Dabei wurden für die Zusammenarbeit in der Produktentwicklung spezifische Werkzeuge prototypisch implementiert und unter Gesichtspunkten der Benutzerfreundlichkeit evaluiert. Die in der Forschung zum Thema Collaborative Virtual Environments (CVE) häufig verwendete Raummetapher wurde für die Entwicklung der synchronen Kommunikationstechnologien übernommen und in Form eines dreidimensionalen virtuellen Arbeitsraums umgesetzt. Aufgrund des hohen Kommunikations- und Koordinationsbedarfs im RPD lagen neben Arbeiten zur Unterstützung der Gruppenwahrnehmung (Awareness) die Schwerpunkte auf der Entwicklung verteilter Präsentations-, Moderations- und Visualisierungswerkzeuge. Diese Werkzeuge dienen der Kommunikationsstrukturierung und der Veranschaulichung von Sachverhalten, beides wichtige Vorraussetzungen für eine gelungene Kommunikation und Wissensintegration in multidisziplinären Teams. Es wurde ein 3D Multi-User-System entwickelt, das es verteilt arbeitenden Teams erlaubt, sich an einem virtuellen Arbeitsplatz zu treffen, multimodal zu kommunizieren und Besprechungen zu strukturieren. Von entscheidender Bedeutung im iterativen Prozess des RPD ist die Präsentation von Modellen und virtuellen Prototypen. Daher bietet die virtuelle Umgebung die Möglichkeit, virtuelle Prototypen zu visualisieren und in begrenztem Umfang zu editieren bzw. zu modellieren. Für den Austausch der Interaktionsdaten wurde ein XML-basiertes Protokoll entwickelt, das als Schnittstelle zu anderen Applikationen bzw. Endgeräten dient. Es wurde mit dem hier entwickelten Prototypen die Grundlage für ein leistungsfähiges Kooperationssystem geschaffen. In Zukunft gilt es, die Basisfunktionalitäten des Systems zu erweitern und es verstärkt in Zusammenarbeit mit der Industrie in Anwendungsszenarien weiterzuentwickeln. Das System wurde verschiedenen Industriepartnern vorgestellt, und es besteht das Interesse, es gemeinsam zur Produktreife zu bringen. Neben der Erarbeitung von neuen Modulen (z.B. HTML Browser, Video, verbesserte Textbearbeitung) stehen hier die Entwicklungen von alternativen Repräsentationen der Benutzer und der Räume an. Hier sollten zusätzlich zu den CUA Methoden auch verstärkt vergleichende Methoden zum Einsatz kommen. Die Anbindung an Datenmanagementsysteme ist auf das ASN beschränkt. Hier sollten Schnittstellen zu gängigen Systemen (PDM/EDM) geschaffen werden. Da es sich um ein webbasiertes System handelt, das zudem Schnittstellen für die Anmeldung von Nutzern bietet, ist es ohne großen Aufwand möglich, das System in bestehende Groupware-Umgebungen einzubinden. Es wäre möglich, das System mit anderen Virtual Reality Umgebungen, wie z.B. CAVEs oder Powerwalls zu integrieren. Das XML-Protokoll für den Datenaustausch bietet hierzu die Grundlage.Item Open Access Wirkungsweise einer gewalzten Seilendverbindung unter Zug- und Zugschwellbeanspruchung(2009) Raupp, Daniela; Wehking, Karl-Heinz (Prof. Dr.-Ing.)Seilkonstruktionen sind aufgrund ihres geringen Gewichts und der hohen Festigkeit als Zugglieder wesentliche Bestandteile sowohl im konstruktiven Ingenieurbau als auch in der Fördertechnik. Als Endverankerungen werden vermehrt die so genannten Pressfittinge eingesetzt. Bei dieser Endverbindung wird durch Kaltumformung eine Stahlhülse dauerhaft mit dem Stahlseil verbunden. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Seilendverbindung unter Zug- und Zugschwellbelastung untersucht. Für die Berechnung der Tragfähigkeit und die Herstellung der Pressfittinge stehen keine Normen oder Grundlagen zur Verfügung. Der Nachweis der Tragfähigkeit dieser Endverbindung erfolgt bis heute ausschliesslich über zerstörende Zug- und zeitintensive Zugschwellversuche. Aus der durchgeführten FE-Berechnung geht hervor, dass ein linearer Lastansatz zu einer sinnvollen Abgrenzung der übertragbaren Seilzugkraft führt. Unter Berücksichtigung des berechneten Fugendrucks und einer linearen Krafteinleitung kann mit diesem Modellansatz eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Zugversuche erzielt werden. Seilkonstruktionen in der Anwendung als stehende Seile sind nicht nur statischen, sondern auch zeitlich veränderlichen Lasten ausgesetzt. Im Gegensatz zu laufenden Seilen ist das Zugschwellverhalten von stehenden Seilen kaum untersucht. Vereinzelte experimentelle Untersuchungen zeigen, dass Pressfittinge gegenüber Kunststoffvergüssen eine deutlich reduzierte Lebensdauer im Zugschwellbereich besitzen. Mit dieser Arbeit wird eine Datenbasis zur Verfügung gestellt, die die Versuchsparameter systematisch hinsichtlich der Einflüsse aus der schwellenden Oberlast, Schwingweite, Seildurchmesser und -konstruktion, sowie des Werkstoffes für die gewalzte Seilendverbindung in weiten Grenzen variiert. Es wurde festgestellt, dass Galfan-verzinkten Seil-Zugglieder gegenüber vergleichbaren Konstruktionen aus nichtrostenden Stählen der Werkstoffnummer 1.4401 oder 1.4436 eine deutlich höhere Zeitfestigkeit besitzen.Item Open Access Ein Radfahrwerk mit passiver Federung für mobile Roboterassistenten(2009) Staab, Harald J.; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Mobile Roboterassistenten sind mobile Roboter, die Menschen bei Alltags- und Arbeitsaufgaben unterstützen und entlasten, gefährliche Arbeiten übernehmen und mit Menschen interagieren können. Sie sollen sich in strukturierten Alltags- und Arbeitsumgebungen des Menschen bewegen können, mit mindestens einem Roboterarm ausgestattet sein und Nutzlasten von etwa 20 bis 80 kg tragen können. Bisher wurden Forschungsdemonstratoren entwickelt, die starre Radfahrwerke haben. Auch Radfahrwerke anderer mobiler Roboter sind fast ausnahmslos starr und benötigen ebenen harten Boden und mehr Platz zum Manövrieren als ein Mensch. Ziel dieser Arbeit ist es daher, zu untersuchen, ob sich Radfahrwerke für mobile Roboterassistenten nicht mit starren, sondern gefederten Radaufhängungen entwickeln lassen, mit denen es möglich ist, Bodenunebenheiten auszugleichen, Stöße und Vibrationen durch Unebenheiten im Fahrweg aufzunehmen und dabei Schleudern oder Kippen unter allen zu erwartenden Fahrsituationen zu verhindern. Ausgangspunkt dieser Untersuchungen sind die Erkenntnisse zur Fahrdynamik von Straßen- und Schienenfahrzeugen sein, die sich aber nur beschränkt auf Radfahrwerke mobiler Roboterassistenten übertragen lassen. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Einsatzszenarien analysiert und ein Spektrum von Anforderungen an mögliche Realisierungsvarianten abgeleitet. Daraus werden Konzepte für Teil- und Gesamtsystem des Fahrwerks entwickelt und vergleichend bewertet. Für ein Konzept für Grundflächengeometrie und Radanordnung werden Fahrdynamikmodelle entwickelt, die in als extrem angenommenen Fahrsituationen simuliert werden. Aus diesen Ergebnissen und weiteren relevanten Gleichungen zu Fahrwerk und Antriebsstrang werden Auslegungsdiagramme und ein Vorgehensmodell entwickelt, das den Engineeringprozess von mobilen Roboterassistenten unterstützen kann. Schließlich werden die entwickelten Modelle und Auslegungsdiagramme durch Messungen an einer prototypischen Realisierung verifiziert und diskutiert.