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Journal Cover Forschung im Ingenieurwesen
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   ISSN (Print) 1434-0860 - ISSN (Online) 0015-7899
   Published by Springer-Verlag Homepage  [2353 journals]
  • Low-loss gears precision planetary gearboxes: reduction of the load
           dependent power losses and efficiency estimation through a hybrid
           analytical-numerical optimization tool
    • Authors: F. Concli
      Abstract: Abstract In the field of robotics, extremely accurate gearboxes are mandatory in order to ensure the adequate precision required by the automatic processes. For these applications, planetary gearboxes represent one of the most attractive solutions because they ensure high reduction ratios in a compact solution. However, their compactness and high power density, imply some thermal limitations. In order to overcome this problem, new gear designs have been studied by a hybrid analytical-numerical approach in order to reduce the power dissipation and, consequently, the operating temperatures. The efficiency increase is obtained mainly by a reduction of the module of the gears. This, together with other modifications of the tooth form (pressure angle, profile shift, etc.), allows to reduce the relative sliding between the tooth flanks that causes the power loss maintaining at the same time an adequate load carrying capacity. Low-loss gears have already been studied by other authors on bigger gears. Furthermore, by means of dedicated CFD simulations performed with an especially developed tool based on the open-source code OpenFOAM®, it has been shown that the sliding optimized design has a positive impact also on the churning power losses. The global winning in terms of reduction of the gear meshing power losses can be assessed in about 50%, depending on the reduction ratio. The new design has been validated by means of experimental tests performed in the internal laboratory of the company. The results have fully validated both the numerical approach and the new design.
      PubDate: 2017-07-20
      DOI: 10.1007/s10010-017-0242-0
       
  • Erratum zu: Ein Matrix-Berechnungsmodell zur Simulation und schnellen
           Berechnung der mittleren Temperaturdifferenz mehrgängiger
           Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager
    • Authors: Torben Möller; Olaf Strelow
      PubDate: 2017-07-11
      DOI: 10.1007/s10010-017-0236-y
       
  • Characterization of TEHL contacts of thermoplastic gears
    • Authors: Enzo Maier; Andreas Ziegltrum; Thomas Lohner; Karsten Stahl
      Abstract: Abstract Thermoplastic materials generally show low specific weight, low coefficients of friction, noise damping behavior and demonstrate low-cost manufacturing by injection molding. This qualifies thermoplastics for the use in lightweight gear design and more generally for an increase in resource efficiency. However, moderate thermo-mechanical material properties and detrimental accumulation of contact heat limit its applications to lowly loaded machine elements. Lubrication allows pushing these boundaries. In this work, the thermo-elastohydrodynamically lubricated (TEHL) contact of steel-thermoplastic material pairings (hybrids) is analyzed by tribosimulation and at the FZG twin-disk test rig for representative thermoplastic gear operating conditions. After a comparison to plain steel TEHL contacts, the focus is on friction, film thickness and heat management. Results show that high surface conformity leads to low hydrodynamic pressures and thus very low friction. Furthermore, local contact temperatures affect tribological performance. The considered steel-thermoplastic TEHL contact operates in the transition region between hard TEHL and soft EHL.
      PubDate: 2017-06-29
      DOI: 10.1007/s10010-017-0230-4
       
  • Bootstrap Monte Carlo Simulation of Reliability and Confidence Level with
           Periodical Maintenance
    • Authors: Frank Müller; Peter Zeiler; Bernd Bertsche
      Abstract: Abstract The bootstrap Monte Carlo simulation (BMCS) is presented as a new method for determining the reliability and confidence level of a general technical system with periodical maintenance. The method can be implemented on the basis of pure samples of failure times or of the mean value distributions in combination with the corresponding sample size of reliability. The BMCS does not require special distribution types and facilitates both the prediction and demonstration of reliability. Firstly, the bootstrap method for determining a confidence interval of a distribution function is investigated in order to verify the use of BMCS as a new method. The confidence level calculated by bootstrapping is therefore to be compared with the confidence level based on the beta-distribution. The accuracy of the BMCS shall subsequently be investigated by observing a component with periodical renewal. The confidence level of the reliability with periodical renewal calculated using the BMCS will be compared with the confidence level determined using the method of moments. Finally, a parameter study is carried out, and a case study as well as the potential of the BMCS shall be presented.
      PubDate: 2017-06-23
      DOI: 10.1007/s10010-017-0220-6
       
  • Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit von Metamodellen
    • Authors: Thomas Tassler; Markus Israel; Martin-Friedrich Goede; Klaus Dilger; Klaus Dröder
      Abstract: Zusammenfassung Dieses Paper beschreibt eine Vorgehensweise zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit am Beispiel eines mechanischen Fügeprozesses, dem Halbhohlstanznieten. Auf Basis zahlreicher Finite Elemente Simulationen wird ein mathematisches Ersatzmodell (funktionaler Zusammenhang zwischen Eingabegrößen und Ergebnisgrößen) aufgebaut, was anschließend durch zusätzliche experimentelle Ergebnisse ergänzt wird. Durch die Kombination zahlreicher simulativer Berechnungen und aufwändiger experimenteller Versuche kann die Abbildungsgenauigkeit der Ersatzmodelle verbessert werden.
      PubDate: 2017-06-19
      DOI: 10.1007/s10010-017-0215-3
       
  • Ein Matrix-Berechnungsmodell zur Simulation und schnellen Berechnung der
           mittleren Temperaturdifferenz mehrgängiger
           Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager
    • Authors: Torben Möller; Olaf Strelow
      Abstract: Zusammenfassung Zur konstruktiven Auslegung mehrgängiger Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager wird ein schnelles Berechnungsverfahren für die mittlere Temperaturdifferenz vorgestellt. Innerhalb der einzelnen Bereiche des Plattenwärmeübertragers findet eine reine Kreuzstromführung ohne Quervermischung statt. Zwischen den Bereichen hingegen werden beide Ströme aufgrund von Umlenkungen oder Mischungszonen stets quervermischt. Die einzelnen Plattenelemente eines Bereiches sind immer gleichmäßig durchflutet und werden direkt angeströmt. Das Berechnungsverfahren basiert auf einem allgemeinen Matrix-Simulationsmodell für zunächst beliebige Schaltungsvarianten. Bei den verschiedenen Baureihen der Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager werden bestimmte Randbedingungen für die Kopplung der Bereiche vorab festgelegt, um so immer eine möglichst optimale mittlere Temperaturdifferenz zu gewährleisten. Neben komplexen Schaltungsvarianten wird dabei auch die sog. Kreuzgegenstrom-Schaltung erhalten. Mit Bezug der Temperaturdifferenz einer Schaltung auf den Wert des Gegenstromapparates wird ein entsprechender Korrekturfaktor für die mittlere Temperaturdifferenz definiert. Verschiedene grundlegende Schaltungsvarianten werden verglichen und anhand dieses Korrekturfaktors bewertet. Für die in der Praxis relevanten Schaltungen wird das Simulationsmodell sehr schnell und einfach gelöst. Das Berechnungsverfahren kann zukünftig in die Auslegungssoftware entsprechender Plattenwärmeübertrager implementiert werden, um so immer die optimale Schaltung zu ermitteln.
      PubDate: 2017-06-06
      DOI: 10.1007/s10010-017-0213-5
       
  • Aktive Aufbauneigung als Rückmeldekanal bei Querführungsassistenz über
           entkoppelte Lenkaktorik
    • Authors: Christoph Müller; Karl-Heinz Siedersberger; Berthold Färber; Michael Popp
      Abstract: Zusammenfassung Eingriffe von Fahrerassistenzsystemen (FAS) mittels Lenkmomentenüberlagerung sind mit Nachteilen verbunden (z. B. Fahrerbevormundung). Hingegen stoßen entkoppelten Eingriffe aufgrund der fehlenden Rückmeldung zum Fahrer auf geringe Akzeptanz. Dieser Beitrag stellt ein neuartiges Rückmeldekonzept für FAS-Eingriffe vor. Hierbei steuert das FAS neben dem Lenkaktor ein aktives Fahrwerk an, welches einen Wankwinkelverlauf erzeugt, der die eingriffsrelevanten Informationen zum Fahrer überträgt. Das Konzept wird auf die Funktion „Fahrstreifenmittenführung“ angewandt und mittels einer Studie mit 24 Probanden auf der Autobahn evaluiert, wobei sowohl die Eignung der Fahrzeugquerneigung als Rückmeldekanal als auch Vorteile in der gemeinsamen Fahrzeugführung nachgewiesen werden können.
      PubDate: 2017-02-28
      DOI: 10.1007/s10010-017-0212-6
       
  • Fahrzeugsteuerung mittels Modellinversion
    • Authors: Johannes Köppern
      Abstract: Zusammenfassung Eine integrierte Fahrdynamikregelung für Straßenfahrzeuge ermittelt aus allen Komponenten der Bewegungsanforderung zur Umsetzung dieser geeignete Stellgrößen. Derartige Systeme nehmen in der Automobil- und Zulieferindustrie an Bedeutung zu. Vorliegend wird die Eignung der Modellinversion, die auf Ebene der Beschleunigungsänderung und auf Basis eines dafür entwickelten Entwurfsmodells auf Beschleunigungsebene geschieht, betrachtet. Dieses inverse Modell kann Teil einer integrierten Fahrdynamikregelung sein. Die Modellinversion wird durch zeitliches Differenzieren des Entwurfsmodells am jeweiligen Arbeitspunkt und anschließendes Lösen eines quadratischen Optimierungsproblems durchgeführt. So werden hier für das Fahrmanöver Beschleunigung auf Kreisfahrt mit konstantem Radius Stellgrößen ermittelt und mit ihnen ein Zweispurmodell in der Simulation gesteuert. Diese Stellgrößen lassen das Fahrzeug die Vorgabe exakt umsetzen und entsprechen qualitativ der Erwartung eines menschlichen Fahrers. Die Erkenntnis ermutigt zur weiterführenden Untersuchung dieses inversen Modells in einem Gesamtregelkonzept.
      PubDate: 2017-02-22
      DOI: 10.1007/s10010-017-0211-7
       
  • Berechnung und Optimierung von Geometrie und Eingriffsverhalten von
           Zahnformen beliebiger Achslage
    • Authors: Maximilian Zimmer; Michael Otto; Karsten Stahl
      Pages: 1 - 16
      Abstract: Zusammenfassung Der Hauptvorteil der wirtschaftlichen Herstellbarkeit bewährter Verzahnungsprofile, wie beispielsweise der Evolvente, gerät in Zeiten der softwareunterstützten Auslegung und Fertigung immer mehr in den Hintergrund. Die Verzahnungstechnik hat heute einen Standard erreicht, der es ermöglicht, einfache aber auch komplexe Verzahnungen flexibel und kostengünstig herzustellen. Insbesondere bei Sonderverzahnungen gewährleisten moderne Fertigungsmethoden dem Anwender höchste Genauigkeiten für Flankenform und Laufverhalten. Je nach Anwendungskontext haben unterschiedliche Verzahnungstypen Vor- und Nachteile bezüglich Tragfähigkeit, Wirkungsgrad oder Geräuschverhalten. Die Entwicklung einer dem gewünschten Einsatzbereich entsprechenden, optimalen Verzahnung stellt somit eine komplexe und elementare Aufgabe bei der Auslegung dar. Vor diesem Hintergrund stellt dieser Beitrag einen mathematischen Beschreibungsrahmen vor, der es erlaubt, die dreidimensionale Zahngeometrie von Zahnformen aller Art auf Basis des räumlichen Verzahnungsgesetzes zu berechnen. Die Bewertung des Eingriffsverhaltens wird mit einer lastlosen Zahnkontaktanalyse vollzogen, um charakteristische Größen des Zahneingriffs wie Klaffmaße, Tragbild, Berührlinien und Drehwegfehler zu ermitteln. Die einheitliche Geometrieberechnung unterstützt den Ingenieur somit von Grund auf bei der Entwicklung neuartiger, je nach Anwendungsfall optimierter Verzahnungsprofile.
      PubDate: 2016-06-07
      DOI: 10.1007/s10010-016-0201-1
      Issue No: Vol. 80, No. 1-2 (2016)
       
  • Experimentelle Ermittlung von Bauteilbelastungen eines Power Tool
           Antriebsstrangs durch indirektes Messen in realitätsnahen Anwendungen als
           ein Baustein in der Teilsystemvalidierung
    • Authors: S. Matthiesen; T. Gwosch; T. Schäfer; P. Dültgen; C. Pelshenke; H.-J. Gittel
      Pages: 17 - 27
      Abstract: Zusammenfassung Dieser Beitrag zeigt durch experimentelle Untersuchungen an Winkelschleifern, wie anwendungsäquivalente Belastungen auf die Komponenten eines Power Tools ermittelt werden können. Dazu wird ein Relativwegmessverfahren angewandt, mit dem die Bewegung der Wellen im Betrieb erfasst wird. Die dabei eingesetzte Untersuchungsmethode der indirekten Messung sowie die Untersuchungsergebnisse unterstützen die Validierungsaktivitäten in der Produktentwicklung und tragen zur frühen Validierung und damit frühem Erkenntnisgewinn bei. Einflussgrößen, die das dynamische Geräteverhalten sowie die Lebensdauer beeinflussen, können analysiert und damit Konstruktionszielgrößen abgeleitet werden. Dazu werden relevante Anwendungsfälle betrachtet und mit Messtechnik bestückte Geräte im Testlabor durch Handversuche untersucht. Die Messergebnisse werden vorgestellt und mögliche Ursachen sowie Auswirkungen auf die Lebensdauer der Komponenten diskutiert. Mit der Untersuchungsmethode ist es möglich, das Verhalten von Teilsystemen bereits in Entwicklungsphasen zu untersuchen, in denen das Gesamtsystem noch nicht physisch vorliegt.
      PubDate: 2016-06-27
      DOI: 10.1007/s10010-016-0203-z
      Issue No: Vol. 80, No. 1-2 (2016)
       
  • Prüfstand mit piezoelektrischen Schwingungserzeugern zur Ermittlung der
           dynamischen Steifigkeit von Elastomerbauteilen
    • Authors: P. Bruns; S. Mojrzisch; J. Twiefel; J. Wallaschek; U. Zimmermann; W. Klie
      Pages: 29 - 40
      Abstract: Zusammenfassung Zur Ermittlung des dynamischen Verhaltens zur Charakterisierung von Elastomerbauteilen haben die Partner m + p international, ContiTech und das Institut für Dynamik und Schwingungen in einem gemeinsamen Projekt, gefördert in der ZIM Initiative des BMWi, einen Prüfstand für den Frequenzbereich 500 Hz bis 2000 Hz entwickelt (hier als Hochfrequenzprüfstand bezeichnet [1]). In diesem Beitrag werden zunächst die wesentlichen Anforderungen an den Prüfstand und speziell die Schwingungserzeugung im Hinblick auf die Messaufgabe herausgearbeitet. Bedingt durch die Kombination aus großen benötigten Kräften und einer geforderten Kompaktheit werden verschiedene Aktorprinzipien verglichen und ein piezoelektrisches Aktorprinzip ausgewählt. Ausgehend hiervon werden zwei unterschiedliche Aktorkonzepte entworfen und diskutiert. Eine Besonderheit dabei ist das innovative Vorspannkonzept, welches zur Realisierung eines der Konzepte verwendet wird. Hierbei werden die piezoelektrischen Wandler mit dünnem Stahldraht umwickelt, wodurch eine geringe Steifigkeit und Masse bei einem zugleich kostengünstigen Prozess erreicht wird. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Beitrages liegt auf der Leistungselektronik und Ansteuerung zum Betrieb der piezoelektrischen Wandler. Um das für die Prüfaufgabe nötige Verhalten zu gewährleisten, müssen diese beiden Komponenten hohen Anforderungen entsprechen. Abschließend werden der gesamte Aufbau des Prüfstands beschrieben sowie die Ergebnisse beispielhafter Messungen präsentiert.
      PubDate: 2016-06-30
      DOI: 10.1007/s10010-016-0204-y
      Issue No: Vol. 80, No. 1-2 (2016)
       
  • Fehlertoleranz bei mechatronischen Systemen
    • Authors: Rolf Isermann
      Pages: 41 - 56
      Abstract: Zusammenfassung Bei mechatronischen Systemen werden rein mechanische, hydraulische oder pneumatische Komponenten durch elektrische und elektronische Komponenten ergänzt oder ersetzt. Sie bieten dadurch einen flexibel gestaltbaren und erweiterten Funktionsumfang. Wegen des im Vergleich zur Mechanik anderen Ausfallverhaltens für Sensorik, Elektronik, Aktoren und Software sind besonders für sicherheitskritische Anwendungen jedoch fehlertolerante Auslegungen erforderlich. In einer Einführung wird zunächst auf den Stand von fehlertoleranten Systemen eingegangen. Dann werden einige grundsätzliche fehlertolerante Strukturen mit Hardware- und analytischer Redundanz für Sensoren, Aktoren, Elektronik und Software angegeben und deren Degradationsverhalten beschrieben. Als Beispiele werden verschiedene realisierte und prototypische, fehlertolerante Systeme gezeigt, wie z. B. fehlertolerante elektrische Antriebe, elektrische und hydraulische Aktoren und Sensorsysteme für mechanische Messgrößen. Dabei werden die jeweilige Fehlererkennung und die Rekonfiguration beschrieben. Diese ermöglichen es, die Funktion nach dem Auftreten von Fehlern mit nur kleinen Störungen des Betriebes aufrecht zu erhalten.
      PubDate: 2016-06-27
      DOI: 10.1007/s10010-016-0200-2
      Issue No: Vol. 80, No. 1-2 (2016)
       
  • Nachgiebiger Elektrodenträger für Cochlea-Implantate mit
           fluidischer Aktuierung
    • Authors: Lena Zentner; Silke Hügl; Clemens Wystup; Stefan Griebel; Mirna Issa; Thomas S. Rau; Omid Majdani
      Pages: 57 - 69
      Abstract: Zusammenfassung Das Cochlea-Implantat, bestehend aus einem nachgiebigen Elektrodenträger (ET) und den eingebetteten Elektroden mit Kontaktdrähten. Sie ist eine auditorische Neuroprothese, die operativ in die Cochlea eingeführt wird, um einen Höreindruck bei hörgeschädigten Patienten zu ermöglichen. Zur Insertionserleichterung wird ein fluidisch aktuierter Elektrodenträger mit veränderbarer Krümmung vorgestellt. Seine Verformung wird durch Druckbeaufschlagung im Innenraum sowie einen in die Wand eingebetteten Faden gezielt manipuliert. Eine analytische Betrachtung der Skalierungseigenschaften erlaubt skalierte Strukturen für Modelle und Messungen zu verwenden. Zur Ermittlung der Geometrie des ETs wird eine modellbasierte Synthese durchgeführt: FE-Methode kombiniert mit analytischer Modellbildung. Eine konische Form des ETs mit einseitig geschlossenem, zylindrischem Hohlraum und dazu parallel verlaufendem Faden ist ein Ergebnis der Synthese. Experimentelle Untersuchungen einer Testgeometrie zeigen maximale Abweichungen von 0,6 bar bei einem maximalen Innendruck von 6 bar. Die Untersuchungen zeigen, dass die vorgestellte Methode für die Entwicklung chirurgischer Instrumentarien mit veränderlicher Krümmung geeignet ist.
      PubDate: 2016-06-30
      DOI: 10.1007/s10010-016-0202-0
      Issue No: Vol. 80, No. 1-2 (2016)
       
  • Ermittlung charakterisierender Kennwerte für reibschlüssige
           Verbindungen
    • Authors: E. Leidich; M. Gräfensteiner
      Pages: 71 - 84
      Abstract: Zusammenfassung Reibschlüssige Verbindungselemente werden in Technischen Systemen oft an exponierten Stellen zur Kraft- bzw. Torsionsmomentenübertragung eingesetzt. Ein Versagen der Verbindung führt daher meist zum Ausfall des Gesamtsystems, so dass deren zuverlässige Dimensionierung unabdingbar ist. Der wichtigste und zugleich unsicherste Einflussparameter ist dabei der (Haft-)Reibwert, der bekanntlich großen Streuungen unterliegt. Vorrangiges Ziel des AiF/DFG-Gemeinschaftsvorhabens GECKO war daher, verbunden mit einem standardisierten Prüfverfahren, die Detektierung der maßgebenden Einflussparameter auf die Reibung und die Erhöhung des Haftreibwertes durch qualifizierte Oberflächenverfahren. Zugleich sollten funktionale Korrelationen zwischen den geometrischen und tribologischen Eigenschaften hergestellt und Kenngrößen zur Beschreibung der geometrischen Eigenschaften abgeleitet werden. Im Folgenden werden Ergebnisse aus dem Forschungscluster GECKO auszugsweise vorgestellt.
      PubDate: 2016-06-21
      DOI: 10.1007/s10010-016-0199-4
      Issue No: Vol. 80, No. 1-2 (2016)
       
  • PGE – Produktgenerationsentwicklung am Beispiel des
           Zweimassenschwungrads
    • Authors: Albert Albers; Nikola Bursac; Simon Rapp
      Abstract: Zusammenfassung PGE – Produktgenerationsentwicklung – ist ein am IPEK entwickelter Ansatz, der erstmals eine zutreffende Charakterisierung von Produktentwicklungsprojekten, wie sie in der industriellen Praxis vorkommen, erlaubt. Auf der Basis von Referenzprodukten, u.a. Vorgängergenerationen, erfolgt die Entwicklung neuer Produktgenerationen durch die Aktivitäten Übernahmevariation sowie Neuentwicklung in Form von Gestalt- und Prinzipvariation. Am Fallbeispiel mehrerer Generationen des Zweimassenschwungrades (ZMS) wird im vorliegenden Beitrag erläutert, aus welchen Motiven heraus unterschiedliche Variationen beim Übergang zwischen den einzelnen ZMS-Generationen zu Stande kamen und welche Folgen und Herausforderungen diese für den Entwicklungsprozess mit sich brachten. Detaillierte und genaue Kenntnisse hierüber sind insbesondere deswegen verfügbar, da der Hauptautor persönlich an den Entwicklungen beteiligt war. Weiter wird gezeigt, wie sich die unterschiedlichen Variationsarten in der Funktions-Gestalt-Modellierung technischer Systeme mittels C&C²-Ansatz niederschlagen. Diese Befunde bilden eine erste Grundlage zur Identifikation der Variationen am technischen System. Abschließend wird ein Ausblick auf anschließende aktuelle Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der PGE gegeben.
      PubDate: 2016-12-28
      DOI: 10.1007/s10010-016-0210-0
       
  • Steigerung der Verschleißbeständigkeit von Schmiedegesenken durch
           PVD-abgeschiedene Hartstoffschichten auf Titanbasis
    • Authors: Bernd-Arno Behrens; Lennard Lippold; Jan Puppa; Christoph Hübsch; Demian Langen; Kai Möhwald
      Abstract: Zusammenfassung Die Steigerung der Standmenge von Schmiedegesenken stellt eine vielversprechende Möglichkeit zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Schmiedeprozessen dar. Hartstoffschichten auf Titanbasis eignen sich für die Steigerung der Verschleißbeständigkeit belasteter Oberflächen. Im Vergleich zur bestehenden Aufbringung von titanbasierten Beschichtungen mittels CVD-Verfahren, bietet das PVD-Verfahren die Möglichkeit zur Herstellung von Mehrlagenbeschichtungen mit zahlreichen dünnen Einzellagen. In Untersuchungen zum Einsatzverhalten unter industrienahen Bedingungen wurden unterschiedliche Schichtsysteme bewertet. Dazu wurde in verschiedenen Analysen zunächst die Schichtqualität untersucht. In darauf aufbauenden Serienschmiedeversuchen mit prozessbegleitender Verschleißanalytik wurde der Einfluss verschiedener titanbasierter Schichtsysteme in Kombination mit unterschiedlichen Nitrierungen auf das Verschleißverhalten analysiert. Es wurde festgestellt, dass geometriespezifische Beanspruchungen lokal angepasste optimale verschleißmindernde Behandlungsparameter erfordern. Sowohl die Variation der Nitrierung als auch des Schichtsystems zeigen einen deutlichen Einfluss auf das Verschleißverhalten an unterschiedlichen Bereichen der betrachteten Gesenkgeometrie.
      PubDate: 2016-12-01
      DOI: 10.1007/s10010-016-0209-6
       
  • Gliedelastizität in Roboterarmen
    • Authors: Jörn Malzahn; Torsten Bertram
      Abstract: Zusammenfassung Das Auftreten von elastischen Effekten in der Tragwerksstruktur von Mehrkörpersystemen ist in der Regel unerwünscht. Lastabhängige Verbiegungen verringern die Präzision des Mechanismus, während auftretende Schwingungen die Ausregelzeiten von gewünschten Bewegungen verlängern. Mit entsprechendem Entwicklungsaufwand wird häufig durch die Konstruktionsweise sowie die Auswahl der eingesetzten Materialien versucht, diese Elastizität bis auf ein vernachlässigbares Maß zu minimieren. Der Beitrag betrachtet die elastischen Eigenschaften in der Tragwerksstruktur aus einer dazu veränderten Perspektive. Er zeigt anhand eines gliedelastischen Roboterarms beispielhaft auf, wie in sechs Schritten durch regelungstechnische Kompensation der Schwingungen und statischen Verbiegungen die ursprünglich nachteilige Eigenschaft zum Zweck der Messung und Regelung von Kontaktkräften ausgenutzt werden kann.
      PubDate: 2016-11-02
      DOI: 10.1007/s10010-016-0208-7
       
  • Verfahren zur Berechnung der Überdeckung unter Last von
           Kunststoffstirnrädern
    • Abstract: Zusammenfassung Auf Grund der hohen Streckdehnung thermoplastischer Kunststoffe ist der Einfluss verformungsbedingter Effekte auf die Beanspruchung der Zahnradpaarungen mit diesen Werkstoffen gegenüber reinen Stahlpaarungen vergleichsweise hoch. Ölgeschmierte Stahl-/Kunststoffpaarungen ermöglichen bessere Wärmeabfuhr als bei Trockenlauf oder Fettschmierung und erlauben daher die Übertragung höherer Leistungen bzw. Drehmomente. Für eine genaue Auslegung der Zahnradpaarung ist daher eine Berücksichtigung der lastbedingten Verformungen anzustreben, die durch die „Überdeckung unter Last“ beschrieben werden können. Die Überdeckung unter Last besitzt indirekten Einfluss auf die Zahnradtragfähigkeit. Da in bestehenden Normen und Richtlinien noch keine Berechnungsvorschrift für diese Größe existiert, wird ein analytisch-iteratives Verfahren zur Berechnung der Überdeckung unter Last für geradverzahnte Außenstirnräder der Paarung Stahl-/Kunststoff in Anlehnung an den Stand des Wissens vorgestellt, das auf der Annahme eines linear-elastischen Materialverhaltens basiert. Das vorgestellte Verfahren wird mit einem bekannten empirischen Ansatz sowie Literaturwerten aus Messungen und numerischen Verfahren verglichen. Ziel ist insbesondere auch eine Abbildung des geometrischen Einflusses der Zähnezahl von Ritzel und Rad auf den Grad der Überdeckungszunahme unter Last.
      PubDate: 2016-09-19
      DOI: 10.1007/s10010-016-0207-8
       
  • Particle migration in isobaric and flash evaporation of nanofluids
    • Authors: Jan Rudolf Eggers; Eckart Matthias Lange; Stephan Kabelac
      Abstract: Abstract When nanoparticles are dispersed in a base fluid, the thermophysical properties of the resulting nanofluids can vary considerably from those of the pure basefluid. Thus, numerous applications for nanofluids have been suggested in the past, e. g. the use in solar thermal absorbers. With increasing heat fluxes and temperatures, a phase change of the absorber fluid can be desirable for instance in solar steam generators. This paper deals with the fundamental question of the nanoparticle migration behavior while the nanofluid is evaporating, as it is commonly presumed that solid particles do not migrate into the gas phase. This assumption however is, to the authors knowledge, insufficiently described in the literature as due to the extremely small size of the nanoparticles, abnormal behavior seems possible. By conducting experiments with isobaric and flash evaporation it is shown, that the classical theory of solid-liquid equilibrium actually applies at this scale and the nanoparticles are entirely separated from the gas phase by evaporation. The particles found in the gas phase can entirely be attributed to entrainment effects.
      PubDate: 2016-08-24
      DOI: 10.1007/s10010-016-0205-x
       
  • Windage, churning and pocketing power losses of gears: different modeling
           approaches for different goals
    • Abstract: Abstract Energy efficiency represents one of the most relevant trends in many fields, including the sector of power transmissions and gears, which are involved whenever power has to transmitted and transformed. For instance, in the automotive industry, gearboxes can contribute to the overall efficiency of the system and promote lower fuel consumption and emissions, both allowing an optimization of the whole system and reducing their own power losses. In many circumstances a better efficiency corresponds to lower operating temperatures and to a higher reliability of the systems, which can be related to the final profit, like in industrial applications, or even to the success, like for instance in motorsport racing. Improving the efficiency is therefore a main issue also for the gearbox manufacturers, and the availability of methods and tools to forecast the behavior with respect to lubrication and power losses since the beginning of the design phase strongly contributes to the goal. In the years, many empirical models were derived from experimental tests and have represented the only available tool for such purpose, but today, thanks to the recent developments in the computer science, numerical approaches allow a more accurate modeling of the physics behind the power dissipation and also allow a description of the oil flow inside a gearbox, which is fundamental with respect to the reliability of the components of the transmission. Both approaches, either derived from experimental tests or based on numerical simulations, have advantages and drawbacks. For each single case and problem, depending on the specific condition, the most appropriate model is not always the same. In this paper a review of the different available tools is proposed, describing critically the properties of the single approaches in order to understand when each of them should be preferred. The review also includes the latest developments by the authors, which have not been previously published yet.
      PubDate: 2016-08-22
      DOI: 10.1007/s10010-016-0206-9
       
 
 
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School of Mathematical and Computer Sciences
Heriot-Watt University
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