Mechanical manipulation and characterization of biological cells have wide applications in genetics, reproductive biology, and cell mechanics. This research focuses on (1) the development of enabling microrobotic systems and techniques for automated cell microinjection and in situ mechanical characterization; and (2) the demonstration of molecule efficacy testing and cell quality assessment with the new technologies. Targeting high-speed cell injection for molecule screening, a first-of-its-kind automated microrobotic cell injection system is developed for injecting foreign materials (e.g., DNA, morpholinos, and proteins) into zebrafish embryos (~1.2 millimeter) and mouse oocytes/embryos (~100 micrometers), which overcomes the problems inherent in manual operation, such as long learning curves, human fatigue, and large variations in success rates due to poor reproducibility. Novel cell holding devices are developed for immobilizing a large number of embryos into a regular pattern, greatly facilitating sample preparation and increasing the sample preparation speed. Leveraging motion control and computer vision techniques, the microrobotic system is capable of performing robust cell injection at a high speed with high survival, success, and phenotypic rates. The mouse embryo injection system is applied to molecule testing of recombinant mitochondrial proteins. The efficacy of an anti-apoptotic Bcl-xL (Delta_TM) protein is, for the first time, quantitatively evaluated for enhancing the development competence of mouse embryos. For cell quality assessment, this research develops a vision-based technique for real-time cellular force measurement and in situ mechanical characterization of individual cells during microinjection. A microfabricated elastic device and a sub-pixel computer vision tracking algorithm together resolve cellular forces at the nanonewton level. Experimental results on young and old mouse oocytes demonstrate that the in situ obtained force-deformation data can be used for mechanically distinguishing healthy mouse oocytes from those with cellular dysfunctions. This work represents the first study that quantified the mechanical difference between young and old mouse oocytes, promising a practical way for oocyte quality assessment during microinjection.

The theoretical part of the diploma thesis summarizes a knowledge of the force loading of the cutting tools and state of the art in the cutting force measurement. In the experimental part, work deals with the development of the software for a force records analysis. The main objective of the software is to automatise the processing and analysis of the measured force records. The functionality of the newly created software was verified by evaluating the circle-segment end mills experiments performed at the Institute of Manufacturing Technology of the Faculty of Mechanical Engineering, BUT.

Die Zellform ist wichtig für die Ausübung der Zellfunktion und spielt darüberhinaus eine essenzielle Rolle bei der Entwicklung eines Zellhaufens zu einem mehrzelligen Organismus. Dabei wird die Zellform neben biochemischen auch von biophysikalischen Prozessen beeinflusst: Zellkräfte sind ebenso beteiligt wie räumliche Einschränkung. Der Umfang der Wechselwirkung zwischen Umgebung, Zellform und Zellfunktion ist jedoch im Detail oft unverstanden. Ziel dieser Arbeit war daher, eine umfassende Charakterisierung von Zellen in räumlicher Einschränkung durchzuführen, um Aussagen zur Beeinflussung von Zellmorphologie und der Kraftentwicklung zu gewinnen. In dieser Arbeit wurde die Reaktion humaner Primärzellen (HUVECs) auf laterale Einschränkung untersucht. Die Zellen wurden dafür sowohl auf Glas- als auch auf Hydrogel-Substraten kultiviert, die mittels Mikrokontaktdruck von Fibronektin mit Streifenmustern im Breitenbereich von 5μm bis 80μm strukturiert worden waren. Die Zellen wurden nach der Phase der initialen Adhäsion (> 1 h) hinsichtlich ihrer allgemeinen Morphologie, des Erscheinungsbildes ihres Aktinskeletts und ihres Zellzugkraftverhaltens quantitativ beschrieben. Zusätzlich erfolgten Lebendzellmessungen, um die Dynamik des Aktinskeletts und der Zellzugkräfte zu charakterisieren. Die laterale Einschränkung führte zur strukturellen und funktionellen Adaption der Zellen. Da die Zelllänge nur geringfügig von der Streifenbreite abhing, kam es durch die seitliche Einschränkung zu einer Flächenabnahme bei gleichzeitiger Erhöhung des Zellseitenverhältnisses, wovon auch der Zellkern betroffen war. Die Ausrichtung der Aktinfasern korrelierte stark mit der Zellelongation und Zellen auf schmalen Streifen zeigten ein geringer vernetztes Aktinskelett. Messungen der Aktindynamik ergaben einen einwärts gerichteten Transport von Stressfasern. Weiterhin wurde eine Abnahme der Zugkräfte mit zunehmender Einschränkung gemessen, während gleichzeitig eine Polarisierung der Zugkräfte stattfand. Das beobachtete Verhalten der struktur- und funktionsbezogenen Zellparameter konnte gut durch die laterale Einschränkung erklärt werden, sodass die vorliegende Arbeit zu einem besseren Verständnis der Zellanpassung an räumliche Einschränkung beitragen konnte. / Proper cell shape is a precondition for the proper performance of specialized cells and changes of cell shape are paramount for the development from a cell cluster to an adult organism. Cell shape can be regulated biochemically and also biophysically, e. g., by involvement of cellular force generation and spatial confinement. However, the understanding of the interaction between exterior space, cellular form, and function is incomplete. Therefore, the aim of this thesis was to thoroughly characterize cells in spatial confinement in order to better understand how cell morphology and force generation can be linked. During the course of this work, the adaptation of human primary cells (HUVECs) to lateral constraints was investigated. Cells were seeded on both glass and hydrogel substrates which had been micropatterned with fibronectin by microcontact printing. The structures were composed of stripes with varying width (5–80 μm). After initial adhesion had taken place (> 1 h), cell morphology, actin cytoskeleton architecture, and cell traction forces were quantified. In addition, measurements were performed on live cells in order to better understand the dynamics of the actin cytoskeleton and the cell traction forces. Laterally confined cells showed both structural and functional changes. Because cell length was only weakly dependent on stripe width, cells in strong lateral confinement were highly elongated and had decreased spread areas, which also affected the nucleus. The orientation of actin fibers was strongly linked to cell elongation. In cells on narrow stripes, a reduced actin cytoskeleton was observed, i.e., with a lower degree of interconnectivity. Time resolved analysis revealed an inward transport of actin fibers. Furthermore, cell force generation was shown to be impaired on narrow stripes, most likely due to decreased cell spread area. At the same time, force polarization strongly increased in cells in strong lateral confinement. This study demonstrated how various cellular parameters, both linked to cell structure and function, are influenced by lateral confinement and by each other, thereby contributing to a better understanding of cell adaptation to spatial constraint.

Aktionskräfte stellen wesentliche Risikofaktoren für die Entstehung von Erkrankungen im Finger-, Hand- und Armbereich dar. Daher ist die Erfassung und Analyse von Aktionskräften ein wichtiger Bestandteil der ergonomischen Bewertung von Arbeitsplätzen. Zur Erfassung von Aktionskräften, insbesondere in der Automobilproduktion, existiert bisher jedoch weder eine einheitliche noch eine systematische Vorgehensweise. Es mangelt an konkreten Forschungserkenntnissen über den Messaufbau, die Messdurchführung und die Messauswertung von Kraftfällen. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb ein erster Schritt unternommen, um die Erfassung von Aktionskräften auf Basis wissenschaftlich gestützter Erkenntnisse zu standardisieren. Hierzu werden insgesamt vier empirische Untersuchungen (zwei Vorstudien und zwei empirische Laborstudien) durchgeführt. In der ersten Studie (Kapitel 4) erfolgt eine Identifizierung der vorhandenen Arten von Kraftaufwendungen in verschiedenen Fertigungsbereichen der Automobilproduktion im Rahmen einer Dokumentenanalyse. In der zweiten Studie (Kapitel 5) wird der bedeutendste Fertigungsbereich ausgewählt, um darin eine Auszählung der Kraftaufwendungen anhand einer standardisierten Beobachtung definierter Arbeitsprozesse durchzuführen. Die dritte Untersuchung (Kapitel 6) ist als empirische Laborstudie konzipiert. Darin wird die technische Erfassung von Aktionskräften unter idealisierten Bedingungen ohne menschlichen Einfluss erprobt. In der vierten Untersuchung (Kapitel 7), ebenfalls als empirische Laborstudie konzipiert, werden spezifische Kraftaufwendungen im Labor systematisch durch Probanden nachgestellt und gemessen. Dabei wird das Vorgehen zur Durchführung und Auswertung von praxisnahen Kraftmessungen unter menschlichem Einfluss evaluiert. Die Erkenntnisse der Arbeit helfen dabei, bestehende Forschungsdefizite aufzuarbeiten und zu beheben. Sie stellen ferner eine Handlungshilfe für betriebliche Kraftanalysen sowie eine Orientierung für zukünftige Forschungsarbeiten dar. / Action forces have been identified as risk factors. Therefore, the collection and analysis of action forces is an essential part of the ergonomic evaluation. Up to now, there was a lack of a standardized and systematic approach to evaluate action forces, especially in the automotive production. Thus, in the present thesis a methodical approach is described to evaluate action forces systematically. The thesis is divided into four studies. The first study contains the identification of the variety of action forces in the different manufacturing areas of automotive production. The second study describes the detailed analysis of action forces in the assembly shop, which is the manufacturing area with the highest count of action forces in the automotive production. The third study describes the direct measurement of action forces in laboratory conditions. The action forces are applied by a testing machine. The fourth study consists of the direct measurement of action forces, which are applied by subjects. Thereby, the methodical approach to perform direct measurements has been evaluated. The findings of the thesis can be used as a guideline, to evaluate action forces in the automotive production. Also the findings highlight the potential for further research projects.

Die prozessaktuelle Messung von Kräften und Momenten zwischen Werkzeug und Werkstück ist zunehmend Voraussetzung für viele fertigungstechnische Anwendungen. Neben der Verwendung der Daten zur Prozessdiagnose und -überwachung sowie für Qualitätssicherung und -nachweis, werden durch geregelte bzw. adaptive Prozessführung bestimmte Prozesse oder Qualitäten überhaupt erst möglich oder wirtschaftlich. Mit dem erweiterten Bewegungsvermögen moderner Fertigungseinrichtungen wächst dabei auch der Bedarf zur Erfassung räumlicher Kräfte und Momente in bis zu 6 Freiheitsgraden. Großes Potenzial besteht in der Integration mehrerer einachsiger Kraftsensoren direkt in die Maschinenstruktur und der intelligenten Verarbeitung der Messsignale zu räumlichen Kräften und Momenten an der Wirkstelle. Insbesondere für parallele Stabstrukturen und Parallelkinematiken -- und für die Messung mit 6 Freiheitsgraden speziell für Hexapodstrukturen und Hexapoden -- ist der Ansatz aufgrund der nahezu reibungsfreien Messung vielversprechend. Gleichzeitig wirken jedoch prozess- und strukturbedingte Einflüsse auf die Kraftsensoren, die in Abhängigkeit der Sensorposition durch ein Messmodell kompensiert werden müssen. Für dynamische Messungen während der Maschinenbewegung müssen diese Messmodelle zwingend in Echtzeit im Steuerungskern berechnet werden und weiterhin durch ein Verfahren zur Parameteridentifikation schnell und einfach an der betriebsbereiten Maschine aktualisiert werden können. Diese Arbeit erforscht Möglichkeiten und Grenzen integrierter Kraftsensorik in starren Hexapodstrukturen und Hexapodkinematiken zur räumliche Prozesskraftmessung und -regelung an der Wirkstelle sowie die dazu notwendigen Messmodelle und Verfahren zur Parameteridentifikation. Für den Lösungsansatz kommen ausschließlich kostengünstige einachsige Standard-Kraftsensoren zum Einsatz, und die Validierung erfolgt auf Versuchsträgern mit kommerzieller Werkzeugmaschinensteuerung. Es werden systematisch mögliche Konfigurationen und Einbaupositionen identifiziert, die zugehörigen Messmodelle aufgestellt und Verfahren zur Auslegung und Berechnung aussagekräftiger Kenngrößen entwickelt. Anhand definierter Bewertungskriterien werden die Varianten in umfangreichen experimentellen Untersuchungen untereinander verglichen sowie zu den Standardlösungen der 6-Achs-Kraftmessplattform und der Kraftschätzung aus Antriebsströmen eingeordnet. Einen Schwerpunkt bildet die Messung während der Maschinenbewegung, bei der synchron zur Messung und abhängig von der Sensorplatzierung maschinen- und prozessbedingte Einflüsse online kompensiert werden müssen. Auf dieser Basis erfolgt anschließend die Entwicklung von Identifikationsverfahren zur schnellen und einfachen Parametrierung der Messmodelle an der betriebsbereiten Maschine durch automatisierbare Messzyklen. Schließlich werden mit den entwickelten Messsystemvarianten verschiedene Formen der Kraftregelung umgesetzt und die Ansätze so anwendungsnah validiert. Im Ergebnis liegen Methoden und Verfahren zur Aufstellung der Messmodelle, zur Auslegung der Kraftmesssysteme sowie zur Berechnung aussagekräftiger Kenngrößen vor. Zusammen mit der Validierung anhand verschiedener Anwendungsfälle wird ein Beitrag geleistet zur Qualifizierung der Unsicherheiten der räumlichen Kraftmessung mit integrierten Sensoren sowie der Auswirkung der Sensorintegration auf die Maschineneigenschaften. Die zwei entwickelten Verfahren zur Parameteridentifikation erlauben anhand der Kraftsignale aus quasi-statischen und dynamischen Eigenbewegungen der Maschine die schnelle Rekalibrierung der Messmodelle ohne Vorwissen oder Versuchsaufbauten in Bearbeitungspausen. Schließlich zeigen die zwei umgesetzten Varianten der räumlichen Kraftregelung die Eignung der strukturintegrierten Kraftmessung sowohl für das kraftgeregelte Teachen als auch für die Kontaktkraftregelung. / Today, in-process force measurement is required by many manufacturing applications. Beside process monitoring and diagnosis as well as quality assurance and validation, force controlled or adapted process management allows producing higher qualities or even enables new processes. With the extended movability of modern machine tools, such as five-axis kinematics or hexapods, the measurement of spatial forces and moments in up to 6 degrees of freedom is requested in particular. A new promising approach bases on the integration of multiple single-axis force sensors into the machine structure and the smart control-integrated signal transformation to forces and moments at the tool centre point. Especially for bar structures and kinematics, and for a measurement in 6 degrees of freedom for hexapod structures and kinematics, the approach is particularly suitable, as no friction is involved. At the same time, process and dynamic influences affect the force measurements and must be included into a real-time capable measurement model within the control kernel. As the model parameters can change during machine usage, a fast and simple calibration procedure is requested. This contribution explores capabilities and limits of integrated force sensors in rigid hexapod structures and hexapod kinematics for the sake of spatial process force measurement and control at the tool centre point as well as the required measurement models and parameter identification procedures. For practical relevant results, only commercial cost-efficient single-axis standard force sensors are used for this approach, and implementation as well as validation are performed on commercial machine tool controls. At first, possible configurations and sensor placements are evaluated systematically, measurement models are implemented, and methods for framework design as well as the calculation of meaningful criteria are investigated. Next, multiple variants of the new sensor systems are evaluated and classified in extensive experimental studies with regard to the state of the art, which is represented by force/torque sensors at the end-effector and force measurement from drive currents. A focal point is the measurement during machine movement, which requires a synchronous measurement of force and drive values to compensate dynamic influences in real-time. On that basis, different parameter identification procedures are investigated to update the measurement models with fast and simple procedures in an operational machine state by automatable measurement cycles. Finally, multiple variants of force control are implemented that use and validate the developed integrated force measuring systems. In conclusion, methods and procedures to design structure-integrated force sensor systems, to implement the required measurement models, and to calculate meaningful characteristics are available. By the evaluation and validation of the systems regarding to multiple use cases and with respect to the state of the art, this work qualifies capabilities, uncertainties, and limits of spatial structure-integrated force measurement as well as effects upon the machine characteristics. The two developed parameter identification procedures allow a fast and simple recalibration of the measurement models in operational machine state without requiring external knowledge or test setups. Finally, two realised methods of force control prove the capability of structure-integrated force measurement for force-controlled teaching as well as for contact control.

In both the chemical and mechanical pulping process, the logs are cut into wood chips by a disc chipper before fibre separation. To make the wood chipping process more efficient, one have to investigate in detail the coupling between process parameters and the quality of the chips. One objective of this thesis was to obtain an understanding of the fundamental mechanisms behind the creation of wood chips. Another objective with the thesis was to investigate whether it was possible to, in a way tailor the chipping process so as to reduce the energy consumption in a following mechanical refining process. Both experimental and analytical/numerical approaches have been taken in this work. The first part of the experimental investigations, were performed with an in-house developed chipping device and a digital speckle photography equipment. The results from the experimental investigation showed that the friction between the log and chipping tool is probably one crucial factor for the chip formation. Further more it was found that the indentation process is approximately self-similar, and that the stress field over the entire crack-plane is critical for chip creation. The developed analytical model predicts the normal and shear strain distribution and to be more specific, the model can predict the compressive stresses parallel to the fibre direction for an assumed linear elastic and orthotropic material. The analytical distributions were found to be in reasonable agreement with the corresponding distributions obtained from a finite element analysis. To be able to study the chipping process under realistic conditions, which for example means to use chipping rates representative for a real wood chipper, a laboratory chipper was developed. Details regarding the chipper and how to evaluate the force measurements are given together with an example of how the force on the cutting tool (the knife) varies with time during cutting. To investigate the influence of a certain chipping process parameter, the chips were after production in the laboratory chipper, refined in a pilot refiner during conditions optimized for TMP (thermomechanical pulp) and CTMP (chemithermomechanical pulp) processes. It was concluded that the details concerning the chip process had a large impact on e.g. the energy consumption in both first stage and second stage refining. Results showing this are given in this thesis. / För både kemisk och mekanisk pappersmassa så tillverkas flis av trädstockar med hjälp av en skivhugg innan fibrerna separeras. För att göra flisningsprocessen mer effektiv, måste kopplingen mellan processparametrar och fliskvalitet studeras. Ett mål med denna avhandling är att ge fundamental kunskap om mekanismerna bakom bildandet av träflis. Både experimentella och analytiska/numeriska metoder har använts i detta arbete. De experimentella undersökningarna har gjorts med hjälp av egen utvecklad utrustning. Resultaten från den experimentella undersökningen visar att friktionen mellan stammen och flisningsverktyget har betydelse vid flisning. Vidare observerades det att inträngnings processen är approximativt självlik (self similar) och att det är spänningsfältet över hela sprickplanet som är kritiskt för bildandet av en flis. Den utvecklade analytiska modellen förutsäger normal- och skjuvspänningsfördelningen över sprickplanet och kan mer specifikt förutsäga den kompressiva belastning som verkar parallellt fiberriktningen i ett linjärt elastiskt och ortotropt material (trä). De analytiskt bestämda fördelningarna stämmer relativt väl överens med motsvarande fördelningar beräknad med finit element analys. För att kunna studera flisningsprocessen under realistiska förhållanden, vilket bl.a. betyder att skärhastigheter som är representativa för en verklig process skall användas, så utvecklades inom ramen för avhandlingsarbetet, en laboratoriesflishugg. Detaljer rörande flishuggen samt hur uppmätta lastsignaler skall utvärderas ges tillsammans med ett exmpel på hur kraften på skärverktyget (kniven) varierar under ett skärförlopp. Inverkan av en viss flisningsprocessparameter undersöktes genom att flis tillverkades i laboratorieflishuggen varefter de raffinerades i en pilotraffinör under förhållanden som var optimerade för TMP (termomekanisk massa) och CTMP (kemitermomekanisk massa) processerna. Det konstaterades att detaljer i flisningsprocessen hade stor inverkan på t.ex. energiåtgången i både första stegs – och andrastegsraffinering. Resultat som verifierar detta ges i avhandlingen. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Submitted. Paper 4: Submitted. Paper 5: Submitted.</p>

Problemstellung Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für elektrische Schienenfahrzeuge werden oft Messungen bezüglich der Interaktion von Stromabnehmer und Oberleitung benötigt. Zu diesem Zweck werden meist Kontaktkraftmessungen durchgeführt. Dabei soll die dynamische Kraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung bei Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ermittelt werden. Beim Einsatz klassischer Messsysteme werden herkömmliche Kraftsensoren unter die Schleifleiste montiert. Daraus resultieren verschiedene Schwierigkeiten. Zum Einen muss der Sensor auf Hochspannungspotential mit elektrischer Energie versorgt und die Messdaten zum Erdpotential gesendet werden. Zum Anderen wirken hohe Massenträgheitskräfte oberhalb der Sensorik, welche die Messung höherfrequenter Schwingungen ausschließt. Diese Montage hat zudem den Nachteil, dass vagabundierende Kräfte und Momente ebenso über den Kraftsensor geleitet werden und so das Messergebnis beeinflussen können. Außerdem wirken aerodynamische Effekte, die die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. Um geeignete Korrekturmaßnahmen anwenden zu können, müssen Versuche durchgeführt werden, bei denen es dauerhaft keinen Kontakt von Schleifleiste und Fahrdraht gibt. Wenn dieser Stromabnehmer der Einzige am Fahrzeug ist, stellt dies, neben den messtechnischen Herausforderungen, eine erhebliche betriebliche Einschränkung dar. Herangehensweise Nach einer Literatur- und Patentrecherche wurde die Problemstellung in zwei Unterthemen gegliedert. Zum Einen sollte von klassischen elektrischen Sensoren zu faseroptischer Messtechnik gewechselt werden. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energie für den Sensor auch dessen Messsignale elegant über Potentialunterschiede hinweg übertragen werden können. Somit werden keinerlei elektrisch aktive Messinstrumente auf Hochspannungspotential benötigt. Als schöne Beigabe ist diese Sensorik auch gänzlich unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, die von der Oberleitung ausgehen. Zum Anderen sollte die gesamte Messtechnik nicht mehr unter, sondern in der Schleifleiste verbaut werden. Diese seit fast 40 Jahren bekannte Herangehensweise ist in einigen Publikationen schematisch dargestellt. Lediglich eine Veröffentlichung beschreibt die praktische Umsetzung. Allerdings sind in dieser Beschreibung andere Randbedingungen als für die hier vorgestellte Konstruktion dargelegt. So war diese Konstruktion als Messpalette für Fahrleitungsuntersuchungen und nicht als Einzelschleifleiste für Fahrzeugzulassungen ausgeführt. Die prinzipielle Funktion dieser Theorie wurde aber schon damals bewiesen. Um die Notwendigkeit der Verfahrensverbesserung mit Messwerten zu untermauern, wurden verschiedene Streckenversuche an verschiedenen Zügen durchgeführt. Mit dieser umfangreichen Statistik konnten Unzulänglichkeiten des klassischen Messverfahrens aufgezeigt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Konstruktion musste von Geometrie und Masse dem Original-Schleifstück entsprechen und sollte ebenso die komplette Traktionsenergie übertragen können, sowie die gleichen Kontaktbedingungen zur Oberleitung haben. Für den Einsatz sollten Fahrgeschwindigkeiten bis 400 km/h vorgesehen werden. Hinsichtlich der Festigkeit sollten mindestens die gleichen Werte wie für das Original-Schleifstück erreicht werden. Zudem sollte das Produkt einen Schlag, welcher durch einen herunterhängenden Ast oder Hänger ausgelöst werden kann, überstehen können. Aus messtechnischer Sichtweise sollte die Masse oberhalb der Sensorik so gering wie möglich gehalten werden um Masseträgheitseinflüße zu reduzieren. Außerdem sollten alle vagabundierenden Kräfte und Momente möglichst um den Sensor herum geleitet werden, um diesen nicht zu beeinflussen. Ein weiteres Ziel war, den Sensor geschützt einzuplanen, damit aerodynamische Kräfte ausgeschlossen werden. Lösung Aufgrund dieser Anforderungen wurde ein Sensorkörper entworfen auf dem Faser-Bragg-Gitter appliziert wurden. Nach einer mehrstufigen Entwicklung wurden Sensoren hergestellt, die seit über einem Jahr im Dauereinsatz sind und seither verlässlich Ergebnisse senden. Ein relevantes Ergebnis dieser Entwicklung war, dass derartige Sensorik einen minimalen Bauraum benötigt, der nicht unterschritten werden kann. Aufgrund dessen, musste auch die bis zu diesem Zeitpunkt auf einen sehr viel kleineren Sensortyp ausgerichtete Schleifleiste mit innenliegenden Sensoren entsprechend angepasst werden. In dieser Konstruktion wurde ein Sensor mit Pilzkopf vorgesehen, so dass nur die relevanten Kräfte über den Sensor geleitet und gemessen werden. Alle weiteren Kräfte und Momente werden über eine Lagerkonstruktion geleitet, die Kräfte in der Messrichtung nicht aufnimmt. Um die Masse oberhalb der Sensorik zu minimieren und das Gewicht der Lagerkonstruktion und des Sensors auszugleichen, wurde die Dicke der Schleifkohle erheblich reduziert. Eine gänzliche Substitution der Kohle war nicht möglich, da sonst veränderte Kontaktbedingungen zwischen Schleifleiste und Fahrdraht vorliegen würden. Im Original-Schleifstück wird ein Aluminium-Strangpressprofil verwendete, welches neben dem Stromfluß auch die Festigkeit gewährleistet. Dieses Profil konnte in erster Linie aus Bauraummangel nicht weiter verwendet werden. Deshalb wurde eine Leichtbaukonstruktion aus mehreren U-Profilen vorgesehen, die neben dem benötigten Bauraum auch noch eine Masseeinsparung, durch Nutzung von Faserverbundwerkstoffen, ermöglichte. In dieser Arbeit wurden sowohl die relevanten Festigkeitsberechnungen als auch eine Betrachtung der Erwärmung durch Stromfluss durchgeführt. Diese Handrechnungen wurden mittels Simulationsrechnung validiert. Im Anschluss wurden alle Fertigungsunterlagen erstellt. Die Fertigung wurde mit potentiellen Projektpartnern besprochen, wodurch Schwierigkeiten erkannt und deren Lösungen in den Entwurf eingepflegt wurden. In der wirtschaftlichen Betrachtung wurden Kosten und Nutzen bilanziert. In Summe wurde somit eine Schleifleiste mit modularer innenliegender faseroptischer Sensorik entwickelt. Um deren Vorteil in der Praxis nutzen zu können, wird empfohlen Diese zu fertigen.

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The thesis focuses on the shifting mechanisms of manually shifted tractor transmissions. It provides a comprehensive overview of all significant structural nodes of the shift mechanism with an analysis of the influence of the structure on the resulting intensity of a force required for shifting. The main aim of this thesis is the design and validation of experimental equipment for measuring the force effects of the shift mechanism of a mass-produced tractor in actual operation. The design of the experimental equipment is based on a study of the used measuring technique and similar experimental equipment. The final structure is selected based on selection by the method of weighted values, taking into consideration the requirements of the structure. A functional measuring chain is designed and formed for the realization of the measurement. To evaluate the data from the technical experiment, a multibody model of the designed experimental device is created in the MSC Adams View software, through which the real parameters of the shift mechanism are obtained from the measured values. The designed experimental equipment brings the possibility of complete analysis and subsequent optimization of the tractor's shift mechanism

Problemstellung Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für elektrische Schienenfahrzeuge werden oft Messungen bezüglich der Interaktion von Stromabnehmer und Oberleitung benötigt. Zu diesem Zweck werden meist Kontaktkraftmessungen durchgeführt. Dabei soll die dynamische Kraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung bei Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ermittelt werden. Beim Einsatz klassischer Messsysteme werden herkömmliche Kraftsensoren unter die Schleifleiste montiert. Daraus resultieren verschiedene Schwierigkeiten. Zum Einen muss der Sensor auf Hochspannungspotential mit elektrischer Energie versorgt und die Messdaten zum Erdpotential gesendet werden. Zum Anderen wirken hohe Massenträgheitskräfte oberhalb der Sensorik, welche die Messung höherfrequenter Schwingungen ausschließt. Diese Montage hat zudem den Nachteil, dass vagabundierende Kräfte und Momente ebenso über den Kraftsensor geleitet werden und so das Messergebnis beeinflussen können. Außerdem wirken aerodynamische Effekte, die die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. Um geeignete Korrekturmaßnahmen anwenden zu können, müssen Versuche durchgeführt werden, bei denen es dauerhaft keinen Kontakt von Schleifleiste und Fahrdraht gibt. Wenn dieser Stromabnehmer der Einzige am Fahrzeug ist, stellt dies, neben den messtechnischen Herausforderungen, eine erhebliche betriebliche Einschränkung dar. Herangehensweise Nach einer Literatur- und Patentrecherche wurde die Problemstellung in zwei Unterthemen gegliedert. Zum Einen sollte von klassischen elektrischen Sensoren zu faseroptischer Messtechnik gewechselt werden. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energie für den Sensor auch dessen Messsignale elegant über Potentialunterschiede hinweg übertragen werden können. Somit werden keinerlei elektrisch aktive Messinstrumente auf Hochspannungspotential benötigt. Als schöne Beigabe ist diese Sensorik auch gänzlich unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, die von der Oberleitung ausgehen. Zum Anderen sollte die gesamte Messtechnik nicht mehr unter, sondern in der Schleifleiste verbaut werden. Diese seit fast 40 Jahren bekannte Herangehensweise ist in einigen Publikationen schematisch dargestellt. Lediglich eine Veröffentlichung beschreibt die praktische Umsetzung. Allerdings sind in dieser Beschreibung andere Randbedingungen als für die hier vorgestellte Konstruktion dargelegt. So war diese Konstruktion als Messpalette für Fahrleitungsuntersuchungen und nicht als Einzelschleifleiste für Fahrzeugzulassungen ausgeführt. Die prinzipielle Funktion dieser Theorie wurde aber schon damals bewiesen. Um die Notwendigkeit der Verfahrensverbesserung mit Messwerten zu untermauern, wurden verschiedene Streckenversuche an verschiedenen Zügen durchgeführt. Mit dieser umfangreichen Statistik konnten Unzulänglichkeiten des klassischen Messverfahrens aufgezeigt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Konstruktion musste von Geometrie und Masse dem Original-Schleifstück entsprechen und sollte ebenso die komplette Traktionsenergie übertragen können, sowie die gleichen Kontaktbedingungen zur Oberleitung haben. Für den Einsatz sollten Fahrgeschwindigkeiten bis 400 km/h vorgesehen werden. Hinsichtlich der Festigkeit sollten mindestens die gleichen Werte wie für das Original-Schleifstück erreicht werden. Zudem sollte das Produkt einen Schlag, welcher durch einen herunterhängenden Ast oder Hänger ausgelöst werden kann, überstehen können. Aus messtechnischer Sichtweise sollte die Masse oberhalb der Sensorik so gering wie möglich gehalten werden um Masseträgheitseinflüße zu reduzieren. Außerdem sollten alle vagabundierenden Kräfte und Momente möglichst um den Sensor herum geleitet werden, um diesen nicht zu beeinflussen. Ein weiteres Ziel war, den Sensor geschützt einzuplanen, damit aerodynamische Kräfte ausgeschlossen werden. Lösung Aufgrund dieser Anforderungen wurde ein Sensorkörper entworfen auf dem Faser-Bragg-Gitter appliziert wurden. Nach einer mehrstufigen Entwicklung wurden Sensoren hergestellt, die seit über einem Jahr im Dauereinsatz sind und seither verlässlich Ergebnisse senden. Ein relevantes Ergebnis dieser Entwicklung war, dass derartige Sensorik einen minimalen Bauraum benötigt, der nicht unterschritten werden kann. Aufgrund dessen, musste auch die bis zu diesem Zeitpunkt auf einen sehr viel kleineren Sensortyp ausgerichtete Schleifleiste mit innenliegenden Sensoren entsprechend angepasst werden. In dieser Konstruktion wurde ein Sensor mit Pilzkopf vorgesehen, so dass nur die relevanten Kräfte über den Sensor geleitet und gemessen werden. Alle weiteren Kräfte und Momente werden über eine Lagerkonstruktion geleitet, die Kräfte in der Messrichtung nicht aufnimmt. Um die Masse oberhalb der Sensorik zu minimieren und das Gewicht der Lagerkonstruktion und des Sensors auszugleichen, wurde die Dicke der Schleifkohle erheblich reduziert. Eine gänzliche Substitution der Kohle war nicht möglich, da sonst veränderte Kontaktbedingungen zwischen Schleifleiste und Fahrdraht vorliegen würden. Im Original-Schleifstück wird ein Aluminium-Strangpressprofil verwendete, welches neben dem Stromfluß auch die Festigkeit gewährleistet. Dieses Profil konnte in erster Linie aus Bauraummangel nicht weiter verwendet werden. Deshalb wurde eine Leichtbaukonstruktion aus mehreren U-Profilen vorgesehen, die neben dem benötigten Bauraum auch noch eine Masseeinsparung, durch Nutzung von Faserverbundwerkstoffen, ermöglichte. In dieser Arbeit wurden sowohl die relevanten Festigkeitsberechnungen als auch eine Betrachtung der Erwärmung durch Stromfluss durchgeführt. Diese Handrechnungen wurden mittels Simulationsrechnung validiert. Im Anschluss wurden alle Fertigungsunterlagen erstellt. Die Fertigung wurde mit potentiellen Projektpartnern besprochen, wodurch Schwierigkeiten erkannt und deren Lösungen in den Entwurf eingepflegt wurden. In der wirtschaftlichen Betrachtung wurden Kosten und Nutzen bilanziert. In Summe wurde somit eine Schleifleiste mit modularer innenliegender faseroptischer Sensorik entwickelt. Um deren Vorteil in der Praxis nutzen zu können, wird empfohlen Diese zu fertigen.