In der vorliegenden Arbeit werden mithilfe von Methoden zur numerischen Behandlung schwach besetzter Matrizen O(n³)- und O(n)-Berechnungsalgorithmen für Mehrkörpersysteme aus deren Bewegungsgleichungen abgeleitet. Durch Verwendung von Dualen Basen kann gezeigt werden, dass sich die bezüglich der Berechnungszeit effizienten Algorithmen sowohl auf Systeme mit explizit als auch implizit formulierten Bindungsgleichungen anwenden lassen. Mit diesen gewonnen Erkenntnissen wird die derzeitige Implementierung der vorgestellten Algorithmen im Sprachstandard Modelica untersucht. Es werden Ansatzmöglichkeiten aufgezeigt, mit denen ausgewählte Modelica Compiler große Mehrkörpersysteme effizienter lösen können. Zum einen wird durch eine graphentheoretische Verallgemeinerung des O(n)-Algorithmus dieser direkt in dem freien Modelica Werkzeug OpenModelica umgesetzt. Zum anderen wird die Methode der Subsysteme für den O(n)-Algorithmus vorgestellt. Sie ermöglicht es, beliebig komplexe Teilsysteme als eigenständige Modellelemente zu erstellen. Die Berechnung von kinematischen Schleifen kann auf diese Weise wesentlich beschleunigt werden. Ferner wird gezeigt, dass sich mit der Methode der Subsysteme Modellgleichungen eines idealen homokinetischen Gelenks ableiten lassen, die frei von Zwangsbedingungen sind. Dies führt ebenfalls zu einer schnelleren und robusteren Berechnung.:1. Einleitung 1.1. Motivation 1.2. Präzisierung der Aufgabe 1.3. Aufbau der Arbeit 2. Mechanik der Mehrkörpersysteme 2.1. Bewegungsgleichung des starren Körpers 2.2. Beschreibung einer Bindung 2.3. Bewegungsgleichung eines Mehrkörpersystems 2.4. Zusammenfassung zur Mechanik der Mehrkörpersysteme 3. Lösungsalgorithmen für Mehrkörpersysteme 3.1. Die Graphen eines Mehrkörpersystems 3.2. Lösungsalgorithmen für Systeme mit Baumstruktur 3.3. Lösungsalgorithmen am Beispiel einer ebenen Pendelkette 3.4. Berücksichtigung kinematischer Schleifen 3.5. Zusammenfassung der Lösungsalgorithmen eines Mehrkörpersystems 4. Effiziente Berechnung von Mehrkörpersystemen 4.1. Berechnung von Mehrkörpersystemen basierend auf Modelica 4.2. O(n)-Algorithmus für Modelica Compiler 4.3. O(n)-Algorithmus für Bibliothekselemente 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Anhang A.1. Grundlagen der Tensorrechnung A.2. Duale Basis einer Bindung A.3. Herleitung des Subsystems des Viergelenks A.4. Homokinetisches Gelenk als Subsystem / Using methods from sparse matrice theory, O(n³)- and O(n)-algorithms for multibody systems are derived from the equations of motion. The concept of Dual Bases reveals that efficient algorithms for explicit joint descriptions, regarding calculation time, may also be applied to systems which use implicit joint constraints. Consequently, the feasibility of implementing these results in Modelica is examined. This leads to new approaches which enable selected Modelica compilers to solve large multibody systems more efficiently. On the one hand side a graph-theoretic generalization of the O(n)-algorithm has been implemented into the OpenModelica compiler. On the other hand, a method of subsystems for the O(n)-algorithm has been devised. It allows to derive the model equations for arbitrary complex sub-systems which can be implemented as new model elements for an O(n)-algorithm library. This has been carried out for recurring kinematic loops of Mobile Machinery improving simulation speed considerably. Furthermore, it is shown that a fast and robust model of an ideal constant velocity joint can be derived that way.:1. Einleitung 1.1. Motivation 1.2. Präzisierung der Aufgabe 1.3. Aufbau der Arbeit 2. Mechanik der Mehrkörpersysteme 2.1. Bewegungsgleichung des starren Körpers 2.2. Beschreibung einer Bindung 2.3. Bewegungsgleichung eines Mehrkörpersystems 2.4. Zusammenfassung zur Mechanik der Mehrkörpersysteme 3. Lösungsalgorithmen für Mehrkörpersysteme 3.1. Die Graphen eines Mehrkörpersystems 3.2. Lösungsalgorithmen für Systeme mit Baumstruktur 3.3. Lösungsalgorithmen am Beispiel einer ebenen Pendelkette 3.4. Berücksichtigung kinematischer Schleifen 3.5. Zusammenfassung der Lösungsalgorithmen eines Mehrkörpersystems 4. Effiziente Berechnung von Mehrkörpersystemen 4.1. Berechnung von Mehrkörpersystemen basierend auf Modelica 4.2. O(n)-Algorithmus für Modelica Compiler 4.3. O(n)-Algorithmus für Bibliothekselemente 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Anhang A.1. Grundlagen der Tensorrechnung A.2. Duale Basis einer Bindung A.3. Herleitung des Subsystems des Viergelenks A.4. Homokinetisches Gelenk als Subsystem

Dieser Beitrag zeigt, dass sich neue Möglichkeiten und Entwicklungsfelder beim Einsatz der domänenübergreifenden Simulationsumgebung SimulationX in der Getriebesynthese ergeben. Der Ansatz, jegliche nichtlineare Bewegungsaufgaben mathematisch in Form von Unterstützungsmodulen in einer Programmoberfläche zu komplexen Modellen zu verbinden, ermöglicht nun auch die Umsetzung einer ganzheitlichen Getriebesynthese mit einem kontinuierlichen Analyse-Synthese-Parameter-Abgleich (ASPA). Der Anwender kann somit in nur einer Programmoberfläche sowohl Mechanismen-Synthese als auch -Analyse durchführen und beispielsweise durch entsprechende Optimierung den getriebedynamisch günstigsten Mechanismus ermitteln. / This report shows that new opportunities and areas of development arise from using the domain spanning system simulation software SimulationX for the analysis and synthesis of nonlinear mechanisms. The idea to mathematically combine arbitrary motion demands to complex models in the form of support modules within a unique program interface now allows for a holistic mechanism synthesis with a continuous analysis-synthesis-parameter-adjustment (ASPA). Hence, the user may perform both mechanism analysis and synthesis employing one single program interface (e.g. to identify the ideal mechanism in terms of dynamics during an optimization process).

Die Entwicklung ebener Koppelgetriebe als nichtlinear übersetzende Antriebe in Verarbeitungsmaschinen stellt bis heute ein domänenübergreifendes Fachgebiet des Maschinenbaus dar. Auf der einen Seite gilt es, die Koppelgetriebe möglichst effizient in einer sich stetig wandelnden Softwarelandschaft zu synthetisieren (geometrische Maßfindung der Getriebeglieder) und auf der anderen Seite steigen die mechanischen Anforderungen. Aus diesem Grund besteht der Wunsch nach einer Vereinigung von Synthese und Analyse (kinematisch sowie kinetisch) in möglichst einer Programmumgebung. Basierend auf dem zum 18. ITI Symposium im Jahr 2015 vorgestellten modulbasierten Analyse-Synthese-Parameter-Abgleich (ASPA) ist in den vergangenen Jahren eine umfangreiche Bibliothek zur modulbasierten Synthese ebener Koppelgetriebe in SimulationX entstanden. Der Beitrag zeigt am Beispiel eines 14-gliedrigen Pressenantriebes, welche neuen Möglichkeiten im Kontext von ASPA innerhalb von SimulationX durch diese Bibliothek entstanden sind. Basierend auf vorausgegangenen Arbeiten wurde erstmals die Möglichkeit der Synthese des Getriebes mittels Maßsynthese bei einer gleichzeitigen Beeinflussung der Gelenkkräfte und Bewegungsverläufe nachgewiesen. Dabei kam der Variantenassistent in SimulationX für die Ermittlung der Parametersensitivitäten zum Einsatz. Das Einbinden von parametrisierten Trägheitskenngrößen auf Basis vereinfachter Volumenkörper ermöglichte hierbei die Berücksichtigung der Bauteilmassen während der Synthese. Die Möglichkeit der gleichzeitigen Beurteilung kinematischer und kinetischer Kenngrößen während der Synthese ist an dieser Stelle ein besonderes Merkmal des Konzeptes ASPA. / Developing nonlinear transmitting planar coupler linkages represents a domain enclosing field in mechanical engineering. On the one hand, there is a demand for an efficient layer synthesis (geometrical sizing of the links) and on the other hand, it is necessary to adapt to a constantly changing software environment. Thus, it is desired to crosslink the kinematical and kinetical synthesis and analysis of linkages within one software environment. Based on a paper about the Analysis-Synthesis-Parameter-Adjustment (ASPA), published at the 18th ITI Symposium in 2015, an extensive synthesis library has been developed in SimulationX. By the example of a 14 bar deep drawing press this paper reveals new opportunities that arise from the application of ASPA on the basis of the new library in SimulationX. Compared to prior papers on this particular press this paper, for the first time, presents a complete layer synthesis of this linkage regarding kinetic boundary conditions. In order to meet conditions, such as motion demands and joint forces, parameter sensitivities have been determined by applying the variants-wizard in SimulationX. Using parameterized mass properties on the basis of simplified solids has allowed the specification of link masses during the synthesis. The opportunity of simultaneously taking kinematic and kinetic characteristics during the layer synthesis into account defines the concept of ASPA.

This paper presents a homogeneous system of magnetic colloidal particles that self-assembles via two structural patterns of different symmetry. Based on a qualitative comparison between a real magnetic particles system, analytical calculations and molecular dynamics simulations, it is shown that bistability can be achieved by a proper tailoring of an anisotropic magnetization distribution inside the particles. The presented bistability opens new possibilities to form two-dimensionally extended and flexible structures where the connectivity between the particles can be changed in vivo. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Im Rahmen eines Kurzvortrages wurden die grundlegenden Zusammenhänge zwischen dem Prinzip von Modelica und SimulationX erläutert. Der Fokus liegt hierbei auf der Einführung in die Systemsimulation mit Funktionalität von Modelica. Die genutzte Software SimulationX wird in ihren Grundzügen vorgestellt und es sind Vorgehensempfehlungen zur Modellbildung innerhalb solcher Programmumgebungen enthalten. Durch die Modularität des Programms ergeben sich für den Anwender neue Möglichkeiten in der Simulation komplexer Mechanismen. Durch eine gezielte Verknüpfung von Analyse- und Synthesemodulen mit Optimierungsalgorithmen, kann so ein intelligentes Berechnungssystem geschaffen werden. Dies ermöglicht methodisch neue Auslegungsstrategien ebener Koppelgetriebe mit dynamischen Anforderungen.

<p>In the United States, buildings are responsible for almost 40% of the country’s total energy consumption and 38% of the total greenhouse gas emissions. Researchers are constantly seeking sustainable and efficient energy generation solutions for buildings as society continues to cope with the intensifying energy crisis and environmental deterioration. Thermoelectric technology is one such solution that potentially can lead to significant energy recovery and conversion between waste or excess thermal energy and electrical energy. One promising application is integrating thermoelectric materials into the building envelope (TBE) for power generation and building heating and cooling without transporting energy among subsystems and refrigerant use. TBE can combine structural support and thermal storage with power generation and thermal-activated cooling and heating, thereby contributing to sustainable living and energy. </p> <p>TBE technology is still in its early development stages. This dissertation aimed to develop a fundamental understanding of the characteristics, behaviors, operation, and control of TBE systems as energy-efficient measures for thermal energy harvesting and thermal comfort regulation and to address the significant research gaps concerning high-conversion efficiency materials and optimal module configuration as well as system deployment related to real-world applications. Accordingly, this dissertation focused on the following three key objectives: (1) development and characterization of new thermoelectric composite materials; (2) identification of optimal designs and controls of TBE and established mathematical models for performance simulation; and (3) quantification of the energy-saving benefits of TBE. </p> <p>The following five aspects specifically were investigated:</p> <p>(1)<em> Material development and characterization</em>. New thermoelectric cement composites were developed with cement and various additives, material concentrations, and fabrication methods in the laboratory. Their thermoelectric properties (e.g., Seebeck coefficient, thermal conductivity, electrical conductivity, power factor, and the figure of merit) were measured simultaneously and characterized at 300–350 K.</p> <p>(2)<em> Module evaluation.</em> Commercially available thermoelectric modules (TEMs) were assessed using well-designed test apparatus in both the heat pumping and power generation modes. The test results validated the numerical model, which assisted with performance comparison and material selection between cement-based and commercial TEMs for the TBE prototype.</p> <p>(3)<em> Prototype assessment. </em>A convective TBE prototype and a radiant TBE prototype were designed, assembled, and evaluated in a pair of controlled testing chambers. The TBE’s surface temperature, thermal capacity, and COP were assessed under summer and winter conditions. </p> <p>(4)<em> Prototype modeling. </em>The first-principle-based numerical models of both the convective and radiant TBE prototypes were developed in Modelica. The modeling results indicated good agreement with the experimental data. The verified models were used to study the impacts of the design parameters and operating conditions on the heat pumping performance of TBE.</p> <p>(5)<em> System simulation. </em>A TBE building system model was established by integrating the TBE prototype model within a building’s heat balance model, considering the building construction, climate condition, power control, etc. Its seasonal performance under various climate conditions was studied to identify the potential optimal operation and energy savings. </p> <p>This dissertation confirmed several key findings in the areas of material development, system design and operation, and energy savings. The TBE achieved higher efficiency with a heat pump for heating than for cooling generally. The TBE heating system performed better than a conventional electric heater (efficiency assumed at 0.9). The measures that improved TBE heating efficiency were enhancing the material’s thermoelectric properties, optimizing the geometry and number of TEMs, and improving the boundary heat transfer of TEMs. </p> <p>This dissertation concluded that the TBE system is a promising alternative to conventional heating systems in buildings. Furthermore, the knowledge gained will strengthen the understanding of thermoelectrics in the building domain and guide further development in TBE, as well as facilitate the operation of net-zero energy and carbon-neutral buildings. </p>

A Power Transfer Unit (PTU) of an All-Wheel Drive System is a hypoid gear transmission unit that distributes the power from the vehicle transmission to all wheels of the vehicle. This thesis aims at increasing the fidelity of the analytical power loss calculation methods through test data correlation and develop a 1D simulation model that can be used to evaluate the drag losses in the PTU at early design stages.  Firstly, the analytical methods to predict the frictional losses and oil churning losses due to the hypoid gearset, rolling bearings and seals immersed in oil are studied. Several drag loss tests with different combinations of internal components, bearing preloads and with/without the presence of oil were previously conducted on the PTU at different speeds and temperatures at zero torque. The power losses are computed in ROMAX Energy and Excel using different analytical methods available in the literature for each component in the PTU. Then the results from the drag loss tests are segregated component-wise for data correlation with the losses evaluated previously. Based on the data correlation, modification factors are introduced for all analytical methods to match the segregated test results.  The demand in the automotive industry to reduce time to market is high. Hence, system-level simulation was chosen as a solution to assess the system efficiency at early concept design stage, saving a lot of time and aid the detailed design. 1D simulation technique is used to study the total power loss of the PTU to optimize its design. The thesis is aimed at developing a 1D system model of the PTU in a commercial tool called LMS AMESim, to evaluate the total power loss of the unit. Inbuilt component models from the software library are used to build a sketch of a simplified lumped mass model of the physical system. The model is simulated in a time domain temporal analysis. The total power loss results simulated using AMESim are compared to the efficiency tests results conducted at different torque levels and ROMAX results.  Comparisons between the simulations and test data shows that the system model is accurate and can be used in predicting the power losses in the PTU in the early design stages. This model can also be used to study the influential factors through sensitivity analysis of different parameters which can be done as an extension to the current scope of this work. / En kraftöverföringsenhet (PTU) i ett fyrhjulsdriftsystem är en hypoidväxellådsöverföringsenhet som fördelar kraften från växellådan till alla hjul i fordonet. Det rapporterade arbetet syftar till att öka konfidensen i de analytiska beräkningsmetoderna för effektförlust genom testdatakorrelation och genom att utveckla en 1D-simuleringsmodell som kan användas för att utvärdera dragförlusterna i PTUn i tidiga designfaser.  För det första studeras analysmetoderna för att förutsäga friktionsförluster och plaskförluster på grund av hypoidväxeln, rullager och tätningar nedsänkta i olja. Flera ”Drag Loss”-tester med olika kombinationer av interna komponenter, lagerförspänningar och med / utan närvaro av olja utfördes tidigare på PTU vid olika hastigheter och temperaturer utan pålagt moment. Effektförlusterna beräknas i ROMAX Energy med olika analysmetoder tillgängliga i litteraturen för varje komponent i PTU. Sedan separeras resultaten från dragförlusttesterna komponentmässigt för datakorrelation med de tidigare utvärderade förlusterna. Baserat på datakorrelationen införs modifieringsfaktorer för alla analysmetoder för att matcha de segregerade testresultaten.  Efterfrågan inom fordonsindustrin att minska tiden till marknaden är hög. Därför väljs simulering på systemnivå som en lösning för att bedöma systemeffektiviteten i ett tidigt konceptdesignfas, vilket sparar mycket tid och underlättar den detaljerade designen. 1D-simuleringsteknik används för att studera PTUns totala effektförlust för att optimera dess design. Arbetet syftar till att utveckla en 1D-systemmodell av PTU i ett kommersiellt verktyg som heter LMS AMESim, för att utvärdera enhetens totala effektförlust. Inbyggda komponentmodeller från programvarubiblioteket används för att skapa en skiss av en förenklad modell av det fysiska systemet. De totala effektförlusterna beräknade med AMESim jämförs med effektivitetstestresultaten vid olika vridmomentnivåer och ROMAX-resultat.  Från korrelationen med testresultaten observeras att systemmodellen är korrekt och kan användas för att förutsäga effektförlusterna i PTU i de tidiga designstadierna. Denna modell kan också användas för att studera de viktigaste faktorerna genom känslighetsanalys av olika parametrar, vilket kan göras som en förlängning av detta arbete.

Elektrohydraulische Steuerungen mit getrennten Steuerkanten stellen komplexe, mechatronische Systeme dar, welche durch ein enges Zusammenspiel der beteiligten Komponenten, ihrer strukturellen Anordnung, der notwendigen Sensorik und Elektronik, sowie den funktionsgebenden Algorithmen charakterisiert sind. Die vielfältigen Umsetzungsvarianten in den jeweiligen Gebieten und speziell im Bereich der Steuer- und Regelalgorithmen erschweren eine zielgerichtete Entwicklung, Bewertung und Auswahl. Neben ökonomischen Randbedingungen bildet vor allem eine beherrschbare Komplexität der Steuerungen, im Sinne der Robustheit und Handhabbarkeit, ein wesentliches Merkmal. Im Kern der Arbeit steht die Frage, welche Systemarchitektur für eine spezifische Maschinen- bzw. Arbeitsaufgabe aus Funktions- und Effizienzsicht optimale Eigenschaften aufweist. Dafür ist es notwendig, den Betrachtungsraum über alle Hierarchieebenen hinweg mit ihren jeweiligen Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Ein strukturierter und iterativer Entwicklungsprozess, welcher dieWechselwirkungen der Einzellösungen frühzeitig einbezieht, dient dabei als Vorgehensmodell. In jeder Ebene sind Synthese,Analyse und Validierungsschritte notwendig, um die resultierenden Systemeigenschaften bewerten zu können. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf einer Einbindung der Steueralgorithmen und einem stufenweisen Test mithilfe simulativer und experimenteller Untersuchungen. Die vorliegende Arbeit stellt eine Struktur- und Schaltungssystematik, zur zielgerichteten Ableitung von Strukturvarianten unter Berücksichtigung der Art und Anordnung der beteiligten Komponenten, zur Verfügung. Für die als Grundstruktur oder Basiskonfiguration bezeichnete Systemvariante, bestehend aus vier proportional verstellbaren Einzelwiderständen in Brückenanordnung, erfolgt eine regelungstechnische Analyse des vorliegenden Mehrgrößensystems. Zusätzlich zum Streckenverhalten (offene Steuerkette) ist das resultierende Verhalten der Kombination Strecke und Steuerung von Interesse. Den Schwerpunkt bilden insbesondere die Analyse des Führungs- und Störverhaltens, sowie die Kopplungseigenschaften des resultierenden Gesamtsystems. Um das funktionale Verhalten der gewählten System- und Steuerungsstruktur tiefgreifender analysieren und ihre Funktionsfähigkeit nachzuweisen zu können, wird ein Labordemonstrator in Form eines Baggerarmprüfstandes genutzt. Hierbei erfolgen jeweils eine virtuelle Untersuchung in einer Systemsimulationsumgebung, als auch der messtechnische Nachweis. Ein analoges Vorgehen wird für die Untersuchung des funktional-energetischen Verhaltens im Gesamtmaschinenkontext gewählt. Das simulativ ermittelte und optimierte Verhalten wird durch umfangreiche Untersuchungen am Maschinendemonstrator, im Rahmen von Maschinenmessungen verifiziert. Die dabei gewonnen Erkenntnisse dienen als Randbedingungen für eine weitreichende simulationstechnische Gegenüberstellung mit alternativen Antriebstechnologien. Erst diese Maßnahme ermöglicht die Einordnung der erzielten Ergebnisse des Untersuchungssystems.:1 Einleitung 1 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 2.1 Aufbau und Funktionsweise von Erdbaumaschinen 3 2.2 Steuerungssysteme mobiler Arbeitsmaschinen 6 2.2.1 Ventilgesteuerte Systeme in Open-Center Ausführung 9 2.2.2 Ventilgesteuerte Systeme in Closed-Center Ausführung 11 2.2.3 Verdrängergesteuerte Systeme 15 2.2.4 Hydraulische Hybridsysteme 18 2.3 Systeme mit getrennten Steuerkanten 21 2.3.1 Ventilstrukturen und Betriebsmodi 22 2.3.2 Aufbau und Funktionsweise proportionaler Sitzventile 28 2.3.3 Steuerungs- und Regelungskonzepte 31 3 Motivation und Zielsetzung 38 4 Entwurf und Systematisierung von Schaltungsvarianten 41 4.1 Methodik im Systementwurf 42 4.2 Varianten der Ventilstrukturen 45 4.3 Varianten der Ventilsteuerung 51 4.4 Varianten der Versorgungs- und Gesamtsysteme 53 5 Übertragungseigenschaften von Mehrgrößensystemen 58 5.1 Charakterisierung Mehrgrößenbegriff 58 5.2 Mathematische Beschreibung des ventilgesteuerten Zylinderantriebs 62 5.3 Herleitung des nichtlinearen, modellbasierten Vorsteuergesetzes 71 5.4 Analyse Zusammenhänge in Mehrgrößensystemen 74 5.4.1 Analyse des statischen Koppelfaktors 76 5.4.2 Analyse der dynamischen Kopplungseigenschaften 80 6 Untersuchungen am Labordemonstrator 87 6.1 Struktur und Aufbau des Labordemonstrators 87 6.2 Untersuchungsmethodik 89 6.3 Modellentwicklung des Labordemonstrators 92 6.3.1 Modellierung der Ausrüstungsmechanik und Prozessbelastung 93 6.3.2 Modellierung des Antriebssystems 95 6.3.3 Umsetzung der Ansteuerung - Software in the Loop 97 6.4 Validierung des Gesamtantriebsmodells 98 6.5 Beschreibung und Analyse der Steuerung 100 6.5.1 Statisches Verhalten im Einzelverbraucherbetrieb 103 6.5.2 Dynamisches Verhalten im Einzelverbraucherbetrieb 105 6.5.3 Statisches Verhalten im Mehrverbraucherbetrieb 108 6.5.4 Dynamisches Verhalten im Mehrverbraucherbetrieb 110 6.6 Zusammenfassung und Bewertung 114 7 Integration und Funktionstest am Maschinendemonstrator 115 7.1 Aufbau und Funktionsweise des Standardantriebssystem 116 7.2 Entwicklung und Integration des Antriebsprototyps 121 7.3 Modellentwicklung des Maschinendemonstrators 130 7.3.1 Ausrüstungs- und Fahrzeugmechanik 131 7.3.2 Verbrennungsmotor 133 7.3.3 Verstellpumpen 135 7.3.4 Steuerventile 136 7.3.5 Proportional-Sitzventil 137 7.3.6 Drehwerkssteuerung 139 7.4 Validierung und simulative Erprobung des des Gesamtsystems 140 7.5 Experimentelle Erprobung und Analyse des GSK-Systems 149 7.6 Zusammenfassung und Bewertung 157 8 Modellgestützte Analyse und Vergleich der Energieeffizienz 159 8.1 Modellgestützte Effizienzanalyse in mobilen Arbeitsmaschinen 159 8.1.1 Vollständige Zyklenspiele 161 8.1.2 Standardzyklus 164 8.1.3 Äquivalente Referenzzyklen 165 8.1.4 Fazit 166 8.2 Entwicklung und Beschreibung von Antriebssystemvarianten 168 8.2.1 Mehrkreis Drosselsteuerung 3K-OC-DS 170 8.2.2 Mehrkreis Load-Sensing Steuerung 2K/3K-CC-LS 172 8.2.3 Mehrkreis Verdrängersteuerung 3K/4K-DC 174 8.2.4 Systemvarianten mit getrennten Steuerkanten 2K/3K-IM 176 8.2.5 Mehrkreis Hybridsysteme 3K-Hy 180 8.3 Ergebnisse der Effizienzanalyse 188 8.3.1 Mehrkreis Drosselsteuerung 3K-OC-DS 188 8.3.2 Mehrkreis Load-Sensing Steuerung 2K/3K-CC-LS 193 8.3.3 Mehrkreis Verdrängersteuerung 3K/4K-DC 194 8.3.4 Systemvarianten mit getrennten Steuerkanten 2K/3K-IM 196 8.3.5 Hybridsystemvarianten 3K-Hy / 3K-CP 198 8.3.6 Gesamtsystemvergleich 200 9 Zusammenfassung und Ausblick 203 10 Literaturverzeichnis 209 A Anhang 233 A.1 Systematisierung von Schaltungsvarianten 233 A.1.1 Metrik zu Ermittlung der Schaltungseffizienz 233 A.2 Untersuchungen Mehrgrößensystem 242 A.2.1 Linearer Signalflussplans eines Systems mit vorgeschalteter Druckwaage 242 A.2.2 Darstellung der Systemmatrizen des ventilgesteuerten Zylinderantriebs 243 A.2.3 Kopplungsanalyse der offenen Steuerkette 243 A.2.4 Kopplungsanalyse der dezentralen Einfachregelung 245 A.2.5 Kopplungsanalyse linearer Entkopplungsfilter 246 A.2.6 Kopplungsanalyse nichtlineare Vorsteuerung 248 A.3 Untersuchungen am Systemprüfstand 250 A.3.1 Kinematikgleichungen 250 A.4 Untersuchungen am Demonstrator 251 A.4.1 Modellierung Mehrkörperstruktur 251 A.4.2 Werkzeug-Boden-Kontakt 252 A.4.3 Dynamische Vermessung Porportional-Sitzventil 253 A.5 Sytemvergleich 254 A.6 Methoden und Verfahren der Effizienzermittlung 254 A.6.1 Validierung Referenzsystem 259 A.6.2 Ergebnisse Effizienzanalyse 260

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines mikromechanischen kraftgekoppelten Schwingsystems für die resonante Detektion niederfrequenter Schwingungen. Es wird ein neuartiges Prinzip vorgestellt, das es ermöglicht, niederfrequente Vibrationen frequenzselektiv zu erfassen. Mittels Amplitudenmodulation wird das niederfrequente Signal in einen höheren Frequenzbereich umgesetzt. Durch Ausnutzung der mechanischen Resonanzüberhöhung wird aus dem breitbandigen Signal ein schmales Band herausgefiltert, die anderen Frequenzbereiche werden unterdrückt. Auf diese Weise wird direkt die spektrale Information des niederfrequenten Signals gewonnen. Eine Fourier-Transformation ist hierbei nicht notwendig. Die Abstimmung des Sensors erfolgt über eine Wechselspannung und führt dadurch zu einer einfachen Auswertung. Die Schwerpunkte der Arbeit liegen in den theoretischen Untersuchungen zum neuartigen Sensorprinzip, in der Entwicklung einer mikromechanischen Sensorstruktur zum Einsatz des neuen Prinzips sowie in der Entwicklung und Charakterisierung eines Messsystems zur Detektion niederfrequenter mechanischer Schwingungen mit dem neuen Sensor. / This thesis describes the development and characterization of a micromechanical force coupled oscillator system for the resonant detection of low frequency vibrations. It presents a novel working principle that enables spectral measurements of low frequency vibrations. The low frequency spectral content is converted into a higher frequency range by means of amplitude modulation. Due to the mechanical resonance a narrow band is filtered out of the wide band vibration signal. The remaining frequency content is suppressed. Hence, the spectral information is directly obtained with the sensor system without a fast Fourier transform. The tuning is done with an AC voltage resulting in a simple analysis. The main focuses of the work are the theoretical analysis of this novel sensor principle, the development of the micromechanical sensor structure for the use of the novel principle as well as the development and characterization of a measurement system for the spectral detection of low frequency mechanical vibrations with the developed sensor system.

Heutzutage gewinnt die Simulation von Gebäuden und Anlagen zunehmend an Bedeutung, um die Betriebsweise der Anlagen zu diagnostizieren bzw. zu bewerten und den Energiebedarf vorherzusagen. Dabei hängt die erzielte Genauigkeit von dem Kompliziertheitsgrad des angewendeten Simulationsprogramms ab. Deshalb ist Modellbildung und -validierung ein sehr wichtiger Bestandteil eines Softwareentwicklungsprozesses, um die Zuverlässigkeit zu sichern. Am Institut für Thermodynamik und Technische Gebäudeausrüstung liegen zahlreiche Simulationsmodelle vor. Im Rahmen dieser vorliegenden Arbeit wurden weitere benötigte Modelle (hygrisches Verhalten der Wände (vereinfachtes Verfahren), Rippenrohrwärmeüberträger, Wärmeregenerator et al.) entwickelt und in das Programm TRNSYS eingefügt sowie die vorhandenen Modelle an ihre Genauigkeit angepasst. Insbesondere sind dies die Modelle für Splitsysteme bei stetiger und nichtstetiger Regelung mit der detaillierten Betrachtung des Anlagenverhaltens sowohl beim Voll- als auch beim Teillastbetrieb. Damit ist es erstmals gelungen, das gesamte Anlagensystem der Splittechnik ausführlich zu beschreiben. Um die analytische Validierung durchführen zu können, wurden die analytischen Modelle für eine Splitanlage bei stetiger und nichtstetiger Regelung unter den vordefinierten Randbedingungen entwickelt. Zur analytischen Validierung finden auch die vorhandenen Simulationsmodelle Anwendung, so dass sich die meisten Komponenten und das Simulationsprogramm TRNSYS verifizieren ließen. Diese Validierung erfolgte im Rahmen des IEA-SHC/HVAC BESTEST TASK 22. Da an diesem TASK verschiedene Forschungsinstitutionen mit jeweils unterschiedlichen Simulationsprogrammen teilnahmen, ergab sich die beste Möglichkeit, vergleichende Tests durchzuführen. Wenn dabei ein Programm signifikante Unterschiede zu den anderen liefert, liegt dies nicht immer an Programmfehlern. Aber kollektive Erfahrungen aus diesem TASK zeigen, dass bei Abweichungen meistens Fehler bzw. fragwürdige Algorithmen gefunden wurden. Nachdem das Simulationsprogramm TRNSYS validiert war, erfolgte die Erstellung eines Konzeptes zur Fehlererkennung und Diagnose der Regelstrategien von RLTA. Das Verfahren erlaubt sowohl die Beseitigung der möglichen Fehler in der Planungsphase beim Entwurf der Regelstrategien als auch den Test der vorhandenen Regelstrategien. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und damit die Sicherheit beim Anlagenbetrieb. Schließlich dient das Verfahren als Werkzeug zur Optimierung der Betriebsweise von RLTA. Das Regelverhalten wurde anhand typischer Fälle vorgestellt und diskutiert. Mit Hilfe des Verfahrens zur Fehlererkennung und Diagnose der Betriebsweise von RLTA ließen sich vorhandene Regelstrategien testen und verbessern.