Master's thesis is dealing with desgin of a measuring unit incorporating inertial sensors, used for analysis in canoe sprint. Data from a three-axis accelerometer and a three-axis gyroscope were combined using an extended Kalman filter, yielding speed, roll, pitch and yaw of the boat and stroke rate. Calculated values were verified by a GPS. Furthermore, parameters describing dynamic behaviour of the system were identified, allowing an inclusion of dynamic quantities like force and power into the analysis.

Aim of the thesis is to explain the issue of forces acting in circuit breaker caused by magnetic fields induced by short-circuit current. This thesis is focused on force affecting in concrete system of a circuit breaker. The given circuit breaker is made by OEZ Letohrad, the type Modeion BD250. In the thesis the way of creating 3-D model is shown for the purpose of creating numeric simulation by ANSYS 11. The next approach of the thesis is the description of applicating the results for DC and AC current calculations. The noted calculation is made in the programme MATLAB 6.5. The solutions are mentioned at calculations both in the graphic form and numeric specifications. Visualisation was made by using GIF graphic system animation. The individual pictures processing was done in the programme UNLEAD GIF ANIMATOR 5.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die methodischen Aspekte bei der Entwicklung mechanischer Simulationen zur Messung der Funktionalitäten von Handballschuhen systematisch zu untersuchen und aus den Ergebnissen allgemeingültige Aussagen zum Abstraktionsgrad abzuleiten. Die Untersuchungen der vier methodischen Aspekte Messgerät, Auswertemodell, Einfluss- und Eingangsgröße haben ergeben, dass insgesamt drei Aspekte einen Einfluss auf den Messwert hatten. Mit Ausnahme der Ergebnisse zum Aspekt Eingangsgröße besaßen die untersuchten methodischen Aspekte jeweils einen Einfluss auf den Messwert. Anhand der Ergebnisse konnte abgeleitet werden, dass der Abstraktionsgrad einen Einfluss auf die Messwerte besitzt. / The aim of the current work was to investigate systematically the methodological aspects used in the development of mechanical simulations, which are capable of measuring the functionalities of handball shoes, and to derive general conclusions about the proper degree of abstraction from the results. The investigations of the four methodological aspects, namely measuring instrument, evaluation model, influence quantity and input quantity, have shown that three aspects had an influence on the measurand. Except for the results on the aspect of input quantity, each of the examined methodological aspects had an influence on the measurand. Based on the results, it could be deduced that the degree of abstraction has an influence on the measurand.

Der vorliegende Beitrag behandelt die kinematische und statische Analyse eines Biglide-Getriebes mit fünf Gliedern und zwei Schubantrieben zur Führung eines Punktes in der x-y-Ebene. Als mathematische Hilfsmittel werden die beiden Programme PTC Mathcad Prime 3.1 und GeoGebra 5.0 eingesetzt, die sich einander in hervorragender Weise ergänzen. Dabei ist Mathcad hier vorwiegend für Matrizenrechnungen und GeoGebra besonders anschaulich für geometrische Grundaufgaben mit Animationen zuständig. Die Effizienz der vorgestellten Algorithmen und Hilfsmittel wird anhand zweier Anwendungsbeispiele aufgezeigt.

This thesis work comprises the working and simulation procedures being involved in simulating motion capture data in AnyBody Modeling System. The motion capture data used in this thesis are ballet movements from dancers of Östgöta ballet and dance academy. The ballet movements taken into consideration are the arabesque on demi-pointe and pirouette. The arabesque on demi-pointe was performed by two dancers but the pirouette is performed by only one dancer. The method involved recording ballet movements by placing markers on the dancer's body and using this motion capture data as input to AnyBody Modeling System to create a musculoskeletal simulation. The musculoskeletal modeling involved creating a very own Qualisys marker protocol for the markers placed on the ballet dancers. Then implementing the marker protocol onto a human model in AnyBody Modeling System by making use of the AnyBody Managed Modeling Repository (TM) and obtain the kinematics from the motion capture. To best fit the human model to the dancer's anthropometry, scaling of the human model is done, environmental conditions such as the force plates are provided. An optimization algorithm is conducted for the marker positions to best fit the dancer's anthropometry by running parameter identification. From the kinematics of the motion capture data, we simulate the inverse dynamics in AnyBody Modeling System. The simulations explain a lot of parameters that describe the ballet dancers. Results such as the center of mass, the center of pressure, muscle activation, topple angle are presented and discussed. Moreover, we compare the models of the dancers and draw conclusions about body balance, effort level, and muscles activated during the ballet movements.

In den letzten Jahrzehnten hat sich auf dem Gebiet der phänomenologischen Metallplastizität eine schleichende Revolution vollzogen. Dank der gestiegenen Rechenleistung, in Kombination mit ausgereiften numerischen Algorithmen, sind viele technisch relevante Problemstellungen einer zuverlässigen numerischen Analyse zugänglich gemacht worden. Beispielsweise ermöglicht die Metallumformsimulation, als häufigste Anwendung der Plastizitätstheorie, eine Analyse des Eigenspannungszustandes und der Rückfederung in plastisch umgeformten Halbzeugen und Bauteilen. Solche Simulationen sind für die Planung energie- und ressourceneffizienter Herstellungsprozesse sowie für die Ausnutzung der plastischen Tragfähigkeitsreserven von großer Bedeutung. Die Crashtest-Simulation ist die zweithäufigste Anwendung, die in der Automobilindustrie und auch zunehmend im Flugzeugbau eingesetzt wird. Aus der Notwendigkeit, das Verhalten metallischer Werkstoffe auf Bauteilebene hinreichend genau zu beschreiben, resultiert die Motivation für eine breit angelegte Studie zur Materialmodellierung. Dabei führt die beträchtliche Anzahl unterschiedlicher Phänomene und Effekte, die berücksichtigt werden müssen, zu einer großen Vielfalt von Materialmodellen. Da die Lösung komplizierter praktischer Probleme mit einem sehr großen numerischen Aufwand verbunden ist, wird der vorteilhafte phänomenologische Zugang bevorzugt. Bei der Konzeption von neuen phänomenologischen Materialmodellen müssen folgende Aspekte beachtet werden: die Genauigkeit bei der Beschreibung des Materialverhaltens; die Stabilität und Robustheit von zugehörigen numerischen Algorithmen; die numerische Effizienz; die zuverlässige Parameteridentifikation für einen möglichst großen Anwendbarkeitsbereich; die Anschaulichkeit und Einfachheit des Materialmodells. Im Allgemeinen stehen diese Anforderungen an ein "gutes Materialmodell" zwar in einem gewissen Widerspruch zueinander, bilden andererseits aber das Grundgerüst für eine systematische Studie. Obwohl sich die vorliegende Arbeit vordergründig an erfahrene Spezialisten im Bereich der Kontinuumsmechanik wendet, sind die darin präsentierten Modelle und Algorithmen auch für praktisch tätige Berechnungsingenieure von Interesse. / In the last decades, a creeping revolution was taking place in the area of the phenomenological metal plasticity. Due to the increased computational power, combined with refined numerical algorithms, many of technically relevant problems are now available for the numerical analysis. In particular, the metal forming simulation is a typical application of the metal plasticity. It enables the analysis of the residual stresses and spring back phenomena in plastically deformed workpieces and components. Such analysis is advantageous for planning of energy and resource-efficient manufacturing and for exploitation of plastic reserves of bearing capacity. The crash test simulation is the second most common application of metal plasticity, highly celebrated in the automotive industry and gaining increasing popularity in the aircraft industry. The need for sufficiently accurate description of metal behaviour on the macroscale motivates wide-ranging studies on material modelling. The large number of different effects and phenomena contributes to the large manifold of material models. The current work deals with the phenomenological approach, due to its great suitability for the solution of practical problems. The following aspects should be taken into account upon the construction of new phenomenological models: the accurate description of the material behaviour, the stability and robustness of the corresponding numerical algorithms, the numerical efficiency, the reliable parameter identification for a sufficiently large application area, the clearness and simplicity of the material models. In general, these requirements imposed on a "good material model" contradict each other. In this work, however, they are complimentary to each other and build a framework for a systematic study. Although this work is written primarily for experts on the continuum mechanics, the presented models and algorithms can be of interest for practically working engineers.

This thesis presents a novel analytical solution strategy for the zero-inertia (ZI) equations of free surface flow. These equations are utilized herein for routing flood flow in open channels and for simulating excess rainfall runoff on overland planes. The novel solution approach is shown to be both accurate and robust, especially under the complicated and intricate conditions of infiltrating flow on initially dry river beds or soils, e.g., as present in arid and semiarid areas. This is underlain by comparing modeling results of the novel analytical procedure with those of validated numerical solutions. Furthermore, it is shown that the analytical ZI model can deliver a process-oriented portrayal of runoff concentration in the flood-generating parts of the catchment. Subsequently, the novel analytical ZI model is applied for a real-world water management problem in the Sultanate of Oman, Arabian Peninsula. Within an integrated flash flood routing model—which is also presented in this thesis—the novel analytical routing approach helps in accurately matching the dynamics of advancing and infiltrating ephemeral river flow, established as a consequence of release from a groundwater recharge dam. The integrated modeling system houses the aforementioned analytical downstream model and tailor-made, state-of-the-art modeling components to portray the upstream flow processes, dam operation (including evaporation), and spillway release flow. The proposed modeling system can aid in rendering a realistic image of transient transmission losses and dependent flow dynamics. This is of extremely high importance for water resources assessment, as well as for optimizing recharge dam operation strategies in order to maximize downstream transmission losses and, thus, groundwater recharge.:List of Figures List of Tables List of Algorithms List of Symbols and Acronyms 1 Introduction 1.1 The Role of Ephemeral River Flow for Groundwater Recharge 1.2 Methods for Estimating Groundwater Recharge 1.3 Groundwater Augmentation Techniques and the Involved Processes 1.4 The Role of Overland Flow for Flash Flood Formation 1.5 Objectives of the Thesis 1.6 Structure of the Work 2 Literature Review 2.1 Surface-Water Based Studies on the Estimation of Indirect Recharge 2.2 Review of Literature on Process-Oriented Overland Flow Modeling 2.3 Summary 3 Principles of Physically-Based Modeling of Infiltrating Free Surface Flows 3.1 Hydraulic Phases of an Infiltrating Flow Event 3.2 Hydrodynamic Models 3.2.1 The Saint-Venant Equations 3.2.2 Zero-Inertia Approximation 3.2.3 Kinematic Wave Approximation 3.2.4 Other Simplifications of the Full Hydrodynamic Model 3.3 Initial and Boundary Conditions 3.4 Relating Friction and Flow Properties 3.5 Accounting for Losses or Gains 3.6 Including Arbitrary Cross-Sectional Geometries 3.7 Discussion of the Reviewed Flow Models 3.7.1 Discussion of Modeling Approaches for Ephemeral River Routing 3.7.2 A Suitable Hydrodynamic Model for Overland Flow 3.7.3 On the Portrayal of Shocks with the Kinematic Wave Model 3.8 Summary 4 Solution Procedures for the Reviewed Flow Models 4.1 Method of Characteristics 4.2 Numerical Solution Procedures 4.2.1 Introduction to Finite Difference Methods 4.2.2 Mathematical Principles of Finite Difference Methods 4.3 Analytical Solution Procedures 4.4 Discussion of the Reviewed Solution Procedures 4.5 Summary and Conclusions 5 Novel Analytical Solution Approaches for the Zero-Inertia Equations 5.1 Novel Analytical Solution Approach for Zero-Inertia Open Channel Flow 5.1.1 Governing Equations 5.1.2 Including Nonprismatic Channel Geometries 5.1.3 Boundary and Initial Conditions 5.1.4 Analytical Solution of the Momentum Equation 5.1.5 Analytical Solution of the Continuity Equation 5.1.6 Algorithm for the Iterative Solution of the Nonlinear Problem 5.1.7 Coupling Surface Flow and Infiltration 5.1.8 Additional Remarks 5.2 Novel Analytical Solution Approach for Zero-Inertia Overland Flow 5.2.1 Governing Equations 5.2.2 Boundary and Initial Conditions 5.2.3 Analytical Solution 5.2.4 Algorithm for the Iterative Solution of the Nonlinear Problem 5.3 Summary 6 Comparative Studies with Generally Accepted Approaches 6.1 Open Channel Flow in Prismatic and Nonprismatic Permeable Open Channels 6.1.1 Test Setup 6.1.2 Comparison of Flow Dynamics 6.1.3 Analysis of the Geometry Parameter Sensitivity 6.1.4 Evaluating the Stability of the Analytical ZI Model 6.1.5 Summary 6.2 Overland Flow on a Plane 6.2.1 Test Setup 6.2.2 Comparison of Modeling Results 6.2.3 Summary 7 Flash Flood Routing under Transmission Losses and Dam Operation 7.1 Outline of the Structure of a Novel Integrated Modeling System 7.1.1 Wadi Flow Routing Models 7.1.2 Dam Simulation Model with Evaporation Component 7.2 Real-World Application of the Modeling System for an Arid Region 7.2.1 Study Area and Available Data 7.2.2 Parameter Sensitivity Analysis 7.2.3 Optimization-Based Process Parameter Estimation 7.2.4 Model Application for Wadi Ma\\\\\\\'awil 7.3 Summary 8 Summary and Conclusions 9 Outlook 9.1 The Modeling System for Improving Water Resources Assessment 9.2 The Modeling System for Optimizing Groundwater Recharge Bibliography A Mathematical Supplements A.1 Explicit First-Order Finite Difference Scheme for the Kinematic Wave Model A.2 Explicit Second-Order Finite Difference Scheme for the Kinematic Wave Model A.3 Implicit Finite Difference Scheme with Interior Point (Preissmann Scheme) A.4 Analytical Solution of the Kinematic Wave Model A.5 Details on the Derivation of the Iterative Procedure (5.47);(5.48) A.6 Details on the Evaluation of Equation (5.60) B Selected Publications of the Author B.1 Analytical Model of Surge Flow in Nonprismatic Permeable Channels B.2 Analytical Model of Surface Flow on Hillslopes B.3 Integrated Modeling System for Flash Flood Routing in Ephemeral Rivers / Diese Dissertation präsentiert einen neuartigen analytischen Lösungsansatz für das beschleunigungsfreie Wellenmodell (bzw. „Zero-Inertia-Modell“, „ZI-Modell“, oder „diffusives Wellenmodell“). Im Rahmen der Arbeit wird das hergeleitete hydrodynamische Modell sowohl zur Simulation von Freispiegelabflüssen in nichtprismatischen und durchlässigen Gerinnen, als auch für die Beschreibung von auf der Landoberfläche abfließendem Infiltrationsüberschuss eingesetzt. Es wird gezeigt, dass der neuartige analytische Ansatz — im Hinblick auf Massenerhaltung und die exakte Abbildung der Abflussdynamik — akkurate Ergebnisse liefert und gleichzeitig unter komplexen und verwickelten Prozessbedingungen anwendbar ist. So belegt eine vergleichende Analyse mit validierten numerischen Lösungsansätzen die Robustheit des analytischen ZI-Modells. Insbesondere die im Sinne der numerischen Mathematik stabile und genaue Modellierung der gekoppelten Abfluss- und Infiltrationsvorgänge in anfänglich trockenen Gerinnen ist dabei ein Novum. Weiterhin wird die Eignung und Anwendbarkeit des neuartigen Modellansatzes zur Beschreibung der Abflusskonzentrationsprozesse gezeigt. Der neuartige Lösungsansatz wird im Folgenden für ein reales Wassermanagementproblem im Sultanat Oman, Arabische Halbinsel eingesetzt. Als Bestandteil eines integrierten Modellsystems, welches ebenfalls im Rahmen der Dissertation vorgestellt wird, dient das analytische ZI-Modell zur Simulation von infiltrierendem Wadiabfluss, welcher unterstrom von Grundwasseranreicherungsdämmen starke Verluste von Masse und Impuls erfährt. Zusammen mit maßgeschneiderten und dem Stand der Technik entsprechenden Komponenten für die Betriebssimulation des Anreicherungsdammes (inklusive Verdunstung von der freien Seefläche) sowie für die Abbildung der oberstromigen hydrodynamischen Prozesse (ebenfalls inklusive Infiltration) wird der neuartige analytische Ansatz in einem Modellsystem zusammengefasst. Das Modellsystem ist in der Lage ein realistisches Bild der raumzeitlichen Dynamik des Abflusses sowie der Grundwasserneubildung aus infiltrierendem Wadiabfluss zu liefern. Damit stellt das Modellsystem ein wertvolles Werkzeug sowohl zur Wasserdargebotsermittlung, als auch für die Optimierung des Betriebes von Grundwasseranreicherungsdämmen dar.:List of Figures List of Tables List of Algorithms List of Symbols and Acronyms 1 Introduction 1.1 The Role of Ephemeral River Flow for Groundwater Recharge 1.2 Methods for Estimating Groundwater Recharge 1.3 Groundwater Augmentation Techniques and the Involved Processes 1.4 The Role of Overland Flow for Flash Flood Formation 1.5 Objectives of the Thesis 1.6 Structure of the Work 2 Literature Review 2.1 Surface-Water Based Studies on the Estimation of Indirect Recharge 2.2 Review of Literature on Process-Oriented Overland Flow Modeling 2.3 Summary 3 Principles of Physically-Based Modeling of Infiltrating Free Surface Flows 3.1 Hydraulic Phases of an Infiltrating Flow Event 3.2 Hydrodynamic Models 3.2.1 The Saint-Venant Equations 3.2.2 Zero-Inertia Approximation 3.2.3 Kinematic Wave Approximation 3.2.4 Other Simplifications of the Full Hydrodynamic Model 3.3 Initial and Boundary Conditions 3.4 Relating Friction and Flow Properties 3.5 Accounting for Losses or Gains 3.6 Including Arbitrary Cross-Sectional Geometries 3.7 Discussion of the Reviewed Flow Models 3.7.1 Discussion of Modeling Approaches for Ephemeral River Routing 3.7.2 A Suitable Hydrodynamic Model for Overland Flow 3.7.3 On the Portrayal of Shocks with the Kinematic Wave Model 3.8 Summary 4 Solution Procedures for the Reviewed Flow Models 4.1 Method of Characteristics 4.2 Numerical Solution Procedures 4.2.1 Introduction to Finite Difference Methods 4.2.2 Mathematical Principles of Finite Difference Methods 4.3 Analytical Solution Procedures 4.4 Discussion of the Reviewed Solution Procedures 4.5 Summary and Conclusions 5 Novel Analytical Solution Approaches for the Zero-Inertia Equations 5.1 Novel Analytical Solution Approach for Zero-Inertia Open Channel Flow 5.1.1 Governing Equations 5.1.2 Including Nonprismatic Channel Geometries 5.1.3 Boundary and Initial Conditions 5.1.4 Analytical Solution of the Momentum Equation 5.1.5 Analytical Solution of the Continuity Equation 5.1.6 Algorithm for the Iterative Solution of the Nonlinear Problem 5.1.7 Coupling Surface Flow and Infiltration 5.1.8 Additional Remarks 5.2 Novel Analytical Solution Approach for Zero-Inertia Overland Flow 5.2.1 Governing Equations 5.2.2 Boundary and Initial Conditions 5.2.3 Analytical Solution 5.2.4 Algorithm for the Iterative Solution of the Nonlinear Problem 5.3 Summary 6 Comparative Studies with Generally Accepted Approaches 6.1 Open Channel Flow in Prismatic and Nonprismatic Permeable Open Channels 6.1.1 Test Setup 6.1.2 Comparison of Flow Dynamics 6.1.3 Analysis of the Geometry Parameter Sensitivity 6.1.4 Evaluating the Stability of the Analytical ZI Model 6.1.5 Summary 6.2 Overland Flow on a Plane 6.2.1 Test Setup 6.2.2 Comparison of Modeling Results 6.2.3 Summary 7 Flash Flood Routing under Transmission Losses and Dam Operation 7.1 Outline of the Structure of a Novel Integrated Modeling System 7.1.1 Wadi Flow Routing Models 7.1.2 Dam Simulation Model with Evaporation Component 7.2 Real-World Application of the Modeling System for an Arid Region 7.2.1 Study Area and Available Data 7.2.2 Parameter Sensitivity Analysis 7.2.3 Optimization-Based Process Parameter Estimation 7.2.4 Model Application for Wadi Ma\\\\\\\'awil 7.3 Summary 8 Summary and Conclusions 9 Outlook 9.1 The Modeling System for Improving Water Resources Assessment 9.2 The Modeling System for Optimizing Groundwater Recharge Bibliography A Mathematical Supplements A.1 Explicit First-Order Finite Difference Scheme for the Kinematic Wave Model A.2 Explicit Second-Order Finite Difference Scheme for the Kinematic Wave Model A.3 Implicit Finite Difference Scheme with Interior Point (Preissmann Scheme) A.4 Analytical Solution of the Kinematic Wave Model A.5 Details on the Derivation of the Iterative Procedure (5.47);(5.48) A.6 Details on the Evaluation of Equation (5.60) B Selected Publications of the Author B.1 Analytical Model of Surge Flow in Nonprismatic Permeable Channels B.2 Analytical Model of Surface Flow on Hillslopes B.3 Integrated Modeling System for Flash Flood Routing in Ephemeral Rivers

Diese Arbeit präsentiert eine umfassende in-situ Studie zur thermischen Ausdehnung von β-Ga2O3 im Temperaturbereich von Raumtemperatur (RT) bis 1200 K sowie zum Wachstum dünner Ga2O3 Schichten durch plasmaunterstützte Molekularstrahlepitaxie (MBE). Hierfür kamen synchrotron-basierte hochauflösende Röntgenbeugung (HRXRD) sowie die Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion (RHEED) zum Einsatz. Die dadurch erhaltenen Resultate gestatten detaillierte quantitative Aussagen zu den Ausdehnungskoeffizienten (CTE) von β-Ga2O3 und ein tieferes Verständnis des Wachstumsprozesses von Ga2O3 sowohl im Rahmen der Homo- als auch der Heteroepitaxie. / This thesis presents a comprehensive in-situ study on the thermal expansion of beta-Ga2O3 from room temperature (RT) to 1200 K, and the thin film growth of Ga2O3 as carried out by oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy (MBE) using synchrotron-based high-resolution x-ray diffraction (HRXRD) and reflection high-energy electron diffraction (RHEED). The obtained results provide a quantitative analysis on the coefficients of thermal expansion (CTE) of beta-Ga2O3, and a deeper understanding in the growth process of Ga2O3 in both homoepitaxy and heteroepitaxy.

This research introduces a high-performance electric taxiing system (ETS) as a modern solution to improve the on-ground operations of today’s aircraft, which are conventionally powered through the main engines. The presented ETS is propelled by electric motors, integrated into the main landing gear of a state-of-the-art midsize commercial aircraft, and powered by an additional not quantified electrical energy storage system. The proposed system can therefore operate autonomously from any aircraft-internal power source, i.e. Auxiliary Power Unit or equivalent. The main objective of this work is to assess the energy consumption of the introduced ETS while considering energy recuperation due to regenerative braking. The ETS powertrain is sized to match modern conventional taxi performances that were seen in 36 self-recorded takeoff- and landing taxi driving profiles. A custom ETS simulation model was developed and simulated across all available driving profiles to confirm the desired powertrain performance and to predict the system’s energy consumption. For the purpose of enhancing the validity of these energy consumption predictions, a suitable motor controller is then designed by the use of MATLAB Simulink. An easy-to-implement switch loss model was created to predict the ETS motor controller efficiency map. Finally, the former energy consumption predictions were revised for the implementation of the motor controller and an estimated traction motor efficiency map. The results exhibit that the revised ETS simulation model was capable of refining the energy consumption. It was found that the ETS will consume up to 9.89 kWh on average if the full potential of the traction motors energy recuperation capabilities are being used. The simulation outcomes further demonstrate that regenerative braking offers great potential in ETS applications since more than 14 % of required traction energy could be regenerated to yield the above mentioned average energy consumption. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Der Prozess des orthogonalen Drehfräsens ermöglicht eine hohe Produktivität, eine hohe geometrische Flexibilität hinsichtlich erzeugbarer Mantelflächenformen, einen gesicherten Spanbruch sowie die Herstellung drallfreier Oberflächen. Die derzeit erreichbare Form- und Maßgenauigkeit sowie Oberflächenqualität, die mit diesem Verfahren erzielt werden können, lässt bei Bauteilen mit hohen konstruktiven Anforderungen keine Substitution des etablierten Rundschleifprozesses zu. Das dynamische Verhalten der Prozesskräfte und der differente Schneidkantenverschleiß entlang der im Eingriff befindlichen Schneidkante sind die Haupteinflussgrößen für Geradheitsfehler der Mantellinie und damit verantwortlich für Abweichungen von der gewünschten Bauteilgeometrie. Durch die Lokalisierung des Spanprozesses auf die Stirnschneide können die Eingriffsverhältnisse und die auftretenden Prozesskräfte beim orthogonalen Drehfräsen exakt bestimmt und prozessspezifische Werkzeuggeometrien mithilfe des entwickelten Prozessmodells abgeleitet werden. Das Ziel der Untersuchungen war die Entwicklung einer Prozessstrategie zur Reduktion von Geometrieabweichungen zylindrischer Bauteile durch einen robusten Prozess des exzentrisch-orthogonalen Drehfräsens ohne Axialvorschub. Dadurch lassen sich ökonomische und ökologische Vorteile hinsichtlich einer Substitution der Rundschleifbearbeitung durch die Komplettbearbeitung komplexer Bauteile in Dreh-Fräsbearbeitungszentren erzielen. Aus dem Stand der Forschung und Technik ist bekannt, dass beim orthogonalen Drehfräsen prozessbedingte Gestaltabweichungen erster bis vierter Ordnung an der Werkstückmantelfläche auftreten können. In Abhängigkeit von den konstruktiv geforderten Toleranzen bei Bauteilen mit zylindrischen und konvex gekrümmten Mantelflächen, kann die prozesssichere Anwendung des orthogonalen Drehfräsens derzeit der Schrupp- und Vorschlichtbearbeitung zugeordnet werden. Ergebnisse zur prozesssicheren Substitution der Außenrundschleifbearbeitung durch orthogonales Drehfräsen wurden bislang nicht veröffentlicht. Daraus leitete sich die Forschungsfrage ab, ob eine Fertigbearbeitung von zylindrischen Mantelflächen durch orthogonales Drehfräsen, die bisher toleranzbedingt spanenden Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide vorbehalten blieb, grundsätzlich möglich ist. Desweiteren leiteten sich auch Forschungsfragen zu den genauen Ursachen und der Beeinflussbarkeit dieser prozessbedingten Gestaltabweichungen beim orthogonalen Drehfräsen ab. Ein erstes Ziel dieser Arbeit war die Herleitung und Systematisierung der technologischen Grundlagen des Verfahrens orthogonales Drehfräsen, um den Stirnschneideneingriff, der die finale Mantelfläche erzeugt, mathematisch beschreiben zu können. Abgrenzend zum Stand der Technik wurde ein neuartiges Prozessmodell zur Schlichtbearbeitung zylindrischer Mantelflächen durch orthogonales Drehfräsen ohne Axialvorschub vorgestellt, das eine geometrische Ableitung aller technologischen Parameter auf Basis der Werkstückgeometrie (Mantellinienbreite und Durchmesser) ermöglicht. Das umfasst die Spezifikation der Werkzeuggeometrie und die Bestimmung sämtlicher Einstellgrößen im Prozess. Desweiteren erlaubt dieses Modell eine genaue Bestimmung der Fehlereinflüsse auf die resultierende Zylindrizität der Mantelfläche. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Verifikation des Prozessmodells durch empirische Untersuchungen an Proben mit zylindrischen Mantelflächen mithilfe von Prozesskraftmessungen. Dabei sollte das dynamische Verhalten der Prozesskräfte durch den variierenden Stirnschneideneingriff nachgewiesen werden. Anschließend erfolgte ein empirischer Nachweis zur Verringerung der Prozesskraftdynamik, um steifigkeitsbedingte Fehlereinflüsse durch ungewollte Relativbewegungen zwischen Schneide und Werkstückmantellinie kompensieren zu können. Da sich entlang der Schneidkante beim orthogonalen Drehfräsen differente Verschleißzustände ausbilden, wurde in empirischen Untersuchungen der Schneidkantenverschleiß über den Standweg dokumentiert und ausgewertet. Damit konnten der Verschleißeinfluss des Belastungskollektivs sämtlicher Spanungsparameter in diskreten Abständen entlang der Schneidkante ermittelt und die Ableitung des mechanisch haltbaren Optimums für jeden Schneidenbereich im arbeitsscharfen Zustand ermöglicht werden. Auf Grundlage des entwickelten Prozessmodells zum orthogonalen Drehfräsen wurde auch eine darauf angepasste Prozessstrategie vorgestellt, mit der die Bewegungen für die Zustellung, den Vorschub und den Rückzug des Werkzeuges relativ zur Werkstückmantelfläche definiert wurden. Diese Bewegungen verursachen stets Unstetigkeiten im Prozess, die einen maßgeblichen Einfluss auf den resultierenden Rundheitsfehler an der Werkstückmantelfläche haben. Die Prozessstrategie ermöglichte eine Minimierung steifigkeitsbedingter Fehlereinflüsse auf die Rundheit und damit auf die resultierende Zylindrizität der Werkstückmantelfläche.:1. Einleitung .......................................................................................................... 1 2. Stand der Forschung und Technik .................................................................... 4 2.1. Gestaltabweichungen an zylindrischen Mantelflächen ................................ 8 2.1.1. Rundheit ............................................................................................... 9 2.1.2. Geradheit ............................................................................................ 10 2.1.3. Zylindrizität .......................................................................................... 11 2.2. Technologieentwicklung des orthogonalen Drehfräsens ........................... 12 2.3. Anwendungen............................................................................................ 28 2.4. Stand der Werkzeugentwicklung ............................................................... 36 2.5. Untersuchungen zu Prozesskräften und deren Dynamik ........................... 39 2.6. Untersuchungen zum Einfluss der Exzentrizität auf die Werkstückmantellinie ................................................................................. 44 2.7. Untersuchungen zur Oberflächenstrukturierung ........................................ 47 2.8. Untersuchungen zum Werkzeugverschleiß ............................................... 49 2.9. Schneidkantendefinition und Mikrospanbildung......................................... 52 2.10. Defizite im Stand der Forschung und Technik ........................................... 62 3. Vorgehensweise ............................................................................................. 64 4. Prozessgestaltung .......................................................................................... 69 4.1. Systemgrößen ........................................................................................... 69 4.1.1. Werkstückgeometrie ........................................................................... 69 4.1.2. Geometrisches Prozessmodell ........................................................... 70 4.1.3. Werkzeuggeometrie ............................................................................ 79 4.1.4. Prozesskühlung .................................................................................. 90 4.1.5. Werkzeugmaschine ............................................................................ 91 Inhaltsverzeichnis II 4.2. Einstellgrößen ............................................................................................ 92 4.2.1. Zahnvorschub ..................................................................................... 92 4.2.2. Schnitttiefe .......................................................................................... 94 4.2.3. Exzentrizität ........................................................................................ 95 4.2.4. Schneidenanzahl .............................................................................. 106 4.2.5. Schneidenvorversatz ........................................................................ 109 4.2.6. Werkzeugdrehzahl ............................................................................ 113 4.2.7. Kinematik der Werkzeugzustellbewegung ........................................ 115 4.3. Prozessgrößen ........................................................................................ 123 4.3.1. Spanungsdicke ................................................................................. 124 4.3.2. Spanungsquerschnitt ........................................................................ 128 4.3.3. Prozesskraftverlauf ........................................................................... 129 4.4. Ergebnisgrößen ....................................................................................... 134 4.4.1. Geradheit der Mantellinie .................................................................. 134 4.4.2. Rundheit ........................................................................................... 140 5. Experimentelle Untersuchungen ................................................................... 144 5.1. Festlegung der Systemgrößen ................................................................ 145 5.1.1. Werkzeuggeometrie .......................................................................... 145 5.1.2. Werkstückgeometrie ......................................................................... 148 5.1.3. Werkzeugmaschine und Prozesskühlung ......................................... 149 5.2. Festlegung der Einstellgrößen ................................................................. 151 5.2.1. Zahnvorschub, Schnitttiefe und Exzentrizität .................................... 151 5.2.2. Werkzeugdrehzahl ............................................................................ 152 5.2.3. Werkzeugzustellbewegung ............................................................... 153 5.3. Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen ................................... 155 5.3.1. Analyse des dynamischen Prozesskraftverhaltens ........................... 155 5.3.2. Analyse der Werkstückgeometrieabweichungen .............................. 169 5.3.3. Analyse des Werkzeugverschleißes ................................................. 183 Inhaltsverzeichnis III 6. Fazit .............................................................................................................. 206 7. Zusammenfassung ....................................................................................... 210 8. Ausblick ........................................................................................................ 213 9. Anlagen ......................................................................................................... 9-1 9.1. Ergebnisse der Schneidkantenpräparation ............................................... 9-1 9.2. Ergebnisse zur Prozesskraftdynamik ....................................................... 9-4 9.3. Ergebnisse der Werkstückgeometrieuntersuchungen ............................ 9-24 9.4. Ergebnisse zum Werkzeugverschleißverhalten ...................................... 9-35