Dieser Vortrag beschreibt ein methodisches Vorgehen zur Auslegung von Bauteilen, die von mehreren Eingangsgrößen und mehren Zielgrößen bestimmt sind. Als Praxisbeispiel wird eine dünnwandige Mittnehmerwelle untersucht. Im Automotivbereich besteht auf Grund der Forderungen nach Leichtbau und höherem Leistungsgewicht verstärkt der Wunsch nach einer hohen Auslastung über das ganze Bauteil hinweg. Eine Gewichtsreduktion kann durch Materialeinsparungen an unkritischen Stellen, wie zum Beispiel im Wellenkern einer Zahnwelle, erreicht werden. Die Verwendung von dünnwandigen Rohren als Ausgangsmaterial, aus denen lastangepasste Zahnprofile umformend hergestellt werden, versprechen eine deutliche Steigerung der Drehmomentübertragbarkeit bezogen auf den Materialeinsatz. Dazu wird eine neue Verzahnungsgeometrie entwickelt. Das Profil wird über eine Vielzahl an Parametern definiert, welche die Form und damit die Drehmomentübertragbarkeit beeinflussen. Durch die Verwendung einer bidirektionalen Schnittstelle kann eine Zahn-Geometrie in einem CAD-Programm mit einem FEM-Programm gekoppelt werden. Es zeigt sich, dass sich einige Geometrieparameter bereits durch die Wahl des Ausgangsrohres ergeben oder vorab festgelegt werden können. Mit vorgegebenem Außendurchmesser und Wandstärke des Ausgangsrohres sowie der Zähnezahl verbleiben bei dieser Profilform nur weitere fünf Parameter, welche hinsichtlich der Drehmomentübertragbarkeit zu optimieren sind. Mit Hilfe von numerischen Variantenberechnungen, welche sich nach den Vorgaben eines statistischen Versuchsplanes / Design of Experiments durch Veränderung der Parameter ergeben, kann ein mathematisches Ersatzmodell gebildet werden. Dieses beschreibt die (Wechsel-)Wirkungen der Eingangsgrößen auf die Ausgangsgrößen, wie zum Beispiel der Einfluss des Fußkreisdurchmessers und des Eingriffswinkels auf die dynamische Beanspruchbarkeit. Mit Hilfe von Optimierungsalgorithmen kann ein Optimum der Parameter an Hand des Ersatzmodelles ohne erneute aufwändige FEM-Berechnung gefunden werden.

Projektbeschreibung: Ziel der Forschungsarbeiten ist ein neues Forschungsfeld zur Anwendung von Holz und Holzwerkstoffen im Kranbau zu eröffnen und zu gestalten. Damit sollen die wissenschaftlichen Grundlagen gelegt werden, um Krananlagen und deren Komponenten in Holzbauweise technisch sinnvoll und sicher zu gestalten sowie Krane wirtschaftlich, ökologisch und technisch vorteilhaft im Vergleich zu aktuell bestehenden Bauweisen auszuführen. Das Projekt wird als Machbarkeitsstudie durchgeführt. Die wissenschaftliche und technische Bedeutung des Vorhabens ist durch die Eröffnung eines neuen Forschungsfeldes mit stark technischem, praxisorientiertem Fokus gekennzeichnet. Es resultieren dadurch vielfältige sowohl grundlegende als auch anwendungsbezogene Fragestellung die einer wissenschaftlichen Klärung bedürfen. Krane sind Hightech Anlagen und Schnittstelle vieler technischer Wirkungsketten. Einzelne, konkurrenzfähige Anwendungsfälle mit Pilotstatus haben Strahlkraft innerhalb der Branche und darüber hinaus. In Summe müssen aktuell marktfähige, technische Lösungen und Holzbauweisen entwickelt werden, die bisher nicht existieren. Für den Kranbau und seine Marktakteure bietet sich die Möglichkeit Krane aus natürlichen, ökologischen Faserverbunden einzusetzen und sich damit als innovative, zukunftsorientierte Schlüsselbranche zu präsentieren. Projektergebnisse: Es wurde eine Recherche zu normbasierten Kranarten und möglichen Ausführungen durchgeführt. Bei der Suche nach aktuellen Umsetzungen von Kranen jeglicher Art unter Einbindung von Holzwerkstoffen wurde die Ausführung der Kranbahn sowie einer Kranbrücke aus Vollholzwerkstoff aufgedeckt. Die Kranbrücke wurde aufgrund unzureichender Informationen aus Veröffentlichungen intensiver anhand der Informationen und Abbildungen untersucht, sowie ein bestehendes Gebrauchsmuster analysiert. In der Schnittstellenanalyse wurden relevante Normen für spezifische Anwendungsfälle zusammengetragen. Aus den Ergebnissen der Grundlagen und Recherche wurden die notwendigen Nachweise sowohl aus dem Kran- wie auch aus dem Holzbau verglichen und zusammengeführt. So ergeben sich die notwendige Auslegung auf Lebensdauer, sowie die Auslegung für einfache und dauerhafte Beanspruchungen unter der Belastungsart der Biegung. Für die Kranarten wurden Bewertungskriterien und eine Bewertungsmatrix erstellt, mit deren Ergebnis das Substitutionspotential der Kranarten ermittelt werden konnte. Das höchste Substitutionspotential wiesen Brücken- und Portalkrane auf, sodass mit diesen detailliertere Berechnungen und Auslegungen durchgeführt wurden. Durch das Aufstellen von Aspektverhältnissen (Höhe-Breitenverhältnis bei gleicher Spannweite und Durchbiegung) konnten sowohl der notwendige Bauraum, wie auch das Gewicht der einzelnen Variationen theoretisch ermittelt und untereinander verglichen werden. Auf Grundlage der erarbeiteten Erkenntnisse wurde ein Pflichtenheft erarbeitet. Auf dessen Basis wurde eine vorteilhafte Bauweise auf der Grundlage eines Kastenprofils erarbeitet. Dieses vereint den Leichtbau bei geringer Durchbiegung. Der monetäre Vergleich zeigt, dass Holz- und Metallbauweise etwa auf dem gleichen Niveau liegen. Eine Ausführung von Kranen in Holzbauweise wäre somit aus Sicht der Belastung des Gewichtes und aus finanziellen Aspekten vielversprechend.:Projektdaten/ Projekt data Projektbeschreibung Projektergebnisse Project objective Project results Inhaltsverzeichnis 1 Kurzbericht 1.1 Aufgabenstellung 1.2 Planung und Ablauf des Vorhabens 1.3 Resümee der wesentlichen Ergebnisse 1.3.1 Arbeitspakete und Meilensteine 1.3.2 Zusammenfassung 1.3.3 Ausblick 2 Ausführliche Darstellung der Ergebnisse 2.1 Erzielte Ergebnisse 2.1.1 Arbeitspaket 1: Grundlagen 2.1.2 Arbeitspaket 1.1: Recherche 2.1.2.1 Brückenkran 2.1.2.2 Portalkran 2.1.2.3 Kabelkrane 2.1.2.4 Drehkran 2.1.2.5 Fahrzeugkran 2.1.2.6 Stand der Technik 2.1.3 Abgrenzung zur aktuellen Lösung in Holzbauweise, kritische Würdigung 2.1.4 Arbeitspaket 1.2: Schnittstellenanalyse 2.1.5 Arbeitspaket 1.3: Bewertungskriterien 2.1.6 Arbeitspaket 1.4: Konstruktive Analyse 2.1.7 Arbeitspaket 1.5: Substitutionspotentialanalyse 2.1.8 Arbeitspaket 1.6: Wesentliche Offene Fragen für das Forschungsfeld (Auswahl) 2.1.9 Meilenstein I: Pflichtenheft 2.1.10 Arbeitspaket 2: Synthese 2.1.11 Arbeitspaket 2.1: Berechnung 2.1.11.1 Normkonformität 2.1.11.2 CE-Konformität 2.1.11.3 Evaluation einer holzspezifischen Leichtbauausführung 2.1.12 Arbeitspaket 2.2: Material 2.1.12.1 Materialkennwerte 2.1.12.2 Versagensmechanismen 2.1.13 Arbeitspaket 2.3: Target Costing (Variantenvergleich) 2.1.13.1 Konstruktionsvarianten 2.1.13.2 Untersuchung vorteilhafter Profilbauweisen 2.1.14 Baukastensystem 2.1.15 Projektergebnisse bezogen auf die Kernfragen der Machbarkeitsstudie 2.1.16 Frage 1: Wie ist Holz grundsätzlich technisch und wirtschaftlich vorteilhaft im Kranbau einsetzbar? 2.1.17 Frage 2: Welche Kranarten sind prinzipiell realisierbar? 2.1.18 Frage 3: Welche konkreten Schritte sind für die Umsetzung der Holzbauweisen nötig? 2.2 Erfindungen/Schutzrechtsanmeldungen 2.3 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende 2.4 Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende 2.5 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit 3 Erkenntnisse von Dritten 4 Veröffentlichungen 5 Quellen / Project objective: The aim of the research work is to open up and design a new research field for the use of wood and wood-based materials in crane construction. This is intended to lay the scientific foundations for designing crane systems and their components in timber construction in a technically sensible and safe manner, for making cranes economical, ecological and technically advantageous in comparison to current construction methods. The project is carried out as a feasibility study. The scientific and technical importance of the project is characterized by the opening of a new research field with a strong technical, practice oriented focus. This results in a variety of both fundamental and application related questions that require scientific clarification. Cranes are high-tech systems and interfaces to many technical functional chains. Individual, competitive use cases with pilot status have an impact within the industry and beyond. All in all, currently marketable, technical solutions and timber construction methods have to be developed which do not exist so far. Crane construction and its market players have the opportunity to use cranes made from natural, ecological fiber composites and thus present themselves as an innovative, future-oriented key industry. Project results: Research was carried out on standard based crane types and possible designs. In search for current implementations of cranes of all kinds using wood materials, the design of the crane runway and a crane bridge made of solid wood material was discovered. Because of insufficient information from publications, the crane bridge was examined more intensively using the information and illustrations and an existing utility model was analyzed. Relevant standards for specific applications were compiled in the interface analysis. From the results of the fundamentals and research, the necessary proofs from both the crane and the wood construction were compared and brought together. This results in the necessary design for service life, as well as the design for simple and permanent stresses under the type of stress caused by bending. Evaluation criteria and an evaluation matrix were created for the crane types, with the result of which the substitution potential of the crane types could be determined. Bridge and gantry cranes had the highest substitution potential, so more intensive calculations and designs were carried out with them. By setting up aspect ratios (height-width ratio with the same span and deflection), both the necessary installation space and the weight of the individual variations could be determined theoretically and compared with each other. On the basis of the knowledge gained, a specification was drawn up. According to this, an advantageous construction based on a box profile was developed. This combines lightweight construction with low deflection. A monetary comparison shows that the bridge made of wood-based materials is roughly on the same level as the steel bridge. A design of cranes in timber construction would therefore be promising from the point of view of the weight load and from financial aspects.:Projektdaten/ Projekt data Projektbeschreibung Projektergebnisse Project objective Project results Inhaltsverzeichnis 1 Kurzbericht 1.1 Aufgabenstellung 1.2 Planung und Ablauf des Vorhabens 1.3 Resümee der wesentlichen Ergebnisse 1.3.1 Arbeitspakete und Meilensteine 1.3.2 Zusammenfassung 1.3.3 Ausblick 2 Ausführliche Darstellung der Ergebnisse 2.1 Erzielte Ergebnisse 2.1.1 Arbeitspaket 1: Grundlagen 2.1.2 Arbeitspaket 1.1: Recherche 2.1.2.1 Brückenkran 2.1.2.2 Portalkran 2.1.2.3 Kabelkrane 2.1.2.4 Drehkran 2.1.2.5 Fahrzeugkran 2.1.2.6 Stand der Technik 2.1.3 Abgrenzung zur aktuellen Lösung in Holzbauweise, kritische Würdigung 2.1.4 Arbeitspaket 1.2: Schnittstellenanalyse 2.1.5 Arbeitspaket 1.3: Bewertungskriterien 2.1.6 Arbeitspaket 1.4: Konstruktive Analyse 2.1.7 Arbeitspaket 1.5: Substitutionspotentialanalyse 2.1.8 Arbeitspaket 1.6: Wesentliche Offene Fragen für das Forschungsfeld (Auswahl) 2.1.9 Meilenstein I: Pflichtenheft 2.1.10 Arbeitspaket 2: Synthese 2.1.11 Arbeitspaket 2.1: Berechnung 2.1.11.1 Normkonformität 2.1.11.2 CE-Konformität 2.1.11.3 Evaluation einer holzspezifischen Leichtbauausführung 2.1.12 Arbeitspaket 2.2: Material 2.1.12.1 Materialkennwerte 2.1.12.2 Versagensmechanismen 2.1.13 Arbeitspaket 2.3: Target Costing (Variantenvergleich) 2.1.13.1 Konstruktionsvarianten 2.1.13.2 Untersuchung vorteilhafter Profilbauweisen 2.1.14 Baukastensystem 2.1.15 Projektergebnisse bezogen auf die Kernfragen der Machbarkeitsstudie 2.1.16 Frage 1: Wie ist Holz grundsätzlich technisch und wirtschaftlich vorteilhaft im Kranbau einsetzbar? 2.1.17 Frage 2: Welche Kranarten sind prinzipiell realisierbar? 2.1.18 Frage 3: Welche konkreten Schritte sind für die Umsetzung der Holzbauweisen nötig? 2.2 Erfindungen/Schutzrechtsanmeldungen 2.3 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende 2.4 Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende 2.5 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit 3 Erkenntnisse von Dritten 4 Veröffentlichungen 5 Quellen

In der vorliegenden Arbeit wird ein spanloses und umformendes Verfahren zur Erzeugung von Durchgangslöchern mit einer lokalen Dichteerhöhung untersucht. Der Ansatz beruht auf dem Fließlochformen aus der Metalltechnik. Im Bereich der Holztechnik findet dieser Ansatz noch keine Anwendung. Im Umfang der Arbeit werden für den Prozess relevante Grundlagen erläutert sowie die Prozesseinflussfaktoren für das Verfahren aufgedeckt und angepasst. Es werden Berechnungsansätze u. a. für die Abschätzung der auftretenden Axialkraft und der vom Dorn wirkenden Kräfte auf den Werkstoff aufgestellt. Es erfolgen Untersuchungen in statischen Versuchen ohne rotierenden Dorn und dynamische Versuche mit rotierendem Dorn. Untersuchte Einflüsse sind z. B. die Axialkraft, der Spitzenwinkel, die Rauheit, der Dorndurchmesser, der Einfluss des verdrängten Volumens, die Temperatur, die Dorndrehzahl und die Prozesszeit. Die aufgedeckten Einflüsse werden sukzessiv nacheinander untersucht und positive Einflussgrößen für die nachfolgenden Untersuchungen übernommen. Ebenso werden ausgewählte Auswirkungen in der praktischen Anwendung aufgezeigt.:Bibliografische Beschreibung 3 Kurzzeichenverzeichnis 9 Anmerkungen zur Arbeit 15 1 Einführung 17 1.1 Einleitung 17 1.2 Ausgangssituation 18 1.3 Zielstellung 20 1.4 Lösungsweg 21 1.5 Abgrenzung der Arbeit 21 2 Holztechnologische Grundlagen 23 2.1 Aufbau und Anatomie 23 2.1.1 Makroskopischer Aufbau 23 2.1.2 Mikroskopischer Aufbau 25 2.1.3 Chemischer Aufbau 27 2.2 Technische Begrifflichkeiten 28 2.2.1 Anisotropie und Inhomogenität 28 2.2.2 Feuchte- und Wassergehalt 29 2.2.3 Quellen und Schwinden 30 2.2.4 Spaltfestigkeit 30 2.2.5 Nagelfestigkeit 31 2.2.6 Lochleibungsfestigkeit von Nagelverbindungen 31 2.2.7 Platten und Scheibenbeanspruchung 32 2.2.8 Druckfestigkeit und Verdichtung 33 2.2.9 Faser-Last-Winkel 33 2.2.10 Dichte 35 2.2.11 Holzhärte 37 2.2.12 Thermische Eigenschaften 41 2.2.13 Rheologische Eigenschaften 43 2.3 Furnierwerkstoffe 45 3 Stand der Technik 51 3.1 WVC in technischen Anwendungen 51 3.2 Verbindungen in der Holztechnik als WVC-Anwendung 52 3.3 Umformende Prozesse bei Holzwerkstoffen 56 3.4 Bohren bei Holzwerkstoffen 58 3.5 Fließlochformen 60 3.5.1 Fließlochformwerkzeug 60 3.5.2 Prozess des Thermofließlochformens 62 3.5.3 Wärmeübergang und Materialverhalten 64 3.5.4 Thermomechanisches Ausformfügen 65 4 Auswertungsmethodik und statistische Betrachtung 67 5 Fließlochformen in Holzwerkstoffe 71 5.1 Verfahrensansatz 71 5.2 Plattenmodelle 72 5.3 Dornmodell 78 5.4 Rechnerisches Modell 87 5.5 Dorndurchmesser 91 5.6 Vorbohrung 91 5.7 Dornzieldrehzahl 91 5.8 Einflussfaktoren auf den Fließlochformprozess 92 5.8.1 Werkzeug 93 5.8.2 Temperatur 93 5.8.3 Feuchtigkeit 94 5.8.4 Verdrängtes Volumen 95 5.8.5 Werkstoff 95 6 Versuchswerkstoff 97 6.1 Furnierwerkstoff 97 6.2 Dimension 98 6.3 Konditionierung 98 6.4 Feuchtegehalt 99 6.5 Rohdichte 100 7 Druckversuche 101 7.1 Vorbetrachtung 101 7.2 Durchführung 102 7.3 Ergebnisse 103 8 Statische Versuche 105 8.1 Vorbetrachtung 105 8.2 Durchführung 108 8.3 Auswertung 110 8.3.1 Spitzenwinkel 110 8.3.2 Rauheit 113 8.3.3 Durchmesser 113 8.3.4 Verdrängtes Volumen 114 8.3.5 Temperatur 116 8.3.6 Lochrückformung 118 8.3.7 Dichtebestimmung der Messreihen 119 8.3.8 Gewichtsdifferenz 120 8.3.9 Beidseitiges Eindringen 120 8.4 Mikroskopische Analyse 122 8.5 Modell und Versuch 124 8.6 Fazit 126 9 Dynamische Versuche 127 9.1 Ablauf 127 9.2 Vorversuche 127 9.3 Fließlochformautomat 129 9.4 Werkzeuge 131 9.5 Auswertung 132 9.5.1 Drehzahl 132 9.5.2 Axialkraft 133 9.5.3 Hubzahl 136 9.5.4 Prozesszeit 136 9.5.5 Abstand 137 9.5.6 Werkstoffeinfluss 139 9.5.7 Lochrückformung 141 9.5.8 Dichte 142 9.5.9 Gewichtsdifferenz 142 9.5.10 Maßhaltigkeitsuntersuchung 142 9.6 Mikroskopische Analyse 144 9.7 Modell und Versuch 147 10 Auswirkung auf die Praxis 149 10.1 Vorspannkraftabfall 149 10.2 Muffenauszugskraft 153 10.3 Fließlochformen in der Praxis 154 11 Fazit 157 12 Ausblick 161 13 Quellenverzeichnis 163 14 Abbildungsverzeichnis 169 15 Tabellenverzeichnis 175 Anlagen 177 / In the present work, a non-cutting and forming process for the production of through holes with a local density increase is investigated. The approach is based on flow drill technology from metal technology. This approach is not yet applied in the field of wood technology. In the scope of the work, fundamentals relevant to the process are explained, and process influencing factors for the process are uncovered and adjusted. Calculation approaches are used, e. g. for estimating the occurring axial force and the forces acting on the material from the mandrel. Static tests without rotating mandrel and dynamic tests with rotating mandrel are carried out. Influences investigated include axial force, point angle, roughness, mandrel diameter, influence of displaced volume, temperature, mandrel speed and process time. The revealed influences are successively investigated one by one and positive influence variables are adopted for the subsequent investigations. Likewise, selected effects in practical application are shown.:Bibliografische Beschreibung 3 Kurzzeichenverzeichnis 9 Anmerkungen zur Arbeit 15 1 Einführung 17 1.1 Einleitung 17 1.2 Ausgangssituation 18 1.3 Zielstellung 20 1.4 Lösungsweg 21 1.5 Abgrenzung der Arbeit 21 2 Holztechnologische Grundlagen 23 2.1 Aufbau und Anatomie 23 2.1.1 Makroskopischer Aufbau 23 2.1.2 Mikroskopischer Aufbau 25 2.1.3 Chemischer Aufbau 27 2.2 Technische Begrifflichkeiten 28 2.2.1 Anisotropie und Inhomogenität 28 2.2.2 Feuchte- und Wassergehalt 29 2.2.3 Quellen und Schwinden 30 2.2.4 Spaltfestigkeit 30 2.2.5 Nagelfestigkeit 31 2.2.6 Lochleibungsfestigkeit von Nagelverbindungen 31 2.2.7 Platten und Scheibenbeanspruchung 32 2.2.8 Druckfestigkeit und Verdichtung 33 2.2.9 Faser-Last-Winkel 33 2.2.10 Dichte 35 2.2.11 Holzhärte 37 2.2.12 Thermische Eigenschaften 41 2.2.13 Rheologische Eigenschaften 43 2.3 Furnierwerkstoffe 45 3 Stand der Technik 51 3.1 WVC in technischen Anwendungen 51 3.2 Verbindungen in der Holztechnik als WVC-Anwendung 52 3.3 Umformende Prozesse bei Holzwerkstoffen 56 3.4 Bohren bei Holzwerkstoffen 58 3.5 Fließlochformen 60 3.5.1 Fließlochformwerkzeug 60 3.5.2 Prozess des Thermofließlochformens 62 3.5.3 Wärmeübergang und Materialverhalten 64 3.5.4 Thermomechanisches Ausformfügen 65 4 Auswertungsmethodik und statistische Betrachtung 67 5 Fließlochformen in Holzwerkstoffe 71 5.1 Verfahrensansatz 71 5.2 Plattenmodelle 72 5.3 Dornmodell 78 5.4 Rechnerisches Modell 87 5.5 Dorndurchmesser 91 5.6 Vorbohrung 91 5.7 Dornzieldrehzahl 91 5.8 Einflussfaktoren auf den Fließlochformprozess 92 5.8.1 Werkzeug 93 5.8.2 Temperatur 93 5.8.3 Feuchtigkeit 94 5.8.4 Verdrängtes Volumen 95 5.8.5 Werkstoff 95 6 Versuchswerkstoff 97 6.1 Furnierwerkstoff 97 6.2 Dimension 98 6.3 Konditionierung 98 6.4 Feuchtegehalt 99 6.5 Rohdichte 100 7 Druckversuche 101 7.1 Vorbetrachtung 101 7.2 Durchführung 102 7.3 Ergebnisse 103 8 Statische Versuche 105 8.1 Vorbetrachtung 105 8.2 Durchführung 108 8.3 Auswertung 110 8.3.1 Spitzenwinkel 110 8.3.2 Rauheit 113 8.3.3 Durchmesser 113 8.3.4 Verdrängtes Volumen 114 8.3.5 Temperatur 116 8.3.6 Lochrückformung 118 8.3.7 Dichtebestimmung der Messreihen 119 8.3.8 Gewichtsdifferenz 120 8.3.9 Beidseitiges Eindringen 120 8.4 Mikroskopische Analyse 122 8.5 Modell und Versuch 124 8.6 Fazit 126 9 Dynamische Versuche 127 9.1 Ablauf 127 9.2 Vorversuche 127 9.3 Fließlochformautomat 129 9.4 Werkzeuge 131 9.5 Auswertung 132 9.5.1 Drehzahl 132 9.5.2 Axialkraft 133 9.5.3 Hubzahl 136 9.5.4 Prozesszeit 136 9.5.5 Abstand 137 9.5.6 Werkstoffeinfluss 139 9.5.7 Lochrückformung 141 9.5.8 Dichte 142 9.5.9 Gewichtsdifferenz 142 9.5.10 Maßhaltigkeitsuntersuchung 142 9.6 Mikroskopische Analyse 144 9.7 Modell und Versuch 147 10 Auswirkung auf die Praxis 149 10.1 Vorspannkraftabfall 149 10.2 Muffenauszugskraft 153 10.3 Fließlochformen in der Praxis 154 11 Fazit 157 12 Ausblick 161 13 Quellenverzeichnis 163 14 Abbildungsverzeichnis 169 15 Tabellenverzeichnis 175 Anlagen 177

Currently the system development of aircraft engineering concentrates its focus on the reduction of energy consumption more than ever before. As a consequence, the efficiency of subsystems inside the aircraft is highlighted. According to previous investigations the simplification/unification of conventional multifaceted board energy systems by means of electric power management is the most promising way concerning aircraft global efficiency improvement. The main aim of the present work was to optimize a multi-device, heavy duty EHA-System by introducing of a comprehensive perspective. In order to achieve the final, non-plus-ultra improvement level, the attributes of architecture, hardware and operation method were combined in an interactive manner, whereas particular attention has been paid to the mutual enhancing influences. The maximum reduction of losses, the minimizing of consumption and weight optimization can be achieved concurrently when the physical coherences between the involved subsystems are understood and their hidden potentials are exploited. This can only be achieved in one way and the detail follows: The most effective way to reduce both manufacturing effort and weight is to introduce a multiple-allocation philosophy. The highest reliability possible can be achieved by novel cascade-nested system architecture and strict restraining of the control logic. By employing an ultra-low-loss hardware concept, the energy efficiency can be maximized at a necessary minimum own weight. Last but not least, possibly the most important cognition is that an intelligent operation method will improve the actual system and influence the entire system positively and with a lower effort. The final conclusion is that the only and reasonable way to achieve an ultimate optimized solution of an actuation system is an all-encompassing consideration. Eventually it was to recognize that the final result is nothing but ultimate lightweight architecture, i.e. a non-plus-ultra solution. / Gegenwärtig konzentriert sich die Technologieentwicklung für Flugzeuge auf die Reduktion des Energieverbrauchs mehr denn je zuvor. Hierfür ist die Effizienz der an Bord befindlichen, nicht propulsiven Subsysteme neben der Wirkungsgradverbesserung der Triebwerke von zentraler Bedeutung. Laut vorangegangenen Untersuchungen und Studien ist die Vereinfachung bzw. Vereinheitlichung der Vielfalt der konventionellen Bordenergiesysteme durch ein adäquates Energiemanagement unter Verwendung von Elektrizität der aussichtsreichte Weg zur Effizienzverbesserung auf der Gesamtflugzeugebene. Durch die Elektrifizierung wurden die einzelnen Geräte zwar zuverlässiger und energieeffizienter als je zuvor aber gleichzeitig erheblich schwerer, sodaß ein signifikanter Verlust an Nutzlasten auf Gesamtflugzeugebene hervorgerufen wird. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Schwerlast-EHA-System mit mehrfachen Betätigungseinheiten durch Einführung von umfassenden Perspektiven zu optimieren. Durch Einführung der sog. ganzheitlichen Leichtbauweise demonstriert die Arbeit, wie das Subsystem mit mehreren Endgeräten ultimativ optimiert werden kann, ohne Abstriche an Gewichtsbilanz u/o Kompromiß mit der Energieeffizienz zu machen. Um eine wahrhaftige Optimierung, d.h. die Erreichung des ultimativen, Nonplusultra-Verbesserungslevels zu erreichen, wurden die Systemarchitektur, die Hardware und die Operationsmethode interaktiv kombiniert, wobei die besondere Aufmerksamkeit auf die interaktiven, zur Verbesserung führenden Einflüsse gelegt wurde. Die Minimierung des Energieverbrauchs und die ultimative Gewichtsoptimierung gleichzeitig können erreicht werden, wenn die physikalischen Zusammenhänge zwischen den involvierten Subsystemen verstanden und ihre verborgenen Potentiale ausgenutzt werden. Der einzige und vernünftige Weg zur Erreichung der ultimativen Optimierung eines Betätigungssystems ist eine allumfassende Betrachtung, also eine ganzheitliche Betrachtungs- bzw. Vorgehensweise.

Die Anforderungen, in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus immer mehr Leichtbaumaßnahmen zu realisieren, steigen ständig weiter an. Die Umsetzung von Leichtbaukonzepten wird durch den Einsatz neu entwickelter Werkstoffe und Werkstoffsubstitution realisiert. Es steht fest, dass die herkömmlichen Technologien eine weitere Steigerung der Leichtbaupotentiale nicht mehr gewährleisten können. In der vorliegenden Arbeit wurden neue innovative Fertigungstechnologien zur Herstellung von hohlen, MMC und damit massereduzierten Bauteilen entwickelt, die in der Kraftfahrzeugtechnik, Wärmetechnik und Medizin sowie im Maschinenbau Anwendung finden können. Die neuen Gießverfahren beinhalten Fertigungsmethoden auf der Basis des bekannten Niederdruckgießens durch gesteuerte Formfüllung und definierte Abkühlungsbedingungen.

dreimal im Jahr erscheinende Zeitschrift über aktuelle Themen der TU Chemnitz

Ce travail de recherche propose le développement et la validation d’une méthode de prédiction in-situ et temps réel de la durée de vie utile restante des engrenages de boîtes de vitesses automobiles de série. Cette méthode est destinée à être implantée dans des unités de commande électronique standards. En s’attachant tout particulièrement à proposer une solution simple, fiable, rentable et facilement transposable pour tout type de configuration, le système se base sur la combinaison d’une méthode d’acquisition des couples agissants sur la boîte de vitesses et d’une estimation continue des niveaux d’endommagement des engrenages. Un état de l’art et les fondamentaux théoriques d’une estimation de l’endommagement par une approche de contrainte nominale et une accumulation linéaire des endommagements partiels sont abordés dans un premier temps. La structure globale de l’algorithme de calcul de l’endommagement est ensuite étudiée et l’approche méthodologique adoptée pour sa mise au point expliquée. Cette dernière repose en grande partie sur un modèle complet de véhicule valide par des essais sur route et des mesures, où une attention toute particulière est portée à la représentation des changements de rapport et de la dynamique de la boîte de vitesses. Deux types de boite de vitesses sont alors considérées, une boite manuelle standard et une boite à double embrayage, et une spécification technique pour la configuration de l’algorithme ainsi qu’une analyse des besoins pour la méthode d’acquisition des couples sont formulées. En se basant sur ces études, un observateur d’état capable de reconstruire le couple agissant sur les disques d’embrayage ainsi que le couple en sortie de boite est développé et valide. Finalement, une synthèse de la méthode complète et de l’algorithme final est adressée, et les avantages économiques et écologiques liés à l’introduction de cette méthode pour des mesures de conception légère des boîtes de vitesses automobiles sont abordés et évalués. / This research work proposes the development and the validation of an online and real-time method to predict the remaining service life of the gearwheels of automotive transmissions, with the aim of implementing it on standard control units of series-production vehicles. By focusing on the proposition of a simple, reliable and easy-to-implement solution, the system relies on the combination of an acquisition method of the torques acting in the transmission and a continuous estimation of the damage levels of the gearwheels. Firstly, a state of the art and the theoretical basics are presented concerning a damage estimation based on a nominal stress concept and a linear damage accumulation. The global structure of the damage estimation algorithm is then analyzed and the methodological approach adopted for its development is explained. This is based in principal on a drivetrain model, validated with tests and measurements, where a particular attention is paid to the representation of the gear shifts and the transmission dynamics. Two types of transmissions are considered, namely a standard manual transmission and a dual clutch transmission mounted in series-production cars. Respectively a requirement analysis for the configuration of the algorithm as well as a requirement specification for the torque acquisition method are performed. On this basis, a state observer is developed and validated, which is able to reconstruct the clutch torque and the transmission output torque. Finally, a synthesis of the complete method and the final version of the algorithm are addressed, and the economic and ecological advantages of the introduction of the method in the context of lightweight design measures are discussed and evaluated. / Kurzfassung Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung einer Online- und Echtzeit-Methode zur Vorhersage der restlichen Lebensdauer von den Zahnradern eines Kraftfahrzeuggetriebes. Diese Methode ist fur eine Implementierung auf Standard-Steuergeraten vorgesehen. Durch die Fokussierung auf eine einfache, zuverlassige und leicht zu implementierende Losung beruht die Methode auf der Kombination aus einer Drehmomenterfassungsmethode und einer kontinuierlichen Vorhersage des Schadigungsniveaus der Zahnrader. Zuerst werden der Stand der Technik und die theoretischen Grundlagen von Schadigungsberechnungen basierend auf dem Nennspannungskonzept und einer linearen Schadensakkumulation dargestellt. Danach wird die globale Struktur des Schadigungsberechnungsalgorithmus gezeigt und die fur die Entwicklung ausgewahlte methodische Vorgehensweise erlautert. Diese bezieht sich grundsatzlich auf ein durch Testfahrten und Messungen verifiziertes Antriebsstrangmodell, welches besonders die Schaltungen und die Dynamik des Getriebes berucksichtigt. Ein Serien-Handschaltgetriebe und ein Serien-Doppelkupplungsgetriebe werden betrachtet. Fur diese zwei Getriebetypen werden eine Anforderungsanalyse zur Konfiguration des Algorithmus sowie eine Anforderungsspezifikation fur die Drehmomenterfassungsmethode durchgefuhrt. Auf Basis dieser Untersuchungen wird dann ein Zustandsbeobachter zur Rekonstruktion des Kupplungs- und Getriebeausgangsdrehmoments entwickelt und validiert. Infolgedessen werden eine Synthese der kompletten Methode und die Endversion des Algorithmus vorgestellt. Abschliesend werden die Wirtschaftlichkeit sowie die okologischen Vorteile in Bezug auf die Einfuhrung der Lebensdauermonitoringmethode im Rahmen von Leichtbaumasnahmen diskutiert und bewertet.

Steigende Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Triebwerken lassen sich durch den Einsatz von Metall-Faserverbund-Bauweisen erfüllen. Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) mit ihren herausragenden und einstellbaren mechanischen Eigenschaften bieten das Potential, die Masse strukturell hochbelasteter Komponenten zu reduzieren. Durch die richtungsabhängigen Eigenschaften kann der FKV zielgerichtet für die Anwendung angepasst werden. Die Vielzahl der einstellbaren Parameter in Kombination mit der Entwicklung von komplexen Triebwerkstrukturen führt zu einem interaktiven und interagierenden Entwicklungsprozess. Im Rahmen dieses Beitrages wird ein Ansatz zur kombiniert virtuell-reellen Entwicklung eines Triebwerk-Subsystems am Beispiel des Zwischengehäuses vorgestellt. Ein systematischer Prozess in Kombination mit virtuellen Methoden ermöglicht die effiziente Erarbeitung und modellhafte Abbildung des Gesamtsystems, bestehend aus relevanten Triebwerkselementen (System), dem darin integrierten Zwischengehäuse (Subsystem) und lastübertragenden Faserverbund-Leitschaufeln (Komponente). Durch Detaillierung im Entwicklungsprozess steigt kontinuierlich die Aussagegenauigkeit, wobei gleichzeitig auch der Aufwand erheblich zunimmt. Ein experimenteller Funktions- und Festigkeitsnachweis der Leitschaufel kann zur Reduktion des Entwicklungsrisikos beitragen. Die dafür benötigten Funktionsmuster lassen sich in einem kombinierten Verfahren, bestehend aus Additiver Fertigung und Resin Transfer Moulding, herstellen, wobei der 3D-Druck die Anpassung der realen Funktionsmuster an die Geometrie- und Werkstoffmodifikationen im Rahmen der virtuellen Entwicklung ermöglicht.

dreimal im Jahr erscheinende Zeitschrift über aktuelle Themen der TU Chemnitz

Die Anforderungen, in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus immer mehr Leichtbaumaßnahmen zu realisieren, steigen ständig weiter an. Die Umsetzung von Leichtbaukonzepten wird durch den Einsatz neu entwickelter Werkstoffe und Werkstoffsubstitution realisiert. Es steht fest, dass die herkömmlichen Technologien eine weitere Steigerung der Leichtbaupotentiale nicht mehr gewährleisten können. In der vorliegenden Arbeit wurden neue innovative Fertigungstechnologien zur Herstellung von hohlen, MMC und damit massereduzierten Bauteilen entwickelt, die in der Kraftfahrzeugtechnik, Wärmetechnik und Medizin sowie im Maschinenbau Anwendung finden können. Die neuen Gießverfahren beinhalten Fertigungsmethoden auf der Basis des bekannten Niederdruckgießens durch gesteuerte Formfüllung und definierte Abkühlungsbedingungen.