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Einseitig transtibiale Amputationen führen häufig zu frühzeitigen degenerativen Erkrankungen wie Arthrose im nicht betroffenen Bein. Die genauen Prozesse, welche zu dieser Erkrankung führen, sind aktuell nicht ausreichend geklärt. Ziel dieser Literaturarbeit war es, ausgewählte biomechanische Parameter auf deren langfristige Auswirkungen auf das Knie- und Hüftgelenk der nicht betroffenen unteren Extremität zu untersuchen. Um die biomechanischen Arthroserisiken zu erfassen, wurden die beiden Maxima der vertikalen Bodenreaktionskraft sowie die externen maximalen Gelenksmomente in der Sagittal- und Frontalebene untersucht. Bestandteil dieser Untersuchung war sowohl der Vergleich dieser Parameter zwischen der nicht betroffenen Extremität der Amputierten mit einer gesunden Kontrollgruppe als auch der Vergleich zwischen der betroffenen und nicht betroffenen Extremität der einseitig amputierten Probanden. Es wurde eine systematische Literatursuche unter Verwendung der Datenbank PubMed durchgeführt, welche ein Suchergebnis von 288 Studien umfasste. Im Rahmen der Arbeit wurden ausschließlich Studien eingeschlossen, die einseitig transtibial amputierte Probanden im ebenerdigen Gehen mit einer passiven Prothese und mit einer selbstgewählten oder einer Gehgeschwindigkeit im Bereich von 0,70-1,40 m/s untersuchten. Ausgeschlossen wurden unter anderem Studien, welche die Nutzung von in den Knochen eingebrachten Prothesen und das Gehen mit zusätzlichem Gewicht untersuchten. Unter Berücksichtigung der zuvor definierten Ein- und Ausschlusskriterien erfolgte die Untersuchung der Fragestellungen anhand von 24 Studien. Die nicht betroffene Extremität der amputierten Probanden wies bis zu 19 % höhere vertikale Bodenreaktionskräfte auf als die Kontrollgruppe. Es wurden ebenfalls erhöhte maximale Adduktionsmomente an dem Knie- und Hüftgelenk der einseitig transtibial Amputierten im Vergleich zu der Kontrollgruppe festgestellt. Der Vergleich der beiden unteren Gliedmaßen der einseitig transtibial Amputierten ergab reduzierte Maxima der vertikalen Bodenreaktionskraft, reduzierte maximale Knieflexions- und Knieadduktionsmomente sowie reduzierte maximale Hüftadduktionsmomente der betroffenen Extremität verglichen zu der nicht betroffenen Seite. Die Ergebnisse dieser Literaturarbeit stimmten weitestgehend mit den Untersuchungsergebnissen weiterer Autoren überein. Die vermutlichen Risikofaktoren für das Auftreten von Arthrose in der allgemeinen Bevölkerung sowie in der untersuchten Population sind das externe maximale Knieadduktionsmoment in Kombination mit asymmetrischen Belastungen der unteren Extremitäten. Speziell für die einseitig transtibial Amputierten könnten Ursachen wie Muskelschwächen, mangelndes Vertrauen in die Prothese und Schmerzen Einfluss auf die Asymmetrie haben. Zukünftig kann eine Verbesserung des Gangbildes und der Symmetrie der Belastungen mit Hilfe von angetrieben Prothesen, welche durch eine aktive Abstoßbewegung der betroffenen Extremität ein physiologischeres Gangbild erzeugen können, erreicht werden. Darüber hinaus eignet sich die Betrachtung von Studien der einseitig transfemoral amputierten Population, um weitere Einblicke in die Kompensationsstrategien und ihre Auswirkungen bei einseitig amputierten Menschen zu erhalten.
In dieser Arbeit wird eine numerische Strömungssimulation an einem Doppeldiffusor des Formula Student Rennwagens der Hochschule Offenburg durchgeführt. Das primäre Ziel der Arbeit ist die Ermittlung des Abtriebswertes des Doppeldiffusors. Weitere Aufgaben sind die Darstellung der Luftströmung und die Ermittlung der Einflussfaktoren auf den Doppeldiffusor.
Der allgegenwärtige Einsatz von numerischen Strömungssimulationen, wie sie in der Industrie oder der Luft- und Raumfahrt vorkommen, führt zu einem deutlichen Anstieg der benötigten Möglichkeiten und erhöhten Ansprüche an die Programme. Dadurch können mittlerweile auch komplexe Szenarien zuverlässig simuliert werden, was durch die stetige Steigerung der Rechenleistung weiter an Bedeutung gewinnt. Da auch das Verhalten von nicht newtonschen Fluiden immer präziser über speziell erstellte rheologische Modelle vorhergesagt werden kann, gilt es nun zu prüfen, ob und wie gut diese Modelle in einer Simulation umgesetzt werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Simulation anhand eines konkreten Anwendungsfalles erstellt. Dabei wird das Viskositätsverhalten von drei scherverdünnenden Fluiden in einer Rohrleitung mit Querschnittreduzierung untersucht und dabei die Vorgehensweise geschildert. So wird unter anderem gezeigt, wie die Geometrie und deren Vernetzung durchzuführen ist und erklärt, welche Einstellungen für das gewünschte Strömungsverhalten erforderlich sind. Für die Beschreibung der Fluide werden dabei sowohl programmeigene Modelle als auch erweiterte Modelle verwendet, die in der Software implementiert werden müssen.
Bei dem Vergleich der Ergebnisse werden letztlich die Druckverluste, die in der Geometrie entstehen und verschiedene Schubspannungsverläufe mit den Messwerten aus der Literatur verglichen.
Mit der beim Fraunhofer IPM erforschten Digitalen Holographie können sekundenschnelle und sub-mikrometergenaue Höhenvermessungen von Oberflächen durchgeführt werden. Der am Institut verfügbare Sensor HoloTop NX ist dabei so kompakt und leicht, dass dieser über Koordinatenmessgeräte oder Werkzeugwechsler von Werkzeugmaschinen eingesetzt werden kann. Um auch Hinterschneidungen und große Innenzylinder vermessen zu können, wird im Rahmen dieser Arbeit eine selbstreferenzierende Umlenkeinheit zur Anpassung der Messrichtung des Sensors entwickelt und integriert. Die Umlenkeinheit setzt sich aus vielen funktionellen Bestandteilen zusammen, bei denen es sich um Spiegel, Schrittmotoren, Schleifringe, Zahnräder, Gleit- und Rillenkugellager handelt. Bei der Problembehandlung während der Montage werden Unstimmigkeiten analysiert und anschließend Lösungsoptionen ermittelt und umgesetzt. Über die zusammengestellte Steuereinheit und die Arduino-Plattform wird die Möglichkeit geschaffen, die integrierten Schrittmotoren gezielt anzusteuern. Referenzmarkierungen auf dem Spiegel ermöglichen mittels numerischem Fokussieren die Selbstreferenzierung der Umlenkeinheit – sie werden durch Sputtern erzeugt und bei Messungen erprobt. Abschließend wird bei der Charakterisierung des Systems der Einfluss von Schrittverlusten, Schrittfehlern und dem Spiel im Zahnrad und Kugellager auf die Positioniergenauigkeit der Umlenkeinheit untersucht.
In dieser Arbeit wird das Verformungsverhalten und die Stabilität des Frontflügels des Formula Student Rennwagens der HS Offenburg untersucht. Die Analyse wird mittels der Finiten-Elemente-Methode durchgeführt (Programm: ANSYS Workbench). In der Simulation wird das Modell mit verschiedenen statischen Kräften belastet, unter anderem die Kräfte aus dem technischen Reglement und die auftretende Abtriebskraft. Neben der Verformung werden auch verschiedene Stabilisierungsmöglichkeiten analysiert. Zusätzlich zu den Simulationsergebnissen selbst werden in dieser Arbeit der Simulationsvorbereitungsprozess sowie die Konstruktion des Frontflügels und Grundlagen der FEM beschrieben. Eine Besonderheit bildet dabei die Verwendung des ANSYS Composite PrePost um die verwendeten Verbundwerkstoffe zu untersuchen.
Technologie spielt im Sport schon immer eine große Rolle. Mit steigender Leistungsdichte im Spitzensport wird versucht mithilfe technischer Hilfsmittel dem Sportler die optimalen Umstände zu ermöglichen. Dazu gehört nicht nur Technik im Sportequiptment, sondern auch Sportuntersuchungen wie Leistungsdiagnostiken. Im Laufsport zählen dazu Ausdauer- und Krafttests. Bei Ausdauertests werden physiologische Parameter wie Laktat, Herzfrequenz oder Sauerstoffaufnahme gemessen. Zusätzlich wird die Lauftechnik für einen kurzen Zeitpunkt analysiert. Wie sich diese unter anhaltender Belastung verhält, wird nicht untersucht. Mit neuen Technologien im Bereich Bewegungsanalyse, können immer schneller größere Datensätze ausgewertet werden. Aus diesem Grund wird in dieser Studie die Lauftechnik über mehrere Zeitpunkte aufgezeichnet und nach Ermüdungserscheinungen untersucht.
Dazu wurde am Institut für angewandte Trainingswissenschaften (IAT) während einer komplexen Leistungsdiagnostik im März 2021 bei einem Laufbandstufentest (4x2000m oder 4x3000m) die Lauftechnik von 15 Elite- und Elitenachwuchsläufer:innen (m=8, w=7) mithilfe eines 3D-Bewegungsanalyse Systems nach Veränderungen in Winkelstellung und Bodenreaktionskraft untersucht. Als physiologische Vergleichsparameter wurde Herzfrequenz und Laktat aufgenommen.
Bei der Analyse der Daten wurden diese in der Gruppe betrachtet. Dabei haben sich schwach signifikante Veränderungen (p=0,047) der vertikalen Bodenreaktionskraft links am Ende der Stufe aufgezeigt. Weitere signifikante Unterschiede (p=0,020) sind im maximalen Kniehub links zu einem größerer Hüftwinkel am Ende sichtbar. Da sonst keine signifikanten Unterschiede zu sehen sind, lässt sich, bei dem hier durchgeführten Protokoll, nicht statistisch gesichert feststellen, ob auftretende Ermüdungserscheinungen die Lauftechnik beeinflussen und verändern. Um festzustellen, ob es geschlechts- oder protokollanhängige Effekte hinsichtlich einer ermüdungsbedingte Lauftechnikveränderung gibt, wurde auch dies statistisch untersucht.
Hier zeigten sich jeweils in einzelnen Parametern signifikante Unterschiede (Parameter TO\_knee\_left; p=0,026) in der Geschlechtsspezifik und in der protokollabhängigen Untersuchung (Parameter TSw\_hip\_left; p=0,04)
Für weitere Studien zur Untersuchung von Lauftechnikveränderung sollten umfangreichere physiologische Daten zur genaueren Betrachtung der Ermüdung verwendet werden. Grundsätzlich müsste das Protokoll auf eine maximale Ausbelastung (beispielsweise Dauerstufentest von 10-15km oder Ausbelastungs-/Abbruchtest) ausgelegt sein.
Grundlegend ist festzustellen, dass sich Simi-Shape als 3D-Bewegungsanalyse-Methode eignet, um spezifische Parameter in der Lauftechnik zu diagnostizieren, gerade hinsichtlich der Effizienz im Auswerteprozess.
Diese Arbeit stellt eine Übersicht an Messverfahren einer komplexen biomechani-schen Bewegungsanalyse, die für eine „Return to Sport“-Entscheidung nach der operativen Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes genutzt werden, dar. Zu Beginn wurde die Datenbank PubMed nach auswertbaren Studien durchsucht. Danach erfolgte an Hand zuvor festgelegter Ein- und Ausschlusskriterien die Identifizierung von 64 Studien, welche der Thematik dieser Arbeit entsprechen. Die Extraktion der Informationen erfolgte in drei Blöcken. Zum einen wurden die biografischen Daten der Probandengruppe verglichen, um einen Überblick der am häufigsten an einer Ruptur des vorderen Kreuzbandes betroffen Personengruppe und deren Eigenschaften zu erhalten. Zum anderen wurden die angewendeten Messysteme für die Durchführung der komplexen biomechanischen Bewegungsanalyse aufgelistet und beschrieben. Dabei wurde in die drei Untergruppen Kinematik, Kinetik und EMG differenziert. Abschließend wurde der Testzeitpunkt im Bezug zum Return to Sport aus den einzelnen Studien entnommen und dargestellt. Durch die Auswertung der extrahierten Daten waren die folgenden Tendenzen sichtbar. Über die Hälfte der Studien wiesen eine Probandengruppe, die sowohl aus Frauen, als auch aus Männern besteht, auf. Auffällig ist außerdem, dass das Alter der Teilnehmer in Studien mit einem sehr großen Probandenumfang zwischen 23 und 27 Jahren mit einem BMI von 23 bis 27 kg/m² lag, was auf den Trainingszustand und eine damit verbundene erhöhte Belastung des vorderen Kreuzbandes besonders in diesem Alter hinweisen könnte. Die Analyse der kinematischen Auffälligkeiten im Rahmen einer komplexen biomechanischen Bewegungsanalyse erfolgte in den meisten Fällen mittels eines Motion Captur Systems. Während die Analyse der kinetischen Veränderung überwiegend mittels Druckmessplatten durchgeführt wurde. In beiden Bereichen fiel die Verwendung von alternativen Messmethoden auf. Selten wurden dynamische EMG-Messungen zur Betrachtung der Muskelaktivitäten angewendet. In der Darstellung der Testzeitpunkte wurde die Terminologie-Problematik des Begriffs „Return to Sport“ deutlich. Überraschend war der geringe Anteil an Studien, die eine komplexe biomechanische Bewegungsanalyse zur Feststellung, ob der Sportler für den Return to Sport bereit ist, verwendeten. Dies könnte auf die schwere Realisierbarkeit für eine Anwendung in der Praxis hinweisen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Fertigung der beiden vorderen Radkästen des Fahrzeugs einschließlich konstruktiver Auslegung und Berechnung aufgezeigt. Zu Beginn der Bachelorthesis ist bereits eine Vorauslegung der Radkasten-Konstruktion auf Basis der Strömungsoptimierung vorhanden, welche für die Auslegung und Fertigung dieser Arbeit herangezogen wird.
Über eine geeignete Konzeptfindung hinsichtlich den an die Radkästen gestellten Anforderungen und über die fertigungsgerechte Auslegung des auf Leichtbau getrimmten Bauteils wird demzufolge die eigentliche Fertigung mittels CFK-Prepreg erläutert.
Die Konzeptionsphase beinhaltet nach einer Wettbewerbsanalyse sowie dem Belehren über diverse Analogien die generelle Lösungsfindung des Konzepts über eine Nutzwertanalyse.
Im Bereich der Konstruktion wird die vorhandene Vorauslegung weiter optimiert und zusammen mit den benötigten Aussparungen sowie den Befestigungselementen für den Verbau beschrieben. Hinsichtlich Konstruktion wird zudem eine gewisse Bauteilfestigkeit vorausgesetzt, die über eine Modalanalyse abgesichert wird. Betreffend Befestigung werden 3D-Druck-Teile modelliert und eingesetzt. Zur Umsetzung der Befestigung an der Radnabe wird darüber hinaus die Radverschraubung so überarbeitet, dass eine simultane Befestigung des Radkastens und des Rades ermöglicht wird.
Für die Fertigung der Radkästen wird auf die CFK-Prepreg Technologie zurückgegriffen, für welche im Vorfeld diverse Versuchs- und Einstellparameter geklärt werden. Zu den Parametern zählen in erster Linie die angefahrenen Druck- und Temperaturwerte für die Aushärtung sowie ein präziser Aufbau der einzelnen Lagen für die Prepreg-Fertigung.
Konstruktiv besteht ein Radkasten aus zwei Hälften, die im Anschluss der Fertigung mittels geeigneter Verbindungsteile und über das Verfahren des Nasslaminierens zusammengefügt werden.
Den Abschluss der Bachelorthesis bildet das Einpflegen des vollständigen CAD-Modells sowie der Verbau der beiden Radkästen am Gesamtfahrzeug.
Im Rahmen einer Kraftstoffumstellung des Fahrzeuges Schluckspecht 5 wird diesem ein neuer Antriebsstrang verliehen. In einer bereits bestehenden Hinterachsbaugruppe sind funktionale Optimierungen vorgenommen worden, welche den Fahrzeugeinbau des Antriebsstrangs beschleunigen.
Durch die bestmögliche Ausrichtung und Justierung aller am Antriebsstrang verwendeten Bauteile konnte das erhöhte Reibmomentaufkommen an der Radnabe um 60 % verringert werden. Um diesen Zustand reproduzierbar zu gestalten, steht dem Team Schluckspecht ab sofort eine Montageanleitung bereit. Diese stellt ein Schritt-für-Schritt-Dokument für die Reibmoment-Reduzierung im Antriebsstrang dar.
Die mechanische Bearbeitung der am Schaltvorgang beteiligen Zahnräder sorgt für ein besseres axiales Einfinden bei einem Gangwechsel. Eine neue Getriebehalterung soll dafür Sorge tragen, dass sich auftretende Verspannungen aus dem Antriebsstrang nicht in die Getriebeeinheit übertragen. Ob der Schaltvorgang des Fahrzeuges damit reibungslos vollzogen werden kann, muss in Versuchen im Nachgang bestätigt werden.
Eine 3D-gedruckte Polradabdeckung verhindert potenzielle Gefahrenstellen durch sich drehende Teile am Motorblock. Dieses Bauteil wurde nach den dafür vorgesehenen Sicherheitsstandards entwickelt.
Da es sich beim Schluckspecht 5 um ein Leichtbaufahrzeug handelt, musste die Anforderung einer geringen Masse mit gleichzeitig genügend Steifigkeit stets beachtet werden. Außerdem darf keine der vorgenommenen Arbeiten den Wirkungsgrad des Fahrzeuges negativ beeinflussen.
Entwicklung eines Kompaktantriebs auf Basis eines Zykloidgetriebes für den humanoiden Roboter Sweaty
(2021)
Besonders der Antrieb von nichtstationären Robotern stellt in der Praxis eine große Herausforderung dar. Es werden oft hohe Drehmomente bei relativ geringen Drehzahlen benötigt. Die Masse der Antriebe muss dabei so gering wie möglich sein. Es ist somit eine drehmomentstarke Kombination aus einem Motor und einem Getriebe unerlässlich. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines drehmomentstarken Kompaktantriebs auf Basis eines Zykloidgetriebes. Das Ziel ist es, Drehmomente von bis zu 30N·m mit einer Drehzahl von 0,5 s−1 bei einer möglichst geringen Masse zu erzielen. Es werden der Aufbau, die Funktionsweise und die Belastungsprinzipien von Zykloidgetrieben erklärt und mehrere Prototypen eines Getriebes angefertigt. Diese unterscheiden sich in der Fertigungstoleranz der Zykloidenscheibe so, dass der Einfluss der Toleranz auf das Getriebespiel untersucht werden kann. Bei einem Untermaß von −0,04mm ergibt sich dabei das geringste Spiel mit 0,83°.
Um die eine Aussage über die Festigkeit des Getriebes treffen zu können, wird zudem ein, auf der Hertzschen Flächenpressung basierendes, analytisches Berechnungsmodell entwickelt. Dieses wird in einem Python-Skript umgesetzt, sodass die Flächenpressungen des Prototypengetriebes berechnet werden können. Es zeigt sich hierbei, dass die Aufnehmertascheen der Zykloidenscheibe stärker belastet sind als die Verzahnung.
Mit Hilfe eines Prüfstands werden die Getriebe unter der Verwendung von unterschiedlichen Schmierstoffen getestet. Die Tests zeigen, dass die Schmierung des Getriebes einen starken Einfluss auf die Verschleißbildung hat. Bei einem niedrigviskosen Öl kommt es im Versuch zu einem Schmierfilmabriss und somit zu einem verstärkten Verschleiß im Getriebe. In den Tests kommt es zu keiner Grübchenbildung bei den Getrieben. Es zeigt sich jedoch, dass die Kugellager im Getriebe einer hohen Belastung ausgesetzt sind.
Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird final ein Kompaktantrieb entwickelt. Dieser besitzt zwei um 180° versetzte, optimierte Zykloidenscheiben mit einer geköpften und verkürzten Epizykloide. Um die Verschleißbildung zu minimieren, werden die beiden Scheiben gehärtet und manganphosphatiert. Zudem wird ein Getriebefließfett mit einer besonders niedrigen Viskosität eingesetzt. Das Ergebnis der Arbeit ist ein drehmomentstarker Kompaktantrieb mit einem Spitzendrehmoment von bis zu 42N · m bei einem Gewicht von nur 0,550 kg.