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More than 200 years ago, the scientist Alexander von Humboldt noted in his travel diaries that "everything is interconnectedness", when he was fascinated by nature and the phenomena observed. The view of nature has become much more detailed through the knowledge of phenomena and natural processes, which led to a more precise view of nature shaped by Humboldt. Technological progress and the artificial intelligence of highly developed computer systems are upsetting this view and changing the established world view through a new, unprecedented interaction between man and machinery. Thus we need digital axioms and comprehensive rules and laws for such autonomous acting systems that determine human interaction between cybernetic systems and biological individuals. This digital humanism should encompass our relationship to nature, our handling of the complexity and diversity of nature and the technological influences on society in order to avoid technical colonialism through supercomputers.
Im Rahmen der Konstruktionsausbildung an der Hochschule Offenburg wird die Lehre im Fach Technische Dokumentation fortlaufend optimiert. In der vorliegenden Laborstudie wurde das visuelle Wahrnehmen von 34 Maschinenbaustudierenden (2w + 32m) im Alter von 19 bis 29 Jahren mithilfe der Eye-Tracking-Technik und einer Videokamera bei der Analyse einer Baugruppenzeichnung beobachtet.
Freiwillige Fachtutorien erreichen aus unterschiedlichen Gründen nicht alle Studierenden. Allein der subjektive Eindruck, dass zu wenige Ressourcen seitens der Hochschule (Übungsräume, studentische Tutoren, lückenlose Stundenplanpassung) oder der Studierenden (Zeit, Motivation) zur Verfügung stünden, führt zu Absenzen bei freiwilligen Präsenztutorien. Um die empfundenen und realen Begrenzungen dieser Veranstaltungen zu verringern, wurden für den Studiengang Maschinenbau die Musterlösungen der Übungsaufgaben Physik und Mathematik in Form von Videoclips erstellt und über die Lernplattform Moodle für alle Studierende des Semesters bereitgestellt. Die Clips beziehen sich jeweils auf eine Teilaufgabe und besitzen die Länge eines typischen Youtube-Tutorials. In etwa 5 Minuten bieten sie dem Zuschauer einen Lösungsweg zu den jeweiligen Übungsaufgaben. Die Studierenden können die Clips alternativ oder ergänzend zur Präsenzveranstaltung nutzen. Bei der Erstellung der Clips wurde auf den Einsatz von Spezialeffekten wie Animationen etc. zugunsten einer effizienten Produktion verzichtet, so dass eine einzelne Lehrperson pro Stunde etwa 10 bis 20 Minuten Videoclips aufzeichnen kann. Die Auswertung der Zugriffszahlen auf die Clip-Dateien ermöglicht eine aufgabengenaue Ermittlung der aktiven Nutzer. Im Betrag wird eine vorläufige Auswertung der Teilnehmerzahl und der Korrelation zwischen Klausurergebnis und Nutzungsgrad präsentiert.
Hot work tools are subjected to complex thermal and mechanical loads during hot forming processes. Locally, the stresses can exceed the material’s yield strength in highly loaded areas as e.g. in small radii in die cavities. To sustain the high loads, the hot forming tools are typically made of martensitic hot work steels. While temperatures for annealing of the tool steels usually lie in the range between 400 and 600 °C, the steels may experience even higher temperatures during hot forming, resulting in softening of the material due to coarsening of strengthening particles. In this paper, a temperature dependent cyclic plasticity model for the martensitic hot work tool steel 1.2367 (X38CrMoV5-3) is presented that includes softening due to particle coarsening and that can be applied in finite-element calculations to assess the effect of softening on the thermomechanical fatigue life of hot work tools. To this end, a kinetic model for the evolution of the mean size of secondary carbides based on Ostwald ripening is coupled with a cyclic plasticity model with kinematic hardening. Mechanism-based relations are developed to describe the dependency of the mechanical properties on carbide size and temperature. The material properties of the mechanical and kinetic model are determined on the basis of tempering hardness curves as well as monotonic and cyclic tests.
Colored glass products with various printing technologies are becoming more important in industry. The aim is to achieve individual solution in a very short delivery time. Conventional thermal treatment of burning glasses in oven for tempered color printing has predominant issues with high time consumption, energy consumption and manufacturing cost. It requires alternative process development.
This paper proposes laser process to overcome issues in conventional treatment with the latest results of tempering colored glass. Samples have been analyzed with the scanning electron microscope (SEM). Two different laser systems have been applied and the glass has been printed with black paste.
CONTEXT
The paper addresses the needs of medium and small businesses regarding qualification of R&D specialists in the interdisciplinary cross-industry innovation, which promises a considerable reduction of investments and R&D expenditures. The cross-industry innovation is commonly understood as identification of analogies and transfer of technologies, processes, technical solutions, working principles or business models between industrial sectors. However, engineering graduates and specialists frequently lack the advanced skills and knowledge required to run interdisciplinary innovation across the industry boundaries.
PURPOSE
The study compares the efficiency of the cross-industry innovation methods in one semester project-oriented course. It identifies the individual challenges and preferred working techniques of the students with different prior knowledge, sets of experiences, and cultural contexts, which require attention by engineering educators.
APPROACH
Two parallel one-semester courses were offered to the mechanical and process engineering students enrolled in bachelor’s and master’s degree programs at the faculty of mechanical and process engineering. The students from different years of study were working in 12 teams of 3…6 persons each on different innovation projects, spending two hours a week in the classroom and additionally on average two hours weekly on their project research. Students' feedback and self-assessments concerning gained skills, efficiency of learned tools and intermediate findings were documented, analysed, and discussed regularly along the course.
RESULTS
Analysis of numerous student projects allows to compare and to select the tools most appropriate for finding cross-industry solutions, such as thinking in analogies, web monitoring, function-oriented search, databases of technological effects and processes, special creativity techniques and others. The utilization of learned skills in practical innovation work strengthens the motivation of students and enhances their entrepreneurial competences. Suggested learning course and given recommendations help facilitate sustainable education of ambitious specialists.
CONCLUSIONS
The structured cross-industry innovation can be successfully run as a systematic process and learned in one semester course. The choice of the preferred working teqniques made by the students is affected by their prior knowledge in science, practical experience, and cultural contexts. Major outcomes of the students’ innovation projects such as feasibility, novelty and customer value of the concepts are primarily influenced by students’ engineering design skills, prior knowledge of the technologies, and industrial or business experience.
Modelling detailed chemistry in lithium-ion batteries: Insight into performance, ageing and safety
(2018)
The comprehensive assessment method includes 80 innovation performance parameters and 10 key indicators of innovation capability, such as innovation process performance, innovating system performance, market and customer orientation, technology orientation, creativity, leadership, communication and knowledge management, risk and cost management, innovative climate, and innovation competences. The cross-industry study identifies parameters critical for innovation success and reveals different innovation performance patterns in companies.
Accelerated transformation of the society and industry through digi-talization, artificial intelligence and other emerging technologies has intensified the need for university graduates that are capable of rapidly finding breakthrough solutions to complex problems, and can successfully implement innovation con-cepts. However, there are only few universities making significant efforts to com-prehensively incorporate creative and systematic tools of TRIZ (theory of in-ventive problem solving) and KBI (knowledge-based innovation) into their de-gree structure. Engineering curricula offer little room for enhancing creativity and inventiveness by means of discipline‐specific subjects. Moreover, many ed-ucators mistakenly believe that students are either inherently creative, or will in-evitably obtain adequate problem-solving skills as a result of their university study. This paper discusses challenges of intelligent integration of TRIZ and KBI into university curricula. It advocates the need for development of standard guidelines and best-practice recommendations in order to facilitate sustainable education of ambitious, talented, and inventive specialists. Reflections of educa-tors that teach TRIZ and KBI to students from mechanical, electrical, process engineering, and business administration are presented.
Economic growth and ecological problems have pushed industries to switch to eco-friendly technologies. However, environmental impact is still often neglected since production efficiency remains the main concern. Patent analysis in the field of process engineering shows that, on the one hand, some eco-issues appear as secondary problems of the new technologies, and on the other hand, eco-friendly solutions often show lower efficiency or performance capability. The study categorizes typical environmental problems and eco-contradictions in the field of process engineering involving solids handling and identifies underlying inventive principles that have a higher value for environmental innovation. Finally, 42 eco-innovation methods adapting TRIZ are chronologically presented and discussed.
Die Untersuchungen der Hochschule Offenburg zeigen, dass es durch organische Korrosionsschutzschichten im Kraftfluss von Schraubenverbindungen nicht zu einem verfrühten Abschalten der streckgrenzengesteuerten Schraubmontage kommt. Die fünf untersuchten Lacksysteme zeigten ein sehr unterschiedliches Reibverhalten, der Anzugsvorgang wurde jedoch zuverlässig bei Erreichen der Schraubenstreckgrenze beendet. Durch den ermittelten Drehmoment/Drehwinkelverlauf lässt sich das streckgrenzengesteuerte Anzugsverfahren als Analystetool einsetzen, wodurch für den jeweiligen Schraubfall auch Rückschlüsse auf anderen Anzugsverfahren getroffen werden können. Des Weiteren zeigte sich, dass Pulverlacksysteme widerstandsfähiger gegen die bei der Montage wirkenden Belastungen sind und eine Montage direkt auf Lack ermöglichen können.
With the need for automatic control based supervisory controllers for complex energy systems, comes the need for reduced order system models representing not only the non-linear behaviour of the components but also certain unknown process dynamics like their internal control logic. At the Institute of Energy Systems Technology in Offenburg we have built a real-life microscale trigeneration plant and present in this paper a rational modelling procedure that satisfies the necessary characteristics for models to be applied in model predictive control for grid-reactive optimal scheduling of this complex energy system. These models are validated against experimental data and the efficacy of the methodology is discussed. Their application in the future for the optimal scheduling problem is also briefly motivated.
This paper describes the Sweaty II humanoid adult size robot trying to qualify for the RoboCup 2018 adult size humanoid competition. Sweaty came 2nd in RoboCup 2017 adult size league. The main characteristics of Sweaty are described in the Team Description Paper 2017. The improvements that have been made or are planned to be implemented for RoboCup 2018 are described in this paper.
Technology and computer applications influence our daily lives and questions arise concerning the role of artificial intelligence and decision-making algorithms. There are warning voices, that computers can, in theory, emulate human intelligence-and exceed it. This paper points out that a replacement of humans by computers is unlikely, because human thinking is characterized by cognitive heuristics and emotions, which cannot simply be implemented in machines operating with algorithms, procedural data processing or artificial neural networks. However, we are going to share our responsibilities with superior computer systems, which are tracking and surveying all of our digital activities, whereas we have no idea of the decision-making processes inside the machines. It is shown that we need a new digital humanism defining rules of computer responsibilities to avoid digital totalism and comprehensive monitoring and controlling of individuals within the planet Earth.
In the course of the last few years, our students are becoming increasingly unhappy. Sometimes they stop attending lectures and even seem not to know how to behave correctly. It feels like they are getting on strike. Consequently, drop-out rates are sky-rocketing. The lecturers/professors are not happy either, adopting an “I-don’t-care” attitude.
An interdisciplinary, international team set in to find out: (1) What are the students unhappy about? Why is it becoming so difficult for them to cope? (2) What does the “I-don’t-care” attitude of professors actually mean? What do they care or not care about? (3) How far do the views of the parties correlate? Could some kind of mutual understanding be achieved?
The findings indicate that, at least at our universities, there is rather a long way to go from “Engineering versus Pedagogy” to “Engineering Pedagogy”.
Wie man die Vorlesung "Technische Mechanik 1 - Statik" für alle Beteiligten dynamisch gestaltet
(2017)
Lehrende nehmen vielfältige Veränderungen, insbesondere bei Studienanfängern wahr: Vorkenntnisse, Aufnahme- und Konzentrationsfähigkeit werden zunehmend heterogener. In der Vorlesung „Technische Mechanik 1“ wurde darauf konstruktiv reagiert, indem der Ablauf und die Struktur verändert wurden. Aufgaben und ihre Lösungen stehen im Mittelpunkt des Unterrichts. Neben der Lehrenden als aktiv Handelnde wird jeder Studierende im Lauf des Semesters in den Ablauf integriert und muss individuelle Lösungen der verteilten Aufgaben präsentieren. Im Vergleich entwickeln die Studierenden durch „Lernen am Modell“ dadurch ihre methodischen und fachlichen Fähigkeiten weiter. Um den Studierenden die Relevanz der behandelten Themenbereiche zu verdeutlichen wurden spezielle Aufgaben mit einem lebensweltlichem Bezug entwickelt. Befragungen zeigen, dass die Studierenden von den vielfältigen interaktiven Lernangeboten profitieren und die entwickelten Kompetenzen auch auf andere Lernsituationen übertragen.
Viele hochbeanspruchte Bauteile müssen zur Erfüllung ihres konstruktiven Zwecks mit Durchdringungskerben versehen werden. Infolge der gegenseitigen Wechselwirkung gelten für die Kerbwirkung dieser Art von Mehrfachkerben andere Gesetzmäßigkeiten als bei Einzelkerben. Die Weiterentwicklung der Lehre von der Tragfähigkeitsberechnung höchstbeanspruchter Maschinenelemente macht es notwendig, sich mit der Durchdringungskerbwirkung eingehend zu befassen. Thum und Svenson [1] entwickelten im Jahr 1949 ein Näherungsverfahren zur Abschätzung der Formzahl an einem zugbelasteten Stab mit Durchdringungskerben. In vielen Lehrbüchern findet dieses Verfahren Anwendung. Aus heutiger Sicht erscheint die Eignung der aus diesem Ansatz erzielten Ergebnisse als dringend überprüfungswürdig. Das thum’sche Verfahren wird unter die Lupe genommen. Der hier vorliegende Beitrag präsentiert mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) neue Untersuchungsergebnisse an zugbeanspruchten Stäben mit Halbkreisnut und überlagerter Querbohrung. Diese ergaben, dass die Berechnung nach [1] Lücken aufweist. Ihr Ansatz stellt für den heutigen Entwicklungsstand eine mit zu großen Abweichungen behaftete Näherungshypothese dar.
The paper is addressing the needs of the universities regarding qualification of students as future R&D specialists in efficient techniques for successfully running innovation process. In comparison with the engineers, the students often demonstrate lower motivation in learning systematic inventive techniques, like for example TRIZ methodology, and prefer random brainstorming for idea generation. The quality of obtained solutions also depends on the level of completeness of the problem analysis, which is more complex and time consuming in the case of interdisciplinary systems. The paper briefly describes one-semester-course of 60 hours in new product development with the Advanced Innovation Design Approach and TRIZ methodology, in which a typical industrial innovation process for one selected interdisciplinary mechatronic product is modelled.
Process engineering focuses on the design, operation, control and optimization of chemical, physical and biological processes and has applications in many industries. Process Intensification is the key development approach in the modern process engineering. The proposed Advanced Innovation Design Approach (AIDA) combines the holistic innovation process with the systematic analytical and problem solving tools of the theory of inventive problem solving TRIZ. The present paper conceptualizes the AIDA application in the field of process engineering and especially in combination with the Process Intensification. It defines the AIDA innovation algorithm for process engineering and describes process mapping, problem ranking, and concept design techniques. The approach has been validated in several industrial case studies. The presented research work is a part of the European project “Intensified by Design® platform for the intensification of processes involving solids handling”.
The collection of selected papers of the TRIZ Future Conference 2017 is in open access and is included to the Innovator, the journal of the European TRIZ Assocation.
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a widely-used diagnostic technique to characterize electrochemical processes. It is based on the dynamic analysis of two electrical observables, that is, current and voltage. Electrochemical cells with gaseous reactants or products (e.g., fuel cells, metal/air cells, electrolyzers) offer an additional observable, that is, the gas pressure. The dynamic coupling of current and/or voltage with gas pressure gives rise to a number of additional impedance definitions, for which we have introduced the term electrochemical pressure impedance spectroscopy (EPIS) [1,2]. EPIS shows a particular sensitivity towards transport processes of gas-phase or dissolved species, in particular, diffusion coefficients and transport pathway lengths. It is as such complementary to standard EIS, which is mainly sensitive towards electrochemical processes. This sensitivity can be exploited for model parameterization and validation. A general analysis of EPIS is presented, which shows the necessity of model-based interpretation of the complex EPIS shapes in the Nyquist plot (cf. Figure). We then present EPIS simulations for two different electrochemical cells: (1) a sodium/oxygen battery cell and (2) a hydrogen/air fuel cell. We use 1D or 2D electrochemical and transport models to simulate current excitation/pressure detection or pressure excitation/voltage detection. The results are compared to first EPIS experimental data available in literature [2,3].
Simulation-based degradation assessment of lithium-ion batteries in a hybrid electric vehicle
(2017)
The insufficient lifetime of lithium-ion batteries is one of the major cost driver for mobile applications. The battery pack in vehicles is one of the most expensive single components that practically must be excluded from premature replacement (i.e., before the life span of the other components end). Battery degradation is a complex physicochemical process that strongly depends on operating condition and environment. We present a simulation-based analysis of lithium-ion battery degradation during operation with a standard PHEV test cycle. We use detailed multiphysics (extended Newman-type) cell models that allow the assessment of local electrochemical potential, species and temperature distributions as driving forces for degradation, including solid electrolyte interphase (SEI) formation [1]. Fig. 1 shows an exemplary test cycle and the predicted resulting spatially-averaged SEI formation rate. We apply a time-upscaling approach to extrapolate the degradation analysis over long time scales, keeping physical accuracy while allowing end-of-life assessment [2]. Results are presented for lithium-ion battery cells with graphite/LFP chemistry. The behavior of these cells in terms of degradation propensity, performance, state of charge and other internal states is predicted during long-term cycling. State of health (SOH) is quantified as capacity fade and internal resistance increase as function of operation time.
Practical bottlenecks associated with commercialization of Lithium-air cells include capacity limitation and low cycling efficiency. The origin of such losses can be traced to complex electrochemical side reactions and reactant mass transport losses[1]. The efforts to minimize such losses include exploration of various electrolytes with additives[2], and cell component geometry and material design. Given the wide range of options for such materials, it is almost impractical to experimentally setup and characterize all those cells. Consequently, modeling and simulation studies are efficient alternatives to analyze spatially and temporally resolved cell behavior for various combinations of materials[3]. In this study, with the help of a two-dimensional multi physics model, we have focused on the effect of electrode and electrolyte interaction (electrochemistry), choice of electrolyte (species transport), and electrode geometry (electrode design) on the performance of a lithium-air button cell. Figure1a shows the schematics of the 2D axisymmetric computational domain. A comparative analysis of five different electrolytes was performed while focusing on the 2D distribution of local current density and the concentration of electro-chemically active species in the cell, that is, O2and Li+. Using two different cathode configurations, namely, flooded electrode and gas diffusion electrode (GDE)[4] at different cathode thickness, the effect of cell geometry and electrolyte saturation on cell performance was explored. Further, a detailed discussion on electrode volume utilization (cf. Figure1b) is presented via changes in the active volume of cathode that produces 90% of the total current with the cell current density for different combinations of electrolyte saturations and cathode thickness.
Three real-lab trigeneration microgrids are investigated in non-residential environments (educational, office/administrational, companies/production) with a special focus on domain-specific load characteristics. For accurate load forecasting on such a local level, à priori information on scheduled events have been combined with statistical insight from historical load data (capturing information on not explicitly-known consumer behavior). The load forecasts are then used as data input for (predictive) energy management systems that are implemented in the trigeneration microgrids. In real-world applications, these energy management systems must especially be able to carry out a number of safety and maintenance operations on components such as the battery (e.g. gassing) or CHP unit (e.g. regular test runs). Therefore, energy management systems should combine heuristics with advanced predictive optimization methods. Reducing the effort in IT infrastructure the main and safety relevant management process steps are done on site using a Smart & Local Energy Controller (SLEC) assisted by locally measured signals or operator given information as default and external inputs for any advanced optimization. Heuristic aspects for local fine adjustment of energy flows are presented.
For the RoboCup Soccer AdultSize League the humanoid robot Sweaty uses a single fully convolutional neural network to detect and localize the ball, opponents and other features on the field of play. This neural network can be trained from scratch in a few hours and is able to perform in real-time within the constraints of computational resources available on the robot. The time it takes to precess an image is approximately 11 ms. Balls and goal posts are recalled in 99 % of all cases (94.5 % for all objects) accompanied by a false detection rate of 1.2 % (5.2 % for all). The object detection and localization helped Sweaty to become finalist for the RoboCup 2017 in Nagoya.
One of the challenges in humanoid robotics is motion control. Interacting with humans requires impedance control algorithms, as well as tackling the problem of the closed kinematic chains which occur when both feet touch the ground. However, pure impedance control for totally autonomous robots is difficult to realize, as this algorithm needs very precise sensors for force and speed of the actuated parts, as well as very high sampling rates for the controller input signals. Both requirements lead to a complex and heavy weight design, which makes up for heavy machines unusable in RoboCup Soccer competitions.
A lightweight motor controller was developed that can be used for admittance and impedance control as well as for model predictive control algorithms to further improve the gait of the robot.
Simulation-based degradation assessment of lithium-ion batteries in a hybrid electric vehicle
(2017)
Muli-scale thermos-electrochemical modelling of aging mechanisms in an LFP/graphite lithium-ion cell
(2017)
Passive hybridization of battery cell and photovoltaic cell: modeling and experimental validation
(2017)
Microscale trigeneration systems are highly flexible in their operation and thus offer the technical possibility for peak load shifting in building demand side management. However to harness their potential modern control methods such as model predictive control must be implemented for their optimal scheduling. In literature the need for experimental investigation of microscale trigeneration systems to identify typical characteristics of the components and their interactions has been identified. On a real-life setup control specific information of the components is collected and lessons learnt during commissioning of the equipment is shared. The data is analysed to draw the vital characteristics of the system and it will be used for creating models of the components that can be utilised for optimal control.
Modelling and Simulation of Microscale Trigeneration Systems Based on Real- Life Experimental Data
(2017)
For the shift of the energy grid towards a smarter decentralised system flexible microscale trigeneration systems will play an important role due to their ability to support the demand side management in buildings. However to harness their potential modern control methods like model predictive control must be implemented for their optimal scheduling and control. To implement such supervisory control methods, first, simple analytical models representing the behaviour of the components need to be developed. At the Institute of Energy System Technologies in Offenburg we have built a real-life microscale trigeneration plant and present in this paper the models based on experimental data. These models are qualitatively validated and their application in the future for the optimal scheduling problem is briefly motivated.
Within this work, the benefits of using predictive control methods for the operation of Adsorption Cooling Machines (ACMs) are shown on a simulation study. Since the internal control decisions of series-manufactured ACMs often cannot be influenced, the work focuses on optimized scheduling of an ACM considering its internal functioning as well as forecasts for load and driving energy occurrence. For illustration, an assumed solar thermal climate system is introduced and a system model suitable for use within gradient-based optimization methods is developed. The results of a system simulation using a conventional scheme for ACM scheduling are compared to the results of a predictive, optimization-based scheduling approach for the same exemplary scenario of load and driving energy occurrence. The benefits of the latter approach are shown and future actions for application of these methods for system control are addressed.
Biological in situ methanation: Gassing concept and feeding strategy for enhanced performance
(2017)
The expansion of fluctuating renewable electricity production from wind and solar energy requires huge storage capacities. Power-to-gas (PtG) can contribute to tackle that issue via a two-step process, the electrolytic production of hydrogen and a subsequent methanation step (with additional CO2). The resulting fully grid compatible methane, also known as synthetic natural gas (SNG), can be both stored and transported in the vast existing natural gas infrastructure.
To overcome current major drawbacks of PtG, the relatively low efficiency and the high costs, we developed an improved method for the methanation step. In our approach we use a further development of the biological in situ methanation of hydrogen in biogas plants. Because this strategy uses directly internal residual CO2 from the biogas process in the biogas plant, you neither need additional external CO2 nor special reactors. Thus, PtG is combined with the production of an upgraded highly methane rich raw biogas.
However, the low solubility of hydrogen in aqueous solutions and the exploitation of the maximum biological production rates are still an engineering challenge for high performance biological in situ methanation.
In our experiments a setup with membrane gassing turned out to be most promising to ensure a sufficient gas liquid mass transfer of the hydrogen. The monitoring of hydrogenotrophic and aceticlastic archaea showed some adaption of these microbial subgroups to the hydrogen feed.
In order to achieve high methane concentrations of more than 90 % in the raw biogas a CO2-controlled hydrogen feed flow rate is suggested. For methane concentrations lower than 90 % simple current controlled hydrogen supply can be applied.
This paper describes the Sweaty II humanoid adult size robot trying to qualify for the RoboCup 2017 adult size humanoid competition. Sweaty came 2nd in RoboCup 2016 adult size league. The paper describes the main characteristics of Sweaty that made this success possible, and improvements that have been made or are planned to be implemented for RoboCup 2017.
VDI Standard 4521: Status
(2016)
VDI Guideline 4521 Part 1: “Inventive problem solving with TRIZ: Part 1 – Fundamentals and definitions” has been published on 2015-04-01. The standard will sharpen the image of TRIZ, facilitate cooperation, and support studying and teaching. It is not a textbook but concisely summarizes basic assumptions of TRIZ and its terminology. It gives an overview on specific methods and tools which will be described in the following parts.
Der hier vorliegende Beitrag beschreibt die mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) gewonnenen Untersuchungsergebnisse zur Bestimmung von Stützziffern und Kerbwirkungszahlen bei Getriebewellen. Es handelt sich dabei zum einen um die Kerbüberlagerung einer umlaufenden Halbkreisnut in Kombination mit überlagerter Querbohrung. Da zur Bestimmung der Stützwirkungszahlen die Berechnung der bezogenen Spannungsgradienten in Tiefenrichtung benötigt wird, wurden die Parameter der Kerbgeometrie (der Umlaufnutradius sowie der Querbohrungsdurchmesser) variiert. Als Ergebnis dieser Arbeit wurde festgehalten, dass sich die Formzahl infolge der Durchdringungskerbe im Vergleich zur Formzahl einer Einzelkerbe (z. B. Umlaufnut oder Querbohrung) erhöht und dementsprechend erhöht sich die Kerbwirkungszahl deutlich im Vergleich zu einer Einzelkerbe. Die numerisch erfassten Kerbwirkungszahlen
an den erforschten Durchdringungskerben wurden mit analytischen Ansätzen aus der Fachliteratur verglichen. Entsprechende Diagramme und Zahlenwerte werden zur Abschätzung der Kerbwirkungs- und Stützzahlen je nach Belastungsart Torsion, Biegung und Zug/Druck angegeben.
Um Rückschlüsse auf das Vorgehen von Studierenden beim Lesen technischer Darstellungen ziehen zu können, wurden 49 Probanden aus dem Studiengang „Maschinenbau“ der Hochschule Offenburg bei ihrer Lösungssuche für eine zeichnerische Aufgabe mit Hilfe der Eyetracking-Technik beobachtet. Die Analyse der empirischen Untersuchungen legt die Vermutung nahe, dass die zunehmende Digitalisierung der Gesellschaft verstärkt zu einem punktuellen und flüchtigen Wahrnehmungsverhalten führen. Ruhe und Gelassenheit im Umgang mit Informationen gehen verloren, ebenso das Denken im Kontext. Nach Ansicht der Autoren sollte in der Ausbildung deshalb eine stärkere Konzentration auf die Grundbausteine und die grundlegenden Zusammenhänge des jeweiligen Fachgebietes, Entschleunigung, Förderung von Versteh-, Abstraktions- und Denkfähigkeit und auf der Motivation zur studentischen Eigenleistung liegen.
Der vorliegende Beitrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse an Wellenabsätzen mit im Kerbgrund überlagerter Schrägbohrung, mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM). Als Beispiel hierfür können Walzen mit Heizkanälen in Walzwerken, Turbinen- und Kurbelwellen genannt werden. Es ist nicht bekannt, welche Spannungserhöhung die Schrägbohrung im Wellenabsatz hervorruft. In den Normen oder Richtlinien sind keine Angaben über Formzahlen für diese Kerbkombination vorhanden. Deshalb werden die Formzahlen für unterschiedliche schräggebohrte Wellenabsätze je Belastungsart ermittelt, ausgewertet und entsprechende Formzahldiagramme und Gestaltungshinweise angegeben.
In diesem Beitrag wird die Anwendbarkeit von bereits in der Literatur beschriebenen und in der Praxis bewährten Entlastungsgeometrien für Wellenabsätze auf Zahnwellen mit freiem Auslauf mit der Methode der Finiten Elemente FEM untersucht. Dabei zeigte sich, dass eine direkte Verwendung der bestehenden Vorschläge nicht immer möglich war. Deshalb wurden diese Entlastungsnuten und -übergänge für eine beanspruchungsgerechte Anwendung im Bereich der Zahnwellen modifiziert und optimiert. Basierend auf den dabei erzielten Ergebnissen wurden neue konstruktive Möglichkeiten zur günstigsten Ausprägung der freien Auslaufgestaltung entwickelt und erforscht. Der beobachtete merkliche Abfall der Kerbspannung infolge von Entlastungsmöglichkeiten soll dem Konstrukteur einen Anlass geben, diese häufiger anzuwenden. Die Industrie, insbesondere kleinere Betriebe, können mithilfe der in diesem Aufsatz vorliegenden Erkenntnisse durch optimierte Dimensionierung der Profiwellen Kosten und Bauteilgewicht sparen.
Empirische Untersuchungen zum visuellen Wahrnehmen beim Lesen und Verstehen technischer Zeichnungen
(2016)
Es wurden 49 Einzelpersonen aus dem Studiengang „Maschinenbau“ der Hochschule Offenburg bei der Lösungssuche für eine zeichnerische Aufgabe mit Hilfe der Eyetracking-Technik beobachtet. Aus den Experimenten ergeben sich Aufschlüsse über das tatsächliche Vorgehen von Studierenden beim Lesen technischer Zeichnungen. Die Analyse der empirischen Untersuchungen legt die Vermutung nahe, dass die zunehmende Digitalisierung der Gesellschaft und der zunehmende Umgang mit elektronischen Kleinstgeräten verstärkt zu einem punktuellen und schnellen Wahrnehmungsverhalten führen. Ruhe und Gelassenheit im Umgang mit Informationen gehen verloren, ebenso das Denken im Kontext. Somit muss es Aufgabe der Lehre sein, wieder verstärkt ein ruhiges, strukturiertes und auf Zusammenhänge ausgerichtetes Vorgehen zu vermitteln und zu üben.
The uncertain and time-variant nature of renewable energy results in the need to deal with peaks in the production of energy. One approach is to achieve a load shift and thereby help balancing the grid by using thermally Activated Building Systems (TABS). Control systems currently in place do not exploit the full potential of TABS. This paper reviews how Model Predictive Control can possibly reduce the fluctuations of the demand and supply of (renewable) energy as it enables the TABS to react to the dynamics of weather and its impact on the grid at any time.
We herein present a topology design method based on local optimality criteria which has been implemented in an open source Navier-Stokes solver for turbulent flows. Our method aims for the fast generation of geometry proposals in the early conceptual phase. To the best of our knowledge, this is the first local criteria approach utilizing a wall function turbulence model in order to consider turbulent flows. In order to allow for the growth as well as the shrinkage, or even the formation or disappearance of structural features, a topological approach is chosen. By introducing a volume fraction parameter, we distinguish between fluid and solid properties in each control volume. The fluid-solid interface is represented by an immersed boundary method using a piecewise linear surface reconstruction.
This paper describes the new Sweaty II humanoid adult size robot trying to qualify for the RoboCup 2016 adult size humanoid competition. Based on experiences during RoboCup 2014, the Sweaty robot has been completely redesigned to a new robot Sweaty II. A major change is the use of linear actuators for the legs. Another characteristic is its indirect actuation by means of rods. This allows a variable transmission ratio depending on the angle of a joint.
Alexander von Humboldt, a German scientist and explorer of the 19th century, viewed the natural world holistically and described the harmony of nature among the diversity of the physical world as a conjoining between all physical disciplines. He noted in his diary: “Everything is interconnectedness.”
The main feature of Humboldt’s pioneering work was later named “Humboldtian science”, meaning the accurate study of interconnected real phenomena in order to find a definite law and a dynamic cause.
Following Humboldt's idea of nature, an Internet edition of his works must preserve the author’s original intention, retain an awareness of all relevant works, and still adhere to the requirements of scholarly edition.
At the present time, however, the highly unconventional form of his publications has undermined the awareness and a comprehensive study of Humboldt’s works.
Digital libraries should supply dynamic links to sources, maps, images, graphs and relevant texts. New forms of interaction and synthesis between humanistic texts and scientific observation need to be created.
Information technology is the only way to do justice to the broad range of visions, descriptions and the idea of nature of Humboldt’s legacy. It finally leads to virtual research environments as an adequate concept to redesign our digital archives, not only for Humboldt’s documents, but for all interconnected data.
This article sets the focus on methods of information technology in the Humboldt Portal, which represents an ongoing research project to develop a virtual research environment on the Internet for the legacy of Alexander von Humboldt. Based on the experiences of developing and providing the Humboldt Digital Library (www.avhumboldt.net) for more than a decade, we defined a working plan to create an Internet portal for comprehensive access to Humboldt’s writings, no matter if documents are provided as PDF files, scan images or XML-TEI documents on external archives (Google Books, Internet Archive, Deutsches Textarchiv, Bibliotheque National de France). Going far beyond services of a digital library we will provide an information network with multimedia assets, which are containing objects like terms, paragraphs, data tables, scan images, or illustrations, together with correlated properties like thematic linkage to other objects, relevant keywords with optional synonyms and dynamic hyperlinks to related translations in different languages. So the Humboldt Portal can contribute to the key question, how to present interconnected data in an appropriate form using information technologies on the Web.
Autonomous humanoid robots require light weight, high torque and high speed actuators to be able to walk and run. For conventional gears with a fixed gear ratio the product of torque and velocity is constant. On the other hand desired motions require maximum torque and speed. In this paper it is shown that with a variable gear ratio it is possible to vary the relation between torque and velocity. This is achieved by introducing systems of rods and levers to move the joints of our humanoid robot ”Sweaty II”. On the basis of a variable gear ratio low speed and high torque can be achieved for those joint angles, which require this motion mode, whereas high speed and low torque can be realized for those joint angles, where it is favorable for the desired motion.
Der hier vorliegende Beitrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Entlastung der Kerbspannungen an Getriebewellen mit Durchdringungskerben. Es handelt sich bei den Kerben um eine Umlaufnut mit überlagerter Querbohrung und um einen Wellenabsatz mit überlagerter Querbohrung. Die neu entwickelte Entlastungskerbe erweitert die üblichen Möglichkeiten zur Entlastung von Durchdringungskerben und ermöglicht bedeutende Spannungsreduktionen bis etwa 48% bei Biegung oder Zug/Druck. Die Entlastung bei Torsionsbelastung beträgt maximal etwa 18%. Es wurden Spannungsdiagramme der variierten Entlastungsnutparameter erstellt und Formeln zur näherungsweisen Berechnung der zu erwartenden Spannungen in der Durchdringungskerbe und in der Entlastungsnut ermittelt, zudem werden Empfehlungen zur Gestaltung der Entlastungskerbe gegeben. Dieser Beitrag bietet eine Grundlage zur weiteren Untersuchung zum Thema „räumliche Durchdringungskerben“ und deren Entlastung.
Eye-Tracking-Analyse des Betrachtungsverhaltens bei Micro-Präsentationen in der CAE-Ausbildung
(2015)
Die Zielsetzung des vorliegenden Beitrags ergibt sich aus der persönlichen Motivation der Autoren, das visuelle Verhalten und das Handeln vom jungen Ingenieur beim Micro-Präsentieren technischer Inhalte und Lösungsergebnisse in bildlicher und begrifflicher Form besser zu verstehen und somit effizienter unterstützen zu können. Dabei wurden mehrere Einzelpersonen aus dem Studiengang des Maschinenbaus der Hochschule Offenburg mit Hilfe der Eye-Tracking-Technick beobachtet. Die Probanden befinden sich im 6. Semester, sind im Alter von 21 bis 24 Jahren und zeichnen sich durch einen einheitlichen Ausbildungsstand aus. Die Versuchszeit für die Präsentation der Aufgabe betrug 100 Sekunden. Die Analyse der gewonnenen Daten dieser empirischen Laboruntersuchung erlaubt erste Einblicke in die visuelle Wahrnehmung technischer Objekte beim Vortragen.
Skills, abilities and capability of our freshmen are increasingly heterogeneous, regarding age, attained levels of education and motivational aspects. Additionally, students tend to recoil from subjects dealing with mathematical backgrounds. As a result high, drop-out numbers are a huge problem in technical degree programs.
Since mechanics is based on physics and mathematics our students face enormous difficulties. To deal with them, a form of teaching and learning has been developed that is composed of the following arrangements:
1. Problems and tasks of different levels are solved during lessons. The access to theoretical issues is being developed by or rather as a result of solving these problems. By doing so, especially students with yet insufficient skills are enabled to develop their methodological skills.
2. Challenging students to independently transfer these skills on other problems is helpful. At the end of each lecture two students are selected randomly. Each of them is faced with an exercise they have to solve and present at the beginning of the next lecture. Because of small student numbers, chances are high that every student participates at least once by the end of semester. Surveys show that particularly weaker students benefit from that kind of model learning.
3. We are surrounded by mechanical issues. Given that, students are presented with “every-day-life” problems which students can apply their theoretical knowledge on. The problems are analyzed by groups of students, which leads to an enhanced and reflective perception of each and every one. Some examples are: “A broomstick in equilibrium”, “Sensitive cups”, “Transforming a roman basilica into a gothic cathedral”.
4. All lectures have been filmed by the staff of the Information Center of the Offenburg University during the previous term. Additionally to the notes taken by the students individually during the lectures, these recordings are helpful in the process of preparation and post-processing of the material. The recordings are accessible via the university’s learning management system “Moodle”.
Surveys show that students benefit from the great variety of the provided, interactive learning arrangements. It is interesting to discover that students not only take positive advantages in the lecture “mechanics 1/statics” but tend to transfer these positive experiences on other subjects.
Combined heat and power production (CHP) based on solid oxide fuel cells (SOFC) is a very promising technology to achieve high electrical efficiency to cover power demand by decentralized production. This paper presents a dynamic quasi 2D model of an SOFC system which consists of stack and balance of plant and includes thermal coupling between the single components. The model is implemented in Modelica® and validated with experimental data for the stack UI-characteristic and the thermal behavior. The good agreement between experimental and simulation results demonstrates the validity of the model. Different operating conditions and system configurations are tested, increasing the net electrical efficiency to 57% by implementing an anode offgas recycle rate of 65%. A sensitivity analysis of characteristic values of the system like fuel utilization, oxygen-to-carbon ratio and electrical efficiency for different natural gas compositions is carried out. The result shows that a control strategy adapted to variable natural gas composition and its energy content should be developed in order to optimize the operation of the system.
The transformation of the building energy sector to a highly efficient, clean, decentralised and intelligent system requires innovative technologies like microscale trigeneration and thermally activated building structures (TABS) to pave the way ahead. The combination of such technologies however presents a scientific and engineering challenge. Scientific challenge in terms of developing optimal thermo-electric load management strategies based on overall energy system analysis and an engineering challenge in terms of implementing these strategies through process planning and control. Initial literature research has pointed out the need for a multiperspective analysis in a real life laboratory environment. To this effect an investigation is proposed wherein an analytical model of a microscale trigeneration system integrated with TABS will be developed and compared with a real life test-rig corresponding to building management systems. Data from the experimental analysis will be used to develop control algorithms using model predictive control for achieving the thermal comfort of occupants in the most energy efficient and grid reactive manner. The scope of this work encompasses adsorption cooling based microscale trigeneration systems and their deployment in residential and light commercial buildings.
This paper describes the new Sweaty humanoid adult size robot trying to qualify for the RoboCup 2014 adult size humanoid competition. The robot is built from scratch to eventually allow it to run. One characteristic is that to prevent the motors from overheating, water evaporation is used for cooling. The robot is literally sweating which has given it its name. Another characteristic is, that the motors are not directly connected to the frame but by means of beams. This allows a variable transmission ratio depending on the angle.
Moderne, intelligente Schraubmontagesysteme sind heutzutage in der Lage, streckgrenzengesteuerte Anziehverfahren für die prozesssichere Verschraubung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere im Hochmomentenbereich bis 200.000 Nm ist diese Technologie erst seit kurzem etabliert. Entwicklungsbedarf besteht jedoch, sobald Bauteile im Kraftfluss liegen, die im Lastbereich ein nichtlineares Materialverhalten zeigen, wie zum Beispiel Korrosionsschutz-Lackschichten. Im Bereich der Schraubmontage gibt es nahezu unzählige Einflussfaktoren auf das Erreichen der angestrebten Montagevorspannkraft. Diese sind nicht mit vertretbarem Aufwand vollständig in einem entsprechenden Berechnungs- oder Simulations-Modell zur Auslegung von Schraubenverbindungen abbildbar. Ausserdem hat jede Applikation ihre spezifischen individuellen Eigenheiten. Modelle und Simulationen von Schraubenverbindungen sind daher nur mit eingeschränktem Maße für andere Applikationen wiederverwendbar. Zur Reduzierung von Entwicklungszeiten und Einhaltung der normativen Forderungen sollte zukünftig ein schneller Abgleich der Modelle mit den Daten der gesamten Schraubenverbindung aus realitätsnahen Versuchen angestrebt werden. Normative Forderungen wie beispielsweise die VDI/VDE 2645, welche eine Maschinenfähigkeitsuntersuchung der verwendeten Schraubtechnik zum Schraubfall vom Anwender fordert, zeigen unter anderem die Notwendigkeit auf. Idealerweise finden entsprechende Messungen unter realen Bedingungen statt. Die ermittelten Daten beinhalten nicht nur die Eigenschaftsdaten der Schrauben und die der Plattenbauteile, sondern die des ganzen Systems inkl. aller individuellen Einflussfaktoren bis hin zum Werkzeug selbst. Moderne, intelligente Schraubmontagesysteme können diese Aufgabe erfüllen. Rechtzeitig eingesetzt liefern sie die Daten zur Optimierung von Berechnung, Auslegung sowie Simulation von Schraubenverbindungen und sichern somit den Berechnungsprozess ab. Damit ist es zum einem möglich, bis an die Grenzen des technisch maximal Möglichen zu gehen, zum anderen im Echt-Test Schwachstellen der Auslegung oder Materialfehler bereits vor der Serieneinführung zu erkennen. Dieser Beitrag soll Ihnen vermitteln, dass Sie mit Hilfe intelligenter Schraubmontagesysteme die Berechnung, Auslegung und Simulation von Schraubenverbindungen mit dem Produktions- und Montageprozess abgleichen können, und dies nicht nur über den Anziehfaktor αa - dem sog. "Montage-Unsicherheitsbeiwert". Der konkrete Nutzen liegt in der Erweiterung der bisherigen Auslegung von Schraubenverbindungen mit Lackierungen im Hochmomentenbereich, die von einem breiten Anwenderkreis verwendet werden wird. Damit gelingt es, bereits in der frühen Entwicklungsphase vor Serienfreigabe übermäßige Vorspannkraftverluste zu vermeiden, was für zukünftige optimierte Berechnungen und Konstruktionen sehr wichtig ist.
Meeting the requirements of smart grids local, decentralized subnets will offer additional potentials to stabilize and compensate the utility grid mainly on the low voltage level. In a quite complex configuration these decentralized energy systems are combined power, heat and cooling power distributions. According to the regional and local availability of renewable energy sources advanced energy management concepts should consider climatic conditions as well as the state of the interacting utility grid and consumption profiles. The approach uses demonstrational setups to develop a forecast based energy management for trigeneration subnets by taking into account the running conditions of local electrical and thermal energy conversion units. This should lead to the best coverage of the demand and supporting/stabilizing the utility grid at the same time. For the first of three demonstrational projects the priorities of the subnet are given with the maximization of the CHP operation to substitute a major part of the heating and cooling power delivered by electric heaters or compression chillers.
Für die Zahnwellenprofile nach DIN 5480 ist es schwierig, das polare Trägheitsmoment des geschwächten Querschnitts aus der Geometrie festzulegen. Dieses ist jedoch zur Berechnung der Nennspannung oder der Verdrehsteifigkeit erforderlich. Unterschiedliche Nennspannungsdefinitionen stehen dem Konstrukteur zur Verfügung. Diese können z.B. bei der Formzahldarstellung zu Missverständnissen führen. In der Praxis hilft man sich in der Weise, dass man dem durch die Formelemente (Keile, Zähne) geschwächten Querschnitt einen Kreis einbeschreibt und die Spannung einer Ersatzwelle mit dem Durchmesser dh1 dieses einbeschriebenen Kreises ermittelt. Die in der DIN 5466 vorhandene Näherungsgleichung zur Berechnung des Ersatzdurchmessers dh1 verzahnter Wellen geht auf Arbeiten von Nakazawa im Jahr 1951 [Nakazawa, Hajime: On the Torsion of the Spline Shafts. The Japan Society of Mechanical Engineers, 1951, S. 651-658 + S. 643-650, Tokyo Torizo Univers. 1951] und später auf [Schöpf, H.-J.: Festigkeitsuntersuchung an Zahnwellen-Verbindungen mit Spannungsoptik und Dauerschwingversuchen. Dissertation der TU München 1976] zurück. Mit diesem imaginären Durchmesser dh1 kann man das polare Flächenträgheitsmoment und Widerstandsmoment ermitteln. Die Ergebnisgenauigkeit dieser Näherungslösung ist für eine treffsichere Festigkeitsberechnung aus heutiger Sicht unbefriedigend. Ziel dieses Aufsatzes ist es, dem Anwender Möglichkeiten und Ergebnisse zur Verfügung zu stellen, die es ihm gestatten, das effektiv wirkende Widerstandsmoment für verzahnte Wellenprofile genauer zu bestimmen. Dabei wird der dafür notwendige Ersatzdurchmesser mit Hilfe von theoretischen Überlegungen und Programmtools (CAD, Matlab und Excel) für den gesamten nach DIN 5480 festgelegten Geometriebereich unter die Lupe genommen.
Die scharfkantig eingestochenen Sicherungsringnuten (SR-Nut) in Profilwellen (Zahn- und Keilwellen) bewirken höhere Kerbwirkung. Diese ergibt sich infolge der Überlagerung zwischen SR-Nutradius und Zahnfussradius speziell bei Torsionsbeanspruchung unter Beachtung der Einflüsse der Zähnezahl z, des Bezugsdurchmessers dB und des Moduls m. Eine Möglichkeit zur Minderung dieser Kerbwirkung besteht in der absichtlichen Anbringung von umlaufenden Zusatzkerben, symmetrisch vor und hinter der nach DIN 471 genormte Hauptkerbe. Die vorliegende Arbeit soll einen weiteren Beitrag zu dem noch wenig erforschten Thema "Entlastungsnuten an Profilwellen" bringen. Der Beitrag beschreibt die numerischen Ergebnisse einer ersten Untersuchung, die bei der Entlastung von SR-Nuten auf Zahnwellen bei Zug/Druck, Biegung und Torsion entstehen. Die Ermittlung der entlastenden Wirkung erfolgt mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Untersuchung der Kerbformzahlen und ihrer Verringerung in Abhängigkeit von den geometrischen Parametern der Zahnwelle der SR-Nut und der Entlastungkerbe sowie die daraus optimierten Ergebnisse stellen dabei das zentrale Thema dar. Die Ergebnisse werden als Diagramme und Gestaltungshinweise angegeben. Die Untersuchungen zeigen, dass sich mithilfe von Entlastungskerben mit den optimalen Geometrieverhältnissen Spannungsformzahlreduktionen bis zu ca 35% bei Zug/Druck oder Biegung bzw. ca 30% bei Torsion ermöglichen lassen. Die erzielte Entlastungswirkung ist vom Kerbtiefenverhältnis, von der Form und Lage der Entlastungsnut, vom Bundlängenverhaltnis, vom Kerbabstand zwischen Nutradius und Zahnfussradius sowie von der Belastungsart abhängig.
The paper is addressing the needs of the universities regarding qualification of students as future R&D specialists in efficient techniques for successfully running innovation process. It briefly describes the program of a novel one-semester-course of 150 hours in new product development and inventive problem solving with TRIZ methodology, offered for the master students at the Beuth University of Applied Sciences in Berlin. The paper outlines multi-source educational approach, which includes a new product development project (about 50% of the complete course), theory, practical work, self-learning with the software tools for computer-aided innovation, and demonstrates examples of the students work. The research part analyses the learning experience, identifies the factors that impact the innovation and problem solving performance of the students, and underlines the main difficulties faced by the students in the course. It describes a method for measurement of education efficiency and compares the results with educational experience in the industry. The presented results can help universities to establish the education in new product development or to improve its performance.
Die bisherigen Forschungen [1] im Bereich der Entlastungen von den örtlichen Spannungskonzentrationen in den Sicherungsringnuten beschränken sich auf glatte Vollwellen. Über die Abschwächung der Kerbwirkung von Sicherungsringnuten bei Zahn- und Keilwellen lagen bisher keine systematischen Untersuchungen und keine ausreichend gesicherten Ergebnisse vor. Deshalb wurden Untersuchungen zur Ermittlung der entlastenden Wirkung der Spannungsformzahlen von SR-Nuten bei Zahnwellen durchgeführt. Diese erfolgen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) für die Belastungsarten Zug/Druck, Biegung und Torsion. Eine Formzahlreduktion von ca. 35% in der SR-Nut konnte bei Biegung und Zug/Druck realisiert werden. Bei Torsion beträgt diese ca. 30 % nach der NSH bzw. 12% nach der GEH gegenüber der originalen Kerbgeometrie ohne Entlastungsnuten. Die gewonnenen Ergebnisse erweitern die qualitativen und quantitativen Erkenntnisse über die Entlastung von der mehrfachen Kerbwirkung.
Der hier vorliegende Beitrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Kerbspannungsanalyse an Durchdringungskerben bei Getriebewellen. Es handelt sich dabei um eine Umlaufnut sowie einen Wellenabsatz mit jeweils überlagerter Querbohrung. In beiden Fällen wird die Bohrung im Bereich der maximalen Spannungskonzentration der Umlaufnut bzw. des Wellenabsatzes angebracht. Entsprechende Formzahldiagramme werden angegeben und neue Näherungsgleichungen für eine genauere Formzahlberechnung je nach Belastungsart Torsion, Biegung und Zug/Druck aufgestellt. Die neu gewonnenen FEM-Ergebnisse erweitern die qualitativen und quantitativen Erkenntnisse über die in der Literatur vorhandenen Berechnungsverfahren und werden als Grundlage für weitere Untersuchungen zu dem bislang wenig erforschten Thema „räumliche Durchdringungskerbwirkung“ und deren Entlastung verwendet.
The process of establishing an industry standard for TRIZ has been initiated: VDI Guideline 4521 will cover TRIZ. Work is going on on the first part of the standard which will define and explain basic TRIZ vocabulary and notions. A first draft of a list of terms has been compiled by V. Souchkov and is currently being discussed at MATRIZ. The standardization committee consists of TRIZ specialists of various degrees together with TRIZ users from industry. It is working in close connection with MATRIZ. In parallel, translations for the elements of TRIZ terminology into several languages are being sought. According to schedule, work on the first part of the standard may be finished by July 2014 and may go into print by the end of the year.
Eine neue Prozessidee zur Auftrennung racemischer Wirkstoffe unter Verwendung nanoskaliger AlO(OH)‐Hohlkugeln als Adsorbens und überkritischen Kohlenstoffdioxides (sc‐CO2) als Lösungsmittel wird vorgestellt. Zur Auslegung des Prozesses werden Untersuchungen zur Abscheidung der racemischen Wirkstoffe (RS)‐Flurbiprofen, (RS)‐Ibuprofen, (RS)‐Ketoprofen und den reinen Enantiomeren (R)‐Flurbiprofen, (S)‐Ibuprofen und (S)‐Ketoprofen an AlO(OH)‐Hohlkugeln präsentiert und bewertet. Zudem werden Adsorptionsdaten von gasförmigem CO2 an den Hohlkugeln und kommerziellen AlO(OH)‐Partikeln, die mit einer Magnetschwebewaage ermittelt wurden, verglichen. Abschließend werden erste Ergebnisse von orientierenden Versuchen zur Adsorption von racemischem Flurbiprofen aus sc‐CO2 an den Hohlkugeln vorgestellt.
HiSiMo cast irons are frequently used as material for high temperature components in engines as e.g. exhaust manifolds and turbo chargers. These components must withstand severe cyclic mechanical and thermal loads throughout their service life. The combination of thermal transients with mechanical load cycles results in a complex evolution of damage, leading to thermomechanical fatigue (TMF) of the material and, after a certain number of loading cycles, to failure of the component. In this paper (Part I), the low-cycle fatigue (LCF) and TMF properties of HiSiMo are investigated in uniaxial tests and the damage mechanisms are addressed. On the basis of the experimental results a fatigue life model is developed which is based on elastic, plastic and creep fracture mechanics results of short cracks, so that time and temperature dependent effects on damage are taken into account. The model can be used to estimate the fatigue life of components by means of finite-element calculations (Part II of the paper).
HiSiMo cast irons are frequently used as material for high temperature components in engines as e.g. exhaust manifolds and turbo chargers. These components must withstand severe cyclic mechanical and thermal loads throughout their life cycle. The combination of thermal transients with mechanical load cycles results in a complex evolution of damage, leading to thermomechanical fatigue (TMF) of the material and, after a certain number of loading cycles, to failure of the component. In Part I of the paper, a fracture mechanics model for TMF life prediction was developed based on results of uniaxial tests. In this paper (Part II), the model is formulated for three-dimensional stress states, so that it can be applied in a post-processing step of a finite-element analysis. To obtain reliable stresses and (time dependent plastic) strains in the finite-element calculation, a time and temperature dependent plasticity model is applied which takes non-linear kinematic hardening into account. The material properties of the model are identified from the results of the uniaxial test. The plasticity model and the TMF life model are applied to assess the lifetime of an exhaust manifold.
A former remote area power supply was converted to a smart cogeneration subnet with combined heat and power to develop and validate a forecast based energy management at the University of Applied Sciences in Offenburg/Germany. Locally processed weather forecasts and forecasted demand profiles are integrated to allow a precise reaction to changes of fluctuating power sources, changes in scheduled demand profiles and to improve the energy efficiency of the supply. The management of the electrical and thermal storages is influenced by the forecasted energy contributions and the forecasted demand. Further approaches should improve the accuracy of forecasting algorithms and integrate parameter models gained of a detailed monitoring to realize predictive controllers.
Höchste Korrosionsschutzanforderungen sind für bestimmte technische Produkte insbesondere im Offshore Anwendungsbereich, nach ISO 20340, zwingend zu erfüllen, um deren Funktion und Betriebssicherheit dauerhaft gewährleisten zu können. Bis heute werden viele dieser Produkte am Ende ihrer Wertschöpfungskette nass überlackiert, mit einer kompletten Kunststoffhaut, der Korrosionsschutz-Lackschicht, überzogen. Diese Lackierung ist unter anderem deshalb erforderlich, weil es im klassischen Maschinenbau, insbesondere in der Antriebstechnik, viele mechanische Schnittstellen gibt, die vor der endgültigen Produktmontage quasi metallisch blank bleiben müssen, um den erforderlichen und definierten geometrischen Oberflächenzustand nach Form und Lage als Pass- und Fügefläche zu gewährleisten. Eine dieser mechanischen Schnittstellen sind Schraubenverbindungen. Mit dem derzeit gültigen Regelwerk ist die Berechnung einer Schraubenverbindung mit Lackschichten in den Trennfugen oder auf der Kopf- und Mutternauflagefläche nicht möglich, da lackierte Bauteile in der derzeit geltenden VDI-Richtlinie 2230 nicht berücksichtigt sind. Nach einem Praxisbericht anhand von Stellantrieben für Industriearmaturen über deren Umstellung von Nasslackierung des Gesamtproduktes auf Pulverbeschichtung von Einzelteilen wird die experimentelle Validierung der Betriebs- und Funktionssicherheit von Schraubenverbindungen mit lackierten Bauteilen vorgestellt. Daraus resultierend wurde im März 2014 an der Hochschule Offenburg ein Forschungsprojekt gestartet, dessen Ziel es ist für die oben genannte Problemstellung einen systematischen Lösungsansatz zu erarbeiten. Künftig soll es Entwicklungsingenieuren und Konstrukteuren bereits in der Phase von Entwicklung und Konstruktion möglich sein Schraubenverbindungen mit lackierten Bauteilen zuverlässig zu berechnen und auszulegen oder diese in der Prototypenphase zuverlässig zu testen. Die letzten beiden Abschnitte geben den Lösungsansatz und den aktuellen Stand der Forschung wider.
Für langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) wird ein repräsentatives Volumenelement (RVE) für FEM-Simulationen generiert. Dies geschieht unter Berücksichtigung von mikrostrukturellen Kenngrößen wie Faserorientierungsverteilung, -volumengehalt und -längenverteilung, die für einen charakteristischen Werkstoffzustand experimentell ermittelt wurden. Mittels Mikrostruktursimulationen wird das Kriechverhalten von LFT untersucht. Das viskoelastische Verhalten der Matrix wird experimentell an Substanzproben aus Polypropylen ermittelt und in die RVE-Simulationen mit einem modifizierten Burgers-Modell implementiert. Schließlich werden die Rechnungen mit verschiedenen, fiktiven sowie experimentell ermittelten Faserlängenverteilungen mit Kriechversuchen am LFT verglichen. Es zeigt sich eine starke Abhängigkeit des Kriechverhaltens von der Faserlänge und eine hohe Prognosegüte der Simulationen, die die experimentell ermittelte Längenverteilung berücksichtigen.
The aim of the paper was to investigate the energy saved in the shift from separate generation of thermal and electrical energy to trigeneration at the energy facility in Offenburg University of Applied Sciences (HS OG). The energy facility at HS OG used a traditional heating system and electricity from grid until 2007 afterwhich they installed a trigeneration system to meet its continuously changing dynamic thermal and electrical demands. This paper highlights the methodology that had been derived to analyze and study the effect of this shift based on the energy consumption data available from 2004 to 2011, which were scarce due to the limited monitoring. From the energy analysis, we concluded that 8 % primary energy was saved in this shift at the energy facility of HS OG. And from economical perspective 5 % useful thermal energy and 39 % useful electrical energy was saved in this shift at the energy facility of HS OG. Nevertheless, the term energy saving, in general, is very relative and complex to define in such a changeover.
Die Lehre auf dem Gebiet der rechnerunterstützten Methoden in der Produktentwicklung verkörpert einen zentralen Schwerpunkt der Ingenieursausbildung. Dies bedingt eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Inhalte und der didaktischen Unterrichtsmethoden. In diesem Artikel wird die Entwicklung eines didaktischen Konzepts für die Konstruktionsausbildung zur Verbesserung der Präsentationskompetenz und Teamfähigkeit der Studierenden beschrieben und über erste Erfahrungen aus der Umsetzung in die Lehrveranstaltung „CAD/CAE“ berichtet. Die Studierenden erarbeiten in nach der Rundlitzenseilmethode strukturierten Gruppen numerische Lösungen zu Variantenrechnungen einer FEM-Aufgabe, nämlich „Berechnung der Formzahlen an Profilwellen mit Entlastungskerben“. Sie stellen ihre Ergebnisse in Form von 100-Sekunden-Vorträgen dar. Die Bewertung dieser Leistungen erfolgt nach dem Ampelschema. Eine detaillierte statistisch-psychologische Evaluation dieses didaktischen Konzepts ist Ziel weiterführender Untersuchungen.
Die gefährliche Wirkung von Kerben auf Konstruktionsteile bei Dauerbeanspruchungen ist dem Konstrukteur bekannt. Trotzdem sind viele in der Praxis beobachteten Schadensbilder an Passverzahnungen fast durchweg auf nicht genügend berücksichtigte Kerbwirkung infolge der konstruktiv bedingten Mehrfachkerben zurückzuführen. Die hohen Anforderungen vor allem an Drehmoment übertragende und hochbeanspruchte Konstruktionsteile zwingen uns, der Frage der Kerbwirkungen sowie Maßnahmen zu deren Milderung erhöhte Aufmerksamkeit zu widmen. Der vorliegende Beitrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Ermittlung der Kerbwirkung an den Übergangsstellen für die nach DIN 5480 genormten Passverzahnungen mit freiem Auslauf bei Torsion und Biegung. Die rechnerisch abgeschätzten Form- und Kerbwirkungszahlen an Passverzahnungen werden mit experimentellen Kerbwirkungszahlen aus den Ermüdungsversuchen verglichen. Das Ziel ist es, den Stand der Technik hinsichtlich der Berechnung der Tragfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit bei Passverzahnungen weiterzuentwickeln und die neu gewonnenen Form- und Kerbwirkungszahlen in die Berechnungsvorschriften DIN 743 und DIN 5466 einzubinden.
Autonomous humanoid robots need high torque actuators to be able to walk and run. One problem in this context is the heat generated. In this paper we propose to use water evaporation to improve cooling of the motors. Simulations based on thermodynamic calculations as well as measurements on real actuators show that, under the assumption of the load of a soccer game, cooling can be considerably improved with relatively small amounts of water.