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AUSGEWÄHLTE PROJEKTE
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Von der Konstruktion mechanischer Baugruppen bis zur CFD-Simulation verdampfender Fluide.
Die Projekte zeigen unterschiedliche Aufgabenstellungen und die daraus entstandenen Lösungen.
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HIGH EFFICIENCY KARLSRUHE
Fliehkraftkupplung
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Kurzfassung: Entwicklung einer Fliehkraftkupplung vom Konzept bis zur Inbetriebnahme im Wettbewerbsfahrzeug NEMO von High Efficiency Karlsruhe (HEK). Co-Verantwortung für die Auslegung und Konstruktion der Baugruppe, die Erstellung der Fertigungsunterlagen sowie Montage und Erprobung.
Ausgangslage: NEMO erreichte beim Shell Eco-marathon einen Bestwert von 579 Kilometern pro Liter Kraftstoff. HEK erzielte diesen Wert unter anderem durch das Fahren im periodischen Aussetzbetrieb: Der Motor beschleunigt das Fahrzeug bis zu einer festgelegten Höchstgeschwindigkeit und wird anschließend abgeschaltet. Das Fahrzeug rollt anschließend bis zu einer Mindestgeschwindigkeit aus, bevor der nächste Zyklus mit erneutem Beschleunigen beginnt.
Die Drehmomentübertragung erfolgte zuvor über einen Fahrradfreilauf. Bei laufendem Antrieb greifen dessen Sperrklinken in die Verzahnung der mit der Radnabe verbundenen Glocke ein. Dadurch entsteht ein Formschluss, über den das Drehmoment auf die Räder übertragen wird. Beim Ausrollen dreht sich die Radnabe schneller als der Mitnehmer. Die Klinken gleiten über die Verzahnung, ohne Drehmoment auf den Antrieb zu übertragen.
Die folgende Galerie veranschaulicht den Aufbau und die Funktionsweise eines Fahrradfreilaufs.
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Problemstellung: Druckfedern halten die Sperrklinken in Eingriffsrichtung, damit sich der Formschluss zuverlässig aufbaut. Beim Ausrollen drücken sie die Klinken jedoch weiterhin gegen die Verzahnung und verursachen Reibungsverluste – ein deutlicher Nachteil bei langen Auslaufphasen.
Lösung: Das Freilaufprinzip wurde deshalb zu einer fliehkraftbetätigten Kupplung weiterentwickelt. Zugfedern ziehen die Klinken während der Auslaufphase nach innen und verhindern den Kontakt mit der Verzahnung. Erst beim Anlaufen des Motors bewegen sich die Klinken durch die Fliehkraft nach außen und stellen den Formschluss her.
Der grundsätzliche Aufbau blieb erhalten. Sämtliche Bauteile der Kupplung wurden jedoch neu entwickelt und aufeinander abgestimmt. Auslegung und Konstruktion erfolgten gemeinsam mit einem Kommilitonen. Dazu kamen die Erstellung der Fertigungszeichnungen, die Begleitung der Fertigung sowie die Montage und Erprobung. Die Beschaffung weiterer Komponenten, die Auslegung des Zahnrads und die fahrzeugseitige Integration lagen bei anderen Teammitgliedern. Um das Risiko eines mechanischen Versagens im Wettbewerb zu begrenzen, wurde die Baugruppe bewusst robust dimensioniert.
Die folgende Galerie zeigt den ersten Aufbau und die gefertigten Einzelteile der Fliehkraftkupplung.
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Aktueller Stand: HEK ist inzwischen in die Antriebsklasse Wasserstoff-Brennstoffzelle gewechselt. Damit wurde das gesamte Antriebskonzept überarbeitet, sodass die Fliehkraftkupplung in ihrer damaligen Ausführung nicht mehr eingesetzt wird. Nach anfänglichen technischen Rückschlägen nimmt das Team mit dem mittlerweile in Sharki umbenannten Wettbewerbsfahrzeug erfolgreich am Wettbewerb teil.
Die folgende Galerie zeigt das Wettbewerbsfahrzeug vor und nach der Umrüstung auf einen Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb.
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BACHELORARBEIT
Wälzlagerprüfstand
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Kurzfassung: Weiterentwicklung eines bestehenden Prüfstandskonzepts zu einem mechanisch funktionsfähigen Aufbau für die experimentelle Untersuchung von Reibung und Lebensdauer von Wälzlagern unter radialer und axialer Belastung. Eigenständige Auslegung, Konstruktion und Erstellung der Fertigungsunterlagen sowie Begleitung der Fertigung, Montage und mechanische Inbetriebnahme des Prüfstands.
Ausgangslage: Die Reibungsverluste einzelner Komponenten beeinflussten die Effizienz von NEMO, ließen sich im Gesamtsystem jedoch nicht getrennt erfassen. Für die gezielte Untersuchung der Wälzlager war in einer früheren Arbeit ein Prüfstandskonzept entstanden.
Das Konzept sah vor, eine Prüfwelle mit bis zu vier Wälzlagern in ein zentrales Gehäuse einzulegen. Kraftvorrichtungen sollten die Welle axial und radial belasten, während DMS-Miniaturkraftaufnehmer die jeweilige Last erfassen sollten. Vier PT100-Sensoren sollten über die Lagertemperaturen Hinweise auf ein beginnendes Versagen der Wälzlager liefern. Ein axial frei gelagerter Elektromotor sollte die Welle antreiben. Ein DMS-Biegebalken sollte die Rotation des Motors verhindern und dabei das Reibungsmoment erfassen. Für die Messung der Drehzahl war ein Hall-Sensor vorgesehen.
Die folgende Galerie zeigt das ursprüngliche Prüfstandskonzept.
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Problemstellung: Der bestehende Entwurf lag als vollständiges CAD-Modell mit abgeleiteten Fertigungszeichnungen und ausgewählten Zukaufteilen vor. Dennoch bestanden erhebliche Mängel auf konzeptioneller, fertigungs- und montagetechnischer Ebene sowie bei der Auswahl der Zukaufteile.
Der Entwurf musste daher weit über eine gewöhnliche konstruktive Detaillierung hinaus überarbeitet werden.
Lösung: Die folgenden Beispiele stellen zentrale Mängel und die daraus abgeleiteten Maßnahmen gegenüber.
Die Krafteinleitung erfolgte über ebene Flächen. Verzug konnte dadurch zu einem asymmetrischen Kraftfluss führen. Das überarbeitete Konzept sieht deshalb eine Krafteinleitung über eine Trapezgewindespindel und eine Stahlkugel in die Kraftvorrichtung vor.
Ein Wälzlagerwechsel erforderte eine nahezu vollständige Demontage des Prüfstands. Zudem musste die vollbestückte Prüfwelle durch die gesamte Passbohrung des einteiligen Gehäuses geführt werden. Eine zweigeteilte Ausführung des Gehäuses vermeidet dies.
Der DMS-Biegebalken war parallel zur Motorachse über ein Zwischenelement angebracht. Dessen Nachgiebigkeit und die hohen Anforderungen an die parallele Ausrichtung konnten das Messergebnis verfälschen. Die direkte und senkrechte Positionierung des Biegebalkens vermeidet diese Einflüsse.
Gewindebohrungen lagen zu nah an den Bauteilkanten, um Unterlegscheiben verwenden zu können. Durch ihren Versatz lassen sich Unterlegscheiben einsetzen und bei Bedarf Gewindeeinsätze anbringen.
Unnötige Gestaltungselemente erhöhten den Fertigungsaufwand ohne technischen Nutzen. Eine vereinfachte Bauteilgestaltung reduziert diesen Aufwand.
Weitere Optimierungen sind in der folgenden Galerie dargestellt.
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Die folgende Galerie zeigt eine Auswahl der Fertigungszeichnungen. Über den Button können Sie den vollständigen Zeichnungssatz herunterladen.
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Aktueller Stand: Die praktische Arbeit am Prüfstand musste im März 2020 aufgrund der pandemiebedingten Schließung der Hochschullabore vorzeitig beendet werden. Zu diesem Zeitpunkt war der Prüfstand vollständig montiert und mechanisch in Betrieb genommen. Antrieb und Sensorik waren bestellt, jedoch noch nicht geliefert. Ihre Integration und die geplanten Versuchsreihen konnten daher nicht mehr durchgeführt werden.
Nach letztem bekannten Stand von 2024 fanden keine weiteren Arbeiten am Prüfstand statt. Grund dafür war die Umrüstung des Wettbewerbsfahrzeugs auf einen Brennstoffzellenantrieb, die erhebliche Kapazitäten im Team band.
Die folgende Galerie zeigt den ersten Aufbau des Prüfstands.
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GREEN GEN NUEVO 35
Lenkung und Radträger
Kurzfassung: Entwicklung einer mechanischen und einer Steer-by-Wire-Lenkung sowie konstruktive Optimierung der Radträger für das Fahrzeugkonzept Green Gen Nuevo 35. Eigenständige Konzeption, Auslegung und parametrische Konstruktion der Baugruppen unter noch offenen technischen Randbedingungen.
Ausgangslage: Green Gen Nuevo 35 ist ein studentisches Fahrzeugprojekt der Fachhochschule Dortmund. Ziel ist ein Hybridfahrzeug, dessen CO₂-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus höchstens 35 Gramm pro Kilometer betragen. Dafür wurde das Fahrzeug in mehreren Arbeitsgruppen von Grund auf entwickelt.
In einer weiteren Entwicklungsiteration sollten Fahrwerk und Lenkung vollständig neu entwickelt werden. Der eigene Aufgabenbereich umfasste die mechanische Konzeption, Auslegung und Konstruktion der Lenkung. Die erforderlichen Grundlagen, insbesondere das Lastkollektiv und die Lenkgeometrie, sollten im Verlauf des Projekts bereitgestellt werden.
Problemstellung: Nach Ausarbeitung der mechanischen Lenkung vom Lenkrad bis zu den Spurstangen entschied sich das Projektteam für den Wechsel zu einer Steer-by-Wire-Lenkung. Damit entfiel die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Rädern. Gleichzeitig sollte der Fahrer am Lenkrad weiterhin eine Rückmeldung über das Lenkverhalten erhalten. Die Räder sollten über vier neu zu entwickelnde Linearaktuatoren gelenkt werden. Elektronik und Regelung lagen im Aufgabenbereich einer anderen Arbeitsgruppe.
Im weiteren Projektverlauf wurde die Aufgabenstellung um die konzeptionelle Überarbeitung der bestehenden Radträgerentwürfe erweitert. Insbesondere bei Masse, Montagegerechtheit und Kraftfluss bestand Verbesserungspotenzial.
Da weder die endgültige Lenkgeometrie noch die Belastungsdaten vorlagen, mussten sämtliche Baugruppen parametrisch konstruiert werden, um sie nachträglich an die offenen Randbedingungen anpassen zu können.
Lösung: Die für die mechanische Lenkung entwickelte Lenksäule konnte weitgehend in das Steer-by-Wire-Konzept übernommen werden. Eine Halterung bindet die Baugruppe an das Fahrzeug an. Das Hauptgehäuse lässt sich gegenüber der Halterung schwenken und fixieren, sodass die Neigung der Lenksäule stufenlos an die Sitzposition des Fahrers angepasst werden kann.
Das Außenrohr ist im Hauptgehäuse über zwei Rillenkugellager drehbar gelagert. Das darin geführte Innenrohr lässt sich axial verschieben und mit einem Spannsatz fixieren. Dadurch ist auch die Länge der Lenksäule stufenlos einstellbar.
Am fahrzeugseitigen Ende ist ein Zahnriemengetriebe mit Antrieb für die Force-Feedback-Funktion vorgesehen. Verstellbare Spannrollen ermöglichen die Einstellung der Riemenspannung. Der unmittelbar mit der Abtriebswelle verbundene Lenkwinkelsensor erfasst den Lenkradwinkel.
Die folgende Galerie veranschaulicht den konstruktiven Aufbau und die Verstellmöglichkeiten der Lenksäule.
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Der Linearaktuator wurde auf Basis eines Kugelgewindetriebs konzipiert. Ein Antrieb versetzt die Kugelgewindespindel über ein Getriebe in Rotation. Die fest mit dem Stellrohr verbundene Kugelgewindemutter wird dadurch axial verschoben. Ein Schlitten auf einer Linearführung sichert sie gegen Verdrehen, während ein Linearkugellager das Stellrohr führt.
Die Baugruppe war zur direkten Anbindung an den Radträger vorgesehen und sollte die Funktion einer aktiv verstellbaren Spurstange übernehmen. Die vollständig parametrische Konstruktion ermöglichte den Einsatz an allen vier Radpositionen des Fahrzeugs sowie die nachträgliche Anpassung an die noch offenen technischen Randbedingungen.
Die folgende Galerie veranschaulicht den Aufbau und die Funktionsweise des Linearaktuators.
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Das ursprüngliche Konzept ermöglichte durch die unterschiedliche Montage der Anbauteile und des Bremsadapters den Einsatz desselben Radträgers an allen vier Radpositionen. Dieser konstruktiv und fertigungstechnisch sinnvolle Grundgedanke wurde beibehalten. Der Bremsadapter wurde spiegelsymmetrisch ausgeführt, sodass er auf beiden Fahrzeugseiten eingesetzt werden kann.
Der Radträger wurde hinsichtlich des Kraftflusses überarbeitet. Die Anbauteile erhielten vertikale Querschnittsprofile und zusätzliche Stützrippen. Gleichzeitig wurden die Anbindungen montagegerecht gestaltet, sodass die Verschraubungen zugänglich bleiben. Die modellierte Masse der gesamten Radträgerbaugruppe sank von 2,6 auf 1,7 Kilogramm.
Die folgende Galerie veranschaulicht die konstruktive Überarbeitung der Radträgerbaugruppe.
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Aktueller Stand: Nach Abschluss der eigenen Bearbeitung wurden Lenksäule und Linearaktuator weiterentwickelt. Für das Fahrzeug ist eine Steer-by-Wire-Lenkung mit Allradlenkung vorgesehen.
Die grundsätzliche Tragfähigkeit des Radträgerkonzepts wurde im Team mittels FEM bestätigt. Im Rahmen einer nachfolgenden Projektarbeit wurden die Radträger an die endgültigen Anbindungspunkte angepasst und auf Grundlage des Konzepts gefertigt.
Die folgende Galerie zeigt Renderings der im Bearbeitungszeitraum entwickelten Baugruppen und vermittelt einen Eindruck davon, wie sie aussehen könnten.
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MASTERARBEIT
Numerische Strömungssimulation
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Projektbeschreibung in Bearbeitung.
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