Labor für Angewandte Mechatronik und Systemkonstruktion
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Labor für Angewandte Mechatronik und Systemkonstruktion 06.02.2015 78120 Furtwangen, Hafnergäßle 3, Tel.: 07723/920-2495 und -2172 lams.hs-furtwangen.de Studienarbeitsangebote für MME im „Labor für Angewandte Mechatronik und Systemkonstruktion“ Gruppe 1: 1 - 2 Studenten Konstruktion beheizbarer Kupferelektroden zur Impedanzspektroskopie von Kunststoffen Aufgabenkontext: Unser F&E-Labor hat u. a. eine industriell anerkannte Kompetenz im Thermoverformen von Hochleistungskunststoffen. Als Ergänzung für unseren selbst gebauten *) und von der Industrie genutzten Kunststoff-Analyseautomaten soll nun ein Impedanzspektroskopiesystem entwickelt werden, welches mittels beheizbarer Elektroden eine Innovation darstellen würde. Aufgabenstellung /-durchführung: Es soll ein Cu-Flach-Elektrodenpaar mit folgenden Eigenschaften konstruiert werden: • • • • • • • thermisch und elektrisch isolierte Montage geerdete Elektrode beheizbar mit Heizwiderstand oder ähnlichem Temperatursensor an beheizter Elektrode geeignet zum Aufschmelzen von Kunststoffen bis 300°C (Isolation der Elektroden sollte mit PTFE oder Keramik möglich sein) Elektrodengeometrie für möglichst homogene Feldverteilung Anmerkung: Die Qualität der Feldverteilung Ihrer Konstruktion wird parallel durch einen qualifizierten Mitarbeiter des LAMS mit einem Simulationswerkzeug kontrolliert. Elektrode mit Vertiefung zur Aufnahme evtl. entstehender Schmelze Elektrodenfläche wenige cm² Abb. 1 / 2: Vorgängergruppe mit provisorischen Elektroden (links), Kupfer-Flachelektroden in einem improvisierten Heizsystem (rechts) *) gefördert durch das Bundeswirtschaftsministerium im Rahmen des ZIM zur Thematik KunststoffExpertenbasis und –Recycling. Seite 1 von 8 Labor für Angewandte Mechatronik und Systemkonstruktion 06.02.2015 78120 Furtwangen, Hafnergäßle 3, Tel.: 07723/920-2495 und -2172 lams.hs-furtwangen.de Gruppe 2: 2 + 2 Studenten Niveauregelung (Regleroptimierung) an einem selbstgebauten Airballversuch und mit den Probenbehältern (Shuttles) im HFU –Kernreaktor Hier war im SS13 bereits eine Vorgängergruppe erfolgreich: In einem durchsichtigen Plexiglasrohr ist ein Ball mittels eines Luftpolsters in Schwebe zu halten. Dieses Luftpolster wird von einem serienmäßigen Lüfter, welcher über einen Trichter bereits jetzt von unten an das senkrecht stehende Plexiglasrohr angeflanscht ist, aufgebaut. Der Lüfter wird über eine SPS geregelt, den Istwert für diese auf der SPS implementierte Niveauregelung liefert eine Laser-Abstandssensor. Eine einfache Regelung ist bereits programmiert und in Betrieb genommen, es zeigen sich aber Probleme beim unterschiedlichen verhalten in „Aufwärts-„ und „Abwärts-Richtung“ durch das Luftpolster unterhalb des Balls: Das Aufsteigen erfolgt sehr schnell durch Erhöhen der Ventilatorleistung, beim Absinken muss sich aber erst das Luftpolster durch Leckagen abbauen. Abb. 3: Studenten im Reaktor am "Shuttle-Arbeitsplatz" Zum „Warmlaufen“ sollte die von der Vorgängergruppe erarbeitete Reglereinstellung (in der SPS) am Airball überarbeitet werden um dann mit diesen Grundkenntnissen an die Überarbeitung der Niveauregelung der Probenbehälter unser HFU-Kernreaktors zu gehen. Dort finden Sie eine pneumatische Niveauregelung mittels Druckluft über ein analog steuerbares Proportionalventil, welche ebenfalls auf einer SPS programmiert ist, aber derzeit aufgrund der starken Regelstrecken-Nichtlinearitäten (Luftpolster) noch nicht zuverlässig funktioniert. Seite 2 von 8 Labor für Angewandte Mechatronik und Systemkonstruktion 06.02.2015 78120 Furtwangen, Hafnergäßle 3, Tel.: 07723/920-2495 und -2172 lams.hs-furtwangen.de Gruppe 3: 2 + 2 Studenten Untersuchung der Wirksamkeit einer dezentralen Raumlüftungsanlage Moderne Gebäude werden aufgrund ihrer hohen Luftdichtheit und zur Verbesserung des Raumklimas in der Regel mit Lüftungsanlagen gebaut. Die Effizienz und Nützlichkeit einer solchen Lüftungsanlage mit Wärmetauscher soll nun hinsichtlich Wärmerückgewinnungsgrad, Energiebilanz und Raumklimaverbesserung im Lehrlabor des LAMS untersucht werden. Abb. 4: Visualisierung der Luftströmung des im LAMS bereits voruntersuchten Klimagerätes Aufgabenstellung: • • • Visualisierung mit mathematischer Nachbearbeitung und Doku der Luftstromverhältnisse über Vernebelungsversuche mit Flächenscan-Aufnahmen mittels Laser-Linienmodul (siehe Abb. 4) Ermittlung der Druckverhältnisse im Zu- und Fortluftkanal und Vergleich der Messwerte mit der Lüfterkennlinie Aufbau und Test eines im LAMS bereits konzeptierten neuartigen Luftströmungssensor Außerdem sollen mit unserer im Labor seit langem seit langem erfolgreich eingesetzten Wärmebildkamera die wesentlichen Bauteile-Oberflächentemperaturen des so zwangsbelüfteten Testraums erfaßt und hinsichtlich Schimmelbildungsgefahr beurteilt werden. Vorschläge für konstruktive Anpassung / Verbesserung der Luftführung sollen (mit Hilfe unserer Zentralwerkstatt) apparativ ausgeführt und getestet werden. Seite 3 von 8 Labor für Angewandte ngewandte Mechatronik und Systemkonstruktion 06.02.2015 78120 Furtwangen, Hafnergäßle 3, Tel.: 07723/920-2495 07723/920 und -2172 lams.hs-furtwangen.de Abb. 5: Einzelkomponenten des Raumlüftungsgerätes Seite 4 von 8 Labor für Angewandte Mechatronik und Systemkonstruktion 06.02.2015 78120 Furtwangen, Hafnergäßle 3, Tel.: 07723/920-2495 und -2172 lams.hs-furtwangen.de Gruppe 4: 2 Studenten Elektrische Sicherheit - Eigenschaften von Kontaktübergangswiderständen Aufgabenkontext: Im Bereich der elektrischen Sicherheit von Geräten und Anlagen ist es notwendig, dass an verschiedenen Stellen Kontaktübergangswiderstände von wenigen mΩ eingehalten werden. Verschiedene Normen (z.B. VDE 100, VDE 701/702, EN 62353, EN 60601) machen hier Vorgaben sowohl für aktive Leiter (Phasen, Neutralleiter) wie auch für den Schutzleiter. Des Weiteren gibt es Vorgaben wie diese Widerstände zu prüfen sind (Spannungsabfall bei Anlegen eines Prüfstroms, …). Für den Prüfstrom (AC- oder DC-Ströme mit Werten von < mA bis zu einigen zig A) gibt es wiederum verschiedene Vorgaben und Methoden. Problematik: Problem ist nun, dass vor allem bei der Messung korrodierter oder anderweitig nicht optimaler Kontakte die verschiedenen Ströme unterschiedliche Ergebnisse liefern. Außerdem spielt es eine Rolle, ob z.B. zuerst mit einem starken und dann mit einem schwachen Strom gemessen wird oder andersrum. Je nach Metallpaarung können außerdem thermische Effekte zu einer Veränderung des Kontaktwiderstandes führen oder sogar eine Thermospannung erzeugen; auch halbleitende Effekte sind denkbar. Aufgabenstellung /-durchführung: Mit einfachen experimentellen Verfahren (z.B. elektrisch unterstützte Korrosion) sollen zu testende Leiterwerkstoffe künstlich verschlechtert werden. Durch Messreihen mit den verschlechterten Leiterwerkstoffen soll dann dargestellt, dokumentiert und bewertet werden welchen Einfluss die verschiedenen Messverfahren und Kontaktqualitäten auf das Messergebnis haben. Abb. 6 / 7: Verschmorte Kabel aufgrund eines zu hohen Kontaktübergangswiderstands (links), beispielhafter Aufbau einer Schutzleiterverbindung in einem Elektrogerät (rechts) Seite 5 von 8 Labor für Angewandte ngewandte Mechatronik und Systemkonstruktion 06.02.2015 78120 Furtwangen, Hafnergäßle 3, Tel.: 07723/920-2495 07723/920 und -2172 lams.hs-furtwangen.de Gruppe 5: 2 Studenten Elektrische und mechanische Analyse eines neuartigen induktiven EnergyEnergy Harvesting Generators Aufgabenkontext: In vielen Bereichen der Sensorik werden heutzutage durch moderne Halbleiter für einfache Messaufgaben nur noch kleinste Energiemengen ( < 1µJ, z.B. 300µs x200µA x1.5V 1.5V in unserem Fall) Fall benötigt, welche i. d. R. aus Batterien, Batterien SuperCaps oder aus Bus-Datenleitungen Datenleitungen gewonnen werden. Eine andere Möglichkeit ist hingegen die Nutzung der in der zu messenden messenden physikalischen Größe enthaltenen Energie. Dies ist z.B. bei geringen Temperaturunterschieden (Thermoelement) oder mechanischen Bewegungen (Piezo, (Piezo, induktive Generatoren) möglich. Da es sich hierbei jedoch oft um geringste Leistungen handelt bedient, bedient man sich des sog. Energy-Harvestings. Harvestings. Hierunter fallen verschiedene Methoden Energie zu sammeln bis sie für die nachfolgende Elektronik verwertbar ist. is Problematik: Im Rahmen eines Entwicklungsprojekts wurde im LAMS ein kleiner magnetischer Generator entwickelt, welcher mit seinen Impulsen ein Zählsystem zum Erfassen von Umdrehungen versorgt. Die Spannungsimpulse dienen dabei sowohl der Energieversorgung wie auch dem Zählen von Umdrehungen einer Antriebswelle. Die spezielle Konstruktion des Generators sorgt dafür, dass die Impulse ulse selbst bei Drehraten nahe null eine bestimmte Spitzenspannung (max. einige 100mV) und Zeitdauer (ca. 1ms) erreichen. eichen. V. a. die Spannung und der Innenwiderstand sind dabei stark von der Art der verwendeten Spulenwicklung abhängig. Aufgabenstellung /-durchführung durchführung: Mit einem einfachen Versuchsaufbau rsuchsaufbau und unserem bereits zur Patentanmeldung vorbereiteten „Harvesting-Generator-Prototyp“ Prototyp“ sollen nun die Impulssignale verschiedener HarvestingHarvesting Wicklungen (Windungszahl/Drahtstärke) bei verschiedenen Drehzahlen aufgezeichnet werden. Außerdem soll dabei der Innenwiderstand der Wicklungen („Quellen-Impedanz“) Impedanz“) genau gemessen werden. Die erreichte Spitzenamplitude sowie der verwertbare Energieinhalt der in den Versuchen generierten Spannungsschwingung sind anhand von Oszilloskopaufnahmen zu dokumentieren dokumentier und in Diagrammen darzustellen. Versuchsantriebs und zur Erfassung bzw. Auswertung der Anmerkung: Zur Steuerung des Versuchsantriebs Messwerte kann auch LabView eingesetzt werden. Feder Sprunggenerators (links), Abb. 8 / 9: Schamtische Variante eines Feder-Masse-Sprunggenerators Ausgangsimpulse unseres Prototypen bei sehr kleiner Drehbewegungl (rechts) Seite 6 von 8 Labor für Angewandte Mechatronik und Systemkonstruktion 06.02.2015 78120 Furtwangen, Hafnergäßle 3, Tel.: 07723/920-2495 und -2172 lams.hs-furtwangen.de Gruppe 6: 1 Student (evtl. 2) Konstruktion, Aufbau und Test eines neuartigen hochübersetzenden und hocheffizienten Umlaufrädergetriebes (Schutzrechteanmeldung in Vorbereitung) Aufgabenkontext: Hochübersetzende Zahnradgetriebe hohen Wirkungsgrads sind gewünscht für möglichst kompakte Antriebe mit hohem Abtriebsdrehmoment (z.B. Stellantriebe, Umformantriebe, …) oder für hochauflösende Multiturn-Drehgeber und ähnliche Messanwendungen. Diese Aufgabe wird bisher gelöst durch a) mehrstufige Getriebe b) Schneckengetriebe c) Wolfromgetriebe und d) HiRed-Getriebe. a) Das mehrstufige Getriebe hat deutliche Nachteile: Spiel, Baugröße und konstruktiver Aufwand, schlechter Wirkungsgrad und große Trägheit. b) Das Schneckengetriebe besitzt einen sehr schlechten Wirkungsgrad und einen Achswinkel zwischen An- und Abtrieb von typischerweise 90°. Außerdem befinden sich An- und Abtriebsachse nicht auf gleicher Bauhöhe. Weiterer Nachteil sind die besonderen Achslagerbelastungen (Schubkräfte auf Antriebs- und Querkräfte auf Abtriebsachse). c) Das Wolfromgetriebe besitzt begrenzte, diskrete Übersetzungsverhältnisse und einen nicht optimalen Wirkungsgrad. d) Das HiRed-Getriebe erfordert hohen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand und darf nur in Lizenz gefertigt werden. Bild 1, 2: links das Wolfromgetriebe, rechts das HiRed-Getriebe Die beiden Umlaufrädergetriebe (Wolfrom und HiRed) werden am Sonnenrad angetrieben und besitzen dieses nur in der vorderen Getriebe-Teilstufe. Bei beiden Getrieben ist das vordere Hohlrad fixiert und das hintere Hohlrad dient als Abtrieb. Den Ursprung unseres Entwurfs bilden die Umlaufrädergetriebeformen Wolfrom- und HiRedGetriebe. Beide bestehen aus zwei hintereinander angeordneten Teilstufen wobei die Energie mittels Planetenrädern und Planetenträger zwischen den Stufen übertragen wird. Beim Wolfromgetriebe bestehen die Planeten aus einem Gesamtzahnrad für beide Stufen, wobei die beiden Hohlräder eine um die Anzahl der Planeten unterschiedliche Zähnezahl aufweisen. Hierdurch Seite 7 von 8 Labor für Angewandte Mechatronik und Systemkonstruktion 06.02.2015 78120 Furtwangen, Hafnergäßle 3, Tel.: 07723/920-2495 und -2172 lams.hs-furtwangen.de stimmen an den Planetenpositionen die Zähne der beiden Hohlräder überein. Die hohe Übersetzung resultiert aus dem geringen Zahnunterschied beider Hohlräder, die Übersetzungsmöglichkeiten werden aber durch die Anzahl der Planetenräder begrenzt. Den zuletzt genannten Nachteil und das Problem, dass beim Wolfromgetriebe bereits der Nachbarzahn der Hohlräder an einer Planetenposition nicht mehr ideal mit der Zahnposition am Planetenrad übereinstimmt, löst das patentierte HiRed-Getriebe, indem die Planeten aus zwei getrennten Zahnrädern mit unterschiedlicher Verzahnung bestehen. Auf diese Weise können die einzelnen Planetenräder zueinander um Bruchteile eines Zahns verschoben werden und es wird zwischen den Hohlrädern auch bei mehreren Planetenrädern eine Differenz von nur einem Zahn möglich. Hierdurch werden allerdings die Konstruktion und die Fertigung verhältnismäßig aufwändig, da Profilverschiebungen an den Zahnrädern notwendig werden und vor allem die Montage der Planetenräder zueinander sehr präzise erfolgen muss. Unser eigener Lösungsansatz bietet im Vergleich zu den bekannten Lösungen folgende Vorteile: - Hohes Übersetzungsverhältnis je Stufe (ähnlich wie HiRed-Getriebe; im 3-stelligen Bereich) Hoher Wirkungsgrad Überschaubarer konstruktiver und fertigungstechnischer Aufwand Kompakte Bauweise An- und Abtriebswelle in einer Linie fluchtend Drehrichtung von An- und Abtriebswelle konstruktiv gleich oder gegenläufig ausführbar Es sind Zahnräder ohne Profilverschiebung verwendbar (evtl. Standard Zahnräder) Bitte haben Sie Verständnis dafür, dass wir Funktionsbeschreibungen oder gar SolidWorksZeichnungen unserer neuartigen Umlaufräder-Getriebelösung hier nicht abbilden wollen. Nach Unterzeichnung einer Geheimhaltungserklärung werden Sie vom Team des LAMS sicher ausreichend eingewiesen. Aufgabenstellung /-durchführung: Sie sollen sich mit bereits vorhandenen(!) SolidWorks-Kenntnissen in unsere innovative Umlaufrädergetriebelösung einarbeiten und dann Konstruktionszeichnungen bzw. STL-Dateien für die (nach extern vergebene) Herstellung eines „Plastik-Umlaufrädergetriebe-Modells“ als RapidPrototyping Teil erstellen. Nach Erhalt der extern gefertigten Einzelteile sollen Sie diese zusammenbauen und das neue Getriebe im Labor auf • • • prinzipielle Funktionsfähigkeit Wirkungsgrad und Spiel experimentell untersuchen und auswerten. Seite 8 von 8