INNOVATIONEN / FORSCHUNG

Ein junges motiviertes Team, allerbeste technische Ausstattung und hervorragende Kontakte zu Hochschulen und anderen wissenschaftlichen Einrichtungen lassen brehmermechatronics auch im Bereich innovativer Forschung seit langem intensiv tätig sein. Gegenüber neuen Ideen stets offen, werden hier spannende Projekte für die "Industrie 4.0" sowie innovative Mechatronik-Lösungen für Kraft- und Nutzfahrzeuge umgesetzt. 

Weiterhin wurden bereits Vorentwicklungen für den Bereich "Industrie 4.0" und Fahrzeugkomponenten wie einen Zero-Power Switch, den AdBlue-Sensor und einen Multiqualitätssensor begonnen. Viele unserer Forschungsprojekte werden aus Mitteln des BMWI und des BMBF gefördert.

INNOVATIONEN / FORSCHUNG

I-CHAIN

Im Bereich "Industrie 4.0" wurde ein intelligentes Kettenglied "i-Chain" vorentwickelt. Mittels eines integrierten Sensors kann dieses Zugkräfte in Antriebs- und Steuerketten messen und drahtlos übertragen. So kann Verschleiß oder Ausfall frühzeitig erkannt werden.

I-CHAIN

SENSA-BOLT

Das innovative Projekt "SensA-Bolt" stellt die Entwicklung einer selbstüberwachenden Schraubenverbindung dar, deren Funktion und praktischer Einsatz die eigene adaptive Überwachung der Vorspannkräfte darstellt, um damit hochbeanspruchte Schraubenverbindungen intelligent und dauerhaft zu sichern.

SENSA-BOLT

BERÜHRUNGSLOSER FEDERWEGSENSOR

Wenn es auf eine exakte und aktuell abgestimmte Überwachung des Federweges ankommt, beispielweise beim Einsatz im Auto, Motorrad oder auch im Rennsport, kommt der "Berührungslose Federwegsensor" zum Einsatz.

Im Rahmen dieses Projektes wurde ein kompaktes Sensorsystem welches, kontakt- und berührungslos Messungen von Federwegen bis zu 60 cm ermöglicht, entwickelt. Dieses System ist speziell für Anwendungsbereiche bei Kraft-, Nutz- und Spezialfahrzeugen sowie im Rennsport ausgelegt. Gerade für dieses Forschungsprojekt bieten sich optimale Bedingungen, dies im praktischen Einsatz im Motorrad-Rennsport durch das brehmermechatronics racing team erfolgreich zu erproben.

BERÜHRUNGSLOSER FEDERWEGSENSOR

SENSA-CHAIR

Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes wird in einem Team von Universitäten, Technischen Hochschulen und mittelständischen Unternehmen an der Entwicklung des intelligenten Sitzsystems "SensA-Chair" geforscht, welches sich adaptiv an die Sitzhaltung des Anwenders an­passt und anhand von identifizierten Sitzmustern sowie muskulo-skelettaler Beanspruchung die sitzende Person prospektiv zu Sitzhaltungswechseln anregt. Mit Hilfe dieses adaptiven Sitzsystems wird statisches Sitzen vermieden und der Anwender wird gezielt zu dynamischem Sitzen angeregt. Nicht das Sitzen an sich ist das Problem, sondern das lange Verharren in belastenden Sitzpositionen.

Durch ein Modell zum stimulierten Wechsel der Sitz­position, in ein den Rücken entlastendes Sitzprofil, wurde der Stuhl zum gesundheitserhaltenden Sitzen optimiert. Berücksichtigt wurden sowohl typische Sitzpositionen für Büro bzw. PC-Tätigkeiten, als auch Arbeitsposi­tionen, die im Rahmen des digitalen Wandels besondere Positionen mit mobilen Arbeitsmitteln (Notebook, Smartphone, etc.) fokussieren.

Die Reduktion auf sechs archetypische Positionen wurde, hinsichtlich der Belastung der Wirbelkörper und Bandscheiben, qualitativ in ein Schulnoten­system eingestuft. Schlechtere Noten beschreiben höhere, positionsspezifische Belastungen durch Kräfte und Momente, die auf den Sitzenden wirken. Diese Einstufung zeigte, dass reale – subjektiv, temporär, komfortable – Sitzprofile zum Teil deutlich vom Ideal abweichen.

Das System basiert auf zwei sich ergänzenden Aktor-Prinzipien. Anhand der Sitzmodelle und der daraus resultierenden Druckverteilung auf der Sitzfläche und der Rückenlehne, analysiert das System die Belastung des Sitzenden und bestimmt die in dieser Position gesunde Verweildauer. Daraufhin wird die Mikrover­stellung in der Sitzfläche aktiviert. Damit werden lokal geringfügige Höhenänderungen der Sitzfläche initii­ert. Der Nutzer realisiert diese nur unterbewusst als störend, er wird damit aber subtil zur Einnahme einer anderen Sitzposition angeregt.

Der Aktor basiert auf der Wechselwirkung eines, aus einer Formgedächtnislegierung gefertigten, Elements mit einer Blattfeder. Wenn der Nutzer nicht auf die Mikroverstellung reagiert, wird die 3D-Makroverstel­lung der Sitzfläche aktiviert und der Nutzer aktiv in eine weniger belastende Sitzposition bewegt. Das System kann über eine App konfiguriert und somit auch das tagesspezifische Nutzerverhalten analysiert werden.

Systemmerkmale

  • Die Sitzfläche des Stuhles wird von zwei Aktoren dreidimensional verstellt.
  • In die Sitzfläche und die Rückenlehne sind Aktoren und Sensoren zur Mikroverstellung der Sitzfläche integriert.
  • Der Aufbau ist so gestaltet, dass die Integration der Aktorik ein gewohntes Bild ergibt.
  • Die horizontal und vertikal verstellbaren Armlehnen gewährleisten individuelle Sitzpositionen.
  • Durch einen in die Sitzschale integrierten Hebel lässt sich die Sitzhöhe schnell und zuverlässig verstellen.
  • Durch einen QR-Code auf der Rückseite der Rückenlehne lässt sich die App mühelos mit dem Stuhl verbinden.
SENSA-CHAIR

GANGWAHLERKENNUNGSAUTOMAT

Für die Fahrzeugindustrie wurde ein Forschungsprojekt "Gangwahlerkennung" realisiert, eine Unterstützung für schnelle Gangwechsel beim Herauf- und Herunterschalten. Einfaches Justieren und Parametrisieren standen dabei genauso im Vordergrund wie die Programmierung mittels Smartphone App über NFC, Bluetooth oder WLAN.

Zielstellung des Projekts
Der Gangwahlerkennungsautomat (GWEA) für Motorräder erkennt den Gangwechselwunsch des Motorradfahrers und ermöglicht ein automatisiertes sowie kupplungsfreies Hoch- und Herunterschalten. Er reduziert somit die Schaltzeiten der Gangwechsel während der Fahrt. Des Weiteren werden die durch den Nutzer aufzuwendenden Handkräfte deutlich verringert, da die Kupplung nur beim Anfahren/Bremsen gezogen werden muss.

Der im Rahmen eines Förderprojektes entwickelte GWEA ermöglicht, durch seine integrierte Elektronik ein bidirektionales Schalten der Gänge welches lastabhängig durch eine integrierte Kraftmessung innerhalb GWEA ausgelöst wird. Zusätzlich kann der GWEA durch eine integrierte NFC Schnittstelle entsprechend des Nutzerwunsches konfiguriert werden.

Der Prototyp
Der erste Prototyp (Abb. li.) des Gangwahlerkennungsautomats wurde mithilfe von Metalldrehteilen aus dem Prototypenbau sowie einer integrierten Elektronik mit integriertem Hall-Sensor und Gleitstücken aus Kunststoff hergestellt. Dieser Prototyp wurde dann in mehreren Feldtests durch das Brehmer Racing Team erprobt und anhand der gewonnen Ergebnisse optimiert.

Das Produkt
Der GWEA (Abb. re.) wurde zuletzt im Rahmen des RL-Cup durch das Brehmer Racing Team auf dem Nürburgring getestet. Außerdem erfüllt dieser nachweißlich alle umwelttechnischen Anforderungen. Aktuell wird an einer Ausführung mit Straßenzulassung (nach Vorgaben der OEMs) gearbeitet, welche aufgrund bisheriger EMV Probleme noch nicht realisiert werden konnte.


Technische Daten

  • Betriebstemperatur: –10°C bis +80°C
  • Betriebsspannung: 5V
  • Nutzbarer Signalbereich: 0.3V bis 4.7V (wdh. Genauigkeit <3%)
  • Schutzklasse: IP69K
  • Verfahrweg 3mm – 8mm
GANGWAHLERKENNUNGSAUTOMAT

KMMIS: KUNSTSTOFF-MOTORGEHÄUSEDECKEL FÜR MOTORRADMOTOREN MIT INTEGRIERTER SENSORIK

Derzeit bestehen typische Motorradgetriebedeckel aus mehreren Bauteilen: Deckel, Befestigungsschrauben, Dichtring, Stützblech, Elastomerscheibe und Schrauben zur Befestigung letzterer. Hauptaufgabe sind die Abdichtung des Getriebes und der Kupplung, um Leckage zu vermeiden sowie eine Reduktion der Schallemissionen, zur Einhaltung der Euro 4 Norm. Möglichkeiten zur Sensierung von Größen wie dem Kupplungshub oder der Öltemperatur bestehen jedoch nicht. Sehr häufig werden diese Getriebedeckel aus einer Magnesiumlegierung hergestellt.

Zielstellung des Projekts
Der Kupplungsdeckel aus Kunststoff, mit integrierter Sensorik, besteht aus einem einzigen Bauteil, welches alle derzeitigen Funktionalitäten vereint und darüber hinaus die Möglichkeit eines "predictive maintenance" für die Motorradkupplung schafft. Dabei liegt er preislich nicht über den üblichen Deckeln. Diesen Preisvorteil macht die – trotz erweiterter Funktionalitäten – sehr viel leichtere Montage möglich.

Herausforderungen
Für die Umsetzung sind innovative Maßnahmen im Bereich "Auslegung/Berechnung" und beim Herstellungsprozess notwendig. Durch das Inkrafttreten der Euro 4 Norm wird ein zusätzliches Elastomer-Bauteil zur Dämpfung von Geräuschemissionen notwendig, welches ein weiterer Kostenfaktor ist und die Montage erschwert.

Der Prototyp
Der nun verwendete Kunststoff bietet eine deutlichere Geräuschdämpfung und schafft die Möglichkeit, mehrere Funktionen zu integrieren. Dies macht ein zusätzliches Bauteil aus Elastomer überflüssig. Die Intergration der Dichtschnur erleichtert die Montage und Demontage deutlich und senkt somit die Kosten der Motorradproduktion. Die neu entwickelte Befestigung des Getriebedeckels ersetzt die derzeitigen Schrauben. Dies ist ein weiterer Pluspunkt für die einfache Montage und Demontage und letztendlich auch für die Fertigunskosten des Motorradherstellers.

KMMIS: KUNSTSTOFF-MOTORGEHÄUSEDECKEL FÜR MOTORRADMOTOREN MIT INTEGRIERTER SENSORIK

DAS MULTIFUNKTIONS-SENSOR-NETZWERK

Zielstellung des Projekts
Das Entwicklungsprojekt Multifunktions – Sensor – Netzwerk beschreibt ein mikroelektronisches System zur kontaktlosen Bestimmung mehrerer physikalischer Parameter technischer Fluide, vorrangig ist hierbei die Bestimmung der konduktometrischen Leitfähigkeit und der relativen Permittivität r .

Die Messung von Leitfähigkeit und der relativen Permittivität, erfolgt an Fluiden üblicherweise durch direkte Kontaktierung mittels spezieller metallischer Elektroden. Wegen des elektrischen Stromes, der bei der Messung fließt und der anliegenden Potentialdifferenzen kommt es dabei zu ungewollten Elektrolyse-Effekten, die die Elektroden langsam zersetzen, auch dann, wenn die Metallstruktur an sich dauerhaft beständig gegenüber dem Medium wäre. Die praktische Realisierung solcher Elektroden für dauerhaften Medienkontakt und langfristige Messwertstabilität ist daher konstruktiv sehr schwierig.

Ziel des Entwicklungsprojektes Multifunktions – Sensor – Netzwerk ist es, die Bestimmung der konduktometrischen Leitfähigkeit und der relativen Permittivitätr so zu vereinfachen, dass ein robust messender, langzeitstabiler und trotzdem kostengünstiger Analysesensor realisiert werden kann.

Möglicher Einsatzbereich eines solchen Sensors ist beispielsweise die Quantitäts- und Qualitätsbestimmung wässriger Harnstoff-Lösung (AdBlue) in automobilen Diesel-Abgassystemen.


Wofür ist AdBlue?
Seit 1996 werden die Grenzwerte für Abgase – darunter auch die Stickoxide (NOX) immer weiter herabgesetzt. Stickoxide gehören zu den Hauptursachen für Sauren Regen und die Ausbreitung des Ozonlochs.

Die Technologie namens SCR (selektive katalytische Reduktion) hat sich zur Reduzierung der Stickoxide (NOX) in Abgasen durch Umwandlung in unschädlichen Wasserdampf und Stickstoff bereits bewährt. Um die Funktion des SCR Systems zu gewährleisten, ist es notwendig, die Qualität des Adblues zu überwachen. Dank unserem Multifunktions- Sensor -Netzwerks können in einer Sensoreinheit, Füllstand, Temperatur und Qualität (Konzentration) der Flüssigkeit gemessen werden.


Der Prototyp
Der erste entstandene Prototyp basierte auf Basis einer kontaktlosen, hochfrequenten Sensorik, dessen Funktionsweise auf der Wirbelstrom-Bedämpfung basiert. Dazu wurde ein passiver Transponder ohne eigene Energieversorgung im Feld eines hochfrequenten 13,56 MHz-Magnetfeldes betrieben.


Das Produkt

Das System wurde Schritt für Schritt optimiert und verbessert. Letztendlich wurde die Elektronik auf ein für die Serie taugliches System designed, welches den harten Umweltbedingungen im Feld standhält.

  • Technische Anforderungen
  • Füllstand-, Temperatur- und Qualitätsmessung in einem System
  • -40°C bis +85°C Bertriebstemperatur
  • Toleranz Qualitätsmessung +/- 2%
  • Toleranz Füllstandmessung +/-2%
  • Auflösung Temperaturmessung 1°C
  • Geringer Füllstand- Totbereich im Tank durch kapazitive Sensorik
DAS MULTIFUNKTIONS-SENSOR-NETZWERK