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Moderne kommercielle produkter produceres ofte af forskellige materialer for at give slutproduktet fordelagtige materialeegenskaber. Dette sikrer stærke og lette produkter med avancerede egenskaber og reducerer forbruget af råmaterialer. Udfordringen ved hybridmaterialer er dannelsen af stærke bindinger mellem inkompatible materialer og kommercielle vedhæftningssystemer består ofte af polymeropløsninger påført i tykke lag, som ikke imødekommer de ønskede mekaniske vedhæftningsstyrker. Fornyeligt er en ny vedhæftningsteknologi blevet udviklet, hvor nanometer-tynde polymerbørste film kompatibiliserer forskellige materialer. Polymerbørster kan gennemtrænge et polymermateriale, hvis blandingsenthalpien er nul eller negative, og derved lave en nano-mekanisk sammenfiltring. Dette skaber et unik bånd, der muliggør binding imellem metaller og plastik. Denne afhandling udvider anvendelsesområdet for polymerbørste-vedhæftningsteknologi ved at udvikle polymerbørster der kan binde metal- og gummi-komponenter.Det eksperimentelle arbejde inkluderer en grundig beskrivelse og karakterisering af forskellige polymerbørster bundet til rustfrit stål. Desuden blev polymerbørsternes termiske stabilitet undersøgt ved hjælp af infrarød refleksions absorptions spektroskopi. Ved hjælp af forskellige strategier blev polymerbørster krydsbundet, samtidig med at funktionelle grupper, kompatible med gummi, blev introduceret. Derefter blev børste-modificeret stål overstøbt med gummi og brudstyrken blev evalueret ved hjælp af peel eksperimenter. Polymerbørster forstærket ved intermolekylære kovalente bindinger gav en høj brudstyrke til ethylen-propylen-dien M-klasse (EPDM) gummi og opnåede den maksimale brudstyrke sammenlignelig med en kommerciel bindingskomponent påført i mikrometer tykke lag. Den sidste del af afhandlingen omhandler en ny klik-reaktion ved navn sulfur fluoride exhange (SuFEx) hvor reaktionens potentiale som en effektiv overfladereaktion bliver undersøgt.Arbejdet demonstrerer en simpel syntesestrategi til krydsbinding af polymerbørster der binder til EPDM gummi. Resultaterne er lovende for fremtidige industrielle applikationer og understreger at børste-modificeret materialer er fremtiden for vedhæftningsteknologi. Modern products often consist of several materials, with each material conferring desirable properties to the end product. This ensures strong and light weight products with advanced properties and reduces the consumption of raw materials. A key challenge in hybrid products is the formation of strong joints, and commercial adhesion systems often consist of polymeric solutions applied in thick layers, which often do not meet the required mechanical durability and strength. Recently, a new adhesion technology that uses nanometer-thin polymer brush films to compatibilize dissimilar materials has emerged. Polymer brushes can interpenetrate a bulk polymer, if the enthalpy of mixing is zero or negtive, and form a nano-scale mechanical interlocking. This creates an unique type of bond that facilitates bonding between metals and plastics. With this thesis, the author intends to extend the scope of applications for polymer brush adhesion technology by investigating and developing a new polymer brush systems to compatibilize metal and rubber compounds.The experimental work includes a thorough description and characterization of different polymer brushes grafted from stainless steel. Initially, the thermal stability of polymer brushes is investigated using infrared reflection absorption spectroscopy. Next, different strategies are used to cross-link polymer brushes and introduce reactive functional groups compatible with rubber. The brush modified steel is then overmolded with rubber and subsequently the fracture toughness is evaluated by peel experiments. Polymer brushes reinforced by intermolecular covalent cross-links prove to bond strongly with ethylene-propylene-diene M-class (EPDM) rubber and obtain maximum fracture toughness similar to a micro-meter thick commercial bonding agent. Last-ly, an emerging click reaction called sulfur fluoride exchange (SuFEx), is investigated as a potentially fast and reliable surface reaction.Essentially, the work demonstrates an easy synthesis route for cross-linked polymer brushes that bond strongly to EPDM rubber. Together, the results are highly promising for future industrial applications and stresses that brush-modified materials are at the frontier of adhesion technology.

Neben Reifen, Riemen und Schläuchen zählen speziell auch die Balgwände von Luftfedern zu den Kompositen, da deren weiche Elastomermatrix zur Verstärkung Gewebelagen aus textilen Corden enthält. Diese Verstärkungsträger bestehen aus miteinander verzwirnten Garnen, die ihrerseits einen Zwirn aus polymeren Filamenten darstellen. Luftfederbälge weisen dementsprechend eine hochkomplexe innere Geometrie auf und sind zudem durch stark anisotropes, nichtlineares Materialverhalten gekennzeichnet. Für die strukturmechanische Simulation von Luftfedern mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden in der vorliegenden Arbeit neuartige, hochauflösende Modelle entwickelt, die diesen Eigenschaften Rechnung tragen. Zunächst wird ein mathematisches Modell formuliert, das die verzwirnte Geometrie von Corden auf allgemeinen räumlichen Bahnkurven beschreibt und mithilfe dessen sich auch die lokale Orientierung der Filamente bestimmen lässt. Zur konstitutiven Modellierung des Filamentmaterials wird zudem ein transversal isotropes, hyperelastisches Materialmodell so modifiziert, dass bei Druckbelastung in Filamentrichtung nur noch die der Regularisierung dienende, isotrope Grundsteifigkeit zum Tragen kommt. Das Geometriemodell der Corde ist die Basis für deren dreidimensionale Abbildung in FE-Netzen von Luftfederbälgen. Als erster Schwerpunkt wird ein auf zyklischer Symmetrie basierendes Streifenmodell entwickelt, das die Cordgeometrie im gesamten Balg vollständig auflöst. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei der Generierung konformer Netze, um die Grenzflächen zwischen Matrix und Corden exakt darzustellen. Das Streifenmodell ermöglicht somit detaillierte Analysen zur lokalen Verteilung von Spannungen und Verzerrungen im Inneren der Balgwand. Als zweiter Schwerpunkt wird diese Art der Modellierung auf einen kleinen rechteckigen Ausschnitt der Balgwand übertragen. Dieser Teppich ist als Submodell konzipiert, das Verschiebungen für seine Schnittränder aus einem vereinfachten Globalmodell bezieht und demzufolge die Analyse allgemeiner, nicht axialsymmetrischer Lastfälle möglich macht. Abschließend werden die Modelle anhand einer Rollbalgluftfeder für Busanwendungen eingehend untersucht und einem Praxistest zum Vergleich zweier Konstruktionsvarianten unterzogen. Tires, belts, hoses and, in particular, air spring bellows are regarded as composites due to layers of reinforcing textile cords that are embedded in a soft elastomer matrix. These cords are produced by twisting yarns which, for their part, represent a twisted structure of polymeric filaments. Hence, air spring bellows feature a highly complex internal geometry as well as strongly anisotropic, nonlinear material behavior. For structural simulations of air springs by means of the finite element method (FEM), new high resolution models are developed here, which reflect all the aforementioned properties. At first, a mathematical model capable of representing the twisted geometry of cords on three-dimensional curves is introduced, which also allows to derive local filament orientations. For the constitutive description of filament material, a transversally isotropic, hyperelastic material model is modified so that only the small isotropic stiffness introduced for regularization remains in case of compressive loads in filament direction. The cord geometry model serves as the basis for their three-dimensional representation in FE meshes of air spring bellows. Firstly, the focus lies on developing a slice model relying on cyclic symmetry, which takes cord geometry into account throughout the entire bellows. Special emphasis is put on building conforming meshes in order to incorporate all material interfaces explicitly. As a result, the slice model allows for detailed analyses of local stress and strain distribution inside the bellows. Secondly, this type of modeling is applied to a rectangular section of the bellows. This carpet is conceived as a submodel acquiring the displacements to be imposed on its cut faces from a simplified global model, and therefore provides the opportunity to analyze general load cases not complying with axial symmetry. Based on a rolling lobe air spring used in bus applications, both models are examined thoroughly and, at last, subjected to a practical test comparing two different designs.

Element Materials Technology in Linköping is an independent material testing company that performs testing of materials to several big sectors, such as the Swedish Armed Forces and the aerospace industry. There is of great importance to characterize aging of materials to ensure material performance. Element Materials Technology recently invested in a handheld FTIR equipment and it was of interest to see if this equipment might be an additional analysis technique to characterize aging of rubber materials. A nitrile butadiene rubber and two natural rubbers were thermally aged in 50°C and 70°C for six weeks. The hardness of the rubbers increased when the rubbers were thermally aged. The compression set decreased for the aged samples as well as the tensile strength and the elongation at break. An investigation of possible methods for collecting migrated additives on the rubber surface was performed, using two different solvents and a stationary FTIR equipment. More research needs to be performed to exclude the possibility that the solvents affect the material. Universal Attenuated Total Reflectance – Fourier Transform Infrared Spectroscopy, UATR-FTIR onto the rubber surface showed in some cases changes in the spectrums between unaged and aged samples. However, it could not be concluded weather the changes occurred due to migrating additives or due to changes in the backbone polymer. Four interfaces to the handheld FTIR equipment were investigated and an ATR interface gave best results. An analysis method was developed for the handheld FTIR equipment and the spectrums from the handheld FTIR were similar to spectrums from UATR-FTIR (stationary). It could be concluded from Micro Chamber analysis that volatile organic matters were emitted at elevated temperature. Thermogravimetric analysis could detect the relative composition of the rubbers. Further it could be concluded that the mechanical properties were affected by the thermal treatment. This study could however not establish a correlation between FTIR signals and the results seen from the other analysis. The fact that differences could be detected in the FTIR spectrums before and after aging could indicate that the FTIR analysis technique can possibly be used as an analysis method. However, a more thoroughly investigation needs to be performed before using this technique. Element Materials Technology i Linköping utför materialutredningar åt en mängd olika typer av företag, där en stor sektor är den svenska Försvarsmakten och flygindustrin. Materialutredningar är essentiella för att säkerställa att rätt material används för rätt applikation. Element Materials Technology investerade nyligen i en handhållen FTIR utrustning. Det finns förhoppningar om att den nya utrustningen kan användas som ett komplement för att ålderskarakterisera gummimaterial. Ett nitril-butadien-gummi och två stycken naturgummin var termiskt åldrade i 50°C och 70°C i sex veckor. Hårdheten på provkroppar ökade efter den termiska åldringen. Sättningen, draghållfastheten och töjningen minskade för proverna åldrade i värme. En metod för att samla upp migrerade additiv från gummiytan utvecklades och undersöktes, genom att använda två olika lösningsmedel och en stationär FTIR utrustning. Ytterligare utredningar behöver däremot genomföras för att utesluta ifall de två lösningsmedel påverkar gummimaterialet och inte bara samlar upp additiv från gummiytan. UATR-FTIR visade på skillnader i spektrum mellan icke-åldrade och åldrade gummimaterial. Däremot kunde det inte avgöras om skillnaderna i spektrumen berodde på migration av additiv till gummiytan eller på förändring i huvudpolymeren. Fyra stycken olika tillbehör till den handhållna FTIR utrustningen prövades, där ATR-tillbehöret gav bra spektrum. En analyseringsmetod utvecklades för den handhållna FTIR-utrustningen och spektrum från dessa analyser gav liknande spektrum som spektrum från UATR-FTIR (stationär). Analys med Micro Chamber visade att flyktiga organiska ämnen lämnade gummimaterialet vid förhöjd temperatur. Termogravimetrisk analys, TGA visade förhållandet mellan gummimaterialets komponenter både före och efter åldring. Studien visade också att de mekaniska egenskaperna påverkades av den termiska åldringen. Analysmetoden FTIR kunde detekterad skillnad i spektrum före och efter åldring av gummimaterialen. Studien kunde däremot inte etablera ett samband mellan dessa FTIR-signaler och de övriga analysresultaten. Det kan däremot inte uteslutas att ett sådant samband finns. Ytterligare studier behöver utföras för att undersöka detta.

The success of assembly process automation is strongly influenced by the part design. To support process automation, already in the 1960s and 70s part design rules were developed. These rules exist almost exclusively for rigid parts, however, in reality many products like for example automotive wire harnesses consist of a considerable amount of limp components. In this paper, we derive design rules to support assembly automation for parts containing limp components. The derived design rules are based on our approach for limp component classification. Therefore, we extend this approach with an attribute ranking system and a characteristic classification.

Depending on interparticle structure and chemical behavior, fillers greatly influence the mechanical properties in rubber compounds. In this work, the influence of the filler-matrix versus filler-filler interaction on the mechanical properties of a silica nanoparticle-rubber composite was investigated. For this purpose, nanostructured microraspberry particles with different surface properties were designed and prepared using colloidal silica and two different kinds of silane agents, one coating agent (triethoxyoctylsilane, OCTEO) and one coupling agent (bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide, Si69TM). In addition, the degree of silane coverage of the nanoparticles was adjusted in a precisely controlled way. This sophisticated particle system allowed for straightforward integration into the composite formation process while ensuring that a redispersion of the nanoparticles in the rubber matrix occurred during compounding. With this microraspberry particle system, it was possible to influence the mechanical properties by the degree of silane surface coverage on the nanoparticles while the filler content could be kept constant. The two silane systems were carefully compared and the impact of the particle/particle and the particle/rubber interactions with respect to the mechanical properties of the composite was studied. Ultimately, an overall picture of the influence of the type and the amount of silane on mechanical properties in silica-rubber composites could be obtained.

Zur Analyse der Beanspruchungen in textilverstärkten Elastomerbauteilen wie Luftfedern, Reifen, Riemen und Schläuchen sind Berechnungsmodelle mit einer feinen Balance zwischen Genauigkeit und Effizienz erforderlich. Die großen Deformationen, stark anisotropen Struktureigenschaften und kleinen Abmessungen der Festigkeitsträger gegenüber denen des Bauteils bedürfen einerseits einer detaillierten Modellierung, andererseits sind die kritischen Bereiche in diesen Bauteilen räumlich stark begrenzt, sodass eine Reduktion des Berechnungsaufwands erstrebenswert ist. Diese Modellreduktion führt zu Simulationen mit geringer Rechenzeit, die für eine praxistaugliche Optimierung von Hybridcord-Elastomer-Verbunden unerlässlich sind. Die beiden Hauptschwerpunkte der vorliegenden Arbeit bilden die kontinuumsmechanische Modellierung von Hybridcorden und die Erstellung repräsentativer Volumenelemente hochbeanspruchter Hybridcord-Elastomer-Verbunde. Aufbauend auf einem anisotropen Plastizitätsmodell zur Erfassung der Reibung in Multifilamentgarnen stellt ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation der Verzwirnung von Hybridcorden das Fundament der Arbeit dar. Anhand experimenteller Ergebnisse aus Zug- und Torsionsversuchen sowie einem Vergleich mit Querschnittsaufnahmen wird gezeigt, dass das Modell die komplexen Eigenschaften eines Hybridcords abbilden kann. Die Grundlage der repräsentativen Volumenelemente stellt eine Erweiterung der klassischen periodischen Randbedingungen dar, die eine Berücksichtigung von Krümmungen und Drucklasten ermöglicht. Das Modell eignet sich daher, die Beanspruchungen in den hochbelasteten Bereichen textilverstärkter Elastomerbauteile wie der Rollfalte einer Luftfeder effizient zu analysieren. Mittels Parameterstudien werden abschließend Hybridcorde und Hybridcord-Elastomer-Verbunde untersucht und einige Hinweise für eine optimale Gestaltung hinsichtlich minimaler Beanspruchungen des Elastomers, des Hybridcords sowie der Grenzfläche gegeben.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis VIII 1 Einleitung 1 2 Grundlagen der Mathematik und der Mechanik 6 2.1 Tensoralgebra und -analysis 6 2.2 Nichtlineare Kontinuumsmechanik 11 2.3 Nichtlineare Finite-Elemente-Methode 16 3 Einordnung in den Stand der Forschung 22 4 Experimentelle Untersuchungen 26 4.1 Charakterisierung der Standardcorde 26 4.2 Charakterisierung der Hybridcorde 33 5 Materialmodelle für Multi lamentgarne 38 5.1 Anisotropes Plastizitätsmodell der Filamentreibung 38 5.2 Numerische Lösung der Materialgleichungen 43 5.3 Analytische Lösung für reibungsfreies Gleiten 48 5.4 Modellierung des thermischen Schrumpfens 50 6 FEM-basierte Modellierung von Hybridcorden 53 6.1 Simulation der Verzwirnung eines Standardcords 53 6.2 Erweiterung des Berechnungsmodells auf Hybridcorde 60 6.3 Analytisches Modell der Geometrie eines Hybridcords 65 6.4 Qualitative Charakterisierung des Hybridcordmodells 74 6.5 Parameteridenti kation und Validierung 83 6.6 Optimierungsbeispiele 92 7 Schalenartige RVEs für Cord-Elastomer-Verbunde 96 7.1 Geometrie der Axial- und der Kreuzlage 96 7.2 Erweiterte periodische Randbedingungen 98 7.3 E ektive Schaleneigenschaften 111 7.4 Berücksichtigung der Drucklast 118 7.5 Diskretisierung der RVEs 122 7.6 Submodelltechnik 128 7.7 Parameterstudien an Hybridcord-Elastomer-Verbunden 135 8 Zusammenfassung und Ausblick 146 Literaturverzeichnis 151 The analysis of stresses and strains within textile-reinforced rubber components like air springs, tyres, driving belts, and tubes requires accurate as well as efficient computational models. On the one hand, the large deformations, the composite's strongly anisotropic properties, and the large ratio between the size of the cords and the composite necessitate a precise modeling. On the other hand, the highly loaded parts of the components are spatially confined and thus a reduction of the computational effort is desirable. These reduced models are efficient enough for performing engineering-oriented optimizations. The two main priorities of this work are the continuum mechanical modeling of hybrid cords and the development of representative volume elements of highly loaded hybrid cord-rubber composites. Based on an anisotropic plasticity model, which takes the frictional sliding between the filaments within multifilament yarns into account, a finite element model for the simulation of the twisting process of a hybrid cord is the fundament of this work. A comparison with experimental results from tensile and torsional tests as well as images of cross sections validate the proposed hybrid cord model. The basis of the representative volume element is the extension of the classical periodic boundary conditions, which now enable to take the curvature and pressure load into account. Thus, the model is suitable to analyze the highly loaded parts of hybrid cord-rubber composites like the rolling lobe of an air spring. Finally, the set-ups of hybrid cords and hybrid cord-rubber composites are analyzed by means of parameter studies to obtain a minimized loading of the rubber, yarns, and their interface.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis VIII 1 Einleitung 1 2 Grundlagen der Mathematik und der Mechanik 6 2.1 Tensoralgebra und -analysis 6 2.2 Nichtlineare Kontinuumsmechanik 11 2.3 Nichtlineare Finite-Elemente-Methode 16 3 Einordnung in den Stand der Forschung 22 4 Experimentelle Untersuchungen 26 4.1 Charakterisierung der Standardcorde 26 4.2 Charakterisierung der Hybridcorde 33 5 Materialmodelle für Multi lamentgarne 38 5.1 Anisotropes Plastizitätsmodell der Filamentreibung 38 5.2 Numerische Lösung der Materialgleichungen 43 5.3 Analytische Lösung für reibungsfreies Gleiten 48 5.4 Modellierung des thermischen Schrumpfens 50 6 FEM-basierte Modellierung von Hybridcorden 53 6.1 Simulation der Verzwirnung eines Standardcords 53 6.2 Erweiterung des Berechnungsmodells auf Hybridcorde 60 6.3 Analytisches Modell der Geometrie eines Hybridcords 65 6.4 Qualitative Charakterisierung des Hybridcordmodells 74 6.5 Parameteridenti kation und Validierung 83 6.6 Optimierungsbeispiele 92 7 Schalenartige RVEs für Cord-Elastomer-Verbunde 96 7.1 Geometrie der Axial- und der Kreuzlage 96 7.2 Erweiterte periodische Randbedingungen 98 7.3 E ektive Schaleneigenschaften 111 7.4 Berücksichtigung der Drucklast 118 7.5 Diskretisierung der RVEs 122 7.6 Submodelltechnik 128 7.7 Parameterstudien an Hybridcord-Elastomer-Verbunden 135 8 Zusammenfassung und Ausblick 146 Literaturverzeichnis 151

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Ermüdungs- und Hystereseeigenschaften von Gummi und Gummi-Textil Verbundwerkstoffen. Der Messaufbau ermöglicht die Ermüdung von reinen Gummiproben und Gummi-Textil-Verbundwerkstoffen mit der gleichen Probengeometrie zu untersuchen. Es werden verschiedene Gummimischungen untersucht um den Einfluss der Hauptbestandteile der Gummimischungen zu evaluieren. Ein Hauptaugenmerk liegt in der Untersuchung der Unterschiede zwischen Modellmischungen, die nur im Labor verwendet werden, und industrielle Mischungen, die in Produkten zur Anwendung kommen. Da die üblichen Laborbedingungen von den Lastbedingungen von Produkten oft abweichen, werden die Einflüsse verschiedener Kurvenparameter wie Lastverhältnis, Frequenz bzw. Dehnrate und Kurvenform untersucht. Dabei wird der Lastfall eines bestimmten Produktes (Handlauf) herangezogen. Außerdem wird das Ermüdungsverhalten unter erhöhter Temperatur untersucht. Es werden Risswachstums- und Lebensdauermessungen durchgeführt, wobei jeweils auch die Hystereseeigenschaften untersucht werden. Bei allen Ermüdungsuntersuchungen wird die Dehnung mit digitaler Bildkorrelation bestimmt und die Eigenerwärmung unter zyklischer Belastung mittels IR Thermografiekamera gemessen. Der Zusammenhang zwischen Probentemperatur und dissipierter Energie wird analysiert. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird das Ermüdungsverhalten der Gummi-Textil-Verbundwerkstoffe untersucht. Für die Verbundwerkstoffe werden gewebte Textilien verwendet statt, wie in der Literatur üblich, einzelne Stränge. Da es sich bei der Form zur Herstellung der Proben und dem Klemmsystem für die Prüfmaschine um Neuentwicklungen handelt, werden sowohl die Ermüdungseigenschaften bezüglich Risswachstum und Lebensdauer untersucht als auch Zugversuche zur Evaluierung der Güte des Verbundes durchgeführt. Da die Prüffrequenz durch die Eigenerwärmung der Materialien begrenzt ist, lassen sich sehr hohe Schwingspielzahlen nur über lange Versuchszeiten erreichen. Deshalb werden verschiedene analytische Modelle zur Lebensdauerabschätzung von Gummi herangezogen und analysiert. Die Modelle werden auf die Qualität ihrer Lebensdauerabschätzung untersucht, aber auch bezüglich des Zeitaufwands, der notwendig ist um die Daten zur Berechnung der Modelle zu ermitteln (Zeitersparnisfaktor)., The focus of this work is the investigation of fatigue and hysteresis properties of rubber blends and rubber-textile composites. A measurement set-up is defined which allows to investigate rubber and rubber-textile composites using the same specimen geometry. Different rubber blends are used to investigate the influence of the main material ingredients. The analysis of the difference of model materials used solely in the laboratory and industrial rubber blends used in real products is thereby one of the focuses. Since the typical loading conditions in laboratory deviate from loading cases of real products, different influences of curve parameters including load ratio, frequency/strain rate, and wave form are examined. The loading conditions are chosen with regards to a specific product (handrail). Furthermore, the influence of a higher ambient temperature is studied. Fatigue life and crack growth measurements are conducted and the hysteresis properties are investigated. For all fatigue measurements, the real strain is measured using digital image correlation and the heat build-up under cyclic loading is determined with an IR thermography camera. The relation between sample temperature and dissipated energy is reviewed. Based on the measurements with pure rubber samples, the fatigue behaviour of rubber-textile composites is investigated. The measurement set-up enables the investigation of rubber and rubber-textile samples with the same geometry. For the composites, woven mats are used as reinforcement instead of single cords. The production mould for rubber-textile samples and the clamps for the testing machine are newly developed and built. Therefore, in addition to the crack growth and fatigue life measurements also tensile tests are done to evaluate the quality of the composite. The heat build-up of the materials limits the frequency of the measurements. Therefore, high cycle fatigue measurements are time-consuming. Thus, different analytical models for fatigue life prediction are considered and analysed. The reliability of the fatigue life prediction of these models and also the amount of time (measurement and evaluation time) to attain these predictions are examined.

Aufgrund der großen Bedeutung technischer Gummiwerkstoffe in industriellen Anwendungen ist die Vorhersage des Materialverhaltens ein aktuelles Forschungsgebiet. Insbesondere die Veränderung der Eigenschaften, die durch chemische Prozesse herbeigeführt werden, spielen eine große Rolle, da aufgrund gestiegener Anforderungen an die Haltbarkeit von Bauteilen diese Alterungseffekte verstanden, vorhergesagt und abgeschwächt werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein mathematisches Modell hergeleitet, das die chemischen Vorgänge vorhersagt und deren Auswirkungen auf wichtige Eigenschaften in einem mechanischen Materialmodell beachtet. Insbesondere der Oxidation durch Luftsauerstoff wird Rechnung getragen. Das mechanische Materialverhalten alternder Gummiwerkstoffe wird mit Hilfe eines neuartigen Ansatzes modelliert. Das in dieser Arbeit vorgestellte Dynamische-Netzwerk-Modell betrachtet die Auswirkungen der chemischen Reaktionen auf das mechanische Verhalten als einen kontinuierlichen Netzwerkumbau durch das Entfernen und neue Einsetzen von Verbindungen zwischen Polymerketten. Basierend auf experimentellen Erkenntnissen werden Hypothesen formuliert, die eine Kopplung zwischen den Oxidationsreaktionen und der Veränderung des mechanischen Verhaltens herstellen. Durch Beachtung von Diffusion und Reaktion kann die lokale Sauerstoffverteilung in großvolumigen Bauteilen berechnet und der Effekt der diffusionslimitierten Oxidation (DLO-Effekt) vorhergesagt werden. Um eine Bestimmung der Modellparameter zu ermöglichen, werden verschiedene Experimente vorgeschlagen, mathematisch modelliert und deren Eignung zur Parameteridentifikation analysiert. Mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Experimenten können sowohl die chemischen als auch die mechanischen Modellparameter sicher identifiziert werden. In dieser Arbeit wird zudem ein sogenannter gestaffelter Lösungsalgorithmus vorgeschlagen, der das Alterungsproblem nach einer mathematischen Entkopplung unterschiedlicher Feldprobleme über geeignete Kopplungsvariablen effizient berechnen kann. Mit Hilfe dieses Algorithmus kann eine Simulation effizient durchgeführt und das Alterungsverhalten komplexer Strukturen vorhergesagt werden. Die Simulation anwendungsnaher Strukturen zeigt, dass die abgeleiteten Modelle und Algorithmen problemlos in einem industriellen Umfeld einsetzbar sind. Due to the great importance of rubber materials in industrial applications, the prediction of the material behavior is a current research field. Particularly the property changes that are induced by chemical processes play a major role, as these aging effects must be understood, predicted and reduced due to the increased requirements regarding the durability of components. In the context of this thesis, a mathematical model that predicts and considers the chemical processes and their effects on important properties in a mechanical material model is derived. Oxidation through atmospheric oxygen is specifically examined in this work. The mechanical material behavior of aging rubber materials is modeled using a novel approach. The dynamic network model introduced in this paper considers the effects of the chemical reactions on the mechanical behavior as a continuous restructuring of the network by removing and inserting new crosslinks between polymer chains. Based on experimental obervations a coupling between the oxidation reactions and a change of the mechanical material behavior is proposed. By taking into account the diffusion and reaction the local distribution of oxygen in large sized components can be computed. Thus, the effect of diffusion limited oxidation (DLO effect) can be predicted. In order to make an identification of the model parameters possible, different experiments are suggested, modeled mathematically and their suitability for parameter identification is analyzed. Not only the chemical, but also the mechanical model parameters can be identified reliably using a comparably few number of experiments. Moreover, a so-called staggered solution algorithm that can calculate the aging problem efficiently after a mathematical uncoupling of the field problems using a suitable coupling variable is introduced. This algorithm can perform a simulation efficiently and predict the aging behavior of complex structures. The simulation of application oriented structures proofs the applicability of the derived models and algorithms within an industrial environment.

Gummiwerkstoffe zeigen unter Belastung ein hochkomplexes Verhalten. Besonders markant sind dabei die von der Belastungsgeschichte und Belastungsrichtung abhängigen Entfestigungseffekte. Für die Entwicklung zuverlässiger und optimierter Produkte aus Gummi ist ein vertieftes Verständnis dieser Eigenschaften essentiell. Sie lassen sich aber nur schwer mit den Eigenschaften der bei der Herstellung des Werkstoffs verwendeten Grundkomponenten in Zusammenhang bringen. Die genauen Vorgänge auf molekularer Ebene, die zu dem typischen Materialverhalten führen, sind unbekannt. In der Arbeit wird als Erklärungsansatz die von Ihlemann entwickelte Theorie selbstorganisierender Bindungsmuster untersucht. Die zentrale These der Theorie besagt, dass sich unter Deformation infolge eines Selbstorganisationsprozesses eine inhomogene Verteilung schwacher physikalischer Bindungen im Material einstellt. Dieses Bindungsmuster verändert sich mit dem Deformationsvorgang und stellt damit das Gedächtnis des Materials dar. In der Arbeit werden zunächst allgemeine Aspekte selbstorganisierender Systeme untersucht und die Theorie anschließend unter diesen Aspekten analysiert. Außerdem wird der Erklärungsansatz geeignet erweitert und demonstriert, dass sich auch neue messtechnische Befunde damit problemlos erklären lassen. Insgesamt wird gezeigt, dass die Theorie selbstorganisierender Bindungsmuster als überzeugende Begründung für eine Vielzahl beobachteter Eigenschaften von Gummiwerkstoff geeignet ist. Um die Theorie zu testen, wurde ein Simulationsprogramm erstellt. Es verwendet eine starke Abstraktion der Molekularstruktur von gefülltem Gummiwerkstoff. Die einzelnen Modellelemente wurden dabei so einfach wie möglich gehalten. Sie sind alle elastisch, es existiert aber eine Regel zum dynamischen Einfügen und Entfernen der physikalischen Bindungen. Daher können alle inelastischen Eigenschaften des Modells direkt mit einer Veränderung der Bindungsstruktur assoziiert werden. Es werden Verfahren vorgestellt, mit denen die zeitliche und deformationsabhängige Evolution des Modellzustands verfolgt werden kann. Damit werden die Abläufe von Messungen nachgebildet. Die Resultate der Simulation werden mit den Messergebnissen verglichen. Dabei zeigt sich, dass mit dem Programm eine Vielzahl typischer inelastischer Eigenschaften von gefülltem Gummiwerkstoff reproduziert werden kann. Dieses Resultat ist bemerkenswert, weil keines der Grundelemente des Modells diese Eigenschaften aufweist. Eine Analyse des Modells zeigt eindeutig, dass das Modellverhalten auf einem Selbstorganisationsvorgang des Modellelements, welches die physikalischen Bindungen repräsentiert, basiert. Der Selbstorganisationsvorgang verläuft genau so, wie von der Theorie vorhergesagt. Die erstaunliche Ähnlichkeit zum Materialverhalten und die geringe Anzahl von getroffenen Annahmen ist ein starkes Indiz dafür, dass in Gummiwerkstoff ebenfalls ein solcher Selbstorganisationsprozess abläuft und das Materialverhalten maßgeblich beeinflusst. Filled rubber material exhibits a complex behavior in mechanical testing. Especially characteristic is a softening of the material depending on direction and history of loading. For the development of reliable and optimized products deep knowledge about these properties is essential. They are, however, difficult to connect to the properties of the employed molecular components. Overall, the precise molecular scale processes which lead to the material behavior are unknown. In this work the theory of self-organizing linkage patterns by Ihlemann is investigated. Its central claim is, that under deformation a self-organization process occurs, which leads to an inhomogeneous distribution of weak physical links. This linkage pattern evolves during deformation and therefore represents the memory of the material. First of all, some general properties of self-organizing systems are considered. Thereafter, this theory is analysed under these aspects. Moreover, the approach is extended in order to explain some recent experimental observations. It is demonstrated that these new results clearly support the concept. Overall, it is shown that the theory of self-organizing linkage patterns is capable of explaining how a wide variety of material properties emerges from the microstructure. In order to test the theory, a simulation program is developed. It is based on an abstract model of the molecular structure of filled rubber. The model elements are kept as simple as possible. Their characteristic is always elastic. However, there is a rule for dynamically inserting and removing the model element representing the physical links. Hence, all inelastic properties of the model can be associated with a modification of the linkage structure. Algorithms for tracking the evolution of the linkage pattern over time and during a deformation process are presented. These allow to replicate the schedule of published experiments in simulation. The simulation can reproduce a wide variety of typical rubber properties. This is a remarkable result, as none of the basic model elements show any inelastic behavior. An analysis of the model shows clearly that the model behavior is due to a self-organization process based on the model element representing the physical linkages. The self-organization is structured exactly as predicted by the theory. The surprising similarity between simulation and experimental results and the small number of asumptions made lead to the conclusion that in filled rubber most probably such a self-organization process with decisive impact on the material properties is occuring.

Author DI Rainer Kaltseis Zusammenfassung in deutscher Sprache Universität Linz, Univ., Dissertation, 2016 OeBB

An increased environmental awareness, legal demands and the large part of total costs attributable to fuel cost are all incentives for the automotive industry to reduce fuel consumption. The optimal driveline to enable this reduction depends on the operational conditions and the available infrastructure. Moreover, special care is needed when developing the driveline isolators, since the demands on noise, vibration and harshness (NVH) are the same regardless of driveline. To this end, computer aided calculations can be used in order to evaluate a large number of configurations. However, these calculations are only, at best, as good as the material models employed. In the foreseeable future, rubber with reinforcing fillers will be used in vibration isolators in order to obtain the desired properties of these components. However, the stiffness and damping of rubber with reinforcing fillers are highly non-linear functions, and the available material models in commercial software and in the literature are often insufficient. Therefore, a finite strain viscoplastic material model is derived in the time domain and implemented as a user defined material model in Abaqus Explicit. The model captures the strain amplitude and frequency dependency of the storage and loss modulus for a carbon black filled natural rubber. The model is accurate over a wide range of shear strain amplitudes and frequencies, 0.2-50 % and 0.5-20 Hz, respectively, using only 5 material parameters. In addition, the model correctly captures the response from bimodal excitations. The implementation in Abaqus Explicit enables component characteristics to be evaluated early in the development phase, with material parameters derived from simple test specimens. The improved accuracy of simulations of these components can aid engineers develop more optimized solutions faster than with conventional methods. En ökad miljömedvetenhet, juridiska krav och den stora delen av de totala kostnaderna som kan hänföras till bränslekostnader är alla incitament för fordonsindustrin att minska bränsleförbrukningen. Den optimala drivlinan för att möjliggöra denna minskning beror på driftförhållanden och den tillgängliga infrastrukturen. Dessutom ställs höga krav på utvecklingen av drivlineisolatorer, eftersom kraven på buller och vibrationer (NVH) är desamma oavsett drivlina. För detta ändamål kan datorstödda beräkningar användas för att utvärdera ett stort antal konfigurationer. Dessa beräkningar är, i bästa fall, endast så bra som de använda materialmodellerna. Inom en överskådlig framtid kommer gummi med förstärkande fyllmedel användas i vibrationsisolatorer för att erhålla de önskade egenskaperna hos dessa komponenter. Men styvheten och dämpningen i gummi med förstärkande fyllmedel är kraftigt icke-linjära funktioner, och de tillgängliga materialmodellerna i kommersiella programvaror och i litteraturen är ofta otillräckliga. Därför är en viskoplastisk materialmodell för finita deformationer framtagen i tidsdomänen och implementeras som ett användardefinierat material i Abaqus Explicit. Modellen fångar töjningsamplitud- och frekvensberoendet av lagrings- och förlustmodulen för ett kimröksfyllt naturgummi. Den är korrekt över ett brett intervall av skjuvtöjningsamplituder och frekvenser, 0.2-50% respektive 0.5-20 Hz, och kräver endast 5 materialparametrar. Dessutom fångar modeller responsen från bimodala excitationer. Implementeringen i Abaqus Explicit gör att komponentegenskaper kan utvärderas tidigt i utvecklingsfasen, med materialparametrar som härrör från enkla provkroppar. Den förbättrade noggrannheten i simuleringar av dessa komponenter kan hjälpa ingenjörer att utveckla mer optimerade lösningar snabbare än med konventionella metoder. QC 20160406

Validerat; 20160623 (global_studentproject_submitter)

Es wurde die Optimierungssoftware SPC-Opt entwickelt, mit welcher sich Aufgaben aus den Bereichen der Formoptimierung sowie der Material- und Formidentifikation bearbeiten lassen. Zur Lösung von Identifikationsproblemen steht eine robuste Implementierung des Levenberg-Marquardt-Fletcher-Verfahrens zur Verfügung. Ergänzt wird dieses durch Line-Search- und Trust-Region-Verfahren, welche sich besonders für Aufgaben der Formoptimierung eignen. Es wurden effiziente Algorithmen zur Approximation der Hesse-Matrix sowie verschiedene Verfahren zur Startparametervariation integriert. Das Programm verfügt über Schnittstellen zur Nutzung von ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, eigenen FEM-Programmen sowie LUA-Skripten. Für Formoptimierungen können geometrische Konturen durch NURBS approximiert und deren Kontrollpunkte als Formparameter genutzt werden. Die Aktualisierung der FEM-Netze entsprechend der Formparameteränderung erfolgt durch ein analytisches Verfahren. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit bezieht sich auf die Weiterentwicklung bestehender Verfahren zur Materialparameteridentifikation im Bereich der Gummiwerkstoffe. Hierbei wurde das Konzept der Anpassung anhand bauteilnaher Probekörper entwickelt. Dabei wurde am Beispiel einer Fahrwerksbuchse ein Probekörper entworfen, welcher dem originalen Bauteil zwar ähnlich sieht, jedoch eine deutlich einfachere Geometrie hat. Durch diesen konnte das Verhalten des Bauteils gut approximiert und sichergestellt werden, dass die im Rahmen der Parameteridentifikation durchgeführten FEM-Simulationen sicher konvergieren. Zudem wurden die Nutzerschnittstellen des inelastischen Morph-Stoffgesetz für MSC.MARC und ABAQUS weiterentwickelt, sodass diese nunmehr auch im industriellen Umfeld nutzbar sind. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Verwendung bauteilnah identifizierter Parameter zu einer erheblich besseren Abbildung des Materialverhaltens führt als die Verwendung anhand von Standardprobekörpern identifizierter Parameter. Weiterhin zeigte sich, dass vor allem der Einsatz eines Stoffgesetzes mit der Möglichkeit zur Abbildung des charakteristischen Verhaltens von Elastomeren unbedingt erforderlich ist. Within the scope of this work the optimization software SPC-Opt has been developed to successfully process tasks in the fields of shape optimization and parameter identification. The software includes a robust Levenberg-Marquardt-Fletcher algorithm, several line search and trust region algorithms as well as efficient methods for the approximation of the Hessian matrix. Additionally, procedures for the variation of initial parameters (Design Of Experiments) were implemented. The software includes interfaces to ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, in-house FEM programs and LUA scripts. Within shape optimization problems, geometric shapes are approximated by NURBS and the related control points are employed as design variables. For the update of the FE mesh during the variation of the design variables, a special analytical algorithm is used to preserve the mesh topology. Another focus is related to the further development of existing material parameter identification procedures for rubber materials. Therefor, the concept of component-oriented specimens was developed. Using the example of a bushing, a specimen was designed, which is similar to the original component but has a much simpler geometry. According to this, the behavior of the original component is approximated and the stability of necessary FE simulations is ensured. Additionally, the utilized Model of Rubber Phenomenology (MORPH) is improved in view of the industrial use. It is shown that the identification of material parameters using component-oriented specimens leads to a much better approximation of the original component behaviour than using standard specimens. Additionally, it is shown that the use of a material law which can consider characteritic properties of elastomers, is absolutely necessary.

The aim of this study is focused on the experimental investigation of dynamic wear behavior of carbon black filled rubber compounds comprising pristine styrene butadiene rubber (SBR) together with incorporated SBR ground rubber (rubber powder). We also analyzed and described quantitatively the service conditions of some dynamically loaded rubber products, which are liable to wear (e.g. conveyor belts, tires). Beside the well-known standard test method to characterize wear resistance at steady-state conditions, we used an own developed testing equipment based on gravimetric determination of mass loss of rubber test specimen to investigate the influence of rubber powder content on dynamic wear depending on varying impact energy levels. Incorporation of SBR rubber powder in SBR rubber compounds increases wear. With increasing rubber powder content the wear at steady-state conditions progressively increases. However, the level of wear at dynamic loading conditions increases only once, but stays constant subsequently even with contents of incorporated rubber powder.

Die Arbeit widmet sich der Problemstellung der Substitution des Primärrohstoffes Kautschuk durch Rezyklate in Form von Gummimehl. Die für das innerbetriebliche Recycling von Kleinchargen technischer Elastomere hier eigens konzipierte und umgesetzte Warmmahltechnologie dient zur Herstellung von Gummimehlrezyklat hoher Qualität aus Lkw-Altreifen. Hinsichtlich ausgewählter Verarbeitungs- und Materialkennwerte von Mischung und Vulkanisat werden die Auswirkungen der Zugabe von Rezyklaten und die wesentlichen Einflussgrößen des den Rezyklaten zugrunde liegenden Aufbereitungsprozesses – das Kryogenmahlverfahren bzw. die neu entwickelte Warmmahltechnologie – herausgearbeitet. Abschließend erfolgt die Formulierung materialspezifischer Versagensmechanismen, die das entsprechende Aufbereitungsverfahren der Rezyklate berücksichtigen.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 2.1 Elastomerrecycling 3 2.2 Warm- und Kaltmahlverfahren 5 2.3 Warmmahlextrusion 8 3 Zielstellung 13 4 Werkstoffmechanische Charakterisierung von Elastomeren 15 4.1 Eigenschaften von Kautschuk und Gummi 15 4.2 Mechanisches Ersatzmodell 16 4.3 Vulkanisation 20 4.3.1 Grundlagen 20 4.3.2 Vernetzungsreaktion 22 4.3.3 Konstitution der Vernetzungsstellen 23 4.3.4 Reversion und „marching modulus“ 25 4.4 Verformungsverhalten 26 4.4.1 Hyperelastizität 26 4.4.2 Hysterese 27 4.4.3 Mullins-Effekt 28 4.4.4 Payne-Effekt 29 4.4.5 Spannungsrelaxation und Spannungsretardation 30 4.5 Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.1 Temperaturabhängige Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.2 Zeitabhängige Zustandsbereiche 32 4.5.3 Zeit-Temperatur-Superposition 33 4.6 Gummireibung 35 4.7 Bruchmechanische Ansätze 38 4.7.1 Begriffsdefinitionen 38 4.7.2 Rissinitiierung und Rissausbreitung 39 4.7.3 Rissabstumpfung (Blunting) 41 4.7.4 Einfluss der Verschlaufung der Makromoleküle und der Vernetzungsdichte 46 5 Eigenschaften und Versagensverhalten von Rezyklatcompounds 49 6 Warmmahltechnologie zur Verarbeitung sortenreiner Kleinchargen 53 6.1 Neuer Warmmahlprozess 53 6.2 Verfahrensoptimierung 55 6.3 Technische Elastomere 61 6.4 Ergebnisse der Verfahrensoptimierung 63 7 Untersuchung des Werkstoffverhaltens von Rezyklatcompounds 65 7.1 Charakterisierung der Ausgangsmaterialien 65 7.2 Mischungseigenschaften und Vulkanisationsverhalten 66 7.2.1 Mischungsrezeptur und Mischungsrheologie 66 7.2.2 Flüssig-Fest-Extraktion zur Ermittlung des Sol-Anteils 68 7.2.3 Vulkanisationsverhalten 71 7.3 Vulkanisateigenschaften 72 7.4 Spannungs-Dehnungs-Verhalten 75 7.4.1 Zugversuch nach DIN 53504 75 7.4.2 Zugversuche bei verschiedenen Dehnraten 79 7.5 Bruchflächenmorphologie 87 8 Auswertung der Untersuchungen von Rezyklatcompounds 93 8.1 Auswirkungen der Zugabe von Gummimehlrezyklat in die Kautschukmischung 93 8.2 Versagensmechanismen von Rezyklatcompounds 94 8.3 Vergleich von Rezyklatcompounds mit warm oder kryogen vermahlenem Feinmehl 97 8.4 Rückschlüsse aus der Materialcharakterisierung 99 9 Zusammenfassung und Ausblick 101 10 Literaturverzeichnis 103 11 Anhang 107 The work is devoted to the problem of the substitution of the primary raw material rubber by recycled materials in the form of rubber powders. For the in-plant recycling of small batches of technical elastomers an ambient grind technology was specifically designed and implemented for making rubber powders of high quality out of used truck tires. In terms of selected processing and material characteristics of the mixture and the vulcanizate the influences of the addition of recycled material and the significant factors affecting the regeneration process underlying these recyclates – the cryogenic grinding versus the new developed ambient grinding technology – were worked out. Finally, the material-specific failure mechanisms were formulated, incorporating the regeneration process of such regenerated materials.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 2.1 Elastomerrecycling 3 2.2 Warm- und Kaltmahlverfahren 5 2.3 Warmmahlextrusion 8 3 Zielstellung 13 4 Werkstoffmechanische Charakterisierung von Elastomeren 15 4.1 Eigenschaften von Kautschuk und Gummi 15 4.2 Mechanisches Ersatzmodell 16 4.3 Vulkanisation 20 4.3.1 Grundlagen 20 4.3.2 Vernetzungsreaktion 22 4.3.3 Konstitution der Vernetzungsstellen 23 4.3.4 Reversion und „marching modulus“ 25 4.4 Verformungsverhalten 26 4.4.1 Hyperelastizität 26 4.4.2 Hysterese 27 4.4.3 Mullins-Effekt 28 4.4.4 Payne-Effekt 29 4.4.5 Spannungsrelaxation und Spannungsretardation 30 4.5 Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.1 Temperaturabhängige Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.2 Zeitabhängige Zustandsbereiche 32 4.5.3 Zeit-Temperatur-Superposition 33 4.6 Gummireibung 35 4.7 Bruchmechanische Ansätze 38 4.7.1 Begriffsdefinitionen 38 4.7.2 Rissinitiierung und Rissausbreitung 39 4.7.3 Rissabstumpfung (Blunting) 41 4.7.4 Einfluss der Verschlaufung der Makromoleküle und der Vernetzungsdichte 46 5 Eigenschaften und Versagensverhalten von Rezyklatcompounds 49 6 Warmmahltechnologie zur Verarbeitung sortenreiner Kleinchargen 53 6.1 Neuer Warmmahlprozess 53 6.2 Verfahrensoptimierung 55 6.3 Technische Elastomere 61 6.4 Ergebnisse der Verfahrensoptimierung 63 7 Untersuchung des Werkstoffverhaltens von Rezyklatcompounds 65 7.1 Charakterisierung der Ausgangsmaterialien 65 7.2 Mischungseigenschaften und Vulkanisationsverhalten 66 7.2.1 Mischungsrezeptur und Mischungsrheologie 66 7.2.2 Flüssig-Fest-Extraktion zur Ermittlung des Sol-Anteils 68 7.2.3 Vulkanisationsverhalten 71 7.3 Vulkanisateigenschaften 72 7.4 Spannungs-Dehnungs-Verhalten 75 7.4.1 Zugversuch nach DIN 53504 75 7.4.2 Zugversuche bei verschiedenen Dehnraten 79 7.5 Bruchflächenmorphologie 87 8 Auswertung der Untersuchungen von Rezyklatcompounds 93 8.1 Auswirkungen der Zugabe von Gummimehlrezyklat in die Kautschukmischung 93 8.2 Versagensmechanismen von Rezyklatcompounds 94 8.3 Vergleich von Rezyklatcompounds mit warm oder kryogen vermahlenem Feinmehl 97 8.4 Rückschlüsse aus der Materialcharakterisierung 99 9 Zusammenfassung und Ausblick 101 10 Literaturverzeichnis 103 11 Anhang 107

The aim of this study is concentrated on the experimental investigation of wear resistance of rubber powder modified rubber blends. Styrene-Butadiene-Rubber (SBR) blends applied for conveying belt top covers have been modified by ground rubber (rubber powder) based on SBR. We theoretically described the rubber wear mechanism due to loading conditions occurring at conveyor belts in the field, to simulate wear behavior of top cover rubber materials. An own developed testing equipment based on gravimetric determination of mass loss of rubber test specimen was used investigating dynamic wear with respect to fracture properties of top cover materials. Furthermore we investigated fatigue crack growth (FCG) data over a broad range of tearing energy by Tear Analyzer to characterize crack propagation behavior of rubber powder modified rubber blends. Thus, we demonstrate the influence of rubber powder on resistance against occurrence of fracture as well as dynamic wear as a function of the rubber powder content in rubber blends applied for conveying belt top covers.

Bump stops are components used in the truck chassis for the wheel suspension and cab suspension. Their main purpose is to reduce the impact between e.g. front axle and frame when the suspension bottoms. In these situations, the bump stop undergoes compressions with large deformations and high velocities. The dynamics of these components are difficult to describe since the material characteristics for rubber are highly non-linear.The simulation models that are available for the MBS software Adams are highly simplified and do not describe these events in a satisfactory manner. Hence the goal for this thesis work was to develop a simulation model for bump stops based on the results from dynamic testing. The simulation model uses the variables displacement and velocity to calculate the force being transferred through the bump stop. Four different bump stops were subjected to quasi-static and dynamic loading while the force and displacement were measured. The experiments were carried out in a hydraulic press and a test rig designed for this purpose where several weights were dropped onto the bump stop from different heights.A simulation model consisting of an elastic and a visco-elastic force response along with a rate-independent friction model was derived based on the experimental data. The model includes 14 parameters that can be identified through quasi-static and dynamic measurements of the particular component.A subroutine was written in order to implement the proposed model in Adams and a virtual model of the test rig was created. A number of dynamic simulations were performed in order to verify the model by comparing the results to experimental data.A FE-analysis was carried out on two of the tested bump stops and it was found that some of the bump stop characteristics could possibly be obtained without performing any experiments on physical components. Validerat; 20140526 (global_studentproject_submitter)

Die vorliegende Dissertation beschäftigte sich mit der Erprobung von Gummimatten für den Liege- und Laufbereich in der Sauenhaltung. Die Untersuchungen wurden am Bildungs- und Wissenszentrum, Landesanstalt für Schweinezucht und Schweinehaltung (LSZ), Boxberg und auf einem Praxisbetrieb durchgeführt. Anhand verschiedener Fragestellungen wurde das Liege- und Laufverhalten, sowie die Klauengesundheit auf Gummimatten analysiert. Abschließend wurden die Kosten der Gummimatten dem entstandenen Nutzen gegenübergestellt. Das Liegeverhalten wurde in einem Warteabteil mit statischer Kleingruppenhaltung anhand eines Wahlversuchs analysiert, d. h. die Sauen hatten die Möglichkeit, ihre Bevorzugung eines Bodentyps (harte Gummimatte, weiche Gummimatte oder Betonboden) durch ihre Liegeplatzwahl zu zeigen. Weiter gaben die Häufigkeit und Dauer der Liegepositionen und die Häufigkeit der Positionswechsel Auskunft über die Liegequalität des Bodens. Das Verhalten der Sauen wurde mit Hilfe von Videoaufzeichnungen beobachtet. Insgesamt wurden 18 Durchgänge à 3 Wochen durchgeführt. Die Gummimatten wurden für die einzelnen Versuchsdurchgänge randomisiert ein- bzw. umgebaut, um Abteileffekte zu verhindern bzw. auszuschließen. Die Ergebnisse des Präferenzversuchs zeigten, dass die Sauen weiche, verformbare Liegeflächen gegenüber Betonboden eindeutig bevorzugten. Die weichen Gummimatten wurden mit 53,6 % gegenüber den harten Gummimatten mit 38,1 % präferiert. Der Betonboden wurde mit 8,3 % nur selten genutzt. Bei der Differenzierung der Liegepositionen konnte festgestellt werden, dass die Seitenlage am häufigsten auf den weichen Gummimatten mit 74,1 % eingenommen wurde. Die Dauer der eingenommenen Liegepositionen und die Häufigkeit der Positionswechsel zeigten keine bedeutenden Unterschiede zwischen den einzelnen Bodenqualitäten. Bei der Laufweganalyse wurde die Nutzung unterschiedlicher Bodenflächen im Aktivitätsbereich einer dynamischen Großgruppenhaltung analysiert. Die Sauen hatten die Möglichkeit zwischen Laufwegen aus Betonspaltenboden oder perforierten Gummimatten zu wählen. Hierzu wurden Gummibahnen mit einer Breite von 60 cm im Aktivitätsbereich verlegt. Insgesamt wurden vier Varianten von Laufwegen eingebaut und geprüft. Pro Variante wurden vier Durchgänge à drei Wochen analysiert. Die ersten beiden Wochen dienten als Eingewöhnungsphase, die letzte Woche war die Versuchsphase. Während der Versuchsphase fanden die Verhaltensbeobachtungen mittels Videotechnik statt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Sauen die Laufwege aus Gummimatten zur Fortbewegung eindeutig bevorzugten. Individuelle Unterschiede in der Nutzungsintensität wurden nicht festgestellt. Hinsichtlich des Eliminationsverhaltens zeigten die Sauen ebenfalls eine eindeutige Präferenz für Gummimatten. Trotz der stärkeren Verschmutzung der Gummimatten mit Kot und Harn, wurden nur wenige Tiere beim Ausrutschen beobachtet. Die Bewertung der Klauengesundheit wurde in allen drei Haltungsabschnitten (Deckzentrum, Wartehaltung, Abferkelstall) der konventionellen Ferkelerzeugung durchgeführt, wobei die Hauptuntersuchungen im Deckbereich mit unterschiedlichen Böden im Liegebereich (Betonboden, Betonspaltenboden, harte und weiche Gummimatten) stattfanden. Die Bonitur der Klauen erfolgte zum Einstallen und Ausstallen der Sauen in den jeweiligen Haltungsabschnitten. Die Gummimatten im Liegebereich des Deckzentrums zeigten eine positive Beeinflussung der Klauengesundheit im Vergleich zur Klauengesundheit der Sauen, welche ausschließlich auf Betonspaltenboden oder Betonboden gehalten wurden. Insbesondere beim Merkmal „Wandhornabschürfungen und Lederhautblutungen“ bewirkten Gummimatten im Liegebereich eine deutliche Verbesserung. Weniger stark ausgeprägt zeigte sich eine Verbesserung der Klauengesundheit auf Gummimatten in den Merkmalen: Afterklauenabrisse, Sohlen- und Ballendefekte, Schleimbeutel und Hornrisse / -spalten. Der Vergleich der Einzelhaltung (Abferkelstall) mit der Gruppenhaltung (Wartehaltung) zeigte, dass in der Gruppenhaltung vor allem Sohle und Ballen höheren Belastungen ausgesetzt waren. Im Abferkelstall während der Einzelhaltung zeigte sich hingegen eine unzureichende Abnutzung der Klauen. Die ökonomische Bewertung der Gummimatten wurde unter Zuhilfenahme eines Praxisbetriebes vorgenommen. Die Kosten der Gummimatten wurden dem entstandenen Nutzen gegenübergestellt, modellhaft berechnet und dargestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass sich der Einsatz von Gummimatten für Betriebe mit hohen wirtschaftlichen Schäden aufgrund von Klauenerkrankungen und Lahmheit durchaus lohnen kann, jedoch schwer monetär zu quantifizieren ist. Vielmehr entscheidend ist die persönliche Einstellung des Tierhalters, mit den Gummimatten den Tieren ein tiergerechtes Haltungssystem bieten zu können, sowie der Anreiz, das Image der Tierhaltung durch eine höhere Verbraucherakzeptanz zu stärken und ggf. andere Vermarktungsmöglichkeiten zu finden. This thesis concerns testing the use of rubber mats for lying and movement areas within sow housing. The associated trials were carried out at the Baden-Württemberg Centre for Education and Research, State Institute for Pig Breeding and Production (LSZ), Boxberg, and on a commercial farm. The lying and movement behaviour of sows on rubber mats, as well as related feet health, were analysed based on various indications. Finally, the costs of the rubber mats were compared against the advantages that emerged from their use. Lying behaviour was analysed through observing small static groups of loose-housed pregnant sows. The preferences of the animals themselves indicated, through their free selection, the types of flooring (hard rubber mats, soft rubber mats or bare concrete) most acceptable. Additionally, the frequency and length of time of lying positions, as well as the frequency of position changes when lying, offered information on the comfort of the respective flooring. Sow behaviour was observed with the help of video recordings. The trial involved a total of 18 throughput groups, each group remaining for a period of 3 weeks. The rubber mats were redistributed before the beginning of each new group in a randomised way to help avoid, or prevent, results being influenced by sow preference for certain parts of the compartment. Resulting animal selection of floorings within the trial showed a clear preference amongst the sows for soft, malleable, lying surfaces compared with bare concrete flooring. Soft rubber mats were preferred with 53.6% compared with 38.1% for hard rubber mats. Concrete areas were used only rarely with 8.3%. Differentiating between the lying positions established the side position as most used when lying on soft rubber mats, with 74.1%. The differences of length of time each position was maintained, and frequency of position change on the different flooring, were considered not significant in this case. Walkway analysis involved use of different flooring in the activity area by sows in a large dynamic group system. The sows could choose walkways on concrete slats or on perforated rubber mats, whereby rubber walkways were 60 cm wide. In total, four walkway variations were introduced and tested, each type subject to a throughput of four batches, each batch sojourn lasting three weeks. The first two used as familiarisation periods and the last for the trial period with video recording for behaviour observation. Results showed sows clearly favoured the rubber surfaced walkways for their movements within the activity area. Individual differences in the intensity of utilisation were not noted. With regard to elimination behaviour, the sows also indicated a clear preference for rubber mats. Despite there being more dung and urine left on the rubber mats, only a few animals were observed slipping on the resultant dirty surface. An evaluation of feet health was carried out in all three housing departments of conventional pig production (service centre, pregnant sows area and farrowing pens) whereby the main investigations with different flooring in the lying spaces (concrete floor, concrete slats, hard and soft rubber mats), took place in the service centre. Assessment of feet condition was carried each time the sows entered a new section and when they left each section. The rubber mats used in the service centre lying area showed they had a positive influence on feet health compared with results from sows kept only on concrete slats or on solid concrete flooring. In particular, there was a clear reduction in claw horn wall abrasions and dermis bleeding. Less strongly marked with rubber matting was improvement in feet health in terms of dew claw losses, sole and ball defects, bursitis and horn cracks /splits. Comparison of results from individual housing (farrowing pen) with groups (pregnant sow loose housing) showed that particularly soles and balls were subject to higher wear in the group system. On the other hand, the problem was insufficient horn wear with sows’ feet in individual housing (farrowing pens). Economic assessment of rubber mats was undertaken using additional information from a working farm. The cost of the rubber mats was assessed against the actual advantages offered, arrived at through model calculation. Results show that using rubber mats clearly pays off on farms where feet diseases and lameness cause high economic penalties, although the financial advantages are very hard to quantify currently. Much more quantifiable are the advantages for the pig producer being able to offer animals a welfare-oriented production system through the use of rubber matting while at the same time using the system to strengthen marketing and address new sales possibilities based on a better image for animal production and associated improvement in consumer acceptance.

Für die Simulation technischer Bauteile mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden tensorielle Stoffgesetze benötigt, die zu einem beliebigen dreidimensionalen Verzerrungszustand und gegebenenfalls der Belastungsvorgeschichte und -geschwindigkeit des Materials die zugehörige Spannungsantwort liefern. Die Entwicklung derart komplexer Materialmodelle verläuft oftmals über Zwischenstufen, die zunächst nur Vorhersagen für den einachsigen Zug-/Druckversuch erlauben. Zur automatischen Verallgemeinerung solcher eindimensionaler Materialbeschreibungen zu vollständig dreidimensionalen Stoffgesetzen für die Finite-Elemente-Methode wird im Rahmen dieser Arbeit das Konzept repräsentativer Raumrichtungen vorgeschlagen, welches auf der Integration einachsiger Spannungszustände über eine diskrete Anzahl gleichmäßig verteilter (repräsentativer) Raumrichtungen basiert. Zur Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften des Algorithmus wurden verschiedene inelastische tensorielle Beispielstoffgesetze herangezogen, deren eindimensionale Formulierung als Eingangsmodell für die repräsentativen Raumrichtungen dient. Hierbei zeigt sich, dass die wesentlichen Materialeigenschaften des jeweiligen uniaxialen Eingangsmodells bei der Verallgemeinerung vollständig erhalten bleiben. Weiterhin werden einige wichtige Effekte vom Konzept automatisch generiert, wie z. B. die anisotrope Entfestigung technischer Gummiwerkstoffe oder die formative Verfestigung metallischer Werkstoffe, was eine realitätsnahe Simulation dieser Materialklassen ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand erlaubt. Das Konzept wurde zusätzlich auf Stoffgesetze angewendet, die ausschließlich in Form einer eindimensionalen Materialbeschreibung vorliegen und somit konkrete Anwendungsfällle darstellen. Darüber hinaus wurden für einige ausgewählte Stoffgesetze in repräsentativen Raumrichtungen Vergleiche mit Ergebnissen aus experimentellen Versuchen vorgenommen, wobei sich stets eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation ergibt. Das Konzept repräsentativer Raumrichtungen wurde in die zwei kommerziellen Finite-Elemente-Programme MSC.Marc und ABAQUS implementiert. Hiermit können Simulationen inhomogener Verzerrungs- und Spannungsverteilungen durchgeführt werden, obwohl das zugrunde liegende Stoffgesetz lediglich einachsige Spannungszustände beschreibt. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Methoden vorgestellt, mit deren Hilfe die Effizienz einer FEM-Simulation erheblich gesteigert werden kann. Dies betrifft zum einen die Generierung einer gleichmäßigen Verteilung von repräsentativen Raumrichtungen mit Hilfe eines numerischen Algorithmus zur Simulation sich abstoßender elektrischer Punktladungen auf der Kugeloberfläche. Zum anderen besteht die Möglichkeit, die einzelnen Sätze von repräsentativen Raumrichungen in den Gaußpunkten eines finiten Elementes unterschiedlich zueinander auszurichten, was bei gleichbleibendem Rechenaufwand eine beträchtliche Erhöhung der Rechengenauigkeit erlaubt. The simulation of technical components using the finite element method (FEM) requires tensorial constitutive models which describe the complete relation between a given three-dimensional state of strain (in some cases also the loading history and strain rate) and the corresponding state of stress. The development of such complex material models often leads to an intermediate stage that enables the prediction of uniaxial tension and compression only. The automatic generalization of those one-dimensional material descriptions to complete three-dimensional constitutive models for the finite element method can be accomplished by using the concept of representative directions which is based on the integration of uniaxial stresses over a discrete number of uniformly distributed (representative) directions in space. In order to investigate the fundamental characteristics of the algorithm several inelastic tensorial constitutive models were used, whose one-dimensional formulation serves as the input model for the use within the representative directions. In this context it becomes evident that the essential material properties of the respective uniaxial input model are completely preserved during the process of generalization. Furthermore, some important effects are produced automatically by the concept such as the anisotropic stress softening of technical rubber materials or the distortional hardening of metallic materials, which enables a realistic simulation of those material classes without spending additional effort. The concept was also applied to material models that are available in form of a one-dimensional material description only, so that these can be regarded as concrete applications. In addition, some of the material models in representative directions were compared to experimental data, whereas a good agreement between measurement and simulation can be noticed. The concept of representative directions has been implemented into the commercial finite element programs MSC.Marc and ABAQUS. This enables simulations of inhomogeneous strain and stress distributions even though the underlying material model describes uniaxial loading processes only. In this context, several methods are introduced which can be applied to increase the efficiency of a finite element simulation to a great extent. On the one hand this affects the generation of a uniform distribution of representative directions using a numerical algorithm simulating the repulsion of electric charges on the surface of a sphere. On the other hand, it is possible to adjust the sets of representative directions at the integration points of a finite element differently, which leads to an increasing computational accuracy at constant computational effort.

Utifrån en problemställning formulerad av Trafikverkets skyltfond har produktutvecklingsföretaget Prodelox drivit ett projekt med syfte att testa kreativa idéer för att minska bromssträckan för personbilar i nödsituationer. Som en del i projektet har ett examensarbete genomförts vilket resulterat i denna rapport. Examensarbetet ämnar sammanställa en mängd idéer på alternativa metoder att bromsa bilar, för att sedan välja ut tre av dessa för praktiska tester. Idén med att korta bromssträckan grundar sig i trafiksäkerhetsarbetet i kombination med introduktionen av nya tekniska system som kan förutspå kollisioner. Om en kollision kan förutses är det av största intresse att kunna bromsa in bilen så mycket som möjligt innan detta sker för att minska skadorna och rädda liv. Ur ett förutsättningslöst perspektiv har kreativa idéer tagits fram. Rapporten tar dessutom upp och sammanfattar friktionsteorier och fordonsdynamiska aspekter att ta hänsyn till vid utvecklingsarbetet. Projektet följer en produktutvecklingsmetodik presenterad av Ulrich och Eppinger (2008) och omfattningen är utvecklingsfasens tidiga steg. Genom två iterationer utvecklas koncept genom framtagande av kravspecifikation, konceptgenerering, och konceptval. Idéer testas löpande genom fysiska såväl som virtuella prototyper under hela processen. Den första utvecklingsiterationen resulterar i 17 konceptidéer innefattande olika typer av bromsmetoder. Koncepten delas in i kategorierna ökad friktion, ökad normalkraft, spjärn mot asfalten, aerodynamik och magnetism. Tre koncept väljs ut och utvecklas vidare: Koncept Ankare, Gummiplatta och Avverkan. Utvecklingen av koncept Ankare resulterar i ett koncept där en infästning i asfalten sker i farten under bilen med hjälp av krutdrivna spikpistoler. Fästet förbinds med bilen med ett textilband kallat Tear Webbing. Det är två sydda remmar som producerar en konstant kraft då remmarna slits isär och sömmarna rivs upp. Bandet testas praktiskt och ger en bromseffekt på uppemot 1,5 g-krafter, medan de krutdrivna spikpistolerna inte kan testas i farten inom ramen för detta projekt. Koncept Gummiplatta bygger på att en stor gummiyta placerad under bilen trycks ner i marken och lyfter framvagnen på bilen. Olika gummibelägg testas med förhoppningen att hitta ett gummibelägg med goda friktionsegenskaper. Ökad area och optimerade materialegenskaper kan i teorin leda till bättre friktion. Konceptet testas på både vått och torrt väglag genom en konstruktion under testbilens framvagn. Fyra olika gummiprover jämförs med bilens vanliga bromsar. Endast ett gummi, naturgummi, presterar bättre än referensen i tester från 50 km/h, medan resten resulterar i längre bromssträcka. Vid tester från 100 km/h presterar samtliga gummiprover sämre än referensbromsningarna. Koncept Avverkan baseras på idén att en större kraft än friktionskraften kan fås ut om ett hårt material trycks ner i asfaltens yta och river upp densamma. Deformationerna av asfalten åstadkommer den bromsande kraften. I test av konceptet höll inte konstruktionen, men retardationen som utvecklades innan konstruktionen gav vika kom upp i 1,2 g-krafter, något som visar på att konceptet har kapacitet att korta bromssträckan. Som fortsättning på detta projekt föreslås flera vägar att gå. Koncepten Ankare och Avverkan visar på stor potential att korta bromssträckan och nya projekt med syfte att fortsatt utveckla och testa dessa koncept föreslås. Även andra projekt som ligger utanför syftet av denna rapport, så som en idé för att minska dubbdäcksanvändningen, föreslås för utredning i framtida studier. At the request of the Swedish Transport Administration the product development company Prodelox has initiated a project aiming to test creative ideas on reducing the braking distance for passenger cars in emergency situations. As a part of this project a master thesis has been conducted resulting in this report. The thesis aims to compile ideas on alternative methods for braking cars, and thereafter choosing three of them for practical testing. In combination with introduction of new technical innovations that predict collisions, an alternative braking system that could brake more than standard brakes are of great interest. By reducing the braking distance deaths and serious injuries in traffic can be reduced. From this perspective ideas have been impartially generated. The report includes friction theory and vehicle dynamics to consider in the development. The project is following a product development process presented by Ulrich and Eppinger (2008) and focuses on the early stages of the process. In two iterations concepts are developed through the phases target specification, concept generation and concept selection. Ideas are concurrently tested through physical as well as virtual prototypes. The first development iteration resulted in 17 concepts including different kinds of braking methods. The concepts are divided into five categories; increased friction, increased normal load, grabbing of the asphalt, aerodynamics, and magnetism. Three concepts are chosen for further development; concept Anchor, Rubber plate, and Rip up. The development of concept Anchor results in a concept for which an attachment is made in the asphalt on the fly by use of cartridge actuated fastening machine. The attachment is connected to the car by a textile webbing, called Tear Webbing. It consists of two sewn straps that produce a constant force when torn apart. In practical tests, the concept generate a breaking effect of 1.5 g-forces, while the cartridge actuated fastening cannot be tested on the fly within this project. The development of concept Anchor results in a concept for which an attachment is made in the asphalt on the fly by use of cartridge actuated fastening machine. The attachment is connected to the car by a textile webbing, called Tear Webbing. It consists of two sewn straps that produce a constant force when torn apart. In practical tests, the concept generate a breaking effect of 1.5 g-forces, while the cartridge actuated fastening cannot be tested on the fly within this project. Concept Rip up is based on idea that a bigger force than the frictional force can be achieved by pressing a hard material into the surface of the asphalt road and tearing up the same. The deformations of the asphalt generate the braking force. While testing the concept the structure holding the horns broke, but the force achieved before time of collapse was corresponding to a deceleration of 1.2 g-forces. This shows that the concept has potential to reduce the braking distance. To conclude this project several new projects are suggested. The concepts Anchor and Rip up show great potential to reduce the braking distance and new projects aiming to further develop and test these concepts are recommended. Also other further studies outside the frame of this report are suggested, for example an idea on how to reduce the usage of studded tires.

Mit Gummiresten aus der Produktion findet derzeit fast nur Downcycling statt. Elastomerpulver Modifizierte Thermoplaste (EPMT) stellen eine Möglichkeit zum werkstofflichen Recycling von Gummiresten dar. Im Aufsatz werden das Verfahrenskonzept und EPMT-Werkstoffe vorgestellt.

Utifrån en problemställning formulerad av Trafikverkets skyltfond har produktutvecklingsföretaget Prodelox drivit ett projekt med syfte att testa kreativa idéer för att minska bromssträckan för personbilar i nödsituationer. Som en del i projektet har ett examensarbete genomförts vilket resulterat i denna rapport. Examensarbetet ämnar sammanställa en mängd idéer på alternativa metoder att bromsa bilar, för att sedan välja ut tre av dessa för praktiska tester. Idén med att korta bromssträckan grundar sig i trafiksäkerhetsarbetet i kombination med introduktionen av nya tekniska system som kan förutspå kollisioner. Om en kollision kan förutses är det av största intresse att kunna bromsa in bilen så mycket som möjligt innan detta sker för att minska skadorna och rädda liv. Ur ett förutsättningslöst perspektiv har kreativa idéer tagits fram. Rapporten tar dessutom upp och sammanfattar friktionsteorier och fordonsdynamiska aspekter att ta hänsyn till vid utvecklingsarbetet. Projektet följer en produktutvecklingsmetodik presenterad av Ulrich och Eppinger (2008) och omfattningen är utvecklingsfasens tidiga steg. Genom två iterationer utvecklas koncept genom framtagande av kravspecifikation, konceptgenerering, och konceptval. Idéer testas löpande genom fysiska såväl som virtuella prototyper under hela processen. Den första utvecklingsiterationen resulterar i 17 konceptidéer innefattande olika typer av bromsmetoder. Koncepten delas in i kategorierna ökad friktion, ökad normalkraft, spjärn mot asfalten, aerodynamik och magnetism. Tre koncept väljs ut och utvecklas vidare: Koncept Ankare, Gummiplatta och Avverkan. Utvecklingen av koncept Ankare resulterar i ett koncept där en infästning i asfalten sker i farten under bilen med hjälp av krutdrivna spikpistoler. Fästet förbinds med bilen med ett textilband kallat Tear Webbing. Det är två sydda remmar som producerar en konstant kraft då remmarna slits isär och sömmarna rivs upp. Bandet testas praktiskt och ger en bromseffekt på uppemot 1,5 g-krafter, medan de krutdrivna spikpistolerna inte kan testas i farten inom ramen för detta projekt. Koncept Gummiplatta bygger på att en stor gummiyta placerad under bilen trycks ner i marken och lyfter framvagnen på bilen. Olika gummibelägg testas med förhoppningen att hitta ett gummibelägg med goda friktionsegenskaper. Ökad area och optimerade materialegenskaper kan i teorin leda till bättre friktion. Konceptet testas på både vått och torrt väglag genom en konstruktion under testbilens framvagn. Fyra olika gummiprover jämförs med bilens vanliga bromsar. Endast ett gummi, naturgummi, presterar bättre än referensen i tester från 50 km/h, medan resten resulterar i längre bromssträcka. Vid tester från 100 km/h presterar samtliga gummiprover sämre än referensbromsningarna. Koncept Avverkan baseras på idén att en större kraft än friktionskraften kan fås ut om ett hårt material trycks ner i asfaltens yta och river upp densamma. Deformationerna av asfalten åstadkommer den bromsande kraften. I test av konceptet höll inte konstruktionen, men retardationen som utvecklades innan konstruktionen gav vika kom upp i 1,2 g-krafter, något som visar på att konceptet har kapacitet att korta bromssträckan. Som fortsättning på detta projekt föreslås flera vägar att gå. Koncepten Ankare och Avverkan visar på stor potential att korta bromssträckan och nya projekt med syfte att fortsatt utveckla och testa dessa koncept föreslås. Även andra projekt som ligger utanför syftet av denna rapport, så som en idé för att minska dubbdäcksanvändningen, föreslås för utredning i framtida studier. At the request of the Swedish Transport Administration the product development company Prodelox has initiated a project aiming to test creative ideas on reducing the braking distance for passenger cars in emergency situations. As a part of this project a master thesis has been conducted resulting in this report. The thesis aims to compile ideas on alternative methods for braking cars, and thereafter choosing three of them for practical testing. In combination with introduction of new technical innovations that predict collisions, an alternative braking system that could brake more than standard brakes are of great interest. By reducing the braking distance deaths and serious injuries in traffic can be reduced. From this perspective ideas have been impartially generated. The report includes friction theory and vehicle dynamics to consider in the development. The project is following a product development process presented by Ulrich and Eppinger (2008) and focuses on the early stages of the process. In two iterations concepts are developed through the phases target specification, concept generation and concept selection. Ideas are concurrently tested through physical as well as virtual prototypes. The first development iteration resulted in 17 concepts including different kinds of braking methods. The concepts are divided into five categories; increased friction, increased normal load, grabbing of the asphalt, aerodynamics, and magnetism. Three concepts are chosen for further development; concept Anchor, Rubber plate, and Rip up. The development of concept Anchor results in a concept for which an attachment is made in the asphalt on the fly by use of cartridge actuated fastening machine. The attachment is connected to the car by a textile webbing, called Tear Webbing. It consists of two sewn straps that produce a constant force when torn apart. In practical tests, the concept generate a breaking effect of 1.5 g-forces, while the cartridge actuated fastening cannot be tested on the fly within this project. The development of concept Anchor results in a concept for which an attachment is made in the asphalt on the fly by use of cartridge actuated fastening machine. The attachment is connected to the car by a textile webbing, called Tear Webbing. It consists of two sewn straps that produce a constant force when torn apart. In practical tests, the concept generate a breaking effect of 1.5 g-forces, while the cartridge actuated fastening cannot be tested on the fly within this project. Concept Rip up is based on idea that a bigger force than the frictional force can be achieved by pressing a hard material into the surface of the asphalt road and tearing up the same. The deformations of the asphalt generate the braking force. While testing the concept the structure holding the horns broke, but the force achieved before time of collapse was corresponding to a deceleration of 1.2 g-forces. This shows that the concept has potential to reduce the braking distance. To conclude this project several new projects are suggested. The concepts Anchor and Rip up show great potential to reduce the braking distance and new projects aiming to further develop and test these concepts are recommended. Also other further studies outside the frame of this report are suggested, for example an idea on how to reduce the usage of studded tires.

In wasserführenden Systemen wie Trink- und Abwassertransportleitungen werden Gummi-Dichtungen als zentrales Bauelement eingesetzt. Bezüglich der chemischen und mikrobiellen Beständigkeit sind diese Dichtungsmaterien eine Schwachstelle in den Rohrleitungssystemen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Gummi ein Naturstoff bzw. in seiner synthetischen Form ein naturverwandtes Material ist. Solche Materialien sind potenziell anfällig für mikrobielle Besiedlung und Materialzerstörung. Um zu untersuchen, ob synthetische Gummimaterialien mikrobiell besiedelt und zerstört werden können, wurden verschiedene praxisrelevante Laborversuche entwickelt und durchgeführt. Als Testmaterialien kamen dabei Gummimaterialien dreier Industrieunternehmen zum Einsatz, die zur Herstellung von Dichtungen für Trink- und Abwassertransportsystemen eingesetzt werden. Es wurden Oberflächenbewuchs- und Hemmstoffversuche sowie Anheftungsversuche durch geführt. Die Visualisierung angehefteter Zellen erfolgte mittels Atomic Force Microscopy (AFM = Rasterkraftmikroskopie) und Fluoreszenzmikroskopie. Es wurden Wachstumsversuche mit Gummi als einziger Energie- und Kohlenstoffquelle durchgeführt und von den mit Gummi angezüchteten Bakterien Fettsäurespektren aufgenommen. Außerdem erfolgten Abbauversuche mit den verschiedenen Gummimaterialien Die Resultate dieser Untersuchungen sind nachfolgend zusammengefasst: - Gummi abbauende Mikroorganismen können quantitativ an verschiedene praxisrelevante Gummimaterialien anheften. Zum ersten Mal konnten Gummi abbauende Mikroorganismen (Gordonia westfalica, Gordonia polyisoprenivorans) mit dem AFM visualisiert werden, die an verschiedene Gummimaterialien angeheftet waren. - Es wurde nachgewiesen, dass verschiedene Mikroorganismen mit Gummi als einziger Energie- und Kohlenstoffquelle wachsen können und hierbei typische Wachstumsverläufe mit logarithmischer Wachstumsphase, Plateauphase sowie Absterbephase zeigen. - Erstmals wurde eine DGGE-basierte molekularbiologische Kulturkontrolle artifizieller Bakterienkonsortien aus vier Mikrooganismenspezies während des Gummiabbaus mit Gummi als einziger Energie- und Kohlenstoffquelle etabliert - Von dem Gummi abbauenden Bakterium Gordonia polyisoprenivorans wurden zum ersten Mal Fettsäurespektren während des Wachstums mit synthetischem Gummi als einziger Energie- und Kohlenstoffquelle aufgenommen. Dieses Spektrum unterschied sich signifikant von Spektren, die von Bakterienkulturen aufgenommen wurden, die mit einer leicht verfügbaren Kohlenstoff- und Energiequelle wie Glukose angezüchtet worden sind. Diese Resultate zeigen, dass sich der mikrobielle Stoffwechsel an die Anforderungen des Gummiabbaus adaptieren konnte. - Erstmals konnte mikrobieller Abbau von vulkanisierten, synthetischen Gummimaterialien mit praxisrelevanten Testmaterialien nachgewiesen werden. Es wurden statistisch signifikante Gewichtsreduktionen innerhalb von 3 Monaten von bis zu 10 % nachgewiesen. Die Abbauraten sind organismen- und materialabhängig deutlich unterschiedlich. Die Ergebnisse zeigen, dass Bakterien aus der Familie der Actinomyceten z. B. Gordonia polyisoprenivorans aber auch der bekannte Infektionserreger Pseudomonas aeruginosa und der Schimmelpilze Aspergillus tamarii synthetische Gummimaterialien wie EPDM und SBR abbauen können. - Es wurde außerdem aus Trinkwasser mit Gummi als einziger Energie- und Kohlenstoffquelle das human-pathohene Bakterium Roseomonas mucosa isoliert.

Denna studie fokuserar på materialåtervinning av polymera material i form av hårda termoplaster och gummi från uttjänta fordonsdäck. Med anledning av låg och begränsad materialåtervinning, hög energiutvinning och delvis deponering av hårda termoplastfraktioner respektive uttjänta däck har det funnits behov att studera förutsättningar för ökad materialåtervinning. Syftet med denna explorativa studie har varit att undersöka möjligheter och förutsättningar för ökad materialåtervinning av hårda termoplastfraktioner och uttjänta däck. Detta övergripande syfte har uppnåtts genom en intervjustudie med respondenter vars företag använder återvunnen termoplast samt gummi från uttjänta däck i tillverknings- och bearbetningsprocesser. Möjligheterna för ökad materialåtervinning har även betraktats från en termodynamisk synvinkel. Företagens anledningar till arbete med materialåtervinning grundas i ekonomiska incitament men även miljöhänsyn. Förutsättningarna för ökad materialåtervinning återfinns i sorterade och ickekontaminerade, termoplastfraktioner samtidigt som en marknad för produkter tillverkade av gummi från uttjänta däck behöver utvecklas. Fraktionerna bör hållas isär och sorteras om de är blandade för att därmed inte begränsa materialens möjligheter till återvinning i nya produkter. Denna slutsats bekräftas även av termodynamiska principer. Framtidsperspektivet kännetecknas av förhoppningar om mer tillgängligt material och mindre råvarukostnader. Ökade mängder termoplaster betraktas i framtiden härstamma från uttjänta personbilar. Tillverkning av fordonskomponenter, baserade på gummi från uttjänta däck, kan i framtiden vara ett alternativ inom bilindustrin.

Detta examensarbete handlar om utveckling och konstruktion av ett spjäll och spjällblad till en plattvärmeväxlare som ingår i Fläkt Woods AB:s produktsortiment. Bakgrunden till utvecklingen berodde på två problem med det nuvarande spjället. Ett problem var att det fanns vissa hygienproblem med befintlig konstruktion som behövde rättas till och ersättas mot en bättre lösning. Detta för att produkten ska kunna certifieras enligt normen VDI 6022. Det andra problemet var att den befintliga konstruktionen kändes gammal och behövde förbättras. Examensarbetet omfattar två stycken huvuddelar/mål. Den första delen är att finna ett material för att kunna täta i spjället på ett effektivt sätt. På grund av konflikt mellan låg friktion och bra tätning genomfördes en stor materialundersökning och en lista på tänkbara material togs fram och analyserades. Olika typer av behandling har även stötts på för att minska friktionen ännu mer. De material som var mest intressanta var gummi och andra elastomerer. Nitrilgummi, behandlad EPDM-gummi och behandlat SBR-gummi uppfyllde de önskade kraven bäst. De olika behandlingsmetoderna är bland annat lackering med speciallack och klorering av materialet. Den andra delen är konstruktionsdelen. Här presenteras ett flertal olika produktidéer på spjäll och spjällblad som har tagits fram. Idéerna är framtagna genom tillämpning av flera verktyg och metoder för produktutveckling som till exempel TIPS/TRIZ och QFD. Patentsökning, benchmarking och en simulering av bladens utböjning är några ingående delar på vägen till den slutliga produkten. Resultatet blev tre produkter som ska fungera som förslag till Fläkt Woods AB. Produkterna skiljer sig från varandra i både konstruktion, tillverkningsmetod och kostnad för att erbjuda flera möjligheter. Den första idén bygger på att två plåtar bockas och fliknitas ihop, vilket ger en stabil och robust konstruktion. Den andra idén innehåller formade profiler av stålplåt, som tillverkas genom rullformning. Metoden ger dem en lämplig form och enkel hantering, till exempel väger de inte så mycket. Den tredje idén skall tillverkas av strängpressad aluminium, är gjord i ett stycke och innehåller flera gynnsamma funktioner. Bland annat så finns det förstärkningar integrerade, ett spår för en axel samt spår för gummilister. This thesis work concerns a development of a damper and damper blades for a plate heat exchanger. The plate heat exchanger is included in Fläkt Woods AB’s product programme. The background for this development was caused by two problems with the existing damper. One of the problems was that it had some problems with the hygiene. This needed to be corrected and the product needed to be replaced with a better solution, allowing it to be certified according to VDI 6022. The second problem was that the design felt rather old and it needed to be improved. The thesis work is divided into two main parts/main goals. The first of them is to find a material to seal the product in an effective way. Because there is a conflict regarding low friction and a good sealing there was a large material investigation done and a list of possible materials was done and analysed. Different types of treatments were also found to reduce the friction. The type of materials that was most interesting was rubber and elastomers. Nitrile rubber, treated EPDM rubber and treated SBR rubber was the ones to fulfil the wanted requirements in the best way. The different types of treating a rubber material are among other things, painting the material with a special type of lacquer or chlorination of the rubber. The second part of the thesis work is about the design. Several product ideas on dampers and damper blades will here be presented. These were developed by applying tools and methods for product development, like TIPS/TRIZ and QFD. Searching for patents, benchmarking of competing products and a simulation of the blades bending are some of the parts on the way to find the final product. The result of this is three products, which will work as suggestions to Fläkt Woods AB. The products differs both in design, way of manufacture and in cost to offer many options. The first idea has a design of two metal sheets which is bended and joined together. This is a stable and robust design. The second idea contains forming sheets of steel which is then made into profiles. This is made in the method of roll forming. This gives the product an appropriate shape and the product is easy to handle. The third idea is made in the method of aluminium extrusion. It is made in one piece and contains several functions. Among other things, it has integrated reinforcement, a hole for the axle and two holes for rubber profiles (sealing).

The vibration behaviour of rubber elastic wheel sets was simulated in this dissertation. At first the stiffness and the damping of an existing wheel was tested. Subsequent to this, optimized parameters for an improved design where derived. With this new design the acceleration in the railcar body and the forces in the wheel-rail-contact could be reduced drastically.In contrast to other studies, the complex nonlinear behaviour of radial elastic wheels was considered. The simulation was done by MBS models as well as FE models.With the FE model the deformation of elastic wheels was simulated. In addition to this, considerable measurements were done. So the simulation could be verified by the measurements.Because of the complexity of the FE model of the rubber elastic wheel, it wasn’t possible to do an FE analysis of a rolling wheel. In MBS programmes it is possible to simulate rolling wheels. The rubber model of Prof. Wahle was used to simulate the complex properties of the rubber.With this model it could be shown that the stiffness and the damping changes with the rotational speed. These effects can not be simulated with linear models for the description of elastomer parts. An improved riding comfort (less acceleration in the railcar body) couldn’t be found for the existing rubber elastic wheels. But the dynamic variation of wheel forces for elastic wheels is smaller then those for inelastic wheels. The dynamic variation of wheel forces is responsible for the polygonisation of wheels. So the polygonisation of elastic wheels is smaller then those for inelastic wheels. This can be the reason for the improved riding comfort for elastic wheels. In a second step improved parameters of the stiffness and damping for rubber elastic wheels were derived. With this improved design the acceleration of the railcar body could be reduced. But with this design the deformation of the rubber is rather large. Because of this a new design is needed. A low radial and axial stiffness causes a reduced critical speed of the wheel sets.

For the life and fatigue strength evaluation of rail vehicle wheels a calculation method was developed which integrates the experimental methodes for durability evaluation of wheels, being approved over many years. Because of the complexity of the different finite-element calculation steps suitable tools are developed for. automatic usage. In this report the calculation method is used during the development phase of a rubber-sprung rail vehicle "spoke"-wheel. The rubber elements were considered in detail. First the rubber elements were optimized regarding the spring characteristic and the fatigue strength, then tests were carried out to verify the calculations and investigate the fatigue strength.

Für die Materialcharakterisierung und Parameteridentifikation von technischen Elastomeren werden homogene Probekörper benötigt. Eine besonders wichtige Beanspruchungsart ist dabei der einachsige Zug/Druck. Für Versuche dieser Art findet die Standard-Hantel Anwendung, die für kombinierte Zug-/Druckversuche geeignet ist. Allerdings lässt sich hier schon bei geringen Druckbelastungen ein inhomogener Messbereich detektieren. Ein Ziel dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines neuen und verbesserten Probekörpers, der für hochpräzise Zug-/Druckversuche geeignet ist. Im Gegensatz zur Standard-Hantel wird der für Messungen zugänglich gemachte homogene Messbereich deutlich verbessert. Darüber hinaus soll der Bereich der maximal erreichbaren Stauchung signifikant erhöht werden. Der Probekörper selbst weist dabei eine verhältnismäßig einfache Hantelgeometrie mit verlängertem Mittelteil auf. Durch ein spezielles Design der Halterungsgeometrie kann sowohl ein homogenes Verzerrungsfeld erreicht als auch eine hohe Knickstabilität gewährleistet werden. Die Grundidee besteht dabei darin, dass der Probekörper mit zunehmender Stauchung immer weiter mit der Halterungsgeometrie in Kontakt tritt und dadurch seine knickgefährdete Länge reduziert wird. Mit Hilfe eines speziellen Halterungsalgorithmus kann eine neue, verbesserte Halterungsgeometrie berechnet werden. Mit dem entwickelten Probekörper-Setup (bestehend aus Hantel- und Halterungsgeometrie) lassen sich dann eine Vielzahl phänomenologischer Eigenschaften von technischen Elastomeren wie Payne- Effekt, Mullins-Effekt, Erholungs- und Relaxationsverhalten vorzugsweise bei extremen Stauchungen (bis zu 70 %) untersuchen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines Scherprobekörpers zur Realisierung präziser Schermessungen. Das Design soll dabei auf einem flächigen Probekörper (Elastomermatte) beruhen, um Alterungsuntersuchungen, Untersuchungen mit faserverstärkten Materialien und Versuche mit Vorreckungen realisieren zu können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Scherprobekörpern soll dabei auf eine stoffschlüssige Verbindung mittels Kleben oder Anvulkanisieren aufgrund von Materialirritationen oder Schrumpf verzichtet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde diesbezüglich ein spezielles Fixierdesign mit Stiften entwickelt, welches zur Ausbildung nahezu homogener Scherdeformationen führt. Damit lassen sich eine Vielzahl wichtiger Eigenschaften bei einer annähernd homogenen Scherdeformation untersuchen. Homogeneous test specimens are required for material characterization and model parameter identification. An important kind of loading is uniaxial tension/compression. For this, a standard dumbbell is available for combined tension-compression tests. But even for small compressive strains the standard dumbbell leads to an inhomogeneous stress state in the measuring zone. One aim of this work is the development of a new test specimen, which is suitable for high-precision tension/compression tests. In comparison to the standard dumbbell the homogeneity in the measuring zone is significantly improved. Furthermore, the range of maximal compression is increased substantially. The test specimen itself consists of a slender dumbbell structure. By a special design of the mounting geometry, homogeneous stress and strain fields as well as a high stability can be achieved. For an increasing compression, the test specimen comes into contact with the mounting geometry and the critical length is reduced. By means of dynamic analysis, the mounting geometry was calculated and optimized. This method is a powerful tool for developing new mounting geometries, by taking into account both the stability and the homogeneity characteristic. With the developed specimen-setup (consisting of dumbbell and mounting geometry), the phenomenological characteristics of rubber like Payne effect, Mullins effect, recovery and relaxation behavior can be investigated up to a compressive strain of 70 %. Another aim of this work is the development of a shear specimen, which enables precision shear measurements for large shear values. The design is based on a planar test specimen (rubber mat) in order to enable ageing tests, tests with fibre-reinforced materials and tests with pre-stretching. In contrast to other shear specimens, a material-locking connection by gluing or vulcanizing sould be avoided in consequence of material irritation or shrinkage. For this, a special fixing design was developed, which enables a uniform initiation of shear deformation for different rubber thicknesses. Finally, the new shear specimen enables the investigation of typical rubber properties.