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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Ausfallwahrscheinlichkeit
mindestens eines Bauteils einer Antriebsvorrichtung, insbesondere
einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs.
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Da
heutige Antriebsvorrichtungen mitunter in einer hohen Stückzahl hergestellt
werden, ist es wünschenswert,
ausgehend von einem Prototyp, eine Aussage über die Ausfallwahrscheinlichkeit
der noch herzustellenden Antriebsvorrichtungen treffen zu können, um
eine Entscheidung über
die Herstellung beziehungsweise den Verkauf der Antriebsvorrichtung
zu treffen. Dabei ist es von Interesse, eine derartige Aussage ohne
einen großen
Aufwand und in kurzer Zeit treffen zu können.
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Aus
der
DE 199 44 435
A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades
einer Antriebsvorrichtung bekannt. Dabei werden während des
Betriebs der Antriebsvorrichtung an der Antriebsvorrichtung über Sensoren
unterschiedliche Betriebsparameter aufgenommen, die mit Hilfe von Übertragungsfunktionen
in aktuelle Belastungen umgerechnet und aufsummiert werden, wobei
die Summe mit einer in empirischen Versuchen ermittelten Auswahlfunktion,
wie zum Beispiel Festigkeitskurven, verglichen wird, um einen Schädigungsgrad
zu erhalten. Dies erlaubt jedoch keine Aussage über eine in Zukunft liegende
Ausfallwahrscheinlichkeit dieser oder anderer Antriebsvorrichtungen
derselben Serie. Es wird lediglich der aktuelle Schädigungsgrad
der vorliegenden/getesteten Antriebsvorrichtung bestimmt.
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Zum
Bestimmen von in Zukunft liegenden Ausfallwahrscheinlichkeiten ist
es bekannt zunächst die
Belastung eines Bauteils der Antriebsvorrichtung über eine
bestimmte Prüf-
beziehungsweise Messstrecke zu erfassen, wobei aus den dabei gewonnenen
Daten ein Belastungskollektiv erstellt wird, welches mit der Wählerlinie
des Bauteils verglichen wird, um eine Schädigung zu berechnen. Dies entspricht insoweit
auch dem in der
DE
199 44 435 A1 genannten Verfahren. Die Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit
erfolgt aufgrund von Annahmen über die
Streuung der Schädigung
des Bauteils. Wobei diese Annahmen über die Streuung nicht im Zusammenhang
mit den vorher bestimmten Größen stehen, sondern
völlig
unabhängig
davon getroffen werden. Die Belastung des Bauteils wird dabei in
der Regel von einem professionellen Testfahrer ”erfahren”, sodass diese nicht unmittelbar
auf das typische Fahrverhalten eines ”normalen” Fahrers übertragen werden können.
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Zur
Vollständigkeit
wird noch auf die Druckschriften
DE 10215865 A1 und
DE 20321330 U1 hingewiesen,
die ebenfalls ein Verfahren zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit
einer Kraftfahrzeugkomponente und ein System zur Ermittlung der
Belastung mechanischer Bauteile offenbaren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
welches eine realistische Belastung des mindestens einen Bauteils
berücksichtigt
und mit der Ausfallwahrscheinlichkeit in direkten Zusammenhang bringt,
sodass eine einfache, effiziente und verlässliche Aussage über die
in der Zukunft liegende Ausfallwahrscheinlichkeit der Antriebsvorrichtung
getroffen werden kann.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren
mit den folgenden Schritten gelöst:
Zunächst
wird mindestens eine Festigkeit des mindestens einen Bauteils ermittelt;
vorher oder nachher wird mindestens eine Belastung des Bauteils
in mehreren Betriebszuständen
der Antriebsvorrichtung ermittelt; davor oder danach werden Häufigkeiten
der Betriebszustände
von einer Vielzahl gleichartiger Antriebsmaschinen über eine
bestimmte Zeitdauer ermittelt; abschließend wird die Häufigkeit
einer Schädigung
des Bauteils mittels einer stochastischen Methode auf Basis der
Festigkeit und der Belastung des Bauteils, sowie der Häufigkeiten der
Betriebszustände
bestimmt. Die Festigkeit des Bauteils kann auf einfache Art und
Weise mittels dem Fachmann bekannten Verfahren ermittelt werden, wobei
diese Festigkeit einer gewissen Streuung unterliegen kann, sodass
auch die Streuung der Festigkeit bei der Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit
berücksichtigt
werden kann. Die Belastung des Bauteils wird vorzugsweise in mehreren
Betriebszuständen
der Antriebsvorrichtung ermittelt, das bedeutet, dass die Belastung
des Bauteils beispielsweise im Volllastbetrieb, im Leerlaufbetrieb,
im Beschleunigungsbetrieb und/oder im Schleppbetrieb der Antriebsvorrichtung
ermittelt wird. Dies kann beispielsweise auf einfache Art und Weise
mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) erfolgen. Durch das Ermitteln von
Häufigkeiten
der Betriebszustände,
also von der Anzahl des Auftretens von bestimmten Betriebszuständen, von
einer Vielzahl gleichartiger, aber anderer Antriebsvorrichtungen,
im Folgenden Antriebsmaschinen, über
eine bestimmte Zeitdauer, werden unterschiedliche Betriebsverhalten
berücksichtigt.
Dabei sind unter der Vielzahl der gleichartigen Antriebsmaschinen
von unterschiedlichen Personen betriebene Antriebsmaschinen zu verstehen,
sodass die Vielzahl der gleichartigen Antriebsmaschinen unterschiedlich,
nämlich
personenspezifisch, betrieben wird. Auf Basis der ermittelten Größen Festigkeit,
Belastung und. Häufigkeiten,
wird abschließend
mittels einer stochastischen Methode die Häufigkeit der Schädigung des
Bauteils bestimmt, wodurch auf die Ausfallwahrscheinlichkeit sowohl
des Bauteils als auch auf die Ausfallwahrscheinlichkeit der gesamten Antriebsvorrichtung
geschlossen werden kann. Wobei bei Überschreiten der Schädigung eines
vorgegebenen Grenzwertes von einem Bauteilversagen, also einem Ausfall
des Bauteils, ausgegangen wird. Mittels der stochastischen Methode
wird die Häufigkeit und
Wahrscheinlichkeit der Schädigung
des Bauteils auf einfache Art und Weise vorherbestimmt.
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Vorteilhafterweise
wird als Festigkeit des Bauteils eine Festigkeitslinie, insbesondere
die sogenannte Wählerlinie
ermittelt. Die Wählerlinie
wird dabei, wie bekannt, über
die Lastspielzahl aufgetragen. Diese ermöglicht eine einfache Beurteilung
der Schädigung
des Bauteils, wobei hierauf später
näher eingegangen
wird. Da die Festigkeit eines Bauteils einer gewissen Streuung unterliegt,
werden zweckmäßigerweise
mehrere Festigkeitslinien beziehungsweise Wählerlinien ermittelt. Die Streuung
der Festigkeit des Bauteils wird also vorteilhafter Weise mitberücksichtigt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung wird die Belastung des Bauteils über mindestens
einen Drehzahlbereich der Antriebsvorrichtung ermittelt. Zum Beispiel
wird die Antriebsvorrichtung derart betrieben, dass sie langsam
von einer ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl beschleunigt
wird, und dass über
diesen Drehzahlbereich hinweg die Belastung des Bauteils ermittelt
wird. Die Antriebsvorrichtung durchläuft zweckmäßigerweise in diesem Drehzahlbereich
mehrere Betriebszustände,
die durch die Drehzahl der Antriebsvorrichtung gekennzeichnet sind.
Auch die Belastung des Bauteils unterliegt einer Streuung, die hier
vorteilhafter Weise ebenfalls berücksichtigt wird. Die Streuung
der Festigkeit und der Belastung kann dabei auf eine dem Fachmann
bekannten Art und Weise ermittelt beziehungsweise bestimmt werden.
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Vorteilhafterweise
wird die Belastung des Bauteils über
den gesamten (möglichen)
Drehzahlbereich der Antriebsvorrichtung ermittelt, wobei bevorzugt
der Betriebs-Drehzahlbereich der Antriebsvorrichtung betrachtet
wird. Das bedeutet, dass zum Beispiel der Drehzahlbereich zwischen
Stillstand und Leerlauf nicht berücksichtigt wird, sofern dieser
Drehzahlbereich keine bedeutende Rolle für die Belastung des Bauteils
spielt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung werden als Häufigkeiten der Betriebszustände Drehzahlkollektive
ermittelt. Drehzahlkollektive stellen dabei die Anzahl des Auftretens
der möglichen
Drehzahlen in dem Drehzahlbereich über die bestimmte Zeitdauer
dar. Mit anderen Worten geben sie die Verweildauer der Antriebsmaschinen
in unterschiedlichen Drehzahlen an. Es wird also angegeben, wie
oft in der betrachteten Zeitdauer eine Antriebsmaschine, in welcher
Drehzahl, beziehungsweise in welchem Betriebszustand, betrieben
wurde. Durch die Häufigkeit der
Betriebszustände
bezogen auf eine Antriebsmaschine und der Festigkeit beziehungsweise
der Wählerlinie
des Bauteils lässt
sich auf einfache Art und Weise die Schädigung des Bauteils bestimmen,
da die Lastspielzahl mit der Häufigkeit
der Betriebszustände
direkt verglichen werden kann. Insbesondere die Drehzahlkollektive
eignen sich zum direkten Vergleich mit der Lastspielzahl. Da, wie
bereits erwähnt, vorteilhafter
Weise die Häufigkeiten
der Betriebszustände
von einer Vielzahl gleichartiger Antriebsmaschinen ermittelt wird,
also jeweils eine personenspezifische Häufigkeit der Betriebszustände, können personenspezifische
Schädigungen
des Bauteils bestimmt werden. Bevorzugt wird die Zeitdauer, in der die
Häufigkeiten
der Betriebszustände
ermittelt werden, derart gewählt,
dass sie eine ausreichend genaue Aussage über die Häufigkeiten der Betriebszustände über ihre
gesamte Lebensdauer der Antriebsmaschine erlaubt. Auch die Häufigkeiten
beziehungsweise Drehzahlkollektive unterliegen einer Streuung, die
zweckmäßigerweise
mit berücksichtigt werden.
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Zweckmäßigerweise
werden die Drehzahlkollektive über
den Drehzahlbereich ermittelt, in dem auch die Belastung des Bauteils
ermittelt wird oder wurde, sodass die Drehzahlkollektive auf einfache Art
und Weise mit der Belastung des Bauteils in Verbindung gebracht
werden können.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Häufigkeit
der Schädigung
des Bauteils mittels der Monte-Carlo-Simulation bestimmt. Die Monte-Carlo-Simulation
ist eine stochastische Methode, bei der sehr häufig durchgeführte Zufallsexperimente
die Basis darstellen. Sie hilft dabei aufgrund der Wahrscheinlichkeitstheorie
analytisch unlösbare
Probleme im mathematischen Kontext numerisch zu lösen, wobei
als Rechtfertigung vor allem das Gesetz der großen Zahl gesehen wird. Die
Zufallsexperimente müssen
dabei nicht real durchgeführt
werden, sondern können
simuliert werden, was eine Voraussage erleichtert. Das Gesetz der
großen Zahlen
besagt dabei, dass sich die relative Häufigkeit eines Zufallsergebnisses
immer weiter an die theoretische Wahrscheinlichkeit für dieses
Ergebnis annähert,
je häufiger
das Zufallsexperiment durchgeführt wird.
Die Genauigkeit der Aussage steigt somit mit der Anzahl von Zufallsexperimenten. Übertragen
auf das erfindungsgemäße Verfahren
bedeutet dies, dass auf Basis der Festigkeit und der Belastung des Bauteils
sowie der Häufigkeiten
der Betriebszustände
beziehungsweise der Drehzahlkollektive unter Berücksichtigung der Streuungen
eine möglichst
hohe Anzahl an Schädigungen
bestimmt werden soll, um eine möglichst
treffende Aussage über
die Häufigkeit der
Schädigung
beziehungsweise die Ausfallwahrscheinlichkeit zu erhalten.
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Vorteilhafterweise
wird die Schädigung
des Bauteils aus der Festigkeit und einem Belastungskollektiv bestimmt.
Besonders bevorzugt wird dabei die die Festigkeit darstellende Wählerlinie
des Bauteils mit dem Belastungskollektiv verglichen, wobei entsprechend
der Streuung der Festigkeit der Vergleich unterschiedliche Ergebnisse
liefert. Entsprechend zu dem Drehzahlkollektiv stellt das Belastungskollektiv die
Anzahl unterschiedlicher Belastungen des Bauteils über einen
bestimmten Zeitraum dar.
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Zweckmäßigerweise
wird das Belastungskollektiv aus der Belastung des Bauteils und
der Häufigkeit
der Betriebszustände
einer der gleichartigen (personenspezifischen) Antriebsmaschinen
bestimmt. Werden zum Beispiel als Häufigkeiten Drehzahlkollektive
ermittelt, und die Belastung des Bauteils über denselben Drehzahlbereich
des Drehzahlkollektivs erfasst, so kann die Belastung auf einfache Art
und Weise entsprechend dem Drehzahlkollektiv in ein Belastungskollektiv
umgerechnet werden. Der Vergleich eines so erstellten Belastungskollektivs
mit der Festigkeit beziehungsweise der Wählerlinie des Bauteils ermöglicht so
eine einfache Bestimmung der Schädigung
des Bauteils. Da, wie bereits gesagt, auch die Belastung des Bauteils
einer gewissen Streuung unterliegt, können unterschiedliche Belastungskollektive
gebildet werden.
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Vorzugsweise
wird das Belastungskollektiv vor der Bestimmung der Schädigung auf
die (wahrscheinliche) Lebensdauer der zu entwickelnden Antriebsvorrichtung
hochgerechnet. Sind die Häufigkeiten
der Betriebszustände
der gleichartigen Antriebsmaschinen beispielsweise über einen
Zeitraum von zwei Jahren ermittelt worden, und soll die entwickelte Antriebsvorrichtung
mindestens zehn Jahre betrieben werden, so kann das Belastungskollektiv
durch Verfünffachen
der Anzahl der ermittelten Belastungshäufigkeiten auf die Lebensdauer
der Antriebsvorrichtung hochgerechnet werden. Vorteilhafterweise wird
dabei eine Streuung der Belastung des Bauteils durch die Antriebsvorrichtung
mitberücksichtigt. Durch
das Hochrechnen auf die Lebensdauer der Antriebsvorrichtung lässt sich
die Ausfallwahrscheinlichkeit des Bauteils auf die Lebensdauer der
Antriebsvorrichtung bezogen bestimmen.
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Sind
die Häufigkeiten
der Betriebszustände der
gleichartigen Antriebsmaschinen über
einen deutlich längeren
Zeitraum ermittelt worden, der repräsentativ für die Lebensdauer der Antriebsvorrichtung
beziehungsweise der gleichartigen Antriebsmaschinen ist, so können die
ermittelten Häufigkeiten der
Betriebszustände
für die
Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit auch direkt verwendet werden. Werden
die Häufigkeiten
der Betriebszustände über einen
noch größeren/längeren Zeitraum
ermittelt, so ist es vorteilhaft, wenn die Häufigkeiten der Betriebszustände auf
die tatsächliche
Lebensdauer der Antriebsvorrichtung runtergerechnet werden, wodurch das
erfindungsgemäße Verfahren
weiter verfeinert wird und sich die Ausfallwahrscheinlichkeit noch
genauer bestimmen lässt.
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Da
die Ausfallwahrscheinlichkeit der Antriebsvorrichtung in der Regel
nicht durch ein einziges Bauteil beziehungsweise die Ausfallwahrscheinlichkeit
eines einzigen Bauteils der Antriebsvorrichtung bestimmt ist, sondern
durch die Ausfallwahrscheinlichkeit mehrerer unterschiedlicher Bauteile, werden
zweckmäßigerweise
die Belastung und Festigkeit dieser Bauteile, sowie deren Streuung,
wie oben beschrieben, ebenfalls ermittelt. Mittels der stochastischen
Methode beziehungsweise der Monte-Carlo-Simulation werden dann vorteilhafter
Weise die Häufigkeiten
der Betriebszustände
der gleichartigen Antriebsmaschinen per Zufall mit den auf die jeweiligen
Bauteile bezogenen Größen wie
Festigkeit und Belastung kombiniert. Somit ergeben sich unterschiedliche
Häufigkeiten
der Gesamtschädigung
der Antriebsvorrichtung, die auf den Schädigungen der jeweiligen Bauteile
in Abhängigkeit
der kombinierten Häufigkeiten
der Betriebszustände
der gleichartigen Antriebsmaschine mit der Belastung und der Festigkeit,
sowie deren Streuung des entsprechenden Bauteils, basieren. Es ist
auch denkbar, dabei die Schädigung
unterschiedlicher Bauteile unterschiedlich für die Gesamtschädigung der
Antriebsvorrichtung zu gewichten. Zweckmäßigerweise wird ein Schwellwert für die Antriebsvorrichtung
und/oder individuell für
jedes Bauteil der Antriebsvorrichtung vorgegeben, bei dessen Überschreiten
von einem alterungsbedingten Antriebsvorrichtungsversagen/Bauteilversagen
beziehungsweise Bauteilausfall/Antriebsvorrichtungsausfall auszugehen
ist.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es möglich
die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Bauteils beziehungsweise einer
Antriebsvorrichtung innerhalb einer kurzen Zeit zu erhalten, da
nur wenige und nicht zeitraubende Belastungstests eines Prototyps
der Antriebsvorrichtung, zum Beispiel an einem Motorprüfstand,
ausreichen, um mit Hilfe der stochastischen Methode mit bekannten,
repräsentativen
Häufigkeiten
von Betriebszuständen
gleichartiger Antriebsmaschinen gekoppelt zu werden.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden.
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Dazu
zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 die
Wählerlinie
eines Bauteils einer Brennkraftmaschine,
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3 eine
Belastungsermessung eines Bauteils,
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4 ein
Drehzahlkollektiv mit Streuung,
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5 ein
Vorgehen zur Bestimmung der Schädigung
des Bauteils mit der Monte-Carlo-Simulation,
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6 ein
Belastungskollektiv,
-
7 eine
beispielhafte Häufigkeitsverteilung
der Schädigung
und
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8 die
Ausfallwahrscheinlichkeit über
die Laufleistung der Brennkraftmaschine.
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Die 1 zeigt
in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit von Bauteilen einer
Antriebsvorrichtung. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird von der
Antriebsvorrichtung als eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
ausgegangen. Das vorteilhafte Verfahren dient dabei dazu mittels
einer einfachen Belastungsmessung von bestimmten Bauteilen der Brennkraftmaschine
an einem Prototyp eine Aussage auf die in der Zukunft liegende Ausfallwahrscheinlichkeit
der herzustellenden Brennkraftmaschinen zu treffen. Es soll also
eine Brennkraftmaschine/ein Prototyp getestet werden, von der/dem
aus auf weitere, noch nicht hergestellte Brennkraftmaschinen, die
der getesteten Brennkraftmaschine entsprechen, also aus derselben
Serie sein werden, geschlossen werden soll, um eine Vorhersage über die
Ausfallwahrscheinlichkeit der Brennkraftmaschinen zu erhalten. Dies
spielt insbesondere beim Verkauf der Brennkraftmaschinen eine Rolle,
da hier abgeschätzt
werden soll, wie lange die Brennkraftmaschinen, die noch nicht hergestellt
wurden, im Betrieb standhalten werden.
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Die 1 zeigt
dazu zwei Blöcke 1, 2 und 3 in
denen die der Bestimmung der Schädigung
der Bauteile betreffenden Größen ermittelt
werden. Diese Größen werden
einem weiteren Block 4 zugeführt, in dem mittels einer stochastischen
Methode Schädigungen
der Bauteile beziehungsweise der Brennkraftmaschine auf Basis der
in den Blöcken 1 bis 3 ermittelten
Größen bestimmt
werden. In einem darauf folgenden Block 5 wird die Häufigkeit
der auftretenden Schädigungen
mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. In einem darauf folgenden
Block 6 wird anhand der Häufigkeit der Schädigungen
die Ausfallwahrscheinlichkeit der Brennkraftmaschine über ihre
Laufleistung bestimmt. Die Blöcke 1 bis 6 sollen
nun anhand der weiteren Figuren näher erläutert werden.
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Die 2 zeigt
eine beispielhafte Wählerlinie 7,
die die Festigkeit eines Bauteils der Antriebsvorrichtung beziehungsweise
der Brennkraftmaschine kennzeichnet. Üblicherweise wird in einem
Wählerdiagramm
die Nennspannungsamplitude 8 über die ertragbare Schwingspielzahl 9 des
Bauteils aufgetragen. Die sich dadurch ergebende Linie wird die Wählerlinie
genannt. Da dies dem Fachmann im Allgemeinen bekannt ist soll hierauf
nicht weiter eingegangen werden. Die Wählerlinie 7 kennzeichnet
die Festigkeit eines bestimmten Bauteils (der Brennkraftmaschine).
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind
in dem Block 1 der 1 mehrere
dieser Wählerlinien
(7) hinterlegt, die die Festigkeit eines betrachteten Bauteils
der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung
der Streuung kennzeichnen. Werden also mehrere Bauteile untersucht,
so sind für
jedes dieser Bauteile vorteilhafter Weise mehrere, die Festigkeit
kennzeichnende Wählerlinien
hinterlegt.
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Der
Block 2 der 1 steht für die Ermittlung einer Belastung
der betrachteten Bauteile in mehreren Betriebszuständen der
Antriebsvorrichtung. Die 3 zeigt dazu beispielhaft für ein Bauteil
die Belastung des Bauteils über
einen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine. Vorteilhafterweise
ist die Belastung des Bauteils als Nennspannung 10 über die Drehzahl 11 der
Brennkraftmaschine aufgetragen. Dadurch ergibt sich die in der 3 dargestellte
Belastungskurve 12. Die Spannung des Bauteils kann beispielsweise
mit Dehnungsmessstreifen oder ähnlichen,
dem Fachmann bekannten Methoden erfasst werden. Die Belastungskurve 12 stellt
somit die Belastung des Bauteils in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine
dar. Vorteilhafterweise wird die Belastungskurve 12 über den
Betriebs-Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine ermittelt, sodass
die Belastung des Bauteils in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
bekannt ist. Alternativ dazu können
auch unterschiedliche Betriebszustände, wie zum Beispiel Volllast,
Teillast, Leerlauf, Schleppbetrieb oder Beschleunigungsbetrieb angefahren
und die entsprechenden Belastungen des Bauteils erfasst werden.
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Block 3 der 1 steht
für die
Ermittlung von Drehzahlkollektiven von einer Vielzahl gleichartiger Antriebsmaschinen über eine
bestimmte Zeitdauer als weitere Größe(n) zur Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit.
Ein Drehzahlkollektiv stellt die Häufigkeit beziehungsweise Anzahl
von auftretenden Drehzahlen über
eine bestimmte Zeitdauer dar. Die 4 zeigt
dazu ein beispielhaftes Drehzahlkollektiv 13 einer der
betrachteten Antriebsvorrichtung ähnlichen Antriebsmaschine.
Das Drehzahlkollektiv 13 kennzeichnet somit die Häufigkeit 14 in
der eine Drehzahl 15 auftritt. Vorteilhafterweise wird
ein derartiges Drehzahlkollektiv 13 bei einer Antriebsmaschine,
die der betrachteten Brennkraftmaschine/Antriebsvorrichtung ähnlich sind, über eine
längere
Zeitdauer erfasst. Die hier betrachteten Antriebsmaschinen sind
vorteilhafter Weise von unterschiedlichen Personen (Kunden) betriebene
Antriebsmaschinen, sodass das jeweilige zu einer Antriebsmaschine
gehörende
Drehzahlkollektiv personenspezifisch entsteht und einen realen Betrieb
der Antriebsmaschine wiedergibt. Mit anderen Worten spiegelt das
Drehzahlkollektiv ein personenspezifisches Verhalten beziehungsweise
Betreiben einer der Brennkraftmaschine ähnlichen Antriebsmaschine dar.
Dabei unterliegt ein derartiges Drehzahlkollektiv 13 ebenfalls
einer Streuung 16, die bei der Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit
mitberücksichtigt
werden kann. Zweckmäßigerweise
werden möglichst
viele Drehzahlkollektive von entsprechend vielen ”Personen” ermittelt.
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Die
in den Blöcken 1, 2 und 3 beziehungsweise
in den 2, 3 und 4 beschriebenen Größen stellen
die Basis für
die im Block 4 der 1 durchgeführten Monte-Carlo-Simulation
dar. Die 5 stellt die in dem Block 4 der 1 erfolgende Monte-Carlo-Simulation
schematisch dar. Ein Zufallsgenerator 17 wählt aus
den drei vorstehend beschriebenen Größen der Blöcke 1, 2 und 3 zufällig jeweils
eine aus, wobei zweckmäßigerweise
die ausgewählte Belastungskurve
und die ausgewählte
Festigkeit beziehungsweise Wöhlerlinie
sich auf ein Bauteil beziehen. Da, wie vorstehend beschrieben, die Belastung
und die Festigkeit eines Bauteils einer gewissen Streuung unterliegen,
wählt der
Zufallsgenerator jeweils eine sich auf das Bauteil beziehende Belastungskurve
und eine sich auf dasselbe Bauteil beziehende Festigkeit aus. In
einem darauf folgenden Schritt 18 werden aus der gewählten Belastungskurve,
hier Belastungskurve 12, und dem gewählten Drehzahlkollektiv, hier
Drehzahlkollektiv 16, ein Belastungskollektiv 19 erstellt.
Aufgrund der berücksichtigten
Streuung der Belastung, der Festigkeit und des Drehzahlkollektivs
kann eine sehr hohe Anzahl unterschiedlicher Belastungskollektive
erstellt werden.
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Wie
in der 6 dargestellt ist das Belastungskollektiv 19 als
Last 20 über
die Häufigkeit 14 des
Drehzahlkollektivs 13 aufgetragen. Es ergibt sich also
ein Belastungskollektiv 19, welches darstellt, wie oft
welche Belastung des zur Belastungskurve 12 gehörenden Bauteils
bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine/Antriebsvorrichtung gemäß dem zufällig gewählten Drehzahlkollektiv 13 auftreten
würde.
Vorteilhafterweise ist das Belastungskollektiv 19 auf die Lebensdauer
der Antriebsvorrichtung runtergerechnet, entsprechend der Zeitdauer über die
die Drehzahlkollektive der gleichartigen Antriebsmaschinen ermittelt
wurden. Dabei wird die vorstehend beschriebene Streuung berücksichtigt,
wie durch Pfeile 20 und 21 angedeutet, wodurch
ein Belastungskollektiv 22 entsteht, welches die Belastung
des Bauteils über die
gewünschte
Lebensdauer der Brennkraftmaschine/Antriebsvorrichtung unter Rücksichtnahme
auf die Streuung darstellt.
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Im
Block 4 wird weiterhin, wie in 5 dargestellt,
in dem Schritt 18 das Belastungskollektiv 19 beziehungsweise 22 mit
einer der im Block 1 ermittelten Wählerlinien des betreffenden
Bauteils verglichen, wobei eine Schädigung aus Belastungskollektiv 19/22 und
Wöhlerlinie
bestimmt wird. In einem auf den Schritt 18 folgenden Schritt 23 wird
die bestimmte Schädigung
gespeichert und der Zufallsgenerator 17 wählt drei
neue Größen aus
den Blöcken 1, 2 und 3 aus
um eine weitere Schädigung
zu bestimmen. Umso mehr Durchgänge
im Block 4 beziehungsweise in der Monte-Carlo-Simulation
erfolgen, umso aussagekräftiger
ist die später
bestimmte Ausfallwahrscheinlichkeit für die Antriebsvorrichtung.
Im Block 4 werden also zufällige Bauteile, beziehungsweise
deren jeweils einer Streuung unterliegenden Belastung und Festigkeit,
mit zufälligen
(personenspezifischen) Drehzahlkollektiven kombiniert, wodurch zufällige Belastungskollektive
entstehen mittels denen eine Schädigung
des zufällig
gewählten Bauteils
und damit der Antriebsvorrichtung/Brennkraftmaschine bestimmbar
ist.
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In
dem Block 4 folgenden Block 5 werden, wie in der 7 dargestellt,
die Häufigkeit 24 der
auftretenden Schädigungen 25 mit
einem Grenzwert 26 verglichen. Überschreitet die Schädigung 25 den Grenzwert 26,
so kann von einem altersbedingten Bauteilversagen des Bauteils und
somit von einem Ausfall des Bauteils ausgegangen werden. In dem auf
den Block 5 folgenden Block 6 wird, wie in 8 dargestellt,
abschließend
die Ausfallwahrscheinlichkeit 27 beispielsweise über die
Laufleistung 28 in km als Ausfallwahrscheinlichkeitskurve 29 hochgerechnet.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es somit möglich
auf Basis bekannter personenspezifischer Verhaltensweisen die Belastung
und damit die in der Zukunft liegende Ausfallwahrscheinlichkeit
beziehungsweise die Häufigkeit
von Schädigungen
von Bauteilen der Brennkraftmaschine/Antriebsvorrichtung zu bestimmen.
Ein Entwickler kann somit anhand der bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit
entscheiden, ob die untersuchte, bereits gebaute Brennkraftmaschine,
also der Prototyp, in Serie gehen soll. Zur Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit
sind dabei, wie oben beschrieben, lediglich kleine Belastungstests
an der Brennkraftmaschine beziehungsweise an den Bauteilen durchzuführen. Wobei
der Prüfungsaufwand
wesentlich geringer und kostengünstiger
als bei bekanten Verfahren ausfällt
und die Ausfallwahrscheinlichkeit wesentlich genauer bestimmt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Block
- 2
- Block
- 3
- Block
- 4
- Block
- 5
- Block
- 6
- Block
- 7
- Wählerlinie
- 8
- Spannungsamplitude
- 9
- Schwingspielzahl
- 10
- Spannung
- 11
- Drehzahl
- 12
- Belastungskurve
- 13
- Drehzahlkollektiv
- 14
- Häufigkeit
- 15
- Drehzahl
- 16
- Streuung
- 17
- Zufallsgenerator
- 18
- Schritt
- 19
- Belastungskollektiv
- 20
- Pfeil
- 21
- Pfeil
- 22
- Belastungskollektiv
- 23
- Schritt
- 24
- Häufigkeit
- 25
- Schädigung
- 26
- Grenzwert
- 27
- Ausfallwahrscheinlichkeit
- 28
- Laufleistung
- 29
- Ausfallwahrscheinlichkeitskurve