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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 Prüfbeziehungsweise 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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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
Vollastbetrieb, 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 werden.
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 zweckmailigerweise mehrere Festigkeitslinien beziehungsweise Wählerlinien
ermittelt. Die Streuung der Festigkeit des Bauteils wird also vorteilhafterweise
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 vorteilhafterweise 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 Antriebs maschine 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, vorteilhafterweise 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 vorteilhafterweise 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. 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,
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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 Prototypen 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 vorteilhafterweise 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 vorteilhafterweise 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 Wählerlinie 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 Wählerlinie
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. Um so mehr Durchgänge
im Block 4 beziehungsweise in der Monte-Carlo-Simulation
erfolgen, um so 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 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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- 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
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19944435
A1 [0003, 0004]