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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorhersagen von Ausfallereignissen
für eine Komponente eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Zu
Service- und Diagnosezwecken wird in Kraftfahrzeugen routinemäßig
eine Vielzahl von Betriebsparametern verschiedener Komponenten erfasst
und gespeichert. Bei Wartung und Reparatur können diese
gespeicherten Daten ausgelesen und analysiert werden, um so beispielsweise
die Ursache für Fehlfunktionen des Kraftfahrzeuges zu diagnostizieren.
Ein besonderes Interesse besteht daran, kritische Zustände
von Fahrzeugkomponenten schon vor deren Ausfall festzustellen und
solche Komponenten im Rahmen regulärer Wartungsintervalle
auszutauschen, um die Werkstattzeit des Fahrzeugs weitestmöglich
zu verringern. Insbesondere bei sicherheitskritischen Fahrzeugkomponenten,
beispielsweise dem Bremssystem, trägt eine solche proaktive
Wartung auch erheblich zur Verkehrssicherheit bei.
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In
der
DE 10 2006
002 495 A1 ist ein Verfahren zum Speichern von Daten in
einem Fahrzeug offenbart, bei dem Belastungsdaten verschiedener
Fahrzeugkomponenten in Form sogenannter Lastkollektive gespeichert
werden und für die Übermittlung an ein Offboard-Diagnosesystem
bereitgestellt werden. Die Verwendung von Lastkollektiven, also
von Häufigkeitsverteilungen des Auftretens bestimmter Lastzustände
stellt dabei ein besonderes platzsparendes Verfahren zur Speicherung
von Betriebsparametern dar. Bei einem Systemausfall kann später
anhand dieser gespeicherten Daten festgestellt werden, welche Komponenten
besonderen Belastungen ausgesetzt waren, so dass Rückschlüsse
auf die Natur und Ursache des Systemversagens gezogen werden können.
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In
der
DE 196 51 986
A1 ist weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Vergleich von Maschinen in einer Flotte offenbart. Hierbei werden
Betriebsparameter einzelner Maschinen mit einem Referenzparametersatz
der gesamten Maschinenflotte verglichen. So kann festgestellt werden,
ob einzelne Maschinen ein Abweichen des Betriebsverhaltens zeigen,
was gegebenenfalls eine Wartung nötig machen würde.
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Die
dem Stand der Technik zu entnehmenden Verfahren beschränken
sich jedoch im Wesentlichen darauf, abweichende Betriebszustände
festzustellen. Wenn nun jedoch bestimmte Betriebsparameter einer Kraftfahrzeugkomponente
von einem Sollwert abweichen, muss es bereits zu feststellbaren
Schädigungen dieser Komponente gekommen sein. Es wäre
jedoch von besonderem Interesse, eine Wartung und gegebenenfalls
einen Komponentenaustausch einzuleiten, bevor es zu einer tatsächlichen
Schädigung der jeweiligen Komponente kommt.
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Aus
dem Bereich der Werkstoffkunde sind weiterhin Verfahren zur rechnerischen
Lebensdauerabschätzung von Bauteile bekannt, bei denen
aus einem Beanspruchungskollektiv und experimentiell ermittelten Daten
der Zeitpunkt eines Versagens eines Bauteils abgeschätzt
wird (Wähler-Kurven, Gaßner-Kurven, Palmgren-Miner-Regel).
Diese Verfahren eignen sich insbesondere zur Analyse von mechanischen
Schwingungsbelastungen an Bauteilen, können jedoch auch
auf andere Belastungsarten übertragen werden. Nachteilig steht
den Verfahren entgegen, dass für jedes Bauteil Lebensdauerkurven
unter betriebsähnlichen Bedingungen experimentiell im Labor
bestimmt werden müssen. Solche Bestimmungen sind aufwendig,
ihre Ergebnisse decken sich nicht immer mit reellen Lastbedingungen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
bereitzustellen, mit dessen Hilfe Ausfallereignisse für
Komponenten eines Kraftfahrzeuges einfach und zuverlässig
vorausgesagt werden können.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Vorhersagen
von Ausfallereignissen für eine Komponente eines Kraftfahrzeugs
werden Lastdaten der Komponente von einer im Kraftfahrzeug angeordneten
Verarbeitungseinheit erfasst und in vorgegebenen Zeitabständen
an eine außerhalb des Fahrzeugs angeordnete Diagnoseeinrichtung übermittelt.
Durch Anwendung einer Schädigungsfunktion wird von der
Diagnoseeinrichtung ein Schädigungswert für die
Komponenten errechnet und bei Erreichen oder Überschreiten
eines vorgegebenen Ausfallschädigungswertes eine Ausfallwarnung
generiert. Damit wird vorteilhaft allein auf Grundlage der Belastungen,
denen die Komponente ausgesetzt wird, eine Lebenszeitabschätzung
der Komponente ermöglicht. Es muss hierbei zu keiner tatsächlichen
Fehlfunktion der Komponente oder zum Auftreten außergewöhnlicher
oder anormaler Betriebszustände gekommen sein, eine Wartung
beziehungsweise ein Austausch der Komponente kann somit bereits
im Vorfeld einer zu erwartenden Schädigung veranlasst werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform werden die Lastdaten
dabei in Form einer zeitabhängigen Datenreihe von zumindest
einem der Komponente zugeordneten Sensor zur Verfügung
gestellt. Damit werden Belastungen der Komponente kontinuierlich über
ihre gesamte Lebenszeit hinweg registriert und fließen
in die Bestimmung des Schädigungswertes ein. Damit wird
vorteilhaft auch der Normalbetrieb der Komponente, d. h. auch ihr
Betrieb außerhalb des Auftretens auffälliger oder
anormaler Betriebszustände registriert und zur Abschätzung
ihrer Lebenszeit herangezogen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Elemente
dieser zeitabhängigen Datenreihe durch die im Kraftfahrzeug
angeordnete Verarbeitungseinheit in eine Mehrzahl von Lastklassen
eingeordnet und für jede Lastklasse gezählt. Aus
der Häufigkeitsverteilung, mit der die erfassten Lastdaten
in die Lastklassen fallen, wird durch die Verarbeitungseinheit in
der Folge ein zwei- drei- oder mehrdimensionales, der Komponente
zugeordnetes Lastkollektiv ermittelt. Solche Lastkollektive, also
Häufigkeitsverteilungen über verschiedene an der
Komponente aufgetretene Belastungszustände, stellen eine
besonders kompakte Form zur Speicherung der Belastungsgeschichte
der Komponente dar. Damit werden die aufgrund der kontinuierlichen
zeitabhängigen Abfassung von Lastdaten anfallenden hohen
Datenmengen komprimiert und somit besser handhab- und übermittelbar.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das so
ermittelte, der Komponente zugeordnete Lastkollektiv in einer im
Kraftfahrzeug angeordneten nicht-flüchtigen Speichereinrichtung
gespeichert. Damit wird es ermöglicht, die gespeicherten
Lastkollektivdaten für die Analyse durch außerhalb
des Fahrzeugs angeordnete Diagnoseeinrichtungen zur Verfügung
zu stellen, ohne dass eine dauernde Telematikverbindung zur Übermittlung
der Daten an die Diagnoseeinrichtung bestehen muss.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Lastdaten
in Form des der Komponente zugeordneten Lastkollektivs in vorgegebenen
Zeitabständen an die außerhalb des Fahrzeugs angeordnete
Diagnoseeinrichtung übermittelt. Die Übermittlung
in Form des Lastkollektivs ermöglicht vorteilhaft eine
hohe Komprimierung des zu übertragenden Datenvolumens,
die regelmäßige Übermittlung der Daten
in vorgegebenen Zeitabständen, beispielsweise bei der regulären
Fahrzeugwartung ermöglicht eine in vorgegebenen Zeitabständen
aktualisierbare Lebensdauerprognose für die Komponenten
des Fahrzeuges.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden Lastkollektive
für eine Mehrzahl von Komponenten einer Mehrzahl von Kraftfahrzeugen
an die außerhalb des Fahrzeugs angeordnete Diagnoseeinrichtung übermittelt.
Dadurch wird es vorteilhaft ermöglicht, in der Diagnoseeinrichtung
eine Datenbank über Belastungszustände der Komponenten
einer gesamten Fahrzeugflotte aufzubauen und zur statistischen Auswertung
zur Verfügung zu stellen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden bei Ausfall
einer Komponente eine Ausfallmeldung und das zugehörige
Lastkollektiv an die Diagnoseeinrichtung übermittelt. Damit
wird eine Datenbasis zur Verfügung gestellt, anhand derer
von der Diagnoseeinrichtung ein Zusammenhang zwischen Belastungsprofilen
und Komponentenausfällen ermittelt werden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden in vorgegebenen
Zeitabständen durch die Diagnoseeinrichtung eine aktualisierte
Schädigungsfunktion und/oder ein aktualisierter Ausfallschädigungswert aus
der Gesamtheit der übermittelten Ausfallmeldungen und der
zugeordneten Lastkollektive ermittelt. Durch die regelmäßige
Aktualisierung der Schädigungsfunktion auf Grundlage der
für die gesamte Fahrzeugflotte erhobenen Belastungsprofile
und Ausfallereignisse wird damit vorteilhaft eine ständige
empirisch basierte Verbesserung der Schädigungsfunktion
bzw. des Ausfallschädigungswertes sichergestellt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Ausfallwarnung
von der außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Diagnoseeinrichtung
generiert und über ein Telematiksystem an das Fahrzeug übermittelt.
Damit wird vorteilhaft sichergestellt, dass zur Generierung der
Ausfallwarnung zu jedem Zeitpunkt die aktuellste und auf der besten
Datenbasis beruhende Schädigungsfunktion verwendet wird.
Weiterhin wird durch die Übermittlung der Ausfallwarnung
durch ein Telematiksystem vorteilhaft gewährleistet, dass
der Fahrer sofort über drohende Komponentenausfälle
informiert wird und in der Folge entsprechende Maßnahmen
ergreifen kann.
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In
einer alternativen Ausführungsform wird der Schädigungswert
für die Komponente von der im Kraftfahrzeug angeordneten
Verarbeitungseinheit berechnet und in der Folge von der Verarbeitungseinheit
bei Erreichen oder Überschreiten eines Ausfallschädigungswertes
eine Ausfallwarnung generiert. Damit wird vorteilhaft gewährleistet,
dass zur Berechnung des Schädigungswertes jederzeit das
aktuellste Lastkollektiv der Komponente verwendet wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird von der außerhalb
des Fahrzeugs angeordneten Diagnoseeinrichtung die jeweils aktuellste
ermittelte Schädigungsfunktion und/oder Ausfallschädigungswert
an die außerhalb des Fahrzeuges angeordneten Diagnoseeinheit übermittelt.
Damit wird vorteilhaft sichergestellt, dass der Diagnoseeinheit
in der Werkstatt jederzeit die aktuellste Schädigungsfunktion
zur Verfügung steht.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird von der außerhalb
des Fahrzeugs angeordneten Diagnoseeinrichtung die jeweils aktuellste
ermittelte Schädigungsfunktion und/oder Ausfallschädigungswert über
ein Telematiksystem an das Fahrzeug übermittelt. Damit
wird vorteilhaft sichergestellt, dass der Verarbeitungseinheit im
Fahrzeug jederzeit die aktuellste Schädigungsfunktion zur
Verfügung steht.
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Im
Folgenden soll anhand der Zeichnung die Erfindung ohne Beschränkung
der Allgemeinheit näher erläutert werden, wobei
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1 schematisch
die Komponenten einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens für eine
Fahrzeugflotte darstellt,
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2 ein
Flussdiagramm für die innerhalb der im Fahrzeug angeordneten
Verarbeitungseinheit ablaufenden Verfahrensschritte zeigt,
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3 ein
Flussdiagramm der innerhalb der außerhalb des Fahrzeugs
angeordneten Diagnoseeinheit ablaufenden Verfahrensschritte darstellt
und
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4 eine
schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Lastkollektiv
und Schädigungswerten zeigt.
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In
einer Flotte von Fahrzeugen 12, 12' sind in jedem
Fahrzeug mehrere Sensoren 14, 14' angeordnet, welche
Lastdaten zumindest einer Fahrzeugkomponente erfassen. Bei Lastdaten
im Sinne dieser Anmeldung kann es sich um thermische, mechanische
oder laufzeitbedingte physikalische Einflussgrößen
auf die Komponente handeln. Die Lastdaten werden von den Sensoren 14, 14' zunächst
in Form einer zeitabhängigen Datenreihe zur Verfügung
gestellt und über ein Bussystem 16 an eine Verarbeitungseinheit 18,
welche ebenfalls im Fahrzeug angeordnet ist, übermittelt.
Die Daten können dabei in vorgebenen Zeitabständen
durchgeführte Einzelmessungen oder auch intergrierte Messungen über
vorgegebene Zeitintervalle umfassen.
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Nach
der Erfassung der zeitabhängigen Lastdaten durch die Verarbeitungseinrichtung 18 im
Verfahrensschritt S10 werden diese Daten von der Verarbeitungseinrichtung 18 im
Verfahrensschritt S12 in verschiedene Lastklassen eingeteilt. Die
Festlegung dieser Lastklassen hängt vom konkreten Problem,
der beobachteten Größe und der beobachteten Fahrzeugkomponente
ab. So ist beispielsweise eine rein qualitative Datenklassifizierung
(„zu niedrig", „zu hoch") oder eine quantitative
Klassifizierung in vorgegebene Intervalle möglich.
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Im
Verfahrensschritt S14 ermittelt die Verarbeitungseinrichtung 18 aus
den in Klassen eingeteilten Lastdaten eine Häufigkeitsverteilung
des Auftretens verschiedener Lastklassen. Je nach Form der Klassifizierung
und der Zahl der erfassten Lastdaten entsteht so ein- zwei- drei-
oder mehrdimenionales Lastkollektiv, welches von der Verarbeitungseinrichtung 18 in
einem nicht-flüchtigen Speicher 20 im Fahrzeug 12 abgelegt wird.
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Die
Verarbeitungseinrichtung 18 entscheidet weiterhin in regelmäßigen
Zeitabständen, ob ein Datenaustausch mit einer außerhalb
des Fahrzeugs angeordneten Diagnoseeinrichtung 22 erfolgen
soll. Die Kriterien für die Durchführung eines
solchen Datenaustausches können verschieden gesetzt werden.
Es ist möglich einen solchen Datenaustausch lediglich im
Rahmen einer normalen regulären Fahrzeugwartung durchzuführen,
wobei im technisch einfachsten Fall die Verarbeitungseinrichtung 18 über
eine Kabelverbindung mit der Diagnoseeinrichtung 22 verbunden
wird. Alternativ ist es möglich, die Verbindung zwischen
der Verarbeitungseinrichtung 18 und der Diagnoseeinrichtung 22 über
ein Telematiksystem zur realisieren, und so einen Datenaustausch
zwischen den beiden Einrichtungen zu beliebig wählbaren
Zeitpunkten zu ermöglichen.
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Während
des Datenaustausches erhält die Diagnoseeinrichtung 22 im
Verfahrensschritt S18 Informationen über die beobachteten
Komponenten angefallenen Lastkollektive, sowie zusätzlichen
Informationen, ob diese Lastkollektive mit einem Ausfall oder Schädigung
der Komponente verbunden sind.
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Die
Diagnoseeinrichtung 22 bestimmt, wie später noch
im Detail erläutert, aus den empfangenen Lastkollektiven
mittels einer Schädigungsfunktion eine Schädigungszahl
für die beobachtete Komponente, und vergleicht diese mit
einer vorgegebenen Ausfallschädigungszahl. Erreicht oder überschreitet
die Schädigungszahl der überwachten Komponente
die vorgegebenen Ausfallschädigungszahl, so sendet die
Diagnoseeinrichtung 22 eine Ausfallwarnung an die Verarbeitungseinrichtung 18 des
betroffenen Fahrzeugs 12.
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Bei
Empfang einer solchen Warnung löst die Verarbeitungseinrichtung 18 in
der Folge ein geeignetes Warnsignal 24 aus. Dies kann sich
auf einen einfachen Hinweis an den Fahrzeughalter beschränken,
eine Werkstatt aufzusuchen, es ist jedoch ebenfalls möglich
detailliertere Informationen zur Verfügung zustellen, um
die Entscheidungsfindung des Führers des Fahrzeugs 12 zu
fördern. Im Rahmen eines weiterreichenden Telematikkonzeptes
ist es weiterhin möglich, einen automatischen Datenabgleich
mit einer Servicewerkstatt durchzuführen und beispielsweise
selbsttätig einen Wartungstermin festzulegen.
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Während
in Verfahren nach dem Stand der Technik zur Vorhersage von Schädigungen
aus einem Lastkollektiv in der Regel in Laborversuchen ermittelte
Schädigungsfunktionen verwendet werden, benutzt das erfindungsgemäße
Verfahren eine Schädigungsfunktion, welche auf Basis von
Flottendaten erstellt wird und laufend aktualisiert wird. Diese Überwachung
der Flottendaten und Aktualisierung der Schädigungsfunktion wird
von der außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Diagnoseeinrichtung 22 ausgeführt. 3 zeigt
ein schematisches Flussdiagramm der zu diesem Zweck ablaufenden
Verfahrensschritte.
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Von
den Fahrzeugen 12, 12' der Fahrzeugflotte übermittelten
Lastkollektive werden von der Diagnoseeinrichtung 22 empfangen
und in einer Datenbank abgelegt. Empfängt die Diagnoseeinrichtung 22 eine
Meldung über einen nicht vorhergesagten Ausfall einer Fahrzeugkomponente,
so muss die Schädigungsfunktion aktualisiert werden. Wie
in 4 gezeigt ist jeder Lastklasse Si des
Lastkollektivs ein Schadenswert Di zugeordnet.
Der Schadenswert Di berechnet sich dabei
durch Anwendung der Schadensfunktion fi auf
den Häufigkeitswert der Lastklasse Si. Di = fi(Si) (Gleichung
1)
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Durch
Summierung über alle n individuellen Schadenswerte D
i, welche einem Lastkollektiv einer Komponente
zugeordnet sind wird die Gesamtschadenszahl D
j für
die individuelle Komponente bestimmt:
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Zur
Optimierung der Schadensfunktion wird nun eine Gesamtschadenszahl
D über alle Lastkollektive der Fahrzeugflotte mit m Fahrzeugen,
welche einem Ausfallereignis zugeordnet sind, ermittelt:
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Für
die Darstellung der Schadensfunktion f(Si)
können dabei verschiedene Darstellungen gewählt
werden. So ist es beispielsweise möglich, die Schadensfunktion
als Polynom oder Reihenentwicklung anzusetzen, es ist weiterhin
möglich die Schädigungsfunktion f(Si)
als Spline-Funktion zu realisieren.
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Zum
Optimieren der Schädigungsfunktion f(S
i)
wird im erfindungsgemäßen Verfahren die Methode
der kleinsten Quadrate verwendet, wobei die Summe der Fehlerquadrate
zwischen den für jedes einzelne Ausfallereignis ermittelten
Schädigungszahlen D
j und der über
die Flotte gemittelten Gesamtausfallschädigungszahl D minimal
wird:
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Selbstverständlich
ist auch die Anwendung anderer Minimierungsverfahren möglich.
Aus Gründen der Vereinfachung ist es weiterhin möglich,
die Parameter der Schädigungsfunktion f (Si)
so zu normieren, dass die Ausfallschädigungszahl, bei der
ein Versagen der Komponente zu erwarten ist, 1 beträgt.
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Wenn
von der Verarbeitungseinrichtung 18 eines Kraftfahrzeugs 12, 12' nun
ein Lastkollektiv für eine beobachtete Komponente an die
Diagnoseeinrichtung 22 übermittelt wird, bestimmt
die Diagnoseeinrichtung 22 nach der oben beschriebenen
Methode den aktuellen Schädigungswert der beobachteten
Komponente und vergleicht diesen mit dem vorgegebenen Ausfallschädigungswert.
Ist dieser Wert erreicht oder überschritten, so übermittelt
die Diagnoseeinrichtung 22 im Gegenzug eine Ausfallwarnung
entweder zurück an die Verarbeitungseinrichtung 18,
die diese wie oben beschrieben an den Fahrer zurückmeldet,
oder die Diagnoseeinrichtung 22 meldet dem Werkstattpersonal
den notwendigen Komponententausch.
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Die
Ermittlung individueller Schädigungswerte Dj aus
dem aufgenommenen Lastkollektiv einer beobachteten Komponente kann
natürlich auch innerhalb der Verarbeitungseinrichtung 18 durchgeführt
werden. In diesem Fall dient die Datenübermittlung an die
Diagnoseeinrichtung 22 im Wesentlichen nur noch dem Aufbau einer
Lastkollektiv- und Ausfalldatenbank für die Fahrzeugflotte.
Bei Aktualisierungen der Schädigungsfunktion übermittelt
die Diagnoseeinrichtung 22 die neue, verbesserte Schädigungsfunktion
an die Verarbeitungseinrichtungen 18 aller Fahrzeuge 12, 12' der
Fahrzeugflotte, so dass diese jederzeit aktualisierte Schadensvorhersagen
für die beobachteten Komponenten treffen können.
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Kommt
es im Rahmen dieser Komponentenüberwachung zu einer Servicewarnung,
die zum Austausch einer beobachteten Komponente führt,
so ist es möglich, das Lastkollektiv der betreffenden Komponente
durch die Verarbeitungseinrichtung 18 nach dem Austausch
einfach weiter fortzuschreiben. Das beim Austausch vorliegende Lastkollektiv
wird dann an die Diagnosevorrichtung 22 übermittelt,
und bei zukünftigen Schadensprognosen vom aktuellen Lastkollektiv
abgezogen, um lediglich die Belastungsereignisse, die die ausgetauschte
Komponente betreffen, zu berücksichtigen. Es ist natürlich
ebenso denkbar, beim Austausch einer Komponente das in der Speichereinrichtung 20 zwischengespeicherte
Lastkollektiv zu löschen, und für die neu ausgetauschte
Komponente ein neues Lastkollektiv anzulegen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin in ein
umfassenderes Flottenmanagementsystem eingebunden werden, so dass
z. B. Wartungstermine mehrerer Fahrzeuge einer Fahrzeugflotte koordiniert werden
können und so Ausfallzeiten für die Gesamtflotte
minimiert werden. Eine Übermittlung von Ausfallwarnungen
an entsprechende Servicewerkstätten ermöglicht
weiterhin eine vorbeugende Reparaturplanung, so dass beispielsweise
benötigte Ersatzteile just-in-time beschafft werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006002495
A1 [0003]
- - DE 19651986 A1 [0004]
