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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung und Dimensionierung eines Neuteils eines Kraftfahrzeugs.
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Bei der Entwicklung neuer Kraftfahrzeuge werden die verschiedenen Komponenten des neu zu entwickelnden Kraftfahrzeugs mit Hilfe bekannter Methoden ausgelegt und dimensioniert. Um die Funktionsfähigkeit des Kraftfahrzeugs über dessen Lebensdauer sicherstellen zu können, werden die neuen Komponenten grundsätzlich so ausgelegt, dass sie den während der Lebensdauer des Kraftfahrzeugs auftretenden Belastungen sowie dem über die Lebensdauer des Kraftfahrzeugs auftretenden Bauteilverschleiß standhalten können. Zu diesem Zweck werden üblicherweise Testfahrten und Computersimulationen durchgeführt, um die voraussichtlich während der Lebensdauer des Neuteils auftretenden Belastungen zu ermitteln und anschließend auf Grundlage dieser Ergebnisse das Neuteil auszulegen.
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Ein alternatives Verfahren zur Auslegung und Dimensionierung eines Neuteils eines Kraftfahrzeugs, nämlich eines neu zu entwickelnden Getriebes, wird in der Druckschrift
WO 2010/121 693 A1 beschrieben. Bei dem in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahren werden auf Grundlage verschiedener Sensorinformationen während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs Lastkollektive des Getriebes ermittelt und in einem nicht flüchtigen Speicher abgespeichert. Die über die Lebensdauer des Getriebes bzw. des Kraftfahrzeugs ermittelten Lastkollektive werden dann zur Auslegung des neuen Getriebes verwendet. Auf diese Weise ist es möglich, eine Überdimensionierung bestimmter Komponenten des neu zu entwickelnden Getriebes zu vermeiden und dadurch eine Gewichtsreduzierung ohne Einbußen bei Funktion und Festigkeit zu erreichen. Ein anderes Verfahren zur Lastkollektivermittlung wird in der
deutschen Patentanmeldung 10 2014 112 147.3 beschrieben.
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Insbesondere im Hinblick auf die immer kürzeren Entwicklungszyklen der Komponenten neuer Kraftfahrzeuge stehen bei Anwendung dieses Verfahrens zum Zeitpunkt des Beginns der Neuentwicklung jeweils lediglich Informationen vergleichsweise weniger Getriebe über deren gesamte Lebensdauer zur Verfügung. Auf Grund der geringen zur Verfügung stehenden Datenbasis ist daher auch bei Anwendung dieses Verfahrens heutzutage keine exakte Auslegung und Dimensionierung des Getriebes unter Vermeidung deutlicher Überdimensionierung einzelner Komponenten des Getriebes möglich.
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Als Aufgabe der Erfindung wird es angesehen, eine üblicherweise erforderliche Überdimensionierung von Neuteilen zu vermeiden und darüber hinaus weitergehende Kosteneinsparungen durch eine angepasste Dimensionierung und Auslegung über sämtliche Kraftfahrzeuge einer Kraftfahrzeugflotte hinweg zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Auslegung und Dimensionierung eines Neuteils eines Kraftfahrzeugs gelöst, wobei sämtliche Kraftfahrzeuge einer Kraftfahrzeugflotte ein baugleiches Referenzteil aufweisen und die Referenzteile und das Neuteil vom gleichen Bauteiltyp sind, wobei fortlaufend Lastkollektive und Schädigungsniveaus der Referenzteile sämtlicher Kraftfahrzeuge der Kraftfahrzeugflotte auf Grundlage von in dem jeweiligen Kraftfahrzeug verfügbarer Sensor- und Fahrzustandsinformationen mit Hilfe vorgegebener Algorithmen ermittelt werden und wobei die Lastkollektive und Schädigungsniveaus in einer zentralen Datenbank gespeichert werden, wobei auf Grundlage der in der zentralen Datenbank zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegenden Lastkollektive und Schädigungsniveaus der Referenzteile sämtlicher Kraftfahrzeuge der Kraftfahrzeugflotte regelmäßig eine Referenzbeanspruchung eines Bauteils des Bauteiltyps ermittelt wird, wobei das Neuteil unter Berücksichtigung der Referenzbeanspruchung ausgelegt und dimensioniert wird und wobei die Referenzbeanspruchung kleiner als die maximal aufgetretene Beanspruchung sämtlicher Referenzteile ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist also vorgesehen, dass kontinuierlich Lastkollektive und Schädigungsniveaus mit Hilfe bekannter Verfahren für jedes Fahrzeug ermittelt werden.
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Diese, bereits unmittelbar nach Inbetriebnahme erster Neufahrzeuge der Kraftfahrzeugflotte in der zentralen Datenbank zur Verfügung stehende Lastkollektive und Schädigungsniveaus können bereits noch während der Lebensdauer des untersuchten Referenzteils zur Auslegung und Dimensionierung des Neuteils verwendet werden. Zu diesem Zweck können mit Hilfe vorgegebener Algorithmen die zu Beginn der Entwicklung bereits zur Verfügung stehenden Lastkollektive und Schädigungsniveaus verarbeitet werden, um die voraussichtliche Beanspruchung der Referenzbauteile über die beabsichtigte Lebensdauer der Referenzbauteile zu ermitteln. Diese Referenzbeanspruchung kann durch während des Betriebs der Kraftfahrzeuge der Kraftfahrzeugflotte neu gewonnene Lastkollektive und Schädigungsniveaus während des Entwicklungsprozesses regelmäßig angepasst werden, um die Dimensionierung und Auslegung des Neuteils weiter zu verbessern. Auf diese Weise kann das Neuteil auf Grundlage einer ausreichend großen Datenbasis ausgelegt und dimensioniert werden. Sofern ein einzelnes Referenzteil während des Betriebs des jeweiligen Kraftfahrzeugs ausfallen sollte, kann auf Grundlage der vorliegenden Historie der Belastungen dieses Referenzteils die aufgetretene Schädigung besser nachvollzogen werden, sodass diese Informationen bei der Auslegung des Neuteils zusätzlich berücksichtigt werden können.
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Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Steuergeräte sämtlicher Kraftfahrzeuge der Kraftfahrzeugflotte fortlaufend die Lastkollektive und die Schädigungsniveaus der Referenzteile auf Grundlage der in dem jeweiligen Kraftfahrzeug verfügbaren Sensor- und Fahrzustandsinformationen ermitteln und wobei die Steuergeräte die jeweils ermittelten Lastkollektive und Schädigungsniveaus regelmäßig an die datenübertragend mit den Steuergeräten verbundene zentrale Datenbank übermitteln. Die Lastkollektive und Schädigungsniveaus werden also auf entsprechenden Steuergeräten – Onboard – ermittelt und unter Verwendung moderner Kommunikationssysteme regelmäßig an eine zentrale Datenbank übermittelt.
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Es ist jedoch auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuergeräte sämtlicher Kraftfahrzeuge der Kraftfahrzeugflotte fortlaufend in dem jeweiligen Kraftfahrzeug verfügbare Sensor- und Fahrzustandsinformationen ermitteln und regelmäßig an die datenübertragend mit den Steuergeräten verbundene zentrale Datenbank übermitteln, wobei die Lastkollektive und die Schädigungsniveaus der Referenzteile auf Grundlage der in der zentralen Datenbank zur Verfügung stehenden Sensor- und Fahrzustandsinformationen ermittelt werden. Auf diese Weise kann die Bestimmung der Lastkollektive und Schädigungsniveaus bedarfsorientiert zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen, wobei die für die Berechnung der vorgegebenen Algorithmen erforderliche Rechenleistung und Speicherkapazität nicht in den einzelnen Steuergeräten bereitgestellt werden muss, sondern die Lastkollektive und Schädigungsniveaus auf entsprechend eingerichteten Computern berechnet werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt über eine exaktere Auslegung und Dimensionierung des Neuteils hinaus weitergehende Gewichts-, CO2- und Kosteneinsparungen dadurch, dass die Referenzbeanspruchung so bestimmt wird, dass die Referenzbeanspruchung kleiner als die maximal aufgetretene Beanspruchung sämtlicher Referenzteile ist. Durch diese Vorgabe wird das Neuteil bewusst so ausgelegt, dass das Neuteil bei einigen im realen Betrieb zu erwartenden Belastungen die vorgesehene Lebensdauer nicht erreichen wird und vorzeitig ausgetauscht werden muss. Ein solcher Austausch von Komponenten noch während der erwarteten Lebensdauer der Komponente wird von den Kunden jedoch nur dann akzeptiert, wenn die jeweilige Komponente erstens vorteilhafterweise kostenfrei ausgetauscht wird und zweitens der Austausch im Rahmen der regelmäßigen Wartung durchgeführt werden kann. Eine Kosteneinsparung und ein ressourcenschonender Einsatz dieses neuen Verfahrens ist dadurch möglich, dass nicht sämtliche Komponenten regelmäßig im Zuge der Wartung ausgetauscht werden müssen, sondern dass auf Grundlage der ermittelten und regelmäßig an die zentrale Datenbank übermittelten Lastkollektive und Schädigungsniveaus die Kraftfahrzeuge ermittelt werden, bei denen die jeweilige Komponente voraussichtlich in naher Zukunft ausfallen wird. Auf diese Weise ist es möglich, das Neuteil beispielsweise auf einen Normalfahrer auszulegen, der das Neuteil voraussichtlich auf eine durchschnittliche Art und Weise belasten wird, so dass zum Beispiel 90 % der über die gesamte Kraftfahrzeugflotte verbauten Neuteile die beabsichtigte Lebensdauer erreichen werden und lediglich 10 % der Neuteile vor Ablauf der geplanten Nutzungsdauer vorsorglich ausgetauscht werden müssen. Die Referenzbeanspruchung entspricht in diesem Fall der Beanspruchung, die bei 90% der unterschiedlichen Nutzungsprofile maximal auftritt. Die Referenzbeanspruchung wird häufig auch als Referenznutzungsprofil bezeichnet.
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Um möglichst frühzeitig eine ausreichende Datenbasis für die Neuentwicklung zu erhalten und diese Datenbasis ständig ergänzen zu können sowie um voraussichtlich in naher Zukunft ausfallende Referenzteile rechtzeitig austauschen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuergeräte die jeweils ermittelten Sensor- und Fahrzustandsinformationen und/oder die Lastkollektive und Schädigungsniveaus über drahtlose Datenverbindungen an die Datenbank übermitteln. Zu diesem Zweck können die bereits bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur drahtlosen Datenübertragung beispielsweise über Mobilfunknetze oder dergleichen verwendet werden. Auf diese Weise stehen insbesondere auch für die Entwicklung von Neuteilen von Kraftfahrzeugen, in denen neue Technologien wie beispielsweise die Hybrid-Technik eingesetzt werden, frühzeitig Informationen über die auftretenden Belastungen zur Verfügung. Insbesondere bei dem Einsatz solcher neuen Technologien, zu denen noch keine oder lediglich wenig Erfahrung vorhanden ist, ist die Auslegung auf Grundlage der bekannten Verfahren durch Simulationen und dergleichen schwierig, sodass eine erhebliche Überdimensionierung der einzelnen Neuteile nach den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren unvermeidbar ist.
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Um die Auslegung und Dimensionierung weiter zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuergeräte zusätzlich zu den Lastkollektiven und Schädigungsniveaus ergänzende Fahrzeugzustandsparameter an die Datenbank übermitteln. Bei diesen Fahrzeugszustandsparametern kann es sich beispielsweise um Informationen zu den jeweils gefahrenen Strecken, den aufgetretenen Umgebungsbedingungen usw. handeln, die mittels der verschiedenen, in den Kraftfahrzeugen vorgesehenen Sensoren ermittelt werden und zur Verfügung stehen.
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Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Referenzbeanspruchung unter Berücksichtigung von Gewichts- und Kostenmodellen für die Herstellung des Neuteils und/oder von CO2-Modellen zur Abschätzung des von dem Neuteil erzeugten CO2-Fußabdrucks und/oder von Bewertungsmodellen zur Bewertung verschiedener Betriebsstrategien bestimmt wird. Bei den Gewichts- und Kostenmodellen können erfindungsgemäß vorteilhafterweise die Entwicklungs-, Material- und Herstellungskosten, die Kosten für die Endkunden, Kosten zum Austausch des Neuteils usw. einbezogen werden. In den Modellen zur Abschätzung des von dem Neuteil erzeugten CO2-Fußabdrucks werden erfindungsgemäß das verwendete Material, das Herstellungsverfahren, der auf Grund des zu transportierenden Gewichts des Neuteils zu erwartende Kraftstoffverbrauch etc. berücksichtigt. Bei der Bewertung verschiedener Betriebsstrategien können vorteilhafterweise beispielsweise der zu erwartende Kraftstoffverbrauch und die zu erwartende Lebensdauer des Neuteils berücksichtigt werden. Auf Grundlage dieser Modelle bzw. der mit Hilfe dieser Modelle ermittelten Parameter kann die Referenzbeanspruchung des zu entwickelnden Neuteils hinsichtlich der verschiedenen und miteinander in einem Zielkonflikt stehenden Ziele wie unter anderem die Erreichung von Kosteneinsparungen, eine möglichst hohe Lebensdauer und ein möglichst geringer CO2-Fußabdruck bestimmt werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß Verfahrens ist vorgesehen, dass die Referenzbeanspruchung kleiner als 95%, vorzugsweise kleiner als 90% und besonders vorteilhafterweise kleiner als 85% der maximal aufgetretenen Beanspruchung sämtlicher Referenzteile ist.
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Insbesondere auch sofern zumindest einzelne Neuteile der Kraftfahrzeugflotte bereits auf Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und dimensioniert wurden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein einzelnes Referenzteil bei Erreichen einer vorgegebenen Schädigungsniveaugrenze ausgetauscht wird. Dieser Austausch erfolgt vorteilhafterweise auf Kosten des Herstellers im Rahmen der regelmäßigen Kraftfahrzeugwartung, so dass dem Kunden durch den Austausch keine Nachteile entstehen.
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Es ist aber auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Betriebsstrategie des Kraftfahrzeugs bei Erreichen der vorgegebenen Schädigungsniveaugrenze angepasst wird. Auf diese Weise kann ein Ausfall des einzelnen Referenzteils vermieden werden, sodass der Austausch im Rahmen der regelmäßigen Wartung erfolgen kann und das Kraftfahrzeug nicht außerplanmäßig in die Werkstatt gerufen werden muss. Eine Anpassung der Betriebsstrategie kann erfindungsgemäß alternativ auch frühzeitig vor Erreichen der vorgegebenen Schädigungsniveaugrenze erfolgen. Eine solche frühzeitige Anpassung kann insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn die ermittelten Lastkollektive und Schädigungsniveaus eine zu schnelle Erhöhung der tatsächlichen Schädigung nahelegen und beispielsweise eine Mindestlebensdauer des jeweiligen Referenzteils ohne Anpassung der Betriebsstrategie nicht erreicht werden kann.
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Die ermittelten Schädigungsniveaus der einzelnen Kraftfahrzeuge können auch dazu genutzt werden, um einen Restwert des jeweiligen Kraftfahrzeugs zu bestimmen. Zudem können auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Schädigungsniveaus Wartungsintervalle einzelner Kraftfahrzeuge oder auch der gesamten Kraftfahrzeugflotte angepasst werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass auf Grundlage der in der zentralen Datenbank zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegenden Lastkollektive und Schädigungsniveaus der Referenzteile sämtliche Kraftfahrzeuge der Kraftfahrzeugflotte bestimmte Referenzteile auf Grundlage vorgegebener Lastkollektivkriterien und/oder Schadensniveaukriterien ausgewählt werden und nachfolgend ausgetauscht werden, um die bestimmten Referenzteile in Labors genauer untersuchen zu können. Auf Grundlage der ständig aktuellen und in der zentralen Datenbank vorliegenden Informationen über die verschiedenen Referenzteile der Kraftfahrzeuge der gesamten Kraftfahrzeugflotte können solche Referenzteile bestimmt und ausgewählt werden, die beispielsweise besonderen Belastungen unterlagen, um die Auswirkungen dieser Belastungen auf das jeweilige Referenzteil im Detail untersuchen zu können. Die hierbei gewonnenen Informationen können wiederum zur Auslegung und Dimensionierung des Neuteils verwendet werden. Zudem können die auf diese Weise ermittelten Informationen erfindungsgemäß dazu verwendet werden, dass auf Grundlage der erfolgten Untersuchung der ausgetauschten Referenzteile zur Bestimmung des Schädigungsniveaus verwendete Algorithmen und/oder die Lastkollektivkriterien und/oder die Schadensniveaukriterien und/oder die Schadensniveaugrenze angepasst werden.
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Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schädigungsniveaugrenze regelmäßig auf Grundlage der in der zentralen Datenbank zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegenden Lastkollektive und Schädigungsniveaus der Referenzteile sämtlicher Kraftfahrzeuge der Kraftfahrzeugflotte neu bestimmt wird. Auf Grundlage der während des Betriebs der Kraftfahrzeugflotte ermittelten Informationen zu dem Neuteil kann die vorab bestimmte Schädigungsniveaugrenze kontinuierlich angepasst werden, so dass ein möglichst bedarfsgerechter Austausch der Referenzteile der Kraftfahrzeugflotte erreicht wird, die mit einer hohen Wahrscheinlichkeit innerhalb des nächsten Wartungsintervalls ausfallen werden. Dadurch kann ein unnötiger Austausch von Referenzteilen vermieden bzw. die Anzahl unnötig ausgetauschter Referenzteile verringert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens 1 zur Auslegung und Dimensionierung eines Neuteils 2 eines Kraftfahrzeugs 3. Zur Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens 1 ist es zunächst erforderlich, geeignete Algorithmen zur Online-Lastkollektivermittlung und Online-Schädigungsniveaubestimmung von Referenzteilen 4 zu entwickeln und auf den jeweiligen Steuergeräten der Kraftfahrzeuge 5 der Kraftfahrzeugflotte 6 zu implementieren. Mit Hilfe dieser Algorithmen werden während des Betriebs der Kraftfahrzeuge 5 andauernd aktuelle Lastkollektive, Schädigungsniveaus und gegebenenfalls ergänzende Fahrzeugzustandsparameter in auf sämtlichen Kraftfahrzeugen durchgeführten Bestimmungsschritten 7 ermittelt und in Übertragungsschritten 8 drahtlos an eine zentrale Datenbank 9 übermittelt. Die für unterschiedliche Kraftfahrzeuge 5 durchgeführten Bestimmungsschritte 7 und Übertragungsschritte 8 sind zeitlich nicht miteinander synchronisiert und laufen unabhängig voneinander ab.
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Die in der Datenbank 9 enthaltenen Informationen werden anschließend dazu verwendet, um in einem Auslegungsschritt 10 das Neuteil 2 auszulegen und zu diesem Zweck eine Referenzbeanspruchung zu ermitteln. Zudem werden diese Informationen auch dazu verwendet, um einzelne Referenzteile 4 bestimmter Kraftfahrzeuge 5 der Kraftfahrzeugflotte 6 auszutauschen, wenn in einem Schädigungsniveauüberprüfungsschritt 11 festgestellt wird, dass ein konkretes Referenzteil 4 eine vorgegebene Schädigungsniveaugrenze erreicht hat. Schließlich werden diese Informationen dazu verwendet, um in einem Untersuchungsschritt 12 solche Referenzteile 4 einzelner Kraftfahrzeuge 5 der Kraftfahrzeugflotte 6 zu bestimmen, die vorgegebene Lastkollektivkriterien und/oder Schadensniveaukriterien erfüllen und daher vorteilhafterweise ausgetauscht werden sollten, um weitere Untersuchungen in einem Labor vornehmen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/121693 A1 [0003]
- DE 102014112147 [0003]
