DE102022107492B3

DE102022107492B3 - Verfahren zum Abschätzen einer Bauteillebensdauer und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022107492B3
Application number: DE102022107492.7A
Authority: DE
Inventors: Pascal Schirmer; Ekin Alp Bicer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-05-17
Anticipated expiration: 2042-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen einer Lebensdauer eines Bauteils (25) sowie ein entsprechend eingerichtetes Kraftfahrzeug (22). In dem Verfahren wird für das Bauteil (25) ein nichtlineares Lebenszeitmodell (2, 3, 5) vorgegeben, das die Lebensdauer des Bauteils (25) in Abhängigkeit von wenigstens einer vorgegebenen Einflussgröße. Unter der Annahme, dass sich das Verschleißverhalten des Bauteils (25) im Laufe seiner Lebensdauer verändert, wird damit ein theoretischer konstanter äquivalenter Verschleißparameter (15) bestimmt, der den Verschleiß des Bauteils (25) bei über die Lebensdauer unverändertem Verschleißverhalten charakterisiert. Über wenigstens einen Verwendungszyklus (6) des Bauteils (25) wird ein tatsächlich auftretender Verschleiß bestimmt. Unter Verwendung des bestimmten konstanten äquivalenten Verschleißparameters (15) wird bestimmt, wann eine vorgegebene Ausfallbedingung erreicht werden wird, wenn das Bauteil (25) weiter wie in dem wenigstens einen Verwendungszyklus (6) verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen einer Lebensdauer wenigstens eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechend eingerichtetes Kraftfahrzeug.
Technische Bauteile unterliegen oftmals einem Verschleiß und haben damit eine begrenzte Lebensdauer. Es kann nützlich sein, diese Lebensdauer vor deren Ende, also vor einem tatsächlichen oder erwarteten Ausfall des jeweiligen Bauteils, zu bestimmen. Dies kann beispielsweise eine entsprechend vorhersagebasierte Wartung oder einen Austausch des Bauteils (englisch: predictive maintenance) und damit einen besonders zuverlässigen, unterbrechungsarmen Betrieb ermöglichen.
Als einen Ansatz beschreibt die DE 10 2018 101 003 A1 ein Verfahren zum Überwachen einer Komponentenlebensdauer. Darin wird ein Verschlechterungszustand einer Fahrzeugkomponente auf der Grundlage einer bestimmten Metrik, die von einem erfassten Fahrzeugbetriebsparameter abgeleitet wird, vorhergesagt. Dabei wird auch ein früherer Verlauf der bestimmten Metrik berücksichtigt. Der vorhergesagte Verschlechterungszustand wird dann umgewandelt in eine Schätzung der verbleibenden Zeit oder Dauer zur Anzeige an einen Fahrzeugbediener auf der Grundlage von früheren Fahrverlaufsdaten und von vorhergesagtem zukünftigem Fahren, einschließlich des früheren Verlaufs der bestimmten Metrik. Auf diese Weise sollen verschiedene Probleme anderer Ansätze vermieden werden, die beispielsweise sehr rechenintensiv, ungenau und für einen Nutzer schwierig zu verstehen sein können. Dabei wird jedoch vorausgesetzt, dass das Verschlechterungsverhalten einer Komponente während ihres gesamten Lebensdauer Zeitintervalls im Allgemeinen konstant ist. Dies ist in der Realität jedoch oftmals nicht der Fall und kann daher zu ungenauen Ergebnissen führen.
Zum weiteren Stand der Technik wird auf die WO 2017 / 178 057 A1 , DE 10 2018 116 472 A1 und DE 102 35 525 A1 verwiesen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine praxistaugliche, also nicht zu rechenintensive, und gegenüber herkömmlichen Verfahren genauere Lebensdauerabschätzung für ein Bauteil zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren offenbart.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden zum Abschätzen der Lebensdauer wenigstens eines Bauteils, also beispielsweise eine Komponente oder Baugruppe. Dabei kann je nach genauer Ausgestaltung beispielsweise die verbleibende Lebensdauer des Bauteils, der Zeitpunkt, zu dem voraussichtlich das Ende der Lebensdauer des Bauteils erreicht werden wird oder der bis zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem bestimmten Zeitraum voraussichtlich auftretende oder akkumulierende Verschleiß oder Schaden des Bauteils bestimmt werden. In einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für das Bauteil ein nichtlineares Lebenszeitmodell vorgegeben, das die Lebenszeit oder Lebensdauer des Bauteils in Abhängigkeit von wenigstens einer vorgegebenen Einflussgröße beschreibt. Die wenigstens eine Einflussgröße kann beispielsweise abhängig davon gewählt werden bzw. vorgegeben sein, welche Art von Bauteil betrachtet wird. So können etwa für ein elektrisches Bauteil ein Strom, eine Spannung und/oder ein Widerstand und für ein mechanisches Bauteil eine einwirkende mechanische Kraft oder Belastung, ein Moment und/oder eine Vibration berücksichtigt werden. Ebenso kann als Einflussgröße beispielsweise eine Umgebungs- und/oder Bauteiltemperatur berücksichtigt werden. Die Einflussgröße kann also den Verschleiß des Bauteils bzw. eine entsprechende Schadens- oder Verschleißakkumulation mit der Zeit beeinflussen.
Das Lebenszeitmodell kann beispielsweise ein bauteilspezifisches vorgegebenes parametriertes Modell und ein an anderer Stelle näher erläutertes Lagrange-Multiplikator-Berechnungsverfahren umfassen oder implementieren. Dass das Lebenszeitmodell nichtlinear ist, kann hier insbesondere bedeuten, dass sich ein Verschleißverhalten des Bauteils im Laufe seiner Lebenszeit verändert. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass dieselbe Benutzung oder derselbe Betrieb des Bauteils zu mehr Schaden oder Verschleiß führen kann, wenn das Bauteil bereits geschädigt oder teilweise verschlissen ist im Vergleich zu einem unbeschädigten oder neuwertigen Zustand des Bauteils. Dementsprechend kann in das Lebenszeitmodell eine entsprechende nichtlineare Veränderung der wenigstens einen Einflussgröße bzw. eines korrespondierenden vorgegebenen realen Verschleißparameters mit der Zeit einfließen.
In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter der entsprechenden Annahme, dass sich das Verschleißverhalten des Bauteils im Laufe seiner Lebensdauer verändert, anhand des Lebenszeitmodells ein theoretischer konstanter äquivalenter Verschleißparameter bestimmt, der den Verschleiß des Bauteils bei über die Lebensdauer des Bauteils unverändertem Verschleißverhalten des Bauteils charakterisiert. Dieser äquivalente Verschleißparameter kann also beispielsweise einem Durchschnittswert des sich über die Lebensdauer der Komponente verändernden tatsächlichen realen Verschleißparameters entsprechen. Der Verschleißparameter kann bei einem elektrischen Bauteil wie beispielsweise einem Kondensator oder dergleichen, beispielsweise der elektrische Widerstand, bei einem mechanischen oder mechanisch belasteten Bauteil beispielsweise die Festigkeit oder Flexibilität oder dergleichen sein.
Wird das Bauteil während seiner gesamten Lebensdauer beispielsweise in einer Vielzahl von Betriebszyklen betrieben, so kann sich der reale Verschleißparameter von Betriebszyklus zu Betriebszyklus verändern. Da der Verschleißparameter den Verschleiß des Bauteils charakterisiert oder beeinflusst, kann somit also in einem ersten Betriebszyklus ein anderer, insbesondere geringerer, Verschleiß des Bauteils auftreten als in einem zweiten, späteren Betriebszyklus des Bauteils - und zwar insbesondere auch dann, wenn die Verwendung oder Belastung des Bauteils in beiden oder allen Betriebszyklen gleich ist. Diese Veränderung kann dabei nichtlinear erfolgen. Dies kann entsprechende nichtlineare Berechnungen, Modellierungen oder Simulationen bedingen, um den Verschleiß bzw. die Lebensdauer oder das Ende der Lebensdauer abzuschätzen oder vorherzusagen. Ein damit verbundener Rechenaufwand kann dazu führen, dass entsprechende Berechnungen nicht in Echtzeit oder nicht mit lokal verfügbaren Berechnungsressourcen praktikabel durchgeführt werden können. Der herkömmliche, vereinfachende Ansatz, den in einem bestimmten Betriebszyklus laut einem Modell auftretenden oder gemäß einer Messung tatsächlich aufgetretenen Verschleiß auch für jeden weiteren Betriebszyklus anzunehmen, umgeht diese Problematik, führt jedoch wie eingangs bereits angedeutet zu ungenauen Ergebnissen. Der vorliegend vorgeschlagene erfindungsgemäße Ansatz, beispielsweise einmalig, zwar die Nichtlinearität des Verschleißes bzw. des Verschleißverhaltens durch die Veränderung des realen Verschleißparameters im Laufe der Zeit zu berücksichtigen, dann aber darauf basierend den theoretischen konstanten äquivalenten Verschleißparameters für die gesamte Lebensdauer zu bestimmen und für Abschätzung der Lebensdauer zu verwenden, kann die Probleme beider Ansätze umgehen. Durch die Verwendung des konstanten äquivalenten Verschleißparameters kann eine entsprechend einfache, lineare Berechnung der verbleibenden Lebensdauer bzw. des Lebenszeitendes ermöglicht werden, da für jeden Betriebszyklus derselbe Wert des konstanten äquivalenten Verschleißparameters verwendet werden kann. Gleichzeitig wird durch die Bestimmung des konstanten äquivalenten Verschleißparameters auf Grundlage des nichtlinearen Lebenszeitmodells damit jedoch dieselbe Lebenszeit bestimmt wie bei jeweiliger Berechnung mittels des vollständigen nichtlinearen Lebenszeitmodells. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend vereinfachte, häufigere Berechnungen oder Aktualisierungen der Lebenszeit bzw. des Verschleißes auch in Echtzeit bzw. mit begrenzten Berechnungsressourcen ermöglichen.
In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein über wenigstens einen Betriebs- oder Verwendungszyklus des Bauteils tatsächlich auftretender Verschleiß bestimmt. Dazu kann beispielsweise der Verschleiß oder wenigstens ein den Verschleiß charakterisierender oder beeinflussender Wert oder Parameter gemessen werden. Der Betriebs- oder Verwendungszyklus im vorliegenden Sinne ist dabei eine Zeiteinheit oder Zeitspanne, die viel kürzer als die erwartete gesamte Lebensdauer des Bauteils ist. Beispielsweise kann der Betriebs- oder Verwendungszyklus im Bereich von Stunden, Tagen oder Wochen bei einer voraussichtlichen Lebensdauer im Bereich von Monaten oder Jahren liegen. Dadurch kann mit vertretbarem, praktikablem Messaufwand eine zuverlässige und genaue Abschätzung der Lebensdauer des Bauteils ermöglicht werden. Dabei kann die Lebensdauer basierend auf dem tatsächlich auftretenden Verschleiß bestimmt werden, der abhängig sein kann von der Verwendung des Bauteils, beispielsweise einer Verwendungsintensität und/oder von den gegebenen Bedingungen bei der Verwendung des Bauteils.
In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter Verwendung des bestimmten konstanten äquivalenten Verschleißparameters bestimmt, wann, also beispielsweise zu welchem Zeitpunkt oder nach wie vielen Betriebs- oder Verwendungszyklen, eine vorgegebene Ausfallbedingung, also das Ende der Lebensdauer des Bauteils voraussichtlich erreicht wird bzw. eintritt, wenn das Bauteil weiter wie in dem wenigstens einen Betriebs- oder Verwendungszyklus verwendet, also betrieben oder genutzt wird. Die vorgegebene Ausfallbedingung kann ein Ende der Lebensdauer des Bauteils definieren, insbesondere unabhängig davon, ob ein konkretes individuelles Bauteil mit Erreichen der Ausfallbedingung tatsächlich ausgefallen oder noch verwendbar ist. Als Ausfallbedingung kann beispielsweise ein maximal zulässiger akkumulierter Verschleiß oder Schaden des Bauteils vorgegeben oder definiert sein.
Vorliegend wird also eine Linearisierung des Problems des nichtlinearen Verschleißverhaltens und somit der nichtlinearen Entwicklung der Restlebensdauer bei gleichbleibender Verwendung eines Bauteils vorgeschlagen. Damit, also durch Verwendung des konstanten äquivalenten Verschleißparameters, können zukünftige Bewertungen der Lebensdauer dann mittels entsprechend vereinfachter oder herkömmlicher Methoden durchgeführt werden. Damit können numerische und analytische Lösungen mit signifikant reduziertem Berechnungsaufwand und dabei gleichzeitig im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen verbesserter Genauigkeit durchgeführt bzw. erzielt werden. Somit kann die vorliegende Erfindung auf praktikable Weise beispielsweise eine verbesserte vorhersagebasierte Wartung ebenso wie eine verbesserte Auslegung von Bauteilen ermöglichen.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird zum Bestimmen des konstanten äquivalenten Verschleißparameters ein Lagrange-Multiplikator-Verfahren angewendet. Dies hat sich als besonders geeignete Methode erwiesen, trotz der involvierten Nichtlinearitäten und mit begrenzten Daten den konstanten äquivalenten Verschleißparameter zu bestimmen. Dabei können eine oder mehrere vorgegebene Designvariablen für das jeweilige Bauteil berücksichtigt werden. Für das Lagrange-Multiplikator-Verfahren kann wenigstens eine Lebensdauerfunktion für das jeweilige Bauteil vorgegeben sein, welche die Designvariablen für das Bauteil als Parameter oder Eingangsdaten verwendet und als Ergebnis die Lebensdauer des Bauteils, beispielsweise in Abhängigkeit von den vorgegebenen Designvariablen, ausgibt. Der konstante äquivalente Verschleißparameter kann mittels des Lagrange-Multiplikator-Verfahrens berechnet werden, da der tatsächliche, also reale Verschleißparameter als Funktion der Zeit vorgegeben, also bekannt und parametriert ist.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden für das Lagrange-Multiplikator-Verfahren eine mit zunehmender Zeit oder Verwendung, also mit zunehmendem Verschleiß des Bauteils ansteigende erste Lebensdauerfunktion für das Bauteil und als Rand- oder Nebenbedingung ein Maximalwert für die erste Lebensdauerfunktion vorgegeben. Die Lebensdauerfunktion beschreibt dabei die Lebensdauer des Bauteils. Das Erreichen des Maximalwertes kann der genannten Ausfallbedingung, also dem Ende der Lebensdauer des Bauteils entsprechen. Der Maximalwert kann beispielsweise dem maximalen zulässigen akkumulierten Verschleiß oder Schaden des Bauteils entsprechen. Der Maximalwert kann beispielsweise auf 1 oder auf 100 % normiert sein, um eine besonders einfache Berechnung zu ermöglichen. Die erste Lebensdauerfunktion kann also beispielsweise bei 0 starten, was einem neuwertigen, verschleißfreien Zustand des Bauteils entsprechen kann, und bis 1 oder 100 % gehen, was dem Ende der Lebensdauer bzw. dem Zustand des Bauteils am Ende der Lebensdauer entsprechen kann. Die erste Lebensdauerfunktion kann als einen Parameter oder Input den zeitabhängigen Verschleiß oder Verschleißparameter, also den tatsächlichen, realen Verschleißparameter oder Verlauf des Verschleißparameters verwenden oder enthalten. Die hier vorgeschlagene Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine praktikable Bestimmung des konstanten äquivalenten Verschleißparameters und damit letztlich eine entsprechend praktikable Abschätzung der Lebensdauer.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird für das Lagrange-Multiplikator-Verfahren auch eine ebenfalls mit der mit der Zeit oder Verwendung, also mit zunehmendem Verschleiß des Bauteils ansteigende zweite Lebensdauerfunktion vorgegeben, die ebenfalls die Lebensdauer des Bauteils beschreibt, sich jedoch von der ersten Lebensdauerfunktion unterscheidet. Im Gegensatz zu der ersten Lebensdauerfunktion enthält die zweite Lebensdauerfunktion die Anzahl der Betriebs- oder Verwendungszyklen des Bauteils über dessen Lebensdauer als Faktor. Dabei gilt für die zweite Lebensdauerfunktion derselbe vorgegebene Maximalwert wie für die erste Lebensdauerfunktion. Die zweite Lebensdauerfunktion kann also ebenfalls bei 0 starten und bis zu demselben vorgegebenen Maximalwert, beispielsweise bis 1 oder bis 100 %, gehen. Damit ist also für das Lagrange-Multiplikator-Verfahren als weitere Rand- oder Nebenbedingung vorgegeben, dass die erste Lebensdauerfunktion und die zweite Lebensdauerfunktion sich voneinander unterscheiden, aber dieselben Endwerte, insbesondere auch dieselben Startwerte, aufweisen. Im Gegensatz zu der ersten Lebensdauerfunktion kann die zweite Lebensdauerfunktion anstelle des zeitabhängigen Verschleißes oder Verschleißparameters den konstanten äquivalenten Verschleißparameters verwenden oder enthalten. Mit anderen Worten kann hier als eine Rand- oder Nebenbedingung für das Lagrange-Multiplikator-Verfahren also die zweite Lebensdauerfunktion mit dem konstanten äquivalenten Verschleißparameter verwendet werden bzw. vorgegeben sein. Damit kann basierend auf der Erkenntnis, dass Bauteile typischerweise in einem sich zumindest ungefähr oder teilweise wiederholenden Muster, also in einer Vielzahl sich ähnelnder aufeinanderfolgender Betriebszyklen verwendet oder betrieben werden, der konstante äquivalente Verschleißparameter und somit letztlich die Abschätzung der Lebensdauer praktikabel und mit üblicherweise verfügbaren oder vergleichsweise aufwandsarm zu erfassenden Daten bestimmt bzw. ermöglicht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird während des wenigstens einen Betriebs- oder Verwendungszyklus zum Bestimmen des darin auftretenden Verschleiß des Bauteils wenigstens eine vorgegebene Einflussgröße, die den Verschleiß des Bauteils charakterisiert oder beeinflusst, gemessen. Diese Einflussgröße kann beispielsweise bei, an oder in dem Bauteil gemessen werden. Beispielsweise kann die Einflussgröße eine thermische, elektrische und/oder mechanische Größe sein oder umfassen. Beispielsweise kann als Einflussgröße eine Temperatur und/oder Feuchtigkeit in der Umgebung des Bauteils, an dem Bauteil und/oder in dem Bauteil, ein elektrischer Widerstand des Bauteils, eine elektrische Betriebsspannung des Bauteils, eine mechanische Belastung des Bauteils, eine Vibration oder ein Vibrationsmuster des Bauteils und/oder dergleichen mehr gemessen, also überwacht werden. Damit kann der bei der tatsächlichen Verwendung des jeweiligen Bauteils auftretende Verschleiß besonders genau und zuverlässig bestimmt werden. Dies kann wiederum zu einer besonders genauen und zuverlässigen Bestimmung des konstanten äquivalenten Verschleißparameters und damit letztlich zu einer besonders genauen und zuverlässigen Abschätzung der Lebensdauer führen oder beitragen. Damit kann also berücksichtigt werden, dass zwei nominell oder spezifikationsgemäß identische Bauteile abhängig von ihrer individuellen Verwendung, beispielsweise ihrer Verwendungsintensität oder ihrem Einsatzort oder dergleichen, signifikant unterschiedlichen Belastungen unterliegen und somit signifikant unterschiedliche Lebensdauern aufweisen können. In der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird somit also die reale Verwendung des jeweiligen Bauteils berücksichtigt und die Lebensdauer nicht nur basierend auf theoretischen Werten oder Modellierungen abgeschätzt.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der Betriebs- oder Verwendungszyklus wenigstens mehrere Tage, insbesondere wenigstens oder genau eine Woche. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass Bauteile typischerweise in sich zumindest teilweise oder ungefähr wiederholenden oder sich ähnelnden Betriebs- oder Verwendungsmustern betrieben oder verwendet werden. Mit der hier vorgeschlagenen Dauer für den Betriebs- oder Verwendungszyklus können solche Betriebs- oder Verwendungsmusters bei vertretbarem Aufwand besonders zuverlässig erkannt werden. Darauf basierend kann dann der konstante äquivalente Verschleißparameter besonders zuverlässig und genau bestimmt werden. Aufgrund der verbreiteten Zeiteinteilung nach Wochen mit Arbeitstagen und Wochenenden, mit oftmals unterschiedlichen Arbeitszeiten stellt die hier vorgeschlagene Dauer des Betriebs- oder Verwendungszyklus von einer Woche eine besonders nützliche Dauer oder Zeiteinheit darüber. Damit kann die Lebensdauer des jeweiligen Bauteils beispielsweise als Anzahl von Wochen angegeben werden. Dies kann zum einen ein besonders leichtes Verständnis für Nutzer ermöglichen und zum anderen eine übermäßig vorsichtige, also frühzeitige Wartung oder Ersetzung des Bauteils vermeiden, was bei sehr viel längeren Betriebs- oder Verwendungszyklen auftreten könnte. Die hier vorgeschlagene Dauer des Betriebs- oder Verwendungszyklus kann beispielsweise für Anwendungen im Fahrzeugbereich, also für die Lebensdauerabschätzung eines Fahrzeugbauteils besonders günstig sein. Für andere Anwendungen, beispielsweise im industriellen Umfeld, können aber ebenso andere Betriebs- oder Verwendungszyklusdauern möglich sein bzw. verwendet oder berücksichtigt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung des Bauteils zum Erkennen eines sich zumindest teilweise wiederholenden, also zyklischen Betriebs- oder Verwendungsmusters des Bauteils überwacht. Darauf basierend wird der Verwendungszyklus bzw. dessen zeitlichen Länge automatisch bestimmt oder angepasst, sodass der der Betriebs- oder Verwendungszyklus wenigstens oder genau eine Periode des sich zumindest teilweise wiederholenden Verwendungsmusters umfasst. Mit anderen Worten kann also automatisch erkannt werden, auf welche Weise oder nach welchem Muster oder Schema das jeweilige Bauteil in zeitlicher Hinsicht regelmäßig verwendet wird. Damit kann dann der Betriebs- oder Verwendungszyklus und somit der innerhalb eines solchen Betriebs- oder Verwendungszyklus auftretende Verschleiß individuell oder spezifisch für das jeweilige Bauteil bzw. dessen individuelle Verwendung besonders genau und zuverlässig bestimmt werden. Dies wiederum ermöglicht eine besonders genaue und zuverlässige Bestimmung des konstanten äquivalenten Verschleißparameters und damit letztlich auch der Lebensdauer des Bauteils. Es können hier beispielsweise Verwendungszeiten, Verwendungsarten, eine Verwendungsintensität, Umgebungsbedingungen während der Verwendung und/oder dergleichen mehr überwacht werden. Im Beispiel eines Kraftfahrzeugs kann so beispielsweise ein typisches, sich im Wochenrhythmus wiederholendes Betriebs- oder Verwendungsmuster automatisch erkannt werden. Ein solches Betriebs- oder Verwendungsmuster kann beispielsweise regelmäßige Fahrten von einem Wohnort zu einer Arbeitsstätte an Arbeitstagen und ein Stillstehen des Kraftfahrzeugs oder längere Fahrten am Wochenende umfassen. Dabei kann eine Regelmäßigkeit oder ein Muster auch dann erkannt werden, wenn sich nur bestimmte Verwendungen oder Nutzungen des Bauteils regelmäßig wiederholen und zusätzlich auch unregelmäßige oder sich nicht wiederholende Verwendungen des Bauteils, sozusagen „außer der Reihe“, auftreten. Durch die hier vorgeschlagene automatische Überwachung der Verwendung und die automatische Bestimmung oder Anpassung des Verwendungszyklus ermöglicht eine für die individuelle Verwendung oder den individuellen Einsatz des jeweiligen Bauteils spezifisch angepasste besonders genaue Abschätzung der Lebensdauer.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung des Bauteils zum Erkennen von Veränderungen in der Verwendung, beispielsweise in dem an anderer Stelle genannten Verwendungsmuster, des Bauteils überwacht. Der theoretische konstante äquivalente Verschleißparameter wird dann nur auf das Erkennen einer Veränderung der Verwendung des Bauteils hin automatisch neu bestimmt. Dabei können insbesondere nur signifikante Veränderungen, beispielsweise eine Veränderung der Periode des Verwendungszyklus und/oder Veränderungen, die größer als ein vorgegebener Schwellenwert sind, beispielsweise hinsichtlich einer Verwendungsdauer pro Zeitintervall, einer Verwendungsintensität, einer Betriebs- oder Umgebungsbedingung und/oder dergleichen mehr, berücksichtigt werden. Mit anderen Worten können also die nichtlinearen Modellierungen oder Berechnungen zur nichtlinearen zeitlichen Entwicklung des tatsächlichen realen Verschleißparameters automatisch, aber nur bei tatsächlich gegebenem Bedarf durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine Begrenzung des entsprechenden Rechenaufwandes und gleichzeitig eine auch bei Veränderungen in der Verwendung des Bauteils stets aktuelle und zuverlässige Abschätzung der Lebensdauer.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden regelmäßig, beispielsweise in einem vorgegebenen zeitlichen Muster und/oder jeweils auf ein vorgegebenes Auslöseereignis hin, automatisch Aktualisierungen für das Lebenszeitmodell von einer zentralen Servereinrichtung angefragt. Bei Verfügbarkeit und nach dem Abrufen einer solchen Aktualisierung, insbesondere nur dann, werden der theoretische konstante äquivalente Verschleißparameter sowie der Zeitpunkt des voraussichtlichen Erreichens der Ausfallbedingung bzw. die entsprechende verbleibenden Lebensdauer des Bauteils automatisch neu bestimmt. Dies kann beispielsweise durch eine das Bauteil umfassende oder mit dem Bauteil verbundene oder verknüpfte Vorrichtung, im Anwendungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs also beispielsweise durch ein entsprechend eingerichtetes Steuergerät oder Assistenzsystem des Kraftfahrzeugs, durchgeführt werden. Ein entsprechendes Auslöseereignis kann beispielsweise eine Wartung oder Reparatur des Bauteils, ein Wechsel eines Besitzes und/oder eines Hauptstandortes des Bauteils bzw. einer das Bauteil umfassenden Vorrichtung und/oder dergleichen mehr sein. Durch die Bereitstellung von Aktualisierungen über die zentrale Servereinrichtung kann auf besonders einfache und aufwandsarme Weise sichergestellt werden, dass stets die bestmögliche Abschätzung der Lebensdauer des jeweiligen Bauteils gemacht oder ermöglicht wird. Dabei können beispielsweise von einer Vielzahl von Bauteilen oder Vorrichtungen gesammelte Daten in der zentralen Servereinrichtung aggregiert werden, um Aktualisierungen, also Verbesserungen des Lebenszeitmodells zu finden. Dadurch, dass die Neubestimmung des konstanten äquivalenten Verschleißparameters bzw. der Lebensdauer durch das Vorliegen einer Aktualisierung ausgelöst wird, kann der Rechenaufwand für die Lebensdauerabschätzung begrenzt werden, da beispielsweise anlasslose regelmäßige Neuberechnungen eingespart werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abschätzen der Lebensdauer eines Bauteils kann beispielsweise als Teil eines Verfahrens zum Designen, Entwickeln oder Auslegen eines entsprechenden Bauteils oder zum Auswählen eines passenden Bauteils für eine Baugruppe oder Vorrichtung verwenden. Ein solches Verfahren kann seinerseits ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sein. So kann, wenn ein Verwendungsmuster oder -profil, also erwartete oder voraussichtliche Betriebs- oder Verwendungszyklen bekannt, also vorgegeben sind, das erfindungsgemäße Verfahren zum Abschätzen der resultierenden Lebensdauer angewendet werden. Es kann dann überprüft werden, ob die abgeschätzte Lebensdauer eine vorgegebene Mindestanforderung erfüllt oder ob, wenn dies nicht der Fall ist, beispielsweise das Bauteil geändert werden muss. Der theoretische konstanter äquivalente Verschleißparameter, also beispielsweise der äquivalente Widerstand, für das Bauteil kann dabei in Abhängigkeit von vorgegebenen bauteilspezifischen Konstanten bzw. Designvariablen, die in dem Lebenszeitmodell bzw. den genannten Lebensdauerfunktionen enthalten sind, bestimmt werden. Es kann dann beispielsweise eine angestrebte Mindest- oder Ziellebensdauer für das Bauteil vorgegeben sein. Damit können dann entsprechende Mindest- oder Zielwerte oder geeignete Wertebereiche für die bauteilspezifischen Konstanten bzw. Designvariablen bestimmt werden, mit denen sich für das Bauteil wenigstens die vorgegebene Mindest- oder Ziellebensdauer ergibt. Ebenso kann darauf basierend ein entsprechendes Bauteil ausgewählt werden, das die entsprechenden Mindest- oder Zielwerte oder geeignete Wertebereiche für die bauteilspezifischen Konstanten bzw. Designvariablen aufweist oder erfüllt.
Eine besonders einfache Möglichkeit dazu besteht darin, zunächst den theoretischen konstanten äquivalenten Verschleißparameter für das jeweilige Bauteil in Abhängigkeit von den vorgegebenen Konstanten bzw. Designvariablen, also in entsprechend allgemeiner bzw. numerisch unbestimmter oder unspezifischer Form, zu bestimmen. Anschließend können die entsprechenden Werte der Konstanten bzw. Designvariablen von verfügbaren oder möglichen Kandidatenbauteilen verwendet, also eingesetzt werden, um einen numerischen Wert für den theoretischen konstanten äquivalenten Verschleißparameter zu bestimmen. Der so bestimmte numerische Wert für den theoretischen konstanten äquivalenten Verschleißparameter kann dann verwendet werden, um die jeweilige sich damit ergebene Lebensdauer für die Kandidatenbauteile zu bestimmen. Dies ist mit signifikant reduziertem Rechenaufwand möglich im Vergleich zu vollständigen nichtlinearen Modellierung und Berechnung für jedes der Kandidatenbauteile. Anhand der für die Kandidatenbauteile bestimmten Lebensdauern kann dann dasjenige Kandidatenbauteil ausgewählt werden, das die vorgegebenen Anforderungen hinsichtlich der Mindest- oder Ziellebensdauer am besten erfüllt, und als das Bauteil für eine jeweilige Anwendung verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das wenigstens ein Bauteil aufweist, das einem nutzungsabhängigen Verschleiß unterliegt. Weiter weist das Kraftfahrzeug wenigstens einen Sensor zum Messen einer den Verschleiß des Bauteils charakterisierenden oder beeinflussenden Einflussgröße und ein damit gekoppeltes Steuergerät zum Überwachen der Lebensdauer des Bauteils auf. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, insbesondere das Steuergerät, ist dabei zum, insbesondere automatischen, Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Dazu kann das Steuergerät eine Prozesseinrichtung, also beispielsweise einen Mikrochip, Mikrocontroller oder Mikroprozessor oder dergleichen, und einen damit gekoppelten Datenspeicher aufweisen. In diesem Datenspeicher kann ein entsprechendes Betriebs- oder Computerprogramm gespeichert sein, das die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Verfahrensschritte, Maßnahmen oder Abläufe oder entsprechende Steueranweisungen codiert oder implementiert. Dieses Betriebs- oder Computerprogramm kann durch die Prozesseinrichtung ausführbar sein, um die Ausführung des entsprechenden Verfahrens zu bewirken. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte Kraftfahrzeug sein oder diesem entsprechen. Das wenigstens eine Bauteil kann beispielsweise ein elektrisches oder mechanisches Bauteil des Kraftfahrzeugs sein, wie beispielsweise ein Kondensator einer Steuer- oder Leistungselektronik für eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs oder dergleichen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann einen besonders nützlichen Anwendungsfall für das erfindungsgemäße Verfahren darstellen, da ein Ausfall eines Bauteils im Betrieb eines Kraftfahrzeugs einen erheblichen Aufwand, beispielsweise zum Abschleppen des Kraftfahrzeugs zu einer Werkstatt, verursachen und gegebenenfalls ein Sicherheitsrisiko bedeuten kann. Durch die genaue und zuverlässige Abschätzung der Lebensdauer von Bauteilen kann dies gegebenenfalls vermieden werden, indem Bauteile, die sich dem Ende ihrer Lebensdauer nähern, rechtzeitig gewartet oder ausgetauscht werden können bzw. ein Nutzer des Kraftfahrzeugs automatisch darauf hingewiesen werden kann.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Lebensdauerabschätzung;
2 eine schematische Diagrammdarstellung zur weiteren Veranschaulichung des Verfahrens;
3 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Kraftfahrzeugs zur Veranschaulichung einer Anwendung des Verfahrens;
4 zeigt beispielhaft ein erstes schematisches Ablaufschema für ein Verfahren zum Auswählen eines für einen jeweiligen Anwendungsfall geeigneten Bauteils: und
5 zeigt beispielhaft ein zweites schematisches Ablaufschema für ein Verfahren zum Auswählen eines für einen jeweiligen Anwendungsfall geeigneten Bauteils.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche oder einander entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In bisherigen Ansätzen zum Abschätzen einer Bauteillebensdauer bzw. für vorhersagebasierte Wartungsmaßnahmen kann beispielsweise ein Bauteilverschleiß in einem vorgegebenen Zeitintervall bestimmt werden. Darauf basierend kann dann die Anzahl solcher Zeitintervalle bestimmt werden, die zusammengenommen zu einem zulässigen Maximalverschleiß führt oder es kann ein vorgegebener maximal zulässiger akkumulierter Verschleiß - rechnerisch besonders einfach und aufwandsarm - durch den Verschleiß in einem Zeitintervall dividiert werden, um die Anzahl der Zeitintervalle zu bestimmen, welche die Bauteillebensdauer ausmachen. Dies stellt eine sehr einfache Berechnungsmethode dar, geht jedoch von der typischerweise nicht gerechtfertigten Annahme aus, dass das Verschleißverhalten im Laufe der Bauteillebenszeit unverändert bleibt.
Es kann jedoch beobachtet werden, dass der Verschleiß innerhalb eines Zeitintervalls am Beginn der Bauteillebenszeit geringer sein kann als der Verschleiß in einem entsprechenden Zeitintervall am Ende der Bauteillebenszeit. Dies kann beispielsweise an Kondensatoren beobachtet werden. Wenn Kondensatoren altern, also verschleißen, kann sich ihr innerer Widerstand erhöhen, was im Laufe der Zeit zu einer erhöhten Wärmedissipation innerhalb des Kondensators und damit zu einer erhöhten Betriebs- oder Kerntemperatur führen kann. Selbst wenn zu Beginn der Lebenszeit oder Verwendung eines Kondensators und an deren Ende der gleiche Strom durch den Kondensator fließt, führt dieser Strom am Ende der Lebenszeit, also der Lebensdauer des Kondensators aufgrund der dann alterungs- bzw. verschleißbedingt erhöhten Wärmedissipation und der dadurch erhöhten Temperatur zu einem verstärkten oder beschleunigten Verschleiß.
Dies bedeutet, dass herkömmliche Ansätze zur Lebensdauerabschätzung oftmals ungenaue und zu optimistische Ergebnisse liefern.
Dies kann für verschiedenste Arten von Komponenten gelten, auch wenn im Folgenden zur Erläuterung ein Kondensator als Beispiel betrachtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens für eine verbesserte Lebensdauerabschätzung, die mit vertretbarem Rechenaufwand angewendet werden kann.
Das Verfahren umfasst eine Verschleißwertbestimmung 1. Hier kann zum einen eine zeitabhängige, insbesondere nichtlineare, Funktion oder ein Modell bereitgestellt werden, womit die zeitliche Entwicklung oder Veränderung eines Verschleißparameters bzw. einer den Verschleiß charakterisierenden oder beeinflussenden Einflussgröße beschrieben oder angegeben wird. Zum anderen können Lebensdauerfunktionen 2 und Nebenbedingungen 3 für ein Lagrange-Multiplikator-Verfahren bereitgestellt und damit ein korrespondierender konstanter äquivalenter Verschleißwert oder Verschleißparameter, der im Folgenden auch als Äquivalenzverschleißparameter 15 (siehe 2) bezeichnet wird, bestimmt werden. Am Beispiel des Kondensators kann als Verschleißparameter der innere Widerstand R des Kondensators verwendet werden. Dieser kann sich real im Laufe der Zeit bzw. mit zunehmendem Verschleiß etwa gemäß R(t) = Ro · e^At entwickeln, wobei t die Zeit, Ro einen Anfangswert bzw. den nominellen oder spezifikationsgemäßen Widerstand des Kondensators laut Datenblatt und A einen Parameter angeben. Der Widerstand R kann sich also nichtlinear mit der Zeit entwickeln. Als Äquivalenzverschleißparameter 15 kann ein konstanter äquivalenter Widerstand bestimmt werden, der letztlich zum gleichen Ergebnis der Lebensdauer führt wie die Verwendung des zeitabhängigen Widerstands, jedoch konstant, also zeitunabhängig ist. Der Äquivalenzverschleißparameter 15 ist also ein theoretischer Wert, der zumindest während des größten Teils der Lebensdauer des Kondensators nicht dessen tatsächlichem realen Widerstand entspricht.
Weiter kann ein Belastungsmodell 4 bereitgestellt werden, das Belastungen oder den Verschleiß beeinflussende Faktoren oder Einflüsse beschreiben bzw. modellieren kann. Für den Kondensator kann hier beispielsweise ein Foster-Netzwerk mit einer parametrierten Transferfunktion bereitgestellt werden, womit beispielsweise eine Temperatur des Kondensators im Betrieb modelliert werden kann.
Weiter kann ein parametriertes Lebenszeitmodell 5 bereitgestellt werden. Dies kann letztlich eine beliebige, bauteilspezifische Form annehmen und die Bauteillebenszeit oder Bauteillebensdauer bzw. die Akkumulation von Schaden oder Verschleiß im Laufe der Betriebs- oder Nutzungszeit beschreiben, also modellieren. Solche Lebenszeitmodelle 5 können für verschiedene Komponenten beispielsweise von einem jeweiligen Hersteller bezogen oder experimentell parametriert werden. Für den Kondensator kann das Lebenszeitmodell 5 beispielsweise gegeben sein als $L = L_{0} \cdot {(\frac{V}{V_{0}})}^{- p_{1}} \cdot 2^{T_{o} - T_{h} / p_{2}}$
Darin geben L die Lebenszeit oder Lebensdauer, V die elektrische Betriebsspannung T die Temperatur, beispielsweise am Einsatzort oder im Kern der jeweiligen Komponente, und p₁,p₂ Parameter an. Die Parameter p₁,p₂ können die Geschwindigkeit oder Beschleunigung der Akkumulation von Schaden oder Verschleiß bei der jeweiligen Betriebsspannung V relativ zu der nominalen Betriebsspannung V₀ gemäß einer Bauteilspezifikation bzw. bei der gemessenen Temperatur T_h relativ zu der nominellen bzw. spezifikationsgemäß vorgesehenen Betriebstemperatur To angeben. L₀ bezeichnet die nominelle Lebenszeit oder Lebensdauer, beispielsweise gemäß einer jeweiligen Bauteilspezifikation, wie sie etwa bei spezifikations- oder bestimmungsgemäßer Nutzung mit der Betriebsspannung V₀ und der Betriebstemperatur To erwartet werden kann.
Für einen Betriebszyklus 6 wird ein tatsächlich auftretender Verschleiß bestimmt, beispielsweise basierend auf einer Messung einer oder mehrerer vorgegebener Betriebsparameter, Umgebungsbedingungen und/oder dergleichen mehr.
Basierend auf den genannten Daten, Größen und Modellen kann dann eine entsprechende nichtlineare Datenanalyse 7 durchgeführt werden. Diese kann beispielsweise eine Verlustanalyse 8 zum Bestimmen einer Verlustleistung, eine Temperaturanalyse 9 und eine Lebensdaueranalyse 10 umfassen, die insbesondere miteinander kombiniert werden können. Daraus ergibt sich dann ein Output 11, der beispielsweise den unter den tatsächlichen realen Einsatz- oder Verwendungsbedingungen auftretenden Schaden oder Verschleiß über die jeweilige Bauteillebensdauer angeben oder umfassen kann. Letzterer kann Beispielweise auf 1 normiert werden.
Zur weiteren Veranschaulichung zeigt 2 eine schematische Diagrammdarstellung. Darin sind auf einer Abszissenachse 12 die Lebenszeit und auf einer Ordinatenachse 13 der Verschleißwert oder Verschleißparameter, am Beispiel des Kondensators also etwa der Widerstand R aufgetragen. Eingezeichnet sind hier Verläufe für den tatsächlichen realen Verschleißparameter 14, der sich im Laufe der Lebenszeit verändert, und der korrespondierende theoretische konstante Äquivalenzverschleißparameter 15. Letzterer ist über die gesamte Lebenszeit konstant. Der konstante Wert des Äquivalenzverschleißparameters 15 ist dabei derart bestimmt, dass auf dem realen Verschleißparameter 14 und auf dem konstanten Äquivalenzverschleißparameter 15 basierende Berechnungen der Lebenszeit - etwa mittels der Lagrange-Multiplikator-Methode - zu demselben Ergebnis führen, also dieselbe Lebenszeit bzw. Lebensdauer ergeben. Dabei kann jedoch eine Berechnung auf Basis des konstanten Äquivalenzverschleißparameters 15 weniger Berechnungsaufwand erfordern.
Letzteres ist der Fall, da mit Verwendung des konstanten Äquivalenzverschleißparameters 15 in jedem Betriebszyklus 6 derselbe konstante Verschleiß angenommen werden kann, ohne das Ergebnis der Bestimmung oder Abschätzung der Lebenszeit oder Lebensdauer zu verfälschen.
Real kann beispielsweise in einem ersten Betriebszyklus 6 ein erster Verschleiß 16, in einem späteren zweiten Betriebszyklus 6 ein größerer zweiter Verschleiß 17, in einem dritten Betriebszyklus 6 ein noch größerer dritter Verschleiß 18, in einem vierten Betriebszyklus 6 ein nochmals größerer vierter Verschleiß 19 usw. auftreten bis hin zu einem n-ten Verschleiß 6 im letzten Betriebszyklus 6 der Lebenszeit. Diese unterschiedlichen auftretenden Verschleiße 16 bis 20 können hier umgerechnet bzw. aufgeteilt werden in einen theoretischen konstanten Äquivalenzverschleiß 21 je Betriebszyklus 6. Am Beispiel des Kondensators kann hier also der Äquivalenzverschleiß 21 bestimmt werden, der über die gesamte Lebenszeit äquivalent ist zu der Summe der einzelnen unterschiedlichen Verschleiße 16 bis 20. Der Äquivalenzverschleiß 21 würde also in jedem Betriebszyklus 6 unverändert auftreten in einem theoretischen Szenario, in dem über die gesamte Lebenszeit des Kondensators dessen Widerstand R konstant bleibt. Der konstante Äquivalenzverschleiß 21 bzw. der entsprechende konstante Äquivalenzverschleißparameter 15 kann dann in der oben erwähnten herkömmlichen Methode zur Lebensdauerbestimmung mittels einfacher Division verwendet werden. Es kann also ein vorgegebener zulässiger maximaler akkumulierter Verschleiß durch den mittels des konstanten äquivalenten Verschleißparameters 15 bestimmten konstanten Äquivalenzverschleiß 21 je Betriebszyklus 6 dividiert werden, um die Anzahl der Betriebszyklen 6 der Lebensdauer zu bestimmen. Dies kann zu einem wesentlich genaueren Ergebnis führen als beispielsweise die Verwendung eines entsprechenden Verschleißes oder Verschleißparameters, der in dem ersten Betriebszyklus 6 gemessen oder bestimmt und dann unverändert für jeden weiteren Betriebszyklus 6 angenommen wird.
Zum Bestimmen des konstanten Äquivalenzverschleißparameters 15 kann ein Lagrange-Multiplikator-Ansatz verwendet werden, der beispielsweise für den Kondensator ausgedrückt oder repräsentiert werden kann durch: $f_{L} = \int_{0}^{L} f_{D} (f_{L o s s} (I, R (t)), f_{t h e r m} (P_{L o s s}, T_{U}), f_{M} (T, V)) d t = 1$
$g_{L} = N \cdot \int_{0}^{Z} f_{D} (f_{L o s s} (I, R_{e q}), f_{t h e r m} (P_{L o s s}, T_{U}), f_{L M} (T, V)) d t = 1$
Darin sind f_L, g_L vorgegebene Lebensdauerfunktionen, L die Lebensdauer, I der Strom, R(t) der zeitabhängige Widerstand, T_U die Umgebungstemperatur, T die Bauteiltemperatur, P_Loss die Verlustleistung, V die Spannung, t die Zeit, Z die Dauer oder Länge eines Betriebszyklus 6, N die Anzahl der Betriebszyklen 6 in der Lebenszeit, f_D eine vorgegebene Funktion, welche die Schädigung oder den Verschleiß beschreibt, f_therm eine vorgegebene Funktion, welche thermische Einflüsse beschreibt, f_LM eine dem vorgegebenen Lebenszeitmodell 5 entsprechende Funktion.
Der hier vorgeschlagene Ansatz kann eine Berechnung der oben angegebenen Integrale für die gesamte Lebensdauer oder eine entsprechende numerische Simulation für die gesamte Lebensdauer einsparen und eine durch die Verwendung des konstanten Äquivalenzverschleißparameters 15 signifikant vereinfachte Abschätzung der Lebensdauer bzw. der jeweils ausgehend vom aktuellen Zeitpunkt bis zum Lebensdauerende verbleibenden Lebensdauer, also der Restlebensdauer ermöglichen. Die entsprechende Berechnung kann beispielsweise basierend auf einem einzigen Betriebszyklus 6 bzw. innerhalb eines einzigen Betriebszyklus 6 gemessenen Verschleißdaten durchgeführt werden. Ein solcher Betriebszyklus 6 kann je nach betrachteter Komponente und Verwendungsmuster unterschiedlich lang sein, beispielsweise eine Woche betragen.
Zur Veranschaulichung eines Anwendungsbeispiels zeigt 4 eine schematische Übersichtsdarstellung mit einem Kraftfahrzeug 22 und einer fahrzeugexternen zentralen Servereinrichtung 23. Die zentrale Servereinrichtung 23 kann einen Serverdatenspeicher 24 umfassen, in dem abrufbare Aktualisierungen, beispielsweise für die Verschleißwertbestimmung 1, das Belastungsmodell 4, das Lebenszeitmodell 5, die Datenanalyse 7 oder dergleichen abrufbar hinterlegt sein können.
Das Kraftfahrzeug 22 weist hier ein einem Verschleiß unterliegendes Bauteil 25 und eine Überwachungseinrichtung 26 zum Abschätzen bzw. Überwachen der Lebensdauer des Bauteils 25 in der oben beschriebenen Weise auf. Dazu kann an dem Bauteil 25 ein Sensor 27 angeordnet sein, um den Verschleiß beeinflussende Größen während der Verwendung des Bauteils 25, also beispielsweise im Betrieb des Kraftfahrzeugs 22, zu messen. Von dem Sensor 27 gelieferte Messdaten können von der Überwachungseinrichtung 26 erfasst und verarbeitet werden. Dazu kann die Überwachungseinrichtung 26 hier schematisch angedeutet eine entsprechende Schnittstelle 28, einen Prozessor 29 und einen Datenspeicher 30 aufweisen.
Der Verschleiß und damit auch der entsprechende Wert des konstanten Äquivalenzverschleißparameters 15 kann abhängig sein von der konkreten Verwendung des Bauteils 25 je Betriebszyklus 6. Um dies zu berücksichtigen kann die Überwachungseinrichtung 26 dazu eingerichtet sein, die Verwendung des Bauteils 25 im Laufe der Zeit zu überwachen, um Veränderungen der Verwendung zu erkennen, die zu einer Veränderung des korrespondierenden, für die Lebensdauerabschätzung zu berücksichtigenden konstanten Äquivalenzverschleißparameters 15 führen oder führen können. Ebenso kann die Überwachungseinrichtung 26 dazu eingerichtet sein, regelmäßig, beispielsweise einmal im Monat oder einmal alle drei Monate oder dergleichen, die fahrzeugexterne Servereinrichtung 23 hinsichtlich verfügbarer Aktualisierungen abzufragen. Die Überwachungseinrichtung 26 kann dann dazu eingerichtet sein, auf ein Erkennen einer Veränderung in der Verwendung des Bauteils 25 und/oder auf die Verfügbarkeit einer Aktualisierung in der Servereinrichtung 23 hin eine automatische Neuberechnung des konstanten Äquivalenzverschleißparameters 15 durchzuführen und gegebenenfalls eine für das Bauteil 25 bestimmte verbleibende Lebensdauer bzw. Restlebensdauer neu abzuschätzen.
Weiter kann die Überwachungseinrichtung 26 dazu eingerichtet sein, beispielsweise beim Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes für die verbleibende Lebensdauer des Bauteils 25, automatisch einen entsprechenden Warnhinweis auszugeben. Dies kann beispielsweise über ein Kombiinstrument oder ein Infotainmentdisplay des Kraftfahrzeugs 22 und/oder an ein vorgegebenes mobiles elektronisches Gerät, wie etwa ein Smartphone oder dergleichen, erfolgen.
Basierend auf dem beschriebenen Verfahren bzw. der beschriebenen Methodik können ebenso für einen jeweiligen Anwendungsfall geeignete Bauteile 25 ausgewählt oder spezifiziert werden. Dazu 4 beispielhaft einen Ablaufplan für ein erstes Verfahren.
Darin wird in einem Verfahrensschritt S1 ein Missions- oder Anforderungsprofil vorgegeben oder definiert und der Äquivalenzverschleißparameter 15 als Funktion einer oder mehrerer vorgegebener Designvariablen bestimmt. In einem Verfahrensschritt S2a wird unter Verwendung des Missions- oder Anforderungsprofils und des in Abhängigkeit von den Designvariablen bestimmten Äquivalenzverschleißparameters 15 die vollständige Lebensdauerfunktion in Abhängigkeit von der einen oder den mehreren vorgegebenen Designvariablen bestimmt. In einem Verfahrensschritt S3a wird eine Ziellebensdauer vorgegeben und mit der bestimmten Lebensdauerfunktion in Beziehung gesetzt. In einem Verfahrensschritt S4a werden durch Lösen dieser Beziehung Werte oder Wertebereiche für die Designvariablen bestimmt und demgemäß ein dazu passendes Bauteil, das dieser Werte aufweist oder in diese Wertebereiche fällt, zur Verwendung ausgewählt, beispielsweise aus mehreren möglichen oder jeweils verfügbaren Kandidatenbauteilen.
5 zeigt beispielhaft einen Ablaufplan für ein alternatives zweites Verfahren. Darin wird zunächst derselbe Verfahrensschritt S1 zum Bestimmen des Äquivalenzverschleißparameters 15 als Funktion einer oder mehrerer vorgegebener Designvariablen ausgeführt. Dann werden in einem Verfahrensschritt S2b für den jeweiligen Anwendungsfall infrage kommende Kandidatenbauteile basierend auf einer oder mehreren anderen vorgegebenen Metriken, Anforderungen oder Randbedingungen ermittelt bzw. vorausgewählt. In einem Verfahrensschritt S3b werden für diese vorausgewählten Kandidatenbauteile deren Werte der vorgegebenen Designvariablen ermittelt. Diese Werte oder Wertetupel werden dann jeweils eingesetzt, um damit einen jeweiligen numerischen Wert des Äquivalenzverschleißparameters 15 und die korrespondierende Lebensdauer zu bestimmen. In einem Verfahrensschritt S4b werden eine angestrebte Ziellebensdauer vorgegeben und basierend auf deren Vergleich mit den für die Kandidatenbauteile bestimmten Lebensdauern ein passendes Kandidatenbauteil zur Verwendung ausgewählt.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine Linearisierung von Schadens- oder Verschleißeffekten für Komponenten für eine besonders einfache und dennoch genaue Lebensdauerabschätzung, beispielsweise für eine vorhersagebasierte Wartung realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Verschleißwertbestimmung
2: Lebensdauerfunktionen
3: Nebenbedingungen
4: Belastungsmodell
5: Lebenszeitmodell
6: Betriebs- oder Verwendungszyklus
7: Datenanalyse
8: Verschleißanalyse
9: Belastungsanalyse
10: Lebensdaueranalyse
11: Output
12: Abszissenachse
13: Ordinatenachse
14: realer Verschleißparameter
15: Äquivalenzverschleißparameter
16: erster Verschleiß
17: zweiter Verschleiß
18: dritter Verschleiß
19: vierter Verschleiß
20: n-ter Verschleiß
21: Äquivalenzverschleiß
22: Kraftfahrzeug
23: Servereinrichtung
24: Serverdatenspeicher
25: Bauteil
26: Überwachungseinrichtung
27: Sensor
28: Schnittstelle
29: Prozessor
30: Datenspeicher
S1-S4b: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zum Abschätzen einer Lebensdauer eines Bauteils (25), wobei - für das Bauteil (25) ein nichtlineares Lebenszeitmodell (5) vorgegeben wird, das die Lebensdauer des Bauteils (25) in Abhängigkeit von wenigstens einer vorgegebenen Einflussgröße beschreibt, - unter der Annahme, dass sich das Verschleißverhalten des Bauteils (25) im Laufe seiner Lebensdauer verändert, anhand des Lebenszeitmodells (5) ein theoretischer konstanter äquivalenter Verschleißparameter (15) bestimmt wird, der den Verschleiß des Bauteils (25) bei über die Lebensdauer des Bauteils (25) unverändertem Verschleißverhalten des Bauteils (25) charakterisiert, - ein über wenigstens einen Verwendungszyklus (6) des Bauteils (25) tatsächlich auftretender Verschleiß bestimmt wird, und - unter Verwendung des bestimmten konstanten äquivalenten Verschleißparameters (15) bestimmt wird, wann eine vorgegebene Ausfallbedingung erreicht wird, wenn das Bauteil (25) weiter wie in dem wenigstens einen Verwendungszyklus (6) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des konstanten äquivalenten Verschleißparameters (15) ein Lagrange-Multiplikator-Verfahren angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Lagrange-Multiplikator-Verfahren eine mit zunehmendem Verschleiß des Bauteils (25) ansteigende erste Lebensdauerfunktion (2) für das Bauteil (25) und als Nebenbedingung (3) ein Maximalwert für die Lebensdauerfunktion (2) vorgegeben werden, wobei die Lebensdauerfunktion (2) die Lebensdauer des Bauteils (25) beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Lagrange-Multiplikator-Verfahren auch eine ebenfalls mit zunehmendem Verschleiß des Bauteils (25) ansteigende zweite Lebensdauerfunktion (2) vorgegeben wird, die ebenfalls die Lebensdauer des Bauteils (25) beschreibt und im Gegensatz zu der ersten Lebensdauerfunktion (2) die Anzahl der Verwendungszyklen (6) des Bauteils (25) über dessen Lebensdauer als Faktor enthält und für die derselbe vorgegebene Maximalwert gilt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verwendungszyklus (6) zum Bestimmen des Verschleißes wenigstens eine vorgegebene Einflussgröße, die den Verschleiß des Bauteils (25) beeinflusst, gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verwendungszyklus (6) wenigstens mehrere Tage, insbesondere wenigstens oder genau eine Woche, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwendung des Bauteils (25) zum Erkennen eines sich zumindest teilweise wiederholenden Verwendungsmusters des Bauteils (25) überwacht wird und darauf basierend der Verwendungszyklus (6) automatisch bestimmt wird, sodass der Verwendungszyklus (6) wenigstens oder genau eine Periode des sich zumindest teilweise wiederholenden Verwendungsmusters umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwendung des Bauteils (25) zum Erkennen von Veränderungen in der Verwendung des Bauteils (25) überwacht wird und der theoretische konstante äquivalente Verschleißparameter nur auf das Erkennen einer Veränderung der Verwendung des Bauteils (25) hin neu bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass regelmäßig automatisch Aktualisierungen für das Lebenszeitmodell (5) auf einer zentralen Servereinrichtung (23) angefragt werden und, insbesondere nur, bei Verfügbarkeit und nach dem Abrufen einer Aktualisierung der theoretische konstante äquivalente Verschleißparameter (15) sowie der Zeitpunkt des voraussichtlichen Erreichens der Ausfallbedingung automatisch neu bestimmt werden.
Kraftfahrzeug (22), aufweisend wenigstens ein einem nutzungsabhängigen Verschleiß unterliegendes Bauteil (25), einen Sensor (27) zum Messen einer den Verschleiß des Bauteils (25) charakterisierenden Einflussgröße und ein damit gekoppeltes Steuergerät (26) zum Überwachen der Lebensdauer des Bauteils (25), wobei das Kraftfahrzeug (22) zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.