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Zuverlässigkeitsorientiertes Erprobungskonzept für Nutzfahrzeuggetriebe unter Berücksichtigung von Betriebsdaten
(2007) Maisch, Matthias; Bertsche, Bernd (Prof.-Dr. Ing.)
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines zuverlässigkeitsorientierten Erprobungskonzepts am Beispiel eines Nutzfahrzeuggetriebes für Stadtbusse. Berücksichtigt wird die Verwendung von Betriebsdaten des Getriebes zur Zuverlässigkeitsberechnung. Zur Optimierung des Erprobungsprozesses werden mit der im ersten Teil der Arbeit entwickelten Erprobungsmethodik die Möglichkeiten zur Berücksichtigung aller notwendigen Randbedingungen zur Zuverlässigkeitstestplanung von Komponenten und Gesamtgetriebe verdeutlicht. Betrachtet werden insbesondere mechanisch und hydraulisch leistungsführende Komponenten des Getriebes. Anhand der Problematik der Beanspruchungsstreuung mechanischer Komponenten im Betrieb, hervorgerufen durch unterschiedlichste Einsatzcharakteristiken der Getriebe, wird aufgezeigt wie die Beanspruchungsverteilung von Komponenten mittels Fahrsimulationen ermittelt werden kann. Die weitere Gliederung des Erprobungsprozesses wird zeitlich in die Phase der Komponenten- und Gesamtgetriebeerprobung vorgenommen. Zur Zuverlässigkeitstestplanung von Komponenten und Getriebe werden attributive und variable Testplanungsmodelle unter Einbeziehung des Raffungsfaktors und Lebensdauerverhältnisses optimiert. Die Berücksichtigung der Beanspruchungsverteilung der Komponenten im Betrieb ermöglicht es, die Unterschiede des Zuverlässigkeitsnachweises bezüglich eines definierten Quantils der Beanspruchungsverteilung oder der Berücksichtigung der gesamten Beanspruchungsverteilung zu analysieren. Um die Höhe der Zuverlässigkeitsanforderung von ökonomischen Kriterien abhängig zu machen, wurde ein Modell zur kostenoptimalen Zuverlässigkeitstestplanung entwickelt, welches die zu erwartenden Gesamtkosten minimiert. Für den Sonderfall des Dauerfestigkeitsnachweises mechanischer Komponenten werden die Erprobungsmethoden systematisch hinsichtlich der Anzahl der Prüfhorizonte eingeteilt und analysiert. Die Analyse von Dauerfestigkeitsversuchen auf einem Lasthorizont erfolgt hinsichtlich des Einflusses der Verteilungsart der Dauerfestigkeitswerte. Zur Auswertung von Dauerfestigkeitsversuchen auf mehreren Lasthorizonten wird die Maximum-Likelihood-Methode angewendet und die Möglichkeit zur Berücksichtigung von Vorkenntnissen mittels der Bayes-Methode verdeutlicht. Anhand des Treppenstufenverfahrens wird diese Vorgehensweise gezielt untersucht. Die Anwendung der Monte Carlo Simulation ermöglicht es Treppenstufenfolgen zu simulieren und unter Berücksichtigung von Vorkenntnissen über den Mittelwert und die Standardabweichung der Dauerfestigkeitsverteilung mittels der Bayes-Statistik auszuwerten. Für die Phase der Gesamtgetriebe- und Baugruppenerprobung erfolgt die Einbindung der Vorkenntnisse aus den Ergebnissen der Komponentenerprobung ebenfalls mittels der Bayes-Statistik. Am Beispiel eines Seriensystems wird der Einfluss von Komponentenvorwissen auf die Reduktion des notwendigen Prüfaufwands an Gesamtgetrieben dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einbindung von Vorwissen beim Zuverlässigkeitstest von Gesamtgetriebesystemen eine erkennbare Reduktion des notwendigen Erprobungsumfangs ermöglicht. Die systematische Analyse von Betriebsdaten wird mittels eines Regelkreises verdeutlicht. Dieser beschreibt die Verwendung von Betriebsdaten, insbesondere von Lastkollektiven mechanischer Komponenten, zum Abgleich der Lastannahmen aus der Simulation und zur Definition von Erprobungskollektiven. Zur Nutzung der Betriebsdaten während der Betriebsphase der Getriebe werden Methoden zur Online-Zuverlässigkeitsberechnung und Lebensdauerprognose mechanischer Antriebsstrangkomponenten aufgezeigt. Diese ermöglichen die Berechnung der Zuverlässigkeit der Antriebsstrangkomponenten unter Berücksichtigung der Streuung der Auslegungs- und Berechnungsparameter. Aus der Prognose des Schädigungsverlaufs durch Zeitreihenmodelle kann schließlich die Prognose der Zuverlässigkeit für den weiteren Betrieb der Getriebekomponenten erfolgen.