Zuverlässigkeitsorientiertes Erprobungskonzept für Nutzfahrzeuggetriebe unter Berücksichtigung von Betriebsdaten

Abstract

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.

The reliability of technical products, especially for commercial vehicle transmissions, is one of the main costumer requests and the basis for the economical success of companies. High reliable components lead to low quality and warranty costs. Furthermore the reliability is one of the main purchase arguments. To satisfy the reliability requests, the reliability must be demonstrated before production and market begin but also during the production phase. Therefore the testing phase of commercial vehicle transmissions and components must consist of a reliability based test mythology to demonstrate the requested lifetime and reliability goals by experiments. Within this context a systematic approach for the necessary elements of a reliability based test procedure is introduced. This procedure focuses on the coherences and boundary conditions during the reliability demonstration process. First the test procedure is divided into the test phase on the component level and afterwards on the system level for the whole transmission. Concerning the component level variable and attributive test methods are focused. Both methods are analysed considering a life time ratio for different test times and an acceleration factor due to higher stress. To demonstrate the reliability for a field stress distribution a stress strength interference based method is developed. The results show that the sample size is much less, in opposite to the reliability demonstration test for a defined stress level. Additionally a cost optimization model is introduced to determine the reliability target from economical demands. Hereby the reliability targets are based on the minimum of the total costs. The total costs are derived from testing costs, warranty costs and replacement costs of components. Determining the fatigue limit of mechanical components, test methods are classified concerning test strategies at one stress level and several stress levels. For the test strategies at one stress level the results for three different distributions of the fatigue limit are analysed. In further steps methods for tests on different stress levels are focused concerning the possibility to incorporate prior knowledge of the fatigue limit within the Bayes statistic. In this context the influence of prior knowledge on the staircase method is analysed by Monte Carlo Simulations. To optimize the reliability demonstration of the whole transmission a system based reliability demonstration procedure considering the Bayes statistic is developed. Therefore prior knowledge form the component test stage is combined to an a priori distribution for the system. This a priori distribution is used to incorporate the prior knowledge in field tests of the system. So the necessary sample size in opposite to classical procedures can be reduced. Within an example of a system consisting of 8 components it can be shown, that the necessary sample size for the reliability tests of systems can be reduced. In the last section the usage of operation data to analyse the load spectrums of transmission components is focused. Hereby different methods to calculate and predict the reliability during usage are introduced. Different methods are considered to calculate the reliability depending on the actual load spectrum and the Wöhler curve. The prediction of the reliability trend is analyzed by the application of time series models.