UNI STUTTGART Institut für Maschinenelemente Antriebstechnik  CAD  Dichtungen  Zuverlässigkeit Heiko Ruppert CAD-integrierte Zuverlässigkeitsanalyse und -optimierung mBericht Nr. 102Berichte aus de D 93 ISBN 3 - 936100 – 02 - 0 Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 9 70569 Stuttgart Tel. (0711) 685 – 6170 Prof. Dr.-Ing. B. Bertsche, Institutsleiter Institut für Maschinenelemente Antriebstechnik  CAD  Dichtungen  Zuverlässigkeit CAD-integrierte Zuverlässigkeitsanalyse und -optimierung Von der Fakultät Konstruktions- und Fertigungstechnik der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Dipl.-Ing. Heiko Ruppert geboren in Heilbronn Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. B. Bertsche Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. K.-H. Hirschmann Tag der Einreichung: 23. Januar 2002 Tag der mündlichen Prüfung: 20. September 2002 Institut für Maschinenelemente 2002 Meiner Familie gewidmet Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Wissenschaftlicher Mit- arbeiter am Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart. Sie wurde im Rahmen des Schwerpunktprogrammes „Innovative rechnerunterstützte Konstrukti- onsprozesse“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Leiter des Instituts für Maschinenelemente, für die Ermöglichung der Arbeit, das entgegen- gebrachte Vertrauen und für die stete fachliche und menschliche Unterstützung im Rahmen dieser Arbeit. Herrn Professor Dr.-Ing. Karl-Heinz Hirschmann, Leiter des Instituts für Antriebs- technik und Mechatronik der Universität Rostock, danke ich für die kritische Durch- sicht der Arbeit, die Anregungen sowie für die Übernahme des Mitberichts. Bei allen Mitarbeitern des Instituts möchte ich mich für die kollegiale, bereichsüber- greifende und freundschaftliche Zusammenarbeit bedanken. Danken möchte ich auch allen ehemaligen und aktiven Kolleginnen und Kollegen, Studien- und Diplomarbeitern sowie Wissenschaftlichen Hilfskräften des „Zuverläs- sigkeitsteams“, die zu dieser Arbeit beigetragen haben. Nicht zuletzt danke ich meiner Frau und meiner Familie für ihre Unterstützung und Verständnis. Fellbach, im September 2002 Heiko Ruppert iInhalt Abkürzungen ................................................................................................................iv Formelzeichen...............................................................................................................vi Abstract ........................................................................................................................vii 1 Einleitung.................................................................................................................1 2 Ausgangssituation, Ziele und Aufbau der Arbeit ................................................3 2.1 Ausgangssituation ............................................................................................3 2.2 Ziele dieser Arbeit............................................................................................4 2.3 Aufbau der Arbeit ............................................................................................5 3 Stand der Forschung und Technik........................................................................7 3.1 Methodisches Vorgehen im Konstruktionsprozeß...........................................7 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik ...............10 3.2.1 Quality Function Deployment.............................................................10 3.2.2 Design Review ....................................................................................12 3.2.3 Qualitätsbewertung .............................................................................14 3.2.4 Systemanalyse.....................................................................................17 3.2.5 ABC-Analyse ......................................................................................17 3.2.6 Fehler-Möglichkeits- und Einflußanalyse...........................................18 3.2.7 Qualitative Fehlerbaumanalyse...........................................................25 3.2.8 Ereignisablaufanalyse .........................................................................27 3.2.9 Checklisteneinsatz...............................................................................29 3.2.10 Methoden aus anderen Branchen ........................................................31 3.3 Quantitative Methoden der Zuverlässigkeitstechnik .....................................33 3.3.1 Statistische Beschreibung des Ausfallverhaltens................................33 3.3.2 Boolesche Theorie...............................................................................39 3.3.3 Quantitative Fehlerbaumanalyse.........................................................41 3.3.4 Markoff-Methode................................................................................42 3.3.5 Monte-Carlo-Simulation .....................................................................46 3.4 Rechnerunterstützung im Konstruktionsprozeß und Datentechnik ...............47 3.4.1 Computer Aided Design .....................................................................47 3.4.2 Produkt-Daten-Management-Systeme................................................51 3.4.3 Objektorientierte Programmiertechniken............................................52 3.5 Kosten der Zuverlässigkeit ............................................................................55 ii 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems .................................................................58 4.1 Ausgangspunkt CAD-System........................................................................58 4.1.1 Das CAD-System Solid Edge .............................................................58 4.1.2 Daten des CAD-Systems.....................................................................59 4.1.3 Programmierschnittstelle des CAD-Systems......................................62 4.1.4 Verwendung einer gemeinsamen Datenbasis .....................................66 4.2 Analyse der Konstruktionsphasen .................................................................67 4.2.1 Phasenabbildung im CAD-System .....................................................67 4.2.2 Kopplung von Zuverlässigkeitsanalysen mit Entwicklungsphasen....71 4.3 Analyse der notwendigen Zuverlässigkeitsdaten...........................................76 4.3.1 Zuverlässigkeitsziel und -anforderungen im Lastenheft.....................76 4.3.2 Zuverlässigkeitsdaten aus der Verifikationsphase..............................83 4.3.3 Zuverlässigkeitsdaten aus der Nutzungsphase....................................86 4.3.4 Zuverlässigkeitsdaten aus Datenbanken .............................................90 4.4 Analyse der CAD-integriert anwendbaren Zuverlässigkeitsmethoden .........91 4.5 Entwurf der Programmodule .........................................................................92 4.5.1 Der Lebensdauermanager KOSYMA.................................................92 4.5.2 Der Systemeditor SYSEDIT ...............................................................94 4.5.3 Gesamtanordnung des Systems...........................................................95 5 Phasenbezogene, durchgängige Zuverlässigkeitsanalyse von Systemen .........98 5.1 Anlegen der Zuverlässigkeitsdaten in der Konzeptphase..............................98 5.1.1 Datenkopplung in der Konzeptphase ..................................................98 5.1.2 Durchgängigkeit der Daten in der Konzeptphase .............................100 5.2 Entwurfsphase..............................................................................................101 5.3 Ausarbeitungsphase .....................................................................................102 5.4 Weibullbasierte Kostenanalyse....................................................................105 5.4.1 Vorgehensweise ................................................................................105 5.4.2 Beispiel..............................................................................................106 6 Beispielhafte Umsetzung ....................................................................................109 6.1 Anwendungsbeispiel EKS als komplexes technisches System ...................109 6.2 Durchgängige CAD-integrierte Fehlerbaumanalyse ...................................111 6.2.1 CAD in frühen Konzept-Phasen .......................................................111 6.2.2 Kopplung mit Zuverlässigkeitsdaten und -analysen.........................111 6.2.3 Modifikationen in der Konzeptphase................................................113 iii 6.2.4 Fehlerbaumanalysen in Entwurfs- und Ausarbeitungsphasen ..........115 6.3 Durchgängige CAD-integrierte Anwendung der Booleschen Methode......119 6.3.1 Boole in Konzeptphasen ...................................................................119 6.3.2 Übernahme der Ergebnisse in Entwurfsphasen ................................120 6.3.3 Zuverlässigkeitsberechnung in der Ausarbeitungsphase ..................121 6.3.4 Anwendung des Boole-Markoff-Modells .........................................121 6.4 CAD-integrierte Anwendung qualitativer Zuverlässigkeitsmethoden ........122 6.4.1 CAD-integriertes QFD......................................................................123 6.4.2 CAD-integrierte ABC-Analyse.........................................................123 6.4.3 CAD-integrierte FMEA ....................................................................124 6.5 Weibullbasierte Kostenreduzierung des EKS..............................................128 7 Zusammenfassung und Ausblick ......................................................................133 Literatur.....................................................................................................................135 iv Abkürzungen ANSI American National Standards Institute API Application Programming Interface ASCII American Standard Code for Information Interchange ASI American Supplier Institute CAD Computer Aided Design CAQ Computer Aided Quality CDK Cost Design Kit CLSID Class Identifier COM Component Object Model CORBA Common Object Request Broker Architecture CSV Comma Separated Value DBMS Datenbankmanagementsysteme DCE Distributed Computing Environment DCOM Distributed Component Object Model DDE Dynamic Data Exchange DLL Dynamic Link Library DMU Digital Mock-up DR Design Review DTD Document Type Description EBA Ereignisbaumanalyse EDV Elektronische Datenverarbeitung EKS Elektromechanisches Kupplungssystem ESP Elektronisches Stabilitätsprogramm ETA Event Tree Analysis (Ereignisbaumanalyse) EXE Executable, d.h. ausführbar (Dateieigenschaft) FEM Finite Elemente Methode FMEA Failure Mode and Effects Analysis (Ausfallarten und –folgenanalyse) oder Fehler-Möglichkeits- und Einfluß-Analyse FMECA Failure Mode, Effects and Criticality Analysis FBA Fehlerbaumanalyse FTA Fault Tree Analysis GUID Globally Unique Identifier HALT Highly Accelerated Life Testing HTML Hyper Text Markup Language HSIA Hardware/Software-Interaktionsanalyse I Interface IDL Interface Definition Language IID Interface Identifier IGES Initial Graphics Exchange Standard ISO International Standardization Organization MFC Microsoft Foundation Class vMDI Multiple Document Interface MS Microsoft NASA National Aeronautics and Space Administration OBJ Vom Compiler übersetzte Objektdatei *.obj ODBC Open Database Connectivity OLE Object Linking and Embedding OLE for D&M Object Linking and Embedding for Design and Modelling OOA Objektorientierte Analyse OOD Objektorientierter Entwurf (Design) OOP Objektorientierte Programmierung PDM Produkt-Daten-Management-Systeme PPM Parts Per Million PSA Probabilistic Safety Assessment QB Qualitätsbewertung QFD Quality Function Deployment RC Ressourcenskriptdatei RES Ressourcendatei RPZ Risikoprioritätszahl RTF Rich Text Format SDK Software Development Kit SET Standard d’Exchange et de Transfert SGML Standard Generalized Markup Language SQL Standard Query Language STEP Standard for the Exchange of Product Model Data VB Visual Basic VC++ Visual C++ VDA Verein der Automobilhersteller VDA-FS Verein der Automobilhersteller - Flächenschnittstelle VDA-PS Verein der Automobilhersteller - Prozedurale Schnittstelle WCA Worst Case Analysis WMF Word Metafile UDT Uniform Data Transfer UGS Unigraphics Solutions UUID Universal Unique Identifier WWW World Wide Web ZSB Zusammenbau vi Formelzeichen AD Dauerverfügbarkeit A(t) Verfügbarkeit, engl.: Availability b Formparameter der Weibullverteilung Bx Lebensdauer bei x% Ausfallwahrscheinlichkeit C Dynamische Tragzahl, Konstante E(t) Erwartungswert f(t) Dichtefunktion F(t) Ausfallwahrscheinlichkeit (engl.: Failure) i Laufparameter j Laufparameter, Rangzahl K Komponente LV Lebensdauerverhältnis m Prüflosgröße MTBF Mean Time Between Failure (Mittelwert der ausfallfreien Zeiten oder auch mittlerer Ausfallabstand) MTTFF Mean Time To First Failure (Mittlere Lebensdauer bis zum ersten Ausfall bei reparierbaren Systemen) MTTF Mean Time To Failure (Mittelwert der Lebensdauer vom Ende der Reparaturzeit bis zum nächsten Ausfall) MTTR Mean Time To Repair (Mittelwert der Reparaturzeit bzw. die In- standsetzungszeit) n Anzahl der Systemkomponenten P Dynamisch äquivalente Lagerbelastung PA Aussagewahrscheinlichkeit P(t) Wahrscheinlichkeit (engl.: Probability) p Exponent der Lebensdauergleichung für Lager q Index für eine bestimmte Ausfallwahrscheinlichkeit R(t) Überlebenswahrscheinlichkeit, Zuverlässigkeit (engl.: Reliability) t Statistische Variable (Beanspruchungszeit, Lastwechsel, Betätigun- gen, etc.) t0 Ausfallfreie Zeit der Weibullverteilung T Charakteristische Lebensdauer der Weibullverteilung, Lageparameter U(t) Nichtverfügbarkeit, engl.: Unavailability Z Zustandsindikator () Gammafunktion (t),  Ausfallrate (t),  Reparaturrate  Zufallsvariable  Zufallszahl vii Abstract CAD-integrated Reliability Analysis and Optimisation The reliability is defined as the probability of a technical system to perform a required function under specified conditions for a certain period of time. The reliability directly describes the operativeness of a product. In this way the reliability can be regarded as the dynamical part of the quality, which is a decisive criterion for sales under the pres- sure of competition. In order to develop reliable products under severe conditions, such as larger complexity, greater functionality, etc., reliability methods must be util- ized. Customers specify the functional properties of a product by their demands. Almost exclusively design engineers realize these properties. Even though the methodology of design is sophisticated, only a development process, which is supported by reliability techniques, will lead to highly reliable products. However, the determination of the reliability of systems and its components is often full of imperfections. The investigation of the reliability is performed late in the com- puter aided design process. Moreover the methods of CAD and of reliability are ap- plied isolated from each other. The advantage of an early CAD-integrated and design- stage oriented reliability analysis is obvious. In this way, the present work will con- tribute. Based on state-of-the-art design methodology and its application in a CAD system, the qualitative and quantitative methods of reliability analysis were investigated during the development process. Starting with the conceptual design stage in the CAD system, the relevant reliability data can be added to the geometrical objects by means of a life- time manager and a database. Current reliability methods, such as fault tree analysis, Boolean model, etc., can be performed based on this data. The application of CAD and reliability analysis is executed interactively. So an early reliability analysis can be up- dated and improved according to the progress of the design. Thus the required and specified reliability of a product will be reached earlier in the development process and additionally more exactly, compared with a reliability analysis, which is separated from the design process. In order to store the relevant reliability data according to the design stages, the soft- ware module KOSYMA has been developed. KOSYMA illustrates the lifetime man- viii ager. Already the conceptual design of a product can be pictured in the sketch modus of the CAD system and linked with the lifetime manager. Reliability data is assigned to the geometrical objects, which were created in the CAD surrounding. Reliability analysis will be performed on this basis and stored according to the design stages in a database. In the following stages of the development process, these results can be util- ized for further investigations. With this proceeding, the reliability data and its analysis are provided continuously during the CAD system. Using the fault tree analysis, the Boolean model as well as the Failure Mode Effects and Criticality Analysis this ap- proach is presented and verified. The possibility and procedure of cost reduction measures based on a CAD-integrated Weibull analysis is also shown. The practical implementation of the approach in the software tools is demonstrated using the practi- cal example of an electromechanical clutch actuator. Future work on this subject will focus on the uncertainty of reliability data and the confidence interval. It is of particular interest how the uncertainty of reliability data of the single component affects the reliability analysis of the whole system. The different design stages should be considered for this aspect, too. There should be further investigations based on cost reduction measures. A step in this direction could be cost reduction based on a CAD-integrated Weibull analysis at ear- lier design stages. 11 Einleitung Der Begriff Zuverlässigkeit wird eingeordnet in den Bereich des Qualitätsmanage- ments. Dabei wird die Zuverlässigkeit definiert als die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein Produkt oder ein Prozeß über eine bestimmte Betrachtungszeit seine zuvor defi- nierte Aufgabe unter gegebenen Funktions- und Umgebungsbedingungen erfüllt [1], [2]. Als Teil der Qualität, die ein Produkt zu einem bestimmten Zeitpunkt beurteilt, untersucht die Zuverlässigkeit die Funktionserfüllung über einen definierten Zeitraum. Die Technik im eigentlichen Sinne ist davon geprägt ein Produkt zu erzeugen. Die „Macher“ des Produkts sind von dessen Funktion vorerst überzeugt. Bei der Betrach- tung der Zuverlässigkeit wird diese Funktion jedoch in Frage gestellt. Die Zuverläs- sigkeit untersucht die „Nicht-Funktionsfähigkeit“ eines Produkts und damit seinen Ausfall, d.h. sein Versagen. Die Zuverlässigkeitstechnik umfaßt die Methoden, um die Zuverlässigkeit zu analysieren und zu ermitteln. Bild 1.1: Schlagzeilen der Pannenstatistik 2000 des ADAC [3] Im Fahrzeugbau beispielsweise werden umfangreiche „Pannenstatistiken“ veröffent- licht, in denen die Zuverlässigkeit als Anzahl unplanmäßiger Werkstattaufenthalte oder Anzahl der „Liegenbleiber“ pro Zeitintervall (Jahr, Monat) ausgedrückt wird, Bild 1.1. Produkthaftung, Gewährleistung, Kulanzfälle und Imageverlust sind wesent- liche Folgen einer unzureichenden Produktzuverlässigkeit. Durch den frühen Einsatz analytischer Zuverlässigkeitsmethoden läßt sich die Produktzuverlässigkeit erhöhen. 2 1 Einleitung Entwicklung Produktion Feld Entwickeln und Beschaffen Beschaffen und Herstellen Einsatz im Feld Konzept - Phase Konstruktion, Produkt - entwicklung Planung, Beschaffung Produktion Produkteinsatz Fehlerverhütung Fehlerentdeckung Aktionschance Reaktionszwang Entwi l ng Pro ktion Entwickel und Beschaffen Beschaffen und Herstellen Ein tz im Feld Konzept- phase Kons o ent i Planung, Beschaffung Produktion Produkteinsatz K os te n pr o Fe hl er Fehlerverhütung Fehlerentdeckung Aktionschance Reaktionszwang Einfluß auf Fehler 100,00 10,00 1,00 0,10 Bild 1.2: „Verzehnfachungsregel“ [4] Die sogenannte „Zehnerregel“ bringt die Vorteile eines frühen Einsatzes der Zuverläs- sigkeitstechnik deutlich zum Ausdruck, Bild 1.2. Die Folgekosten unentdeckter Fehler sind wesentlich höher als der verstärkte und frühe Einsatz von Zuverlässigkeitsmetho- den. Ein weiterer wesentlicher Mangel ist der von der rechnerunterstützten Konstruk- tion (CAD) isolierte Einsatz der Zuverlässigkeitsmethoden. Konstruktive Änderungen aufgrund mangelnder Zuverlässigkeit werden umso aufwendiger, je später sie erfol- gen. Mit einer Kopplung der Methoden der Konstruktion und der Zuverlässig- keitstechnik ließen sich die Anforderungen an das Produkt früher und treffsicherer realisieren. Die sich verschärfenden Randbedingungen der Produktentwicklung zwin- gen die Hersteller geradezu, sich in diese Richtung zu bewegen [5]. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag zur Integration der Zuverlässigkeitsermittlung und rechnerunterstützten Gestaltung (CAD) geleistet werden. Ein Schwerpunkt der Ab- handlung ist die CAD-Integration von qualitativen und quantitativen Zuverlässig- keitsmethoden. Auf die durchgängige und frühe Anwendung der Methoden („frühe Konstruktionsphasen“) wurde besonders geachtet. Nach Abschluß der Zuverlässig- keitsanalyse kann darauf aufbauend eine Kostenreduzierung der „zuverlässigsten“ Bauteile erfolgen. 32 Ausgangssituation, Ziele und Aufbau der Arbeit 2.1 Ausgangssituation Die höhere Funktionalität, die größere Zuverlässigkeit und die gestiegenen Qualitäts- anforderungen technischer Produkte stellen neue Herausforderungen an die technische Produktentwicklung [5]. In der Vergangenheit wurde die Systemzuverlässigkeit aus- schließlich durch konstruktive Methoden sichergestellt. Zusätzlich zum klassischen Weg über ausgereifte Konstruktionsmethoden lassen sich die gestiegenen Forderungen an ein Produkt nur mit der Anwendung analytischer Zuverlässigkeitsmethoden erfül- len. Dabei existieren grundsätzlich zwei Wege: Berechnungen liefern quantitative Er- gebnisse, qualitative Resultate werden durch systematische Untersuchungen und Me- thoden wie FMEA, FTA, Ereignisablaufanalyse u.a. erzielt. In Bild 2.1 sind die grund- sätzlichen Möglichkeiten zur Sicherstellung der Systemzuverlässigkeit aufgeführt. Sicherstellung der Systemzuverlässigkeit Konstruktiv: Optimaler Konstruktionsprozeß mit ausgereiften Konstruktions- methoden und -verfahren Analytisch: Ermittlung bzw. Prognose der Zuverlässigkeit durch Zuverlässigkeitsmethoden und anschließender Optimierung quantitativ qualitativ genaues und voll- ständiges Lastenheft gesicherte Berechnung mit genau erfaßten Lastkollektiven bewährte Konstruk- tionsrichtlinien frühzeitige und umfassende Erprobung ... Berechnung der voraussagbaren Zuverlässigkeit Ausfallratenanalyse Probabilistische Zuverlässigkeitsanalye Methoden: - Boole - Markoff - FTA - ... Systematische Untersuchung der Aswirkungen von Fehlern und Ausfällen Ausfallartenanalyse Methoden: - FTA - FMEA/FMECA - ETA - Checklisten -... Bild 2.1: Grundsätzliche Möglichkeiten zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit [5] 4 2 Ausgangssituation, Ziele und Aufbau der Arbeit Die analytischen Methoden der Zuverlässigkeitstechnik werden oftmals isoliert vom rechnerunterstützten Konstruktionsprozeß angewendet, so daß die gewonnenen Ergeb- nisse nicht direkt weiterverarbeitet werden können. Ein weiterer Nachteil ist die punktuelle, nicht durchgängige Anwendung der analytischen Methoden sowie eine lückenhafte Fortschreibung der gewonnenen Ergebnisse. Eine Rückkopplung der Er- gebnisse in den rechnerunterstützten Konstruktionsprozeß fehlt völlig. Zusätzlich wer- den die Zuverlässigkeitsmethoden erst in „späten“ Entwicklungsphasen angewendet, womit ein rechtzeitiges Steuern der Zuverlässigkeitskennwerte und eine frühe Ände- rung der Konstruktion erschwert wird. 2.2 Ziele dieser Arbeit Im Sinne der Integration von Gestaltung und Berechnung ist das Ziel dieser Arbeit, den Einsatz der rechnergestützten Konstruktion und die Prognose bzw. Berechnung der Zuverlässigkeit über den Entwicklungsprozeß hinweg zu betrachten. Mit einer CAD-gekoppelten Zuverlässigkeitsermittlung kann das geforderte Zuverlässigkeitsziel schneller und genauer erreicht werden. Dabei sind sowohl qualitative als auch quanti- tative Methoden der Zuverlässigkeitstechnik parallel zum rechnerunterstützten Kon- struktionsprozeß anzuwenden. In der Vorgängerarbeit wurde ausschließlich die quantitative Berechnung der System- lebensdauer mittels des Booleschen Modells in der späten Entwicklungsphase, d.h. der Ausarbeitungsphase und Kopplung zum CAD-System betrachtet [6]. Darauf aufbau- end, konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf  die Implementierung zusätzlicher quantitativer Methoden (z.B. FTA),  die Integration von qualitativen Zuverlässigkeitsmethoden (z.B. FMEA),  die durchgängige, phasenübergreifende Anwendung der analytischen Methoden (z.B. Boole) im CAD-Prozeß,  die frühen Phasen des Entwicklungsprozesses (Konzept, Entwurf) und  die Kostenreduzierung auf Basis einer Weibullanalyse. Weitere quantitative Zuverlässigkeitsmethoden, wie z.B. Fehlerbaumanalysen, Markoff, u.a., sollen gekoppelt zum rechnerunterstützten Konstruktionsprozeß durch- geführt werden. Damit wird die CAD-Integration der Systemzuverlässigkeitsberech- nung nach Boole [6] ergänzt. Die qualitativen Zuverlässigkeitsmethoden, die als Basis für die Berechnung dienen, sollen parallel zu den frühen Phasen des Konstruktionsprozesses eingesetzt und ver- wendet werden. Bereits die Zuverlässigkeitsziele aus dem Lastenheft sollen in eine Zuverlässigkeitsdatenbank eingetragen werden. Dem Anwender, d.h. dem Konstruk- teur, soll somit die Möglichkeit gegeben werden, produktspezifische Zuverlässigkeits- daten zu Beginn des rechnergestützten Entwicklungsprozesses in eine Datenbank ein- 2.3 Aufbau der Arbeit 5 zupflegen. Während des CAD-Konstruktionsprozesses sollen die Daten weiter aktuali- siert werden. Während des gesamten rechnergestützten Konstruktionsprozesses kann der Anwender zwischen dem CAD-Programm und der Zuverlässigkeitsanalyse wechseln. Vorhande- ne Zwischenergebnisse bezüglich der Lebensdauer sollen direkt im geometrischen Modell des CAD-Programms sichtbar werden. So daß der Konstrukteur bereits in frühen Entwicklungsphasen steuernd in die Zuverlässigkeitsentwicklung eingreifen kann. Das spezifizierte Zuverlässigkeitsziel soll damit früher und exakter erreicht wer- den. Zusätzlich soll die Durchgängigkeit der Zuverlässigkeitsinformationen sichergestellt werden. Zuverlässigkeitsanalysen und -ergebnisse sollen phasenbezogen und struktu- riert in einer Datenbank abgelegt werden, so daß in den folgenden Konstruktions- phasen darauf aufgebaut werden kann. Abschließend soll eine Kostenbetrachtung mit in die Zuverlässigkeitsanalyse der Detailkonstruktion einfließen. Aufbauend auf einer Weibullanalyse eines technischen Produkts sollen die zuverlässigsten Bauteile hinsichtlich ihres Kosteneinsparpotentials untersucht werden. Die gesamte Vorgehensweise wird anhand eines Beispiels verdeutlicht. 2.3 Aufbau der Arbeit Bei der Entwicklung eines Konzepts zur CAD-integrierten Zuverlässigkeitsanalyse und -optimierung ergeben sich die in Bild 2.2 dargestellten Arbeitsschwerpunkte. Ausgangsbasis ist der Stand der Technik der Zuverlässigkeits- und Konstruktionsme- thodik sowie deren Rechnerunterstützung (Kapitel 3). Aus den Defiziten ergeben sich die Ziele der Arbeit (Kapitel 2). Die Analyse und der Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitssystems be- schäftigt sich, ausgehend vom CAD-System, mit der Analyse der Konstruktions- phasen, den notwendigen Zuverlässigkeitsdaten sowie den durchgängig anwendbaren Zuverlässigkeitsmethoden. Kapitel 4 schließt mit dem Entwurf der Programmodule ab. Die Durchführung einer phasenbezogenen, durchgängigen Zuverlässigkeitsanalyse von Systemen erfolgt in Kapitel 5. Die beispielhafte Umsetzung in Kapitel 6 schließt die Arbeit ab. 6 2 Ausgangssituation, Ziele und Aufbau der Arbeit Quantitative Zuverlässigkeits- methoden Qualitative Zuverlässigkeits- methoden Analyse und Entwurf eines phasenübergreifenden CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Methodik im Konstruktions- prozeß CA-gestützte qualitative Zuverlässigkeits- methoden CA-gestützte quantitative Zuverlässigkeits- methoden Computer Aided Design Ka pi te l 3 : S ta nd d er F or sc hu ng u nd T ec hn ik K ap ite l 4 Kapitel 2: Ausgangssituation und Ziele Phasenbezogene, durchgängige Zuverlässigkeitsanalyse Ka pi te l 5 Ka pi te l 6 Beispielhafte Umsetzung Bild 2.2: Aufbau der Arbeit 73 Stand der Forschung und Technik Dieses Kapitel beschreibt zunächst das methodische Vorgehen im Konstruktionspro- zeß (Kapitel 3.1). Anschließend wird der Stand der Forschung und Technik sowohl der qualitativen als auch der quantitativen Methoden der Zuverlässigkeitstechnik beschrie- ben (Kapitel 3.2 und 3.3). Der Stand der Rechnerunterstützung im Konstruktionspro- zeß und der Datentechnik schließen das Kapitel ab (Kapitel 3.4). 3.1 Methodisches Vorgehen im Konstruktionsprozeß Um ein schrittweises, logisches Vorgehen im Konstruktionsprozeß unabhängig von Berufserfahrung, Informationsdichte und Tagesverfassung des Konstrukteurs zu ge- währleisten, wurden die verschiedenen Arbeitsschritte in einzelne Prozeßphasen zu- sammengefaßt und die Inhalte folgerichtig aneinandergereiht [7]. Ziel dieses allgemein anwendbaren Vorgehens ist, Zusammenhänge zu strukturieren und eine produktunab- hängige Methodik zur Systematisierung der meist intuitiven Arbeit des Konstrukteurs zu erhalten. Für das Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte sind zahlreiche Vorgehensmodelle von Pahl/ Beitz [8], Rodenacker [9], Roth [10], Koller [11], Ehrlenspiel [12] entwickelt worden, die in den VDI-Richtlinien 2221 [13] und 2222 [14] zusammengeführt wurden. Die Richtlinien definieren phasenorientierte Arbeitsschritte und zugehörige Ergebnisse, die sich in vier Hauptarbeitsschritte glie- dern: Planen und Klären der Aufgabenstellung, Konzipieren sowie Entwerfen und Ausarbeiten, Bild 3.1. Die ersten beiden Arbeitsschritte werden als frühe Phasen be- zeichnet, die letzten beiden als späte Phasen. Variierend mit der Aufgabenstellung (Neu-, Varianten-, Anpassungskonstruktion) werden die Phasen zeitlich und logisch nur teilweise oder mehrmals iterativ durchlaufen. Vor- und Rücksprünge auf einzelne Phasen können gegebenenfalls möglich sein. Pahl/ Beitz haben die vier Hauptarbeitsschritte verfeinert und konkretisiert, Bild 3.2. Ausgehend von den drei Faktoren Markt, Unternehmen und Umfeld ergibt sich die Aufgabenstellung. Der Einfluß des Faktors Markt wird bestimmt durch:  die technische und wirtschaftliche Stellung,  die Änderung der Marktwünsche,  die Anregung bzw. Kritik vom Kunden und  die technischen bzw. wirtschaftlichen Vorteile der Wettbewerber. 8 3 Stand der Forschung und Technik Der Impuls im eigenen Unternehmen resultiert aus:  Ideen und Eigenforschungsergebnissen,  neuen Funktionen zur Erweiterung oder Befriedigung des Absatzgebiets,  der Einführung neuer Fertigungsverfahren,  Rationalisierungsmaßnahmen in der Produktpalette und der Fertigungsstruktur,  Beteiligungsmöglichkeiten sowie höherem Diversifikationsgrad. Substitution durch neue Technologien und Forschungsergebnisse, Umweltauflagen und Recycling bei bestehenden Produkten prägen den Faktor Umfeld. Die einzelnen Bearbeitungsschritte und Teilaufgaben, welche die Hauptphasen bein- halten, sind in Bild 3.2 stichwortartig aufgeführt. Arbeitsabschnitte Arbeitsergebnisse Aufgabe Klären und Präzisieren der Aufgabenstellung Ermitteln der Funktion und deren Strukturen Suchen nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen Gliedern in realisierbare Module Gestalten der maßgebenden Module Gestalten des gesamten Produkts Anforderungsliste Funktionsstruktur Prinzipielle Lösung Modulare Struktur Vorentwürfe Gesamtentwurf Ausarbeiten der Ausführungs- und Nutzungsangaben Produkt Dokumentation Weitere Realisierung Ite ra tiv es V or - o de r Z ur üc ks pr in ge n zu e in em o de r m eh re re n A rb ei ts ab sc hn itt en 4 5 6 7 Ph ase IV Ph ase III Ph ase II Ph as e I 1 2 3 Ph as e IV Ph as e II I P ha se II Bild 3.1: VDI-Richtlinie 2221 - Methodik zum Entwickeln technischer Systeme und Produkte [13] 3.1 Methodisches Vorgehen im Konstruktionsprozeß 9 Festlegen der Anforderungsliste Freigabe zum Konzipieren Aufgabe Markt, Unternehmen, Umfeld Planen und Klären der Aufgabe: - Analysieren der Markt-, Unternehmens- und Umfeldsituation - Finden und Auswählen von Produktideen - Formulierung eines Produktvorschlags - Klären der Aufgabe - Erarbeiten der Anforderungsliste Entwickeln der prinzipiellen Lösung: - Erkennen der wesentlichen Probleme - Ermitteln der Funktionen - Suchen von Wirkprinzipien und Wirkstrukturen - Konkretisieren zu prinzipiellen Lösungsvarianten - Bewerten nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien Pl an en u nd K lä re n d er A uf ga be K on zi pi er en H öh er w er tig m ac he n, V er be ss er n En tw er fe n Entwickeln der Baustruktur: - Grobgestalten: Form geben, Werkstoff wählen, Berechnen - Auswählen geeigneter Grobentwürfe - Feingestalten des vorläufigen Entwurfs - Bewerten nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien In fo rm at io n: A np as se n de r A nf or de ru ng sl is te Festlegen des vorläufigen Entwurfs Freigabe zum abschliessenden Gestalten Endgültiges Gestalten der Baustruktur: - Beseitigen von Schwachstellen - Kontrollieren auf Fehler - Störgrösseneinfluss und Kostendeckung - Erstellen der vorläufigen Stückliste - Fertigungs- und Montageanweisungen Festlegen der prinzipiellen Lösung (Konzept) Freigabe zum Entwerfen O pt im ie re n de s Pr in zi ps A us ar be ite nEntwickeln der Ausführungs- und Nutzungsunterlagen: - Ausarbeiten der Fertigungsunterlagen - Vervollständigen durch Fertigungs-, Montage-, Transport- und Betriebsvorschrift - Prüfen der Fertigungsunterlagen Festlegen der Produktdokumentation Freigabe zum Fertigen Festlegen des endgültigen Entwurfs Freigabe zum Ausarbeiten O pt im ie re n de r H er st el lu ng Lösung O pt im ie re n de r G es ta ltu ng Bild 3.2: Arbeitsschritte beim Planen und Konstruieren nach Pahl/ Beitz [8] 10 3 Stand der Forschung und Technik 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Quali- tätstechnik In diesem Unterkapitel werden die qualitativen Methoden sowohl der Zuverlässig- keitstechnik als auch der Qualitätstechnik beschrieben. Die Reihenfolge der weiteren Untergliederung richtet sich nach der zeitlichen Abfolge der Anwendung der Metho- den im Produktentstehungsprozeß. Ein Teil dieser Methoden wird CAD-integriert an- gewendet. 3.2.1 Quality Function Deployment Das Quality Function Deployment (QFD) ist eine durchgängige Planungsmethodik bei der Herstellung von Produkten. Der QFD-Prozeß beginnt bei der Ermittlung der Kun- denbedürfnisse und endet bei der Umsetzung der für die Produktion notwendigen Pro- zesse. Maßnahmen und Funktionen des Qualitätsmanagements (Quality Function) kommen zum Einsatz (Deployment). Das QFD zeichnet sich durch eine systematische Erhebung und Bewertung der Kundenwünsche sowie deren Umsetzung im Unterneh- men in Produkte aus. Zu Beginn des QFD-Prozesses steht die Erhebung und Gewichtung der Kundenanfor- derungen. Geeignete Marktforschungsmethoden zur Aufdeckung potenzieller Chancen und Risiken werden benötigt, um die Basis für weitere Schritte zu sichern. Nachfol- gend werden einige dieser Methoden erläutert [15]:  Den Zweck der Zielgruppenbestimmung verfolgt eine standardisierte Befra- gung. Angaben wie z.B. Wichtigkeit der verschiedenen Produktmerkmale die- nen als Input für eine Clusteranalyse.  Die Conjoint-Analyse (conjoint = gemeinsam, verbunden) beruht auf einem Ansatz, bei dem davon ausgegangen wird, daß aus einem erhobenen monetären Gesamtnutzen eines Produkts anteilige Teilnutzenwerte der jeweiligen Ausprä- gungen eines Produktmerkmals berechnet werden können.  Die Clusteranalyse dient dazu, eine Menge von Objekten derart in Gruppen (= Cluster) zu unterteilen, daß die Objekte einer Gruppe hohe Ähnlichkeit auf- weisen. Innerhalb der Gruppen sollten die Gruppenmitglieder möglichst homo- gen bezüglich der Clusterbildung sein. Die einzelnen Gruppen sollten dagegen möglichst heterogen sein, um Merkmalsüberschneidungen und damit ver- fälschte Ergebnisse zu vermeiden.  Ziel einer Delphi-Befragung ist es, die Einschätzung der Marktchancen eines neuen Produkts durch Experten verschiedener Bereiche zu erheben. Dabei wer- den zufällig ausgewählte Experten entlang der Handelskette interviewt.  Individuell angepaßte Datenerhebung. Die Ergebnisse der verschiedenen Methoden sind nicht deckungsgleich bzw. homo- gen. Die Durchführung einer einzigen Methode kann zu nicht treffenden Aussagen 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik 11 führen, so daß ein auf den Daten einer einzigen Methode aufbauendes QFD zwangs- läufig zu fragwürdigen Ergebnissen kommen müßte [15]. Der simultane Ansatz aller oben erläuterten Marktforschungsmethoden ist geeignet, um Entscheidungen über das Leistungs- und Zuverlässigkeitsniveau eines neuen Pro- dukts im Sinne eines beginnenden „QFD-0 Schritts“ auf eine breitere Wissensbasis zu stellen. Da sich die Erkenntnisse der unterschiedlichen Methoden gegenseitig ergän- zen, können so potentielle Problemfelder oder interessante Marktsegmente besser identifiziert werden als bei der Anwendung einer einzigen Methode. Das grundlegende Prinzip des QFD ist es, die Kundenorientierung eines modernen Qualitätsmanagements in allen Phasen der Produktentwicklung zu verankern. Die Er- wartungen und Wünsche des Kunden oder des Anwenders führen den gesamten Ent- wicklungsprozeß und stellen die Grundparameter für die Entwicklung dar. Der Inge- nieur wird als Mittler zwischen den Kundenanforderungen und dem technisch Mach- baren verstanden. Das Ziel ist nicht, alle technisch möglichen, sondern nur genau die vom Kunden bzw. Weiterverarbeiter gewünschten Merkmale im Produkt zu realisie- ren. Dabei sind es oft die nicht genannten, impliziten Anforderungen der Kunden, die in das Produkt umgesetzt werden müssen. Zu diesem Zweck führt QFD systematisch und schrittweise unterschiedliche Unternehmensbereiche, wie z.B. Produktentwick- lung und Qualitätssicherung, zusammen. Anhand von Bild 3.3 wird das Vorgehen und die Dokumentation beim QFD erläutert. Aufgrund der Form der Matrix wird die Me- thode auch als „House of Quality“ bezeichnet [16]. (4) Korrelationsmatrix: Starke, mittlere oder schwache Beziehung zwischen Kunden- anforderungen und Qualitätsmerkmalen (3) Qualitätsmerkmale (6) Korrelation zwischen den einzelnen Qualitätsmerkmalen (positiv, neutral, negativ) (5) Schätzung der Wichtigkeit der einzelnen Qualitätsmerkmale, Zielwerte der Qualitätsmerkmale, Schwierigkeitsgrad, Bewertung der Konkurrenz, etc. (1) Kundenanforderungen aus Marktforschung, Kundenumfragen, etc. (2) Gewichtung der Kundenanforderungen Bild 3.3: Schema und Vorgehen von QFD Der QFD-Prozeß startet mit der Ermittlung der Anforderungen, die der Kunde an das Produkt stellt (1). Nach der Sammlung der Kundenanforderungen werden diese in Kategorien eingeteilt, in das Formblatt eingetragen und ihrer Bedeutung entsprechend 12 3 Stand der Forschung und Technik gewichtet (2). Für jede dieser Anforderungen werden im Team Qualitätsmerkmale, d.h. technische Funktionen, erarbeitet und in das QFD-Chart eingetragen (3). Die Kor- relationen zwischen den Kundenanforderungen und den Qualitätsmerkmalen werden in der Beziehungsmatrix des QFD-Charts mit Symbolen (z.B. starke, mittelstarke oder schwache Beziehung) dokumentiert und gewichtet. Dabei können zur Erfüllung einer Kundenanforderung mehrere Qualitätsmerkmale verschieden große Beiträge liefern. Eine multiplikative Abschätzung der Bedeutung der verschiedenen Qualitätsmerkmale kann nachfolgend aus dem Gewicht des Kunden und der Stärke der Korrelation erfol- gen (4). Danach werden Zielgrößen und Schwierigkeitsgrad der jeweiligen Qualitäts- merkmale eingestuft. Zusätzlich kann das Produkt unter technischen Gesichtspunkten mit Konkurrenzprodukten verglichen werden (5). Im „Dach“ des House of Quality untersucht man die positiven oder negativen Korrelationen zwischen den einzelnen Qualitätsmerkmalen (6). Die Vorgehensweise des QFD ist vom American Supplier Institute genormt [17]. Ein systemtechnischer Ansatz von QFD wird in [18] vorgestellt. Das QFD wird im Rah- men der vorliegenden Arbeit zur Ermittlung der Zuverlässigkeitsziele eingesetzt. 3.2.2 Design Review Das Design Review (DR) ist eine formale und systematische Methode zur Überprü- fung eines Entwicklungsergebnisses, um Problembereiche und Unzulänglichkeiten festzustellen. In der Produktplanung wird zum einen das Produkt und zum anderen der Produktentwicklungsprozeß geplant. Es wird ein Zeitplan festgelegt, nach dem die entsprechenden Entwicklungsstadien und Eigenschaften des Produkts zu bestimmten Zeitpunkten erreicht werden müssen. Zu vordefinierten Zeitpunkten, sogenannten Meilensteinen oder Quality Gates, die sich z.B. an den Phasen des Produktentste- hungsprozesses nach VDI 2221 [13] orientieren können, werden Design Reviews durchgeführt. Dabei werden die Entwicklungsergebnisse auf die Erfüllung der in der Produktplanung definierten Anforderungen hinsichtlich Funktion und Eigenschaften untersucht. Darüber hinaus werden Korrekturmaßnahmen festgelegt und eingeleitet, um sicherzustellen, daß das Produkt mit möglichst wenigen Fehlern und Risiken in die nächste Entwicklungsphase übergeht und der weitere Prozeß zielkonform fortläuft. Je nach Dauer, Komplexität und Neuheit des Produkts ist die Häufigkeit dieses Soll- Ist-Vergleichs (Design Review) festzulegen. Ein zu großer zeitlicher Abstand zwi- schen den Design Reviews bewirkt, daß Abweichungen vom geplanten Prozeß und den geplanten Produkteigenschaften zu groß werden können. Deren Korrekturen ver- ursachen wegen des größeren Zeitverzugs einen hohen Aufwand und hohe Kosten. Werden die Zeitintervalle zu kurz gewählt, werden die Design Reviews sehr kostspie- lig, da in kurzen Zeiträumen nur sehr wenige Eigenschaften festgelegt werden können und noch keine gesicherten Aussagen getroffen werden können. Design Reviews wer- 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik 13 den von interdisziplinären Teams durchgeführt, da die Zusammenarbeit von Fachleu- ten aus verschiedenen Bereichen höhere Erfolgsaussichten im Auffinden von Schwä- chen und Fehlern sowie im Erarbeiten von Abhilfemaßnahmen haben. Das DR wird durch einen Projektleiter durchgeführt. Die Zusammensetzung der Re- viewteams ergibt sich durch die Aufgabenstellung, das Objekt und die Entwicklungs- phase, wobei auch auf eine gleichmäßige Berücksichtigung aller wesentlichen Schnitt- stellen zu achten ist. Für eine kritische und effektive Durchführung des Reviews ist es wichtig, daß die Teilnehmer, mit Ausnahme des Projektleiters, nicht direkt am Erstel- lungsprozeß des Objektes beteiligt sind und dadurch als unabhängige Sachverständige fungieren können. Die grundsätzliche Vorgehensweise eines Reviews läßt sich, unab- hängig von der Durchführungsart, in fünf Schritte untergliedern: Planung, Vorberei- tung, Durchführung, Nacharbeit und Freigabe. Basis des DRs ist eine geeignete Checkliste. In Bild 3.4 ist am Beispiel einer Pumpe der Aufbau einer Reviewcheckliste mit dem Schwerpunkt Zuverlässigkeit dargestellt. Bild 3.5 zeigt die Vorgehensweise beim Design Review. Review-Checkliste Stand: 12/98 Ausarbeitungsphase Objekt: PumpeFirma Produkt: Modell X/7 Ident.-Nr.:4711 Nr. Checkpunkt i.0. n.i.0. Bemerkung 1 Wird die maximale Fördermenge erreicht? 2 Werden Verunreinigungen ausreichend gefiltert? 3 Ist der Dauerbetrieb gewährleistet? 4 Ist die Pumpe leicht austauschbar? 5 Wird die geforderte B10-Lebensdauer erreicht? 6 Entspricht die charakteristische Lebensdauer den Anforderungen? 7 Werden die Ausfallraten lt. Lastenheft erreicht? 8 Wurde eine FMEA im Konzeptstadium durchgeführt? 9 Wurden Maßnahmen zur Fehlervermeidung durchgeführt? 10 Sind Lastkollektive bekannt? ... Bild 3.4: Ausschnitt aus einer Review-Checkliste für eine Pumpe In der Praxis werden grundsätzlich zwei Arten von Design Reviews unterschieden, die je nach Komplexität, Entwicklungsphase und Umfang des Reviewobjekts eingesetzt werden: Das Review in der Sitzungstechnik und in der Kommentartechnik. Für beson- ders komplexe und umfangreiche Objekte hat sich auch eine Kombination beider Techniken bewährt [16]. 14 3 Stand der Forschung und Technik Ernennung des Design Review Projektleiters Design Reviewteam bilden Design Reviewplan aufstellen Checklisten erarbeiten Reviews durchführen Vorbereitung: - Moderator und Team benennen - Unterlagen zusammenstellen - Aufgabenverteilung Durchführung: - Problemaufbereitung - Problemformulierung - Problemlösung - Auswahl und Bewertung - Maßnahmen Nachbearbeitung: - Maßnahmen Kontrolle - Statusvergabe - Dokumentation Maschine MaterialMensch Methode PROBLEM Werkzeug Wartung Verfahren Oberfläche Organisation Toleranz Reinigung private Probleme betriebliche Ausbildung Bild 3.5: Vorgehensweise Design Review [16] 3.2.3 Qualitätsbewertung Die Qualitätsbewertung (QB) begleitet in ihren unterschiedlichen Stufen die Entwick- lung eines Produkts beginnend mit dem Entwurf bis hin zur Freigabe für die Serien- phase. Durch systematisches Abfragen der an der Produktentstehung beteiligten Un- ternehmensbereiche verfolgt die QB das Ziel, etwaige Schwachstellen, welche die an- gestrebte Qualität des neuen Erzeugnisses beeinträchtigen könnten, rechtzeitig vor Se- rienfreigabe aufzudecken und zu bewerten. Die Befragung der beteiligten Unterneh- mensbereiche erfolgt mittels erzeugnisspezifischer Checklisten. Der Ablaufplan für die Durchführung der QB entlang der Produktentstehungsphase ist in Bild 3.6 dargestellt. Am Anfang steht dabei immer die Fragestellung, ob eine Qua- litätsbewertung erforderlich ist. Gründe, die eine Qualitätsbewertung erforderlich ma- chen, sind:  Veränderte Einsatzbedingungen bestehender Erzeugnisse, 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik 15  ein zu erwartendes erhöhtes Qualitäts- oder Zuverlässigkeitsrisiko,  eine grundsätzlich von der Charakteristik her neue Entwicklung,  der Einsatz neuer Werkstoffe bzw. der Einsatz neuer Fertigungsverfahren oder  eine Produktentwicklung, die dokumentationspflichtige Teile beinhaltet. be i ne ga tiv er Q B be i ne ga tiv er Q B be i ne ga tiv er Q B Gründe für eine Qualitätsbewertung (QB) - neuer Einsatz für bestehende Erzeugnisse - erhöhtes Qualitätsrisiko - neue Entwicklung - neue Werkstoffe oder Verfahren - Verwendung dokumentationspflichtiger Teile Betrachtungselement: Entwurf Tätigkeit: theoret. Vorbetrachtung auf Funktion und Zuverlässigkeit Entwicklungsmusterauftrag Entwurfsauswahl Betrachtungselement: Entwicklungsmuster Tätigkeit: Tests und Erprobungen Fertigungsfreigabe Betrachtungselement: Zwischen- und Erstmuster Tätigkeit: Eignungstests für Serienreife Serienfertigung Q B 1 Q B 2 Q B 3 Lieferung Erprobung Fertigungs- vorbereitung Fertigent- wicklung Bemusterung Entwurf Konzeption Phase Bild 3.6: Ablauf der Qualitätsbewertung [16] Wird die Notwendigkeit für eine Qualitätsbewertung festgestellt, erfolgt die Bewer- tung in drei chronologisch aufeinander folgenden Stufen, die bei negativem Ergebnis jeweils die Möglichkeit einer Rückkopplungsschleife vorsehen, Bild 3.6. In der ersten Stufe der Qualitätsbewertung erfolgt eine theoretische Vorbetrachtung des Entwurfs bezüglich der Verwirklichung von Funktion und Zuverlässigkeit, auch im Vergleich mit anderen Erzeugnissen. Nach einem positiven Abschluß erfolgt in der zweiten Stufe 16 3 Stand der Forschung und Technik die Begutachtung eines Entwicklungsmusters (Prototyp). Auch hier wird die Funktion und Zuverlässigkeit des geplanten Erzeugnisses bewertet, diesmal auf Basis von Er- probungen und Tests an Entwicklungsmustern. Nach positivem Abschluß dieser Be- wertungsstufe wird in der dritten und letzten Bewertungsstufe das Erzeugnis bezüglich seiner Eignung für eine Serienfertigung bewertet. Hierzu werden nicht nur Entwick- lungs- und Erprobungsmuster herangezogen, sondern auch Muster, die unter Bedin- gungen der späteren Serienfertigung entstanden sind. Einzelbewertung 1 Funktion 1.1 Gesetzliche Vorschriften, Normen 1.2 Kundenanforderungen ... 2 Zuverlässigkeit 2.1 Statistische und dynamische Festigkeit 2.2 Dauer (lauf) verhalten ... 3 Besondere Eigenschaften 3.1 Wartung 3.2 Reparaturfreundlichkeit ... Qualitätsbewertung (QB) 4 Qualitätsvorschau Prognose der Ausfallquote im Feld in % der Liefermenge - während der Garantiezeit - nach der Garantiezeit ... QB 2 (Entwickl.- Muster) 5 Gesamtbewertung Das Ergebnis entspricht den gestellten Forderungen - in vollem Umfang - mit Einschränkung, Verbesserung möglich - ungenügend ... QB 3 (Serien- anlauf) Symbole unproblematisch, wird mit Sicherheit erfüllt noch keine positive Aussage möglich aber wahrscheinlich unproblematisch noch keine positive Aussage möglich aber möglicherweise problematisch sehr problematisch, noch keine Aussicht auf Erfolg Kennziffer: 1 Theoretische Betrachtung 2 Funktionsmuster 3 Versuchsmuster 4 Erstmuster 5 Eigene Erprobung QB 1 (Entwurf) 0,02 % 0,02 % 0,02 % 0,02 % 1 5 1 5 5 5 3 3 5 5 1 1 5 5 1 1 1/3 1/3 x Bild 3.7: Checkliste für die Qualitätsbewertung [16] 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik 17 In den Checklisten, die einer Qualitätsbewertung zugrunde gelegt werden, sind die betrachteten Merkmale und Eigenschaften des Erzeugnisses nach dem zu erwartenden Schwierigkeitsgrad bei der Realisierung klassifiziert, Bild 3.7. Dadurch lassen sich Problemschwerpunkte ermitteln, die einer detaillierten Untersuchung unterzogen wer- den müssen. Durch die mehrmalige, zeitlich versetzte Anwendung können rechtzeitig vor Serienfreigabe etwaige Schwachstellen am Erzeugnis erkannt und Abstellmaß- nahmen eingeleitet werden. Die Dokumentation der erforderlichen Aktivitäten in der Checkliste unterstützt dabei die Verfolgung der Abstellmaßnahmen. Zusätzlich zu der Klassifizierung der Merkmale und Eigenschaften des geplanten Er- zeugnisses wird in jeder Bewertungsstufe festgelegt, welche Unterlagen zur Erfüllung der einzelnen Aufgaben benötigt werden und damit vorliegen müssen. Nach Abschluß aller drei Bewertungsstufen wird eine Qualitätsvorschau erstellt. Diese prognostiziert die Ausfallquote, die in der Serie während eines zu definierenden Zeitraums zu er- warten ist. Die Qualitätsvorschau wird in der Phase der Serienfertigung zu Vergleichs- zwecken herangezogen und hilft, Unregelmäßigkeiten in der Fertigung oder in der Qualitätsbewertung selbst aufzudecken [16]. 3.2.4 Systemanalyse Bei der Systemanalyse sind die folgenden Arbeitsschritte zu durchlaufen: 1. Systemdefinition, 2. Funktionsbeschreibung, 3. Lastenheft, technische Daten, 4. Bau- und Funktionsgruppen und 5. Funktionsblockdiagramm. Das Ergebnis der Systemanalyse ist das Funktionsblockdiagramm und die daraus ab- geleitete Funktionsliste. In der Funktionsliste sind alle erforderlichen Daten, wie Bau- elemente (Bauteil, Schnittstelle) und zu erfüllende Funktionen für die nachfolgende qualitative Analyse enthalten [19]. 3.2.5 ABC-Analyse Die verschiedenen Systemelemente erfüllen unterschiedliche Funktionen und leisten damit auch einen unterschiedlichen Beitrag zur Systemzuverlässigkeit. Es ist daher nicht sinnvoll, alle Systemelemente als gleichwertig anzusehen. Eine Klassifizierung der Systemelemente nach zuverlässigkeitsrelevanten und zuverlässigkeitsneutralen Teilen sollte deshalb durchgeführt werden. Des weiteren ist zu unterscheiden, ob die Teile einer definierbaren Belastung unterliegen oder ob sich die Beanspruchung nur schlecht erfassen läßt. Eine unter diesen Gesichtspunkten entwickelte ABC-Einteilung der Systemelemente zeigt Bild 3.8. 18 3 Stand der Forschung und Technik Während das Ausfallverhalten der zuverlässigkeitskritischen A-Systemelemente be- rechnet werden kann, ist man bei den ebenfalls zuverlässigkeitskritischen B-Systemelementen auf Erfahrungswerte oder Versuche angewiesen. A-Teile (risikoreich) z.B. Beanspruchung durch definierbare statische Belastung; Lastkollektiv bekannt; leistungführend Lebensdauerberechnung möglich und weitgehend gesichert Ausfallverhalten aus Wöhlerversuchen bekannt; Formparameter b > 1,0 B-Teile (risikoreich) z.B. C-Teile (risikoneutral) z.B. Beanspruchung vorwiegend durch Reibung, Verscheiß, extreme Temperaturen; Erschütterungen, Schmutz und Korrosion Lebensdauerberechnung nicht möglich oder nicht gesichert Ausfallverhalten schätzen oder durch Versuche ermitteln; Formparameter b  1,0 Beanspruchung stochastisch durch Stöße, Reibung, Verschleiß etc. rechnerische Auslegung nur bedingt möglich bzw. irrelevant nur Zufalls- und Frühausfälle; Formparameter 0 < b  1 Bild 3.8: ABC-Klassifizierung von Systemelementen [2] Die zuverlässigkeitsneutralen C-Systemelemente werden bei der Berechnung nicht weiter berücksichtigt. Die ABC-Analyse ist eine vereinfachte Form einer FMEA, und eignet sich als alleiniges Analyseverfahren nur für kleine und überschaubare Systeme. Bei umfangreichen und neuen Systemen sollten die zuverlässigkeitskritischen Ele- mente mit einer vollständigen FMEA ermittelt werden. Mit der ABC-Analyse kann jedoch eine Vorauswahl der zuverlässigkeitskritischen A- und B-Systemelemente vor- genommen werden [2], [19]. 3.2.6 Fehler-Möglichkeits- und Einflußanalyse Den häufigsten Einsatz in der Zuverlässigkeitsmethodik findet die FMEA als bekann- tester Vertreter der qualitativen Methoden. Die Abkürzung FMEA bedeutet „Failure Mode and Effects Analysis“, häufig auch als „Fehler-Möglichkeits- und Einfluß- Analyse“ übersetzt. Da der Begriff „Failure“ jedoch einen Ausfall oder ein Versagen bezeichnet, kann eine FMEA am besten mit „Ausfall-Arten und Ausfall- Auswirkungsanalyse“ übersetzt werden. Unter der Bezeichnung „Ausfalleffektenana- lyse“ ist die Methode nach DIN genormt [20]. Beim VDA ist 1986 die Richtlinie „System-FMEA“ erschienen [21]. Im angelsächsischen Sprachgebrauch wird oft der Begriff FMECA verwendet: „Failu- re Mode, Effects and Criticality Analysis“ (FMEA mit einer Risikobewertung). In der 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik 19 deutschsprachigen Literatur wird selten zwischen FMEA und FMECA unterschieden. Meistens enthält eine FMEA bereits eine Risikobewertung. Die FMEA wurde Mitte der sechziger Jahre in den USA von der NASA (National Aeronautics and Space Administration) für das Apollo-Projekt entwickelt. Danach erfolgte die allgemeine Anwendung der Methode in der Luft- und Raumfahrttechnik. Als grundlegende Literatur ist der Militär-Standard MIL-STD-1629A der USA anzu- sehen, auf den sich die meisten Veröffentlichungen stützen [22]. Die Entwicklungs- und Anwendungsgebiete der FMEA im zeitlichen Verlauf zeigt Bild 3.9. 1963 NASA (Apollo Projekt) 1965 Luft- und Raumfahrt (MIL-STD 1629A*) 1975 Kerntechnik 1978 Automobilindustrie (Ford) 1980 Normung in Deutschland 1986 Verstärkter Einsatz in der Automobilindustrie (VDA) 1990 Einsatz in der Elektronik, Software etc. 1996 Weiterentwicklung zur System FMEA VDA 4 Teil 2 System FMEA *- eigentlicher Ursprung der FMEA - Zulassungs - Standard in Luft- u. Raumfahrt Bild 3.9: Ursprünge der FMEA [23] Die FMEA nach VDA ist eine Methode, um für Bau- oder Systemteile mögliche Aus- fall-Arten, mögliche Ausfall-Folgen und mögliche Ausfall-Ursachen aufzuzeigen, zu bewerten und Maßnahmen zur Optimierung festzulegen. Die 5 Schritte der FMEA sind in Bild 3.10 dargestellt. 1. Schritt Systemelemente und Systemstruktur 2. Schritt 3. Schritt Fehleranalyse 4. Schritt Risikobewertung 5. Schritt Optimierung Funktionen und Funktions- struktur Bild 3.10: Hauptarbeitsschritte einer FMEA Kommerzielle rechnergestützte FMEA-Systeme Nachfolgend werden verschiedene rechnergestützte FMEA-Systeme vorgestellt und nach bestimmten Merkmalsausprägungen untersucht. In Bild 3.11 ist die grundsätzli- 20 3 Stand der Forschung und Technik che Einteilung der rechnergestützten FMEA-Systeme ersichtlich [24]. FMEA- Textsysteme sind einfach und bieten keine graphischen Optionen für die Ausarbeitung der Ergebnisse. Expertensysteme sind meist starr in CAQ-Systeme integriert und somit für den beabsichtigten Zweck einer flexiblen Anbindung an ein CAD-System nicht geeignet. Somit orientieren wir uns an EDV-Systemen, welche die Vorteile der Ex- pertensysteme aufweisen (z.B. Unterstützung durch strukturiertes Wissen, Checkli- sten), jedoch als „Stand-alone“-Version verfügbar sind. FMEA-Textsysteme FMEA-Erstellung • Eingabe von Einträgen • Ändern von Einträgen • Kopieren von Einträgen • Löschen von Einträgen FMEA-Ausdruck • Textfile FMEA-Systeme FMEA-Erstellung • Unterstützung durch unstrukturiertes Wissen (Kataloge zu Fehlern, Folgen, Ursachen und Maßnahmen) • (FMEA-logische) Kopierfunktionen (Zweig, Block) • Unterstützung durch Bewertungstabellen • RPZ-Berechnung • Bemerkungen zu Einträgen FMEA-Auswertung • Paretoanalyse • Wirksamkeit FMEA-Überwachung • Termine, Maßnahmen FMEA-Verwaltung • Status FMEA-Speicherung • Datenbank CAQ-Integration • Kataloge (Fehler, Folgen, Ursachen und Maßnahmen) CAD-Integration • Darstellung von Zeichnungen FMEA-Expertensysteme FMEA-Erstellung • Unterstützung durch struk- turiertes Wissen (Vorschläge zu Fehlern, Folgen, Ursachen und Maßnahmen) • RPZ-Auswertung (Vorschläge) CAQ-Integration • Reklamationsbearbeitung • Fertigung (SPC) • Wareneingang, Warenausgang Bild 3.11: Einteilung der FMEA-Software-Systeme [24] Vorteile der EDV-Unterstützung der FMEA Die Erstellung einer Fehler-Möglichkeits und Einfluß-Analyse (FMEA) ist auch in der Entwicklungsphase eines Produkts eine komplexe und arbeitsintensive Angelegenheit. Eine manuelle Anwendung ohne EDV-Unterstützung ist sehr schwierig und nicht vor- stellbar. Durch den Einsatz von FMEA-Software lassen sich FMEAs einfacher erstel- len und pflegen. Hauptvorteil ist die Wiederverwendung bereits durchgeführter FMEAs bei z.B. Anpassungskonstruktionen und Änderungen vorhandener Konstruk- tionen. Die EDV bietet eine gute Unterstützung des Moderators und sie läßt eine ein- fache Überwachung der Termine, der beschlossenen Maßnahmen und der Verantwort- lichen zu. In Verwendung mit einem Video-Projektor lassen sich Strukturbaum und Formblätter für das FMEA-Team visualisieren und online erstellen. Am Markt verfügbare Systeme Nach einer Marktbefragung des Instituts für Produktionstechnik und Automatisie- rungstechnik der Fraunhofer Gesellschaft bieten ca. 50 Unternehmen EDV-Systeme an, die oft Bestandteile eines CAQ-Systems sind. Überwiegend sind die Programme auf Personal Computern unter Windows lauffähig. In Bild 3.12 sind die am Markt ver- 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik 21 fügbaren Systeme dargestellt, wobei diese Auflistung nicht den Anspruch auf Voll- ständigkeit erhebt. Die Firmen Apis (IQ-FMEA) und Plato (FMEA-System) haben zusammen einen Marktanteil von über 50%. Einen Vergleich der beiden FMEA- Systeme bezüglich der Merkmale Vorgehensweise, Auswertemöglichkeiten, Kunden und Schnittstellenanbindung zeigt Bild 3.13. • IQ-FMEA APIS Informationstechnologien • FMEA-System Plato GmbH • QS-FMEA CAT GmbH • FMEA-PRO CDE Software & Systems GmbH • FMEA/WIN CS Informatik GmbH • copro -FMEA CYTEC Datensysteme GmbH • FMEA Plus GFQ Software • QSYS-FMEA IBS GmbH • i/FMEA IMC • Queen -FMEA Kistner Messtechnik • RQM-FMEA Pickert & Partner GmbH • QSi -FMEA SINIC Computertechnik GmbH • SIT-FMEA SIT ......... 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Rest APIS PLATO Gesamt Anzahl FMEA- Kunden Anzahl Instal- lationen Bild 3.12: Am Markt verfügbare Systeme und FMEA-Software Befragung [24] Vorgehen VDA-konform, Strukturbaum Nach VDA-Formblatt Auswertung Statistikeditor Risikolandschaft Größte Kunden BMW, Daimler- Chrysler , INA, MAN, Hella , ... ABB, Opel, Conti , DASA, MTU, VW, ... Anbieter Merkmale Schnittstelle SGML-Schnittstelle um Daten ein- und auszulesen OLE/ COM - fähig Kosten Hochschulversion zu reduziertem Preis von € 100,- € 1.500,- für Hochschulversion Demoversion www . fmea .de www . plato .de Fa. APIS Programm IQ-FMEA Bild 3.13: Vergleich von IQ-FMEA und Plato Algedri und Frieling (1998) haben eine Nutzwertanalyse für am Markt verfügbare FMEA-Systeme durchgeführt [25]. Der Kriterienkatalog wurde von sechs verschiede- nen Unternehmen aus Dienstleistung und Maschinenbau hinsichtlich der Praxisrele- vanz überprüft. Insgesamt 9 EDV-Systeme wurden mit der Nutzwertanalyse unter- sucht. Beim Gesamtnutzwert lag IQ-FMEA von APIS vor dem FMEA-System von Plato. Da jedoch nur IQ-FMEA die FMEA-Methodik nach dem Verband der Automo- 22 3 Stand der Forschung und Technik bilhersteller (VDA) Band 4.2 unterstützt, werden im folgenden ausschließlich die Kopplungsmöglichkeiten dieses EDV-Systems mit dem CAD-Programm untersucht. Das FMEA-System von Plato unterstützt die Darstellung im Formblatt nach QS9000, die sich von der VDA-Norm in der Anordnung der Spalten und durch fehlenden Bezug zu einer Systemstruktur unterscheidet. Merkmale von IQ-FMEA Das Programm arbeitet bei jedem der 5 Schritte der FMEA-Methodik mit Editoren. Zuerst erfolgt im sogenannten Struktur-Editor eine hierarchische Gliederung des be- trachteten Systems (Produkt, Prozeß) in Systemelemente (Baugruppen, Bauteile oder Prozeßschritte). In der Funktions- und Fehleranalyse werden die Aufgaben der einzel- nen Baugruppen und Bauteile durch das Definieren von Funktionen festgelegt. Des weiteren werden für jede Funktion die möglichen Fehlfunktionen beschrieben. Es be- steht die Möglichkeit der Einblendung der Funktionen (grün) und der Fehlfunktionen (rot) als Liste oder in einer graphischen Darstellung, Bild 3.14. Bild 3.14: Struktur-Editor von IQ-FMEA Der Funktionsnetz-Editor dient zum Modellieren der funktionalen Zusammenhänge der einzelnen Strukturelemente. Teilfunktionen, die in der Summe eine Funktion be- schreiben, werden in der zugeordneten Funktionsstruktur untereinander logisch ver- knüpft, Bild 3.15. Analog werden im Fehlernetz-Editor für die möglichen Fehler die Fehlerfolgen und Fehlerursachen bestimmt. 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik 23 Bild 3.15: Funktionsnetz-Editor von IQ-FMEA Bild 3.16: Der Formblatt-Editor von IQ-FMEA Im Formblatt-Editor erfolgt die Bewertung des aktuellen Entwicklungsstandes. Die im Fehlernetz-Editor erstellte Information wird zum automatischen Ausfüllen der Spalten (Fehlerfolge, Fehler, Fehlerursachen) genutzt. Die Bedeutung der Fehlerfolgen sowie 24 3 Stand der Forschung und Technik die Bewertungszahlen für Auftreten und Entdeckung werden festgelegt. Die daraus berechenbare Risikoprioritätszahl RPZ hilft Risikoschwerpunkte ausfindig zu machen. Der Formblatt-Editor unterstützt Vorlagen nach VDA 96, VDA 86 und QS9000. In der Terminverfolgung werden die Termine und der Abarbeitungsgrad der jeweiligen Maßnahme, in Verbindung mit dem Verantwortlichen, für eine Struktur oder Daten- bank in übersichtlicher Weise dargestellt, sortiert und gefiltert. Der Statistik-Editor bietet Möglichkeiten zur graphischen Aufbereitung der FMEA-Daten. Die Häufig- keitsanalyse visualisiert die Verteilung und Häufigkeiten der Risikoprioritätszahlen, Bild 3.17. Bild 3.17: Statistikeditor von IQ-FMEA Importmöglichkeiten Nach der offiziellen Beschreibung bietet IQ-FMEA vielfältige Möglichkeiten des Da- tenaustauschs: Datenbanken der Promis-FMEA 3.3 (Promis GmbH München) werden importiert und vollständig in das Datenmodell von IQ-FMEA integriert. Jedoch ist dies die einzige vollständige Importmöglichkeit im Programm. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, Text über die Zwischenablage in IQ-FMEA einzufügen. Aus Checkli- sten für z.B. Fehlerursachen können bereits vorhandene Fehlerursachen im ASCII- 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik 25 Format in das Programm übernommen werden. Es besteht momentan nicht die Mög- lichkeit, eine Strukturstückliste, die z.B. in einem CAD-Programm generiert werden kann, in IQ-FMEA zu importieren. Aus der Struktur könnte dann automatisiert ein hierarchischer Baum generiert werden, der als Grundlage für die eigentliche FMEA, d.h. die folgenden 4 Schritte dient. Exportmöglichkeiten Laut Hersteller können alle Formblätter als HTML-Dateien für das Intra- oder Internet exportiert werden. Komplette Datenbanken von IQ-FMEA können als SGML-Datei (Standard Generalized Markup Language nach ISO 8879) exportiert werden. Dadurch werden die Daten in genormter Weise anderen Applikationen zugänglich. Gegenwärtig geschieht das mit einer proprietären Document Type Description (DTD), die den Auf- bau einer SGML-Datei beschreibt. In der Entwicklung befindet sich eine Integration in die DTD eines Konsortiums, bestehend aus verschiedenen Unternehmen der Automo- bilindustrie, das eine umfangreiche Standardisierung industrieller Entwicklungs-, Pro- duktions- und Dokumentationsverfahren anstrebt. Darüber hinaus existieren zahlreiche Möglichkeiten, bestimmte Daten in Formate (ODBC, RTF, WMF, oder CSV) zu ex- portieren. Für die rechnerunterstützte Anwendung der FMEA innerhalb des Produktentstehungs- prozesses finden sich in der Literatur zahlreiche Beispiele [26] - [37]. Eine Analyse und einen Vergleich kommerzieller FMEA-Software wurde im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Die Auswahl beschränkte sich auf IQ-FMEA, Plato und RELEX [38]. 3.2.7 Qualitative Fehlerbaumanalyse Die Fehlerbaumanalyse (FBA), engl.: Fault Tree Analysis (FTA), ist im Gegensatz zur Fehler- Möglichkeits- und Einflußanalyse eine deduktive Methode (Top-Down- Analyse) zur Prognose der Zuverlässigkeit und anschließender Optimierung. Sie geht vom Gesamten zum Einzelnen, wohingegen die FMEA vom Einzelnen zum Gesamten führt, Bild 3.18. Eine mögliche Verbindung zwischen FMEA und FBA wird in [39] erwähnt. Wirkung auf die Einheit Fehlerursache vom Bauteil FMEA FBA Wirkung an der Einheit Fehlerursache im Bauteil Bild 3.18: Vergleich FMEA mit FBA Die FBA ist in DIN 25424 genormt [40]. Sie kann sowohl als qualitative wie auch als quantitative Methode angewendet werden. Die FBA findet bei Systemen aller Art in der Reaktortechnik, Luft- und Raumfahrt, Nachrichtentechnik sowie in der Automo- 26 3 Stand der Forschung und Technik bilindustrie Anwendung, da sowohl die Sicherheit eines technischen Systems als auch die Funktion während des Betriebs untersucht werden kann. Die FBA bietet eine strukturierte Vorgehensweise zur Feststellung der internen oder externen Ursachen, die allein oder in Kombination zu einem definierten Zustand des Produkts (meist Fehlzu- stand) führen. Die FBA ist ein analytisches Verfahren, um die Schwachstellen in einem Systemkon- zept zu finden. Ihre Ergebnisse werden graphisch in einem Fehlerbaum dargestellt, Bild 3.19. Sie dient zur Aufdeckung von Ausfallursachen und zur Ermittlung von fehl- funktionalen Zusammenhängen der Ausfälle bis hin zur physikalischen Ausfallursa- che. X1 X2 X3 X4 X5 X6 A &  1  1  1 ODER-Verknüpfung UND-Verknüpfung Hauptereignis Basisereignis (Systemelemente) Bild 3.19: Fehlerbaumanalyse nach DIN [40] Ausgehend von einem vorgegebenen, unerwünschten Hauptereignis (Systemausfall), werden alle dazugehörenden Basisereignisse (Systemelemente) gesucht. Das Ziel der Fehlerbaumanalyse ist es, nicht nur die Ausfallarten bzw. Ausfallursachen eines Sy- stems aufzudecken, sondern vor allem die funktionalen Zusammenhänge der Ausfälle herzustellen und die Auswirkung auf das System zu beschreiben. Die Zusammenhänge zwischen den Ausfällen werden über ODER-/ UND-Verknüpfungen dargestellt [40]. Die Struktur eines Fehlerbaums für ein einfaches Getriebe ist in Bild 3.20 auszugswei- se dargestellt. Das Hauptereignis ist hierbei „Getriebe nicht funktionsfähig“. Die nächst tiefere Stufe ergibt sich aus der gewählten Unterteilung des Beispielgetriebes in die drei Baugruppen Antrieb, Abtrieb und Gehäuse und den darin enthaltenen Bauele- menten. Zusätzlich kann das Getriebe, außer daß der Antrieb, der Abtrieb oder das Gehäuse "nicht funktionsfähig" sind, auch durch das Zusammenwirken mehrerer Baugruppen ausfallen. Ein Beispiel hierfür ist der Ausfall der Funktion „Lagerung Ausgangswelle“, die sich aus dem Zusammenwirken von Abtrieb (Rollenlager, Abtriebswelle) und Ge- 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik 27 häuse (links, rechts), z.B. durch Fluchtungsfehler, Wellen- oder Gehäuseverformun- gen, ergeben kann. Dieses Zusammenwirken von verschiedenen Elementen kann auf allen Ebenen auftreten und wurde hier nur beispielhaft auf der Baugruppenebene ge- zeigt. Schrumpfsitz versagt Gehäuse deformiert Lagerung Aus- gangswelle n. fkt.fähig System Baugruppe Bauelemente Bauelemente -funktion Ausfall Systemelemente Ausfallursache Getriebe nicht funktionsfähig Abtrieb ausgefallen Zahnrad fällt aus Drehmoment wird nicht übertragen Bruch des Zahnrads Unvorhergesehene unzulässige Belastung Bild 3.20: Beispiel: Fehlerbaumstruktur eines Getriebes [19] Aus dem Ereignis „Abtrieb nicht funktionsfähig“ ergeben sich z.B. die Ereignisse "Zahnrad nicht funktionsfähig", aber auch „Schrumpfsitz nicht funktionsfähig", d.h. bei den Bauelementen müssen Bauteile und Schnittstellen berücksichtigt werden. Das Versagen der Bauteilfunktion "Drehmoment übertragen“ kann sich z.B. durch einen Ausfall des Zahnrades infolge Bruch ergeben. Die Ursache für diesen Ausfall könnte eine "unvorhergesehene, unzulässige Belastung“ sein. Bei diesem Fehlerbaum wird nicht zwischen UND-/ ODER-Verknüpfungen unterschieden, da ausschließlich ODER -Verknüpfungen auftreten. Dies bedeutet, daß alle Einzelteile des Beispielgetriebes benötigt werden, um eine einwandfreie Getriebefunktion sicherzustellen. 3.2.8 Ereignisablaufanalyse Die Ereignisablaufanalyse nach DIN 25419 oder Ereignisbaumanalyse (EBA), engl.: Event Tree Analysis (ETA), kann zur Beschreibung und Bewertung von Abläufen aller 28 3 Stand der Forschung und Technik Art verwendet werden [41]. Sie wird vor allem zur Untersuchung von Störungen und Störfällen technischer Systeme verwendet. Die Ereignisabläufe mit ihren möglichen Verzweigungen lassen sich einfach und über- sichtlich in Form eines Ereignisbaums darstellen und analysieren. Die dazu verwen- deten graphischen Symbole dienen der Darstellung der logischen Zusammenhänge und liefern gleichzeitig ein Schema zur Berechnung der Wahrscheinlichkeiten von Ereig- nisabläufen. Ziel dieser Methode ist es, eine graphische, nachvollziehbare und einheit- liche Darstellung von Ereignisabläufen zu erreichen. Die Ereignisablaufanalyse ist eine induktive Analyse, d.h. man geht von einem An- fangsereignis aus und ermittelt die Folgeereignisse bis zu den möglichen Endzustän- den der Betrachtungseinheit und ihr Verhalten bei analysierten Ereignissen. Das Anfangsereignis kann z.B. ein Komponentenausfall oder eine Fehlbedienung in einem technischen System sein. Es wird durch ein Rechteck im Ereignisablauf ge- kennzeichnet. Das Anfangsereignis induziert eine Wirkung auf die Betrachtungsein- heit, die symbolisch durch eine Linie dargestellt wird. Wenn kausale Folgeereignisse eintreten, wie das Versagen einer weiteren Komponente, so sind diese Wirkungen ent- halten. Die Reaktion der Betrachtungseinheit auf die Wirkung ist festzustellen. Hierfür wird die zuerst angeforderte Funktion abgefragt und unterschieden, ob die Funktion erfüllt ist oder nicht. An dieser Stelle verzweigt sich die Wirkung des Anfangsereig- nisses in die verschiedenen Folgeereignisse. Das Verzweigungssymbol ist nur dann erforderlich, wenn der weitere Verlauf der Wirkung nicht eindeutig zu entscheiden ist. Mit den Folgeereignissen wird analog zum Anfangsereignis weiter verfahren. Somit können in einem Ereignisablaufdiagramm mehrere Verzweigungen hintereinander auftreten. Die Wirkungen sind soweit zu verfolgen, bis die angeforderten Funktionen der Betrachtungseinheit abgefragt sind. Die Endzustände dieser Analyse sind die je- weiligen Ausgänge der letzten Verzweigung. Treten in einem Diagramm Linien gleicher Wirkung auf, so können diese zur Verein- fachung über ein ODER-Symbol verkettet werden. Da eine Verkettung erst nach einer Verzweigung auftreten kann, handelt es sich dabei wegen der sich ausschließenden Zustände der Verzweigung stets um ein ausschließendes ODER. Mit dem Ereignisab- laufdiagramm liegt zunächst ein logisches Modell vor. Dieses gibt die Bedingungen an, unter denen ein Anfangsereignis über bestimmte Ereignisabläufe zu bestimmten Endzuständen führt. Ebenfalls kann auf Grund des Diagramms eine Wahrscheinlich- keitsauswertung vorgenommen werden. Voraussetzung dafür ist die Verzweigungs- wahrscheinlichkeit. Dabei sind sämtliche, in den vorher durchlaufenen Verzweigun- gen, gesetzliche Bedingungen zu berücksichtigen. Die Verzweigungswahrscheinlich- keiten können z.B. mit einer FBA bestimmt werden. So lassen sich bei einer gegebe- nen Häufigkeit für den Ausgangszustand sämtliche Häufigkeiten der Zwischen- und Endzustände berechnen. Endzustände werden aber zweckmäßiger einer Bewertungs- 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik 29 funktion unterzogen. Das Ergebnis ist dann die Häufigkeits- oder Wahrscheinlich- keitsverteilung der Zustände. Die Ereignisablaufanalyse läßt sich auch im Rahmen von Risikostudien einsetzen. 3.2.9 Checklisteneinsatz Eine entwicklungsbegleitende Untersuchung der Produktentstehung mittels Checkli- sten soll durch die Einbindung einer Datenbasis auf Grundlage von Microsoft Access oder Microsoft Excel ermöglicht werden. Jedoch sollte die Unterstützung durch Checklisten methodenspezifisch erfolgen. Checklistenunterstützung der FMEA und der FBA In der Methodikanalyse der FMEA, siehe Kapitel 3.2.6, wurde deutlich, daß eine Un- terstützung durch Checklisten die Durchführung einer FMEA effektiver gestaltet. Geometrie Größe, Höhe, Breite, Länge, Durchmesser, Raumbedarf, Anzahl, Anordnung, Anschluß, Ausbau und Erweiterung Kinematik Bewegungsart, Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit, Beschleunigung Kräfte Kraftgröße, Kraftrichtung, Krafthäufigkeit, Gewicht, Last, Verformung, Steifigkeit, Federeigenschaften, Stabilität, Resonanzen Energie Leistung, Wirkungsgrad, Verlust, Reibung, Ventilation, Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Erwärmung, Kühlung, Anschlußenergie, Speicherung, Arbeitsaufnahme, Energieumformung Stoff Physikalische und chemische Eigenschaften des Eingangs- und Ausgangsprodukts, Hilfsstoffe, vorgeschriebene Werkstoffe (Nahrungsmittelgesetz), Materialfluß und -transport Signal Eingangs- und Ausgangssignale, Anzeigeart, Betriebs- und Überwachungsgeräte, Signalform Sicherheit Unmittelbare Sicherheitstechnik, Schutzsysteme Betriebs-, Arbeits- und Umweltsicherheit Ergonomie Mensch-Maschine-Beziehung, Bedienung, Bedienungsart, Übersichtlichkeit, Beleuchtung, Formgestaltung Fertigung Einschränkung durch Produktionsstätte, größte herstellbare Abmessung, bevorzugtes Fertigungsverfahren, Fertigungsmittel, mögliche Qualität und Toleranzen Kontrolle Meß- und Prüfmöglichkeiten, besondere Vorschriften (TÜV, ASME, DIN, ISO, AD-Merkblätter) Montage Besondere Montagevorschriften, Zusammenbau, Einbau, Baustellenmontage, Fundamentierung Transport Begrenzung durch Hebezeug, Bahnprofil, Transportwege nach Größe und Gewicht, Versandart Gebrauch Geräuscharmut, Verschleißrate, Anwendung und Absatzgebiet, Einsatzort (Tropen, ..) Instandhaltung Wartungsfreiheit bzw. Anzahl und Zeitbedarf der Wartung, Inspektion, Austausch und Instandsetzung, Anstrich, Säuberung Recycling Wiederverwendung, Wiederverwertung, Entsorgung, Endlagerung, Beseitigung Kosten Max. zulässige Herstellkosten, Werkzeugkosten, Investition und Amortisierung Termin Ende der Entwicklung, Netzplan für Zwischenschritte, Lieferzeit übergeordnete Begriffe Bild 3.21: Leitlinie für eine Anforderungsliste nach Pahl/ Beitz [8] In Bild 3.21 ist eine Leitlinie aus Pahl/ Beitz entnommen, welche die Funktionsanalyse verbessern kann. Des weiteren stellen Tabelle 3.1 und Tabelle 3.2 eine Auflistung ty- pischer Fehlerarten und Fehlerursachen auf Bauteilebene dar. Durch die Bildung ge- eigneter bzw. unternehmensspezifischer Rubriken kann die Anwendung der FMEA- Methodik effizienter gestaltet werden. 30 3 Stand der Forschung und Technik Tabelle 3.1: Typische Fehlerarten – Ermüdung (Setzen) – Aufnahme zum Gegenteil falsch – Reibung zu hoch/ niedrig – Bruch – falscher Winkel – fällt ab – Anriß – ungenügendes Zeitstandverhalten – fällt ein – Zahnbruch – seitenverkehrte Montage – Leistungsabfall – korrodiert – deformiert, verformt, verbeult – abgezogen – gelockert, lose – überdehnt – zu hoher Widerstand – ablöst – durchgebogen, durchhängend – Farbunterschied – verbrannt – beschädigt – Fluchtungsfehler – verschmort – frühzeitig verschlissen – Ausrichtungsfehler – Kurzschluß – Berührung mit Nachbarteilen – falsche Lage – unterbrochen – klemmt, schwergängig – falsch montiert – Drift – ausgeschlagen – nicht verwertbar – Funktionsfehler – Teilungsfehler – Schmutz-, Wassereintritt – blockiert – Rundlauffehler – dejustiert, verdreht, verstellt – vibriert – splittert ab – vertauscht – schwingt – falsche Beschleunigung – falsches Teil – verunreinigt – Resonanzen – Teil fehlt – verstopft – falsche Federeigenschaften – maßlich abweichend – undicht – falsches Gewicht – falsche Oberflächenhärte – geplatzt – schlechter Wirkungsgrad – falsche Oberflächenrauheit – drucklos – überhitzt – falsche Anordnung – Druck falsch – zu laut – falsche Geschwindigkeit – zu wartungsintensiv – schlecht austauschbar – zu teuer – Geräusch – verrottet, zersetzt sich – ... Tabelle 3.2: Typische Fehlerursachen auf Bauteilebene – falsche Materialwahl – fehlerhafte Geometrie – Montagefehler – unvorhergesehene, unzuläs- sige Belastung – falscher Reibwert – Transportfehler – Materialfehler – falsche Federkennlinie – Schweißfehler – Dimensionierungs-, Ausle- gungsfehler – Öleinflüsse – Verjüngung – falsche Oberflächenhärte – Temperatureinflüsse – Werkzeug verschlissen – zu hohe Betriebstemperatur – falsche Bedienung – falsche Wärmebehandlung – Schmiermittelmangel – Kupplungseinflüsse – Porösität – Korrosion – falsche Montage – Gradbildung – falsche Toleranzwahl – überhöhter Verschleiß – vor Montage korrodiert – Dichtfläche beschädigt – Fressen – ungeeignetes Konstrukti- onsprinzip – undicht – zu hohes Schleppmoment – unzureichende Verpackung – Verschluß – Fertigungsfehler – unzureichende Wartung – Ermüdung – Schwingungseinleitung – Zeichnungsfehler – falscher Einbau – exzentrisch – Material verwechselt – ungenügende Erprobung – falsches Bauteil – falsche Materialdicke – fehlende Kontrolle – falsches Drehmoment – überdehnt – fehlt – falsche Lage – Verformungsrisse – Fluchtungsfehler – fehlende Transportsiche- rung – falsche Verbindungstechnik – Maßfehler – Unwucht – ... Ähnlich der Unterstützung der FMEA, kann eine strukturierte Sammlung physikali- scher Ausfallarten das Vorgehen bei der Fehlerbaumanalyse effektiver gestalten. Ins- 3.2 Qualitative Methoden der Zuverlässigkeits- und Qualitätstechnik 31 besondere sollen die Checklisten Schwierigkeiten und Hemmnisse bei der Teamarbeit abbauen, die entstehen, wenn keine adäquaten Beispiele vorhanden sind. Oftmals wer- den auch sogenannte Ishikawa- oder „Fischgrätdiagramme“ eingesetzt. Bild 3.22 zeigt ein Beispiel [16]. Maschine MaterialMensch Methode PROBLEM Werkzeug Wartung Verfahren Probleme Oberfläche Organisation Toleranz Reinigung private betriebliche Ausbildung Bild 3.22: Ishikawa- oder „Fischgrätdiagramm“ Checklistenunterstützung der ABC-Analyse, DR, QFD Jedes Unternehmen sollte für die eingesetzten Bauteile eine Klassifizierung nach A, B oder C vornehmen. Somit besteht für Neuteile eine Orientierung und diese können so- fort eingeteilt und ggf. näher untersucht werden. Die Methoden Design Review und QFD orientieren sich ohnehin an Checklisten. 3.2.10 Methoden aus anderen Branchen Da viele Methoden der Zuverlässigkeitstechnik ihren Ursprung in der Luft- und Raum- fahrt haben, allen voran die FMEA, erscheint es sinnvoll die dort angewandten Metho- den hinsichtlich einer möglichen Verwendung im Fahrzeug- und Maschinenbau zu analysieren. Die in der Luft- und Raumfahrt anzutreffende Methodenvielfalt ist enorm, wobei sich einige Verfahren ähneln. Nachfolgend werden diese Methoden stichwort- artig vorgestellt [42]. Sicherheitsanalyse (nicht im Sinne von Betriebssicherheit) Durch die Sicherheitsanalyse werden potentielle vom Einsatz des herzustellenden Pro- dukts ausgehende Gefahren für das menschliche Leben und für andere Produkte identi- fiziert und entsprechende vorbeugende Maßnahmen definiert. Wegen der besonderen Sicherheitsrisiken in der Luft- und Raumfahrt ist die Sicherheitsanalyse dort unent- behrlich. Im Fahrzeug- und Maschinenbau können damit sicherheitskritische Kompo- nenten und Teilsysteme analysiert werden, wie z.B. ein Giermomentsensor für das elektronische Stabilitätsprogramm oder das Airbagsystem. Im Unterschied zur FMEA konzentriert sich die Sicherheitsanalyse noch deutlicher auf Checklisten. Zur Umset- zung und Verifikation der definierten Maßnahmen existieren Formblätter. In der Regel erfolgt eine qualitative Anwendung. 32 3 Stand der Forschung und Technik Worst-Case-Analyse (WCA) Um die Funktionsfähigkeit der meist elektronischen Schaltungen bei der ungünstigsten Kombination der Einsatzbedingungen zu prüfen werden Worst-Case-Analysen (WCA) durchgeführt. Dabei werden sowohl Toleranzen der Bauelemente berücksichtigt als auch Abweichungen der Parameter (Spannung, Strom, Verstärkung, etc.) aufgrund von Temperatur, Alterung, Strahlung, etc. Außer bei einfachen Schaltungen ist die WCA sehr kostspielig und hat in einigen Fällen zu Überdimensionierung geführt [42]. Derating-Analyse Mit der Derating-Analyse wird sichergestellt, daß Bauteile Anforderungen hinsichtlich Unterlast erfüllen (engl.: To derate = Herabsetzen). Damit wird die richtige Auswahl von elektronischen, elektrischen und elektromagnetischen Komponenten, sogenannten EEE-Komponenten, hinsichtlich der Zuverlässigkeit unterstützt. Aufgrund der hohen Zuverlässigkeitsanforderungen in der Raumfahrt ist eine Derating-Analyse dort unent- behrlich. Klassifizierung von Design-Parametern Sämtliche Parameter eines Produkts (Maße, elektrische, funktionelle und werkstoffbe- zogene Parameter, Prozeßparameter) werden dabei bezüglich ihrer Auswirkungen auf die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit analysiert. Sie werden dann in ent- sprechende Klassen eingestuft und in den Bauunterlagen gekennzeichnet, um besonde- re Aufmerksamkeit während der Fertigung und Inspektion sicherzustellen. Diese Me- thode, die im Ariane5-Programm angewandt wurde, schafft eine Verbindung zwischen Zuverlässigkeitsaktivitäten und Fertigung. Der Aufwand für Inspektion und Fertigung, der sich nach der Kritikalität der Parameter richtet, wird somit kosteneffizient. Analyse der menschlichen Fehler Darunter versteht die Luft- und Raumfahrt diejenigen Methoden, welche die menschli- che Zuverlässigkeit erfassen. Quantitative Methoden sind wegen der fehlenden, stati- stischen Eingangsdaten fraglich. Die qualitativen Methoden entsprechen der Vorge- hensweise der FMEA und werden auch Human-FMEA genannt [43]. Hardware/Software-Interaktionsanalyse (HSIA) Die HSIA wird als Erweiterung der FMEA in Systemen mit Software angewandt, um die richtige Reaktion auf die Hardwareausfälle zu sichern. Dabei wird für jeden ange- nommenen Hardwareausfall in der FMEA die Rolle der Software untersucht und die Berücksichtigung der Softwarereaktion in der Softwarespezifikation sichergestellt. Die Methode wird mittels Formblättern durchgeführt. Outage-Analyse Die Outage-Analyse (engl.: Outage = Ausfall, Unterbrechung) wird speziell in der Satellitentechnik durchgeführt, um die durchschnittliche Häufigkeit und Dauer von Serviceunterbrechungen zu erfassen. Die Ergebnisse dienen als Eingangsdaten der Verfügbarkeitsanalyse. 3.3 Quantitative Methoden der Zuverlässigkeitstechnik 33 Liste der kritischen Punkte (Critical Item List) Zur Umsetzung von empfohlenen vorbeugenden Maßnahmen werden alle kritischen Punkte und Szenarien in eine Liste übertragen, die in einem Aktionsplan resultiert. Probabilistic Safety Assessment (PSA) Die Methode des Probabilistic Safety Assessment (PSA) kann als Mischung aus Er- eignisbaumanalyse (EBA), Fehlerbaumanalyse (FBA) und FMEA bezeichnet werden, Bild 3.23. PSA wird in der Anlagentechnik eingesetzt. Ausgehend von einer EBA werden die Ausfälle in einzelnen Fehlerbäumen betrachtet. Die unterste Ebene der FBA kann wiederum als Fehlfunktion in eine FMEA einfließen. Fehl- funktion der FMEA Pumpe startet nicht Ventil öffnet nicht Auslösendes Ereignis Funktion Ausfall Auswirkung Art und Häufigkeit rt ä fi eit Funktion ausgefallen EBA FBA ... Bild 3.23: Probabilistic Safety Assessment, Beispiel Qualitativ erhält man eine Struktur von Ursache und Auswirkung. Mit Ausfallraten und Eintrittshäufigkeiten kann man das PSA Modell auch quantitativ auswerten [42]. 3.3 Quantitative Methoden der Zuverlässigkeitstechnik Die quantitativen Methoden der Zuverlässigkeitstechnik sind berechnende Methoden, die als Ergebnis einen Zahlenwert liefern. Die Grundlage dieser Methoden bildet die statistische Beschreibung des Ausfallverhaltens, die ausführlicher im VDA-Band 3 Teil 2 „Zuverlässigkeitssicherung bei Automobilherstellern und Lieferanten“ erläutert wird [44]. 3.3.1 Statistische Beschreibung des Ausfallverhaltens Dichtefunktion Um das Ausfallverhalten von Bauteilen einfach graphisch darzustellen wird das Histo- gramm der Ausfallhäufigkeiten verwendet. Die Abszisse wird in Zeitintervalle unter- teilt, sogenannte Klassen, in denen die Anzahl der Ausfälle ermittelt wird. Dieser Or- 34 3 Stand der Forschung und Technik dinatenwert kann als absolute oder als relative Häufigkeit aufgetragen werden. Zum Vorgang der Klassierung existieren verschiedene Verfahren [45]. Für den Grenzüber- gang der Ausfälle n   nähert sich der Umriß des Histogramms einer stetigen Kurve an, welche die eigentliche Dichtefunktion f(t) darstellt, Bild 3.24. 200 250 300 350 400 450 Lastwechsel ·102 0,010 % 0,005 0,000 R el . H äu fig ke it Dichtefunktion f(t) 200 250 300 350 400 450 Lastwechsel ·102 50 % 30 20 10 0 R el . A us fä lle f*(t) Bild 3.24: Histogramm der Ausfallhäufigkeiten und Dichtefunktion f(t) beim Grenzübergang der Anzahl der Ausfälle von n = 5 auf n   Mit der Verwendung dieser Dichtefunktion behandelt man theoretische Wahrschein- lichkeiten und verläßt die experimentell ermittelten Häufigkeiten. Der Grenzübergang n   bedeutet, daß man sämtliche Teile einer Grundgesamtheit prüft, was nicht rea- listisch ist. Auf der Grundlage der experimentellen, realen Daten kann man die empiri- sche Dichtefunktion f *(t) ermitteln, die von der idealen Dichtefunktion f(t) abweicht. Ausfallwahrscheinlichkeit (Verteilungsfunktion) Mit dem Histogramm der Summenhäufigkeit läßt sich erkennen, wie viele Bauteile insgesamt bis zu einem Zeitpunkt ausgefallen sind. Dazu werden die Ausfälle mit fortlaufender Intervallzahl aufaddiert. Es ergibt sich die empirische Verteilungsfunkti- on F*(t). Durch den Grenzübergang n   erhält man wiederum die eigentliche Ver- teilungsfunktion F(t), die stets bei F(t=0) = 0 beginnt und bei F(t) = 1 endet, Bild 3.25. Die Verteilungsfunktion ergibt sich als Integral über der Dichtefunktion oder anders formuliert die Dichtefunktion ergibt sich als Ableitung der Verteilungsfunktion:  t ttftPtF 0 'd)'()()( . (3.1) Die Verteilungsfunktion F(t) wird als Ausfallwahrscheinlichkeit bezeichnet (F steht für engl.: Failure = Ausfall). Sie beschreibt die Summe der Ausfälle als Funktion der Zeit. 3.3 Quantitative Methoden der Zuverlässigkeitstechnik 35 200 250 300 350 400 450 Lastwechsel·102 100 80 60 40 20 % 0 Su m m e de r A us fä lle 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 4 4 5 200 250 300 350 400 450 Su m m e de r A us fä lle 20 40 60 80 100 % 0 F(t) F*(t) Lastwechsel·102 Bild 3.25: Histogramm der Summenhäufigkeiten und Verteilungsfunktion F(t) beim Grenzübergang der Anzahl der Ausfälle von n = 5 auf n   Überlebenswahrscheinlichkeit (Zuverlässigkeit) Die Überlebenswahrscheinlichkeit beschreibt die Summe der funktionsfähigen Ein- heiten als Funktion der Zeit. Sie kann als Histogramm der Überlebenshäufigkeit darge- stellt werden. Zu einem gewissen Zeitpunkt t ergibt die Addition der beiden Summen- häufigkeiten, Ausfälle und intakte Einheiten, stets 100%. Die Überlebenswahrschein- licht ist somit das Komplement zur Ausfallwahrscheinlichkeit und wird als Zuverläs- sigkeit R(t) bezeichnet (R steht für engl.: Reliability = Zuverlässigkeit). Sie beginnt stets bei R(t=0) = 100%, fällt monoton ab und endet bei R(t) = 0%, wenn alle Ein- heiten ausgefallen sind: )(1'd)'(1)()( 0 tFttftPtR t   . (3.2) Damit läßt sich die qualitative Definition der Zuverlässigkeit quantifizieren [2]: Unter der Zuverlässigkeit versteht man die Wahrscheinlichkeit dafür, daß eine Ein- heit, ein Bauteil oder ein System, während einer definierten Zeitdauer unter gege- benen Funktions- und Umgebungsbedingungen nicht ausfällt. Ausfallrate Zur Beschreibung des Ausfallverhaltens mittels einer Rate werden die Ausfälle zu ei- ner bestimmten Zeit t auf die Summe aller noch intakten Einheiten bezogen. Die Aus- fallrate kann auch als Quotient aus Ausfalldichte f(t) und Überlebenswahrscheinlich- keit beschrieben werden: )( )( ZeitpunktzumEinheitenintaktennochderSumme ZeitpunktzumAusfälle)( tR tf t tt  . (3.3) 36 3 Stand der Forschung und Technik Die Ausfallrate beschreibt somit das Risiko einer Einheit, die bis zum Zeitpunkt t funktionsfähig ist, auszufallen. Mit der Ausfallrate wird versucht, das gesamte Aus- fallverhalten einer Einheit oder eines Systems zu erfassen. Nach der Form der Kurve über der Lebensdauer wird sie als „Badewannenkurve“ bezeichnet, Bild 3.26. Frühausfälle (Bereich 1) z.B. Montagefehler, Fertigungsfehler, Werkstoffehler, eklatante Konstruktionsfehler Zufallsausfälle (Bereich 2) z.B. verursacht durch Bedienungsfehler, Schmutzpartikel, Wartungsfehler Verschleiß-/ Ermüdungs- ausfälle (Bereich 3) z.B. Dauerbruch, Alterung, Grübchen Lebensdauer t Versuche, Nullserie, Fertigungs- und Qualitätskontrolle Korrekte Bedienung und Wartung, richtiger Einsatz Berechnung, Versuche A us fa llr at e  (t) M a ß n a h m e n Bild 3.26: „Badewannenkurve“ Im Bereich der Frühausfälle (1) nimmt die Ausfallrate mit zunehmender Lebensdauer ständig ab. Im Bereich mit einer konstanten Ausfallrate befinden sich die Zufallsaus- fälle (2). Mit einer stark ansteigenden Ausfallrate beginnt der Bereich der Verschleiß- und Ermüdungsausfälle (3). Entsprechend den verschiedenen Ausfallursachen in den unterschiedlichen Bereichen, ergeben sich Maßnahmen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit. Mit der konstruktiven Auslegung des Systems kann jedoch nur der Bereich 3 beeinflußt werden, der auch rechnerisch erfaßt werden kann. Mathematische Beschreibung der Überlebenswahrscheinlichkeit Zur Beschreibung des Ausfallverhaltens werden mathematische Verteilungsarten ver- wendet. Die bekannte Glockenkurve (Normalverteilung) wird in der Praxis nur sehr selten eingesetzt, da mit ihrem symmetrischen Verlauf nur eine Ausfallart beschrieben werden kann. In der Elektrotechnik findet die Exponentialverteilung häufig Anwendung. Wesentli- che Kennzeichen sind eine monoton abfallende Dichtefunktion und eine konstante 3.3 Quantitative Methoden der Zuverlässigkeitstechnik 37 Ausfallrate  als einziger Parameter, Bild 3.27. Dieses Verhalten ist charakteristisch für elektronische Bauteile. Die Formeln sind nachfolgend aufgeführt: Dichtefunktion tetf )( (3.4) Ausfallwahrscheinlichkeit tetF 1)( (3.5) Überlebenswahrscheinlichkeit tetR )( (3.6) Ausfallrate .konst (3.7) D ic ht ef un kt io n f(t ) 0 0 1.5 2.0 1.0 0.5 =0,5 =1 =2 1 2 3 4 Lebensdauer t Bild 3.27: Ausfalldichte der Exponentialverteilung Für den Kehrwert der Ausfallrate sind in der Literatur die Bezeichnungen MTTF (Me- an Time To Failure) bzw. MTBF (Mean Time Between Failure) bekannt. Mit der Weibullverteilung lassen sich die unterschiedlichsten Ausfallverhalten dar- stellen. Die Weibullverteilung kann als zweiparametrige (charakteristische Lebens- dauer T und Formparameter b) oder als dreiparametrige (zusätzlich ausfallfreie Zeit t0) Verteilung angewendet werden. Der Formparameter b ist ein Maß für die Streuung der Ausfallzeiten und für die Form der Ausfalldichte. Die charakteristische Lebensdauer T ist der Lageparameter der Dichtefunktion. Bei der dreiparametrigen Verteilung legt die ausfallfreie Zeit t0 fest, ab welchem Zeitpunkt die Ausfälle beginnen. Damit wird die Kurve entlang der positiven Zeitachse um t0 verschoben. Bei der zweiparametrigen Verteilung beginnen die Ausfälle stets ab t = 0. Sie stellt somit einen Sonderfall der dreiparametrigen Weibullverteilung dar mit t0 = 0. In Abhängigkeit vom Formparameter b ändert sich die Dichtefunktion. Für Werte von b < 1 werden Ausfälle ähnlich der Exponentialverteilung beschrieben, für b = 1 wird genau die Exponentialverteilung beschrieben. Bei Werten b > 1 beginnt die Dichte- funktion stets bei f(t=0) = 0, erreicht mit zunehmender Lebensdauer ein Maximum und fällt dann flach ab. Für b = 3,5 wird näherungsweise die Normalverteilung dargestellt. Die Formeln der dreiparametrigen Weibullverteilung sind nachfolgend aufgeführt. Die der zweiparametrigen können direkt daraus abgeleitet werden, indem t0 = 0 gesetzt wird. 38 3 Stand der Forschung und Technik Überlebenswahrscheinlichkeit bzw. Zuverlässigkeit b tT tt etR             0 0 )( (3.8) Ausfallwahrscheinlichkeit b tT tt etF             0 0 1)( (3.9) Dichtefunktion b tT ttb e tT tt tT b t tFtf                       0 01 0 0 0d )(d)( (3.10) Ausfallrate 1 0 0 0)( )()(            b tT tt tT b tR tft (3.11) Bedingungen 0,,0 00  btTtt . Die Ausfall- und Überlebenswahrscheinlichkeit der zweiparametrigen Weibullvertei- lung mit einer charakteristischen Lebensdauer T = 1 für verschiedene Formparameter b sind in Bild 3.28 dargestellt. 10 0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 80 60 40 20 % A us fa llw ah rs ch ei nl ic hk ei t F (t ) b = 5 0,5 0,25 3,5 1,2 1,0 2,0 Lebensdauer t 10 0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 80 60 40 20 % Ü be rle be ns w ah rs ch ei nl ic hk ei t R (t) b = 0,25 0,5 0,75 2,5 1,5 5,0 Lebensdauer t Bild 3.28: Ausfall- und Überlebenswahrscheinlichkeit der Weibullverteilung (T = 1, t0 = 0) Mit unterschiedlichen Werten der Ausfallrate  der Weibullverteilung lassen sich die drei Bereiche der Badewannenkurve in Abhängigkeit des Formparameters b darstellen, siehe auch Bild 3.26. Für b < 1 lassen sich Frühausfälle beschreiben, da die Ausfallrate mit zunehmender Lebensdauer abnimmt (Bereich 1). Für b = 1 ist die Ausfallrate kon- stant und es lassen sich Zufallsausfälle darstellen (Bereich 2). Verschleiß- und Ermü- dungsausfälle (Bereich 3) lassen sich mit b > 1 beschreiben, da die Ausfallrate mit zu- nehmender Lebensdauer deutlich ansteigt. Die Ausfallrate sowie die Dichtefunktion für verschiedene Werte des Formparameters b sind in Bild 3.29 dargestellt. 3.3 Quantitative Methoden der Zuverlässigkeitstechnik 39 1,5 2,0 1,0 0,5 0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 b = 5 3,5 2,5 2,0 1,5 0,5 0,25 1,0 1,25 Lebensdauer t D ic ht ef un kt io n f(t ) 5 0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 4 3 2 1 A us fa llr at e  (t) Lebensdauer t b = 5 3,5 2,5 2,0 1,5 1,2 0,50,2 1,0 Bild 3.29: Dichtefunktion und Ausfallrate der Weibullverteilung (T = 1, t0 = 0) Mit der Lognormalverteilung, die aus der Normalverteilung hervorgeht, kann sehr unterschiedliches Ausfallverhalten dargestellt werden. Vorteilhaft ist, daß die Normal- verteilung die am besten untersuchte Verteilungsart ist, und eine Übertragung auf die Lognormalverteilung einfach erfolgen kann. Nachteilhaft ist wiederum, daß sich die Ausfallfunktion F(t) nur durch aufwendige Integralbildung bzw. mittels Tabellen er- mitteln läßt: 2 2 2 )(ln 2 1)(       mtt e t tf und   t ftF 0 d)()( . (3.12) Auch bei der Lognormalverteilung existiert eine dreiparametrige Verteilung mit einer ausfallfreien Zeit t0. Die anschauliche Darstellung erfolgt auf einem Wahrscheinlich- keitspapier, auf dem die Ausfallwahrscheinlichkeit F(t) als Gerade abgebildet wird. Weitere Verteilungsarten, wie z.B. die Erlangverteilung oder die Gammaverteilung werden in der Literatur behandelt und finden in der Zuverlässigkeitstechnik nur gele- gentlich Anwendung [46] - [47]. 3.3.2 Boolesche Theorie Ausgehend vom Ausfallverhalten der einzelnen Bauteile (siehe Kapitel 3.3.1) kann mittels des Booleschen Modells das Systemausfallverhalten berechnet werden. Für die Anwendung dieser Systemtheorie bestehen folgende Einschränkungen:  Das System ist „nicht reparierbar“, d.h. der erste Systemausfall beendet die Systemlebensdauer,  die Systemelemente können nur die beiden Zustände „funktionsfähig“ oder „ausgefallen“ annehmen,  die Systemelemente sind „unabhängig“, d.h. das Ausfallverhalten eines Bau- elementes wird durch das Ausfallverhalten anderer Bauelemente nicht beein- flusst. 40 3 Stand der Forschung und Technik Die Zuverlässigkeitsstruktur des Systems läßt sich aus den sogenannten Zuverlässig- keitsschaltbildern erkennen, in denen die Auswirkungen einer Komponente (eines Systemelements) auf das gesamte System deutlich werden. Die Verbindungen zwi- schen Eingang E und Ausgang A stellen die Möglichkeiten der Funktionsfähigkeit des Systems dar. Bei einer Serienschaltung beispielsweise, wie in Bild 3.30, führt der Ausfall einer be- liebigen Komponente zum Ausfall des gesamten Systems. Komponente 1 Komponente 2 Komponente n E A Bild 3.30: Reine Serienstruktur des Booleschen Modells Das System ist nur dann funktionsfähig, wenn alle Komponenten funktionsfähig sind. Die Systemzuverlässigkeit errechnet bei n Komponenten nach der Beziehung    n i inS tRtRtRtRtR 1 21 )()(...)()()( . (3.13) Bei einer Parallelstruktur fällt das System erst aus, wenn sämtliche Komponenten aus- gefallen sind, Bild 3.31. Komponente n Komponente 1 Komponente 2 E A Bild 3.31: Reine Parallelstruktur des Booleschen Modells Die Beziehung für die Berechnung der Zuverlässigkeit von reinen Parallelsystemen mit n Einzelkomponenten lautet    n i inS tRtRtRtRtR 1 21 ))(1(1))(1(...))(1())(1(1)( . (3.14) Zur Zuverlässigkeitsanalyse von Mischformen, d.h. kombinierten oder vernetzten Strukturen, kann die Systemzuverlässigkeit durch schrittweise Anwendung der Bezie- hungen von Serien- und Parallelanordnung berechnet werden. Dabei werden Ersatz- größen verwendet. Weitere Möglichkeiten zur Lösung sind der Einsatz der disjunkti- ven Normalform [48] oder der minimalen Schnittmengen bzw. Erfolgspfade [49]. 3.3 Quantitative Methoden der Zuverlässigkeitstechnik 41 3.3.3 Quantitative Fehlerbaumanalyse Theorie und Vorgehensweise Bei der Fehlerbaumanalyse wird durch die verwendeten Systemelemente ein Fehler- baum aufgebaut. Ausgehend vom unerwünschten Ereignis bzw. dem Systemausfall (Top-Event) werden alle Zweige abgelaufen. Dabei wird erfragt, welche Ausfälle es auf der nächst tieferen Ebene gibt und wie diese mit dem übergeordneten Ausfall ver- knüpft sind (UND- bzw. ODER-Verknüpfung). Diese Frage wird bis zur untersten Sy- stemebene wiederholt, wodurch man das komplette Ausfallverhalten des Systems er- hält. Bei der Erstellung einer FBA wird eine bestimmte Symbolik verwendet, die in Bild 3.32 dargestellt ist. Standardeingang Übertragung Ein- und Ausgang Kommentar A ODER Verknüpfung UND Verknüpfung NICHT Verknüpfung Hauptereignis UND-Verknüpfung ODER-Verknüpfung Basisereignis (Systemelement) A & 1 Allgemeiner Fehlerbaum nach DIN 25424 A A & X1 X2 X3 X4 X5 X6 11 1 E1 E2 E1 E2 E Bild 3.32: Symbolik der Fehlerbaumanalyse Zweck und Ziele Zweck der Fehlerbaumanalyse ist die Ermittlung der logischen Verknüpfungen von Komponenten- oder Teilsystemausfällen, die zu einem unerwünschten Ereignis führen. Ziele dieser Analysemethode sind die systematische Identifizierung aller möglichen Ausfallkombinationen die zu einem vorgegebenen unerwünschten Ereignis (Topevent) führen, und die Ermittlung von Zuverlässigkeitskenngrößen, wie z.B. Eintrittshäufig- keiten der Ausfallkombinationen, Eintrittshäufigkeit des unerwünschten Ereignisses oder Nichtverfügbarkeit des Systems bei Anforderung. Nach Abschluß sollte beurteilt werden können, ob bestimmte Zuverlässigkeitskenngrößen die festgelegten Forderun- gen erfüllen und falls nicht, wie diese verändert werden müssen. Bild 3.33 zeigt ein Fehlerbaumbeispiel für ein Getriebe. Bei der Analyse nach dem Fehlerbaum werden folgende Ausfallarten unterschieden:  Primärausfall (Ausfall unter zulässigen Bedingungen),  Sekundärausfall (Ausfall aufgrund unzulässiger Einsatzbedingungen),  Kommandoausfall (Ausfall durch Fehlbedienung und Mißbrauch). 42 3 Stand der Forschung und Technik Bruch Getriebe System Baugruppe Bauteil / -element Ausfallarten je Bauteil 1 ... ... ... ... Abtrieb Zahnrad 1 Lagerung Gehäuse Zahnrad 2Synchro- nisierung ... ... GrübchenFressen Bauteilmerkmale, Entwicklungsfehler ... ... Falsche Berech- nung Fehl- bedienung Überlast 1 1 1 Bild 3.33: Fehlerbaumbeispiel für ein Getriebe Nachdem ein Fehlerbaum für ein System erstellt ist, kann dieser qualitativ oder quan- titativ (siehe auch Kapitel 3.2.7) ausgewertet werden. Für die quantitative Fehlerbau- manalyse müssen die Ausfallwahrscheinlichkeiten der Einzelkomponenten bekannt sein. Zur Ermittlung der Systemlebensdauer wird das Boolesche Modell verwendet. Beim Booleschen Modell wird die Ausfallwahrscheinlichkeit über der Lebensdauer ermittelt. Ein Fehlerbaum mit ausschließlichen ODER-Verknüpfungen wird, wie die Serienanordnung des Booleschen Modells, nach Gleichung (3.13) berechnet. Ein Feh- lerbaum mit ausschließlichen UND-Verknüpfungen entspricht der Parallelanordnung im Booleschen Modell nach Gleichung (3.14). Bei einer Kombination dieser beiden Anordnungen muß die Systemzuverlässigkeit durch eine schrittweise Anwendung der beiden Beziehungen hergeleitet werden. Da die FBA auf der Booleschen Theorie basiert, kann auch hier die Methode der Mini- malschnitte und Minimalpfade angewandt werden [49] - [50]. Die Fehlerbaumanalyse kann auch qualitativ verwendet werden, falls keine oder nur wenig Daten über die Ein- zelkomponenten vorliegen, siehe Kapitel 3.2.7. 3.3.4 Markoff-Methode Während bei nichtreparierbaren Systemen die Zuverlässigkeit oder die Ausfallwahr- scheinlichkeit betrachtet wird, untersucht man bei reparierbaren Systemen die Verfüg- barkeit oder die Nichtverfügbarkeit. Bei unendlich langen Reparaturzeiten stimmt die Verfügbarkeit mit der Zuverlässigkeit überein. Beim Markoff-Modell wird die Ver- fügbarkeit über der Laufzeit bestimmt. Mit der Markoff-Methode können reparierbare Systeme untersucht werden [51]. Dabei können jedoch nur Systeme behandelt werden, deren Systemelemente konstante Ausfall- und Reparaturraten haben. Folgende Begrif- 3.3 Quantitative Methoden der Zuverlässigkeitstechnik 43 fe und daraus abgeleitete Formelzeichen werden bei der Anwendung der Markoff- Methode verwendet, Bild 3.34:  MTTFF: Mean Time To First Failure. Die mittlere Lebensdauer bis zum ersten Ausfall wird bei reparierbaren Systemen als MTTFF bezeichnet.  MTTR: Mean Time To Repair. Der Mittelwert der Reparaturzeit bzw. die In- standsetzungszeit wird als MTTR bezeichnet.  MTBF: Mean Time Between Failure. Der Mittelwert der ausfallfreien Zeiten oder auch mittlerer Ausfallabstand wird als MTBF bezeichnet.  MTTF: Mean Time To Failure. Der Mittelwert der Lebensdauer vom Ende der Reparaturzeit bis zum nächsten Ausfall wird als MTTF bezeichnet. Lastwechsel, km , Zeit, ... ... MTTFF MTTF MTTR MTTF X X X 1. Ausfall 2. Ausfall 3. Ausfall MTBF Bild 3.34: Begriffe der Markoff-Theorie Vorgehensweise Bei gegebenen Weibullparametern b, T, t0 und MTTR läßt sich der Mittelwert der Be- triebsdauer MTTF berechnen:    00 d)(d)()( ttRttfttEMTTF . (3.15) Bei der dreiparametrigen Weibullverteilung nach Gleichung (3.10) ergibt sich der Er- wartungswert MTTF nach einigen Umformungen zu: 00 ) 11()()( t b tTtEMTTF  ,  = Eulersche Gammafunktion. (3.16) Die Dauerverfügbarkeit AD ergibt sich aus den Zustandsdifferentialgleichungen. Jedes Element kann nur die zwei Zustände „funktionsfähig“ oder „ausgefallen“ annehmen:  Zustand Z0: Das Element ist funktionsfähig und im Betriebszustand,  Zustand Z1: Das Element ist ausgefallen und befindet sich im Reparaturzustand. Die zugehörigen Zustandwahrscheinlichkeiten werden mit P0(t) und P1(t) bezeichnet. Die Elemente gehen mit einer gewissen Übergangswahrscheinlichkeit von einem Zu- 44 3 Stand der Forschung und Technik stand in den anderen über. Die Summe der Übergangswahrscheinlichkeiten der von einem Zustand ausgehenden Pfeile besitzt immer den Wert 1: 1)()( 10  tPtP . (3.17) Diese Voraussetzung wird als Normierungsbedingung bezeichnet. Zur Zeit t = 0 ist das betrachtete Element funktionsfähig und neuwertig. Die Anfangsbedingungen lauten: 0)0(0 tP und 1)0(1 tP . (3.18) Die Änderung der Zustandswahrscheinlichkeiten setzt sich additiv aus den Über- gangswahrscheinlichkeiten zusammen, die sich durch Multiplikation der Zustands- wahrscheinlichkeit mit den jeweiligen Übergangsraten ergeben. Vom Zustand ausge- hende Pfeile werden dabei negativ, alle zum Zustand zeigenden Pfeile werden positiv angesetzt, Bild 3.35. Beim Markoff-Graph werden die Übergangsraten von Z0 nach Z1 als Ausfallrate  und von Z1 nach Z0 als Reparaturrate  angegeben. Z0 Z1 λ  1-µ 1-λ Bild 3.35: Markoff-Graph für ein Einzelelement Im Betrachtungsfall des Einzelelements ergeben sich die Differentialgleichungen )()( )( 10 0 tPtP dt tdP  , (3.19) )()( )( 01 1 tPtP dt tdP  . (3.20) Aus diesen Gleichungen, der Normierungsbedingung nach Gleichung (3.17) und den Anfangsbedingungen aus Gleichung (3.18) ergibt sich für P0(t):  )()( d )(d))(1()( d )(d 0 0 00 0 tP t tPtPtP t tP . (3.21) Die Lösung dieser inhomogenen Differentialgleichung besteht aus einem homogenen und einem partikulären Teil: )()()( 000 tPtPtP pH  . (3.22) Durch Trennung der Veränderlichen resultiert die homogene Lösung: t H eCtPttP tP   )( 0 0 0 )(d)( )( )(d . (3.23) Durch Variation der Konstanten ergibt sich die partikuläre Lösung. Die Addition der beiden Lösungsteile ergibt für P0(t) folgende Gleichung: 3.3 Quantitative Methoden der Zuverlässigkeitstechnik 45 tetP        )(0 )( . (3.24) Über die Normierungsbedingung Gleichung (3.17) erhält man die Zustandswahr- scheinlichkeit P1(t). Die Zustandswahrscheinlichkeit P0(t), mit der sich das Element zum Zeitpunkt t im funktionsfähigen Zustand befindet, entspricht der Verfügbarkeit A(t). Entsprechend definiert sich die Nichtverfügbarkeit U(t) mit dem Komplement der Verfügbarkeit zu P1(t): )()(1)(,)()( 10 tPtAtUtPtA  . (3.25) Die Verfügbarkeit A(t) konvergiert für t   gegen den Grenzwert der stationären Lösung. Dieser Wert wird Dauerverfügbarkeit AD genannt und meist durch die zuvor eingeführten Begriffe (siehe auch Bild 3.34) ausgedrückt: - Mittelwert der Betriebsdauer: MTTF = 1/ , - Mittelwert der Reparaturzeit: MTTR = 1/ . Die Dauerverfügbarkeit AD ergibt sich somit zu: MTTF MTTRMTTRMTTF MTTFtAA tD         1 1)(lim . (3.26) Sie ist nur vom Quotienten MTTR/MTTF abhängig. Je größer dieser wird, desto gerin- ger wird die Dauerverfügbarkeit. Boole-Markoff-Modell Soll nun ein System bestehend aus mehreren Elementen analysiert werden, muß das Zusammenwirken aller Elemente berücksichtigt werden. Bei n Elementen kann ein Markoff-Modell 2n Zustände annehmen. Selbst bei nur zwei Elementen und damit nur vier möglichen Zuständen ergeben sich Differentialgleichungen, die nur mit erhebli- chem Rechenaufwand zu lösen sind. Besteht ein System aus voneinander unabhängi- gen, reparierbaren Systemelementen so kann ein Boole-Markoff-Modell gebildet wer- den, Bild 3.36. Z 0i Z 1i λ i  i K 1 K i-1 K i K i+1 Bild 3.36: Boole-Markoff-Modell 46 3 Stand der Forschung und Technik Mit dem Markoff-Modell wird die Dauerverfügbarkeit ADi(t) der einzelnen Elemente ermittelt, mit dem Booleschen Modell erfolgt die Verknüpfung zwischen den Ele- menten. Bei zeitabhängigen Ausfall- oder Reparaturraten ist eine Auflösung nach den Zustandswahrscheinlichkeiten nicht möglich. Daher wird vorausgesetzt, daß alle Sy- stemelemente konstante Ausfall- und Reparaturraten besitzen. Für die Dauerverfüg- barkeit ADi = konst. der einzelnen Systemelemente gilt allgemein: ii i ii i itDi MTTRMTTF MTTFtAA       )(lim . (3.27) Dabei wird der Mittelwert der Betriebsdauer MTTFi sowie der Mittelwert der Repara- turzeit MTTRi als Erwartungswert E(t) der Ausfall- bzw. der Reparaturverteilung be- rechnet. Nunmehr kann die Systemdauerverfügbarkeit AD mit Hilfe des Booleschen Modells abgeschätzt werden. Für ein Seriensystem gilt:        n i ii i n i ii i n i DiDS MTTRMTTF MTTFAA 111 . (3.28) Für ein Parallelsystem gilt:        n i ii i n i ii i n i DiDP MTTRMTTF MTTFAA 111 111 . (3.29) Bei einer Kombination dieser beiden Anordnungen muß die Systemdauerverfügbarkeit AD durch eine schrittweise Anwendung der beiden Beziehungen hergeleitet werden [52]. 3.3.5 Monte-Carlo-Simulation Die Monte-Carlo-Methode ist ein Verfahren, das mathematische Ausdrücke, die aus einer oder mehreren Verteilungsfunktionen aufgebaut sind, näherungsweise bestim- men kann. Man zieht eine Zufallsstichprobe heran, um mit dem geschaffenen mathe- matischen Modell ein Spiel zu spielen, indem ein Experiment simuliert wird. Mit der Monte-Carlo-Simulation kann sowohl die Ausfallwahrscheinlichkeit, als auch die Ver- fügbarkeit ermittelt werden [53]. Ungeachtet des Nachteils der langsamen Konver- genz, muß beachtet werden, daß der Aufwand für die Realisierung statistischer Mo- delle im allgemeinen gegenüber den Anforderungen natürlicher Experimente gering ist. Mathematische Grundlagen Die mathematischen Grundlagen werden ausführlich in [53] - [57] behandelt. Die grundlegende Aufgabe der Monte-Carlo-Methode ist die Schätzung von Zufallskenn- größen, deren Verteilungsfunktion sehr kompliziert sein kann. Vorgehen bei der Simulation der Zuverlässigkeit Für n Komponenten eines Systems werden n Zufallszahlen i , j = 1(1)n gezogen. Zu jeder Zufallszahl wird mit Hilfe der Inversionsmethode eine Lebensdauer ti berechnet: 3.4 Rechnerunterstützung im Konstruktionsprozeß und Datentechnik 47 niFt iii )1(1),( 1   . (3.30) Jeder einzelnen Systemkomponente wird somit eine simulierte Lebensdauer ti zuge- wiesen. Nun erfolgt die Ermittlung der Systemstruktur nach dem Booleschen Modell. Bei Durchführung von m Systemlebensdauersimulationen erhält man m Systemlebens- dauerwerte tSj, j = 1(1)m. Für die statistische Auswertung werden diese Werte der Grö- ße nach geordnet. Es muß gelten: mjttt SjSjSj )1(1,11   . (3.31) Diese Werte heißen simulierte Ranggrößen, denen nun Ausfallwahrscheinlichkeiten zugeordnet werden. Aus der Beziehung mj m jFj )1(1,4,0 3,0     (3.32) erhält man diese näherungsweise mit dem Medianwert der Betaverteilung. Die Werte- paare (tSj, Fj) können nun graphisch aufgetragen werden und geben so den zeitlichen Verlauf der Systemzuverlässigkeit wieder. Um die Genauigkeit zu steigern, wird der beschriebene Algorithmus p mal durchgeführt, bei jeweils gleichem m. Durch Bildung eines arithmetischen Mittelwertes    p k kSjSk tp t 0 )(1 (3.33) ergibt sich das Systemausfallverhalten in einer varianzreduzierten Form, die zu einer Steigerung des Ergebnisses führt. Es bleibt Fk = Fj , damit bleiben als Ergebnis die Wertepaare (tSk , Fk). 3.4 Rechnerunterstützung im Konstruktionsprozeß und Daten- technik 3.4.1 Computer Aided Design Die mit dem Rechnereinsatz verbundene Arbeitstechnik des Konstruierens unter Nut- zung entsprechender Geräte und Programme wird international als Computer Aided Design (CAD) bezeichnet, deutsch: Rechnerunterstütztes Konstruieren [8]. Unabhängig von der rechnerinternen Darstellung existieren verschiedenartige Verfah- ren, um geometrische Modelle zu erzeugen und zu verändern [58]. Die Zuordnung dieser Verfahren zu den Haupt-Konstruktionsphasen zeigt Bild 3.37. Parametrische Modellierer Am häufigsten anzutreffen ist die Methode der Erzeugung von parametrischen, zwei- dimensionalen Profilen, die im Raum positioniert, referenziert und in geeignete Erzeu- gungskommandos mit einbezogen werden. So läßt sich beispielsweise durch das Ex- trudieren eines quadratischen Profils um einen bestimmten Betrag senkrecht zu die- 48 3 Stand der Forschung und Technik sem, ein Würfel erzeugen. Die den Würfel bestimmenden Variablen Breite, Höhe und Extrusionstiefe werden automatisch als Parameter angelegt und können für Modifika- tionen herangezogen werden. Die Entstehungsgeschichte der Operationen wird in einer Modelldatei festgehalten. Dynamische Modellierer Dynamische Modellierer funktionieren in ähnlicher Weise, d.h. aus einem Profil und seiner Ausprägung in die dritte Dimension entsteht ein räumlicher Körper. Allerdings wird die Entstehungsgeschichte nicht in einer Modelldatei festgehalten. Modellierer mit Formelementen Dieser Modelliertyp arbeitet mit bereits vordefinierten Formelementen (Features), wie z.B. Welle, Nut, Durchgangsbohrung, Fase, etc., die bereits eine Reihe typischer Ei- genschaften haben und somit in späteren Prozeßschritten leicht ausgewertet werden können. Beispielsweise lassen sich Bohrungs-Formelemente bei CAM-Systemen sehr leicht mit entsprechenden Fertigungsoperationen verknüpfen. Konzept Entwurf Detaillierung A nt ei l d er T ät ig ke ite n [% ] D yn am is ch e M od el lie re r Kreative Tätigkeiten Rou tine tätig keit en Pa ra m et ris ch e M od el lie re r M od el lie re r m it F or m el em en te n Bild 3.37: Einsatz der verschiedenen Modellierverfahren und deren Zuordnung zu den Haupt-Konstruktionsphasen Die meisten am Markt verfügbaren Modelliersysteme, d.h. CAD-Systeme, unterstüt- zen hauptsächlich die Detaillierung, die Dokumentation und die Erstellung von Fertig- zeichnungen, also eine recht späte Phase im Konstruktionsprozeß. Beim Einsatz von 3D-CAD-Systemen können auch die Analyse und NC-Bearbeitung integriert werden. Wenige Systeme sind dafür geeignet, in der konzeptionellen Phase eingesetzt zu wer- den. Software für die Design- oder Konzeptphase wird in der Regel nicht für die kon- struktive Detaillierung eingesetzt sondern ist meist ein Spezialpaket [59]. Programme auf Basis der dynamischen Modellierer bieten als einzige die notwendigen Voraussetzungen für die Darstellung der Konzeption. So können bereits in der Kon- zeptionsphase die richtigen Konstruktionsentscheidungen getroffen werden. 3.4 Rechnerunterstützung im Konstruktionsprozeß und Datentechnik 49 Modellkommunikation Der Hauptvorteil der elektronischen Datenverarbeitung ist, daß die einmal erzeugten Daten für weiterverarbeitende Systeme immer elektronisch zur Verfügung stehen. Da unterschiedliche CAD-Systeme an verschiedenen Orten mit anderen Daten arbeiten, steht im Sinne der Integration die Frage nach einem gemeinsamen Datenaus- tauschformat, das alle Daten- und Systemtypen erfaßt, im Vordergrund. Um den For- derungen an den Datenaustausch zu genügen, muß es möglich sein, die in einem CAD- System erzeugten Daten auszulesen und in einem anderen System wieder einzulesen. Aufgrund der unterschiedlichen Modellstrukturen der CAD-Systeme ist eine Aufbe- reitung der Daten vor dem Auslesen und zum Einlesen notwendig. Während bei einer systemspezifischen Kopplung eine Vielzahl von Anpassungen für jedes anzupassende System nötig ist, erfordert eine systemneutrale Kopplung nur eine Anpassung auf eine neutrale Definition. Bei den meisten CAD-Systemen stehen die Graphikschnittstelle, die Schnittstelle zum CA-Datenformat sowie bei offenen Systemen eine prozedurale Schnittstelle für den Datenaustausch zur Verfügung. Die Problematik des Modellda- tenaustausches liegt darin, daß jedes System für einen bestimmten Einsatzzweck aus- gelegt und optimiert ist und daher die Art und Anzahl der Datenelemente der jeweili- gen Systeme sehr unterschiedlich sind. Ein CAD-System weist eventuell Daten auf, die in einem anderen überhaupt nicht vorgesehen sind, wodurch eine Abbildung dieser Daten bei einer direkten Schnittstelle nicht möglich ist. Schnittstellen zwischen CAD-Systemen Initial Graphics Exchange Standard (IGES) wurde 1979 im Zeitalter der Lochkarten von den Firmen Boeing und General Electric im Auftrag des National Bureau of Stan- dards (NBS) in den USA erarbeitet und fand 1981 Eingang in die US ANSI-Norm Y14.26M. In seiner Grunddefinition ist IGES ein Standard zur Übertragung von Zeichnungsdaten in eine Datei im ASCII-Format, in der Linien, Texte und mittlerweile auch 3D-Flächen- und Volumenmodelle nummeriert enthalten sind. Standard d’Exchange et de Transfert (SET) wurde als europäischer Standard erstmalig 1984 vorgestellt. Wesentliche Zielsetzung war, neben der Beseitigung von Fehlern aus IGES, das Ablegen aller, in verschiedenen CAD-Systemen vorkommenden Daten, in einer Datenbank mittels einer sequentiellen ASCII-Datei mit unterschiedlichen Struk- turstufen (Baugruppe, Unterbaugruppe, Block). Trotz vieler Verbesserungen und einer flexiblen Gestaltung der Schnittstelle findet dieser Standard nur lokal in Frankreich Einsatz, überwiegend in der dortigen Luftfahrtindustrie. Die Schnittstelle VDA-FS (Verband der Automobilhersteller - Flächenschnittstelle) definiert aufgrund der Komplexität der anderen Schnittstellen bewußt nur den Stan- dard für den Flächenaustausch. Zu Beginn wurden nur wenige Elemente zugelassen. Inzwischen dehnen sich die VDA-Definitionen auf andere Geometrieelemente aus, 50 3 Stand der Forschung und Technik entsprechend den Elementen und Untergruppen des IGES-Standards. Bedingt durch die nationale Institution VDA beschränkt sich die Verbreitung auf den deutschsprachi- gen Raum STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) ist als ISO-Norm 10303 veröffentlicht. Es werden nicht nur Produktmodelldaten definiert sondern auch Be- schreibungs-, Implementierungs- und Testverfahren sowie die Gesamtstruktur des Standards. Der Standard Pro-STEP findet oftmals Einsatz bei der CAD-FE-Kopplung. Produktivitätserhöhung durch Datenorganisation und -eingabe Mit Hilfe der Ebenentechnik lassen sich Daten strukturieren und bei Bedarf ein- oder ausblenden. Durch eine Trennung von z.B. Geometrie, Dimensionierung, Text- und Oberflächenzeichen sowie Schraffur läßt sich die Übersichtlichkeit erhöhen. Jedoch steigt mit den zur Verfügung stehenden Ebenen auch die Komplexität des Datenmo- dells, was wiederum die Verarbeitungsgeschwindigkeit senkt. Unter der Makrotechnik versteht man die Zusammenfassung von interaktiven System- befehlen zu einem Satz von Befehlen, einem sogenannten Makro. Durch Befehls- oder Zeichenmakros (Templates, Pattern, etc.) läßt sich die Modellerstellung beschleunigen, das Teilespektrum standardisieren, Betriebsnormen in das CAD-System integrieren oder sogar die Zeichnungserstellung automatisieren. Erzeugt werden die Makros durch eine Protokolldatei oder durch Programmierung. Durch eine Parameterabfrage vor der Ausführung lassen sich auch variable Geometrien und Teilefamilien erzeugen. Prozedurale Schnittstellen Im Gegensatz zu den Schnittstellen zwischen den CAD-Systemen, die Ergebnisdaten austauschen, besteht mit einer prozeduralen Schnittstelle oder API (Application Pro- gramming Interface) die Möglichkeit, allgemeine Beschreibungs- oder Erstellungsvor- schriften zu übertragen. Je nach Funktionsumfang lassen sich funktionale Erweiterun- gen der Basis-CAD-Software schreiben. Die Implementierung dieser APIs ist herstel- lerspezifisch. Der große Vorteil besteht darin, eine sehr effektive Datenkopplung zu erreichen, jedoch ist der Erstellungs- und Pflegeaufwand hoch. Eine Anwendung ist die Erstellung von Norm- und Wiederholteilen mittels einer API, welche die system- neutrale Beschreibung einfacher Geometrien ermöglicht. Als Beispiel ist die Schnitt- stelle VDA-PS zu nennen, mit der im Zusammenhang mit den Normen DIN 4000 und 4001 (Teilekategorien und Sachmerkmalleisten) Bauteile auf systemneutrale Weise (Geometrie) beschrieben und dann im jeweiligen CAD-System erzeugt werden kön- nen. Weitere Möglichkeiten Teilebibliotheken zu erstellen, bieten auch IGES und STEP mit entsprechenden prozeduralen Schnittstellen. Bewertung von Schnittstellen Die herkömmlichen CAD-Schnittstellen mit ihren geometrischen Daten können den Forderungen einer zunehmenden digitalen Produktentwicklung im Sinne von DMU (Digital Mock-up) allein nicht mehr genügen. Immer mehr werden auch produktbe- 3.4 Rechnerunterstützung im Konstruktionsprozeß und Datentechnik 51 schreibende Informationen aus dem betriebswirtschaftlichen Umfeld wie Materialei- genschaften oder Stücklisten benötigt, womit sich der Zwang zur Verknüpfung oder besser Integration von technischen und kommerziell geprägten Sichten verstärkt. Die Integration aller technischen Sichten wird in [60] erläutert. 3.4.2 Produkt-Daten-Management-Systeme Produkt-Daten-Management-Systeme (PDM) sind eigentlich Datenverwaltungssyste- me, die sich dadurch entwickelt haben, daß eine Vielzahl an Daten in allen Bereichen eines Unternehmens während der Produktentwicklung entstehen. Diese Daten werden kopiert und verändert, so daß eine elektronische Versionsverwaltung möglich ist [58]. Datenbanksysteme werden in einzelnen Unternehmensbereichen schon seit längerer Zeit eingesetzt, jedoch besteht die Forderung an PDM-Systeme, diese vereinzelten Datenbanken und -systeme zusammenzuführen, um die Kommunikation zu ermögli- chen, zu vereinfachen und zu kontrollieren. Zur Realisierung der verschiedenen Anforderungen entstanden vier Datenbanktypen. Die relationale Datenbank ist der am häufigsten vorkommende Typ bei Datenbank- systemen. Sie stellt sich dem Anwender in Form von zweidimensionalen Tabellen dar. Die Datenhaltung erfolgt in einfachen Tabellen. In netzwerkartigen Datenbanken tra- gen die Beziehungen zwischen den Daten semantische Informationen. Im hierarchi- schen Datenbankmodell als Sonderfall der netzwerkartigen Datenbank wird die Daten- struktur als Baum dargestellt. Objektorientierte Datenbanken besitzen eine größere Ausdrucksfähigkeit hinsichtlich Typendefinition und Datenabstraktion, die von den objektorientierten Programmiersprachen herrührt. SQL (Structured Query Language) ist die Abfrage- und Manipulationssprache für ein relationales Datenbanksystem, die sich zu einem Quasi-Standard entwickelt hat. Definition einiger Datenbankbegriffe Als Objekte bezeichnet man in diesem Zusammenhang konkrete Gegenstände, wie z.B. eine Schraube. Ähnliche Objekte mit geringfügigen Abweichungen bezeichnet man als Ausprägungen oder Instanziierung dieses Objektes. Attribute sind kennzeich- nende Eigenschaften eines Objekts. Objektgruppen mit ähnlichen Attributsätzen wer- den als Klassen bezeichnet. Ein Merkmal ist eine bestimmte Eigenschaft, die zum Be- schreiben und Unterscheiden von Gegenständen einer Gruppe dient. Als Sachmerkmal hingegen bezeichnet man Merkmale, die Gegenstände unabhängig vom Umfeld be- schreiben (Merkmalsausprägungen). Beziehungen beschreiben die Zuordnung von Objekten untereinander. Relationsmerkmale sind Merkmale, die eine Beziehung von Gegenständen zu ihrem Umfeld kennzeichnen, wie z.B. Herstellungskosten, Bestell- menge, etc. 52 3 Stand der Forschung und Technik 3.4.3 Objektorientierte Programmiertechniken Objektorientierter Ansatz Die Idee der Objektorientierung ist über 25 Jahre alt und fast ebenso lange liegt die Entwicklung objektorientierter Programmiersprachen zurück. Während es am Anfang nur Publikationen zur objektorientierten Programmierung gab, erschienen die ersten Bücher über objektorientierte Analyse- und Designmethoden erst Anfang der 90iger Jahre. Beim objektorientierten Ansatz handelt es sich um ein Konzept, das zu einer bestimmten Lösungsweise von Problemen führt. Laut einer Definition von Meyer [61] sind die folgenden Elemente Voraussetzung für den objektorientierten Ansatz:  Modularisierung bedeutet die optimale Zerlegung eines Systems,  Datenabstraktion: Beschreibung von Datenstrukturen durch ihre Operationen,  Klassen: Alle Werte (Objekte) werden als Instanzen eines Typs oder einer Klasse betrachtet, zwischen den einzelnen Klassen besteht eine Beziehung,  Vererbung: Unterklassen besitzen alle Eigenschaften der Oberklasse, ausge- nommen eine Eigenschaft wird für die Unterklasse neu definiert,  Polymorphie: Eigenschaft, die erlaubt, daß sich zur Laufzeit des Programms Operationen automatisch an die Klasse (oder den Typ) ihrer Operanden (oder Parameter) anpassen. Hierfür wird auch der Ausdruck „dynamisches Binden“ verwendet. Ähnlich wie bei der strukturierten Programmierung, bei der das Attribut „strukturiert“ zuerst auf der Programmierebene verwendet wurde und erst später bei Entwurf und Analyse, entwickelten sich die Begriffe objektorientierte Programmierung (OOP), ob- jektorientierter Entwurf (OOD, engl.: Design) und objektorientierte Analyse (OOA) historisch in dieser Reihenfolge. Objektorientierte Programmierung Objektorientierte Programme werden nicht nur strukturiert in Prozeduren, Funktionen und Unterprogramme sondern zusätzlich in Objekte und Klassen unterteilt, wobei Objekte mittels ihrer Operationen (Methoden) miteinander kommunizieren. Eigen- schaften der Objekte und Operationen werden durch die Klassenhierarchie bestimmt. Von den heute existierenden, objektorientierten Programmiersprachen sind nur wenige rein objektorientierte Sprachen, wie z.B. Smalltalk. Der Hauptvorteil der reinen Ob- jekt-orientierung liegt in der größeren Allgemeinheit, wobei ein Gewinn an Allge- meinheit und Flexibilität meist mit einem Verlust an Effizienz verbunden ist. Spra- chen, in denen Objekte und konventionelle Daten nebeneinander existieren, werden als hybrid bezeichnet. Der Hauptvorteil einer Hybridsprache besteht darin, daß elementare Daten und Objekte im Speicher verschieden dargestellt werden. Während eine Objekt- variable eine Referenz (üblicherweise einen Zeiger von Wortlänge) auf das eigentliche Objekt enthält, kann eine Variable eines elementaren Datentyps den Wert selbst ent- halten. Während bei einem Objekt immer ein indirekter Zugriff auf die eigentlichen 3.4 Rechnerunterstützung im Konstruktionsprozeß und Datentechnik 53 Daten erforderlich ist, kann auf elementare Daten direkt zugegriffen werden. Objekte müssen in der Regel dynamisch erzeugt werden. Bei elementaren, statischen Daten ist dies nicht erforderlich, weil ihr Speicherplatzbedarf und ihre Adresse schon zur Über- setzungszeit feststeht. Ein weiterer Vorteil der Hybridsprachen ergibt sich daraus, daß die elementaren Datentypen keinen Polymorphismus zulassen. Der Compiler kann also voraussetzen, daß eine als „Integer“ deklarierte Variable auch immer einen Integer- Wert enthält. Er kann daher auf dynamische Bindung verzichten und sogar Optimie- rungen für häufig vorkommende Konstruktionen (wie z.B. die Anweisung i: = i + 1) vornehmen. In rein objektorientierten Sprachen sind alle Daten Objekte, daher müssen auch für alle mit ihnen erlaubten Operationen Methoden zur Verfügung gestellt werden. Selbst arithmetische Operationen müssen mit Hilfe von „Messages“ aktiviert werden. In Hy- bridsprachen besteht die Wahl zwischen konventionellen und objektorientierten Sprachmitteln, womit man vor der Entscheidung steht, welches Denkmodell in wel- cher Situation eingesetzt werden soll. In rein objektorientierten Sprachen entsteht hin- gegen fast automatisch eine objektorientierte Lösung, da der Einsatz konventioneller Teillösungen erschwert, wenn nicht gar unmöglich gemacht wird. Jedoch liegt bei ob- jektorientierten Sprachen die Schwierigkeit darin, die Zahl der Objekte zu begrenzen [62]. Die meisten Hybridsprachen sind objektorientierte Erweiterungen konventioneller Sprachen. Vorteilhaft bei diesen Sprachen ist, daß sie für einen bereits in der Ba- sissprache versierten Programmierer leicht zu erlernen sind. Beispiele für Hybridspra- chen sind Object-Pascal und C++, mit der die objektorientierte Programmierung erst weltweit Beachtung fand, obwohl das Prinzip 10 Jahre vorher schon bekannt war. Mitte der Achtziger wurde von Stroustrupp bei AT&T Bell Laboratories die Pro- grammiersprache C++ entwickelt. Ziel war es, die eingeführte Programmiersprache C zu verbessern und die Aufwärtskompatibilität von C nach C++ zu erhalten [63]. Objektorientierter Entwurf Beim objektorientierten Entwurf geht es darum, ein System so zu zerlegen, daß eine Struktur von Klassen und Objekten entsteht. Dabei hängt die Vorgehensweise sehr stark davon ab, in welchem Aspekt des Systems (Datenbeziehungen, Verarbeitungs- schritte) sich das größere Maß an Komplexität manifestiert. Sinnvoll ist, in einem er- sten Schritt eine Liste von noch unpräzisen Objekten und Klassen zu erstellen, sowie deren Attribute, Beziehungen untereinander und die erforderlichen Operationen zu spezifizieren. Ähnlich erscheinende Operationen werden vereinfacht oder verallge- meinert, so daß sie zu Merkmalen einer Klasse werden, womit die Anzahl der Klassen im Sinne einer stabilen Lösung reduziert oder vergrößert wird. Da der Programment- wurf in der Regel im Kontext einer bestehenden Klassenstruktur entsteht, sind diese Klassen frühzeitig zu berücksichtigen. Ihre (Wieder-)Verwendung, auch durch Spe- 54 3 Stand der Forschung und Technik zialisierung mittels Vererbung, ist ein zentrales Merkmal beim objektorientierten Ent- wurf. Im folgenden wird dies im Kontext mit der Microsoft Foundation Class (MFC) nochmals verdeutlicht [64]. Das ideale Ergebnis des objektorientierten Entwurfs ist eine Zweiteilung der Klassenstruktur in anwendungsspezifische Klassen und Stan- dardklassen. Beide sind nur miteinander verknüpft über Relationen, die für ihr Ver- halten relevant sind. Der objektorientierte Ansatz fördert ganz eindeutig die Produktzuverlässigkeit eines Programms, da von Bausteinen und Klassen Gebrauch gemacht wird, die sich bereits als fehlerfrei erwiesen haben [65]. Programmiersprache Visual C++ Das Developer Studio ist eine Windows gestützte integrierte Entwicklungsumgebung, die von Visual C++ (VC++) genutzt wird und in der Quelltext, Compiler- und Lin- kerangaben sowie der Arbeitsbereich mit sämtlichen Dateien strukturiert dargestellt sind. Damit erfährt die Programmiersprache C++ eine einfachere Handhabung. Ein Projekt, als zentraler Begriff, ist eine Sammlung von miteinander verknüpften Quell- dateien, die zu einem ausführbaren Windows-Programm oder einer DLL (Dynamic Link Library) kompiliert und gelinkt werden können. In Bild 3.38 ist ein Projekt mit seinen Teilbereichen beispielhaft dargestellt. Quelltext Meldungen des Compilers+Linkers Arbeitsbereich: Klassenansicht Bild 3.38: Developer Studio und Visual C++ 3.5 Kosten der Zuverlässigkeit 55 Bild 3.39 zeigt eine Übersicht über den VC++ Anwendungserstellungsprozeß. Haupt- vorteil bei der Verwendung von VC++ im Developer Studio ist das Microsoft Foun- dation Class (MFC) Anwendungsgerüst, das über eine Standardstruktur verfügt. Im Vergleich zu der Klassenbibliothek ist ein Anwendungsgerüst eine Obermenge ei- ner Klassenbibliothek. Während eine Klassenbibliothek eine bestimmte Menge von Klassen enthält, die darauf ausgelegt sind, in beliebige Anwendungen eingebaut zu werden, liefert ein Anwendungsgerüst die Struktur des eigentlichen Programms. Die Werkzeuge von VC++ erleichtern die Codierung. Z.B. erstellt der Ressourcen- Editor eine Header-Datei, die bereits alle #define-Anweisungen zum Deklarieren von Parametern enthält. Die MFC-Bibliothek enthält bereits eine Fülle von Merkmalen wie z.B. eine C++ Schnittstelle für die Windows-API und die Unterstützung von Multiple Document Interface (MDI) Anwendungen. Developer Studio Quelltext - dateien Windows - Header - Dateien Codekompilierung Header - Dateien aus Laufzeit - bibliotheken MFC - Header - Dateien Compiler OBJ - Dateien Ressourcenkompilierung Ressourcen - skriptdatei (RC) Bitmaps, Symbole und andere Ressourcen Ressourcen - Compiler Ressourcendatei (RES) Ressource.h Windows - , Laufzeit - und MFC - Bibliotheken Linker Ausführbare Datei (EXE) Bild 3.39: Anwendungserstellungsprozeß in Visual C++ mit Unterstützung der MFC 3.5 Kosten der Zuverlässigkeit Die Anwendung der qualitativen und quantitativen Methoden der Zuverlässig- keitstechnik verursacht, wie jede andere Aktivität im Unternehmen, Kosten. Durch Vermeidung bzw. Verringerung von Ausfällen führt der Methodeneinsatz zu Kosten- senkungen. Analog zu der Einteilung der Qualitätskosten in Fehlerverhütungskosten, 56 3 Stand der Forschung und Technik Prüfkosten und internen bzw. externen Fehlerkosten können die Zuverlässigkeitsko- sten, wie in Bild 3.40 dargestellt, aufgeteilt werden [66]. Des weiteren können diese Unterarten der Zuverlässigkeitskosten den Phasen des Produktentstehungsprozesses zugeordnet werden [67]. Vorbeugende Zuverlässigkeits- kosten z.B. für - Design for Reliability - FMEA, FTA - Konstruktions- überprüfungen - Entwicklung von Standards und Richtlinien - ... Zuverlässigkeits- prüfkosten z.B. für - Lebensdauertests - Ausfalldaten- erfassung und -analyse - Mißbrauchstest - ... Interne Ausfallkosten z.B. für - Verluste durch Zuverlässigkeits- tests und -vor- behandlung - Neukonstruktion aus Zuverlässig- keitsgründen (nach Tests) - ... Externe Ausfallkosten z.B. für Kosten von Unzuverlässigkeit während der Garantiefrist - Ersatzteilbevor- ratungskosten - Kosten von Ausfallanalysen - ... Zuverlässigkeitskosten Konstruktion Fertigung Prüfung Einsatz Bild 3.40: Aufteilung und Phasenzuordnung der Zuverlässigkeitskosten Kececioglu setzt voraus, daß jedes Produkt eine optimale Zuverlässigkeit bei einem minimalen Herstellpreis besitzt [68]. Dieses Optimum der Zuverlässigkeit leitet sich aus den minimalen Gesamtkosten des Herstellers ab, Bild 3.41. Die Kosten vor Auslieferung beinhalten Entwicklung, Forschung, Konstruktion, Her- stellung und Gemeinkosten. Die Kosten vor Auslieferung steigen mit zunehmender Zuverlässigkeit, da eine intensivere Entwicklung nicht nur eine höhere Zuverlässigkeit sondern auch höhere Kosten zur Folge hat. Die Kosten nach der Auslieferung des Produkts beinhalten Logistik, Installation, Ga- rantie und Kulanz. Die Kosten nach der Auslieferung sinken mit zunehmender Zuver- lässigkeit, da eine höhere Zuverlässigkeit gleichbedeutend mit geringeren Ausfällen ist. Aus diesen zwei Kostenarten ergeben sich additiv die Gesamtkosten und der Ver- kaufspreis des Herstellers. Wie in Bild 3.41 ersichtlich ist, weisen beide Kurven ein 3.5 Kosten der Zuverlässigkeit 57 Minimum auf. Der dazugehörige Zuverlässigkeitswert wird als optimale Zuverlässig- keit ROM für einen minimalen Herstellerpreis bezeichnet. Mit von ROM abweichenden Zuverlässigkeitswerten wird das Kostenoptimum nicht erreicht. Kececioglu stellt Erweiterungen dieses Modells dar, in denen weitere Größen wie z.B. Instandhaltbarkeit mit einbezogen werden oder die optimale Zuverlässigkeit aus ande- ren Sichtweisen (z.B. Käufer) betrachtet wird [68]. K os te n Zuverlässigkeit 0 1 ROM ROM = optimale Zuverlässigkeit für minimalen Herstellerpreis Verkaufpreis des Herstellers Kosten vor Auslieferung Kosten nach der Auslieferung für z.B. Garantie, Kulanz, etc. Gesamtkosten des Herstellers Bild 3.41: Optimale Zuverlässigkeit aus Sicht des Herstellers Den Zielkonflikt zwischen der Minimierung des kostenverursachenden Einsatzes von Zuverlässigkeitsmethoden und der Maximierung fehlerfreier Produkte gilt es zu lösen. Als zweiter Aspekt kommt hinzu, daß auf Basis durchgeführter Zuverlässigkeitsanaly- sen, nicht nur die unzuverlässigsten Elemente optimiert werden können, sondern zu- sätzlich die zuverlässigsten Bauteile ein gewisses Kosteneinsparpotential in sich ber- gen. Auf diesen Aspekt wird in Kapitel 5.4 eingegangen. Die beispielhafte Kostenre- duzierung auf Basis einer Zuverlässigkeitsanalyse folgt in Kapitel 6.5. 58 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Dieses Kapitel beginnt mit der Untersuchung des CAD-Systems Solid Edge hinsicht- lich der Integrationsmöglichkeiten seiner Daten. Die Analyse der möglichen Integrati- on von CAD- und Zuverlässigkeitsdaten sowie die Beschreibung der Datenübergabe mittels Programmiersprachen und Schnittstellen in eine gemeinsame Datenbasis schließen sich an (Kapitel 4.1). Darauf aufbauend folgt die Untersuchung der in Kapi- tel 3.1 vorgestellten Konstruktionsphasen hinsichtlich ihrer Eignung, in diesem CAD- System dargestellt zu werden (Kapitel 4.2). Ein Schwerpunkt dieses Kapitels liegt in der Beurteilung der für die Zuverlässigkeits- methoden relevanten Daten und deren Zuordnung zu den Konstruktionsphasen (Kapi- tel 4.3). Aufbauend auf dieser Datenbasis kann die CAD-integrierte Anwendung der gängigen qualitativen und quantitativen Zuverlässigkeitsmethoden erfolgen. Zusätzlich wird untersucht, inwieweit die Zuverlässigkeitsanalysen den jeweiligen im CAD- System abbildbaren Entwicklungsphasen zugeordnet werden können (Kapitel 4.4). Abschließend folgt der Entwurf der dafür notwendigen Programmodule (Kapitel 4.5). 4.1 Ausgangspunkt CAD-System 4.1.1 Das CAD-System Solid Edge In Kapitel 3.4.1 wurde der Stand der Forschung und Technik der CAD-Systeme sowie derer Schnittstellen vorgestellt. Das auf Windows NT basierende CAD-System Solid Edge legt die Methoden und Eigenschaften seiner Objekte für den Zugriff von einer anderen Software aus offen. Dies ist eine notwendige Bedingung für die vorliegende Arbeit. Die Wahl des CAD-Systems wurde bereits in der Vorgängerarbeit getroffen [6]. Solid Edge ist ein unter dem Betriebssystem Windows NT auf PC-Plattform lauffähi- ges sogenanntes „Midrange“ CAD-Programm, das hauptsächlich bei mittelständischen Unternehmen eingesetzt wird. Der ursprüngliche Entwickler Intergraph war federfüh- rend bei der Einführung der auf OLE basierenden CAD-Systeme. Die OLE/COM- Technologie, die Basis aller Microsoft-Programme ist, bietet die Möglichkeit, pro- grammübergreifend Daten auszutauschen. Mit der Übernahme des Mechanik-CAD- Bereiches von Intergraph durch Unigraphics Solutions (UGS) wurde auch die Integra- tion des Parasolid-Kerns von UGS vollzogen. Der Wechsel vom ACIS-Kern von Spa- 4.1 Ausgangspunkt CAD-System 59 tial Technology zu Parasolid wurde mit der Version 5.0 im Juli 1998 durchgeführt [69]. Mit den Versionen 6 und 7, letztere erschien im August 1999, wurde der Begriff „Stream Technologie“ eingeführt, der die Besonderheiten der einfachen Bedienung (wenige Befehle) und Erlernbarkeit (einfache Oberfläche) eines auf dem Windows- Betriebssystem basierenden CAD-Systems betont [70] - [71]. Viele CAD-Systeme (Solid Edge, Solid Works, AutoCAD, Unigraphics und ME10) unterstützen in ihrer Windows-Version die speziellen Eigenschaften des Microsoft- Betriebssystems. Die auf den Betriebssystemen Linux und Unix laufenden CAD- Systeme verfügen hingegen nicht oder nur eingeschränkt über die Möglichkeit zur OLE-Integration, Cut&Paste- und Drag&Drop-Funktionalitäten [72]. CORBA (Com- mon Object Request Broker Architecture) ist beispielsweise ein Konzept um Anwen- dungen plattformübergreifend und unabhängig vom Betriebssystem zu verbinden [73]. 4.1.2 Daten des CAD-Systems Datenverwertung aus dem Lastenheft Abhängig von der jeweiligen Konstruktionsphase können mit dem CAD-System Solid Edge verschiedene Daten erstellt werden. Zu Beginn der Konzeptphase stehen ledig- lich die Vorgaben aus dem Lastenheft zur Verfügung. Hier ist nun zu analysieren, welche Lastenheftdaten für das rechnergestützte Konstruieren relevant sind, wie z.B. zulässiger Bauraum, Konzeptvorgaben, Gewichtsvorgaben, etc. und wie diese Daten in das CAD-System einfließen können (siehe auch Kapitel 4.3). Daten des CAD-Systems Das verwendete CAD-System Solid Edge ist ein dynamischer Modellierer mit Forme- lementen, sogenannten Features, wie z.B. Bohrungen, Fasen, Rundungen etc. (siehe auch Kapitel 3.4.1). Die Erzeugung eines räumlichen Körpers (Solids) erfolgt dadurch, daß man aus einem zweidimensionalen Profil die Ausprägung in die dritte Dimension wählt. Das Profil kann direkt in der dreidimensionalen Part-Umgebung gezeichnet werden oder in der zweidimensionalen Draft-Umgebung und dann in die dreidimen- sionale Part-Umgebung übernommen werden. Die Entstehungsgeschichte in ihrer Rei- henfolge kann mittels des „Feature PathFinder“ des CAD-Programms verfolgt werden, wobei die ausgeführten Features produktspezifisch umbenannt werden können, wie z.B. in Bild 4.1. Dadurch lassen sich die Einzelteile eines Systems besser und über- sichtlicher darstellen und bearbeiten. Zusätzlich kann der jeweilige Konstrukteur den zeitlichen Konstruktionsablauf in den Dateieigenschaften mit den jeweiligen Bearbei- tungsschritten datumsbezogen festhalten. 60 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Bild 4.1: Schneckenrad und Achse inklusive Features (Eigenschaften) als Einzelteil In der „Assembly-Umgebung“ werden die Einzelteile zusammengefügt, Bild 4.2. Zu- vor können auch Baugruppen, sogenannte „Subassemblies“, erstellt werden, die wie- derum in die endgültige Zusammenbauzeichnung eingefügt werden. Auf diese Weise entsteht eine Strukturstückliste des technischen Systems, in der sowohl aussagekräftige Bezeichnungen als auch Sachnummern der jeweiligen Einzelteile oder Baugruppen stehen können. Auf diese Strukturstückliste und auf die einzelnen Komponenten kann wiederum über die Programmierschnittstelle von anderen Anwendungen aus zugegrif- fen werden. Ein Beispiel für eine Zusammenbauskizze in der Konzeptphase eines Pro- duktentstehungsprozesses stellt Bild 4.2 dar. Bild 4.2: Konzepterstellung im CAD-System 4.1 Ausgangspunkt CAD-System 61 Geometrische Daten Schon bei der Erstellung von Profilen werden dessen beschreibende Daten angelegt. Die geometrischen Daten eines Körpers, d.h. die Bemaßungsbeziehungen werden in einer Tabelle abgelegt. Zusätzlich kann der Konstrukteur Variablen definieren, die durch Formeln bestimmt werden können. Dieses Steuern von Werten (Parametrik) kann mittels mathematischer Standardfunktionen des CAD-Systems oder durch benut- zerdefinierte Beziehungen erfolgen. Letztere werden praktischerweise in einer MS Excel-Tabelle erstellt, die mit dem CAD-System gekoppelt wird, Bild 4.3. Bild 4.3: Variablensteuerung des geometrischen Modells Zu der Grobskizze eines elektronischen Motors werden die Hauptabmessungen in ei- ner MS Excel-Tabelle abgelegt. Die Hauptabmessungen können wiederum über eine externe Tabelle als Variablen abgelegt sein. Derart kann der Körper von „außen“ über eine Werteingabe gesteuert werden, Bild 4.4. Auf die geometrischen Daten kann dann über die Programmierschnittstelle des CAD-Systems, die weiter unten beschrieben wird, zugegriffen werden. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die strukturellen und geometrischen Daten des CAD-Systems zwar die Grundlage für eine Zuverlässigkeitsanalyse bilden, also notwendig sind, jedoch keinesfalls hinreichend für eine adäquate Anwendung der Zu- verlässigkeitsmethoden aus Kapitel 2. 62 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Bild 4.4: Steuerung des CAD-Modells mittels MS Excel 4.1.3 Programmierschnittstelle des CAD-Systems OLE for Design and Modelling (OLE for D&M) 1993 definierte Microsoft “Interfaces”, d.h. Schnittstellen, die auf dem Konzept des Component Object Model (COM) basierten. Einen Aufschwung erhielt diese Techno- logie mit den populären Office-Anwendungen wie z.B. MS Word oder MS Excel, bei denen die Technik des „Object linking, embedding and in-place-activation“ verwendet wird. Damit lassen sich Objekte einer Anwendung mit einer zweiten Anwendung per Drag&Drop verbinden („linking“) bzw. in der zweiten Anwendung plazieren („em- bedding“) und aktivieren („in-place-activation“). Bei der Aktivierung tritt die ur- sprüngliche Anwendung mit ihren Methoden auf, ohne daß der Benutzer zwischen den Anwendungen wechseln muß. Auch Solid Edge-Objekte (Profile, Skizzen, etc.) lassen sich per Drag&Drop in alle OLE/COM basierenden Office-Anwendungen integrieren. OLE for Design and Mo- delling (OLE for D&M) ist eine Erweiterung der OLE-Technologie, die Entwurfs- und Modellierdokumente unterstützt. Einer der Hauptvorteile von OLE for D&M ist, daß verschiedene Software-Anwendungen integriert werden können. Dabei erfolgt keine Datenübersetzung. OLE for D&M ermöglicht den Zugriff auf Daten, nicht aber deren Austausch [59]. Die OLE-Automation, als eine Möglichkeit, verbessert diesen manuellen Vorgang, indem die Aktionen im Hintergrund, wie der Name schon sagt automatisiert oder pro- grammiert, ablaufen. In diesem Fall wurde die OLE-Technologie mittels der Schnitt- stelle „IDispatch“ verwendet, sowie die gegebenen Methoden und Eigenschaften aus der Microsoft Foundation Class (MFC) eingesetzt. Bild 4.5 zeigt generell die Mög- lichkeiten, die auf Basis von COM implementiert werden können [74]. 4.1 Ausgangspunkt CAD-System 63 Programmierbarkeit bedeutet, daß ein Programm seine Funktionen einem anderen zur Verfügung stellt. Anwendungen können den Zugriff auf ihre Funktionen durch die in ihren COM-Objekten dargestellten Schnittstellen ermöglichen. Jede Software, die in der Lage ist, Methoden eines COM-Objekts aufzurufen, kann dann diese Funktionen verwenden. Es lassen sich Programme schreiben, die alles, was die Benutzer manuell tun, automatisch erledigen. Diese Art allgemeiner Programmierbarkeit unter Verwen- dung von COM wird OLE-Automation oder Automatisierung genannt. Viele Anwen- dungen machen mit Hilfe der Automatisierung ihre Funktionen für Clients verfügbar. Mit Hilfe von relativ einfachen, graphisch orientierten Programmierwerkzeugen (Visual Basic, Skriptsprachen, etc.) können z.B. Office-Anwendungen untereinander automatisiert verbunden werden, d.h. eine Anwendung greift auf die Funktionalität einer weiteren Applikation zu. Monikers OLE Automation Structured Storage Uniform Data Transfer Linking Embedding In- Place Activation (Visual Editing) OLE Documents Drag & Drop OLE Controls (Proper) Connectable Objects Events Property Change Notification Property Pages OLE Controls COM: The Component Object Model Bild 4.5: COM als Basis für die OLE-Automation [74] Mit der Standardschnittstelle IDispatch werden die internen Funktionen einer Software offengelegt. Sie wird, wie eine normale COM-Schnittstelle, mit Hilfe einer sogenann- ten „Vtable-Struktur“, d.h. einer Tabelle von Funktionszeigern, implementiert, welche Zeiger auf die Methoden der Schnittstelle enthält. Mit der Methode Invoke läßt sich eine beliebige Methode aus einer Gruppe von Methoden aufrufen und ihr alle erfor- derlichen Parameter übergeben. Zuvor muß jedoch genau angegeben werden, welche Methoden aufgerufen werden können, wofür eine sogenannte Verteilerschnittstelle 64 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems (dispinterface) definiert werden muß. Mit dem Aufruf IDispatch::Invoke werden zu- nächst alle Methoden des COM-Objektes aufgerufen. Mit der gleichzeitigen Übergabe einer bestimmten Verteiler-ID (DISPID) ergibt sich diejenige Methode, die ausgewählt und ausgeführt werden soll. Der Datenaustausch zwischen Programmen erfolgt seit OLE2 (OLE-Automation) mit dem Uniform Data Transfer UDT (einheitliche Datenübertragung). Dieses Konzept zur Vereinheitlichung des Datenaustausches zwischen und innerhalb von OLE-Objekten ersetzt das komplexere DDE-Verfahren (Dynamic Data Exchange) von OLE1 und bietet somit eine einfachere Möglichkeit, Daten auszutauschen. UDT ist ein Dienst, der von den OLE-Erweiterungen von Microsoft Windows verwendet wird und ermög- licht, daß zwei Anwendungen Daten austauschen, ohne daß deren interne Struktur ge- genseitig bekannt ist. Component Object Model (COM) Das Component Object Model (COM) definiert ein Standardverfahren, mit dem eine Software-Komponente seine Dienste einer anderen zur Verfügung stellt. COM ist von Microsoft entwickelt worden und wurde ursprünglich in Windows und Windows NT zur Verfügung gestellt. Für andere Betriebssysteme bietet Microsoft keine Unterstüt- zung, jedoch haben andere Hersteller diese Lücke geschlossen, so daß Implementie- rungen für COM und zahlreiche Technologien auf COM-Basis für ein breites Spek- trum von Betriebssystemen zur Verfügung stehen. COM ist die gemeinsame Grundlage für OLE und ActiveX, mit der die Abstraktionen und Regeln festgelegt werden, die man zur Definition von Objekten und Schnittstellen benötigt. Jede Schnittstelle besitzt eine oder mehrere Methoden, d.h. Funktionen, die vom Client des Objekts aufgerufen werden können. Eine ausführliche Beschreibung von COM im Zusammenhang mit OLE und ActiveX findet sich in [75]. Einen besonderen Stellenwert im COM nimmt die grundlegende Schnittstelle I-Unknown ein, aus der alle anderen Schnittstellen durch Vererbung abgeleitet werden und die jedes COM-Objekt in jedem Fall unterstützen muß. Die Methoden dieser Schnittstelle dienen zur Navigation über die von einem Objekt implementierten Schnittstellen sowie zur Verwaltung des Objektlebenszyklusses. Der allgemein lesbare Name der meisten COM-Schnittstellen beginnt mit dem Buchstaben I, der für Interface (Schnittstelle) steht. Der zweite eindeutige Name einer COM-Schnittstelle ist ein so- genannter GUID-Wert (Globally Unique Identifier), der die Schnittstelle mit einem IID (Interface Identifier) bezeichnet. Dieser wird mit einem Software-Dienstprogramm erstellt und liefert einen 16-byte-Wert, der sich garantiert von jedem anderen GUID- Wert unterscheidet. Meist werden auch zur eindeutigen Kennzeichnung der Objekte UUID-Werte (Universal Unique Identifier) verwendet, da diese aus dem DCE- Konzept übernommen wurden (Distributed Computing Environment). Die Schnitt- stelle wird mit Hilfe der Schnittstellendefinitionssprache IDL (Interface Definition 4.1 Ausgangspunkt CAD-System 65 Language) von COM beschrieben, die der Programmiersprache C++ ähnelt, damit sich Objekt und Client in der Verwendung der Methoden und deren Parameter auch ver- ständigen können. Zusammenfassend kann man folgende Aussagen zu Interfaces tref- fen [74]:  Interfaces sind keine Klassen und keine Objekte,  Interfaces sind streng typisiert und unveränderlich. Jedes COM-Objekt ist die Instanz einer Klasse und jeder Klasse kann ein GUID-Wert, ein sogenannter Klassenbezeichner CLSID (Class Identifier) zugewiesen werden. Da- mit wird das COM-Objekt in die Registrierdatenbank des Betriebssystems eingetragen. Seit dem Betriebssystem Windows NT 4.0 sind COM-Objekte für mehrere „Threads“ Aktionen) zugänglich. Bei dieser Option, als „Multithreading“ bezeichnet, können mehrere Aktionen gleichzeitig in einem COM-Objekt aktiv sein. Mit Hilfe von Distributed COM (DCOM) kann ein Client sowohl auf dem eigenen System als auch auf anderen Systemen COM-Objekte erstellen und verwenden. Die wichtigsten Trends in der Software-Entwicklung, wie die Verwendung der Objekt- technologie und die zunehmende Verbreitung verteilter Computersysteme werden durch die Entwicklung von DCOM vereint. Aufgrund der Verbreitung von Microsoft und NT wird diese Technologie sicher weiterentwickelt. Als bekannteste COM-gestützte Dienstschnittstelle gilt die Open Database Connecti- vity (ODBC), mit deren Hilfe man Datenbanken aus verschiedenen ODBC- unterstützenden Anwendungen exportieren und importieren kann. Weiterentwicklung zu ActiveX Die Entwicklung zu ActiveX begann mit Visual-Basic-Erweiterungen, den sogenann- ten VBX-Steuerelementen, die der Beschränkung unterlagen, ausschließlich mit Visual Basic zusammenzuarbeiten. Sinnvoll erschien, allgemein einsatzfähige Software- Komponenten zu entwickeln, welche die grundlegenden Abstraktionen von COM nut- zen. Daraus resultierten die OLE-Steuerelemente mit einer strengen Spezifikation be- züglich Schnittstellen und Oberfläche, welche die Software-Komponenten mit potenti- ell überflüssigem Code überfrachteten. Eine gelockerte Spezifikation (Schnittstelle IUnknown und Fähigkeit zur Selbstregistrierung) brachte die Abhilfe, die notwendig war, um solche Komponenten in einer angemessenen Zeit von WWW-Servern herun- terzuladen. Zusätzlich begann Microsoft, die OLE-Steuerelemente an die Gegeben- heiten des Internets anzupassen, wodurch der neue Begriff ActiveX definiert wurde. Prinzipiell besteht zwischen einem COM-Objekt und einem ActiveX-Steuerelement heutzutage kein Unterschied mehr. Voraussetzung für ein COM-Objekt ist die Unter- stützung der Schnittstelle IUnknown. Zusätzlich dazu muß ein ActiveX-Steuerelement die Fähigkeit zur Selbstregistrierung besitzen. Die Methoden eines Steuerelements 66 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems müssen in der Verteilerschnittstelle definiert und mit folgendem Befehl IDispatch::Invoke aufgerufen werden. 4.1.4 Verwendung einer gemeinsamen Datenbasis Um auf die Daten des CAD-Systems aufbauen zu können, müssen diese zuerst in ein neutrales Datenformat gebracht werden. Um auf Daten in einer heterogenen Umge- bung relationaler oder nichtrelationaler Datenbankmanagementsysteme (DBMS) zu- greifen zu können, bietet Microsoft die Schnittstelle Open Database Connectivity (ODBC) an. Der ODBC-Standard besteht aus einer erweiterbaren Menge von DLLs, die eine Standardprogrammierschnittstelle für Datenbankanwendungen bereitstellen. ODBC basiert auf einer standardisierten Version der Sprache SQL (Structured Query Language). SQL ist eine Standardsprache für Datenbankabfragen mit eigener Syntax. Der ODBC-Standard definiert C-Programmschnittstellen für SQL-Datenbanken. Da- mit ist es nun möglich, mit demselben C++ Programm auf ein beliebiges Datenbank- managementsystem, das über einen ODBC-Treiber verfügt, zuzugreifen. Das zum Lie- ferumfang von Visual C++ gehörende ODBC-Software Development Kit (SDK) ent- hält 32-Bit Treiber für verschiedene Datenbanken, u.a. DBF-Dateien, MS Access, XLS-Dateien, FoxPro-Dateien oder SQL Server-Datenbanken. Die beiden wichtigsten ODBC-Klassen der MFC-Bibliothek heißen CRecordset und CDatabase. Objekte von CDatabase repräsentieren ODBC-Verbindungen zu Datenquellen und mit CRecordset können die Spalten von Datenbanktabellen wiedergegeben werden [64]. ODBC trennt die Benutzeroberfläche (Frontend) von der eigentlichen Datenbankver- waltung (Backend). Daher müssen Oberflächen-Tools und die Datenbank-Engine nicht vom gleichen Hersteller sein. Im Rahmen dieser Arbeit ist es jedoch von Vorteil hin- sichtlich der Programmierung, ein möglichst einfaches Datenbankmanagementsystem zu verwenden. Das Frontend zur Datenverwaltung ist ein eigenes Programm und das Backend, d.h. die Datenverwaltung wird mit MS Access durchgeführt. Das MDB- Format, das MS Access verwendet, speichert sämtliche Datenbanktabellen und Indizes in einer Datei. Über Schlüsselwörter ist der Benutzer in der Lage, rasch auf Datensätze zuzugreifen (indizierter Datenzugriff). Auch bietet MS Access Datenintegrität hin- sichtlich der Datenverarbeitung und eine Zugriffskontrolle im Mehrbenutzerbetrieb. In der MS Access Datenbank wird für jede abzuspeichernde Phase der Konstruktion eine Tabelle angelegt. Als Basis für diese Tabelle dienen die Daten des CAD- Programms (siehe Kapitel 4.1.2). Abhängig von der jeweiligen Konstruktionsphase (Konzeption, Entwurf, Ausarbeitung) können unterschiedliche Daten (z.B. Geometrie- daten, Parameter, etc.) vom CAD-System Solid Edge in die MS Access Datenbank übernommen werden. Hierbei können auch, sofern vorhanden, angelegte Strukturin- formationen (Strukturstückliste, Struktur der Features oder der Baugruppen, etc.) ein- gehen. 4.2 Analyse der Konstruktionsphasen 67 4.2 Analyse der Konstruktionsphasen Dieses Unterkapitel beschäftigt sich mit folgenden zwei Fragestellungen:  Welche Phasen der Entwicklung sind mit dem CAD-System abbildbar?  Welche Zuverlässigkeitsanalysen können mit diesen Phasen gekoppelt werden? 4.2.1 Phasenabbildung im CAD-System Konzeptphase In der Part-Umgebung beginnt die Konstruktion mit dem Skizzenmodus, in dem zwei- dimensionale Profile erstellt werden. Auf deren Basis werden dreidimensionale Bau- teile generiert, die mit ebenfalls dreidimensionalen Formelementen (Rippen, Verrun- dungen, Bohrungen, Formschrägen, Fasen, etc.) weiter ergänzt werden können. Der „Feature Pathfinder“ zeigt den Aufbau eines Volumenteils in Form von Umrissen an. Mit Hilfe des Feature PathFinders können Skizzen und Formelemente zur Bearbeitung ausgewählt, umbenannt oder neu geordnet werden. Darüber hinaus können diese Ele- mente im Feature PathFinder als Objekte angesprochen und ihre Eigenschaften mit den über die Programmierschnittstelle zugänglichen Funktionen von Solid Edge über- nommen und verändert werden. Die Konzeptphase der Entwicklung kann in dem Skiz- zenmodus des CAD-Systems Solid Edge abgebildet werden [76]. Das erste Konzept eines technischen Systems kann sich wie in Bild 4.6 darstellen. Da- zu ist im Sketchmodus des CAD-Programms eine Skizze erstellt worden. Die Funkti- onsweise wird in Teilfunktionen unterteilt, für die Baugruppen oder Bauteile verant- wortlich sind, Tabelle 4.1. Tabelle 4.1: Teilfunktionen und entsprechende Baugruppen Teilfunktionen Baugruppe Bauraumbegrenzung Gehäuse Initiierung Steuerung Kraft + Stellweg erzeugen Motor Kraft + Stellweg übertragen Übertragungsmechanismus Nehmerzylinder betätigen Geberzylinder Ausgehend von der Hauptfunktion und deren Aufgliederung erfolgt die Zuteilung zu geometrischen Einheiten. In diesem Beispiel resultieren die räumlichen Randbedin- gungen in den Abmessungen des Gehäuses. Die Hauptbauteile bzw. Baugruppen in- nerhalb des Gehäuses sind eine Steuereinheit, ein E-Motor zur Initiierung der Bewe- gung, der Übertragungsmechanismus, Federspeicher und Geberzylinder zur weiteren Übertragung und Schnittstelle zu anderen Systemen. Dadurch werden die ersten Funk- tionsstrukturen definiert. 68 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Bild 4.6: Konzeptphase im Skizzenmodus des CAD-Systems Entwurfsphase In der darauffolgenden Entwurfsphase können aus diesen zweidimensionalen Profilen dreidimensionale Bauteile (Parts) erstellt werden, die in der Assembly-Umgebung zu- sammengeführt und ausgerichtet werden können, Bild 4.7. Bild 4.7: Entwurfsphase in der Assembly-Umgebung des CAD-Systems Um die gefundene Grundkonzeption zu erhalten, bleiben die assoziativen Beziehungen zwischen den verschiedenen Teilen während der gesamten Konstruktionsphase beste- hen. So bleiben zwei zusammengefügte Teilflächen auch dann zusammen, wenn eines der Teile in der Part-Umgebung bearbeitet wird und weitere Formelemente hinzuge- fügt werden. Solid Edge behält diese Beziehungen während der Weiterentwicklung der Konstruktion automatisch bei. 4.2 Analyse der Konstruktionsphasen 69 Ausarbeitungsphase Ausgehend von diesem Gesamtentwurf können nun die Einzelteile ausgearbeitet wer- den, wobei der Zusammenbau immer im Hintergrund bleibt. Die Assembly-Umgebung wird nur verlassen, um einzelne Bauteile auszuarbeiten, Bild 4.8. Bild 4.8: Ausarbeiten einzelner Bauteile in der Part-Umgebung des CAD-Systems Die Veränderungen werden nach Beenden der Part-Umgebung sofort im Gesamtzu- sammenhang sichtbar. Auftretende Probleme wie z.B. Kollisionen können so direkt erkannt werden. Bei der Ausarbeitung werden die hinzugefügten Formelemente und deren Reihenfolge im Feature PathFinder aufgezeichnet. Die Formelemente können als Objekte über die Programmierschnittstelle angespro- chen und ihre Eigenschaften durch eine andere Anwendung verändert werden. Für die Erstellung von Formelementen steht die sogenannte „SmartStep“-Formatierungsleiste zur Verfügung, die durch die einzelnen Arbeitsschritte führt. Mit SmartStep können alle Arbeitsschritte separat zurückverfolgt werden. Wenn beispielsweise eine Rippe erstellt wurde, kann später jederzeit ihr Profil oder ihre Dicke verändert werden. Die ausgearbeiteten Bauteile und Baugruppen können wiederum in der Assembly- Umgebung zum gesamten System zusammengefügt werden, Bild 4.9. Die Struktur des Zusammenbaus wird in der Assembly-Umgebung im sogenannten „PathFinder“ fest- gehalten. Die Arbeit in einer Ansicht eines Baugruppenentwurfs wird durch den PathFinder erleichtert, da dieser Text und Symboldarstellungen der einzelnen Teile einer Baugruppe und deren Beziehungen zueinander in Form von Umrissen enthält. 70 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Damit können die Teile der Baugruppe und ihre Beziehungen identifiziert und akti- viert sowie verschiedene Darstellungsarten eingestellt werden. Der PathFinder erlaubt Konstrukteuren eine übersichtliche Darstellung und eine effektivere Bearbeitung von Baugruppen. Vor allem für Projektleiter, die vornehmlich mit der Verwaltung ver- schiedener Baugruppen betraut sind, ist dieses Werkzeug sehr nützlich. direkt zusammenführen Baugruppen bilden Bild 4.9: Zusammenfügen der Bauteile und -gruppen im Assembly-Modus Die Verwaltung der Dokumente erfolgt mit Hilfe des „PathFinders“ und des „Feature PathFinders“, mit denen sich die Struktur des Gesamtsystems übersichtlich in einer Strukturstückliste erkennen läßt. Zusammenfassend läßt sich die Abbildung der Hauptkonstruktionsphasen im CAD-System Solid Edge wie in Bild 4.10 darstellen. 4.2 Analyse der Konstruktionsphasen 71 Konzeption Entwicklungsphasen CAD-Unterstützung Skizzenmodus in der Part-Umgebung Grobentwurf – 3D Bauteile in der Part- Umgebung Zusammenbau Einzelteilentwurf im Assembly-Modus Entwurf Ausarbeitung Ausarbeiten der Einzelteile in der Part- Umgebung (Formelemente) Zusammenfügen der ausgearbeiteten Einzelteile im Assembly-Modus Bild 4.10: Abbildung der Entwicklungsphasen im CAD-System 4.2.2 Kopplung von Zuverlässigkeitsanalysen mit Entwicklungsphasen Einsatz der Zuverlässigkeitsmethoden im Entwicklungsprozeß Zuverlässigkeitsmethoden lassen sich innerhalb des gesamten Entwicklungsprozesses bestimmten Phasen zuordnen. Diese Analysen werden meist erst den späten Entwick- lungsphasen zugeordnet, wie ein Vergleich verschiedener Autoren zeigt, Bild 4.11. Roth [10] beispielsweise ordnet eine Schwachstellenanalyse erst der fertigungsgestal- tenden Phase zu. Pahl/ Beitz [77] betrachten Störgrößen und Schwachstellen erst zu Ende der Entwurfsphase. Autoren neuerer Zeit stellen die Methoden der Zuverlässigkeit- und Qualitätstechnik in ihrer Gesamtheit über dem Produktentwicklungsprozeß dar. Lenk beispielsweise [78] beschreibt den qualitätsorientierten Einsatz von Qualitätsmanagementmethoden über der Zeitachse der Produktphasen und berücksichtigt auch den Einsatzzeitraum der Methoden, Bild 4.12. 72 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Roth Pahl/Beitz Koller Rodenacker Aufgabe Aufgabe Produktplanung Aufgabe Formulieren Klären der Aufgabe Marktanalyse Klären d. Aufgabenstellung, Hauptaufgabe, Anweisung, Anforderungsliste Klären d. Aufgabenstellung, Anforderungsliste 1 Klären und Präzisieren der Aufgabenstellung Erarbeiten der Aufgabenstellung Geforderter Wirkzusammenhang Funktion entwickeln Konzipieren Funktionssynthese Funktion Funktion ermitteln, Allgemeine, logische, Funktionsstruktur 2 Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen Logischer Wirkzusammenhang Physikalisches Geschehen Effektträger zur Prinzipskizze entwickeln, Techn.-wirtschaftl. Bewerten 3.1 Suchen nach Lösungsprinzipien, Effektebene Physikalischer Wirkzusammenhang Qualitative Synthese Wirkort 3.2 Suchen nach Lösungsprinzipien, Gestaltebene Kinematischer Wirkzusammenhang Gestalten Struktur und Formgestalten Entwerfen Baustruktur entwickeln, Grobgestalten, Form, Werkstoff, Berechnen, Feingestalten, Techn.-wirtschaftl. Bewerten 4 Gliedern in realisierbare Module Konstruktiver Wirkzusammenhang Fertigungsgestalten Quantitative Synthese 6 Gestalten des gesamten Produkts Ausarbeiten Ausführungs- und Nutzungs- unterlagen, Fertigungs- unterlagen, Montage, Transport- Betriebs-, Prüfvorschriften 7 Festlegen der Ausführungs- und Nutzungsaufgaben Fertigungstechnischer Wirkzusammenhang Ablaufplan nach Konstr.- Phasen (Roth) H er st el lu ng st ec hn is ch e G es ta lte nd e G eo m et ris ch -s to ff lic he W irk pr in zi p Pr in zi pi el le W irk st ru kt ur VDI - 2221 Aufgabe Zweck- o. Hauptfunktionen, Gliedern der Teil- und Grundfunktionsstrukturen, Technisch-wirtschaftliches Bewerten Berechnen, Bemessen, Experimentelle Untersuchungen, Erprobung, Verbesserung, Detaillierung, Arbeitspläne erstellen, Fertigungs-, Montageunterlagen Zuordnen und Variieren von Effekten, Effektträger variieren, Prinzip darstellen, Auswählen der Lösungen für Gesamtkonzept, Gestalten, Entwerfen Gestalten 5 Gliedern in maßgebende Module Produktdokumente Prinzip finden Formulieren der Aufgabe Schwachstellenanalyse, Fertigungs-, Montage-, Transport- Recyclinggerecht, usw. Gestalten endgültiger Entwurf, Detaillieren, Tolerieren, Herstellungsunterlagen, Montage-, Betriebs-, Prüfvorschriften Strukturgestalt, Skizze, Konturen und Querschnitte entwerfen, Werkstoffe, Festigkeit, Montierbarkeit, Benennung, Funktionsintegration, Gesamtentwicklung, Techn.-wirtschaftl. Bewerten Entwickeln der prinzipiellen Lösung, Funktionen, Wirkprinzipien, Wirkstrukturen, Prinzipielle Lösungen, Varianten, Technisch-wirtschaftliches Bewerten Baustruktur endgültig gestalten, Schwachstellen, Störgrößen, Kostendeckung, Stücklisten, Fertigungsanweisungen A uf ga be n- st el lu ng Bild 4.11: Zuverlässigkeitsmethoden im Entwicklungsprozeß nach [77] Konzept Entwicklung Fertigungs- undMontageplanung Produktion Nutzung MEOST, KUD Prozeßsteuerung SPC - kartenQualitätsau Fertigungs- und ontageplanung Q ua lit ät so ri en tie rt er M et ho de ne in sa tz Zuverlässigkeitsanalyse --Systemanalyse --Qualitative Analyse: Risikoanalyse, System- und Konstruktions- FMEA, Fehlerbaum-, Ereignisablaufanalyse --Quantitative Analyse: Fehlerbaumanalyse, Berechnung von Kenn- größen nach Boole oder Markov Systemoptimierung Statistische Versuchsmethodik (DOE) für Produkt und Prozeß (z.B. Taguchi, Shaini) MEOST, KUD Prozeß-/ Arbeitsplatzgestaltung SPC (MFU / PFU), Prozeß- FMEA, Poka- Yoke-Prinzip, evolutionäre Optimierung (EVOP) Prozeßsteuerung SPC(Qualitätsregel- karten), Qualitätsaudit Felddaten- Analyse GW-Infos, Markstudien Service- Optimierung Kundenreports Quality Function Deployment House of Quality Zeitachse der Produktphasen Bild 4.12: Gesamtübersicht über Qualitätsmanagementmethoden nach [78] 4.2 Analyse der Konstruktionsphasen 73 Anwendungskopplung der Methoden mit dem Entwicklungsprozeß Viele Automobilhersteller (z.B. Ford, Iveco, DaimlerChrysler, etc.) haben ein Zuver- lässigkeitskonzept installiert, das jedoch nicht direkt mit dem Produktentstehungspro- zeß gekoppelt ist [77]. In der neuen Auflage des VDA-Bandes 3 Teil 1 [79] werden Aufgabenfelder und Meilensteine über den Produktentstehungsprozeß einander zuge- ordnet, Bild 4.13. Im zweiten Teil des VDA-Bandes werden Zuverlässigkeitsmethoden und -Hilfsmittel im Produktentstehungsprozeß von Konzeptions- bis Nutzungsphase ausführlich besprochen. Dabei werden die verschiedenen Methoden den Entwick- lungsphasen zugeordnet und zu Beginn ein Zuverlässigkeitsregelkreis vorgestellt [44]. Produktentstehungsprozesse, die kritische Systeme betreffen, besitzen oft einen spezi- ellen Sicherheitsprozeß, der mit dem eigentlichen Entwicklungsprozess eng verbunden ist [80]. Die Verbindungen der entwicklungsspezifischen Sicherheitsaktivitäten zum Entstehungsprozeß sind für das Beispiel einer elektrischen Steuerung in Bild 4.14 dar- gestellt. Projektunab- hängige Vor- entwicklung A uf ga be nf el de r Vorent- wick- lung Konzeption Produktenwicklung und Verifizierung Produktabnahme aus Kundensicht Planung und Verifizierung des Produktionsprozesses Beschaffung der Produktionsressourcen Fertigung und Nutzung Kontinuierlicher Verbesserungsprozess M ei le ns te in e Fr ei ga be z ur B es ch af fu ng un d H er st el lu ng v on Pr od uk tio ns re ss ou rc en E A bs ch lu ss V or en tw ic kl un g 0 Pr oj ek ta uf tra g/ an fr ag e Fr ei ga be z ur G ro b- en tw ic kl un g vo n Pr od uk t u nd P ro ze ss Fr ei ga be z ur D et ai l- en tw ic kl un g de s Pr od uk ts Fr ei ga be z ur D et ai l- Pl an un g de s Pr od uk tio ns pr oz es se s Fr ei ga be z ur Se rie np ro du kt io n Pr od uk tre vi ew M od el la us la uf / En ts or gu ng G F D C B A H Bild 4.13: Zuordnung Aufgabenfelder und Meilensteine [79] 74 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Preliminary Hazard Analysis Safety Require- ments Detailed Hazard Analysis Diagnostics, Design Safety Margins, ... Safety Verifica- tion Compre- hensive Safety Report System Safety Program Plan Require- ments Analysis Arch. Design Detailed Design Verifica- tion & Validation Production & Deploy- ment Conceptual Design Hazard Control Specifications Hazard Control Specifications Program Specific Safety Activities Bild 4.14: Beispiel eines integrierten Sicherheitsprozesses [80] released for pre- development (ITP) go ahead definition of basic concept order released for project intensivate market research develop- ment of basic concept assessing of alterna- tive drafts producing of a detailed concept product specifi- cation marketing M1 M3 M5 M7 M2 M4 M6 frame specification released concept of product selected authorization to offer (ATO) S/R Project Plan Start QFD Start of - System FHA - System FTA End of - System FHA - System FTA Start of - PSSAs - Prel. CCAs Start of - Failure Anal. - Failure Simul. - Failure Prob./ Rate determ. Start of - A/C FHA - A/CA FTA - UERF Anal. - Partic. Risk Start of - Dispatch Rel. Anal. - Concept Simul. Start of - Prel. IHAs - Prel. ECHAs ... ... Bild 4.15: Auszug aus dem Entwicklungsprozeß von DASA, Kopplung von Product- Development und Safety/ Reliability Documents [42] Im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik, in dem, beginnend mit dem Apollo- Programm, Methoden der Zuverlässigkeitstechnik aktiv angewandt wurden, besteht eine engere Verbindung mit dem Produktentstehungsprozeß [42]. Hauptsächlich wer- 4.2 Analyse der Konstruktionsphasen 75 den Techniken angewendet, die auf die Bewertung der Gefährdung (engl. hazard) ab- zielen, die vom System ausgeht. Bild 4.15 zeigt einen Auszug aus dem DASA- Entwicklungsprozeß, in dem eine Zuordnung von Zuverlässigkeitsmethoden und -dokumenten zu den Phasen des Entwicklungsprozesses erfolgt. Eine Verbindung des Produktentstehungsprozesses mit den Methoden und Ergebnissen der Zuverlässigkeitstechnik wird in [81] dargestellt. Die Vorgeschichte der Zuverläs- sigkeit und Wartbarkeit soll in der Form „Lessons Learned“ in den Lebenszyklus der Produktentstehung zurückfließen, Bild 4.16. Rebuild Basic Product Development Life Cycle Proposal Design Procure Build & Install Field Support Rebuild R&M Validation& Quality Planing R, M , LCC Analysis; Validation Verification Supplier Controls Mfg. Controls R&M History; „Lessons Learned“ Failure Reports; Corrective Actions Failure Reports; Corrective Actions Bild 4.16: Rückkopplung der Zuverlässigkeitsanalysen in den Produktentstehungsprozeß [81] Planung Entwurf Aus- arbeitung Fertigung Kunden- einsatzKonzeption Wieder- verwen- dung Zuverläs- sigkeits- ziele Lasten- heft - Unscharfe Daten - Berechnungen - Ausfallstatistiken - Erfahrungswissen - ... Zeit - ABC-Analyse - Design Review - FMEA - FTA - .... - Weibull, Exponential... - Versuchsplanung - Boolesche Theorie - Markov Modell - FTA - .... - Qualitäts- management - Audits - .... - Statistische Prozeß- planung - ... - Feldaten sammeln - Frühwarn- indikator - .... - Feldaten- auswertung - ...... - Recycling- potential - .... - Restlebens- dauer - .... Q ua lit at iv Q ua nt ita tiv Q ua lit at iv Q ua nt ita tiv Bild 4.17: Zuverlässigkeitsmethoden im Entwicklungsprozeß [82] 76 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Die Zuordnung von qualitativen und quantitativen Zuverlässigkeitsmethoden zu den Hauptphasen des Produktentstehungsprozesses ist auch in [82] zu finden. Bild 4.17 zeigt dies von der Planung bis hin zur Wiederverwendung. Bei allen vorgestellten Produktentstehungsprozessen werden die Methoden der Zu- verlässigkeitstechnik den Entwicklungsphasen mehr oder weniger genau zugeordnet. Jedoch bestehen wesentliche Mängel:  Die Durchgängigkeit der Methoden, d.h. die phasenübergreifende Anwendung ist nicht gegeben und  die Kopplung zu dem eigentlichen Entwicklungswerkzeug CAD-System wird nicht erwähnt bzw. fehlt vollständig. Daher wird in der vorliegenden Arbeit auf diese beiden Punkte das Hauptaugenmerk gelegt. Bezüglich der Entwicklungsphasen erfolgt eine Beschränkung auf die drei Hauptphasen: Konzeption, Entwurf und Ausarbeitung. Diese Phasen können mittels des CAD-Systems Solid Edge sehr gut dargestellt werden, siehe auch Kapitel 4.2.1 und Bild 4.10. 4.3 Analyse der notwendigen Zuverlässigkeitsdaten Nachdem zuvor der notwendige Aufbau, die Basis und die Form der Datenübergabe und -verwaltung für eine Zuverlässigkeitsdatenbank untersucht wurde, werden in die- sem Abschnitt die für die Zuverlässigkeitsmethoden notwendigen Daten betrachtet. Dieses Unterkapitel basiert auf dem VDA-Band 3 Teil 2 [44], in dem die Zuverlässig- keitstätigkeiten entlang des Entwicklungsprozesses beschrieben sind. 4.3.1 Zuverlässigkeitsziel und -anforderungen im Lastenheft Zu Beginn einer Entwicklung sind Zuverlässigkeitsziele zu ermitteln und festzulegen. Dafür existieren verschiedene Vorgehensweisen. Darüber hinaus müssen auch Zuver- lässigkeitsrisiken ermittelt werden. Kundenerwartungen ermitteln Zur Ermittlung der Kundenerwartungen stehen in der Planungsphase als Quellen die klassische Marktforschung, Benchmarkuntersuchungen, Kundenbefragungen, etc. zur Verfügung, siehe auch Kapitel 3.2.1. Die Ergebnisse dieser Methoden müssen hin- sichtlich Absatzgebiet, Markenimage, beabsichtigten Kundenkreis, Stand der Technik sowie Zeit und Ort der Befragung differenziert werden. Auch muß berücksichtigt wer- den, daß Befragungen selbst u.U. die Kundenmeinung beeinflussen. Die Kundenerwartungen beziehen sich auf Beanstandungen hinsichtlich Funktion bzw. Funktionsnichterfüllung und deren Folgen (wie z.B. Liegenbleiber, etc.). Daher müs- sen die Funktionen, auf die sich die Zuverlässigkeit bezieht, detailliert beschrieben sein. 4.3 Analyse der notwendigen Zuverlässigkeitsdaten 77 Die oftmals nicht immer objektive Kundensicht hinsichtlich Zuverlässigkeit drückt sich nicht in Zuverlässigkeitskennzahlen (siehe auch Bild 4.19) aus sondern in der An- zahl ungeplanter Werkstattaufenthalte pro Jahr. Unter Zuhilfenahme von Garantie- und Kulanz-Datenbanken müssen dann die zuverlässigkeitsrelevanten Beanstandungen ermittelt werden, woraus sich mathematische Zuverlässigkeitskennzahlen ableiten las- sen. Bei der Zuverlässigkeitsvorgabe wird die Fehlerfolge für das Gesamtprodukt mit- betrachtet und in Beanstandungsklassen (kritisch, hoch, mittel, gering) eingeteilt, Bild 4.18. Schwere- grad Beschreibung Bauteil / Komponente Beispiel Folge für den Kunden Kritisch Unmittelbare Gefährdung von Leib und Leben für den Benutzer oder andere Verkehrsteilnehmer bei Funktionsversagen Passives oder aktives Sicherheitsteil, Teil mit DmbA (Dokumente mit besonderer Archivierung nach VDA Bd. 1, 2. Auf- lage) Defekt an der Lenkung oder Radaufhängung, Reifenschaden, Defekt am Bremssystem, De- fekt am Airbag Unfall Hoch Es muß mit einem hohen Schaden am Fahrzeug, Schaden an der Umwelt oder Verletzung eines Gesetzes gerechnet wer- den Risikoteil, Teil mit DmbA Kolbenfresser, Beschä- digung des Katalysators Liegenbleiber mit sofortigem Werkstat- taufenthalt Mittel Die Hauptfunktion (Transport/ Beförderung) wird nicht erfüllt Standardteil Batterieausfall, Riss des Keilriemens, Verlust des Kühlmittels, Ausfall des Bremslichts Liegenbleiber mit Behebung vor Ort oder/ und sofortigem Werkstattaufenthalt (Notbetrieb) Niedrig Funktionseinbuße bei den Komfortfunktionen bzw. einer Redundanzfunktion Standardteil Innenraumbeleuchtung, Radioausfall Ungeplanter Werk- stattaufenthalt Bild 4.18: Klassierungsanalyse nach dem Schweregrad [79] Insbesondere bei gewerblichen Fahrzeugen spielen die laufenden Kosten eine größere Rolle als die Anschaffungskosten. Die Elementarkosten hinsichtlich Wartung, Repa- ratur und Stillstand beeinflussen maßgeblich die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs. Vergangenheitswerte und Wettbewerber analysieren Im Sinne einer kontinuierlichen Produktverbesserung werden von der laufenden Pro- duktserie Stärken- und Schwächenprofile erstellt, die sich z.B. aus internen Garantie- und Kulanzstatistiken erzeugen lassen. Ein Ergebnisvergleich der Versuche von Nach- folger- und Vorgängerprodukt ergibt frühzeitig Aufschluß über den Stand der Zuver- lässigkeit. Nur durch entwicklungsbegleitende Beurteilung von Wettbewerbsprodukten hinsichtlich Zuverlässigkeit kann die eigene Marktposition beurteilt werden. Oftmals werden auch öffentliche Wettbewerbsvergleiche aus Fachzeitschriften, TÜV- Statistiken, u.ä. herangezogen. 78 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Gesamtzuverlässigkeitsziel festlegen Das Zuverlässigkeitsziel wird durch eine oder mehrere Zuverlässigkeitskennzahlen beschrieben. In der Praxis gängige Größen sind Lebensdauerkennzahlen (Bq-Werte) bei einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit q in % (z.B. B10-Lebensdauer), Aus- fallraten bezogen auf eine bestimmte Zeitdauer, Überlebenswahrscheinlichkeit R(t), Ausfallquoten (parts per million: ppm) oder durchschnittliche Ausfallintervalle (Mean Time To Failure: MTTF), Bild 4.19. % 99.9 A us fa llw ah rs ch ei nl ic hk ei t F (t) 103 104 106 Lebensdauer t 90.0 63.2 50.0 30.0 20.0 10.0 5.0 3.0 2.0 1.0 0.5 0.3 0.2 0.1 4.0 Fo rm pa ra m et er b Pol 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.1 105 107 B10-Lebensdauer von 260.000 km MTTF von 2,5 Mio. km Exponential-Verteilung F(t) = e t Bild 4.19: Weibullnetz mit Zuverlässigkeitskennzahlen [44] Gesamtzuverlässigkeitsziel aufteilen Ausgehend vom Gesamtzuverlässigkeitsziel (Ausfallrate, B10-Lebensdauer, etc.) muß die Kennzahl der Gesamtsystemebene zunächst auf Untersysteme (Aggregate), an- schließend auf Baugruppen und abschließend auf die einzelnen Bauteile aufgeteilt werden. Dabei hat die Systemstruktur (Reihen- oder Parallelanordnung) einen großen Einfluß auf die Zuverlässigkeitsvorgabe. Im Maschinenbau üblich sind Systeme ohne redundante Anordnung, also eine reine Reihenschaltung hinsichtlich der Zuverlässigkeit. Falls auf Komponentenebene keine Besonderheiten vorliegen, kann im Sinne einer Abschätzung die geforderte Ausfallrate des Gesamtsystems gleichmäßig auf die einzelnen Komponenten verteilt werden, Bild 4.3 Analyse der notwendigen Zuverlässigkeitsdaten 79 4.20. Bei Neu- oder Anpassungsentwicklungen, kann die Gesamtausfallrate beispiels- weise auf Basis der Komplexität verteilt werden. Ebenso kann die Gesamtausfallrate eines Systems basierend auf der Kenntnis von Vorgängerprodukten verringert werden, um eventuell eine Kostenreduktion zu erzielen. Gibt es hingegen Systeme, deren Zu- verlässigkeit wettbewerbsentscheidend ist, so muß die Aufteilung der Gesamtzuverläs- sigkeit entsprechend erfolgen. Es besteht auch die Möglichkeit die Aufteilung anhand von Pannenstatistiken zu betreiben. ..... Fahrzeug Ziel Motor Ziel, Motor Getriebe Ziel, Getriebe Elektrik / Elektronik Ziel, Elektrik ..... Bremsassistent Ziel, Bremsassistent Elektrische Schaltung Ziel, Elektr. Schaltung ABS Ziel, ABS ..... Sensor Ziel, Sensor Ventil Ziel, Ventil Stecker Ziel, Stecker Ebene Baugruppe Ebene Untersystem Ebene Komponente Ebene System Ziel, Fahrzeug =  Ziel, Aggregate =  Ziel, Systeme =  Ziel, Komponente Bild 4.20: Aufteilung des Gesamtzuverlässigkeitsziels auf Untersysteme (Bsp. Fahrzeug) [44] Das Ausfallverhalten mechanischer Bauteile wird sehr gut durch die Weibullverteilung beschrieben, wobei häufig eine ausfallfreie Zeit t0 zu beachten ist. Hingegen kann das Ausfallverhalten elektrischer Bauteile idealisiert durch eine Exponentialverteilung be- schrieben werden. Die ausfallfreie Zeit hat am Anfang der Lebensdauerverteilung gro- ßen Einfluß auf die System-Zuverlässigkeit, so daß Bauteile mit ausfallfreier Zeit bis zu dieser Lebensdauer nicht mit in die Aufteilung der Systemzuverlässigkeit einbezo- gen werden müssen. Wird ein System als kritisch angesehen oder kann ein gefordertes Zuverlässigkeitsziel wirtschaftlich oder konzeptbedingt nicht erreicht werden, so lassen sich durch eine redundante Anordnung zuverlässigkeitsrelevanter Komponenten wesentlich kleinere Ausfallraten realisieren. Jedoch muß der Kostenaspekt mit in diese Überlegungen ein- bezogen werden. Im Lastenheft sind die Zuverlässigkeitsanforderungen anhand von Kennzahlen unter Berücksichtigung der Funktions- und Randbedingungen vorgegeben. Damit die An- forderungen auch verifizierbar sind, muß vor dem Feldeinsatz die Einsatztauglichkeit in Versuchsreihen erprobt werden. 80 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Erprobungsprogramms planen Grundlegend für die Erprobung ist eine Beschreibung der geforderten Funktion der jeweiligen Komponente oder des jeweiligen Systems. Zusätzlich sollten auch die we- sentlichen Nahtstellen und Wechselwirkungen mit anderen Bauteilen oder Baugruppen beschrieben sein. Darauf aufbauend werden die Ausfallkriterien oder Toleranzgrenzen bestimmt. Einwirkende Beanspruchung ermitteln und festlegen Ziel der Erprobung ist es, den Einsatz unter realen Bedingungen nachzubilden, um damit die Zuverlässigkeit der Systeme im Feldeinsatz abzusichern. Falls dies nicht möglich ist, müssen Korrelationen zwischen den Einsatzbedingungen im Feld und im Versuch ermittelt werden. Um Lastkollektive von Kunden genau ermitteln zu können, werden oftmals neben den internen Erprobungen Kundenerprobungen durchgeführt, die wiederum zur Optimierung der internen Erprobung dienen. Probandenzahl festlegen Mit steigender Probandenzahl steigt die Genauigkeit der experimentellen Ergebnisse. Unter Anwendung der Binomialverteilung läßt sich die mindestens benötigte Proban- denanzahl zum Nachweis einer Mindestzuverlässigkeit bei einer gewissen Aussage- wahrscheinlichkeit PA ermitteln, Bild 4.21. 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Stichprobenumfang n 100 M in de st zu ve rlä ss ig ke it R( t) in % PA = 90 % Mindeststichprobenumfang im „Success Run“ zum Erreichen einer B10-Lebensdauer = 22 Ein Ausfall x = 1 Zwei Ausfälle x = 2 Drei Ausfälle x = 3 Vier Ausfälle x = 4 Fünf Ausfälle x = 5 SUCCESS RUN d.h. keine Ausfälle (x = 0) B10-Lebensdauer 90 80 70 60 50 40 0 10 20 30 Bild 4.21: Zuverlässigkeit in Abhängigkeit von der Probandenzahl und der Zahl der Ausfälle bei einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit [44] Unter Berücksichtigung einer gewissen Aussagewahrscheinlichkeit wird die Proban- denzahl je nach Anzahl der Ausfälle auf verschiedene Erprobungsebenen verteilt. Üb- licherweise geht man von Null Ausfällen aus (Success Run). Die notwendige Anzahl der Probanden erhöht sich bei gleicher Aussagewahrscheinlichkeit drastisch, falls nicht 4.3 Analyse der notwendigen Zuverlässigkeitsdaten 81 geplante Ausfälle auftreten. Anhand des Nomogramms der kumulativen Binomialver- teilung [83] läßt sich noch besser ermitteln, wie die Größen Zuverlässigkeit, Aussage- wahrscheinlichkeit, Stichprobenumfang und Anzahl der Ausfälle zusammenhängen, Bild 4.22. A us sa ge w ah rs ch ei nl ic hk ei t P A 200 140 100 70 50 40 30 20 10 5 0 0 1 2 3 4 5 7 9 Zu ve rlä ss ig ke it R 0.999 0.9999 0.995 0.99 0.98 0.95 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.05 0.02 0.01 0.005 0.002 0.001 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 Success Run n = 22 Ausfälle x = 2 n = 52 x = A nz ah l d er A us fä lle in d er S tic hp ro be Stichprobenumfang n 100 0 700 500 400 300 200 140 100 70 50 40 30 20 10 5 Bild 4.22: Nomogramm der kumulativen Binomialverteilung [44] Beschleunigte Erprobung Um den zeitlichen und finanziellen Aufwand zu verringern, wird versucht das Lebens- dauerende durch beschleunigte Testverfahren eher zu erreichen. Dazu müssen die real auftretenden Beanspruchungen zu zeitlich komprimierten Lastkollektiven und Lastzy- klen zusammengefaßt werden. Durch eine Erhöhung der Lastamplitude einerseits oder durch Raffung der Beanspruchungsdichte andererseits kann eine Beschleunigung der Tests hervorgerufen werden. Für eine hohe Aussagekraft ist es unerläßlich die Korre- lationsfaktoren, die sogenannten Raffungsfaktoren, zu kennen. Bedingung für die Be- stimmung der Raffungsfaktoren ist eine Übereinstimmung des Schadensmechanis- 82 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems musses im Feld und in der Erprobung, die sich im Weibulldiagramm anhand parallel verlaufender Ausfallwahrscheinlichkeiten nachweisen läßt, Bild 4.23. % 99.9 A us fa llw ah rs ch ei nl ic hk ei t F (t) 1 10 1000 Lebensdauer t Pol 90.0 63.2 50.0 30.0 20.0 10.0 5.0 3.0 2.0 1.0 0.5 0.3 0.2 0.1 100 Verschärfte Beanspruchung bei anderem Ausfall- mechanismus Ausfallverteilung bei normaler Beanspruchung Verschärfte Beanspruchung bei gleichem Ausfallmechanismus Bild 4.23: Veränderung der Ausfallwahrscheinlichkeit bei verschärfter Beanspruchung Erprobungsergebnisse dokumentieren Je nach Dokumentationssystem sollte ein Zugriff auf bereits vorhandene Daten mög- lich sein. Darüber hinaus ist eine Unterscheidung der möglichen Ausfälle bzw. Aus- fallarten hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Gesamtprodukt und ihrer Schwere sinnvoll. Dies wird durch die sogenannte Klassierungsanalyse erreicht, siehe auch Bild 4.18. Eine Auflistung grundlegender Daten, die mindestens nach erfolgter Erprobung dokumentiert werden sollten, sind z.B.:  Teilebenennung, sofern erforderlich mit Einbauort,  Datum und Uhrzeit des Ausfalls,  Laufleistung bzw. Betriebsdauer bis zum Ausfall,  Schadensart,  Ausfallsymptome und Auswirkungen auf das Gesamtsystem,  Klassifizierung des Ausfalls,  eventuelle Folgeschäden,  sofortige Reparaturmaßnahme,  Ursache des Ausfalls, Befundung der Teile, 4.3 Analyse der notwendigen Zuverlässigkeitsdaten 83  konstruktive Abhilfemaßnahme für die Serie und  Verifikation dieser Abhilfemaßnahme. 4.3.2 Zuverlässigkeitsdaten aus der Verifikationsphase Die Komponenten eines technischen Systems sind je nach Umgebungsbedingungen, Funktion und Einsatzbereich sehr unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Daher muß in der Entwicklungsphase überprüft werden, ob diese den Belastungen über der geforderten Lebensdauer standhalten können. Dafür müssen Forderungen bezüglich Material-, Einbau-, Lebensdauerprüfungen, etc. genannt und spezifiziert werden. Relevante Prüfverfahren Die Basis für die Erstellung eines erzeugnisspezifischen Versuchsprogramms (Erpro- bungsplan) bildet ein Prüfauswahlblatt, in dem die für die Freigabe von Entwicklungen notwendigen Prüfverfahren aufgelistet sind, wie z.B.:  Statische Prüfungen (z.B. Festigkeit, Dichtheit, Blockieren, Abziehkräfte),  mechanisch-dynamische Prüfungen (z.B. Schütteln, Schwingen, etc.),  klimatische Prüfungen (z.B. Temperatur, Feuchte, Korrosion, etc.),  sonstige Prüfungen (z.B. elektrische Prüfung, Geräusch, etc.),  Prüfstandsdauerläufe,  Fahrzeugerprobung und  Erprobung beim Kunden. Die Prüfverfahren sind je nach Unternehmen standardisiert und werden individuell auf den Einzelfall abgestimmt. Versuchsprogramm Das eigentliche Versuchsprogramm wird erzeugnisspezifisch durchgeführt und beruht auf Erfahrungen mit Vorgängern und ähnlichen Erzeugnissen oder Überlegungen be- züglich der möglichen Ausfallmechanismen, Schwachstellen und Risiken. Das Vorge- hen könnte folgendermaßen aussehen:  Beanspruchungs-/Belastungsanalyse (Messungen im Fahrversuch),  Nachbildung dieser Belastungen im Versuch,  Auswahl der Prüfverfahren (Normen),  Festlegung der Prüfbedingungen, Prüfschärfe, Meßgrößen, Prüflingsanzahl,  Versuchsdurchführung,  Analyse und Beurteilung der Versuchsergebnisse (Demontagebefund, Funkti- onsprüfung, Sichtprüfung),  Bewertung der Ergebnisse und  Zuverlässigkeitsaussage. 84 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Um den Praxisbezug der Versuche zu verbessern, wurden spezifische Reihen- und Kombinationsprüfungen entwickelt. Reihenprüfungen sind eine Folge von Einzelprü- fungen, die den Alterungsprozeß möglichst gut nachbilden. Die Reihenfolge wird in einem Prüffolgeplan festgelegt. Bei Kombinationsprüfungen werden mehrere Bela- stungsarten kombiniert, z.B. dynamischer Schwingversuch bei verschiedenen Tempe- raturen. Erprobungsplan Der Erprobungsplan, der analog zum Prüfauswahlblatt gegliedert sein sollte, könnte folgendermaßen aussehen:  Erzeugnisdaten (z.B. Name, Sachnummer, Variante),  Anzahl der Prüflinge,  Vorgesehene Dauer (z.B. Anzahl von Stunden, Zyklen, Lastwechseln),  durchführende Abteilung und  Ergebnis. Mindeststichprobenumfang Eine Abschätzung kann durch die Binomialverteilung erfolgen, durch die deutlich wird, daß eine hohe geforderte Zuverlässigkeit bei großer Aussagewahrscheinlichkeit PA und akzeptabler Prüfzeit (geringeres Lebensdauerverhältnis LV) zu einem großen Mindeststichprobenumfang n ohne auftretende Ausfälle führt: )ln( )1ln( RL Pn b V A    . (4.1) Mit Hilfe von Überlegungen bezüglich maximal zulässiger Vertrauensbereiche für Kenngrößen der Weibullverteilung kann der Mindeststichprobenumfang ebenfalls ab- geschätzt werden [44], [84]. Mischverteilungen Von Mischverteilungen im Weibullschen Modell spricht man, wenn sich bei Auftra- gung der Ausfalldaten im Weibullnetz keine Gerade bildet sondern eine von der Ab- szisse (Zeitachse) weg gekrümmte Kurve. Mischverteilungen entstehen, wenn Pro- dukte unterschiedlicher Grundgesamtheiten zusammengefaßt werden [44]. Konkurrierende Ausfallmechanismen Konkurrierende Ausfallmechanismen liegen vor, wenn ein System aufgrund verschie- dener Ursachen ausfallen kann. Die Überlebenswahrscheinlichkeit des Systems be- rechnet sich dann aus dem Produkt der Überlebenswahrscheinlichkeiten der einzelnen Ausfallursachen [44]. Reduktion des Prüfaufwandes Die zum Nachweis der Zuverlässigkeitsforderungen notwendigen Prüfzeiten sind meist inakzeptabel. Daher versucht man die Prüfzeit (Typ I-Zensierung), die Anzahl der Ausfälle (Typ II-Zensierung) oder beides (Multiple Zensierung) vor dem Test zu 4.3 Analyse der notwendigen Zuverlässigkeitsdaten 85 begrenzen. Die statistischen Auswerteverfahren berücksichtigen dann die Unvollstän- digkeit der Daten. Zu nennen sind hier die Verfahren nach Nelson [85], der Sudden- Death-Test oder die Auswertung nach Johnson [86]. Eine weitere Möglichkeit den Prüfaufwand zu reduzieren ist die Laststeigerung. Spe- zialfälle hiervon sind der Step-Stress Test, bei dem in festgelegten Schritten die Last gesteigert wird [87], und der bekannte Wöhlertest [88]. Ein Test mit schrittweiser Laststeigerung für überwiegend elektrische Bauteile ist unter dem Namen HALT (Highly Accelerated Life Testing) bekannt [89]. Die Ausfallrate elektronischer Bauelemente erhöht sich erfahrungsgemäß mit höherer Temperatur. Diese Beziehung wird durch einen Arrhenius-Ansatz beschrieben. Für Metalle, die einer Wechselbeanspruchung mit Verformung bis in den plastischen Be- reich unterworfen sind, findet die sog. Coffin-Manson-Formel (inverse-power law) ihre Anwendung [85]. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Lebensdauerende aus dem gemessenen Verschleiß oder der Alterung hochzurechnen. Die Verbindung von Vorwissen über das Verhalten einer Zufallsgröße mit den Er- kenntnissen aus Versuchsergebnissen liefert eine verbesserte Information über diese Zufallsgröße. Diesen Zusammenhang kann man sich mittels der Bayesschen Statistik zunutze machen [90]. Die Anwendung im Rahmen der Schätzung der Zuverlässigkeit eines Systems wird in [91] beschrieben. Ein praktischer Ansatz zur Bayes-Methode stammt von Beyer/ Lauster [92]. Korrelation Versuch-Feld Um die Zuverlässigkeit von Systemen und ihrer Komponenten zeitraffend nachweisen zu können, muß der Zusammenhang zwischen den verschärften und den tatsächlichen Bedingungen im Feld bekannt sein. Beispielsweise besitzen die gleichen Ausfallarten von Feld und Versuch im Weibullnetz dieselbe Ausfallsteilheit. Die Verteilungen sind lediglich um einen gewissen Betrag auf der Zeitachse verschoben. Dieser Raffungs- faktor gibt das Verhältnis der Lebensdauer im Feld zur erreichten Lebensdauer im Versuch an, siehe auch Bild 4.23. Zuverlässigkeitswachstum Das Zuverlässigkeitswachstum oder Reliability Growth Management (RGM) ist ein Konzept zur Planung, Verfolgung und Visualisierung der Zuverlässigkeit von Syste- men während der Entwicklung. Von Duane [93] wurde beobachtet, daß die Zuverläs- sigkeit eines Systems im Zuge seiner Entwicklung nach einer gewissen Gesetzmäßig- keit zunimmt. Weitere Literatur findet sich in [94] und [95]. Systemzuverlässigkeit Bei der Ermittlung der Zuverlässigkeit eines Gesamtsystems ist die Anordnung der Subsysteme, Baugruppen und Einzelteile entscheidend: Reihen-, Parallel- oder Mischanordnungen. Bei mechanischen Systemen ist meist davon auszugehen, daß eine 86 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Serienanordnung vorliegt und somit der Ausfall irgendeiner Einheit den Ausfall des Gesamtsystems zur Folge hat. Statistische Versuchsplanung Da es sich bei Lebensdauerversuchen meist um geplante Versuche handelt, wird die statistische Versuchsplanung selten eingesetzt. Sie wird angewendet, falls ein Lebens- dauermerkmal in Abhängigkeit von mehreren Parametern, wie z.B. Designkombina- tionen oder Werkstoffpaarungen untersucht werden soll. Eine ausführliche Beschrei- bung der Methode findet sich in [96]. 4.3.3 Zuverlässigkeitsdaten aus der Nutzungsphase Felddaten besitzen gegenüber Versuchsdaten den Vorteil, daß sie die tatsächlichen Gegebenheiten widerspiegeln. Jedoch sind sie schwer und meist unvollständig erfaß- bar. Entsprechend dem Auftreten werden Felddaten folgendermaßen unterteilt [44]:  Daten, die kurz nach Serienanlauf anfallen (Erkennen von Serienschäden, schnelle Information durch Werkstätten),  Daten, die während der Gewährleistungszeit anfallen (Vorhersage von Ge- währleistungskosten, Informationsquelle für Zuverlässigkeitsplanung) und  Daten, die nach der Gewährleistungszeit anfallen (mögliche Erweiterung der Gewährleistungszeit, Erfüllung der Forderung nach Produktbeobachtung, In- formationsquelle für Zuverlässigkeitsplanung, Vermeidung von Imageproble- men, etc.). Datenquellen und -erhebung Die aktive Datenerfassung durch gezielte, regelmäßige und umfassende Befragung von Großkunden, Händlern, Reparaturbetrieben oder Endkunden liefert die qualitativ besten Daten. Die wichtigste Datenquelle bildet die firmeninterne Gewährleistungs- oder Qualitätsdatenbank, die sich jedoch oftmals nur auf den Gewährleistungszeitraum beschränkt. Indirekte Informationsquellen sind zudem der Ersatzteilbedarf oder die Anzahl von Austauschteilen. Befundungen können qualitative Aussagen über Scha- densverläufe und Risikopotentiale liefern, auf deren Basis eventuell quantitative Ana- lysen aufbauen. Wesentliche Informationsquelle ist der Austausch zwischen Betreiber, Hersteller, Lieferant und Unterlieferanten bzw. Dienstleistern. Weitere Felddaten fal- len auch als Nebenprodukt an, wie z.B. Fahrzeuguntersuchungen innerhalb der regel- mäßigen Wartungen. Öffentlich zugängliches Datenmaterial kommt z.B. aus [44]:  Amtlichen Stellen, z.B. in den USA: Government-Industry Data Exchange Pro- gram, Technical Information Center, Reliability Analysis Center, National In- formation Service,  Statistiken des Kraftfahrtbundesamtes,  Daten der Bundesanstalt für Straßenwesen,  Datensammlungen der Versicherungsträger, 4.3 Analyse der notwendigen Zuverlässigkeitsdaten 87  Ergebnisse der regelmäßigen Fahrzeuguntersuchungen (TÜV-Autoreport, DE- KRA, etc.),  Berichte und Pannenstatistiken der Automobilvereine (z.B. ADAC-Datenbank, AVD-Aussagen, etc.),  Informationsdienste einzelner Firmen (z.B. Bosch-Dienst) und  Publikationen in Zeitungen und Zeitschriften. Datentransfer und -qualität Bei dem Transfer der Daten sollten standardisierte Verfahren angewendet werden, die z.B. Fehlerschlüssel und Produktionsnummern verwenden. Nachfolgend sind mögliche Fehlerquellen aufgelistet, die den Datentransfer und die Datenqualität negativ beein- flussen: a) Daten sind fehlerhaft:  Datenerfassung unvollständig, Bestimmung von Fehlerarten nicht möglich,  Fehler werden gar nicht gemeldet oder Fehlermeldung ohne Daten,  Fehlerkennung oder Teileidentifikation stimmt nicht,  Fehleranalyse oder Verschlüsselung ist falsch,  Art der Beanstandung bzw. des Fehlers ist falsch,  Eingabefehler (Tabellen, Berichte, Rechnerlisten) oder Datenpräzision ist nicht ausreichend,  Gemeldete Stückzahlen sind falsch, damit werden Ratenberechnungen falsch; Datenzuverlässigkeit nicht vorhanden,  Häufige Fehlercodes bleiben im Gedächtnis der Formularausfüller und wer- den bevorzugt benutzt,  Vorsortierung bei Anerkennungsquotenermittlung, dadurch keine Übertrag- barkeit der Quoten und  große Unterschiede bei Fehlermeldung und anschließender Befundung. b) Zuordnung von Daten ist fehlerhaft:  Datenzuordnung ist nicht überprüfbar,  Daten den falschen Fahrzeugen bzw. falschen Teilen zugeordnet oder Daten auf Fahrgestellnummer bezogen, nicht auf Teil,  Teilenummer bezieht sich nicht auf beanstandetes Teil, sondern auf neu eingebautes Teil,  Laufleistungsangaben beziehen sich auf das Fahrzeug, nicht auf das Teil, d.h. Reparatur oder Teilaustausch kann schon stattgefunden haben,  bei Zeitangaben: Sind Unterschiede bekannt und werden sie berücksichtigt zwischen Zeitpunkt von Produktion des Teils und Produktion des Fahrzeugs, Auslieferung ins Lager, Auslieferung an den Händler, Auslieferung an den Kunden und Inbetriebnahme durch den Kunden, Zeitpunkt vom Ausfallter- 88 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems min des Teiles, Ausfalltermin des Fahrzeuges, Ausfallbefundungstermin und Ausfallmeldungstermin,  Belastungszeit der Bauteile ist nicht erfaßt oder nicht bekannt und  Unsicherheit über ”mileage”-Angabe: Sind die Daten aus Ländern mit nicht-metrischen Angaben schon umgerechnet oder nicht? c) Reproduzierbarkeit von Daten ist nicht gegeben:  Fehlermeldung ist nicht nachprüfbar,  mangelnde Reproduzierbarkeit von Befundungen, z.B. Geräusche werden reklamiert und können nicht reproduziert werden,  Fehler treten nur bei eingebauten Teilen auf,  Zerstörung des Teils beim Ausbau, danach keine Befundung mehr möglich oder Zerstörung des beanstandeten Teils durch die Befundung,  Fehler an anderen Teilen werden verursacht durch Befundung und  gemeldeter Zusammenhang Fehler-Ursache ist nicht nachvollziehbar. d) Einfluss von Umständen oder Betriebsbedingungen:  Betriebsbedingungen beeinflussen das Geschehen erheblich, großen Ein- fluss haben: Viele Stadtfahrten, Taxis, Anhängerbetrieb,  Lieferantenfahrzeug, d.h. häufiger Fahrerwechsel,  Standzeiten im Winter,  Fehler tritt nicht am (ausbaubaren) Teil auf, sondern in der Zusam- menwirkung Teil-Umfeld und  Kommunikationsprobleme: Verallgemeinerungen, Mißverständnisse, Vor- urteile, mangelnde Information. Datenerfassung Die Frage, welche Daten gespeichert werden sollen, läßt sich nur aus der Aufgaben- stellung heraus beantworten, die meist bei Beginn der Datensammlung nicht völlig klar ist. Die wichtigsten Daten lassen sich unterteilen in Identifikationsdaten und Fahr- zeugeinsatzdaten [44]: a) Identifikationsdaten:  Baureihe, Baumuster, Modell, Typ, Hersteller-Sachnummer,  Fahrgestellnummer, Aggregatenummer, Teilenummer, Seriennummer,  Hersteller und  Produktionsdatum, Produktionsort, Produktionsstückzahl für jede durch Auswahlparameter festgelegte Variante. b) Fahrzeugeinsatzdaten:  betroffenes Fahrzeug, Schadensteil, Teile-Index,  Entwicklungsstand, Elektronik: Hardwarestand, Softwarestand, 4.3 Analyse der notwendigen Zuverlässigkeitsdaten 89  Fahrstrecke des Teils bzw. des Fahrzeugs,  Einsatzgebiet (Verkaufsgebiet) und Einsatzart (Kurzstrecke, Baustelle, Fernverkehr, Lieferverkehr, Taxi),  Zulassungsdatum,  Umweltbedingungen beim Fehlerfall, Schadensort, Befundnummer,  Fehlercode des Lieferanten, Fehlerbeschreibung im Klartext, Prüfcodeaus- druck,  Schadenswirkung (Bezeichnung des Mangels, z.B. durch Kunden),  Befundung (durch technischen Fachmann),  Schadensursache,  Gewährleistungs-Anerkennung (evtl. verschlüsselt),  Abstellmaßnahmen, Ersatzteil, Reparaturdatum, Kosten (Lohn, Material, Handhabung), Werkstatt und  Gewährleistungsdaten/ Vergütungsart (Gewährleistung, Kulanz, Ausliefer- mangel). Nach der Datenanalyse kann die darauf aufbauende Schadensanalyse erfolgen. Mögli- che Vorgehensweisen für das Erkennen der eigentlichen Schadensursache können sein:  Analyse der Beanstandung in der Werkstatt,  Befragung der Kunden oder des Werkstattpersonals,  Analyse der schadhaften Teile beim Hersteller,  Analyse der Einsatzbedingungen (Belastung, Bedienung),  Reproduktion des Schadens im Labor und  Werkstoffprüfung. Weitere Strategien für die Schadensanalyse ist eine Schadensauflistung, die als Grundlage jeder weiteren Datenanalyse dient und mittels der sich Schäden, z.B. be- züglich Produktionszeit, einschränken lassen. Die Schadensfrüherkennung soll Trend- faktoren für notwendige Maßnahmen liefern. Um Einflüsse von Konstruktions-, Pro- duktionsänderungen oder Lieferantenwechsel einschätzen zu können, sollte im Rah- men der Schadensbeobachtung die Beanstandungshäufigkeit fortgeschrieben werden. Die häufigsten und teuersten Schäden werden in einer Rangordnungsliste priorisiert. Mit einer Schadensübersicht werden für das Management die Beanstandungen und deren Zielwerte gegenübergestellt, z.B. in einem Kuchendiagramm. In der Nachge- währleistungszeit ist die Beschaffung von Felddaten schwieriger als im Gewährlei- stungsbereich. Von Großabnehmern oder ausgewählten Kunden kann sich der Her- steller die notwendigen Informationen beschaffen. 90 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Fehleranalyse- und Management Unter Fehleranalyse versteht man die zielgerichtete Ermittlung von Ursache-Wirkung- Zusammenhängen. Das Fehlermanagement lässt sich durch die Schlagworte Fehlerer- fassung, Fehlerkorrektur und Fehlerauswertung charakterisieren. Auswertung von Felddaten Für den Gewährleistungszeitraum liegen im Regelfall durch die Rückkopplung vom Kunden über den Händler bis zum Hersteller vollständige Produktdaten vor, die sich mit Hilfe des Weibulldiagramms auswerten lassen. Im Nachgewährleistungszeitraum liegen meist unvollständige Daten vor, die z.B. mittels des Sudden Death Test [44] ausgewertet werden können. Korrelation mit Versuchsdaten Um die Versuchsbedingungen den tatsächlichen Beanspruchungen anzunähern, exi- stieren mehrere Vorgehensweisen, wie z.B. Beanspruchungsanalysen, Labortests oder Zuverlässigkeitsvergleiche ähnlicher Elemente, wobei der Ausfallmechanismus im Feld und Versuch derselbe sein muß. Die Auswertung der Ausfalldaten aus Versuch und Feld wird im Weibullwahrscheinlichkeitsnetz durchgeführt. Bei parallelen Aus- gleichsgeraden läßt sich der Raffungsfaktor, das Verhältnis Versuch zu Feld, berech- nen, siehe auch Kapitel 4.3.2 und Bild 4.23. 4.3.4 Zuverlässigkeitsdaten aus Datenbanken Da Zuverlässigkeitsdaten zum Know-how der jeweiligen Hersteller gehören, sind sie nicht öffentlich verfügbar. Dennoch gibt es einige Quellen, die nachfolgend den Fach- gebieten zugeordnet werden. Elektrik und Elektronik Bei den Ausfällen von elektronischen Bauteilen handelt es sich meist um sogenannte Zufallsausfälle. Diesen mittleren Bereich der Badewanne kann man mit einer kon- stanten Ausfallrate beschreiben. Angaben darüber findet man in Datenblättern oder Veröffentlichungen der Hersteller, in firmenspezifischen Normen [97], in Prüfberich- ten der Luft- und Raumfahrt [42] oder im MIL-Handbook 217 (Reliability Prediction of Elec-tronic Equipment) [98]. Mechanik Die Parameter der Verteilung, mit der sich das Ausfallverhalten mechanischer Bauteile am besten beschreiben läßt, können Garantie- und Kulanzstatistiken, Auswertungen zugänglicher Fremdliteratur und Forschungsberichten oder firmeneigenen Versuchen entnommen werden. Das Ausfallverhalten mechanischer Bauteile läßt sich am besten mit der dreipara- metrigen Weibullverteilung beschreiben. Das Problem beim Aufbau einer Datenbank für die Parameter b, T, und t0 besteht darin, daß diese statistischen Parameter von den Einflußgrößen Form, Werkstoff, Bearbeitung und Belastung abhängen. Damit sind die 4.4 Analyse der CAD-integriert anwendbaren Zuverlässigkeitsmethoden 91 Bauteil-Parameter für jeden Einsatzfall unterschiedlich. In [2] werden für die statisti- schen Parameter der Weibullverteilung Streubereiche angegeben, welche die Vertrau- ensbereiche und die Belastungshöhe berücksichtigen. Z.B. steigt der Formparameter b bei Zahnrädern und Wellen mit steigender Belastung an. Die Zuverlässigkeitsdatenbank „ZUDIMA“ [99] enthält Weibullparameter einiger Bauteile, wie z.B. Zahnräder, Wellen oder Lager mit Quellenangabe. 4.4 Analyse der CAD-integriert anwendbaren Zuverlässig- keitsmethoden Die Zuverlässigkeitsdaten, die im vorigen Kapitel 4.3 ausführlich untersucht wurden, dienen als Basis für die phasenübergreifend anwendbaren Zuverlässigkeitsmethoden aus Kapitel 3.2 und 3.3. Grundsätzlich sind alle Ergebnisse der jeweiligen Methoden über der Entwicklung fortzuschreiben. Jedoch können im Rahmen dieser Arbeit nur diejenigen Methoden betrachtet werden, die integriert zu dem rechnerunterstützten Konstruktionsprozeß angewendet werden können. Analog zu der Abfolge in Kapitel 2, werden nachfolgend die Zuverlässigkeitsmethoden hinsichtlich eines CAD-integrierten Einsatzes betrachtet. ABC-Analyse Eine Analyse mit dem Ziel einer einfachen Priorisierung kann bereits in der Konzept- phase durchgeführt werden. Das jeweilige Ergebnis wird dann bei Entwicklungsfort- schritt aktualisiert und gegebenenfalls abgeändert. Damit können während der gesam- ten CAD-Entwicklung die kritischen und unkritischen Bauteile und Baugruppen trans- parent dargestellt werden. Fehler Möglichkeits- und Einflußanalyse Basierend auf einer vorläufigen Stückliste oder Baugruppenliste des ersten Konzepts, kann eine Konzept-FMEA erstellt werden. Aufbauend darauf und auf der Weiterent- wicklung des geometrischen Modells wird die Konzept-FMEA in verschiedene Unter- FMEAs aufgespaltet, die sich mit möglichen Fehlfunktionen kritischer Baugruppen befassen. Fehlerbaumanalyse und Ereignisablaufanalyse Im Konzeptstadium werden die geometrischen Bauteile strukturiert in einem groben Fehlerbaum zusammengestellt, der mit zunehmendem Entwicklungsfortgang verfei- nert und aufgeteilt wird. Darüber hinaus werden die Elemente des Fehlerbaums zu- nehmend mit quantitativen Daten versehen, so daß frühstmöglich der kritische Pfad und das kritische Element erkannt und optimiert werden können. Bei der Ereignisablaufanalyse gilt analog die zur Fehlerbaumanalyse beschriebene Vorgehensweise, wobei zusätzlich zu den möglichen Ausfällen, alle Ereignisse be- trachtet werden. 92 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems Boolesche Theorie Im Konzeptstadium sollte eine Grobstruktur erstellt werden, die im Zuge der Weiter- entwicklung verfeinert und verändert wird. Durch eine zunehmende Belegung der Sy- stemelemente mit quantitativen Daten kann die jeweilige Systemzuverlässigkeit der Entwicklungsphase berechnet werden. Mittels des Boole-Markoff-Modells kann die Dauerverfügbarkeit bei Angabe der Reparaturrate  sowie der Ausfallrate  ermittelt werden. 4.5 Entwurf der Programmodule Folgende Teilprogramme, die unter Verwendung von MS Visual C++ entwickelt wur- den [64] - [75], stehen dem Konstrukteur während der Produktentwicklung zusätzlich zu dem CAD-System zur Verfügung:  Der Lebensdauermanager und  der Systemstruktureditor mit der graphischen Darstellung der Ergebnisse. Die Anordnung der Teilprogramme auf der Arbeitsoberfläche sollte so aufgebaut sein, daß diese gleichzeitig zusammen mit dem CAD-System sichtbar sind und dadurch ein einfaches Wechseln zwischen den einzelnen Anwendungen möglich wird. 4.5.1 Der Lebensdauermanager KOSYMA Unter dem Begriff „konstruktionsbegleitender Systemlebensdauermanager“ (KOSYMA) werden mehrere Teilmodule vereint: Modul zur Aufnahme und geordneten, d.h. phasenbezogenen Ablage der Daten Dieses Modul stellt das sogenannte Frontend für den Benutzer, also für den Konstruk- teur dar, um alle zuverlässigkeitsrelevanten Daten konstruktionsphasenorientiert able- gen zu können. Darüber hinaus sollen die einmal abgelegten Daten auch für weitere, folgende Konstruktionsphasen verwendet werden können. Gleichzeitig organisiert das Programmodul auch die geordnete Ablage der Daten. Mittels einer MS Access-Datenbank können Tabellen für die Datenablage in den ver- schiedenen Konstruktionsphasen verwendet werden. Mit diesen Datentabellen können den Objekten des CAD-Systems Zuverlässigkeitsdaten zugeordnet werden, deren Ein- gabe über das „Frontend“ des Lebensdauermanagers erfolgt. Für jede der CAD- Konstruktionsphasen Konzeption, Entwurf und Ausarbeitung wird eine Datentabelle zur Verfügung gestellt. Mittels Beziehungen zwischen den einzelnen Tabellen können die Daten von anderen CAD-Entwicklungsphasen objektbezogen, ganz oder auch teil- weise, übernommen werden. Modul zur Abfrage und Übernahme von qualitativen und quantitativen Daten In das Frontend zur Dateneingabe ist eine Schaltfläche integriert, mit der sich eine Zu- verlässigkeitsdatenbank aufrufen läßt. Z.B. lassen sich Weibullparameter bestimmter 4.5 Entwurf der Programmodule 93 Bauteile über die Zwischenablage in das Eingabemodul einfügen. Genauso lassen sich bestimmte qualitative Daten (wie z.B. Ausfallarten, Ausfallursachen, etc.) aus einer weiteren Datenbank in die Zwischenablage übernehmen. Den Entwurf der Integration von zuverlässigkeitsrelevanten Daten mit CAD-Daten zeigt Bild 4.24. KOSYMA-Frontend Entwicklungsphasenbezogene Eingabe von zuverlässigkeits- relevanten Daten, Eingabe von qualitativen und quantitativen Zuverlässigkeits- daten, Abfrage und ggf. Übernahme von Zuverlässigkeitsdaten aus Datenbanken, ... Daten des CAD-Systems Geometrische Daten, Struktur, Sachnummer, ... O D B C KOSYMA-Backend Strukturierte Ablage dieser Daten, Phasenbezogene Beziehungen zwischen den Daten, ... OLE Automation OLE Automation Bild 4.24: Konzept der Integration von zuverlässigkeitsrelevanten Daten mit CAD-Daten Vorgehensweise Während der Arbeit im CAD-System kann der Konstrukteur, ohne die CAD- Umgebung zu verlassen, den Lebensdauermanager starten. Hier trägt der Konstrukteur die relevanten Lebensdauermerkmale ein, die in einer Access-Datenbank abgelegt werden. Einen Auszug aus der Speicherung der Lebensdauerdaten zeigt Bild 4.25. Sowohl qualitative als auch quantitative Lebensdauerdaten können vermerkt werden. Bild 4.25: Ablage der Lebensdauerdaten, Auszug 94 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems 4.5.2 Der Systemeditor SYSEDIT Modul zur phasenbezogenen Analyse des Systems Mit diesem Software-Modul können auf Basis der vorhandenen Daten sowohl qualita- tive als auch quantitative Zuverlässigkeitsanalysen durchgeführt werden. Es lassen sich Strukturen erstellen und phasenbezogen ablegen. Damit wird eine Wiederverwen- dung der Analyseergebnisse bzw. ein Rückgriff auf diese in fortgeschrittenen Kon- struktionsphasen möglich. Nach erfolgter Kopplung der Daten aus dem CAD-System mit dem Lebensdauerma- nager können den geometrischen Objekten zuverlässigkeitsrelevante Daten zugewie- sen werden. Auf der Grundlage dieser gemeinsamen Datenbasis kann die Zuverlässig- keitsanalyse erfolgen. Die einzelnen Ergebnisse dieser Analyse sollen phasenbezogen zusätzlich zu den Daten in der Datenbank abgelegt werden. Im Systemeditor kann zwischen der Erstellung einer Booleschen Systemstruktur oder eines Fehlerbaums und der graphischen Ausgabe der Ergebnisse im Weibullnetz ge- wechselt werden. Die Systemstruktur kann dabei direkt erstellt werden. Die Ergebnisse der Analyse werden im Graphikmodus ausgegeben (Weibullnetz). Vorgehensweise Das Programm SYSEDIT, mit dem die Systemstruktur festgelegt wird, greift auf die Daten des Lebensdauermanagers KOSYMA zu und verwendet sie für die Systembe- rechnungen, wie z.B. nach Boole oder FBA. Mittels des graphischen Modus können die verschiedenen Zuverlässigkeitskenngrößen des untersuchten Systems dargestellt werden. In dem Hauptprogramm werden die Ergebnisse ermittelt und im CAD-System visualisiert. Das durch die Analyse gefundene kritische Teil bzw. der ermittelte kriti- sche Pfad wird hervorgehoben, um dem Konstrukteur ein optisches Signal zu geben, daß der Systemausfall (Topevent) von diesem Systemelement bzw. von den in diesem Pfad enthaltenen Systemelementen in erster Linie abhängt. Graphikmodul Mit dem graphischen Modul lassen sich die verschiedenen Zuverlässigkeitsparameter über der Zeit graphisch übersichtlich darstellen. Die Weibull-, Normal-, Lognormal- und Exponentialverteilung stellen die Lebensdauerverteilungen der Einzelkomponen- ten sowie des Gesamtsystems dar. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, für verschiedene Methoden der Zuverlässigkeitstechnik unterschiedliche Oberflächen zu verwenden. Z.B. kann der kritische Pfad eines Fehlerbaums bei Selektion eines Schalters („Icon“) rot angezeigt werden, so daß der Konstrukteur die Bauteile erkennt, die bezüglich der geforderten Zuverlässigkeit zu verbessern sind. Das Konzept der CAD-Integration der Zuverlässigkeitsanalyse auf Basis der Daten- bank des Lebensdauermanagers zeigt Bild 4.26. 4.5 Entwurf der Programmodule 95 Lebensdauermanager-Frontend Entwicklungsphasenbezogene Eingabe von zuverlässigkeits- relevanten Daten, Eingabe von qualitativen und quantitativen Zuverlässigkeits- daten, Abfrage und ggf. Übernahme von Zuverlässigkeitsdaten aus Datenbanken, ... Lebensdauermanager-Backend Strukturierte Ablage dieser Daten, Phasenbezogene Beziehungen zwischen den Daten, ... Daten des CAD-Systems geometrische Daten, Struktur, Sachnummer, ... O D B C OLE Automation OLE Automation Analysetool Qualitative und quantitative Zuverlässigkeitsanalysen und -ergebnisse, Grafische Ausgabe, ... O D B C OLE Automation Bild 4.26: Konzept der CAD-Integration der Zuverlässigkeitsanalyse auf Basis der Datenbank 4.5.3 Gesamtanordnung des Systems Der Entwurf der Kopplung des CAD-Programms Solid Edge mit den eigenentwickel- ten Software-Modulen stellt Bild 4.27 dar. CAD-System Stückliste Lebensdauermanager Zuverlässigkeitsanalyse 2 1 3 4 5 6 7 Bild 4.27: Konzept der CAD-Integration der Zuverlässigkeitsanalyse Ausgehend von dem CAD-System (1) werden die geometrischen Objekte in der Stückliste strukturiert dargestellt (2). Durch die Kopplung (3) mit dem Lebensdauer- manager werden den geometrischen Objekten phasenbezogen Zuverlässigkeitsdaten 96 4 Analyse und Entwurf eines CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems hinzugefügt (4). Durch die weitere Kopplung mit dem Programm zur Zuverlässig- keitsanalyse (5) können auf dieser Datenbasis Zuverlässigkeitsmethoden angewendet und eingesetzt werden (6). Die Ergebnisse dieser Zuverlässigkeitsanalysen werden phasenbezogen zusätzlich zu den eigentlichen Zuverlässigkeitsdaten abgespeichert sowie im eigentlichen Entwicklungswerkzeug CAD-System sichtbar gemacht (7). Die Verwendung der Zuverlässigkeitsdatenbank ZUDIMA [99] zeigt Bild 4.28. Aus- gehend vom Lebensdauermanager können in der Zuverlässigkeitsdatenbank Daten von passenden Bauteilen ausgewählt (4a) und als Basis für die nachfolgende Analyse übernommen werden (4b). Zuverlässigkeitsdatenbank: Auswahl und Übernahme von Daten CAD-System Stückliste Lebensdauer- manager Zuverlässigkeits- analyse 2 1 6 7 3 5 4a 4b Bild 4.28: Verwendung der Zuverlässigkeitsdatenbank ZUDIMA Datenablage Jeder Hauptkonstruktionsphase kann eine Datentabelle zugeordnet werden. Wobei die Tabelle „Sketch“ (Skizze) für die Konzeptphase steht, in der die einzelnen Skizzen als Objekte verwendet werden. Ausgehend von den Skizzen, können dreidimensionale Volumenkörper erstellt werden, sogenannte „Parts“, deren Zuverlässigkeitsdaten in der Tabelle Parts abgelegt wird. Alle Parts zusammen ergeben den Gesamtentwurf in der gleichnamigen Konstruktionsphase. In der Ausarbeitungsphase werden die Formele- mente („Features“) der einzelnen Bauteile unter Beachtung des Gesamtkontextes ge- staltet. Die dazugehörigen Zuverlässigkeitsdaten werden in der Tabelle „Feature“ ab- gelegt und in der Datentabelle „Part“ zusammengeführt. Die strukturierte, entwick- lungsphasenbezogene Datenablage in der Access-Datenbank mittels des Lebensdau- ermanagers ist in Bild 4.29 dargestellt. Aufbauend auf Bild 4.10 wird die Ablage der Zuverlässigkeitsdaten phasenbezogen betrachtet. Zwischen den einzelnen Datentabel- len bestehen Beziehungen, d.h. die Daten können von vorangegangenen Konstrukti- onsphasen übernommen werden. 4.5 Entwurf der Programmodule 97 Entwick- lungs- phasen CAD-Unterstützung Konzep- tion Entwurf Ausar- beitung Skizzenmodus in der Part-Umgebung Grobentwurf – 3D Bauteile in der Part-Umgebung Zusammenbau Einzelteilentwurf im Assembly-Modus Ausarbeiten der Einzelteile in der Part-Umgebung (Formelemente) Zusammenfügen der ausgearbeiteten Einzelteile im Assembly-Modus Datentabelle „Sketch“ Ablage der Zuverlässigkeitsdaten Datentabelle „Part“ Datentabelle „Part“ Datentabelle „Part“ Datentabelle „Feature“ Bild 4.29: Datenablage im Lebensdauermanager KOSYMA 98 5 Phasenbezogene, durchgängige Zuverlässig- keitsanalyse von Systemen Aufbauend auf der vorangegangenen Analyse und dem Entwurf eines phasenübergrei- fenden CAD-integrierten Zuverlässigkeitsinformationssystems wird in diesem Kapitel die Umsetzung betrachtet. Diejenigen Konstruktionsphasen, die mittels eines CAD- Systems abgebildet werden, können auch mit Zuverlässigkeitsdaten und -methoden verknüpft werden (Kapitel 5.1-5.3). Schwerpunkt dieses Kapitels ist die durchgängige Integration der Zuverlässigkeitsda- ten und -analysen in die CAD-Entwicklungsschritte mit der Möglichkeit, Ergebnisse aus vorangegangen Phasen übernehmen zu können sowie diese Ergebnisse für alle Teilschritte im CAD-System visualisieren zu können. Basis der Zuverlässigkeitsanaly- sen bilden die Zuverlässigkeitsdaten, die wiederum auf den Daten des CAD-Systems basieren. Nach der Ausarbeitungsphase können aufbauend auf den Ergebnissen der Weibullanalyse Kostenbetrachtungen erfolgen (Kapitel 5.4). 5.1 Anlegen der Zuverlässigkeitsdaten in der Konzeptphase 5.1.1 Datenkopplung in der Konzeptphase Nach dem Klären der Aufgabenstellung folgt mit dem Abstrahieren die Konzeptphase, in der die prinzipielle Lösung festgelegt wird. Die Gesamtfunktion wird unterteilt in Teilfunktionen. Im CAD-System Solid Edge werden diesen Teilfunktionen Baugrup- pen zugeordnet, die in der Part-Umgebung mittels Skizzen dargestellt werden und als Objekte angesprochen werden können. Im CAD-System können mittels des „Feature Pathfinders“ die Skizzen aufgelistet und ggf. deren Struktur sichtbar gemacht werden. Vom CAD-System aus durchführbar und direkt daran gekoppelt wird der Lebensdau- ermanager KOSYMA aufgerufen, mittels dem die Eingabe relevanter Zuverlässig- keitsdaten erfolgt. Die Benutzerschnittstelle von KOSYMA, das sogenannte „Fron- tend“ ist in Bild 5.1 dargestellt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, wird für jedes Objekt im CAD-System ein Datenblatt angelegt, in dem die zuverlässigkeitsrelevanten Daten eingegeben werden können. Zusätzlich wird je Versagensart ein Datenblatt an- gelegt. Für Schnittstellenelemente, die im CAD-System nicht sichtbar werden und da- her nicht als Objekte angesprochen werden können, wie z.B. eine axiale Verbindung, können Datenblätter hinzugefügt werden. 5.1 Anlegen der Zuverlässigkeitsdaten in der Konzeptphase 99 Bild 5.1: Oberfläche des Lebensdauermanagers KOSYMA Die Datenblätter je Versagensart sind weiter unterteilt in qualitative und quantitative Bereiche. In den Datenblättern können die vom CAD-System übernommenen Be- zeichnungen verändert und Werkstoffangaben hinzugefügt werden. Für qualitative Angaben, wie z.B. Angaben über die Funktion der Baugruppe oder des Bauteils oder Besonderheiten, steht ein Textfeld zur Verfügung. Grundsätzlich werden die quantitativen Angaben in SOLL- und IST-Werte unterglie- dert. Mit der Q-Klasse erfolgt eine Einteilung gemäß der ABC-Analyse in risikoreiche (A und B) und risikoneutrale (C) Systemelemente, siehe auch Kapitel 3.2.5. Für die risikoreichen Bauteile kann eine mathematische Verteilung gewählt werden, die das Ausfallverhalten beschreibt, z.B. Weibull- oder Exponentialverteilung. Um die Ele- mente in den nachfolgenden Analysen verwenden zu können, müssen die notwendigen Parameter eingegeben werden. Die Ablage der eingegebenen Zuverlässigkeitsdaten erfolgt zusammen mit den Geo- metrieinformationen des CAD-Systems strukturiert und phasenbezogen in der MS Access-Datenbanktabelle „Sketch“. In diesem Fall werden das Backend und das Frontend in einer Datei (kosyma.mdb) von einer Anwendung (MS Access) erstellt und ausgeführt. 100 5 Phasenbezogene, durchgängige Zuverlässigkeitsanalyse von Systemen 5.1.2 Durchgängigkeit der Daten in der Konzeptphase Die Wiederverwendung der Daten und Ergebnisse von Zuverlässigkeitsanalysen ist durch eine phasenbezogene Verknüpfungsmöglichkeit gegeben. Bei einer weiteren Bearbeitung und Weiterentwicklung der ersten geometrischen Funktionsstruktur im CAD-System steht der Lebensdauermanager mit folgenden Möglichkeiten zur Verfü- gung: In einem kontextsensitiven Dialog können IST- und SOLL-Daten von vorange- gangenen Skizzen übernommen werden oder die Daten zurückgesetzt werden, Bild 5.2. Die Möglichkeit zur Definition oder zum Löschen von Schnittstellenelementen ist weiterhin gegeben. Bild 5.2: Übernahme von Zuverlässigkeitsdaten und -analysen Bild 5.3: Übernahme von Zuverlässigkeitsdaten während den CAD-Konzeptphasen 5.2 Entwurfsphase 101 In dieser ersten Phase der rechnerunterstützten Konstruktion fließen die Hauptforde- rungen des Lastenhefts in das Konzept ein, wie z.B. Funktion, Eingangs- und Aus- gangsgrößen, Bauraum, etc., siehe auch Kapitel 4.2.1. In den weiteren Entwicklungs- schritten der Konzeptphase können nun Verfeinerungen bezüglich der Hauptanforde- rung an das technische System im Sinne einer Detaillierung erfolgen. Dabei können die im ersten Konzeptschritt gesammelten Zuverlässigkeitsdaten übernommen werden, Bild 5.3. Für zusätzlich erstellte geometrische Objekte werden bei Kopplung mit dem Lebens- dauermanager wiederum Datenblätter für die strukturierte Ablage bereitgestellt. Die den geometrischen Objekten hinzugefügten Zuverlässigkeitsdaten stellen die Basis für Zuverlässigkeitsanalysen dar. 5.2 Entwurfsphase In der darauffolgenden Entwurfsphase erfahren die erstellten Skizzen eine Ausprägung in die dritte Dimension, indem sie als Profile verwendet werden. Dabei entsteht der Übergang von der Skizze in der Konzeptphase zum 3D-Grobmodell, Bild 5.4. Bild 5.4: Übergang von der Konzept- zur Entwurfsphase 102 5 Phasenbezogene, durchgängige Zuverlässigkeitsanalyse von Systemen Bereits erstellte Zuverlässigkeitsanalysen können übernommen und verändert werden. So wurde z.B. eine Boolesche Systemstruktur für das Konzept erstellt, die nun als Ausgangsbasis für die Boolesche Systemstruktur des Entwurfs verwendet werden kann, Bild 5.4. In Bild 5.5 werden die Beziehungen zwischen den einzelnen phasenbezogenen Zuver- lässigkeitsinformationen dargestellt. Dabei werden die Zuverlässigkeitsdaten in ein- zelnen Tabellen übersichtlich abgelegt. Mittels des Datenbankmanagementsystems MS Access werden die Datenübernahmen und Datenbeziehungen realisiert. Bild 5.5: Übernahme phasenbezogener Zuverlässigkeitsdaten und -ergebnisse 5.3 Ausarbeitungsphase Das zuvor erstellte 3D-Grobmodell wird nun aufgegliedert, damit Unterbaugruppen und Einzelteile im Sinne des Gesamtentwurfs konstruiert werden können. Dabei wer- den wiederum die Zuverlässigkeitsdatenblätter ergänzt und verändert. Für die einzel- nen Detaillierungen, d.h. Ausprägungen (z.B. Fasen) oder Ausschnitte (z.B. Bohrun- gen) können entsprechende Zuverlässigkeitsdaten in Registerkarten abgelegt werden. Diese Daten dienen als Basis für eine mögliche Zuverlässigkeitsberechnung. Struktu- rinformationen können zuvor mittels eines Booleschen Schaltbildes gewonnen werden, Bild 5.6. Die gleiche Möglichkeit besteht für die Einzelteile. Alle im CAD-System erstellten Objekte werden mit dem Lebensdauermanager verknüpft und können als Systemele- ment im Rahmen einer bereitgestellten Zuverlässigkeitsmethode im Struktureditor verwendet werden. Die aus der Konstruktion, Bild 5.6, herausgegangenen Einzelteile (a, b) werden in Bild 5.7 mit Zuverlässigkeitsdaten und darauf aufbauender Boolescher Struktur verbunden. 5.3 Ausarbeitungsphase 103 a b Bild 5.6 Zuverlässigkeitsintegrierte CAD-Ausarbeitungsphase im Partmodus a b Bild 5.7: CAD-integrierte Zuverlässigkeitsanalyse der Einzelteile in der Ausarbeitungsphase Nach der Ausarbeitung der Einzelteile entsteht durch deren Zusammenfügen die Zu- sammenbaukonstruktion. Im CAD-System wird dazu der Assembly-Modus verwendet, Bild 5.8. Dabei können die Zuverlässigkeitsanalysen der Einzelteile übernommen werden. In dem aufgeführten Beispiel wird für die Baugruppe ein Fehlerbaum erstellt. 104 5 Phasenbezogene, durchgängige Zuverlässigkeitsanalyse von Systemen Der Fehlerbaum für das rechte Bauteil kann übernommen werden, wohingegen für das linke Bauteil die bereits erstellte Boolesche Struktur in einen Fehlerbaum umgearbeitet werden müßte. Für das rechte Bauteil (Deckblech) ist der Ablauf beim Einfügen be- reits vorhandener Zuverlässigkeitsanalysen in Bild 5.9 dargestellt. + Bild 5.8: „Zusammenbau“ der Zuverlässigkeitsanalysen im Assembly-Modus Mit „ja“ wird bereits erstellter Fehlerbaum „Deckblech.fba“ eingefügt Mit „Nein“ wird das Systemelement „Deckblech“ eingefügt Bild 5.9: Dialog zum Einfügen bereits vorhandener Zuverlässigkeitsanalysen Beim Zusammenfügen der Baugruppen und Einzelteile zum Zusammenbau werden die bereits erstellten Zuverlässigkeitsanalysen mit der entsprechenden Datenbasis über- nommen. Der Status des Lebensdauermanagers für den Zusammenbau des Systems in 5.4 Weibullbasierte Kostenanalyse 105 der Ausarbeitungsphase ist in Bild 5.10 dargestellt. Dabei sind alle Zuverlässigkeitsin- formationen der vorherigen Entwicklungsphasen enthalten. Bild 5.10: Zusammenbau und Lebensdauermanager in der Ausarbeitungsphase Nach dem Zusammenfügen der Einzelteile können basierend auf der Gesamtkonstruk- tion Zuverlässigkeitsanalysen des Gesamtsystems durchgeführt werden. Die Ergebnis- se dieser Analysen können auch direkt im CAD-System sichtbar gemacht werden durch Ausblenden zuverlässigkeitsunkritischer Bauteile und besonderer Markierung zuverlässigkeitskritischer Elemente. Darüber hinaus können die lebensdauerbestim- menden Baugruppen gesondert analysiert und optimiert werden. 5.4 Weibullbasierte Kostenanalyse 5.4.1 Vorgehensweise Es ist bekannt, daß bei Zuverlässigkeitsberechnungen die zuverlässigsten Bauteile ein deutliches Kosteneinsparpotential besitzen. Ergänzend zu der phasenübergreifenden, durchgängigen Zuverlässigkeitsanalyse soll überprüft werden, inwieweit Kosteninfor- mationen mit Zuverlässigkeitsaussagen verknüpft werden können, um „Overengi- neering“ gezielt zu erkennen und zu beseitigen. Damit ließen sich Zuverlässigkeitsaus- sagen mit Kosteninformationen verbinden. Eine Kostenanalyse kann auf Basis der Weibullverteilung und des Booleschen Modells erfolgen. Das Ausfallverhalten des Systems sowie der Systemelemente wird im Wei- bullwahrscheinlichkeitspapier graphisch dargestellt. Bei einer Ausfallwahrscheinlich- keit des Systems von FS(t) = 99,9% ermittelt man die Systemlebensdauer t99,9S auf der Zeitachse und erstellt so eine Gerade parallel zur Ordinate (Ausfallwahrscheinlich- 106 5 Phasenbezogene, durchgängige Zuverlässigkeitsanalyse von Systemen keit). Alle Kurven des Ausfallverhaltens, die komplett rechts von dieser Senkrechten, also im Bereich von Lebensdauern t > t99,9S verlaufen, tragen zum Verlauf des Syste- mausfallverhaltens bis FS(t) = 99,9% nichts bei. Vom rechten Rand des Weibullwahrscheinlichkeitspapiers bis hin zu dieser Senk- rechten befindet sich also das Ausfallverhalten aller Systemelemente, die ein Kosten- verbesserungspotential besitzen. Nun kann eine Betrachtung dieser Bauteile erfolgen. Am einfachsten erfolgt die Kostenoptimierung von standardisierten Bauteilen, da diese in Katalogen gelistet sind und sich dadurch bestenfalls einfache Variationsmöglich- keiten ergeben. Bei nicht standardisierten Bauteilen kann die Kostenreduzierung mit Hilfe folgender Parameter starten: Baugröße, Wandstärke, andere Materialwahl mit geringerer Festigkeit, etc. 5.4.2 Beispiel Zur Veranschaulichung der oben beschriebenen Vorgehensweise soll ein einfaches Beispiel dienen. Das in Bild 5.11 dargestellte Schema zeigt die Funktionsweise eines Einstufengetriebes, das die Aufgabe besitzt Drehzahl und Drehmoment zu wandeln und zu übertragen. Die Leistung wird über das Ritzel, das auf der Eingangswelle sitzt, auf das Zahnrad übertragen, das auf der Ausgangswelle sitzt. Ritzel Rollenlager A Rollenlager C Rollenlager B Rollenlager D Zahnrad nan, Man nab, Mab Bild 5.11: Funktionsschema eines Einstufengetriebes mit kritischen Bauteilen Das Getriebe besteht aus den Hauptbaugruppen Antrieb, Abtrieb und Gehäuseteile. Innerhalb der qualitativen Analyse des Systems wurden die Systemelemente aus den Bauteilen ermittelt und eine ABC-Klassifikation sowie eine FMEA durchgeführt [19]. Mit den sich ergebenden kritischen, d.h. lebensdauerbestimmenden Elementen, wurde 5.4 Weibullbasierte Kostenanalyse 107 ein Boolesches Reihensystem erstellt. Die vier Rollenlager A, B, C und D sowie das Ritzel und das Rad mit der Ausfallart Grübchen bilden die Reihenschaltung, Bild 5.12. Rollen- lager A Rad- Grübchen Ritzel- Grübchen Rollen- lager D Rollen- lager C Rollen- lager B Bild 5.12: Reihensystem der kritischen Systemelemente des Getriebes Für diese zuverlässigkeitsrelevanten Systemelemente wurden die Weibullparameter ermittelt und das Ausfallverhalten im Weibullwahrscheinlichkeitspapier dargestellt. Die sich ergebende Systemlebensdauer kann im Diagramm abgelesen werden. Bei ei- ner Ausfallwahrscheinlichkeit von 10% beträgt die B10-Lebensdauer des Systems B10S = 1396h, Bild 5.13. A us fa llw ah rs ch ei nl ic hk ei t F( t) Fo rm pa ra m et er b % 99.9 4.0 100 1000 100.000 Lebensdauer t [h] Pol 90.0 63.2 50.0 30.0 20.0 10.0 5.0 3.0 2.0 1.0 0.5 0.3 0.2 0.1 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.1 10000 Lager A / B Systemausfallverhalten Lager C / D Rad B 1 0S = 1 39 6 h F( t)= 9 9, 9% Ko ste np ot en tia l Ritzel Bild 5.13: Qualitatives Vorgehen bei der Ermittlung des Kostenpotentials Es wird davon ausgegangen, daß die ermittelte Systemlebensdauer der Soll- Lebensdauer B10S des Lastenhefts entspricht. In Bild 5.13 ist die Senkrechte parallel zur Ordinate bei der Ausfallwahrscheinlichkeit FS(t) = 99,9% eingezeichnet. Die Sy- stemlebensdauer t99,9S kann auf der Zeitachse abgelesen werden (>20.000h). Das Aus- fallverhalten des Zahnrads mit der Ausfallart Grübchen verläuft rechts von dieser Senkrechten (t0Z > t99.9S). Das bedeutet, daß innerhalb der zuverlässigkeitsrelevanten Systemelemente ein Kostenpotential besteht. Das Zahnrad als zuverlässigkeitsunkri- tischste Systemkomponente in Bild 5.13 kann hinsichtlich einer Ziellebensdauer opti- miert werden. Beispielsweise kann die Systemlebensdauer t99,9S als mindestens zu er- reichende ausfallfreie Zeit t0Z des Zahnrads verwendet werden. Dann kann z.B. in einer 108 5 Phasenbezogene, durchgängige Zuverlässigkeitsanalyse von Systemen Datenbank oder einem Teilekatalog ein entsprechendes Zahnrad gewählt und in die Konstruktion übernommen werden. In dem beschriebenen Fall wurde nach der qualitativen Analyse ein Ersatzmodell mit den zuverlässigkeitsrelevanten Systemelementen erstellt, Bild 5.12. Nur mit diesen verbleibenden Elementen wurde eine quantitative Zuverlässigkeitsanalyse durchge- führt. Falls jedoch eine quantitative Analyse für weitere unkritische Systemelemente vorliegt, können diese vorrangig verändert werden. In Tabelle 5.1 sind die Weibull- parameter aller leistungsführenden Bauteile des Getriebes aufgeführt. Tabelle 5.1: Weibullparameter einiger Systemelemente des Getriebes i Systemelement B10 [h] b ftb t0 [h] T [h] 1 Rollenlager A 2193 1,35 0,15 329 10200 2 Rollenlager B 2193 1,35 0,15 329 10200 3 Rollenlager C 6602 1,35 0,15 992 30700 4 Rollenlager D 6602 1,35 0,15 992 30700 5 Ritzel (Grübchen) 14396 1,15 0,45 6 480 62500 6 Rad (Grübchen) 71681 1,15 0,45 32 300 311000 Ritzel Bruch 13600000 1,6 0,85 11600000 19900000 Rad Bruch 4900000 1,6 0,85 4170000 7160000 Eingangswelle 88510000 1,3 0,75 66400000 191000000 Ausgangswelle 77000000 1,3 0,75 57800000 166000000 Die Kostenreduzierung auf Basis der Weibullanalyse sollte immer bei den zuverlässig- sten Bauteilen beginnen. Vorausgesetzt die Weibullparameter für Ausgangs-, Ein- gangswelle, Ritzel und Rad mit Versagensart Bruch sind bekannt wie in Tabelle 5.1, so müßte die Kostenreduzierung bei den Wellen beginnen, da diese die größte ausfall- freie Zeit besitzen. un kr iti sc h 109 6 Beispielhafte Umsetzung Im folgenden Kapitel werden die CAD-integrierten Zuverlässigkeitsanalysen und Er- gebnisse anhand eines Beispiels programmtechnisch umgesetzt und dargestellt. Das Beispiel wird im ersten Unterkapitel 6.1 vorgestellt. Der Konstrukteur soll die Möglichkeit besitzen, alle Methoden und Techniken der Zu- verlässigkeitstechnik in allen Phasen des Konstruktionsprozesses einsetzen zu können. Wichtig dabei ist, daß die gewonnenen Erkenntnisse in der nächsten Phase als Basis herangezogen werden können. In den Unterkapiteln 6.2 und 6.3 wird die durchgängige CAD-integrierte Anwendung der Fehlerbaumanalyse bzw. der Booleschen Methode beschrieben. Dabei werden die Methoden sowohl qualitativ als auch quantitativ ange- wendet. Im Kapitel 6.4 wird die CAD-integrierte Anwendung ausschließlich qualitativer Me- thoden anhand eines Beispiels vorgestellt. Abschließend wird auf Basis der Weibull- analyse eine qualitative Kostenreduzierung der zuverlässigsten Bauteile vorgestellt, Kapitel 6.5. 6.1 Anwendungsbeispiel EKS als komplexes technisches System Die vorgestellten qualitativen und quantitativen Zuverlässigkeitsmethoden sollen nun, in ihrer durchgängigen CAD-integrierten Anwendung, auf ein reales Produkt ange- wendet werden. Dazu wird ein elektromechanisches Kupplungssystem (EKS) von Fichtel & Sachs betrachtet. Das EKS ist ein komplexes System, bei dessen Entwick- lung einige Methoden der Zuverlässigkeitstechnik Anwendung fanden. Das System EKS liefert einen wichtigen Beitrag für komfortables, sicheres, wirtschaftliches und umweltgerechtes Fahren [100]. Prinzip und Umgebung des EKS zeigt Bild 6.1. Um Stellbewegungen beim automatisierten Kuppeln und Schalten zu realisieren, kön- nen hydraulische oder elektromotorische Aktuatoren eingesetzt werden. Ein Aktuator ersetzt das Kupplungspedal im Fahrzeug. Er wird von einer Elektronik gesteuert, die durch Sensoren an allen wichtigen Schnittstellen über die Schaltabsicht des Fahrers und Fahrsituation informiert ist. Bei dem automatisierten Kupplungssystem EKS bleibt das Schalten die Sache des Fahrers. Er bestimmt, wann und wie der Gang ge- wechselt wird. Die Dynamik des manuellen Schaltens bleibt voll erhalten. Der Aktua- tor positioniert die Kupplung in Sekundenbruchteilen auf Zehntelmillimeter genau und sorgt damit für optimales Aus- und Einkuppeln. Der Kupplungsverschleiß wird da- durch reduziert. 110 6 Beispielhafte Umsetzung Gangerkennung Schaltabsichts- erkennung Motor Kupplung Nehmerzylinder Geberzylinder Elektromechanisches Stellglied mit integriertem SteuergerätWeitere Signale Bild 6.1: Umgebung und Prinzip eines elektromechanischen Kupplungssystems Aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Leistungsfähigkeit und der entsprechen- den Herstellkosten bieten sich elektromechanische Systeme für Kleinwagen und hy- draulische Systeme für größere Fahrzeuge, Nutzfahrzeuge, Sportwagen und Sonder- anwendungen an. Bild 6.2 zeigt eine Schnittdarstellung des bereits ausgearbeiteten elektromechanischen Kupplungssystems EKS, das u.a. bei der A-Klasse der Daimler- Chrysler AG Anwendung findet [101]. Geberzylinder Elektromotor Steuerung Schneckenrad Schnecke Druckfeder Lagerbuchse Schneckenrad Lagerbuchse Feder Gleitbuchse Schnecke Bild 6.2: Aufbau des elektromechanischen Kupplungssystems 6.2 Durchgängige CAD-integrierte Fehlerbaumanalyse 111 6.2 Durchgängige CAD-integrierte Fehlerbaumanalyse Das Konzept des Beispiels EKS wird im CAD-System erstellt, das mit dem Lebens- dauermanager gekoppelt ist. Die einzelnen geometrischen Objekte werden mit Zuver- lässigkeitsdaten verknüpft, auf deren Basis die Fehlerbaumanalyse durchgeführt wird. Dabei wird die Methode gekoppelt mit jeder Phase der CAD-Entwicklung eingesetzt. Die Ergebnisse der Analyse fließen so direkt in die Konstruktion ein. 6.2.1 CAD in frühen Konzept-Phasen Das erste Konzept eines elektromechanischen Kupplungssystems (EKS) kann sich wie in Bild 6.3 darstellen, bei dem im Sketchmodus des CAD-Programms eine Skizze des Systems erstellt wird. Die Hauptfunktionen werden einer Black-Box Betrachtung un- terzogen. Die Funktionsweise, d.h. die Hauptfunktion wird in Teilfunktionen unterteilt, für die Baugruppen oder Bauteile verantwortlich sind, Tabelle 6.1. Die einzelnen Ele- mente des Konzepts, d.h. die Skizzen werden in einer Stückliste im Feature PathFinder angezeigt, Bild 6.3. Tabelle 6.1: EKS-Teilfunktionen und entsprechende Baugruppen Teilfunktionen Baugruppe Bauraumbegrenzung Gehäuse Initiierung Steuerung Kraft + Stellweg erzeugen Motor Kraft + Stellweg übertragen Übertragungsmechanismus Nehmerzylinder betätigen Geberzylinder Bild 6.3: Konzept des EKS mit Baugruppen/ Bauteilen im Skizzenmodus 6.2.2 Kopplung mit Zuverlässigkeitsdaten und -analysen Nun kann, ohne die CAD-Oberfläche zu verlassen, der Lebensdauermanager aufgeru- fen werden. Nach der Kopplung mit dem CAD-System, bei der je Bauteil eine Regi- 112 6 Beispielhafte Umsetzung sterkarte (Datenblatt) erstellt wird, erfolgt die Eingabe der relevanten Lebensdauerda- ten durch den Konstrukteur, Bild 6.4. Lebensdauermanager Eingabe von relevanten Zuverlässigkeitsdaten für jedes CAD-Objekt Zuverlässigkeits- daten CAD-Oberfläche Hinzufügen von Schnittstellen (nicht sichtbaren Elementen) möglich Bild 6.4: Kopplung von CAD und Lebensdauermanager Lebensdauermanager Gehäuse Eingabe relevanter Zuver- lässigkeitsdaten für jedes CAD-Objekt Geberzylinder CAD-Oberfläche Steuerung Motor Übertragung. Bild 6.5: Kopplung von CAD-System, Lebensdauermanager und Struktureditor 6.2 Durchgängige CAD-integrierte Fehlerbaumanalyse 113 Durch Einsatz des Struktureditors SYSEDIT kann wie in Bild 6.5 abgebildet eine Zu- verlässigkeitsanalyse mittels Fehlerbaumanalyse (FBA) durchgeführt werden. Dabei werden die Ergebnisse der FBA durch die Schnittstelle IDisptatch der OLE- Automation in das CAD-System zurück übertragen. Die Zuverlässigkeitsuntersuchung wird in dieser frühen Phase meist qualitativ erfolgen. Dabei werden die Struktur des Systems und die Abhängigkeiten der Systemelemente untereinander in einem anderen Zusammenhang als im CAD-System sichtbar. Zahlenwerte, wie z.B. Ausfallraten be- reits bekannter Bauteile, können in den Lebensdauermanager eingetragen werden. 6.2.3 Modifikationen in der Konzeptphase Aufgrund der in der Zuverlässigkeitsanalyse gewonnenen Erkenntnisse ergibt sich in der CAD-Umgebung eine Rangfolge der zuverlässigkeitskritischen Bauteile bzw. Baugruppen. Wie in der Einzelteil-Umgebung (Part) des CAD-Systems können auch in der Skizzenumgebung (Sketch) Parametervariationen durchgeführt werden. Die Pa- rameter der einzelnen Skizzen können im CAD-System über Variablentabellen ange- sprochen werden, Bild 6.6. Über eine Kopplung zu MS Excel besteht die Möglichkeit, die Variablen mittels Formeln zu variieren, Bild 6.7. Von der Excel-Tabelle aus kann die Zuverlässigkeitsdatenbank ZUDIMA aufgerufen werden und passende Daten übernommen werden, Bild 6.8 und Bild 6.9. Bild 6.6: Parametermodifikation im CAD-System 114 6 Beispielhafte Umsetzung Bild 6.7: MS Excel-Tabelle als Ausgangspunkt der Variationen In der Zuverlässigkeitsdatenbank ZUDIMA sind Daten aus der Literatur und aus Ver- suchen über einige Standardbauteile (Wellen, Lager, Zahnräder) abgelegt, die über die Zwischenablage kopiert und in die Datentabelle des CAD-Systems integriert werden können. Bild 6.8 zeigt die Datenbank für verschiedenen Wellen. In Bild 6.9 sind die erweiterten Informationen der Zuverlässigkeitsdatenbank dargestellt. Bild 6.8: Zuverlässigkeitsdatenbank ZUDIMA, Material- und Formvariation von Wellen 6.2 Durchgängige CAD-integrierte Fehlerbaumanalyse 115 Bild 6.9: Zuverlässigkeitsdatenbank ZUDIMA, erweiterte Informationen für eine Welle 6.2.4 Fehlerbaumanalysen in Entwurfs- und Ausarbeitungsphasen Ausgehend vom unerwünschten Topevent, d.h. dem Systemausfall, der beim Pro- grammstart schon dargestellt ist, können die anderen im CAD-System abgebildeten Elemente in das Teilprogramm SYSEDIT mittels „Drag&Drop“ übernommen werden. Die Systemelemente können entsprechend den gegebenen Verknüpfungen verbunden werden. Dadurch kann der Benutzer die Systemstruktur abbilden. Die sich ergebende Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems ist Ergebnis der Suche nach dem kritischen Systempfad. Die Umkehrfunktion von „Geberzylinder betätigen“ wird als Topevent bzw. uner- wünschtes Ereignis betrachtet: „Ausfall EKS“  „Keine Betätigung des Geberzylin- ders“. Ausgehend von diesem unerwünschten Systemereignis wird nun gefragt, welche Primär-, Sekundär- und Kommandoausfälle auf der nächst tieferen Ebene auftreten können. Auf der Stufe 1 nach der Strukturstückliste steht z.B. der Geberzylinder, für den in Bild 6.10 ein Teilfehlerbaum erstellt wurde. Mit den Ausfalldaten der Einzel- komponenten lassen sich die Überlebenswahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Zusammenbauten errechnen. 116 6 Beispielhafte Umsetzung ...... ... ... Bauteilmerkmale, Entwicklungsfehler ... ...Falsche Berechnung Fehl- bedienung Überlast ... ... ... Ausfall Schnecken- radsegment Ausfall EKS Systemebene („Ebene 0“) Ebene 1 (z.B. Negationen der Topfunktionen) Ebene 2 (z.B. ZSB) Ebene 3 (z.B. Bauteile)  1 ... ... ... ... Geberzylinder betätigt nicht Ausfall ZSB Schneckenradsegment Ausfall ZSB Lagerdeckel Ausfall ZSB Stellgliedgehäuse ... ...Ausfall NietAusfall Bolzen Ausfallarten je BauteilGewalt- Bruch Dauerbruch Fressen ... ... ... ......  1  1  1  1 Bild 6.10: Fehlerbaumausschnitt für das EKS Für das Beispiel des Zusammenbaus (ZSB) „Schneckenradsegment“ wird dies in Bild 6.11 dargestellt (siehe auch Bild 6.10, Ebene 2 und 3). Da der Führungsbolzen und das Niet unkritisch (C-Teile) sind, reduziert sich die Berechnung für den ZSB „Schnecken- radsegment“ auf das Schneckenradsegment selbst. Auf dieselbe Weise erhält man die Überlebenswahrscheinlichkeiten für andere Zusammenbauten und somit die Überle- benswahrscheinlichkeiten des gesamten Systems EKS. Bild 6.11: Systemstruktur für ZSB Schneckenradsegment Bild 6.12 stellt beispielhaft die Anordnung des Fehlerbaums im Systemstruktureditor SYSEDIT dar, in der als Zuverlässigkeitsmethode die Fehlerbaumanalyse ausgewählt werden kann. Als Ergebnis kann die Ausfallwahrscheinlichkeit ermittelt werden. Da- bei wird der aktuelle Fehlerbaum nach dem kritischen Pfad, d.h. demjenigen Pfad mit der größten Ausfallwahrscheinlichkeit, durchsucht. Die Ausfallwahrscheinlichkeit wird dann als Gleichung und als Zahlenwert angegeben. 6.2 Durchgängige CAD-integrierte Fehlerbaumanalyse 117 Ausfall EKS Eingang ... Geberzylinder betätigt nicht ... Ausfall ZSB Schnecken- radsegment ... Ausfall Schneckenradsegment... ... Gewaltbruch Berechnungsfehler Bild 6.12: Fehlerbaumanalyse in SYSEDIT, Ausschnitt In Bild 6.13 ist die vollständige Oberfläche für die CAD-integrierte Fehlerbaumanaly- se dargestellt. Ausgehend von der CAD-Oberfläche und der Strukturstückliste („Assembly-PathFinder“) werden für die konstruierten Bauteile im Lebensdauermana- ger sogenannte Registerkarten erzeugt, in welche die dazugehörigen Lebensdauerdaten eingetragen werden können. Wieder ausgehend von der CAD-Oberfläche können die Einzelteile des Zusammen- baus per OLE-Automation in die Oberfläche des Systemstruktureditors übertragen werden, wo schon das „Topevent“ (Systemausfall) als Anfangspunkt der Analyse an- gezeigt wird. In Bild 6.13 ist beispielhaft gezeigt, wie sich ein Fehlerbaum eines Pro- duktes aufbauen kann. Durch UND- bzw. ODER-Verknüpfungen werden die Einzel- teile der Konstruktion zu einem Fehlerbaum verbunden. 118 6 Beispielhafte Umsetzung Bild 6.13: CAD-integrierte Fehlerbaumanalyse Die Fehlerbaumanalyse kann sowohl qualitativ als auch quantitativ durchgeführt wer- den. Das qualitative Ergebnis gibt Aufschluß über die verschiedenen Fehlfunktionszu- sammenhänge. Falls Zahlenwerte, wie z.B. Ausfallraten, Ausfallverteilungsparameter, etc. bekannt sind, können diese im Lebensdauermanager eingetragen werden. Weiter- hin wurde ein Schalter integriert, der den kritischen Pfad des erstellten Fehlerbaums visualisiert. Zusätzlich ist die Analyse bidirektional assoziativ mit dem CAD-System verbunden, so daß die lebensdauerkritischen Bauteile angezeigt werden. Durch eine Farbkodierung wird dem Konstrukteur angezeigt, welches Bauteil innerhalb des kriti- schen Pfads lebensdauerbestimmend für das System ist, Bild 6.14. Die in SYSEDIT im Fehlerbaum verwendeten Komponenten werden im CAD-System ausgeblendet, damit sie nicht mehrfach im Fehlerbaum eingesetzt werden können. Nach oder während der Analyse können diese wieder sichtbar gemacht werden. Der Lebensdauermanager KOSYMA blendet die relevanten Zuverlässigkeitsdaten der je- weils selektierten Bauteile ein. Die graphische Darstellung des kritischen Pfads im Fehlerbaum erfolgt in roter Farbe und das kritischste Bauteil wird im CAD-System ebenfalls in rot angezeigt, Bild 6.14. 6.3 Durchgängige CAD-integrierte Anwendung der Booleschen Methode 119 Bild 6.14: CAD-integrierte FBA, Ausarbeitungsphase 6.3 Durchgängige CAD-integrierte Anwendung der Booleschen Methode 6.3.1 Boole in Konzeptphasen Nachfolgend wird eine Bearbeitungsschleife vorgestellt, wie sie ausgehend von dem ersten Ergebnis der Konzeptphase (siehe auch Bild 6.3) erfolgen kann:  Konzept wird verfeinert, Skizzen werden hinzugefügt oder bestehende verän- dert,  eventuell erfolgt eine neue Unterteilung in Baugruppen oder Bauteile bzw. die- se werden neu erstellt,  Feature Path Finder zeigt die Skizzen an,  alle Skizzen werden in KOSYMA und in der MS Access-DB als Registerkarten eingelesen und  dort erfolgt die Verbindung mit Zuverlässigkeitsinformationen. Das konstruktive Ergebnis der ersten Schleife könnte wie in Bild 6.15 dargestellt aus- sehen. Wichtig ist nun, daß auf die zuvor erstellten Registerkarten und ihre Inhalte, 120 6 Beispielhafte Umsetzung d.h. Zuverlässigkeitsinformationen, zugegriffen werden kann. So entsteht ein Regel- kreis, in dem dokumentiertes Wissen aufgegriffen und verändert werden kann. Bild 6.15: Konstruktion in der Konzeptphase 6.3.2 Übernahme der Ergebnisse in Entwurfsphasen Bei zweidimensionalen CAD-Systemen wird in der Entwurfsphase die 2D- Konstruktion ausgearbeitet. 3D-CAD-Systeme gehen sofort vom zweidimensionalen Konzept in die dritte Dimension über. Der Entwurf ist dreidimensional, die zuvor er- stellten Skizzen werden als Profile verwendet und deren Ausprägung in die dritte Di- mension erstellt. Materialien werden festgelegt und eine Anwendung qualitativer oder semiquantitativer Zuverlässigkeitsmethoden erfolgt. Dazu muß wiederum das CAD- System mit KOSYMA gekoppelt werden und neue Registerkarten angelegt werden. Dabei kann auf die Ergebnisse der früheren Phasen zugegriffen werden. In Bild 6.16 wurde die Boolesche Systemstruktur der oberen Skizze als Ausgangsbasis für die Erstellung des Booleschen Systems des dreidimensionalen Entwurfs verwendet. Die Ergebnisse des Booleschen Schaltbilds werden im Weibullnetz dargestellt. Die Rangfolge der zuverlässigkeitskritischsten Bauteile wird im CAD-System mittels einer „Lebensdauerkarte“ bzw. einer Farbkodierung sichtbar gemacht. 6.3 Durchgängige CAD-integrierte Anwendung der Booleschen Methode 121 Bild 6.16: Kopplung von CAD-System und Boolescher Zuverlässigkeitsstruktur 6.3.3 Zuverlässigkeitsberechnung in der Ausarbeitungsphase In der Ausarbeitungsphase der Konstruktion können sowohl qualitative oder semi- quantitative (wie z.B. FMEA) überarbeitet werden, wie auch rein quantitative Metho- den der Zuverlässigkeitstechnik angewendet werden. Die Berechnung der Systemlebensdauer nach Beendigung der Ausarbeitungsphase mittels des Booleschen Modells wird in [6], [102], und [103] ausführlich beschrieben. 6.3.4 Anwendung des Boole-Markoff-Modells Nach Eingabe der notwendigen Weibullparameter (Formparameter b, charakteristische Lebensdauer T, ausfallfreie Zeit t0) sowie der MTTR-Werte für die einzelnen Syste- melemente in den Lebensdauermanager KOSYMA kann die Systemstruktur wie ge- wohnt in SYSEDIT abgebildet werden. Mit diesen Daten wird der Mittelwert der Be- triebsdauer MTTF und die Dauerverfügbarkeit AD sowohl für die Einzelelemente als auch für das System berechnet und tabellarisch ausgegeben. Reparierbare Systeme mit konstanten Ausfallraten können mit dem Verfahren nach Markoff behandelt werden, das in Kapitel 3.3.4 vorgestellt wurde. Das in Bild 3.36 erstellte Boole-Markoff- 122 6 Beispielhafte Umsetzung Modell kann durch die Angabe einer mittleren Betriebsdauer im Lebensdauermanager KOSYMA erzeugt werden. Bild 6.17: Oberfläche von KOSYMA, Ausschnitt Die bereits erstellte Struktur nach dem Booleschen Modell kann verwendet werden. Danach müssen noch die Parameter eingegeben werden. Für die Berechnung der Dau- erverfügbarkeit im stationären Fall müssen folgende Werte bekannt sein: Die mittlere Reparaturdauer MTTR und die Weibullparameter (Formparameter b, charakteristische Lebensdauer T, ausfallfreie Zeit t0). Damit können die MTTF-Werte und die Dauerver- fügbarkeit der Systemelemente berechnet werden. Bild 6.17 zeigt einen Ausschnitt aus der Oberfläche des Lebensdauermanagers KOSYMA für das Bauteil Elektromotor. In dieser Maske erfolgt die Eingabe der mittleren Reparaturdauer. In SYSEDIT erfolgt eine tabellarische Ausgabe der MTTF-Werte und der Dauerverfügbarkeit AD, die, wie in Kapitel 3.3.4 beschrieben, berechnet werden. Die Darstellung erfolgt sowohl für das Einzelelement als auch für das gewählte System. 6.4 CAD-integrierte Anwendung qualitativer Zuverlässig- keitsmethoden Nachdem die CAD-integrierte, durchgängige und phasenübergreifende Anwendung einzelner quantitativer Zuverlässigkeitsmethoden beispielhaft gezeigt wurde, wird in 6.4 CAD-integrierte Anwendung qualitativer Zuverlässigkeitsmethoden 123 diesem Unterkapitel die phasenübergreifende Anwendung von qualitativen Methoden vorgestellt. 6.4.1 CAD-integriertes QFD Das Quality Function Deployment (QFD) ist eine Methode, die schon vor dem ersten Entwurf erfolgen sollte. Als Ergebnis der „Übersetzung“ der Kundenwünsche in tech- nische Merkmale ergibt sich die Reihenfolge der Wichtigkeit dieser Qualitätsmerk- male. Entsprechend muß dem Konstrukteur diese Rangfolge visualisiert werden, was über eine Kopplung der QFD-Ergebnisse mit dem Lebensdauermanager KOSYMA erfolgen kann. Denkbar ist eine Verknüpfung im Menü des Programms mit der Mög- lichkeit, Resultate von QFD in die Datenbank des Lebensdauermanagers zu überneh- men. 6.4.2 CAD-integrierte ABC-Analyse Bei sehr einfachen Systemen genügt als Vorarbeit für eine quantitative Analyse oft schon eine Einteilung der Komponenten in A-Teile (kritisch und berechenbar), B-Teile (kritisch und nicht berechenbar bzw. statistisch zu betrachten) und C-Teile (unkri- tisch). Bei komplexen Systemen kann die ABC-Analyse nur eine Vorarbeit für eine Fehler- Möglichkeits- und Einflußanalyse (FMEA) darstellen. Nach der Kopplung der Konstruktion mit dem Lebensdauermanager KOSYMA werden die Registerkarten dargestellt. Dann muß der Konstrukteur das Scrollfeld mit der Auswahl A, B, C selek- tieren und die Bauteile entsprechend einteilen. Für die Ausarbeitungsphase des EKS ergibt sich eine Einteilung der Einzelkomponenten nach Bild 6.18. Nicht selektierte Bauteile werden dem Konstrukteur getrennt deutlich gemacht. A-Components B-Components C-Components Not selected Components 1) Compression spring [breakage] 2) Grooved ball bearing, engine [pitting] 3) Grooved ball bearing [pitting] 4) Worm gear [breakage] 5) Worm [gear breakage] 6) Worm gear axle [breakage] 7) Worm gear shaft [breakage] 7 Parts 1) Counter support [wear] 2) Spring guide [wear] 3) Bearing bush-2x [wear] 4) Bearing bush [wear] 5) Sliding sleeve [wear] 6) Worm gear [wear] 6 Parts Casing, Case top, Gasket, Screw, Spring cup, Spacer sleeve, Guide pin, Joint bearing-2x, Bearing pin- 2x, Rivet, Stop, Cover sheet, Cover sheet, Retaining ring, Screw, Screw, Bearing cover, Screw, Tappet, Packing, Potentiometer 21 Parts X Parts Bild 6.18: ABC-Einteilung des EKS [104] 124 6 Beispielhafte Umsetzung 6.4.3 CAD-integrierte FMEA Durchführung der FMEA mit einem Datenbankprogramm Aus dem CAD-Programm Solid Edge lassen sich die erstellten Daten in Form einer Stückliste auslesen. Wie Bild 6.19 zeigt, existiert das Werkzeug „EdgeBar“, das alle erstellten Bauteile (Parts) auflistet, denen Sachnummern zugewiesen werden können. Nach dem Starten des Lebensdauermanagers KOSYMA von der CAD-Oberfläche aus und der Kopplung mit dem CAD-System, werden auch die Sachnummern der Kompo- nenten in die Datenbank eingetragen. In KOSYMA können Bezeichnung, Material, etc. eingetragen werden. Bild 6.19: CAD-System mit Strukturstückliste „EdgeBar“ Die Daten des Baugruppenmodus, Bild 6.19, werden durch die erstellte Verknüpfung (OLE-Automation) gelesen. Innerhalb der Datenbank von KOSYMA wird eine Ta- belle „RPZ-Vorlage“ generiert, die als Vorlage für die Durchführung der FMEA dient, Bild 6.20. Die FMEA kann nun mittels eines eigenen FMEA-Programmes durchgeführt werden. Zusätzlich werden die einzelnen Schritte, wie z.B. Fehleranalyse durch eine Wissens- basis unterstützt [105]. 6.4 CAD-integrierte Anwendung qualitativer Zuverlässigkeitsmethoden 125 Bild 6.20: Datenbanktabelle für die Durchführung einer FMEA Das Ergebnis der FMEA, d.h. die den Bauteilen zugeordneten Risikoprioritätszahlen, werden in der Datenbanktabelle „RPZ“ abgelegt. Jedem Element (d.h. Bauteil) wird jeweils die höchste ermittelte Risikoprioritätszahl zugewiesen, Bild 6.21. Bild 6.21: Datenbanktabelle mit ermittelten Risikoprioritätszahlen Die Bauteile, denen eine Risikoprioritätszahl zugeordnet wurde, können entsprechend der RPZ-Größe im CAD-System visualisiert werden. Durch eine unterschiedliche Ein- färbung der Komponenten kann deren Kritikalität sichtbar gemacht werden. Bauteile, denen keine RPZ zugeordnet wurde, wurden innerhalb der FMEA nicht betrachtet und können ausgeblendet werden, Bild 6.22. Des weiteren können RPZ-Grenzen definiert werden, um gewisse Bereiche zu verdeutlichen. 126 6 Beispielhafte Umsetzung Durch diese Möglichkeiten erhält der Anwender, d.h. der Konstrukteur, einen Über- blick über die risikobehafteten Bauteile des Systems und kann diese entsprechend ver- ändern. Bild 6.22: Visualisierung der FMEA-Ergebnisse im CAD-System Durchführung mit IQ-FMEA Vom Lebensdauermanager ausgehend kann das Programm IQ-FMEA aufgerufen wer- den, in dem die Struktur des zu untersuchenden Systems analog zu Bild 6.23 erstellt werden kann. Als Basis dient die Stückliste des CAD-Systems („Edgebar“) aus Bild 6.19. In einer Funktionsanalyse wurden drei Topfunktionen gefunden: Geberzylinder betätigen, Lebensdauer gewährleisten und Komfort sicherstellen [100]. Zusammen mit der Struktur des elektromechanischen Kupplungssystems EKS und den ermittelten Topfunktionen ergibt sich in dem kommerziellen Programm IQ-FMEA die Struktur- darstellung wie in Bild 6.23. Davon ausgehend werden die folgenden Schritte der FMEA durchgeführt, siehe auch Kapitel 3.2.6. 6.4 CAD-integrierte Anwendung qualitativer Zuverlässigkeitsmethoden 127 Bild 6.23: Struktur des EKS, Ausschnitt Die Baumstruktur, die zur Durchführung der weiteren FMEA-Schritte notwendig ist, zeigt Bild 6.23. Beginnend mit der Funktionsanalyse ist eine Unterstützung der Analy- se durch Checklisten hilfreich. Eine Leitlinie für auftretende Anforderungen unter- stützt die Definition von Funktionen. Bei der Fehleranalyse wird die Arbeit durch eine Liste typischer Fehlerarten vereinfacht. Des weiteren wird in diesem Kapitel auch eine Checkliste typischer Fehlerursachen gezeigt. Entsprechend kann die Suche nach Ver- meidungs- und Entdeckungsmaßnahmen sowie Fehlerfolgen durch geeignete Listen unterstützt werden. Aus den Listen lassen sich die zutreffenden Begriffe mittels Drag&Drop in das FMEA-System plazieren. Das entsprechende Fachwissen des Kon- strukteurs ist Voraussetzung für diese Tätigkeit. Wie in Kapitel 3.2.6 beschrieben führt das Programm IQ-FMEA durch die 5 Schritte nach dem VDA-Standard. Nach der Risikobewertung ergibt sich für das Beispiel EKS eine Risikoverteilung, Bild 6.24, wobei je Bauteil lediglich die am höchsten bewertete Fehlfunktion dargestellt wird. 128 6 Beispielhafte Umsetzung A us fa lla rte n Schneckenradsegment fährt mit voller Geschwindigkeit in das Gehäuse Plastische Verformung der Schneckenwelle Gelenklager gibt bei Verquetschung nach Kanten beim Einstich der Schnecken- radachse zu stark abgerundet Verschleiß der Lagerbuch. des Lagerbolzens im Gelenklager Gewaltbruch des Lagerbolzens Muttergewinde am Gel.lager schräg Passungsrost Führungsbolzen gekrümmt 0 100 200 300 400 500 1x135 4x150 3x160 19x200 1x250 8x300 3x350 10x400 1x500 Risikoprioritätszahl Bild 6.24: FMEA-Ergebnis, Auszug Risikoverteilung 6.5 Weibullbasierte Kostenreduzierung des EKS Die in Kapitel 5.4 allgemeine Vorgehensweise zur gezielten Kostenreduzierung auf Basis der Weibullverteilung des Systems wird hier auf das elektronische Kupplungssy- stem EKS angewendet. Bild 6.25 zeigt das Ausfallverhalten der einzelnen Komponenten sowie des gesamten EKS-Systems. Bei der Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems von F(t) = 99,9% wurde die Lebensdauer t99,9 auf der Zeitachse ermittelt. Alle Kurven mit Ausfallwahrschein- lichkeiten, die rechts von dieser Senkrechten, also im Bereich von höheren Lebens- dauern als t99,9 verlaufen, tragen zum Verlauf des Systemausfallverhaltens bis F(t) = 99,9% nicht bei. In diesem Fall sind das primär die Rillenkugellager, die Druck- feder und teilweise die Lagerbuchse der Feder. Im folgenden wird das Modul „Cost Design Kit“ (CDK) des Lebensdauermanagers vorgestellt, mit dem eine beispielhafte, gezielte Kostenreduzierung des Wälzlagers erfolgt [106]. Bild 6.26 zeigt eine Übersicht der Vorgehensweise. 6.5 Weibullbasierte Kostenreduzierung des EKS 129 100000 1000000 Potential zur Kostenreduzierung A us fa llw ah rs ch ei nl ic hk ei t v on 9 9, 9% Lebensdauer t· 100 A us fa llw ah rs ch ei nl ic hk ei t F [% ] Lagerbuchse Feder Druckfeder, Bruch System Schneckenrad, Gleitverschleiß Gleitbuchse Schnecke Lagerbuchse Schnecke Rillenkugellager, Schneckenrad Rillenkugellager, Schnecke 1 2 3 5 10 50 100 500 1000 99.9 99.0 90.0 80.0 63.2 50.0 30.0 20.0 10.0 5.0 3.0 2.0 1.0 0.5 0.3 0.2 0.1 Bild 6.25: Weibullverteilungen der Einzelkomponenten des EKS Geometrie bestimmen (CDK Step 1) CAD Demonstration (CDK Step 2) Belastung bestimmen (CDK Step 3) Weibullanalyse (CDK Step 4) Kostenreduktion (CDK Step 5) Design Review (CDK Step 6) FEM Analyse Optional Optional Optional O pt io na l Optional Optional Weibull Analyse des Systems. Zuverlässigste, nicht lebens- dauerbestimmende Bauteile (FS(t)=99.9%) ... Bild 6.26: Ablaufdiagramm des Cost Design Kit 130 6 Beispielhafte Umsetzung In den ersten drei Schritten des Moduls CDK wird die Bauteilgeometrie des Wälzla- gers bestimmt, das CAD-Modell generiert und die Belastung sowie die Umdrehungs- geschwindigkeit festgelegt. Die B10-Lebensdauer des Lagers wird nach der Formel p P CB       10 (6.1) berechnet. Die dynamische Tragzahl C hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab und wird aufgrund zahlreicher Versuche, Untersuchungen und Erfahrungen ermittelt. Sie ist eine Lagerkonstante und wird von den verschiedenen Wälzlagerherstellern an- gegeben [107]. Aus den radialen und axialen Kräften sowie deren jeweiligen Faktoren errechnet sich die dynamisch äquivalente Lagerbeanspruchung P: ar FYFXP  . (6.2) Der Exponent der Lebensdauergleichung ist für Punktberührung (Kugellager) p = 3 und für Linienberührung (Rollenlager) p = 10/3. Der Ablauf der Lagerauswahl bis zur Darstellung der Ausfallwahrscheinlichkeit Le- bensdauerkurve des selektierten Lagers im Weibulldiagramm wird in Bild 6.27 anhand der verschiedenen Eingabemasken gezeigt. Lebens- dauer des Lagers Passende Lager wählen Eingabe der Lasten und Umdrehungs- geschwin- digkeiten CAD-Modell Eingabe der Weibull- parameter Ge om etri e des La ger s fes tleg en Bild 6.27: Ablauf der weibullbasierten Kostenreduzierung der Lager 6.5 Weibullbasierte Kostenreduzierung des EKS 131 Der Verlauf der Ausfallwahrscheinlichkeit der unterschiedlichen Lager läßt sich ver- gleichend im Weibulldiagramm darstellen. In Bild 6.28 sind die Lebensdauervertei- lungen von drei verschiedenen Lagern mit unterschiedlichen B10-Lebensdauern von 20h10x, 66h10x bzw. 150h10x Betriebsstunden dargestellt. Angenommen, die Senk- rechte für F(t) = 99,9% des Systems liegt wie in Bild 6.28 dargestellt, dann ergeben sich folgende Aussagen bezüglich dieser Lager:  Lager a ist unterdimensioniert,  Lager b liegt im moderaten Bereich und wäre für das System geeignet,  Lager c ist überdimensioniert. 1506620Lifetime t [h] Weibull-Wahrscheinlichkeits-Papier Lebensdauer t·10x A us fa llw ah rs ch ei nl ic hk ei t F [% ] Senkrechte mit 99,9% Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems b c 99.9 99.0 90.0 80.0 63.2 50.0 30.0 20.0 10.0 5.0 3.0 2.0 1.0 0.5 0.3 0.2 0.1 1 2 5 10 50 100 200 500 1000 a A us fa llw ah rs ch ei nl ic hk ei t F [% ] Bild 6.28: Lebensdauerkurven verschiedener Lager In dem Teilmodul in Bild 6.29 können die optionalen Lager und deren Anzahl ausge- wählt werden. Anschließend können die Preise für die selektierten Mengen errechnet und verglichen werden, woraus sich bei größeren Mengen eine erhebliche Kostenein- sparung ergeben kann. Die Preise für die Lager ergaben sich wie folgt: Für Lager a: 9,67 €/Stück , für Lager b: 15,68 €/Stück , für Lager c: 47,29 €/Stück . In diesem Beispiel ergibt sich somit die Mög- lichkeit, bei Auswahl von Lager b gegenüber Lager c mehr als 60% der Bauteilkosten zu reduzieren. Der Kostenanteil dieses Lagers am Gesamtsystem wurde nicht errech- net. 132 6 Beispielhafte Umsetzung Zusammenfassung der gewählten Lagerspezifikation Auswahl der geeigneten Lager inklusive Menge Errechnete Bauteilgesamt- kosten Bild 6.29: Kostenberechnung von Lager b 133 7 Zusammenfassung und Ausblick Die Zuverlässigkeit beschreibt unmittelbar die Funktionsfähigkeit eines Produkts. Sie ist als zeitabhängige, d.h. dynamische Komponente der Qualität anzusehen und daher ein entscheidendes Verkaufsargument im Wettbewerb. Um zuverlässige Produkte auch unter sich verschärfenden Randbedingungen, wie z.B. größerer Komplexität und höhe- rer Funktionalität entwickeln zu können, müssen vermehrt Methoden der Zuverlässig- keitstechnik eingesetzt werden. Die funktionalen Eigenschaften eines Produkts werden, ausgehend von den Kunden- forderungen, weitgehend durch die konstruktive Entwicklung bestimmt. Selbst eine ausgereifte Konstruktionsmethodik führt nur durch den Einsatz von Zuverlässigkeits- methoden zu einer hohen Produktzuverlässigkeit. Jedoch erfolgt die Ermittlung der Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen meist spät im Produktentstehungsprozeß sowie isoliert vom rechnerunterstützten Konstruk- tionsprozeß. Im Sinne einer CAD-integrierten, frühen und konstruktionsphasenüber- greifenden Zuverlässigkeitsanalyse und -optimierung soll die vorliegende Arbeit einen Beitrag leisten. Basierend auf dem Stand der Konstruktionsmethodik und dessen Abbildung im CAD- System wurde die Anwendung von qualitativen und berechnenden Zuverlässigkeits- methoden entlang des Produktentstehungsprozesses untersucht. Beginnend mit der Abbildung der Konzeptphase im CAD-System können mittels des Lebensdauermana- gers zuverlässigkeitsrelevante Daten zu den geometrischen Objekten in einer Daten- bank abgelegt werden. Darauf aufbauend können gängige Zuverlässigkeitsmethoden, wie z.B. Fehlerbaumanalyse und Boolesche Methode, ausgeführt werden. Eine inter- aktive Zuverlässigkeitsanalyse mit dem CAD-System, bereits in der frühen Phase, kann in der weiteren Entwicklung fortgeschrieben und verfeinert werden. Dadurch soll der Konstrukteur die geforderte hohe Produktzuverlässigkeit früher und genauer errei- chen können, verglichen mit einem „CAD-isolierten“ Einsatz der Zuverlässigkeits- methoden. Das Software-Werkzeug KOSYMA wurde hinsichtlich einer konstruktionsphasenbe- zogenen Datenablage weiterentwickelt. Bereits das Konzept in der Entwicklungsphase kann im Skizzenmodus des CAD-Systems abgebildet und mit dem Lebensdauermana- ger gekoppelt werden. Den erstellten geometrischen Objekten können somit Zuverläs- sigkeitsdaten zugewiesen werden, auf deren Basis die Zuverlässigkeitsanalyse erfolgt. 134 7 Zusammenfassung und Ausblick Die Ergebnisse werden phasenbezogen und strukturiert in einer Datenbank abgelegt. In späteren Phasen der konstruktiven Entwicklung werden die Resultate als Basis für die weitere Zuverlässigkeitsanalyse verwendet und kontinuierlich verbessert und er- gänzt. Diese Durchgängigkeit einer CAD-integrierten Zuverlässigkeitsanalyse wurde anhand der Fehlerbaumanalyse und anhand der Booleschen Methode gezeigt. Die Kopplung des CAD-Systems mit qualitativen Zuverlässigkeitsmethoden wurde am Beispiel der FMEA vorgestellt. Anhand des Beispiels Stellglied des elektromechani- schen Kupplungssystems wurde die praktische Anwendung der Vorgehensweise durchgeführt. Abschließend wurde die Möglichkeit einer Kostenreduzierung eines Sy- stems basierend auf der Weibullanalyse am Beispiel der Komponente Lager gezeigt. In einer Fortsetzung dieser Arbeit soll die Unsicherheit der Zuverlässigkeitsdaten, die sich beispielsweise in den Vertrauensbereichen ausdrückt, berücksichtigt werden. Da- bei ist zu prüfen, wie die Datenunsicherheit der einzelnen Komponenten die Zuverläs- sigkeitsermittlung des Systems beeinflußt. Dabei ist auch auf die Durchgängigkeit der Zuverlässigkeitsinformationen zu achten. Weitergehende Untersuchungen sollen, aufbauend auf der vorgestellten weibullba- sierten Kostenanalyse, hinsichtlich einer früheren Berücksichtigung des Kostenaspekts erfolgen. Mit dem Aufwand der Zuverlässigkeitstechnik kann ein Kosteneinspar- potential einhergehen, so daß ein Einsatz der Zuverlässigkeitsmethoden direkt ge- winnbringend ist. 135 Literatur [1] N.N.: Handbuch Technische Zuverlässigkeit. Verein deutscher Ingenieure VDI, Berlin: Beuth Verlag, 1985. [2] Bertsche, B.; Lechner, G.: Zuverlässigkeit im Maschinenbau. Berlin: Springer- Verlag, 1999. [3] http://www.spiegel.de/auto/news/0,1518,74779,00.html: Pannenstatistik des allgemeinen deutschen Automobilclubs ADAC. Spiegel, 5. Mai 2000. [4] Bertsche, B.: Zuverlässigkeitstechnik. Unveröffentlichtes Vorlesungsmanus- kript, Institut für Maschinenelemente, Universität Stuttgart, 2001. [5] Bertsche, B.; Marwitz, H.; Ihle, H., Frank, R.: Entwicklung zuverlässiger Pro- dukte. Konstruktion Jg. 50, H4. S. 41-44, 1998. [6] Veil, A.: Integration der Berechnung von Systemzuverlässigkeiten in den CAD- Konstruktionsprozeß. Institut für Maschinenelemente, Universität Stuttgart 1999. 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Seher Schulbildung 08/ 76 – 07/ 80 08/ 80 – 05/ 89 Grundschule in Heilbronn-Frankenbach Elly-Heuss-Knapp-Gymnasium in Heilbronn Bundeswehr 06/ 89 – 08/ 90 Instandhaltung in Eschweiler und Kühlsheim Studium 10/ 90 – 09/ 92 10/ 92 – 10/ 96 24. Oktober 1996 Vordiplom Maschinenbau, Universität Stuttgart Hauptdiplom Maschinenbau, Universität Stuttgart Vertiefungsfächer: Fabrikbetrieb (Prof. Warnecke) Kraftwerkstechnik (Prof. Hein) Praktika: Kolbenschmidt AG, Neckarsulm Helsinki University of Technology British Steel, Newport Diplomhauptprüfung Beruf 11/ 96 – 08/ 98 09/ 98 – 09/ 01 seit 10/ 01 Continental Automotive Systems, Betriebsleiter Ulm Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Maschinen- elemente der Universität Stuttgart, Zuverlässigkeitstechnik Qualitätsingenieur im Bereich Fahrwerk/ Federungssysteme der DaimlerChrysler AG, Entwicklung PkW Liste der bisher erschienenen Berichte aus dem IMA: Nr. Verfasser Titel 1 H.K. Müller Beitrag zur Berechnung und Konstruktion von Hochdruckdichtungen an schnellaufenden Wellen 2 W. Passera Konzentrisch laufende Gewinde-Wellen-Dichtung im laminaren Bereich K. Karow Konzentrische Doppelgewindewellendichtung im laminaren Bereich 3 F.E. Breit Die Kreiszylinderschalendichtung: Eine Axialspaltdichtung mit druckabhängiger Spaltweite W. Sommer Dichtungen an Mehrphasensystemen: Berührungsfreie Wellendichtungen mit hochviskosen Sperrflüssigkeiten 4 K. Heitel Beitrag zur Berechnung und Konstruktion konzentrisch und exzentrisch betriebener Gewin- dewellendichtungen im laminaren Bereich 5 K.-H. Hirschmann Beitrag zur Berechnung der Geometrie von Evolventenverzahnungen 6 H. Däuble Durchfluß und Druckverlauf im radial durchströmten Dichtspalt bei pulsierendem Druck 7 J. Rybak Einheitliche Berechnung von Schneidrädern Für Außen- und Innenverzahnungen Beitrag zu Eingriffsstörungen beim Hohlrad-Verzahnen mittels Schneidrad 8 D. Franz Rechnergestütztes Entwerfen von Varianten auf der Grundlage gesammelter Erfahrungswerte 9 E. Lauster Untersuchungen und Berechnungen zum Wärmehaushalt mechanischer Schaltgetriebe 10 Festschrift zum 70. Geburtstag von Prof. Dr.-Ing. K. Talke 11 G. Ott Untersuchungen zum dynamischen Leckage- und Reibverhalten von Radialwellendichtringen 12 E. Fuchs Untersuchung des elastohydrodynamischen Verhaltens von berührungsfreien Hochdruck- dichtungen 13 G. Sedlak Rechnerunterstütztes Aufnehmen und Auswerten spannungsoptischer Bilder 14 W. Wolf Programmsystem zur Analyse und Optimierung von Fahrzeuggetrieben 15 H. v. Eiff Einfluß der Verzahnungsgeometrie auf die Zahnfußbeanspruchung innen- und außenver- zahnter Geradstirnräder 16 N. Messner Untersuchung von Hydraulikstangendichtungen aus Polytetrafluoräthylen 17 V. Schade Entwicklung eines Verfahrens zur Einflanken-Wälzprüfung und einer rechnergestützten Auswertemethode für Stirnräder 18 A. Gührer Beitrag zur Optimierung von Antriebssträngen bei Fahrzeugen 19 R. Nill Das Schwingungsverhalten loser Bauteile in Fahrzeuggetrieben 20 M. Kammüller Zum Abdichtverhalten von Radial-Wellendichtringen 21 H. Truong Strukturorientiertes Modellieren, Optimieren und Identifizieren von Mehrkörpersystemen 22 H. Liu Rechnergestützte Bilderfassung, -verarbeitung und -auswertung in der Spannungsoptik 23 W. Haas Berührungsfreie Wellendichtungen Für flüssigkeitsbespritzte Dichtstellen 24 M. Plank Das Betriebsverhalten von Wälzlagern im Drehzahlbereich bis 100.000/min bei Kleinstmen- genschmierung 25 A. Wolf Untersuchungen zum Abdichtverhalten von druckbelastbaren Elastomer- und PTFE- Wellendichtungen 26 P. Waidner Vorgänge im Dichtspalt wasserabdichtender Gleitringdichtungen 27 Hirschmann u.a. Veröffentlichungen aus Anlaß des 75. Geburtstags von Prof. Dr.-Ing. Kurt Talke 28 B. Bertsche Zur Berechnung der Systemzuverlässigkeit von Maschinenbauprodukten 29 G. Lechner; K.-H.Hirschmann; B. Bertsche Forschungsarbeiten zur Zuverlässigkeit im Maschinenbau 30 H.-J. Prokop Zum Abdicht- und Reibungsverhalten von Hydraulikstangendichtungen aus Polytetrafluor- äthylen 31 K. Kleinbach Qualitätsbeurteilung von Kegelradsätzen durch integrierte Prüfung von Tragbild, Einflan- kenwälzabweichung und Spielverlauf 32 E. Zürn Beitrag zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und -geschwindigkeit eines Mehrkoordinatenta- sters 33 F. Jauch Optimierung des Antriebsstranges von Kraftfahrzeugen durch Fahrsimulation 34 J. Grabscheid Entwicklung einer Kegelrad-Laufprüfmaschine mit thermografischer Tragbilderfassung 35 A. Hölderlin Verknüpfung von rechnerunterstützter Konstruktion und Koordinatenmeßtechnik 36 J. Kurfess Abdichten von Flüssigkeiten mit Magnetflüssigkeitsdichtungen 37 G. Borenius Zur rechnerischen Schädigungsakkumulation in der Erprobung von Kraftfahrzeugteilen bei stochastischer Belastung mit variabler Mittellast 38 E. Fritz Abdichtung von Maschinenspindeln 39 E. Fritz; W. Haas; H.K. Müller erührungsfreie Spindelabdichtungen im Werkzeugmaschinenbau. Konstruktionskatalog 40 B. Jenisch Abdichten mit Radial-Wellendichtringen aus Elastomer und Polytetrafluorethylen Nr. Verfasser Titel 41 G. Weidner Klappern und Rasseln von Fahrzeuggetrieben 42 A. Herzog Erweiterung des Datenmodells eines 2D CAD-Systems zur Programmierung von Mehrko- ordinatenmeßgeräten 43 T. Roser Wissensbasiertes Konstruieren am Beispiel von Getrieben 44 P. Wäschle Entlastete Wellendichtringe 45 Z. Wu Vergleich und Entwicklung von Methoden zur Zuverlässigkeitsanalyse von Systemen 46 W. Richter Nichtwiederholbarer Schlag von Wälzlagereinheiten für Festplattenlaufwerke 47 R. Durst Rechnerunterstützte Nutprofilentwicklung und clusteranalytische Methoden zur Optimierung von Gewindewerkzeugen 48 G.S. Müller Das Abdichtverhalten von Gleitringdichtungen aus Siliziumkarbid 49 W.-E. Krieg Untersuchungen an Gehäuseabdichtungen von hochbelasteten Getrieben 50 J. Grill Zur Krümmungstheorie von Hüllflächen und ihrer Anwendung bei Werkzeugen und Verzah- nungen 51 M. Jäckle Entlüftung von Getrieben 52 M. Köchling Beitrag zur Auslegung von geradverzahnten Stirnrädern mit beliebiger Flankenform 53 M. Hildebrandt Schadensfrüherkennung an Wälzkontakten mit Körperschall-Referenzsignalen 54 H. Kaiser Konstruieren im Verbund von Expertensystem, CAD-System, Datenbank und Wiederholteil- such-system 55 N. Stanger Berührungsfrei abdichten bei kleinem Bauraum 56 R. Lenk Zuverlässigkeitsanalyse von komplexen Systemen am Beispiel PKW-Automatikgetriebe 57 H. Naunheimer Beitrag zur Entwicklung von Stufenlosgetrieben mittels Fahrsimulation 58 G. Neumann Thermografische Tragbilderfassung an rotierenden Zahnrädern 59 G. Wüstenhagen Beitrag zur Optimierung des Entlasteten Wellendichtrings 60 P. Brodbeck Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Bauteilzuverlässigkeit und zur System- berechnung nach dem Booleschen Modell 61 Ch. Hoffmann Untersuchungen an PTFE-Wellendichtungen 62 V. Hettich Identifikation und Modellierung des Materialverhaltens dynamisch beanspruchter Flächen- dichtungen 63 K. Riedl Pulsationsoptimierte Außenzahnradpumpen mit ungleichförmig Übersetzenden Radpaaren 64 D. Schwuchow Sonderverzahnungen Für Zahnradpumpen mit minimaler Volumenstrompulsation 65 T. Spörl Modulares Fahrsimulationsprogramm Für beliebig aufgebaute Fahrzeugtriebstränge und An- wendung auf Hybridantriebe 66 K. Zhao Entwicklung eines räumlichen Toleranzmodells zur Optimierung der Produktqualität 67 K. Heusel Qualitätssteigerung von Planetengetrieben durch Selektive Montage 68 T. Wagner Entwicklung eines Qualitätsinformationssystems Für die Konstruktion 69 H. Zelßmann Optimierung des Betriebsverhaltens von Getriebeentlüftungen 70 E. Bock Schwimmende Wellendichtringe 71 S. Ring Anwendung der Verzahnungstheorie auf die Modellierung und Simulation des Werkzeug- schleifens 72 M. Klöpfer Dynamisch beanspruchte Dichtverbindungen von Getriebegehäusen 73 C.-H. Lang Losteilgeräusche von Fahrzeuggetrieben 74 W. Haas Berührungsfreies Abdichten im Maschinenbau unter besonderer Berücksichtigung der Fanglabyrinthe 75 P. Schiberna Geschwindigkeitsvorgabe für Fahrsimulationen mittels Verkehrssimulation 76 W. Elser Beitrag zur Optimierung von Wälzgetrieben 77 P. Marx Durchgängige, bauteilübergreifende Auslegung von Maschinenelementen mit unscharfen Vorgaben 78 J. Kopsch Unterstützung der Konstruktionstätigkeiten mit einem Aktiven Semantischen Netz 79 J. Rach Beitrag zur Minimierung von Klapper- und Rasselgeräuschen von Fahrzeuggetrieben 80 U. Häussler Generalisierte Berechnung räumlicher Verzahnungen und ihre Anwendung auf Wälzfräser- herstellung und Wälzfräsen 81 M. Hüsges Steigerung der Tolerierungsfähigkeit unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten 82 X. Nastos Ein räumliches Toleranzbewertungssystem für die Konstruktion 83 A. Seifried Eine neue Methode zur Berechnung von Rollenlagern über lagerinterne Kontakt- Beanspruchungen 84 Ch. Dörr Ermittlung von Getriebelastkollektiven mittels Winkelbeschleunigungen 85 A. Veil Integration der Berechnung von Systemzuverlässigkeiten in den CAD-Konstruktionsprozeß 86 U. Frenzel Rückenstrukturierte Hydraulikstangendichtungen aus Polyurethan 87 U. Braun Optimierung von Außenzahnradpumpen mit pulsationsarmer Sonderverzahnung 88 M. Lambert Abdichtung von Werkzeugmaschinen-Flachführungen 89 R. Kubalczyk Gehäusegestaltung von Fahrzeuggetrieben im Abdichtbereich Nr. Verfasser Titel 90 M. Oberle Spielbeeinflussende Toleranzparameter bei Planetengetrieben 91 S. N. Dogan Zur Minimierung der Losteilgeräusche von Fahrzeuggetrieben 92 M. Bast Beitrag zur werkstückorientierten Konstruktion von Zerspanwerkzeugen 93 M. Ebenhoch Eignung von additiv generierten Prototypen zur frühzeitigen Spannungsanalyse im Produkt- entwicklungsprozeß 94 A. Fritz Berechnung und Monte-Carlo Simulation der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit technischer Systeme 95 O. Schrems Die Fertigung als Versuchsfeld für die qualitätsgerechte Produktoptimierung 96 M. Jäckle Untersuchungen zur elastischen Verformung von Fahrzeuggetrieben 97 H. Haiser PTFE-Compounds im dynamischen Dichtkontakt bei druckbelastbaren Radial- Wellendichtungen 98 M. Rettenmaier Entwicklung eines Konstruktionssystems für Rapid-Prototyping-gerechte Bauteile 99 M. Przybilla Methodisches Konstruieren von Leichtbauelementen für hochdynamische Werkzeugmaschi- nen 100 M. Olbrich Werkstoffmodelle zur Finiten-Elemente-Analyse von PTFE-Wellendichtungen 101 M. Kunz Ermittlung des Einflusses fahrzeug-, fahrer- und verkehrsspezifischer Parameter auf die Ge- triebelastkollektive mittels Fahrsimulation