Überblick Zuverlässigkeit. 0.2 Zusammenfassung. Stefan Einbock / Thomas Bublat / 15

Transkript

1 0.2 Zusammenfassung / 15

2 3.1-2 / 15

3 3.1-3 / 15

4 Produktentstehungsprozess PEP Definition Fehler: Nichterfüllung einer Anforderung. ABER: tlw. auch Nichterfüllung einer unausgesprochenen Erwartung! Quelle DGQ Fehler so früh wie möglich vermeiden anstatt zu beheben! Entwicklung beeinflusst Maßgeblich die gesamten Entwicklungskosten! / 15

5 PEP FMEA und Zuverlässigkeitsgestaltung finden überwiegend in der Konzeptentwicklungs- und Produktentwicklungsphase Anwendung. Ausnahme: Feldbeobachtung Nach / 15

6 Verifikation <-> Validierung Ausfälle werden oft erkannt, aber als Ausreißer deklariert! Feldlasten, Belastungsprofile, Einsatzgebiete, Fahrertypen, TKU (oft unbekannt!) Technische Spezifikation zum vereinbarten bestimmungsgemäßen Gebrauch, Normen, Richtlinien, Verifikation (auch Simulation) Freigabe des Produkts (Produktfähigkeit) Validierung auf Basis von Lastprofilen und Lebensdauermodellen Verifikation: Absicherung gegen technische Spezifikation. Anforderungen sind eindeutig beschrieben (Medien, Belastungen, Dauern,.) Validierung: Nachweis gegen Nutzung des Produktes. Anforderungen aus dem Feld. Eindeutige Beschreibung fehlt oftmals. Viel Eigene Arbeit und vorallem Entscheidungen über die richtigen Anforderungen notwendig! / 15

7 Ablauf Zuverlässigkeitsnachweises Anforderungen definieren Zu bewertende Bauteile festlegen und diese freischneiden Potenzielle Schadensmechanismen ermitteln Lasten bestimmen Beanspruchungen aus Lasten ableiten Beanspruchbarkeiten aller Schadensmechanismen bestimmen Zuverlässigkeit durch Vergleich von Beanspruchbarkeit und Beanspruchung berechnen Zuverlässigkeit validieren, d.h. Erprobungen planen und durchführen / 15

8 Zuverlässigkeit in % Überblick Zuverlässigkeit Anforderungen (Bsp. Automobil) Einsatzdauer Produktzuverlässigkeit B10 Festlegung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Produktes erforderlich! Herunterbrechen der Zuverlässigkeit auf Komponenten. Wichtig: Personenschäden, immer auf technische 0% auslegen! / ) Garantiezeit 2) Beobachtungszeitraum (z.b. ADAC, KBA (Kraftfahr Bundesamt) und NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration ) 3) Ende der Nutzungsdauer

10 Nach VDA / 15

11 FMEA und Produkthaftung Produktsicherheitsgesetz FMEA = Stand der Technik Produkthaftung FMEA = Stand der Technik VDA 6.1 Empfehlung DIN EN ISO 9001 Empfehlung KTA-1401 Forderung Nach DGQ / 15

12 Zuverlässigkeitsmatrix Bauteil Funktion Fehler Belastung Beanspruch ung V:/T: Belastbarkeit V:/T: Zuverlässigk eit Drehmoment Temperatur Antriebswell e Drehmoment übertragen Bruch der Welle -Drehmoments pitzen - Drehmomenta mplituden und Mittelwerte -Statische Festigkeit f(t) - Schwingfesti gkeit f(t) -Sim. Drehmoment e - Messung Temp. -Zugfestigkeit als f(t) aus Werkstoffdaten blättern - Wöhlerlinie aus Norm (FKM) Welle schwingt auf Anregungsfrequenz Drehmoment im Bereich Eigenfre-quenz Welle -Eigenfreque nz f(t) - Steifigkeit f(t) -Anregung aus Erfahrung - Anregung aus Norm - Anregung von Kunde -Sim. Eigenfrequenz analytisch - Messung Eigenfrequenz Dreh-moment auf Ritzel übertragen Ritzel rutscht durch Spitzenmoment führt zum Durch-rutschen Aufwei-tung Passung über Temp. Sim. Drehmoment e Sim. Aufweitung - Ermittlung Reibwerte experimentell unter Einfluss Fertigung (Öl) / 15

13 Problemlösung Mindset: Anlegen, feuern, zielen! Anlegen, zielen, zielen, zielen, feuern! / 15

15 Beanspruchungsermittlung 1) Lastfälle: Berücksichtigung des Fahrereinflusses Streckeneinflusses Umwelteinfluss Fahrzeugeinflusses Worst Cases und Use Cases Fertigungseinflüsse! durch Messungen/Erfahrungen 2) Belastungen als f(t,lastfall) aus Simulation, Messung oder Erfahrung 3) Beanspruchung als f(t,lastfall) aus Simulation, Messung Lastkollektive sind immer Schadensmechanismus spezifisch: z.b. Zahnbruch = f(s F (t)) Nach Bertsche / 15

17 Forschung zur Materialermüdung / 15

18 Streuspanne T S = 1: (σ w 90 / σ w 10) σ W90 Dauerfestigkeit bei Ausfallwahrscheinlichkeit 90% σ W10 Dauerfestigkeit bei Ausfallwahrscheinlichkeit 10% Spannungswöhlerlinie s a,el = s D * (N D /N a ) 1/k nach Maennig Dauerfestigkeitsverteilung Ergebnisse von Schwingversuchen an 476 Proben aus Stahl C35 und Verteilung der Dauerschwingfestigkeitswerte im Wahrscheinlichkeitsnetz / 15

19 nach Leitfaden VBFEh im VDEh Auswirkungen verschiedener Einflussgrößen auf die Wöhlerlinie kleiner Proben / 15

20 Neigungsexponent k Ecklastspielzahl N D nach Haibach Wöhlerlinie: Neigungsexponent k = 5 und Ecklastspielzahl N D = 10 6 Zyklen / 15

21 Arrhenius-Modell Hintergrund: Die Temperatur beeinflusst exponentiell die Reaktionsgeschwindigkeit ν von Ionen, deren Konzentration durch Leitfähigkeitsmessungen bewertet wurde. Die Auswertemethodik mittels Arrhenius-Gleichung ist allgemein anerkannt: Zerfall von NO2 nach Kinetik erster Ordnung mit T: der Temperatur in Kelvin E a : der Aktivierungsenergie (bauteilspezifische Größe in ev) k: der Boltzmannkonstante (k=8, ev/kelvin) ν 0 : Proportionalitätskonstante Zuverlässigkeitstechnik: Für viele Bereiche bestätigt sich der exponentielle Zusammenhang zwischen zwei Temperaturniveaus (T 1 und T 2 ) und den zugehörigen Ausfallraten λ 1 und λ 2 (Alternativ: Lebensdauern) bei Bauteilversuchen: Der Beschleunigungsfaktor A = λ 1 / λ 2wird in der Zuverlässigkeitstechnik zur Raffung von Lebensdauertests benutzt Faustregel: bezieht sich immer nur auf einen Ausfallmechanismus ist bauteilspezifisch muss versuchstechnisch ermittelt werden 10 K höhere Temperatur = Halbierung der Lebensdauer / 15

22 Coffin-Manson-Formel Wird bei Metallen als Wöhlerlinie verwendet, wenn die Belastungen überwiegend plastische Verformungen hervorrufen Findet überwiegend Anwendung bei der Bewertung des Schädigungseinflusses von Temperaturwechseln (z.b. bei Lötverbindungen) Wöhlerlinie / inverse Power Law t 2 = t 1 * (B 1 /B 2 ) k Dabei ist t die Beanspruchungsdauer, B die Beanspruchungshöhe und der bauteilspezifischen Neigung k. Üblicherweise wird beim Arbeiten mit Temperaturwechseln DT und deren Anzahl n mit der Coffin-Manson Formel gearbeitet: n 2 = n 1 * (DT 1 /DT 2 ) k / 15

23 Norris-Lanzberg-Beziehung Norris und Landzberg wiesen einen Einfluss der Temperaturwechsel (Coffin-Manson), der maximalen Temperatur (Arrhenius) und der Haltezeit auf die Lebensdauer von Lotverbindungen nach T max DT T Dabei ist AF der Beschleunigungsfaktor und f die Frequenz der Beanspruchung (d.h. die Haltezeit) und m die bauteilspezifische Neigung der Haltezeit. Dt = f t Anwendungsgebiet sind v. a. kriechanfällige Bauteile/Werkstoffe wie Lotverbindungen / 15

24 Beanspruchungshöhe B Raffung t 1 t 2 Beanspruchungsdauer t / 15

25 P Belastung Rechnerische Verteilungsermittlung Annahme einer Verteilungsfunktion, z.b. log. Normalverteilung Verschiebung aller Versuchspunkte in einen beliebigen Lasthorizont parallel zum mittleren Verlauf der Wöhlerlinie Mittelwert: log N 50% = 1 / n Σ log N i Standardabweichung: s=[ 1 / n-1 Σ(log N i log N 50% ) 2 ] 1/2 n = Stichprobenunmfang i = Ordnungszahl P a = Ausfallwahrscheinlichkeit Pa [ %] u x90% x x10% P a =10 % P a =90 % Log. Lebensdauer 10-1,28 1-2,33 P a 0,1-3,09 log N Pa = log N 50% + u s log N 10% = log N 50% -1,28 s log N 90% = log N 50% +1,28 s Log. Lebensdauer / 15

27 n D i N i i Mehrstufiges Beanspruchungskollektiv und ertragbare Beanspruchungen / 15

28 Fazit Schadenssumme von D = 0,3 für Metalle Allgemein Schadenssumme D=1 Konservative Auslegung: Vernachlässigung Dauerfestigkeit Bei überlagerter Belastung für jede Belastung Schädigung berechnen und addieren Je kritischer der Ausfall, umso geringer die zulässige Ausfallwahrscheinlichkeit Lebensdauern streuen um Faktor / 15

30 optimale Versuchszeit Parameter zur Festlegung der idealen Versuchszeit Vernachlässigung nicht schädigender Anteile / 15

31 Kernaussagen Identifizieren Sie bereits im A-Muster Ihre potenziellen Schadensmechanismen (z.b. mittels FMEA oder Zuverlässigkeitsmatrix) Verstehen Sie für die Werkstoffe Ihrer Bauteile das Werkstoffverhalten (Wöhlerlinien, Arrhenius, ). Beginnen Sie bei den kritischsten Komponenten, oder den Komponenten, bei denen Sie die geringsten Erfahrungen haben Legen Sie bereits im A- / B-Muster Bauteile auf Zuverlässigkeit aus. Nutzen Sie Baugruppen-Tests zur Bestätigung Ihrer Auslegung (Zielzustand). Testen Sie so viel wie möglich bis End of Life / 15