Zuverlässigkeitsvalidierung. Kapitel 7: Stefan Einbock / Thomas Bublat / 25

Transkript

1 Kapitel 7: Zuverlässigkeitsvalidierung / 25

2 Inhalt Raffungsmodelle Wöhlerlinie Arrhenius-Modell Coffin-Manson-Modell Norris-Landzberg-Modell Step-Stress-Methode HALT Korrelation von Feld und Versuch / 25

3 Beschleunigte Lebensdauerprüfungen Optimale Erprobung: Test im Feld unter realen Bedingungen Nachteil: sehr lange Erprobungsdauern in den meisten Fällen nicht tragbar beschleunigte Lebensdauerprüfungen: Erhöhtes Belastungsniveau / -niveaus Schluss von Tests mit erhöhter Belastung auf Lebensdauer bei normaler Belastung mittels Lebensdauermodellen Wichtig: Durch die Erhöhung des Belastungsniveaus dürfen sich die Ausfallmechanismen nicht ändern! Wichtige Fragestellungen Was für Methoden an beschleunigten Lebensdauerprüfungen gibt es? Wo sind deren Vor- und Nachteile Welche Grenzen müssen eingehalten werden / 25

4 Beschleunigte Lebensdauerprüfungen Beispiel Büroklammern: ( Understanding Accelerated Life-Testing Analysis von Pantelis Vassiliou, aus RAMS Tutorial Notes) Versuchsergebnisse: Versuchsbedingungen Jeweils 6 Büroklammern werden unter einem Biegewinkel von 45, 90 und 180 wiederholt bis zum Bruch belastet Büroklammer α = 45 α = 90 α = , , / 25

5 Beschleunigte Lebensdauerprüfungen Beispiel Büroklammern: ( Understanding Accelerated Life-Testing Analysis von Pantelis Vassiliou, aus RAMS Tutorial Notes) Auswertung: T 45 = 74,59 LW T 90 = 20,66 LW T 180 = 5,68 LW Raffungsfaltoren: Änderung des SM zwischen 45, 90 und 180? / 25

6 Beschleunigte Lebensdauerprüfungen Beispiel Schalter, Prüfzeitverkürzung durch Steigerung der Belastung (VDA Band 3 Teil 2): Versuchsbeschreibung: Schalter werden bei versch. Spannungen auf max. erträgliche Schaltvorgänge geprüft Belastungsniveaus: 12 V, 13 V, 14 V und 15 V Anzahl Prüflinge: Je Spannungsniveau 15 Änderung des SM zwischen 12 V, 13 V, 14 V und 15 V / 25

7 Raffung mittels Lebensdauermodellen Bisher kennengelernte Lebensdauermodelle: Wöhlerlinien: Ermüdungsverhalten von Werkstoffen durch mechanische Spannungen Arrhenius-Modell: Reaktionsgeschwindigkeiten, Alterungsverhalten von Kunststoffen, Coffin-Manson-Modell: Ermüdungsverhalten von Bauteilen oder Bauteilgruppen durch thermomechanische Spannungen Norris-Landzberg-Modell: Erweiterung und Kombination des Coffin-Manson- und Arrhenius-Modells Raffungsfaltoren: Raffungsfaktoren werden über eine äquivalente Schädigung bestimmt / 25

8 Raffung mittels Lebensdauermodellen Raffung mit Wöhlerlinien: Mittelspannung beachten! Feld: Schädigung (1): Labor / Versuch: Schädigung (2): Grundbedingung für Erprobung (3): Raffungsfaktor: Vorgehen Erprobungsdefinition: Spannungshubniveau σ Labor festlegen (Amplitude und Mittelspannung) Nötige Zyklenzahl berechnen - Gleichung (1), (2), (3) / 25

9 Raffung mittels Lebensdauermodellen Raffung mit Wöhlerlinien: Beispiel: Ermüdung von Zahnradflanken (angelehnt an VDA Band 3 Teil 2): Feldlastkollektiv: Klasse i Spannung σ i [ MPa ] Schwingspiele n i [ # ] Wöhlerlinie: Wöhlerexponent: Dauerfestigkeit: Ertragbare Schwingspiele bei σ DF : / 25

10 Raffung mittels Lebensdauermodellen Raffung mit Wöhlerlinien: Beispiel: Ermüdung von Zahnradflanken Feldlastkollektiv: Klasse i Spannung σ i [ MPa ] Schwingspiele n i [ # ] Schädigung d i 5, , , , Σ = Σ = 9, Ertragbare Schwingspiele: N LD,Feld σ = Mögliche geraffte Erprobungsprofile: Last für jede Klasse erhöhen Beschränkung auf eine Klasse mit hoher Last / 25

11 Raffung mittels Lebensdauermodellen Raffung mit Wöhlerlinien: Beispiel: Ermüdung von Zahnradflanken Erprobungskollektiv: 20 % höhere Lasten Klasse i Spannung σ i [ MPa ] Schwingspiele n i [ # ] Schädigung d i 1, , , , Σ = Σ = 2, Ertragbare Schwingspiele: N LD,Erprobung σ = Beschleunigung der Erprobung durch Raffung: AF = = 2, / 25

12 Raffung mittels Lebensdauermodellen Raffung mit Wöhlerlinien: Beispiel: Ermüdung von Zahnradflanken Erprobungskollektiv: Ein Belastungsniveau mit hoher Last: Nötige abzubildende Schädigung: Schwingspiele oder Belastungsniveau festlegen D Feld = D Labor = D = 9, Lastniveau festgelegt: Schwingspiele festgelegt: Ertragbare Schwingspiele (D = 1): N Wöhler σ Labor = N DF σ Labor σ DF Feldlastabdeckung: k = D = 9, N σ Labor = N Wöhler (σ Labor ) D = Nötiges Belastungsniveaus für Ausfall: (D = 1): Feldlastabdeckung: / 25 σ = σ DF /D N DF σ D = 9, k = MPa

13 Raffung mittels Lebensdauermodellen Raffung mit Wöhlerlinien: Beispiel: Ermüdung von Zahnradflanken Erprobungskollektiv: Ein Belastungsniveau mit hoher Last: Nötige abzubildende Schädigung: Schwingspiele oder Belastungsniveau festlegen Lastniveau festgelegt: Schwingspiele festgelegt: / 25

14 Raffung mittels Lebensdauermodellen Raffung mit Arrhenius-Modell: Feld: Schädigung (1): Labor / Versuch: Schädigung (2): Vorgehen Erprobungsdefinition: Grundbedingung für Erprobung (3): Raffungsfaktor: Temperaturniveau T Labor festlegen Nötige Zyklenzahl berechnen - Gleichung (1), (2), (3) / 25

15 Raffung mittels Lebensdauermodellen Raffung mit Coffin-Manson: Feld: Schädigung (1): Labor / Versuch: Schädigung (2): Grundbedingung für Erprobung (3): Raffungsfaktor: Vorgehen Erprobungsdefinition: Temperaturhubniveau T Labor festlegen Nötige Zyklenzahl berechnen - Gleichung (1), (2), (3) / 25

16 Raffung mittels Lebensdauermodellen Raffung mit Norris-Landzberg: Feld: Schädigung (1): Labor / Versuch: Schädigung (2): Vorgehen Erprobungsdefinition: Grundbedingung für Erprobung (3): Raffungsfaktor: Zyklenfrequenz f Labor festlegen Temperaturhubniveau T Labor festlegen Temperaturniveau T Labor festlegen Nötige Zyklenzahl berechnen - Gleichung (1), (2), (3) / 25

17 Übung: Zuverlässigkeitsvalidierung / 25

18 Inhalt Raffungsmodelle Wöhlerlinie Arrhenius-Modell Coffin-Manson-Modell Norris-Landzberg-Modell Step-Stress-Methode HALT Korrelation von Feld und Versuch / 25

19 Step-Stress-Methode Beschleunigte Lebensdauerprüfung durch Laststeigerung: Prinzip: Nach jedem Ausfall wird Lastniveau erhöht Mittels Raffungsansätzen werden alle Niveaus auf ein bestimmtes Niveaus zurückgerechnet Verkürzung der Testzeiten Rückrechnung auf niedrigeres Lastniveau Voraussetzung: Ausfallverteilungen (Steigung im Weibullnetz) müssen bekannt und konstant für alle Lastniveaus sein Keine Änderung des Ausfallmechanismus Prinzip der Step-Stress-Tests im Weibullnetz nach VDA Band3 Teil / 25

20 Inhalt Raffungsmodelle Wöhlerlinie Arrhenius-Modell Coffin-Manson-Modell Norris-Landzberg-Modell Step-Stress-Methode HALT Korrelation von Feld und Versuch / 25

21 HALT highly accelerated life testing Identifizierung von Ausfallmechanismen durch Lastüberhöhung: Prinzip Laststeigerung deutlich über normalem Gebrauch starke Verkürzung der Testzeiten Analyse möglicher Belastungen Identifizierung relevanter Ausfallmechanismen Identifizierung funktioneller Grenzen kein Freigabetest Ziel: Ausfall, nicht bestehen des Tests Durchführen von Korrekturmaßnahmen Tests mit steigender Last Analyse der Root Cause der Ausfälle / 25

22 HALT highly accelerated life testing Beispielhafte Lastanregung: gesamte Testdauer 4 Tage stufenweise Absenkung der Umgebungstemperatur in 10 C-Schritten bis zum Erreichen der unteren Betriebsgrenztemperatur. stufenweise Anhebung der Umgebungstemperatur in 10 C-Schritten bis zur oberen Zerstörungsgrenztemperatur. Temperaturschock mit maximal möglicher Anstiegsgeschwindigkeit zwischen T max und T min Mehrachsige Vibrationsbeanspruchung mit steigender Amplitude bis zum Erreichen der Betriebs- und Zerstörungsgrenzwerte. Kombination von mechanischer und thermischer Beanspruchung durch Temperaturschock und Vibrationsanregung / 25

23 Inhalt Raffungsmodelle Wöhlerlinie Arrhenius-Modell Coffin-Manson-Modell Norris-Landzberg-Modell Step-Stress-Methode HALT Korrelation von Feld und Versuch / 25

24 Korrelation von Feld und Versuch Ziel der Versuchserprobung: Zuverlässigkeit im Feld nachweisen Um Versuchsergebnisse / Feldausfälle richtig bewerten zu können muss Korrelation von Feld und Versuch bekannt sein. Stimmen Ausfallarten überein gleiche Steilheit im Wahrscheinlichkeitsnetz Raffungsfaktor: Steigung der Gegenüberstellung von Feld und Versuch / 25

25 optimale Versuchszeit Parameter zur Festlegung der idealen Versuchszeit Vernachlässigung nicht schädigender Anteile / 25

26 Literatur + Software Bertsche, B. / Lechner, G.: Zuverlässigkeit im Maschinenbau, Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 3. Auflage 2004 VDA Band 3 Teil 02; Zuverlässigkeitssicherung bei Automobilherstellern und Lieferanten- Zuverlässigkeits- Methoden und -Hilfsmittel: 3. Auflage 2000, akt Software Minitab 17; Q-DAS; qs-stat Reliasoft, Weibull ++ 9, ALTA 9 StatSoft, Statstica 12 Mathworks, Matlab 2015; Microsoft, Excel / 25