Bernd Bertsche Gisbert Lechner. Zuverlassigkeit im Fahrzeug- und Maschinenbau
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1 Bernd Bertsche Gisbert Lechner Zuverlassigkeit im Fahrzeug- und Maschinenbau
2 Springer Berlin Heidelberg New York Hongkong London aila and Paris Tokio
3 Bernd Bertsche Gisbert Lechner und Maschinenbau Ermittlung von Bauteilund System-Zuverlassigkeiten 3., iiberarbeitete und erweiterte Auflage Mit 344 Abbildungen Q - Springer
4 Professor Dr. Bernd Bertsche Universitat Stuttgart Institut fiir Maschinenelemente Pfaffenwaldring Stuttgart bertsche@ima.uni-stuttgart.de Gisbert Lechner ISBN Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet iiber < abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschutzt. Die dadurch begrundeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergutungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science + Business Media springer.de O Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2004 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw, in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dai3 solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden durften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. din, vdi, vde) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fur die Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fur die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gultigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandentwurf: Struve & Partner, Heidelberg Gedruckt auf saurefreiem Papier lkk
5 Vorwort zur 3. Auflage Seit dem Erscheinen der 1. Auflage sind inzwischen 14 Jahre vergangen, so dass eine Überarbeitung und Erweiterung notwendig erschien. Nach wie vor ist festzustellen, dass im Maschinenbau und in der Fahrzeugindustrie bei zunehmendem Einsatz der Elektronik immer komplexere Produkte entwickelt werden. Dieser Trend zu immer leistungsfähigeren, komplexeren und doch wirtschaftlichen Produkten ist auch verbunden mit höheren Anforderungen an die Produktzuverlässigkeit. Während sich früher zuverlässige Produkte vor allem durch die Qualität der Konstruktion und der Fertigung kritischer Bauteile ergaben, müssen heute bereits in der Entwicklungsphase umfassende Zuverlässigkeitsbetrachtungen am ganzen System durchgeführt werden. Nach wie vor sieht der Kunde die Bedeutung der Zuverlässigkeit an erster oder zweiter Stelle. Damit handelt es sich bei der Zuverlässigkeit um ein Top-Thema des Produkts und es verwundert sehr, dass es im Entwicklungsalltag nicht als das Thema mit der höchsten Priorität gesehen wird. Gleichzeitig hat sich von 1992 bis 2002 die Anzahl der Rückrufaktionen fast verdreifacht! Es besteht somit zunehmender Bedarf an Zuverlässigkeitsmethodik, die sinnvollerweise alle Phasen des Produktlebenszyklus umfassen sollte. Diese Situation und der gestiegene Bedarf an Zuverlässigkeitsanalysen und -methoden veranlasste uns zu einer eingehenden Betrachtung und Erweiterung von Theorie und Praxis der vorhandenen Zuverlässigkeitsarbeit. Die Praxiserfahrung wurde mit einer wissenschaftlichen Vorgehensweise verknüpft und es wurden und werden verschiedene Forschungsprojekte und Industrieaufträge durchgeführt. Die Folge hiervon waren zahlreiche Seminare bei Firmen und Weiterbildungseinrichtungen. Das vorliegende Buch entstand auf diesen Grundlagen. Es ist sowohl als eine Einführung in die Zuverlässigkeitstheorie für Ingenieure des Fahrzeug- und Maschinenbaus gedacht, als auch als Nachschlage- und Vertiefungswerk für bereits praktisch tätige Zuverlässigkeitsspezialisten. Besonderer Wert wurde bei der Erstellung der Kapitel auf gute Verständigkeit und Anschaulichkeit des Stoffes gelegt. Gegenüber der 1. und 2. Auflage erfolgte eine Überarbeitung der bisherigen Kapitel und eine Erweiterung um zahlreiche neue Themen. Gleichzeitig wurden auch zur vertieften Einarbeitung Übungsaufgaben mit Lösungen aufgenommen.
6 VI Vorwort zur 3. Auflage Während der Arbeit an der 3. Auflage dieses Buches verstarb völlig unerwartet der Mitautor Prof. Dr.-Ing. Gisbert Lechner. Prof. Lechner ist nicht nur als Mitautor, sondern als Begründer des Forschungs- und Lehrgebiets Zuverlässigkeitstechnik am Institut für Maschinenelemente anzusehen. Neben meiner fachlichen Ausbildung habe ich ihm auch persönlich sehr viel zu verdanken. Sein überraschender Tod hat mich sehr betroffen gemacht. Dieses Buch sehe ich ausdrücklich als Würdigung seiner Verdienste um die Zuverlässigkeitstechnik an. Das vorliegende Buch wäre nicht ohne die Mithilfe zahlreicher Personen entstanden. Mein besonderer Dank gilt hier Frau Dr.-Ing. Heydrun Schröpel und Frau Dipl.-Ing. Monika Trost. Beide haben durch ihre große organisatorische Unterstützung, durch ihre wertvolle Kritik und durch ihre redaktionelle Arbeit dieses Buch ermöglicht und mitgestaltet. Bei der Ausarbeitung der einzelnen Kapitel haben mitgewirkt: Frau Dipl.-Ing. M. Trost (Kap. 2, Kap. 5 und Kap. 7), Frau Dipl.-Ing. B. Rzepka (Kap. 3), Herr Dipl.-Ing. P. Müller und Herr Dipl.-Ing. K. Pickard (Kap. 4), Herr Dipl.-Ing. P. Jäger (Kap. 5), Frau Dipl.-Ing. M. Krolo (Kap. 6), Herr Dipl.-Ing. T. Hitziger und Frau Dipl.-Ing. A. Krolo (Kap. 8), Herr Dipl.-Ing. M. Maisch (Kap. 9), Herr Dipl.-Ing. P. Pozsgai und Herr Dr.-Ing. A. Fritz (Kap. 10) und Herr Dipl.-Ing. M. Wacker (Kap. 11). Bei allen möchte ich mich für das große Engagement bedanken. Zu bedanken habe ich mich auch bei cand. mach. Thomas Müller, der durch die Ausarbeitung von Bildern, bei der Erstellung des Textlayouts und bei der kritischen Durchsicht einzelner Artikel einen großen Beitrag zur Erstellung des Buches geleistet hat. Dem Springer-Verlag ist für die gute Zusammenarbeit ebenso zu danken wie unseren Familien für das Verständnis und die Unterstützung. Stuttgart, im Frühjahr 2004 B. Bertsche
7 Inhalt 1 Einleitung Grundlagen quantitativer Methoden Grundbegriffe der Statistik und Wahrscheinlichkeitstheorie Statistische Beschreibung und Darstellung des Ausfallverhaltens Statistische Maßzahlen Zuverlässigkeitskenngrößen Definition der Wahrscheinlichkeit Lebensdauerverteilungen zur Zuverlässigkeitsbeschreibung Normalverteilung Exponentialverteilung Weibullverteilung Logarithmische Normalverteilung Weitere Verteilungen Berechnung der Systemzuverlässigkeit mit der Booleschen Theorie Übungsaufgaben zu Lebensdauerverteilungen Übungsaufgaben zu Systemberechnungen Zuverlässigkeitsanalyse am Beispiel eines Getriebes Systemanalyse Ermittlung der Systembauelemente Ermittlung der Systemelemente Klassifizierung der Systemelemente Ermittlung der Zuverlässigkeitsstruktur Bestimmung der Systemelementzuverlässigkeiten Berechnung der Systemzuverlässigkeit FMEA Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse Grundlagen und Allgemeines zur FMEA-Methodik FMEA nach VDA 86 (Formblatt-FMEA) Beispiel einer Konstruktions-FMEA nach VDA FMEA nach VDA
8 VIII Inhalt Schritt 1: Systemelemente und Systemstruktur Schritt 2: Funktionen und Funktionsstruktur Schritt 3: Fehleranalyse Schritt 4: Risikobewertung Schritt 5: Optimierung Beispiel einer System-FMEA Produkt nach VDA Schritt 1: Systemelemente und Systemstruktur des Anpassungsgetriebes Schritt 2: Funktionen und Funktionsstruktur des Anpassungsgetriebes Schritt 3: Fehlfunktionen und Fehlfunktionsstruktur des Anpassungsgetriebes Schritt 4: Risikobewertung des Anpassungsgetriebes Schritt 5: Optimierung des Anpassungsgetriebes Beispiel einer System-FMEA Prozess nach VDA Schritt 1: Systemelemente und Systemstruktur des Prozesses Fertigung der Abtriebswelle Schritt 2: Funktionen und Funktionsstruktur des Prozesses Fertigung der Abtriebswelle Schritt 3: Fehlfunktionen und Fehlfunktionsstruktur des Prozesses Fertigung der Abtriebswelle Schritt 4: Risikobewertung des Prozesses Fertigung der Abtriebswelle Schritt 5: Optimierung des Prozesses Fertigung der Abtriebswelle Fehlerbaumanalyse (Fault Tree Analysis, FTA) Allgemeine Vorgehensweise bei der FTA Ausfallarten Symbolik Qualitative Fehlerbaumanalyse Qualitative Ziele Prinzipieller Aufbau Vergleich zwischen FMEA und FTA Quantitative Fehlerbaumanalyse Quantitative Ziele Boolesche Modellbildung Anwendung auf Systeme Zuverlässigkeitsgraph Beispiele Zahnflankenriss Fehlerbaumanalyse einer Wellendichtung...182
9 Inhalt IX 5.6 Übungsaufgaben zur Fehlerbaumanalyse Auswertung von Lebensdauerversuchen und Ausfallstatistiken Planung von Lebensdauerversuchen Ranggrößen und ihre Verteilungen Grafische Auswertung von Ausfallzeiten Ermittlung der Weibullgeraden (zweiparametrige Weibullverteilung) Berücksichtigung der Vertrauensbereiche Berücksichtigung der ausfallfreien Zeit t 0 (dreiparametrige Weibullverteilung) Auswertung von unvollständigen (zensierten) Daten Zensorisierung Typ I und Typ II Multiple Zensorisierung Sudden-Death-Test Vertrauensbereiche bei niedrigen Summenhäufigkeiten Analytische Methoden zur Auswertung von Zuverlässigkeitsversuchen Momentenmethode Regressionsanalyse Maximum-Likelihood Methode Übungsaufgaben zur Auswertungen von Lebensdauerversuchen Weibullparameter einiger Maschinenelemente Formparameter b Charakteristische Lebensdauer T Ausfallfreie Zeit t 0 bzw. Faktor f tb Methoden der Zuverlässigkeitstestplanung Testplanung auf Basis der Weibullverteilung Testplanung auf Basis der Binomialverteilung Lebensdauerverhältnis Verallgemeinerung für Ausfälle während des Tests Berücksichtigung von Vorkenntnissen (Bayes-Methode) Verfahren nach Beyer/Lauster Verfahren nach Kleyner et al Beschleunigte Lebensdauerprüfung Raffung Step-Stress-Methode HALT (Highly Accelerated Life Testing) Degradation Test...286
10 X Inhalt 8.7 Übungsaufgaben zur Zuverlässigkeitstestplanung Methodische Lebensdauerberechnung bei Maschinenelementen Äußere Belastung, ertragbare Belastung und Zuverlässigkeit Statische und dauerfeste Auslegung Zeitfestigkeit und Betriebsfestigkeit Belastung Ermittlung der Betriebsbelastung Das Lastkollektiv Die ertragbare Belastung, Wöhlerkurven Spannungs- und dehnungskontrollierte Wöhlerkurven Ermittlung der Wöhlerlinien Lebensdauerberechnung Schadensakkumulation Zweiparametrige Schädigungsrechnung Nennspannungskonzept und örtliches Konzept Zusammenfassung Berechnung reparierbarer Systeme Grundlagen der Instandhaltung Instandhaltungsmaßnahmen Instandhaltungsebenen Reparaturprioritäten Kapazitäten der Instandhaltung Instandhaltungsstrategien Lebenslaufkosten Zuverlässigkeitskenngrößen Der Zustandsverlauf Instandhaltungskenngrößen Verfügbarkeitskenngrößen Modelle zur Berechnung reparierbarer Systeme Periodisches Instandhaltungsmodell Markov-Modell Boole-Markov-Modell Gewöhnliche Erneuerungsprozesse Alternierende Erneuerungsprozesse Semi-Markov-Prozesse Systemtransporttheorie Vergleich der Berechnungsmodelle Beispiel: Simulation einer bestandsabhängigen Lagerhaltung Das Programm SPAR Szenario...397
11 Inhalt XI Die Simulation mit SPAR Übungsaufgaben zu reparierbaren Systemen Kurzfragen Berechnungsaufgaben Zuverlässigkeitssicherungsprogramm Einleitung Zuverlässigkeitssicherungsprogramm Produktdefinition Produktgestaltung Produktion und Nutzung Allgemeine Aktivitäten Zusammenfassung Lösungen Anhang Sachverzeichnis...491
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