AT504028B1 - Verfahren zur schädigungsvorhersage von bauteilen eines kraftfahrzeuges - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schädigungsvorhersage von Bauteilen eines Kraftfahrzeuges.

Aus der JP 2003-345421 A ist ein Fahrzeug mit Management System bekannt, welches vor-5 sieht, dass Bauteile durch ein Sensorsystem überwacht und im Falle eines Problems an einen Zentralcomputer übermittelt werden. Der Zentralcomputer identifiziert den Problembereich und ermittelt die Schädigung der Teile des Systems und macht eine Vorhersage über die weitere Schädigungscharakteristik und Lebenszeit. Der Benutzer des Fahrzeuges wird vom Ergebnis dieser Auswertung informiert. Weiters werden verschiedene Informationen dem Händler weiter-io gegeben und in einer Datenbank gespeichert. Auf diese Weise werden dem Benutzer noch vor Auftreten eines schwerwiegenden Schadens Empfehlungen für Inspektionen und Servicetermine gegeben. Nachteilig ist, dass die Informationen an einen Zentralcomputer übermittelt werden, welcher die weitere Auswertung veranlasst. Dadurch kann eine Echtzeitauswertung der gemessenen Daten nicht garantiert werden, so dass im Extremfall bereits ein Schaden aufge-15 treten sein kann, bevor die Auswertung durch den Zentralcomputer erfolgt. Ein weiterer Nachteil ist, dass keine Schadensdatenbank verwendet wird und dass keine Kalibrierung mit statischer Schadenshäufigkeit vorgenommen wird.

Weiters ist es im Rennsport erforderlich, Bauteile extrem genau an die zu erwartenden Belas-20 tungen anzupassen. So ist es beispielsweise zur Vermeidung von Nachteilen erforderlich, dass ein Motor eine bestimmte Anzahl von Rennen ohne Defekt einsetzbar ist. Die optimale Auslegung der einzelnen Bauteile des Motors ist dann gegeben, wenn die Lebensdauer der einzelnen Komponenten nach der letzten Runde auf Null abgesunken ist. Es hat sich herausgestellt, dass es nicht ausreicht, bei einer Auslegung der einzelnen Komponenten eine bestimmte Be-25 triebsstundenanzahl oder Laufleistung vorzugeben, da die Bauteile in Abhängigkeit von den Betriebszuständen sehr unterschiedlich belastet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise eine frühzeitige und zuverlässige Erkennung von Schäden und/oder eine Vorhersage über die 30 Restlebensdauer zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird dies durch folgende Schritte erreicht: - Bereitstellen eines Schädigungsmodells für zumindest einen Bauteil; 35 - Erfassen der Belastung des Bauteiles; - Ermitteln der Beanspruchung und der Schädigung des Bauteils entlang einer Schädigungswegstrecke und/oder über eine Schädigungszeitdauer; - Ermitteln einer Referenzwegstrecke und/oder Referenzzeitdauer aufgrund der festgestellten Beanspruchung und/oder Schädigung des Bauteils; 40 - Vergleichen der Schädigungswegstrecke und/oder der Schädigungszeitdauer mit der Refe renzwegstrecke bzw. der Referenzzeitdauer; - Ermitteln eines Beschleunigungsfaktors aus Schädigungswegstrecke und Referenzwegstrecke bzw. aus Schädigungszeitdauer und Referenzzeitdauer. 45 Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Schädigungsanteile aller Schädigungswegstrecken und/oder Schädigungszeitdauern des Bauteiles aufsummiert und mit einem in einer Datenbank abgelegten Maximalwert verglichen werden, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn bei Erreichen des Maximalwertes eine Schädigung des Bauteiles festgestellt wird. so Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die individuelle Belastung der einzelnen Bauteile, aber auch einzelner kritischer Stellen eines einzelnen Bauteiles, in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen angemessen zu berücksichtigen. So ist etwa die Schädigung eines Pleuels bei hohen Drehzahlen erheblich kritischer als bei niederen Drehzahlen, aber es spielen auch weitere Parameter, wie beispielsweise die Motortemperatur oder die Last, eine erhebliche 55 Rolle. 3 AT 504 028 B1

Besonders bevorzugt kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem weiteren Schritt auch eine Prognose über die Restlebensdauer eines Bauteiles oder eines Gesamtsystems abgegeben werden. Je nach Bedarf kann es sich bei der Restlebensdauer um eine Zeitdauer im eigentlichen Sinn oder um eine Restwegstrecke bis zum erwarteten Versagen handeln. Wesentlich dabei ist, dass diese restliche Lebenserwartung stets in Bezug auf eine definierte Belastung zu sehen ist. Somit sind beispielsweise während eines Rennens Aussagen möglich, wie etwa: bei gleichbleibender Fahrweise wie in den letzten fünf Runden hat Bauteil x eine restliche Lebensdauer von 7,2 Runden.

Eine zuverlässige Vorhersage über die im Verlauf der weiteren Schädigung lässt sich erstellen, wenn aus der Differenz zum Maximalwert die restliche Lebensdauer des Bauteiles abgeschätzt wird.

Im Rahmen der Erfindung ist weiters vorgesehen, dass die restliche Lebensdauer aufgrund zumindest eines in einer Datenbank abgelegten Lebensdauermodells bestimmt wird.

Wesentlich ist, dass die Schadensdatenbank des Systems laufend aktualisiert wird, so dass die neuesten statistischen Informationen bei der Auswertung der Schäden und bei der Vorhersage der Restlebensdauer verwendet werden können. Das System ist somit selbstlernend konzipiert.

Eine wichtige Eigenschaft des Verfahrens ist, dass eine Online-Schädigungsrechnung erfolgt. Eine Datennachbearbeitung ist somit nicht notwendig. Der Zustand von Komponenten kann in Echtzeit ausgewertet und Prognosen über die weitere Schädigung erstellt werden. Schon während einer Testfahrt ist die aktuelle Beanspruchung erkennbar.

Auch eine nachträgliche Simulation ist auf diese Weise möglich, um Anhaltspunkte für die Feinabstimmung des Systems zu gewinnen.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist es möglich, dass die Belastung des Bauteiles zumindest teilweise aufgrund von Simulationsdaten gewonnen wird. Dies ermöglicht es beispielsweise über einen Bauteil, der bereits eine bestimmte Belastungsgeschichte aufweist, Aussagen zu machen, wobei angenommen wird, dass dieser Bauteil noch in einem künftigen Rennen eingesetzt wird, von dem Annahmen über den zu erwartenden Verlauf zur Verfügung stehen. Es ist aber gleichzeitig auch möglich, einen neuen Bauteil ausschließlich mit Hilfe von Simulationen zu untersuchen, um die zu erwartende Schädigung bzw. Restlebensdauer zu prognostizieren.

Eine weitere besonders begünstigte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass aufgrund einer vorgegebenen erforderlichen Restlebensdauer bzw. Restwegstrecke ein für die Belastung des Bauteiles maßgeblicher Parameter berechnet wird. Wenn sich z.B. während eines Rennens, das noch über 30 Runden geht, aufgrund einer Simulation herausstellt, dass unter den gegebenen Bedingungen die zu erwartende Restlebensdauer eines Bauteiles nur 25 Runden beträgt, können entsprechende Maßnahmen gesetzt werden, um die Gefahr eines Ausfalls zu verringern. So kann beispielsweise die maximale Motordrehzahl entsprechend verringert werden, um die Restlebensdauer auf den erforderlichen Wert anzuheben. Neben der maximalen Motordrehzahl können als maßgebliche Parameter im obigen Sinn auch komplexe Einstellungen verstanden werden, d.h. es kann beispielsweise ein alternatives Motorkennfeld aktiviert werden, das für den kritischen Bauteil weniger belastend ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 die Schädigung eines Bauteiles über der Motorlast und der Motordrehzahl aufgetragen, Fig. 3 die Verweildauer für diesen Bauteil im Motorkennfeld, Fig. 4 die normierte Schädigung des Bauteils und die 4 AT 504 028 B1

Verweildauer im Motorkennfeld und Fig. 5 die errechnete Schädigung für diesen Bauteil im Motorkennfeld.

Das System zur Schädigungsvorhersage weist folgende Komponenten auf: - Übertragungseinheit 1, - Messsystem und Datenlogger 2, - Auswertesoftware 3, - Datenarchiv 4, - Anzeigemodul 5 für den Fahrer, - Lebensdauermodelle 6, - Schädigungsmodelle 7 und - Lebensdauerdatenbank 8

Relevante Bauteile des Fahrzeuges werden kontinuierlich oder diskontinuierlich über eine fahrzeugeigene Diagnose-Sensorik-Einrichtung 9 überwacht. Die Daten dieser Diagnose-Sensorik-Einrichtung 9 werden dem Messsystem 2 und der Auswertesoftware 3 zugeführt. Gleichzeitig mit dem Zustand der Bauteile wird die tatsächliche Einsatzdauer, bzw. die Einsatzwegstrecke des Bauteils erfasst. Im Datenarchiv 4 sind für jeden zu beobachtenden Bauteil Referenzwegstrecken, bzw. Referenzzeitdauern, die zum Auftreten eines Schadens abgelegt. Wird ein Schaden für den Bauteil festgestellt, so vergleicht die Auswertesoftware 3 die Schädigungswegstrecke, bzw. die Schädigungszeitdauer bis zum Auftreten dieses Schadens für den jeweiligen Bauteil mit einer Referenzwegstrecke, bzw. der Referenzzeitdauer für diesen Schaden im Datenarchiv 4. Aufgrund der Abweichung zwischen Schädigungswegstrecke und Referenzwegstrecke, bzw. Schädigungszeitdauer und Referenzzeitdauer wird ein Beschleunigungsfaktor ermittelt, welcher angibt, ob der Schaden vor oder nach der statistisch erhobenen Referenzwegstrecke, bzw. Referenzzeitdauer aufgetreten ist. Über die Übertragungseinheit 1 kann eine Aktualisierung des Datenarchivs 4 durchgeführt werden. Weiters ist es möglich, ein Update für ausgefallene oder fehlerhafte Daten durchzuführen und den Status der Messungsauswertung an einen Zentralrechner zu senden. Die zu übertragenden Datenmengen sind aber aufgrund der an Bord des Fahrzeuges durchgeführten Auswertungen gering. Wesentlich ist, dass das Verfahren zur Schädigungsvorhersage auch bei Ausfall des Funksignals 10 ungehindert fortgesetzt werden kann.

Die Schädigungsanteile aller Schädigungswegstrecke, bzw. die Schädigungszeitdauern des Bauteils werden aufsummiert und mit einem in der Datenbank 4 abgelegten Maximalwert verglichen. Bei Erreichen diese Maximalwertes wird eine Schädigung des Bauteils festgestellt. Andererseits kann aus der Differenz zum Maximalwert die restliche Lebensdauer des Bauteils abgeschätzt werden. Genauere Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die restliche Lebensdauer aufgrund des in einer Datenbank 8 abgelegten Lebensdauermodells 6 bestimmt wird. Dabei ist es besonders von Vorteil, wenn die Lebensdauermodelle 6 mit Schädigungsmodellen 7 verknüpft werden.

Am Anzeigemodul 6 werden dem Fahrer Informationen über a) eine aktuelle Schädigung, bzw. eine Lebensdauerreserve, b) Prognosen von zu erwartenden Schädigungen (Beschleunigungsfaktor), c) das Verhältnis Soll/Ist-Schädigung und d) Empfehlungen zur weiteren Fahrweise für die Zielerreichung mitgeteilt. Die Informationen über akute Schädigungen können optisch, akustisch oder taktil mitgeteilt werden.

Das Verfahren wird im Folgenden am konkreten Beispiel einer Steckpumpe näher erläutert.

Claims (10)

1. 5 AT 504 028 B1 Als Sensorsignale für die Überwachung der Steckpumpe werden das Motordrehmoment Mm und die Motordrehzahl nM verwendet. Die prinzipielle Lebensdauerformel für den Verschleiß des Nocken-Rollen-Kontaktes der Steckpumpe kann als Funktion der Hertzschen Pressung p0 der Pumpendrehzahl n und eines konstanten Faktors C angesetzt werden: L10 = f(Po. n, C), wobei L10 die zu erwartende Lebensdauer ist. Die Pumpendrehzahl n wird aus der Motordrehzahl nM und der Hertzschen Pressung p0 aus den jeweiligen Einspritzdrücken im zugehörigen Motorbetriebspunkt ermittelt. Die Einspritzdrücke können im Basiskennfeld im System hinterlegt werden. Aus der jeweiligen Verweilzeit und der Schädigung in den verschiedenen Motorbetriebspunkten ergibt sich die aktuelle Schädigung der Steckpumpe, welche beispielhaft in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei ist die Schädigung S der Steckpumpe pro Stunde über der Motorlast L und der Motordrehzahl nM aufgetragen (Fig. 2). In Fig. 3 ist die Verweildauer V der Betriebspunkte im Motorkennfeld über dem Motordrehmoment Mm und der Motordrehzahl nM angegeben. Fig. 4 zeigt die normierte Schädigung Sn der Steckpumpe pro Stunde und die normierte Verweildauer Vn im Motorkennfeld in einem Diagramm. Daraus wird die konkrete Schädigung der Steckpumpe errechnet. In Fig. 5 ist die errechnete Schädigung Sr für den konkreten Fall für eine Strecke nach Abstellen des Fahrzeuges über dem Motordrehmoment Mm und der Motordrehzahl nM dargestellt. Die Schädigungsstrecke wird anschließend zu einer Referenzstrecke ins Verhältnis gesetzt. Das mittlere Lastkollektiv für den Standardanwender wird hier als Referenzkollektiv bezeichnet. Dieses wird am Beginn der Messungen oder aber auch während der Messungen in das System eingegeben. Das Verhältnis des Streckenprofils zum Referenzprofil ergibt den Beschleunigungsfaktor. Alle Schädigungsanteile werden summiert und mit einem Maximalwert verglichen. Ist der Maximalwert erreicht, ist das Bauteil beschädigt und muss ausgetauscht werden. Gleichzeitig kann die Lebensdauerreserve unter der Annahme eines ähnlichen Lastkollektivs bis zu dem Zeitpunkt der Berechnung, ausgegeben werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Echtzeitidentifikation von Beanspruchung bzw. Schädigung des Gesamtfahrzeuges während des Testbetriebes. Es können Vorhersagen über die Lebensdauer bezogen auf die wahrscheinlich zu erwartenden mittleren Lastkollektive getroffen werden. Die Ergebnisse der Schädigungsanalyse können in die Schädigungsmodelle einfließen, wodurch eine Selbstkalibrierung des Systems möglich ist. Durch das Verfahren lassen sich Testzeiten wesentlich einsparen, Teststrecken/Zyklen für spezifische Bauteile, als auch für das Gesamtsystem optimieren und das Systemverhalten über der Zeit beobachten und aufzeichnen. Die auf das spezielle System abgestimmten Schädigungsmodelle können in die Fahrzeug-Steuereinheit eingespeist werden, um eine genauere Vorhersage der Serviceintervalle zu ermöglichen. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist, dass die Entwicklungszeit für Fahrzeuge entscheidend reduziert werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Ausfallwahrscheinlichkeit von Bauteilen durch entsprechende Maßnahmen zu minimieren. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Schädigungsvorhersage von Bauteilen eines Kraftfahrzeuges mit folgenden Schritten: 6 AT 504 028 B1 - Bereitstellen eines Schädigungsmodells für zumindest einen Bauteil; - Erfassen der Belastung des Bauteiles; - Ermitteln der Beanspruchung und der Schädigung des Bauteils entlang einer Schädigungswegstrecke und/oder über eine Schädigungszeitdauer; - Ermitteln einer Referenzwegstrecke und/oder Referenzzeitdauer aufgrund der festgestellten Beanspruchung und/oder Schädigung des Bauteils; - Vergleichen der Schädigungswegstrecke und/oder der Schädigungszeitdauer mit der Referenzwegstrecke bzw. der Referenzzeitdauer; - Ermitteln eines Beschleunigungsfaktors aus Schädigungswegstrecke und Referenzwegstrecke bzw. aus Schädigungszeitdauer und Referenzzeitdauer.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weiters die zu erwartende Restlebensdauer bzw. Restwegstrecke ermittelt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schädigungsanteile aller Schädigungswegstrecken und/oder Schädigungszeitdauern des Bauteiles aufsummiert und mit einem in einer Datenbank abgelegten Maximalwert verglichen werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des Maximalwertes eine Schädigung des Bauteiles festgestellt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die restliche Lebensdauer bzw. Restwegstrecke des Bauteiles aus der Differenz zum Maximalwert abgeschätzt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die restliche Lebensdauer aufgrund zumindest eines in einer Datenbank abgelegten Lebensdauermodells bestimmt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fahrer Informationen über eine aktuelle Schädigung, eine Lebensdauerreserve, eine Prognose einer zu erwartenden Schädigung, des Beschleunigungsfaktors und/oder Empfehlungen zur weiteren Fahrweise optisch, akustisch-oder taktil mitgeteilt werden.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass über eine drahtlose Verbindung der Datenbanken aktuelle Informationen über Schädigungsmodelle, Lebensdauermodelle, Referenzwegstrecken, Referenzzeitdauern und maximale Schädigungsanteile übermittelt werden.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastung des Bauteiles zumindest teilweise aus Simulationsdaten gewonnen wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund einer vorgegebenen erforderlichen Restlebensdauer bzw. Restwegstrecke ein für die Belastung des Bauteils maßgeblicher Parameter berechnet wird. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen