EP1259941B1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der verbleibenden betriebsdauer eines produktes - Google Patents

Description

Stand der Technik
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der verbleibenden Betriebsdauer eines Produktes; dabei betrifft die Erfindung weiterhin Verfahren zum Erfassen von Betriebsdauern bis zum technischen Versagen des Produktes sowie Verfahren zum Bestimmen von Betriebsdauerschwellenwerten von Produkten in Abhängigkeit von bestimmten zeitveränderlichen Betriebsgrößen für eine Überwachung der Zuverlässigkeit von Produkten und schließlich betrifft die Erfindung auch eine in einem Produkt, dessen Zuverlässigkeit überwacht werden soll, angeordnete Vorrichtung zum Vergleich der tatsächlichen Betriebsdauer des Produkts mit Betriebsdauer-Schwellenwerten gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
• Aus der DE 195 16 481 A1 ist ein Verfahren für eine Lebensdauerbestimmung bekannt. Es wird ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug beschrieben, das einen Betriebsdatenspeicher aufweist, in dem Betriebsgrößen des Kraftfahrzeugs abgespeichert werden, die Aussagen zur Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. zur künftigen Zuverlässigkeit des Steuergeräts geben können. In dem Betriebsdatenspeicher werden wesentliche Daten der Lebensgeschichte eines Steuergeräts abgespeichert, um bei Bedarf eine Aussage bzgl. der Zuverlässigkeit des Steuergeräts treffen zu können.
• Aus der EP 863490 A2 ist bereits ein Verfahren zur Ermittlung einer Restbetriebsdauer bekannt bei dem quantisierte Betriebsdaten gespeichert werden.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst genaue, nicht modellgestützte Lebensdauerabschätzung für beliebige Produkte, die einen Betriebsdatenspeicher aufweisen oder auf einen solchen Zugriff haben, zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabenstellung ist eine optimale Erfassung von Daten und Speicherung in einem Betriebsdatenspeicher um den Speicher optimal nutzen zu können, insbesondere um Speicherplatz einzusparen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung eines Betriebsdauerschwellwertes eines Produktes vor, welches einen Mikrocomputer oder Mikrocontroller und einen durch ein Kommunikationssystem (KS) verbundenen oder internen Betriebsdatenspeicher aufweist. Eine Überwachung der Zuverlässigkeit des Produktes erfolgt durch Vergleich einer Betriebsdauer mit einem Schwellwert, wobei Werte von Wertebereichen vorgebbarer Betriebsgrößen des Produktes erfasst werden. Dabei ist der jeweilige Wertebereich der jeweiligen Betriebsgröße in Klassen. Die Werte und/oder die Betriebsdauern (t_ijk) werden in dem dem Produkt zugeordneten Betriebsdatenspeicher (BSi, BSe) entsprechend der Klassen (j) abgelegt. Aus einer Menge von Produkten eine erste Teilmenge der Produkte wird bis zum technischen Versagen betrieben, wodurch die Betriebsdauern der Klassen der vorgebbaren Betriebsgrößen des Produktes ermittelt werden. Je Klasse und Betriebsgröße wird ein Gewichtungsfaktor ermittelt, der den Einfluss zum technischen Versagen des Produktes der jeweiligen Klasse und Betriebsgröße widerspiegelt. Eine zweite Teilmenge der Produkte wird bis zum technischen Versagen betrieben, wobei die Gewichtungsfaktoren, die aus der ersten Teilmenge ermittelt wurde, auf die zweite Teilmenge angewendet werden. Bei der zweiten Teilmenge des Produktes wird je Betriebsgröße eine kritische Betriebsdauer über alle Klassen ermittelt und aus den kritischen Betriebsdauern über alle Klassen aller Betriebsgrößen wird der Betriebsdauerschwellwert ermittelt.
• Das Produkt, dessen Betriebsdauer bis zum technischen Versagen erfasst wird, ist bspw. als ein Steuergerät oder ein Teilsystem (z. B. Bremse, Motor, Getriebe, Lenkung u. a.) eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die Produkte weisen einen Betriebsdatenspeicher auf bzw. sind einem solchen zugeordnet, in dem die erfassten Betriebsgrößen bzw. die Betriebsdauern abgespeichert und bei Bedarf wieder aufgerufen werden können. Der Betriebsdatenspeicher verfügt vorzugsweise über einen nichtflüchtigen Speicher (z. B. ein EEPROM oder ein Flash-EEPROM) sowie über Mittel zur Erfassung der Betriebsgrößen bzw. der Betriebsdauern. Bei einem Kraftfahrzeug kann der Betriebsdatenspeicher bspw. in einem oder mehreren Steuergeräten realisiert werden.
• Mit den Betriebsdatenspeichern werden diskrete Systemzustände (z. B. Anzahl von Startvorgängen, Anzahl von Notstarts, Anzahl von Thermoabschaltungen u. a.) sowie die zeitveränderlichen Betriebsgrößen erfasst. Als Betriebsgrößen werden bspw. Sensordaten wie Temperatur, Strom, Spannung, Druck u. a. erfasst.
• In dem unter Betriebsbedingungen zulässigen Wertebereich der Betriebsgrößen wird jeweils eine lineare oder nichtlineare Unterteilung des Wertebereichs in mehrere Klassen vorgenommen. Extremwerte, die zu einer unmittelbaren Zerstörung des Produkts führen, liegen außerhalb des zulässigen Wertebereichs. Die Klassenzuordnung basiert auf der Einteilung des gesamten Wertebereiches in relevante Belastungsgruppen. Die einzelnen Klassen haben einen unterschiedlichen Einfluß auf Alterung/Verschleiß des Produkts. In dem Betriebsdatenspeicher wird die Betriebsdauer des Produkts für jede Betriebsgröße in jeder Klasse erfasst.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Bestimmung der individuellen technischen Betriebsdauer eines Produkts sowie die Berechnung des Abnutzungsgrades zu jedem beliebigen Zeitpunkt auf der Basis von in Klassen unterteilten (sog. klassierten) Betriebsgrößen durchgeführt. Aufgrund der klassierten Betriebsgrößen ist eine besonders zuverlässige und genaue Bestimmung der Betriebsdauer eines Produkts möglich, wobei der Speicherbedarf für den Betriebsdatenspeicher minimiert wird, da auf eine Erfassung von zeitlichen Verläufen der Betriebsgrößen verzichtet werden kann. Dadurch wird eine besonders zuverlässige präventive Wartung/ Reparatur kurz vor Erreichen des Endes der technischen Betriebsdauer ermöglicht.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Werte der Betriebsgrößen in regelmäßigen zeitlichen Abständen erfasst werden und ein Klassenzähler einer bestimmten Klasse erhöht wird, falls der Wert einer erfassten Betriebsgrösse in diese Klasse fällt. Jeder Betriebsgröße eines bestimmten Produkts kann nach dem Erfassen der Betriebsdauern somit ein Betriebsdauer-Histogramm zugewiesen werden, aus dem sich die Betriebsdauer des Produkts für die Betriebsgröße innerhalb einer bestimmten Klasse ergibt. Die für die Betriebsdatenspeicherung notwendige Größe des Betriebsdatenspeichers in Bytes ergibt sich aus dem Produkt
• der Anzahl der Betriebsgrößen,
• der durchschnittlichen Anzahl der Klassen pro Betriebsgröße und
• der durchschnittlichen Anzahl Bytes pro Klassenzähler.
  Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen von Betriebsdauern auf der Basis klassierter Betriebsgrößen hat insbesondere beim Bestimmen von Betriebsdauer-Schwellenwerten von Produkten für eine Überwachung der Zuverlässigkeit von Produkten besondere Vorteile. Deshalb wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen von Betriebsdauer-Schwellenwerten der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
• die Betriebsdauern der Produkte für die Klassen der Betriebsgrößen bis zum technischen Versagen des Produkts durch Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 bestimmt werden;
• den Klassen der Betriebsgrößen Gewichtungsfaktoren zugewiesen werden;
• die Gewichtungsfaktoren aus der Lösung eines Optimierungsproblems $$\min \left\{\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)\right\},\mathrm{mit\; x}=\left\{\mathrm{a\_ij},,\mathrm{t\_ijk}\right\}$$
  
  
  unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen den einzelnen Betriebsgrößen ermittelt werden;
• für die Produkte kritische kumulierte Betriebsdauern für die einzelnen Betriebsgrößen aus der Gleichung $$\mathrm{P\_iz\_krit}\mathrm{=}\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{a\_ij}\mathrm{\times }\mathrm{t\_ijz}\right\}$$
  
  
  ermittelt werden; und
• für die einzelnen Produkte die Betriebsdauer-Schwellenwerte aus der Gleichung $$\begin{array}{c}\min \left\{\mathrm{P\_iz\_krit}\right\},\end{array}$$
  
  
  mit i = 1...N oder $$\frac{1}{\mathrm{N}}\times \stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}=1}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{P\_iz\_krit}\right\},\mathrm{mit\; i}=1\dots \mathrm{N}$$
  
  
  ermittelt werden.
• Die einzelnen Klassen haben einen unterschiedlichen Einfluss auf Alterung/Verschleiß der Produkte. Deshalb werden den Klassen der Betriebsgrößen Gewichtungsfaktoren zugewiesen, die den relativen Einfluss einer bestimmten Klasse einer bestimmten Betriebsgröße auf die Alterung bzw. den Verschleiß des Produkts ausdrückt. Die Erfindung sieht vor, die Gewichtungsfaktoren aus einer Teilmenge K der Produkte zu ermitteln und diese dann auf die Teilmenge Z der Produkte anzuwenden. Dadurch können für die Produkte aus der Teilmenge S die kritischen gewichteten kumulierten Betriebsdauern der Betriebsgrößen für den Serieneinsatz bestimmt werden, bei deren Erreichen auf ein Ende der technischen Betriebsdauer geschlossen werden kann.
• Die Gewichtungsfaktoren werden aus der Lösung eines Optimierungsproblems $$\min \left\{\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)\right\},\mathrm{mit\; x}=\left\{\mathrm{a\_ij},,\mathrm{t\_ijk}\right\}$$

  

  
  unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen den einzelnen Betriebsgrößen ermittelt, wobei a_ij der Gewichtungsfaktor ist, der der Klasse j der Betriebsgröße i zugewiesen ist, und t_ijk die Betriebsdauer des Produkts k für die Klasse j der Betriebsgröße i ist. Die Korrelation zwischen den Betriebsgrößen kann bspw. dadurch berücksichtigt werden, dass die Gewichtungsfaktoren aus einem Gleichungssystem bestimmt werden, in dem die gewichteten kumulierten Betriebsdauern für jede Betriebsgröße mittels Operatoren miteinander verknüpft werden. Die Operatoren können bspw. eine UND-Verknüpfung (Produktbildung), eine ODER-Verknüpfung (Summenbildung) oder eine Fuzzy-Verknüpfung (z. B. einen Zwischenzustand zwischen UND und ODER) darstellen.
• Nachdem die Gewichtungsfaktoren durch Lösung eines Optimierungsproblems mit geeigneten mathematischen Optimierungsalgorithmen ermittelt wurden, sind die kritischen kumulierten Betriebsdauern für die einzelnen Betriebsgrößen festzulegen, bei deren Erreichen auf ein Ende der technischen Betriebsdauer geschlossen werden kann. Dazu wird mit Hilfe von K Produkten eine Anzahl von Z Produkten bis zum technischen Versagen betrieben, wobei die aus den K Produkten berechneten Gewichtungsfaktoren auf die klassierten Betriebsgrößen der Z Produkte angewendet werden. Es wird $$\mathrm{P\_iz\_krit}\mathrm{=}\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{a\_ij}\mathrm{\times }\mathrm{t\_ijz}\right\}$$

  

  
  für alle Betriebsgrößen und für alle Z Produkte ermittelt, wobei P_iz_krit die kritische kumulierte Betriebsdauer des Produkts z der Betriebsgröße i ist und t_ijz die Betriebsdauer des Produkts z für die Klasse j der Betriebsgröße i ist. Damit erhält man Z Vektoren der gewichteten kumulierten Betriebsdauern $$\begin{array}{c}\mathrm{Y\_z}=\left(\mathrm{P\_}1\mathrm{z\_krit},\mathrm{P\_}2\mathrm{z\_krit},\dots ,\mathrm{P\_Nz\_krit}\right),\mathrm{mit\; z}=1\dots \mathrm{Z}\end{array}$$

  
• Für die einzelnen Produkte werden die Betriebsdauer-Schwellenwerte, bei deren Erreichen auf ein baldiges technisches Lebensende des Produkts geschlossen werden kann, aus den Spaltenminima der Matrix Y_z gemäß der Gleichung $$\min \left\{\mathrm{P\_iz\_krit}\right\},\mathrm{mit\; i}=1\dots \mathrm{N}$$

  

  
  oder aus dem Durchschnitt der Spaltenelemente der Matrix Y_z gemäß der Gleichung $$\frac{1}{\mathrm{N}}\times \stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}=1}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{P\_iz\_krit}\right\},\mathrm{mit\; i}=1\dots \mathrm{N}$$

  

  
  ermittelt. Das funktioniert mit der geforderten Zuverlässigkeit, wenn die einzelnen Spaltenelemente hinreichend dicht beieinander liegen, d. h. wenn die Standardabweichung der Spaltenelemente nicht zu gross ist. Ausreisser sollen bei der Auswahl der Spaltenminima nicht berücksichtigt werden.
• Nachdem die kritischen kumulierten Betriebsdauern für die einzelnen Betriebsgrößen ermittelt wurden, kann bei allen mit Betriebsdatenspeichern ausgestatteten Serienprodukten kurz vor Erreichen des kritischen Schwellenwertes die Notwendigkeit einer Reparatur, eines Austausches oder einer Wartung durch das Produkt signalisiert werden. Alternativ werden die in dem Produkt gespeicherten Betriebsgrößen im Rahmen einer regelmäßigen Produktwartung ausgewertet.
• Zusammenfassend werden also zunächst k = 1...K Produkte bis zum technischen Versagen betrieben, um die Gewichtungsfaktoren a_ij ermitteln zu können. Danach werden die Gewichtungsfaktoren a_ij in die Betriebsdatenspeicher von z = 1...Z Produkten integriert, die wieder bis zum technischen Versagen betrieben werden, um die kritischen kumulierten Betriebsdauern P_iz_krit und über eine Minimalauswahl oder den Durchschnitt der kritischen kumulierten Betriebsdauern P_iz_krit die Betriebsdauer-Schwellenwerte zu ermitteln. Danach erfolgt die Überwachung der Zuverlässigkeit von s = 1...S Produkten im Serieneinsatz, wobei die tatsächliche Betriebsdauer eines Produkts s mit einem Schwellenwert verglichen wird.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Gewichtungsfaktoren aus der Lösung des Optimierungsproblems $$\min \left\{\stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\stackrel{\mathrm{K}}{\underset{\mathrm{k}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\mathrm{ABS}\{\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\{\mathrm{a\_ij}\times \mathrm{t\_ijk}\}-1\}\right\}$$

  

  ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung a_ij > 0, wobei a_ij der Gewichtungsfaktor ist, der der Klasse j der Betriebsgröße i zugewiesen ist, und t_ijk die Betriebsdauer des Produkts k für die Klasse j der Betriebsgröße i ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird bei der Berechnung der Gewichtungsfaktoren keine Korrelation zwischen den einzelnen Betriebsgrössen berücksichtigt. Es wird also von der Annahme ausgegangen, dass jede Betriebsgröße unabhängig von den Werten der anderen Betriebsgrößen zur technischen Zerstörung des Produktes führen kann.
• Wird keine Korrelation zwischen den einzelnen Betriebsgrößen zur Bestimmung der Gewichtungsfaktoren zugrundegelegt, kann das größte Verhältnis einer gewichteten kumulierten Betriebsdauer für eine Betriebsgröße zum kritischen Schwellenwert der Betriebsgröße als Abnutzungsgrad interpretiert werden. Die verbleibende Restlebensdauer in % wird dann berechnet gemäß $$\mathrm{Restlebensdauer}\left[\%\right]=1-\mathrm{Abnutzungsgrad}\left[\%\right]$$

  
• Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Gewichtungsfaktoren aus der Lösung des Optimierungsproblems $$\begin{array}{c}\min \left\{\stackrel{\mathrm{K}}{\underset{\mathrm{v}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\stackrel{\mathrm{K}}{\underset{\mathrm{\mu }\mathrm{\ne }\mathrm{v}}{\underset{\mathrm{\mu }\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}}\mathrm{ABS}\left\{\stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{PROD}}}\left\{\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{a\_ij}\mathrm{\times }\mathrm{t\_ij\mu }\right\}\right\}\right\}\mathrm{-}\mathrm{\dots }\stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{PROD}}}\mathrm{\{}\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{a\_ij}\mathrm{\times }\mathrm{t\_ijv}\right\}\mathrm{\}}\mathrm{\}}\right\}\end{array}$$

  

  
  ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung a_ij > 0. Bei dieser Ausführungsform wird die Korrelation zwischen den einzelnen Betriebsgrößen berücksichtigt. Es wird also von der Annahme ausgegangen, dass mehrere Betriebsgrößen gemeinsam zur technischen Zerstörung des Produktes führen. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Betriebsgrößen mittels reiner UND-Verknüpfungen (Produktbildung) miteinander verknüpft. Die Gewichtungsfaktoren werden derart bestimmt, dass die durch den UND-Operator verknüpften gewichteten Klassensummen eines jeden Produktes einen minimalen "Abstand" zueinander besitzen.
• Gemäß einer dritten alternativen Ausführungsform ist an eine Verknüpfung mehrerer Betriebsgrößen auf der Ebene von einzelnen Klassen gedacht. Dabei wird von der Annahme ausgegangen, dass mehrere Betriebsgrößen innerhalb bestimmter Klassen zu einer technischen Zerstörung des Produktes führen.
• Zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von einer Vorrichtung zum Erfassen der Betriebsdauern bis zum technischen Versagen eines Produkts des weiteren vorgeschlagen, dass die Vorrichtung erste Mittel zum Erfassen der Werte von bestimmten Betriebsgrößen in regelmäßigen zeitlichen Abständen aufweist, der Wertebereich der einzelnen Betriebsgrößen in Klassen unterteilt ist und die Vorrichtung zweite Mittel zum Erfassen der Betriebsdauern in Abhängigkeit von der Klasse aufweist, in die der erfasste Wert der Betriebsgröße fällt.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zweiten Mittel einen Klassenzähler einer bestimmten Klasse erhöhen, falls der Wert einer erfassten Betriebsgrösse in diese Klasse fällt.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdauern auf der Basis klassierter Betriebsgrößen hat insbesondere beim Bestimmen von Betriebsdauer-Schwellenwerten von Produkten für eine Überwachung der Zuverlässigkeit von Produkten besondere Vorteile. Deshalb wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsdauer-Schwellenwerten der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8 aufweist.
• Zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von einer in einem zu überwachenden Produkt angeordneten Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Betriebsdauer-Schwellenwerte gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8 ermittelt sind. Der Betriebsdatenspeicher der Vorrichtung kann besonders klein ausgebildet werden, da bei einer Ermittlung der Betriebsdauer-Schwellenwerte gemäß der Erfindung auf eine speicherintensive Erfassung von zeitlichen Verläufen der Betriebsgrößen verzichtet werden kann.
• Eine Betriebsdatenerfassung in Klassen hat darüber hinaus insbesondere den Vorteil, dass der Speicher optimal genutzt werden kann, also insbesondere nur wenig Speicherplatz benötigt wird, da keine aufwendige Erfassung von Betriebsgrössen über die gesamte Zeitachse, bzw. mit Bezug zur Zeitachse durchgeführt werden muss. Dadurch kann die Erfindung, insbesondere die Betriebsdatenerfassung zweckmässigerweise als Zusatzfunktionalität in einem Steuergerät realisiert werden oder in einer eigens dafür vorgesehenen Vorrichtung.
• Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den Merkmalen der Ansprüche.
Zeichnungen
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen von Betriebsdauern bis zum technischen Versagen eines Produkts gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; und

Fig. 2

ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen von Betriebsdauer-Schwellenwerten von Produkten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
• In Fig. 1 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen von Betriebsdauern t_ijk eines Produkts k = 1...K bis zum technischen Versagen des Produkts k gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das Produkt k, dessen Betriebsdauer t_ijk erfasst wird, ist bspw. als ein Steuergerät oder ein Teilsystem (z. B. Bremse, Motor, Getriebe, Lenkung u. a.) eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Das Produkt k weist einen Betriebsdatenspeicher auf, in dem erfasste Betriebsgrößen i = 1...N bzw. die Betriebsdauern t_ijk abgespeichert und bei Bedarf wieder aufgerufen werden können. Der Betriebsdatenspeicher verfügt vorzugsweise über einen nichtflüchtigen Speicher (z. B. einen EEPROM oder einen Flash-EEPROM) sowie über Mittel zur Erfassung der Betriebsgrößen bzw. Betriebsdauern. Bei einem Kraftfahrzeug kann der Betriebsdatenspeicher bspw. in einem oder mehreren Steuergeräten realisiert werden.
• Mit den Betriebsdatenspeichern werden diskrete Systemzustände (z. B. Anzahl von Startvorgängen, Anzahl von Notstarts, Anzahl von Thermoabschaltungen u. a.) sowie die zeitveränderlichen Betriebsgrößen i erfasst. Als Betriebsgrößen i werden bspw. Sensordaten wie Temperatur, Strom, Spannung, Druck u. a. erfasst.
• Das Verfahren beginnt in einem Funktionsblock 10. In einem Funktionsblock 11 wird der unter Betriebsbedingungen zulässige Wertebereich der einzelnen zu erfassenden Betriebsgrößen i in Klassen j = 1...M_i linear oder nichtlinear unterteilt. Extremwerte, die zu einer unmittelbaren Zerstörung des Produkts k führen, liegen außerhalb des zulässigen Wertebereichs. Die Klassenzuordnung basiert auf der Einteilung des gesamten Wertebereiches in relevante Belastungsgruppen. Die einzelnen Klassen j haben einen unterschiedlichen Einfluß auf Alterung/Verschleiß des Produkts k.
• In einem nachfolgenden Funktionsblock 12 werden in regelmäßigen zeitlichen Abständen Werte der Betriebsgrößen i erfasst. Die Betriebsdauern t_ijk werden in Abhängigkeit von der Klasse j, in die der erfasste Wert der Betriebsgröße i fällt, erfasst. Dazu wird in einem Funktionsblock 13 ein Klassenzähler einer bestimmten Klasse j erhöht, falls der Wert der erfassten Betriebsgrösse i in diese Klasse j fällt. Jeder Betriebsgröße i eines bestimmten Produkts k kann nach dem Erfassen der Betriebsdauern t_ijk somit ein Betriebsdauer-Histogramm zugewiesen werden, aus dem sich die Betriebsdauer t_ijk des Produkts k für die Betriebsgröße i innerhalb einer bestimmten Klasse j ergibt. Aus dem Produkt aus dem Stand der Klassenzähler und dem zeitlichen Abstand der erfassten Werte der Betriebsgrössen i ergeben sich die Betriebsdauern t_ijk.
• In einem nachfolgenden Abfrageblock 14 wird überprüft, ob das Erfassen der Betriebsdauern t_ijk beendet ist. Falls nein, wird wieder zu dem Funktionsblock 12 verzweigt. Falls das Erfassen der Betriebsdauern t_ijk beendet ist, wird zu dem Ende des Verfahrens in Funktionsblock 15 verzweigt.
• In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen von Betriebsdauer-Schwellenwerten der Produkte z gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt in einem Funktionsblock 20. Dann werden zunächst die Betriebsdauern t_ijk der Produkte k für die Klasse j der Betriebsgrößen i bis zum technischen Versagen des Produkts k durch Verwendung des Verfahrens gemäß Fig. 1 bestimmt.
• Anschließend werden in einem Funktionsblock 21 den Klassen der Betriebsgrößen i Gewichtungsfaktoren a_ij zugewiesen. Da die einzelnen Klassen j einen unterschiedlichen Einfluss auf Alterung/Verschleiß der Produkte k haben, werden den Klassen j der Betriebsgrößen i Gewichtungsfaktoren a_ij zugewiesen, die den relativen Einfluss einer bestimmten Klasse j einer bestimmten Betriebsgröße i auf die Alterung bzw. den Verschleiß des Produkt k ausdrückt.
• In einem nachfolgenden Funktionsblock 22 werden die Gewichtungsfaktoren a_ij aus der Lösung eines Optimierungsproblems $$\min \left\{\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)\right\},\mathrm{mit\; x}=\left\{\mathrm{a\_ij},,\mathrm{t\_ijk}\right\}$$

  

  
  unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen den einzelnen Betriebsgrößen i ermittelt. Die Gewichtungsfaktoren a_ij können bspw. aus der Lösung des Optimierungsproblems $$\min \left\{\stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\stackrel{\mathrm{K}}{\underset{\mathrm{k}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\mathrm{ABS}\{\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\{\mathrm{a\_ij}\times \mathrm{t\_ijk}\}-1\}\right\}$$

  

  
  ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung a_ij > 0. Dabei wird keine Korrelation zwischen den einzelnen Betriebsgrößen berücksichtigt und von der Annahme ausgegangen, dass jede Betriebsgröße i unabhängig von den Werten der anderen Betriebsgrößen i zur technischen Zerstörung des Produktes k führen kann.
• Alternativ können die Gewichtungsfaktoren a_ij auch aus der Lösung des Optimierungsproblems $$\begin{array}{c}\min \left\{\stackrel{\mathrm{K}}{\underset{\mathrm{v}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\stackrel{\mathrm{K}}{\underset{\mathrm{\mu }\mathrm{\ne }\mathrm{v}}{\underset{\mathrm{\mu }\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}}\mathrm{ABS}\left\{\stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{PROD}}}\left\{\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{a\_ij}\mathrm{\times }\mathrm{t\_ij\mu }\right\}\right\}\right\}\mathrm{-}\mathrm{\dots }\stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{PROD}}}\mathrm{\{}\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{a\_ij}\mathrm{\times }\mathrm{t\_ijv}\right\}\mathrm{\}}\mathrm{\}}\right\}\end{array}$$

  

  
  ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung a_ij > 0. Es wird die Korrelation zwischen den einzelnen Betriebsgrößen i berücksichtigt und von der Annahme ausgegangen, dass mehrere Betriebsgrößen i gemeinsam zur technischen Zerstörung des Produktes k führen. Die Betriebsgrößen i sind in dem Ausführungsbeispiel mittels reiner UND-Verknüpfungen (Produktbildung) miteinander verknüpft.
• Gemäß einer dritten Alternative ist eine Verknüpfung mehrerer Betriebsgrößen i auf der Ebene von einzelnen Klassen j denkbar. Dabei wird von der Annahme ausgegangen, dass mehrere Betriebsgrößen i innerhalb bestimmter Klassen j zu einer technischen Zerstörung des Produktes k führen.
• Die Erfindung sieht vor, die Gewichtungsfaktoren a_ij aus einer Teilmenge K der Produkte k zu ermitteln und diese dann auf die Teilmenge Z der Produkte z anzuwenden. Dadurch können kritische kumulierte Betriebsdauern P_iz_krit der Betriebsgrößen i für den Serieneinsatz bestimmt werden, bei deren Erreichen auf ein Ende der technischen Betriebsdauer geschlossen werden kann.
• In einem Funktionsblock 23 werden dann für die Produkte z kritische kumulierte Betriebsdauern P_iz_krit für die einzelnen Betriebsgrößen i aus der Gleichung $$\mathrm{P\_iz\_krit}\mathrm{=}\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{a\_ij}\mathrm{\times }\mathrm{t\_ijz}\right\}$$

  

  
  ermittelt, indem die Produkte z bis zum technischen Versagen betrieben werden. Damit erhält man Z Vektoren der gewichteten kumulierten Betriebsdauern $$\begin{array}{c}\mathrm{Y\_z}=\left(\mathrm{P\_}1\mathrm{z\_krit},\mathrm{P\_}2\mathrm{z\_krit},\dots ,\mathrm{P\_Nz\_krit}\right),\mathrm{mit\; z}=1\dots \mathrm{Z}\end{array}$$

  
• Für die einzelnen Produkte z werden schließlich in Funktionsblock 24 die Betriebsdauer-Schwellenwerte, bei deren Erreichen auf ein baldiges technisches Lebensende des Produkts geschlossen werden kann, aus den Spaltenminima der Matrix Y_z gemäß der Gleichung $$\min \left\{\mathrm{P\_iz\_krit}\right\},\mathrm{mit\; i}=1\dots \mathrm{N}$$

  

  
  oder aus dem Durchschnitt der Spaltenelemente der Matrix Y_z gemäß der Gleichung $$\frac{1}{\mathrm{N}}\times \stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}=1}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{P\_iz\_krit}\right\},\mathrm{mit\; i}=1\dots \mathrm{N}$$

  

  
  ermittelt. Das funktioniert dann mit der geforderten Zuverlässigkeit, wenn die einzelnen Spaltenelemente hinreichend dicht beieinander liegen, d. h. wenn die Standardabweichung der Spaltenelemente klein ist.
• Ausreißer, sofern vorhanden, sollten also bei der Auswahl der Spaltenminima nicht berücksichtigt werden. In Funktionsblock 25 ist das Verfahren zum Bestimmen von Betriebsdauer-Schwellenwerten der Produkte z beendet. Zur Bestimmung der Betriebsdauerschwellenwerte können neben absoluter oder relativer Minimalauswahl und einfacher Mittelwertbildung auch andere Verfahren und Vorgehensweisen wie gleitende oder empirische oder harmonische Mittelwertbildung oder Meridianbildung, usw. eingesetzt werden.
• Nachdem die kritischen kumulierten Betriebsdauern P_iz_krit für die einzelnen Betriebsgrößen i ermittelt wurden, kann bei allen mit Betriebsdatenspeichern ausgestatteten Serienprodukten s kurz vor Erreichen des kritischen Schwellenwertes die Notwendigkeit einer Reparatur, eines Austausches oder einer Wartung durch das Produkt s signalisiert werden. Dies kann insbesondere auch in Form einer Eigendiagnose des Serienprodukts erfolgen. Alternativ werden die in dem Produkt s gespeicherten Betriebsgrößen im Rahmen einer regelmäßigen Produktwartung ausgewertet. Diese Produktwartung kann dann auch z.B. bei einem Teilprodukt eines Fahrzeugs, oder dem Fahrzeug selbst im Betrieb selbst in Form einer On-Bord-Diagnose durchgeführt werden.
• Figur 3 zeigt dazu schematisch eine mögliche erfindungsgemässe Vorrichtung. Mit P ist das Produkt selbst bezeichnet. Dieses ist durch ein Kommunikationssystem KS, insbesondere ein Leitungs- oder Bussystem, mit einem produktexternen Betriebsdatenspeicher BSe verbunden. Alternativ kann im Produkt selbst ein interner Betriebsdatenspeicher BSi vorgesehen sein. Es können auch beide Speicher gleichzeitig vorhanden sein und z.B. ein virtueller Speicher aus BSe und BSi gebildet werden. In M sind die Mittel zusammengefasst, z.B. in Form eines Mikrocomputers oder Mikrocontrollers, die zur Durchführung der erfindungsgemässen Verfahren wie vorab dargestellt Verwendung finden. Diese Mittel können, z.B. auch in einem Steuergerät eines Kfz vorhanden sein oder eingebracht werden.
• Das Produkt P, dessen Betriebsdauer erfasst wird, ist bspw. als ein Steuergerät oder ein Teilsystem (z. B. Bremse, Motor, Getriebe, Lenkung u. a.) eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die Produkte P weisen einen Betriebsdatenspeicher BSi auf bzw. sind einem solchen zugeordnet (BSe), in dem die erfassten Betriebsgrössen bzw. die Betriebsdauern abgespeichert und bei Bedarf wieder aufgerufen werden können. Der Betriebsdatenspeicher verfügt vorzugsweise über einen nichtflüchtigen Speicher (z. B. ein EEPROM oder ein Flash-Speicher) sowie über Mittel EM zur Erfassung der Betriebsgrößen bzw. der Betriebsdauern. Bei einem Kraftfahrzeug kann der Betriebsdatenspeicher bspw. in einem oder mehreren Steuergeräten realisiert werden. Die Erfassungsmittel EM beziehen ihre Informationen z.B. über das Kommunikationssystem KS oder andere Schnittstellen des Produktes, z.B. zu übriger Sensorik oder Aktuatorik. Die Auswertung, Betriebsdauererfassung, Betriebsdauerermittlung durch Schwellenwertvergleich, usw. wird insbesondere durch die Mittel M durchgeführt, die auch die Signalisierung oder das Einleiten weiterer Massnahmen einleiten bzw. durchführen. Die Erfassungsmittel EM und die Mittel M können auch in Kombination, also vereint vorliegen und ebenso den Betriebsdatenspeichern gezielt zugeordnet bzw. in diese integriert sein.
• Mit den Betriebsdatenspeichern werden diskrete Systemzustände (z. B. Anzahl von Startvorgängen, Anzahl von Notstarts, Anzahl von Thermoabschaltungen u. a.) sowie die zeitveränderlichen Betriebsgrößen erfasst. Als Betriebsgrößen werden bspw. Sensordaten wie Temperatur, Strom, Spannung, Druck u. a. erfasst. Die dazu nötige Sensorik ist z.B. über das Kommunikationssystem KS angebunden oder über weitere Schnittstellen mit dem Produkt gekoppelt.Je nach Produkt, kann die Sensorik auch teilweise oder gänzlich im Produkt integriert sein. Gleiches gilt für insbesondere erfindungsgemässe Informationen liefernde Aktuatorik.
• Somit kann also bei allen mit Betriebsdatenspeichern ausgestatteten Serienprodukten s kurz vor Erreichen des kritischen Schwellenwertes die Notwendigkeit einer Reparatur, eines Austausches oder einer Wartung durch das Produkt s signalisiert werden. Dies kann insbesondere auch in Form einer Eigendiagnose des Serienprodukts s, z.B. durch Betriebsdatenspeicher mit integrierten Mitteln M bzw. Erfassungsmitteln EM,erfolgen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ermittlung eines Betriebsdauerschwellwertes eines Produktes, welches einen Mikrocomputer oder Mikrocontroller und einen durch ein Kommunikationssystem (KS) verbundenen oder internen Betriebsdatenspeicher aufweist, für eine Überwachung der Zuverlässigkeit des Produktes durch Vergleich einer Betriebsdauer mit einem Schwellwert, wobei Werte von Wertebereichen vorgebbarer Betriebsgrößen des Produktes erfasst werden, wobei der jeweilige Wertebereich der jeweiligen Betriebsgröße in Klassen unterteilt wird, wobei als Betriebsgrößen Sensordaten erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte und/oder die Betriebsdauern (t_ijk) in dem dem Produkt zugeordneten Betriebsdatenspeicher (BSi, BSe) entsprechend der Klassen (j) abgelegt werden und dass aus einer Menge von Produkten eine erste Teilmenge der Produkte bis zum technischen Versagen betrieben wird, wodurch die Betriebsdauern der Klassen der vorgebbaren Betriebsgrößen des Produktes ermittelt werden, wobei daraus je Klasse und Betriebsgröße ein Gewichtungsfaktor ermittelt wird, der den Einfluss zum technischen Versagen des Produktes der jeweiligen Klasse und Betriebsgröße widerspiegelt und eine zweite Teilmenge der Produkte bis zum technischen Versagen betrieben wird, wobei die Gewichtungsfaktoren, die aus der ersten Teilmenge ermittelt wurden, auf die zweite Teilmenge angewendet werden und bei der zweiten Teilmenge des Produktes je Betriebsgröße eine kritische Betriebsdauer über alle Klassen ermittelt wird und aus den kritischen Betriebsdauern über alle Klassen aller Betriebsgrößen der Betriebsdauerschwellwert ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren (a_ij) aus der Lösung eines Optimierungsproblems min {f(x)}, mit x = {a_ij, t_ijk} unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen den einzelnen Betriebsgrößen ermittelt werden;

   - für die Produkte (z) kritische kumulierte Betriebsdauern (P_iz_krit) für die einzelnen Betriebsgrößen (i) aus der Gleichung: $$\mathrm{P\_iz\_krit}\mathrm{=}\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{a\_ij}\mathrm{\cdot }\mathrm{t\_ijz}\right\}$$

   

   
   ermittelt werden; und

   - für die einzelnen Produkte (z) die Betriebsdauer-Schwellwerte aus der Gleichung: $$\min \left\{\mathrm{P\_iz\_krit}\right\},\mathrm{mit\; i}=1\dots \mathrm{N}$$

   

   
   oder $$\frac{1}{\mathrm{N}}\cdot \stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}=1}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{P\_iz\_krit}\right\},\mathrm{mit\; i}=1\dots \mathrm{N}$$

   

   
   ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren (a_ij) aus der Lösung des Optimierungsproblems $$\min \left\{\stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\stackrel{\mathrm{K}}{\underset{\mathrm{k}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\mathrm{ABS}\{\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\{\mathrm{a\_ij}\cdot \mathrm{t\_ijk}\}-1\}\right\}$$

   

   
   ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung $$\mathrm{a\_ij}>0.$$

   
4. Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichungsfaktoren (a_ij) aus der Lösung des Optimierungsproblems $$\begin{array}{c}\min \left\{\stackrel{\mathrm{K}}{\underset{\mathrm{v}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\stackrel{\mathrm{K}}{\underset{\mathrm{\mu }\mathrm{\ne }\mathrm{v}}{\underset{\mathrm{\mu }\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}}\mathrm{ABS}\left\{\stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{PROD}}}\left\{\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{a\_ij}\mathrm{\times }\mathrm{t\_ij\mu }\right\}\right\}\right\}\mathrm{-}\mathrm{\dots }\stackrel{\mathrm{N}}{\underset{\mathrm{i}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{PROD}}}\mathrm{\{}\stackrel{\mathrm{M\_i}}{\underset{\mathrm{j}\mathrm{=}\mathrm{1}}{\mathrm{SUM}}}\left\{\mathrm{a\_ij}\mathrm{\times }\mathrm{t\_ijv}\right\}\mathrm{\}}\mathrm{\}}\right\}\end{array}$$

   

   
   ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung $$\mathrm{a\_ij}>0.$$

   

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