Projekte im Forschungsbereich Zuverlässigkeitstechnik

Institut für Maschinenelemente (IMA)

Übersicht über die laufenden und kürzlich abgeschlossenen Projekte und das Projektarchiv

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Laufende Projekte

Kürzlich abgeschlossene Projekte

Projektarchiv

Armin Köhler, Industriekooperation mit Robert Bosch GmbH

Angetrieben von den globalen Megatrends der Elektrifizierung und Automatisierung entwickelt sich die Automobilbranche stark in technische und innovative Bereiche. Insbesondere der Arbeitsbereich der Fahrerassistenzsysteme und automatisierten Fahrfunktionen ist ein aktuelles Innovationsfeld. Die meisten dieser Systeme haben eine gemeinsame Eigenschaft: Sie gehören zu den elektrischen und/oder elektronischen (E/E) Systemen, die für die Sicherheit von Fahrern und Passagieren verantwortlich sind. Grundlage der Funktionalität ist dabei stets die ausreichende Leistungsversorgung dieser sicherheitsrelevanten Systeme. Dadurch steigt die Sicherheitsrelevanz von Energiebordnetzen und zugehörigen Komponenten enorm. Aus diesem Grund muss das gesamte Energiebordnetz nach funktionalen Sicherheitsstandards entwickelt und verifiziert werden. Insbesondere im Bereich der Straßenfahrzeuge ist der funktionale Sicherheitsprozess nach ISO 26262 anzuwenden.

Philipp Kilian, Industriekooperation mit Robert Bosch GmbH

Getrieben durch die Megatrends Elektrifizierung, Automatisierung und Konnektivität werden umfassende Sicherheitskonzepte für die Energieversorgung im Fahrzeug erforderlich. Um dabei flexibel auf variierende Anforderungen reagieren zu können, gilt es die notwendigen Sicherheitskonzepte modular und skalierbar aufzubauen.

Hierzu arbeiten wir an innovativen Lösungen zur automatisierten Ableitung von effizienten Sicherheitskonzepten und deren Bewertung mittels künstlicher Intelligenz (KI) und/oder Optimierungsalgorithmen.

Da die analytische Bewertung unterschiedlicher Hardware-Architekturen sehr zeitaufwendig ist, soll ein automatisierter Ansatz auf Basis von Fehlerinjektion entwickelt werden, um einzelne Hardware-Bausteine modular bewerten zu können. Für eine Sicherheitsziel-übergreifende optimale Hardware-Architektur gilt es unterschiedliche Anforderungen der modularen Bausteine zu berücksichtigen.

Tamer Tevetoglu, IMA

Piktogramm Projekt Future-Load-Model

Als Teil eines prädiktiven Diagnosemodels dient das Future Load Model zur Vorhersage zukünftiger Belastungen (Zeitseriendaten), welche die Restlebensdauer der Bleisäurebatterie maßgeblich beeinflussen. Hierzu werden zunächst vergangene Sensordaten der Batterie gespeichert und mittels unüberwachten Machine-Learning-Methoden zu repräsentativen Belastungsfällen gruppiert. Anschließend wird ein Rückgekoppeltes-Neuronales-Netz (RNN) basierend auf einem sog. langen Kurzzeitgedächtnis (LSTM) trainiert und zur Vorhersage zukünftiger Signaldaten genutzt. Die nun vorhergesagten Daten werden durch einen Klassifikator, z. B. Random Forest, den repräsentativen Lastfällen zugeordnet. Durch die Streuung der Datenpunkte innerhalb eines Belastungsfalls werden die Vertrauensbereiche der prädizierten Signaldaten abgeleitet. Nun kann die Restlebensdauer anhand der zukünftigen Belastungen berechnet werden.

Frank Müller, DFG Projekt

Piktogramm Projekt 'Systemanalyse mit Vertrauensbereich'

Mit Hilfe stochastischer Netzverfahren können komplexe, technische Systeme modelliert und deren Zuverlässigkeit bzw. Verfügbarkeit simuliert werden. Die statistische Güte der Eingangsdaten kann aktuell nicht innerhalb der Analyse berücksichtigt werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist die durchgängige Integration der statistischen Güte der Eingangsdaten in die gesamte Analysemethodik, um die Ausdruckskraft von Vertrauensbereichen mit der Leistungsfähigkeit der Modellierungs-methoden zu verknüpfen.

Martin Diesch, MTU Friedrichshafen GmbH

Die Kenntnis der realen Belastung im Feld ist für die Entwicklung eines zuverlässigen Produktes von größter Wichtigkeit. Im Rahmen dieses Projektes sollen Lastkollektive ermittelt werden, welche die Belastung von Bauteilen von Großdieselmotoren beschreiben. Dafür sollen virtuelle Sensoren zur Beschreibung des Zusammenhanges zwischen physikalischen Messgrößen und schadensrelevanten Einflussfaktoren dienen.
 

Andreas Ostertag, DFG Sonderforschungsbereich (SFB 1244)

Für die im SFB 1244 angestrebten adaptiven Tragwerke ist eine Anpassung sowohl an die jeweilige aktuelle Lastsituation wie Wind und Wetter als auch an den Nutzer erforderlich. Neben der Sicherstellung einer hohen Zuverlässigkeit ist das Verhalten des Systems im Fehlerfall von besonderer Bedeutung. Ziel ist durch ein Fail-Safe-Konzept mittels einer angepassten Fehlerreaktion den Betriebszustand so weit und so lange wie möglich aufrecht zu erhalten. Außerdem werden Fail-Safe-Elemente entwickelt und eingesetzt.
 

Andreas Kroner, Daimler AG

Im Bereich der Refabrikation ist es das Ziel, die Wiederverwendungsquote zu maximieren um Ressourcen und Kapital einzusparen. Jedoch ohne abstriche hinsichtlich Qualität und Zuverlässigkeit der aufbereiteten Produkte. Hierbei muss sichergestellt werden, dass die ausgewählten Komponenten ein zweites Produktleben darstellen können. Erkenntnisse aus dem Refabrikationsprozess von tauschaufbereiteten PKW-Getrieben werden hierfür herangezogen.
 

Thomas Herzig, IMA

Die zum Nachweis des Zuverlässigkeitsziels erforderliche Erprobungsaufwand kann bereits im frühen Entwicklungsprozess berücksichtigt werden. Ziel ist es, durch Anpassung der Überdimensionierung, ein Optimum zwischen Produktentwicklungskosten (Material, Fertigung, …) und Erprobungskosten (Testart, Prüflingszahl, Anzahl benötigter Prüfstände, Wahl der Belastungsniveaus im beschleunigten Test, …) zu finden. Die Wahl der geeigneten Erprobungsstrategie wird dabei objektiv mit Hilfe von Testkosten, Gesamtzeit und Erfolgswahrscheinlichkeit bewertet und von der im Entwicklungsprozess berücksichtigten Überdimensionierung einzelner Ausfallmechanismen beeinflusst.
 

Mark Henß, IMA

Prognostics and Health Management ist eine technische Disziplin, die sich mit der Bewertung und Regelung der nutzbaren Restlebensdauer von Systemen beschäftigt. Getrieben vom Entwicklungstrend „Cyber-Physical-Systems“ wird der Zustand des Systems im Betrieb in Echtzeit diagnostiziert, prognostiziert und durch Regeleingriffe gezielt optimiert. PHM schließt somit Methoden und Modelle aus Zuverlässigkeitstechnik, Statistik, Maschinellem Lernen, Messtechnik etc. ein. Ein Ziel dieser Arbeit ist es, das Spektrum an Methoden und Modellen in einem gemeinsamen Theorieansatz zu bündeln. Der Einsatz des Maschinellen Lernens ermöglicht eine automatische Erkennung relevanter Muster und Trends in Daten, die dem Mensch nur schwer zugänglich sind. Fehlende Trainingsdaten, Labels und eine geringe Daten-Qualität können dem Einsatz entgegenstehen. In diesem Projekt wird untersucht wie Vorwissen in die Algorithmen implementiert werden kann um diese Defizite zu beheben.
 

Alexander Kremer, Walther Flender GmbH

Trotz einer langen Historie und einer immensen Vielfalt angebotener Riemenkonstruktionen ist deren Berechnung bis heute nicht genormt. Hinzu kommen fehlende quantitative Aussagen zu Zuverlässigkeit und Verschleiß von Zahnriemengetrieben. Daher soll eine Methodik entwickelt werden, mit der es möglich ist auf Basis relevanter Parameter ein anwendungsorientiertes Lebensdauermodell zu generieren, welches zur Prognose der Lebensdauer von Zahnriemenantrieben herangezogen werden kann.
 

Kevin Lucan und Mark Henß, Bergische Achsen, DAF, Daimler, Haldex, IVECO, Knorr-Bremse, MAN, MERITOR, SAF Holland, WABCO

Für die Entwicklung betriebsfester und zuverlässiger Komponenten und Systemen ist, neben der Belastbarkeit, die Kenntnis der im Feld auftretende Belastung notwendig. Aus diesem Grund werden für Nutzfahrzeug-Bremssysteme, im Rahmen eines Arbeitskreises mit zehn namenhaften Industriepartnern, Standard Lastkollektive aus der Feldbelastung abgeleitet. Ziel ist die Entwicklung eines branchenweiten Standards für Auslegung und Absicherung von Nutzfahrzeug-Bremsen.
 

Frank Müller und Jan Gröber, Festo AG & Co. KG

Analyse der Zuverlässigkeit mechatronischer Systeme am Beispiel einer neuartigen Ventilinsel unter Berücksichtigung der mechanischen und elektronischen Komponenten sowie der Software. Planen und Durchführen von Zuverlässigkeitstests. Systematische Erarbeitung der Grundlagen zur Beschreibung der Zuverlässigkeit mechatronischer Systeme sowie die Erarbeitung der Möglichkeit zur Bestimmung der Systemzuverlässigkeit in frühen Phasen der Produktentwicklung.
 

Julian Popp, HSA Aalen, ISSA Forschungsprojekt

Die Nachfrage von Rohstoffen aus der Tiefsee steigt stetig. Damit diese Rohstoffe gefördert werden können, werden Systeme benötigt, die umweltfreundlich, sicher, zuverlässig und verfügbar sind. Im Rahmen des Projektes wird eine Systemarchitektur mit Fokus auf mechatronische Antriebstechnik entwickelt, die die enormen Anforderungen, die in der Tiefsee herrschen, gerecht wird. Die Verifikation und Validierung an einer selbstentwickelten Prüfstands-Umgebung ist ebenfalls Teil des Projektes.

Volker Schramm, CERN

Analyse von Überwachungssystemen für Teilchenbeschleuniger zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Schutzfunktion. Erarbeitung einer methodischen Vorgehensweise für Entwurf, Produktion, Tests und den Betrieb verlässlicher elektronischer Systeme. Zugleich Anwendung der Methodik für die Zuverlässigkeitsanalyse, Definition der Betriebsstrategie und zur Durchführung von Funktions- sowie Zuverlässigkeitstests.
 

Sebastian Imle, WITTENSTEIN motion control GmbH

Die Förderung von Rohstoffen in der Tiefsee erfordert eine umweltfreundliche und sichere Antriebslösung. Die Systemarchitektur definiert die Komponenten und Schnittstellen des Systems in Art und Güte. Die Verarbeitungsqualität dieser Informationen über eine sichere Kommunikationsarchitektur entscheidet über den Diagnosedeckungsgrad und die funktionale Sicherheit des Systems. Der Entwurf eines Zustandsüberwachungssystems für den Einsatz in der Tiefsee ist das Ziel dieses Projektes.

Alexander Grundler, Martin Dazer; Daimler AG

Zur Absicherung der Zuverlässigkeit können neben physischen Tests der Produkte auch Simulationsergebnisse zu berücksichtigt werden. Dabei gilt es diese im Sinne einer statistischen und zuverlässigkeitstechnischen Sicht zu fassen, sodass sie in die notwendige Zuverlässigkeitsaussage mit Aussagewahrscheinlichkeit überführt werden können. Je nach Simulation und Ausfallmechanismus sind dabei besondere Hürden zu überwinden. Die Simulationsergebnisse können dann mit Ergebnissen aus physischen Tests kombiniert werden um die Zuverlässigkeitsaussage des Produkts zu präzisieren.

Alexander Grundler, ZF Friedrichshafen AG

Die Berücksichtigung von Vorerfahrung ermöglicht nicht nur eine präzisere Aussage der Zuverlässigkeit eines Produktes, sondern auch eine Verringerung von Kosten und Zeit in der Zuverlässigkeitstestplanung. Bestehende Methoden zeigen hierbei jedoch zum Teil sehr konservatives Verhalten und insbesondere die Quantifizierung von Vorwissen aus Berechnungsergebnissen und Simulationen, als auch die Transformation von Zuverlässigkeitsinformationen zwischen verschiedenen Systemebenen bedürfen praktikabler Methoden.
 

Frederic Heidinger, Patrick Münzing und Andreas Ostertag, Robert Bosch GmbH

Grundlagen für das automatisierte Fahren sind die Umwelterkennung, die Trajektorienplanung und die Trajektorienumsetzung im Fahrzeug. Die Energieversorgung ist Voraussetzung zur Erfüllung dieser Funktionen. Aufgrund der Kritikalität der Fahrzeugfunktionen ergeben sich bisher nicht gekannte Anforderungen an die Energieversorgung des Fahrzeugs. Die Betrachtung der Zuverlässigkeit und der Funktionalen Sicherheit zur Sicherstellung der einwandfreien Funktion des Fahrzeugs ist unerlässlich.
 

Fei Long, GSaME, DFG

Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0 auf der Basis von Petrinetzen, unter Berücksichtigung von sämtlichen Aspekten wie Flexibilität, Wandlungsfähigkeit, Lernfähigkeit, zahlreiche Abhängigkeiten und Wechselwirkungen. Ziel ist die Entwicklung einer leistungsfähigen Methode zur Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0.
 

Zeljana Beslic, IMA

Die Zahnradlebensdauer einer Serienverzahnung soll auf den Ausfall Grübchen experimentell am Lastprüfstand untersucht werden. Es soll ein statistischer Lebensdauernachweis des Zahnrads hinsichtlich des Ermüdungsschadens und der Einfluss auf die Streuung des Degradationsmodells Grübchen, unter Einflussnahme der Last dargelegt werden. Eine Erprobungsmethodik im Hinblick auf Ressourcenplanung und ein Simulationsansatz sollen mit den Messdaten verifiziert werden.
 

Sebastian Held, Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH

Mittelpunkt von PHM ist die Feststellung der nutzbaren Restlebensdauer von technischen Systemen, sowie die Ableitung entsprechender Maßnahmen. Im Rahmen von Digitalisierung, Elektrifizierung und autonomen Fahren bietet sich der Einsatz von PHM auch in der Nutzfahrzeugtechnik an. Innerhalb dieses Projekts werden PHM-Anwendungen für Nutzfahrzeugkomponenten, im Hinblick auf reduzierte Lebenszykluskosten bei gleichzeitiger Erhöhung von Sicherheit und Verfügbarkeit, entwickelt.
 

Martin Dazer, Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH

Eine zielgerechte Zuverlässigkeitstestplanung kann nur erfolgen, wenn bereits belastbares Vorwissen über das produktspezifische Ausfallverhalten vorliegt. Im Rahmen dieses Projekts wird dieses aus stochastischen Betriebsfestigkeitssimulationen gewonnen. Dabei werden systematische Unsicherheiten mit Wahrscheinlichkeits-funktionen modelliert und eine virtuelle Weibullverteilung generiert. Mit diesem virtuell ermittelten Vorwissen soll es ermöglicht werden, Empfehlungen für die Auswahl einer optimalen Teststrategie zu geben.
 

Zielgrößen wie insb. die Verfügbarkeit (A) und die Zuverlässigkeit (R) werden ausgehend von funktionsbezogenen Kundenwünschen kostenoptimal (€) definiert, die Auswirkung geeigneter Instandhaltungsstrategien auf das Geschäftsmodell untersucht und die Geschäftsmodellwahl unterstützt. Die Symbiose aus Stakeholdern, Werten, Funktionen und Budget im Zuverlässigkeitskontext steht im Fokus der Untersuchung.
 

Zur Auslegung von Zylinderkurbelgehäusen wird eine Methode entwickelt, die es erlaubt, bereits in frühen Phasen der Entwicklung Auskunft über die Zuverlässigkeit der Zylinderkurbelgehäuse zu geben. Basis der Berechnung sind Belastungskollektive aus dem Fahrbetrieb sowie experimentell ermittelte Werkstoffdaten. Durch Verknüpfung und Abgleich von Berechnung und Feld-Analyse soll eine durchgängige Strategie zur Zuverlässigkeitsanalyse entwickelt werden.
 

Auf Basis von Elementen der Robust Design-Methodik (Axiomatic Design und Taguchi) wird eine ganzheitliche Methode zum Gestalten von robusten und zuverlässigen Komponenten von Nutzfahrzeugbremssystemen entwickelt.
 

Download Projektbeschreibung

Durch Entwicklung einer Methodik zur beschleunigten Erprobung von NKW-Bremssystemen soll deren Zuverlässigkeit untersucht werden. Neben End-of-Life Tests werden auch Zuverlässigkeitsnachweise (Reliability Demonstration Tests) und Voruntersuchungen geplant. Parallel dazu wird eine Vorgehensweise aufgezeigt, wie für zukünftige Projekte entwicklungsbegleitend die Zuverlässigkeit der Systeme nachgewiesen werden kann.
 

Download Projektbeschreibung

Beschreibung und Ermittlung des Ausfallverhaltens von Maschinenelementen auf Basis von simulierten Lebensdauerdaten, unter Berücksichtigung von Fertigung-, Gestalt-, Werkstoff- und Belastungsstreuungen. Ziel ist die Ermittlung der Zuverlässigkeit um entsprechende Verbesserungsmaßnahmen zur Erreichung des geforderten Zuverlässigkeitsziels einzuleiten.
 

Kontakt Bereichsleitung Zuverlässigkeitstechnik

Dieses Bild zeigt Martin Dazer

Martin Dazer

Dr.-Ing.

Bereichsleitung Zuverlässigkeitstechnik und Diagnose und Prognose in Antriebsträngen

 

Institut für Maschinenelemente (IMA)

Pfaffenwaldring 9, 70569 Stuttgart

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