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EINFÜHRUNG
Viele Werkzeuge und Anwendungen erfordern eine Bewegungslösung, die eine hohe Kraftdichte in einem kleinen Paket bietet, darunter industrielle Elektrowerkzeuge, chirurgische Werkzeuge, Robotik sowie Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung. Hier kommt ein Getriebemotor ins Spiel! Ein DC-Getriebemotor ist eine Baugruppe aus einem bürstenbehafteten oder bürstenlosen DC-Motor und einem Getriebe, die speziell die Anforderungen einer Anwendung an Drehmoment (mNm), Drehzahl (RPM) und Wirkungsgrad (%) erfüllt. Durch den Einbau eines Getriebekopfs in den Motor wird die Abtriebsdrehzahl reduziert und gleichzeitig das Drehmoment erhöht. Getriebemotoren spielen bei Anwendungen eine wichtige Rolle, da sie bei kleinerem Durchmesser und zusätzlicher Länge ein vergleichsweise höheres Drehmoment als ein einzelner Motor erreichen können.
Neben Anforderungen in Bezug auf Drehmoment, Drehzahl und Wirkungsgrad ist für viele Anwendungen die Verlässlichkeit ein vierter entscheidender Parameter; daher müssen Hersteller von Miniaturmotoren sicherstellen, dass diese bestimmte Zuverlässigkeitsziele erfüllen. Hier kommt die Zuverlässigkeitsnachweisprüfung (Reliability Demonstration Testing, RDT) ins Spiel.
Was ist eine Zuverlässigkeitsnachweisprüfung?
Zuverlässigkeitsnachweisprüfungen sind in der Fertigungsindustrie weit verbreitet, um zu überprüfen, ob ein Produkt eine bestimmte Zuverlässigkeitsanforderung in Bezug auf ein bestimmtes Konfidenzniveau erfüllt. Dabei handelt es sich um einen Bestanden/Nicht-bestanden-Test, der in der Regel auf System-/Produktebene durchgeführt wird. Der RDT-Prozess kann in drei Phasen unterteilt werden: Planung, Prüfung/Überwachung und Datenanalyse.
1. Schritt: Planung
Das Zuverlässigkeitsziel ist zunächst in der Planungsphase festzulegen, wie etwa die Zuverlässigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt in Bezug auf ein bestimmtes Konfidenzniveau. Dabei kann auch der Plan für die Zuverlässigkeitsnachweisprüfung strukturiert werden. Sobald das Zuverlässigkeitsziel festgelegt ist, besteht der nächste Schritt darin, die Verteilungs- und Beschleunigungsmodelle auszuwählen, um den Stichprobenumfang, die Prüfzeit für die erforderliche Zuverlässigkeit und das Konfidenzniveau zu berechnen. Ohne ein Zuverlässigkeitsziel können die Prüfparameter für den Zuverlässigkeitsnachweis nicht geplant werden.
Ein wichtiger Schritt in dieser Phase ist die Auswahl eines statistischen Modells zur Einschätzung des Stichprobenumfangs und der Prüfzeit. Nichtparametrische und parametrische Binomialmodelle sind die am häufigsten verwendeten Modelle für Zuverlässigkeitsnachweisprüfungen:
- Parametrische Binomialmodelle werden verwendet, wenn die Prüfdauer von der Zeit der geforderten Zuverlässigkeit abweicht. Es sollte eine zugrunde liegende Verteilung (z. B. Weibull) angenommen werden.
- Nichtparametrische Binomialmodelle können für One-Shot-Geräte verwendet werden, da keine Verteilungsannahme erforderlich ist.
2. Schritt: Prüfung/Überwachung
In der Prüfungs-/Überwachungsphase wird die RDT durchgeführt, wobei die Leistung der Getriebemotoren täglich überwacht wird. Die Leistungsüberwachung umfasst Messungen von Spannung, Strom, Drehzahl, Temperatur sowie eine Sichtprüfung auf ungewöhnliche Geräusche oder physische Schäden.
3. Schritt: Datenanalyse
In der abschließenden Analysephase werden die Prüfdaten zusammengeführt und anhand der Ergebnisse ein Bericht erstellt. Darin werden die erreichten Ergebnisse mit dem Ziel verglichen und beschrieben, wie die Daten berechnet wurden. Wenn einige wenige Proben während der Prüfung ausfallen, können die Ausfalldaten mit der Weibull-Methode analysiert werden, um die erreichte Zuverlässigkeit zu berechnen. Ziel der RDT ist es jedoch, die Zuverlässigkeit ohne Ausfall zum festgelegten Zeitpunkt nachzuweisen, was auch als Null-Fehler-Test bezeichnet wird. Die erforderliche Prüfzeit wird neu berechnet, falls ein Fehler festgestellt wird, bevor die angestrebte Prüfzeit erreicht ist.
Hinweis: Zuverlässigkeitsnachweisprüfungen können sowohl unter den tatsächlichen Anwendungsbedingungen (was immer empfohlen wird) als auch unter beschleunigten Belastungsbedingungen durchgeführt werden. Wenn die erforderliche Zeit für das Zuverlässigkeitsziel jedoch sehr hoch ist (d. h. eine B10*-Lebensdauer von 10 Jahren), kann die beschleunigte Lebensdauertestmethode verwendet werden, um die Prüfzeit zu verkürzen und die Daten des ersten Schritts zu vervollständigen. Ein beschleunigter Lebensdauertest eines Getriebemotors kann unter Verwendung bestimmter Belastungen wie Leistung, Drehmoment, Drehzahl, Temperatur usw. durchgeführt werden.
*Die B10-Lebensdauer ist der Zeitpunkt, zu dem 10 % der Einheiten einer Population ausfallen werden. Diese kann alternativ als 90%ige Zuverlässigkeit einer Population zu einem bestimmten Zeitpunkt ihres Lebens oder als der Zeitpunkt angesehen werden, an dem ein Objekt eine 90%ige Überlebenswahrscheinlichkeit hat.
ZUVERLÄSSIGKEITSNACHWEISPRÜFUNG IN DER PRAXIS
Ein Medizinproduktehersteller entwickelte ein Infusionssystem und beauftragte den Motorhersteller mit der Validierung der Zuverlässigkeit des DC-Getriebemotors mittels RDT. In diesem Fall musste der Hersteller die B10-Lebensdauer (Stunden) mit einem Konfidenzniveau von 95 % validieren. Da die geforderte B10-Lebensdauer beträchtlich war (10.000 Stunden, d. h. mehr als ein Jahr tatsächliche Betriebszeit), beschloss der Zuverlässigkeitstechniker, die RDT in einem beschleunigten Verfahren durchzuführen.
Berechnung des Beschleunigungsfaktors
Die Lebensdauer des Getriebemotors hängt in erster Linie von der angelegten Last und den Anwendungsbedingungen ab. Das Ingenieursteam wählte Drehmoment und Drehzahl als Belastungsparameter zur Beschleunigung der Prüfzeit, während das Zuverlässigkeits- und Prüfteam das Modell des inversen Leistungsgesetzes (IPL) zur Berechnung des Beschleunigungsfaktors nutzte, um die Prüfzeit zu reduzieren. Das IPL-Modell (oder die IPL-Beziehung) wird häufig für nicht thermische beschleunigte Belastungen wie Spannung, Strom, mechanische Last, Drehmoment, Drehzahl usw. verwendet. Das Berechnungsmodell des Beschleunigungsfaktors ist in der folgenden Gleichung angegeben:
Beschleunigungsfaktor
Für die IPL-Beziehung ergibt sich der Beschleunigungsfaktor aus:
wobei:
- LVERWENDUNG die Lebensdauer im Nutzungsstressniveau ist.
- LBeschleunigt die Lebensdauer im beschleunigtem Stressniveau ist.
- Vu das Nutzungsstressniveau ist.
- VA das beschleunigte Stressniveau ist.
In der Anwendung für medizinische Geräte betrug der Drehmomentbedarf des Getriebemotors 10 mNm. Für die Berechnung des Beschleunigungsfaktors wurde das Drehmoment für die beschleunigte Beanspruchung mit 25 mNm gewählt, bei einer konstanten Drehzahl von 200 U/min (wie in der Anwendung angegeben).
Der Parameter „n“ im umgekehrten Leistungsverhältnis ist ein Maß für die Auswirkung der Belastung auf die Betriebssicherheit des Getriebemotors. Je höher der absolute Wert von „n“ ist, desto größer ist die Auswirkung der Belastung. Basierend auf früheren Erfahrungen mit Getriebeprüfungen wird „n“ für den ungünstigsten Fall mit 3 angenommen.
Basierend auf der obigen Formel für das inverse Leistungsgesetz, der Belastungswerte in der obigen Tabelle (unter Verwendung des gleichmäßigen und des beschleunigten gleichmäßigen Drehmoments) sowie des Belastungsfaktors „n“ wird der Beschleunigungsfaktor als 15,6 berechnet.
Prüfzeitberechnung
Nach der Berechnung des Beschleunigungsfaktors wurde die Prüfzeit nach der parametrischen binomischen Methode berechnet. Es wird eine parametrische binomische Gleichung für die Berechnung der Stichprobengröße angezeigt:
wobei:
- CL = das erforderliche Konfidenzniveau
- f = die zulässige Anzahl von Ausfällen
- n = Gesamtanzahl der geprüften Einheiten
- RPRÜFUNG = Zuverlässigkeit bei der Prüfung
Bei der binomischen Methode wird der Stichprobenumfang berechnet, der erforderlich ist, um einen Zuverlässigkeitswert mit einem bestimmten Konfidenzniveau nachzuweisen. Bei der parametrischen Binomialmethode wird die WeibullVerteilung verwendet, um die Zuverlässigkeit (R) in der oben genannten Binomialgleichung zu definieren. Bei einer Zuverlässigkeitsanforderung (R) für eine Einsatzzeit (T) und einem Wert für den Weibull-Formparameter (β) wird die WeibullZuverlässigkeitsfunktion für die charakteristische Lebensdauer (η) gelöst. Dies definiert die Weibull-Zuverlässigkeitsfunktion vollständig und ermöglicht die Berechnung der Zuverlässigkeit an jedem anderen Punkt der Zuverlässigkeitskurve.
Assuming a Weibull distribution beta value of 2 for wear out failure, the sample size was chosen as 10 and the required test time was calculated.
Unter der Annahme einer Weibull-Verteilung mit einem Betawert von 2 für Verschleißausfälle wurde die Stichprobengröße auf 10 festgelegt und die erforderliche Prüfzeit berechnet.
Diese Gleichung kann mithilfe der Zuverlässigkeitsgleichung für die Weibull-Verteilung weiter modifiziert werden. Die Berechnung kann direkt mit der Weibull++-Software erfolgen, mit einer gegebenen Zielzuverlässigkeit von 90 % (B10- Lebensdauer), 10.000 Stunden, 95 % Konfidenzniveau, Null-Fehler-Kriterien und einer Stichprobengröße von 10 (je nach Durchführbarkeit der Prüfungen).
Die erforderliche Prüfzeit wird mit 1.081 Stunden unter Berücksichtigung von Null-Fehler-Fällen berechnet, d. h. alle 10 Proben, die geprüft werden, müssen 1.081 Stunden ohne einen einzigen Fehler durchlaufen.
Prüfung
Nach dem Abschluss des Prüfplans für die 10 Getriebemotoren unter belasteten Bedingungen folgte die Ausführung des Prüfplans. Zur Durchführung der Prüfung wurden die 10 Getriebemotoren und Prüfgeräte auf dem Prüfstand aufgebaut. Dazu waren eine Stromversorgung, Prüfvorrichtungen, Kupplungen, Bremsen, ein Kabelbaum, ein Multimeter und ein Drehmomentmesser erforderlich. Das erforderliche Drehmomentniveau wurde durch eine Hysteresebremse bzw. einen Drehmomentbegrenzer aufrechterhalten.
Die Funktionstests für jeden Motor wurden vor dem RDT-Test durchgeführt. Die Leerlaufleistung wurde bei allen Motoren überprüft, um sicherzustellen, dass die Leistung jedes Motors innerhalb der Spezifikation liegt.
Während der RDT-Prüfung werden verschiedene Leistungsparameter der Motoren überprüft. Spannung, Stromstärke, Drehzahl und Temperatur wurden täglich aufgezeichnet.
In dieser Fallstudie haben alle 10 Motoren die geforderte Prüfzeit von 1.081 Stunden ohne Ausfall absolviert. Bei keinem Motor wurden Anomalien festgestellt; daher wurde die erforderliche B10-Lebensdauer von 10.000 Stunden mit einem Konfidenzniveau von 95 % durch die Prüfung bestätigt.
Zusammenfassung
Der systematische Ansatz der Zuverlässigkeitsnachweisprüfung hilft, die angestrebte Zuverlässigkeit von DC-Getriebemotoren zu veranschaulichen, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. in der oben beschriebenen Anwendung für medizinische Infusionssysteme. Das Whitepaper befasst sich auch mit der RDT-Methode, um die Verlässlichkeit des Getriebemotors durch beschleunigte Lebensdauertests nachzuweisen. Da die Prüfphase unter normalen Betriebsbedingungen mehrere Monate dauern kann, trägt die beschleunigte Lebensdauertestmethode dazu bei, den Zeitaufwand und die Anzahl der Proben zu reduzieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Getriebemotoren die erforderliche Zuverlässigkeit bei dem gewünschten Konfidenzniveau erfüllen.
Referenzen
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Abbildung 1: Portescap DC-Getriebemotor
Abbildung 2: Berechnungsmodus des Beschleunigungsfaktors
Abbildung 3: Prüfbedingungen für den Getriebemotor des Infusionssystems
Abbildung 4: Prüfzeitberechnung für die RDT
Tabelle 1: Prüfdaten aus abgeschlossener RDT