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10.02.2023 Portescap SA

Von industriellen Elektrowerkzeugen über chirurgische Roboter bis hin zu Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich ist eine Bewegungslösung, die eine hohe Leistungsdichte in einem kleinen Paket bietet, eine häufige Anforderung. Bei der Integration eines Getriebemotors ist jedoch die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung. Wenn die Betriebslebensdauer die für Tests zulässige Dauer überschreitet, kann ein systematischer Ansatz für Zuverlässigkeitsdemonstrationstests (RDT) OEMs eine 95-prozentige Sicherheit bieten, dass die Getriebemotoren ihre erforderliche Laufzeit erreichen oder überschreiten

Utpal Rabha, leitender Ingenieur bei Portescap, erklärt das RDT-Verfahren.

Gleichstromgetriebemotoren sind so konzipiert, dass sie den Drehmomentanforderungen spezifischer Aufgaben gerecht werden und gleichzeitig kompakte Abmessungen gewährleisten. Mit einer Baugruppe aus einem bürstenbehafteten oder bürstenlosen Gleichstrommotor kombiniert das Gerät ein Getriebe, das Drehmoment-, Geschwindigkeits- und Effizienzanforderungen optimiert. Dadurch kann ein Getriebemotor die Abtriebsgeschwindigkeit reduzieren und gleichzeitig das Drehmoment auf das erforderliche Niveau erhöhen. Dies wird mit einem kompakteren Durchmesser im Vergleich zur alleinigen Verwendung eines Einzelmotors mit höherer Leistung erreicht.

Bei dem zusätzlichen Getriebemechanismus ist es zwingend erforderlich, dass die Konstruktion des Getriebemotors für die Dauer seines erforderlichen Einsatzes ausreichend zuverlässig ist. Um die Widerstandsfähigkeit unter realen Bedingungen sicherzustellen, sind Zuverlässigkeitsdemonstrationstests (RDT) erforderlich.

RDT-Stufen

Die erste Aufgabe der Planungsphase besteht darin, das Zuverlässigkeitsziel festzulegen, das zur Festlegung der RDT-Parameter erforderlich ist. Zu den typischen Merkmalen von Getriebemotoren, die der RDT unterliegen, gehören Spannung, Strom, Drehzahl, Temperatur, Geräusch und physikalische Integrität. Anschließend können die Testmodelle ausgewählt werden, um die Stichprobengröße sowie die erforderliche Testzeit zu berechnen. Die Präferenz hängt davon ab, ob die Testdauer von der erwarteten Lebensdauer abweicht; Es ist für ein Gerät erforderlich, das langfristig arbeitet, im Gegensatz zu einem Gerät, das möglicherweise nur einen Einzelschussbetrieb erfordert. Außerdem muss ein akzeptierter Testtoleranzwert festgelegt werden.

Idealerweise sollte die Prüfung unter tatsächlichen Einsatzbedingungen stattfinden und über die gesamte Dauer des vorgesehenen Betriebszeitraums fortgesetzt werden. Wenn die Anforderungen an die Markteinführungszeit dies jedoch nicht zulassen, beispielsweise bei Getriebemotoren mit langer Lebenserwartung, die möglicherweise 10 Jahre lang laufen, kann eine beschleunigte Testmethode verwendet werden. In diesem Fall würden wir die B10-Lebensdauer berechnen, also den Zeitpunkt, zu dem Geräte eine Überlebenswahrscheinlichkeit von 90 % oder mehr haben.

Während des vorab festgelegten Zeitrahmens des Tests werden in regelmäßigen, definierten Abständen Beobachtungen gemacht, in denen eine Datenanalyse erfolgen kann. Das typische Ziel ist null Fehler beim Testabschluss. Sollten vor Ablauf dieser Zeit Fehler festgestellt werden, wird die erforderliche Prüfzeit neu berechnet. Wenn eine geringe Anzahl von Proben während des Tests ausfällt, können die Fehlerdaten mit der Weibull-Methode analysiert werden, einer Lebensdatenanalyse, die Trends einer relativ kleinen Datenstichprobe ermittelt, um die erreichte Zuverlässigkeit zu berechnen.

Testen in der Praxis

Als reales Beispiel für RDT-Tests entwarf Portescap einen Gleichstromgetriebemotor für ein Infusionssystem, das von einem Hersteller medizinischer Geräte entwickelt wurde. Zur Validierung der Zuverlässigkeit erforderte die Spezifikation eine Betriebslebensdauer von 10.000 Stunden, getestet mit einer Zuverlässigkeit von 95 %. Dies erforderte eine B10-Lebensdauerberechnung mit RDT, die unter einem beschleunigten Modell durchgeführt wurde.

Da die Lebensdauer eines Getriebemotors in erster Linie von der aufgebrachten Last und den Einsatzbedingungen abhängt, wählte das Ingenieurteam Drehmoment und Drehzahl als Belastungen zur Beschleunigung der Testzeit. Zur Berechnung des Beschleunigungsfaktors würde das inverse Potenzgesetz verwendet, das üblicherweise zum Testen nichtthermischer beschleunigter Spannungen verwendet wird.

Da der spezifizierte Drehmomentbedarf für die tatsächliche Anwendung 10 mNm betrug, wurde für die Berechnung des Beschleunigungsfaktors das Drehmoment für die beschleunigte Belastung auf 25 mNm bei einer konstanten Drehzahl von 200 U/min festgelegt. Anschließend wurde die Testdauer mithilfe einer parametrischen Binomialmethode festgelegt, die bevorzugt wird, wenn die tatsächliche Lebensdauer des Geräts die zulässige Testdauer überschreitet. Daraus ergab sich eine Testzeit von 1.081 Stunden unter Berücksichtigung von null Ausfallfällen. Mithilfe von Weibull-Berechnungen wurde eine Stichprobengröße von 10 Getriebemotoren festgelegt.

Um die RDT durchzuführen, wurde das erforderliche Drehmomentniveau auf die Getriebemotoren ausgeübt und mithilfe einer Hysteresebremse aufrechterhalten, die als Drehmomentbegrenzer fungierte. Die Leistungsparameter wurden täglich aufgezeichnet, darunter Spannung, Strom, Geschwindigkeit und Temperatur. Nach 1.081 Stunden absolvierten alle Getriebemotoren den Test ohne Ausfälle oder Auffälligkeiten, und die erforderliche B10-Lebensdauer von 10.000 Stunden mit einem Konfidenzniveau von 95 % oder mehr wurde validiert.

Systematisches Vorgehen bestätigt Zuverlässigkeit

Ein systematischer RDT-Ansatz erzielt erhebliches Vertrauen in die Betriebslebensdauer von Gleichstrom-Getriebemotoren. Auch wenn die tatsächliche Dauer eines Lebensdauertests nicht praktikabel ist, sorgt ein robustes RDT-Verfahren für hohe Zuverlässigkeit bei beschleunigten Lebensdauertests.

Die Ingenieure von Portescap arbeiten mit OEM-Teams zusammen, um RDT zu entwerfen und umzusetzen, wann immer ein Projekt dies erfordert. Systematische RDT sorgt nicht nur für Vertrauen, sondern schafft tatsächliche Zuverlässigkeit für den realen Einsatz.

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