Qualitätssicherung - Technische Zuverlässigkeit (eBook)

Lehr- und Arbeitsbuch

Gerhard Linß (Autor)

eBook Download: EPUB

2016 | 1. Auflage
312 Seiten
Carl Hanser Fachbuchverlag
978-3-446-45138-4 (ISBN)

Infos

?Vermittelt die Grundlagen und die Werkzeuge der Technischen Zuverlässigkeit kompakt, leicht verständlich und übersichtlich ?Stellt Zusammenhänge zu anderen Wissensgebieten her ?Für Studierende und Praktiker gleichermaßen gut geeignet ?Zum Download: Didaktisch aufbereitete Trainings- und Übungsaufgaben ?Viele Beispiele und Kontrollfragen mit Antworten Erfüllt ein System oder ein Produkt die Anforderung, die erfüllt werden soll? Die Frage nach der technischen Zuverlässigkeit der Produkte ist für jedes Unternehmen zentral. Denn wenn die Anforderungen nicht erfüllt werden, bedeutet dies hohe Verluste (Rückrufaktionen), Prestigeverlust, unter Umständen stehen Existenzen auf dem Spiel und womöglich besteht auch Gefahr für Leib und Leben. Dieses Lehr- und Arbeitsbuch bietet alle Informationen rund um die Technische Zuverlässigkeit für die Qualitätssicherung. Neben den statistischen Grundlagen wird gezeigt, wie sich beispielsweise Ausfallraten oder die Ausfallwahrscheinlichkeiten ermitteln lassen, welchen Einfluss die Lebensdauer hat oder wie grundsätzlich Fehler erkannt werden können. Ergänzt wird dieses Werk durch Trainingsmodule zum Download.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Linß ist emeritierter Professor der Technischen Universität Ilmenau. Er hat an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena 1976 mit Arbeiten zu kostenoptimalen Stichprobenprüfungen promoviert und hat sich 1986 mit Verfahren zur statistischen Qualitätsregelung in der feinmechanisch-optischen Produktion habilitiert. Nach Tätigkeiten im Messwesen im Kombinat Carl Zeiss wechselte er 1983 an die TU Ilmenau und wurde 1994 zum Professor für Qualitätssicherung berufen. Bis 2014 war er dort Leiter des Fachgebiets Qualitätssicherung und industrielle Bildverarbeitung. Bis Dezember 2023 war er außerdem Geschäftsführer der SQB GmbH Ilmenau.

Inhalt

Vorwort 6
1 Einführung: Technische Zuverlässigkeit 12
1.1 Qualität 12
1.2 Zuverlässigkeit 12
1.3 Anforderungen an Zuverlässigkeitsingenieure 17
1.4 Literatur 19
2 Begriffe, Definitionen und statistische Grundlagen 22
2.1 Technische Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit 22
2.2 Ausfall 23
2.3 Überlebens- und Ausfallwahrscheinlichkeit 25
2.4 Ausfallquote und Ausfallrate 26
2.5 Zuverlässigkeitsmanagement 29
2.6 Zuverlässigkeitsprüfungen 30
2.7 Statistische Grundlagen 30
2.7.1 Mengenalgebra 30
2.7.1.1 Definitionen 30
2.7.1.2 Mengenoperationen 31
2.7.1.3 Relationen zwischen Mengen 32
2.7.1.4 Rechengesetze der Mengenalgebra 33
2.7.2 Wahrscheinlichkeit und Rechnen mit Wahrscheinlichkeiten 35
2.7.3 Häufigkeiten, Histogramm und Dichtefunktion 41
2.7.4 Summenhäufigkeit und Verteilungsfunktion 45
2.7.5 Mathematische Beschreibung von Zufallsgrößen 47
2.8 Literatur 53
3 Lebensdauerverteilungen 56
3.1 Exponentialverteilung 57
3.1.1 Theoretische Grundlagen 58
3.1.2 Analytische Bestimmung der charakteristischen Lebensdauer mittels Prüfplänen 60
3.1.3 Exponentialverteilung — Trainingsmodul 64
3.2 Weibull-Verteilung 72
3.2.1 Theoretische Grundlagen 72
3.2.2 Grafische Bestimmung der Weibull-Parameter durch das Lebensdauernetz 77
3.2.3 Analytische Bestimmung der Weibull-Parameter 80
3.2.3.1 Regressionsanalyse 80
3.2.3.2 Maximum-Likelihood-Verfahren 81
3.2.3.3 Methode nach Gumbel 82
3.2.3.4 WeiBayes (Nutzen von Vorkenntnissen) 82
3.2.4 Weibull-Verteilung — Trainingsmodul 83
3.3 Normalverteilung 96
3.3.1 Theoretische Grundlagen 96
3.3.2 Normalverteilung — Trainingsmodul 99
3.4 Logarithmische Normalverteilung 115
3.4.1 Theoretische Grundlagen 115
3.4.2 Logarithmische Normalverteilung — Trainingsaufgaben 118
3.5 Zusammenfassung Lebensdauerverteilungen 121
3.6 Badewannenkurve 123
3.7 Literatur 125
4 Zuverlässigkeit von Systemen 126
4.1 Ausfall- und Versagensursachen technischer Erzeugnisse 126
4.2 Methoden zur Berechnung der Zuverlässigkeit von Systemen 128
4.3 Qualitative Zuverlässigkeitsanalyse von Systemen (Ausfallartenanalyse) 129
4.3.1 Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse – FMEA 129
4.3.1.1 Ziele, Voraussetzungen und Arten der FMEA 129
4.3.1.2 Durchführung der FMEA 133
4.3.1.4 Ausschnitt aus der FMEA einer Kühlmittelpumpe 140
4.3.2 Fehlerbaumanalyse — FTA 144
4.3.3 Ereignisablaufanalyse — ETA 150
4.4 Quantitative Zuverlässigkeitsanalyse von Systemen (Ausfallratenanalyse) 153
4.4.1 Zuverlässigkeitsschaltbilder 153
4.4.1.1 Theoretische Grundlagen 153
4.4.1.2 Trainingsmodul Zuverlässigkeitsschaltbilder 163
4.4.2 Fehlerbaumanalyse 180
4.4.3 Markov-Verfahren 181
4.4.4 Parts Count Method (Bauteilzählmethode) 188
4.4.5 Parts Stress Method (Bauteilbelastungsmethode) 193
4.5 Literatur 201
5 Stichprobenprüfungen 204
5.1 Grundlagen der Stichprobenprüfungen 204
5.1.1 Begriffe und Arten der Stichprobenprüfung 204
5.1.2 Begriffe und Aufgaben der Annahmestichprobenprüfung 205
5.1.3 Arten von Annahmestichprobensystemen 207
5.1.4 Grundlagen für die Anwendung von Annahmestichprobensystemen 209
5.1.4.1 Annahmestichprobenprüfung anhand qualitativer Merkmale 210
5.1.4.2 Annahmestichprobenprüfung anhand quantitativer Merkmale 212
5.1.5 Operationscharakteristik und Durchschlupfkennlinie 213
5.1.5.1 Operationscharakteristik und deren Eigenschaften 213
5.1.5.2 Durchschlupfkennlinien 214
5.2 Stichprobenprüfung anhand qualitativer Merkmale 215
5.2.1 Ablauf einer Einfachstichprobenprüfung anhand qualitativer Merkmale 217
5.2.2 Operationscharakteristik für Stichprobenanweisungen anhand qualitativer Merkmale 220
5.2.3 Stichprobenprüfung bei Exponentialverteilung 223
5.2.4 Stichprobenprüfung bei Weibull-Verteilung 228
5.3 Literatur 233
6 Lebensdauerhochrechnungen 234
6.1 Raffungstest – beschleunigtes Testen 234
6.2 Highly Accelerated Life Test – HALT 237
6.2.1 Kenngrößen 238
6.2.2 Durchführung 238
6.2.3 Vor- und Nachteile von HALT 247
6.3 Highly Accelerated Stress Screens – HASS 248
6.4 Literatur 250
7 Praxisanwendungen – Zuverlässigkeit automatisierter Montage- und Prüfsysteme 252
7.2 Qualitätsleistung von Produktionssystemen 256
7.3 Automatisierte Methoden der Fehlererkennung 259
7.3.1 Redundanzkonzepte 259
7.3.2 Selbsttests zur Fehlererkennung 260
7.3.3 Plausibilitätstests 261
7.4 Absicherungsalgorithmus zur Steigerung der Qualitätsleistung 266
7.5 Literatur 269
8 Anhang 272
8.1 Begriffe der Zuverlässigkeit 272
8.2 Wahrscheinlichkeitssummen geordneter Stichproben 275
8.3 Tabelle der standardisierten Normalverteilung 276
8.4 Quantile der Standardnormalverteilung 280
8.5 Quantile der c2-Verteilung 281
8.6 Quantile der t-Verteilung 283
8.7 Auszug aus der Tabelle der Binomialverteilung für n = 200 285
8.8 Auszug aus der Tabelle der Poisson-Verteilung 286
8.9 Kennbuchstaben für den Losumfang nach DIN ISO 3951 287
8.10 Kennbuchstabe für den Losumfang nach DIN ISO 2859 288
8.11 Einfach-Stichprobenpläne für die normale Prüfung nach DIN ISO 2859 289
8.12 Einfach-Stichprobenpläne für die verschärfte Prüfung nach DIN ISO 2859 290
8.13 Einfach-Stichprobenpläne für die reduzierte Prüfung nach DIN ISO 2859 291
8.14 Larson-Nomogramm 292
8.15 Thorndike-Nomogramm 293
8.16 Lebensdauernetz 294
8.17 Lambda-Netz 295
8.18 Wahrscheinlichkeitsnetz 296
8.19 Lognormalverteilungsnetz 297
8.20 Ermittlung des arithmetischen Mittelwertes a = 1/b! für 0,3 < b <
8.21 Literatur 298
Literatur 300
Index 306

Textauszug

2	Begriffe, Definitionen und statistische Grundlagen

In diesem Kapitel werden zunächst die wichtigsten Begriffe für die technische Zuverlässigkeit eingeführt. Daran schließen sich die Grundlagen der Wahrscheinlichkeitsrechnung an.

2.1	Technische Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit

Die technische Zuverlässigkeit eines Systems ist eine sehr wichtige Teileigenschaft der Qualität eines Produktes oder Erzeugnisses. Um die technische Zuverlässigkeit eines Produktes während des Kundeneinsatzes sicherstellen zu können, ist es erforderlich, während des gesamten Produktlebenszyklus geeignete Zuverlässigkeitsanalysemethoden anzuwenden [Lin 11].

Die Technische Zuverlässigkeit ist die Beschaffenheit einer Einheit bezüglich ihrer Eignung, während oder nach vorgegebenen Zeitspannen bei vorgegebenen Anwendungsbedingungen die Zuverlässigkeitsforderung zu erfüllen [Nor 90].

Diese Definition der technischen Zuverlässigkeit kann wie folgt zusammengefasst werden:

„Technische Zuverlässigkeit ist die komplexe Eigenschaft eines technischen Gebildes, die vorgesehene Funktion

• für eine bestimmte Betriebsdauer

• bei einem bereits vorhandenen Lebensalter

• bei festgelegten Betriebs- und Umweltbedingungen

• unter bestimmten inneren und äußeren Arbeitsbedingungen

• innerhalb festgelegter Beanspruchungsgrenzen

zu erfüllen“ [Kra 00].

Die Verfügbarkeit ist die Fähigkeit einer Einheit, zu einem gegebenen Zeitpunkt oder während eines gegebenen Zeitraums in einem Zustand zu sein, der eine geforderte Funktion bei gegebenen Bedingungen unter der Annahme erfüllt, dass die erforderlichen äußeren Hilfsmittel bereitgestellt sind [Nor 10]. Der Begriff Nutzungsgrad wird synonym verwendet.

Die Verfügbarkeit V(t) ist die Summe der Betriebszeiten bezogen auf die Summe von Betriebszeiten und Ausfallzeiten:

(2.1)

Die Zuverlässigkeitsforderung ist die Gesamtheit der betrachteten Einzelforderungen an die Beschaffenheit einer Einheit, die das Verhalten der Einheit während oder nach vorgegebenen Zeitspannen bei vorgegebenen Anwendungsbedingungen betreffen, und zwar in der betrachteten Konkretisierungsstufe der Einzelforderungen.

Anmerkung: Die Zuverlässigkeitsforderung ist Teil der Qualitätsforderung (DIN 55350 Teil 11) und durchläuft im Zuge der Zuverlässigkeitsplanung im Allgemeinen mehrere Konkretisierungsstufen. In verschiedenen Konkretisierungsstufen sind Anteile der festgelegten und der vorausgesetzten Einzelforderungen unterschiedlich [Nor 90].

Zuverlässigkeitskenngröße: Funktion der ermittelten Werte, die eine Eigenschaft der Häufigkeitsverteilung eines Zuverlässigkeitsmerkmals charakterisiert [Nor 90].

2.2

Ausfall

Die „Beendigung der Fähigkeit einer Einheit, eine geforderte Funktion zu erfüllen“ entspricht einem Ausfall [VDI 06, Nor 10]. Wenn eine zu Beanspruchungsbeginn als fehlerfrei erkannte Betrachtungseinheit mindestens ein Ausfallkriterium erfüllt, spricht man ebenso von einem Ausfall. Als Sekundärausfall (Folgeausfall) wird der Ausfall einer Betrachtungseinheit, der durch den Ausfall einer anderen Betrachtungseinheit verursacht wird, angesehen. Eine Einteilung der verschiedenen Ausfälle kann nach folgenden Aspekten erfolgen:

1. Aspekte des Beeinträchtigungsumfangs [Nor 90]:

   • Vollausfall/Gesamtausfall: Ausfall betrifft alle Funktionen einer Einheit gleichzeitig

   • Teilausfall: Ausfall betrifft nicht alle Funktionen einer Einheit gleichzeitig

2. Aspekte der Änderungsgeschwindigkeit [Nor 90]:

   • Sprungausfall: Ausfall aufgrund einer schnellen Änderung von Merkmalswerten

   • Driftausfall: Ausfall aufgrund einer langsamen Änderung von Merkmalswerten

3. Aspekte der Ausfallursache [Nor 90]:

   • Entwurfsbedingter Ausfall: Ausfall aufgrund von Entwurfsfehlern

   • Fertigungsbedingter Ausfall: Ausfall aufgrund von Fertigungsfehlern

   • Abnutzungsausfall: Ausfall aufgrund von Abnutzung

   • Intermittierender Ausfall: Ausfall aufgrund von Mechanismen, die zeitweilig zu reversiblen Änderungen von Merkmalswerten führen

4. Aspekte der Ausfallfolgen:

   • Kritischer Ausfall: System kann nach Ausfall nicht mehr für seinen vorgesehenen Zweck genutzt werden

   • Nicht kritischer Ausfall: System kann trotz Ausfall weiter seinen Nutzen erfüllen

Man spricht also vom Ausfall einer materiellen Einheit, wenn die Beendigung der Funktionsfähigkeit im Rahmen der zugelassenen Beanspruchung eintritt (Primärausfall). Ein Ausfall führt zum Versagen, sobald die Erfüllung der geforderten Funktion verlangt wird. Insbesondere bei Messgeräten gibt es neben einem Funktionsausfall noch ein weiteres Ausfallkriterium, was durch das Verlassen des zulässigen Toleranzbereiches definiert ist.

Neben dem schon erwähnten Primär- und Sekundärausfall unterscheidet die DIN 25424-1 noch eine dritte Ausfallart [Nor 81]:

• Primärer Ausfall: Ausfall einer Komponente unter zulässigen Bedingungen, z. B. Ausfall durch Materialschwäche

• Sekundärer Ausfall: Folgeausfall durch unzulässige Einsatzbedingungen oder Umgebungsbedingungen, z. B. Verschmutzung bei offenen Systemen

• Kommandierter Ausfall: Ausfall einer Komponente durch falsche/fehlende Anregung (Ansteuerung) oder durch Ausfall einer Hilfsquelle, die Komponenten selber sind dabei funktionsfähig

Da die notwendige Reparatur zur Beseitigung der Störung ein nicht geplanter Eingriff ist, kommt es hierbei nicht selten zu hohen Produktions- und Nutzungsausfällen sowie zu hohen Kosten [Kra 00].

Die Lebensdauer ist die Betriebsdauer einer nicht instand zu setzenden Einheit vom Anwendungsbeginn bis zum Zeitpunkt des Versagens [Nor 90].

Die Betriebsdauer ist die Summe der Intervalle der betrachteten Anwendungsdauer, in denen die geforderte Funktion erfüllt wird [Nor 90].

Die Anwendungsdauer ist die Zeitspanne des Einsatzes einer Einheit unter den vorgegebenen Anwendungsbedingungen [Nor 90].

Fällt ein Bauteil während seiner Betriebsdauer aus, so kann dies oftmals viele Ursachen haben (Tabelle 2.1).

Tabelle 2.1 Ausfallmechanismen und Ursachen [DGQ 94]

Ausfallmechanismen

Ausfallursachen

Beispiel

Alterung

Degradation, Strukturveränderung, ungeeigneter Werkstoff, Fremdstrahlung, aggressive Medien, ungeeignete Lagerung

Versprödung von Werkstoffen, Unwirksamwerden von Schmieröl, Geschmacksbeeinträchtigung bei Lebensmitteln

Dauerbruch (Sprödbruch bei dynamischer Beanspruchung)

falsche Dimensionierung, Resonanzen, Überbelastung, Unwucht, Kerbwirkung, Korrosion

Achsbruch, Bruch einer Schwingfeder, Flugzeugabsturz

Gewaltbruch

Überbelastung, Werkstofffehler, Versprödung in der Kälte

Rohrbruch, Zahnbruch bei Schaltgetrieben

Korrosion

ungeeigneter Korrosionsschutz, falsche Werkstoffpaarung, Fehler bei Montagen, Lagerung oder Transport

Durchrosten der Karosserie, Ausfall elektrischer Kontakte

Verschleiß

Schmierstoffmangel, unzureichende Kühlung, Schmutz

Kolbenfresser, Lager läuft heiß

Lösen

unzureichende Konstruktion, falsche Montage

Lösen von Schraub-, Niet-, Steck- oder Lötverbindungen

Zersetzen

falsche Lagerung, aggressive Medien oder unhygienische Verarbeitung von Lebensmitteln

Unbrauchbarwerden von Kunststoffen, Lebensmitteln oder Medikamenten

Entmischung

Trennreaktion durch falsche Lagerung

Austrocknen von Farben

Verformung

Temperaturschwankungen, Werkstofffehler oder Konstruktionsfehler

Verbiegen eines Mastes, Aufwölben eines Rohres, Schrumpfen von Textilien

Brand, Explosion

Isolationsfehler, Funkenflug, menschliches Versagen

Kabelbrand, offenes Feuer trotz Verbots

Biologische Schädigung

ungeeignete Lagerung

Verfaulen von...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 5.9.2016
• Verlagsort: München
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Wirtschaft ► Betriebswirtschaft / Management ► Unternehmensführung / Management
• Schlagworte: Prozessmanagement • Qualitätsmanagement • Qualitätssicherung • Statistik • Zuverlässigkeit
• ISBN-10: 3-446-45138-2 / 3446451382
• ISBN-13: 978-3-446-45138-4 / 9783446451384