DC-Getriebemotoren: Systematischer Ansatz, um ihre Zuverlässigkeit zu testen

Von industriellen Elektrowerkzeugen über OP-Roboter bis hin zu Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich ist eine Bewegungslösung, die eine hohe Kraftdichte in einem kleinen Paket bietet, eine gängige Anforderung. DC-Getriebemotoren einzubauen, bedeutet jedoch, dass die Zuverlässigkeit gewährleistet werden muss. Wenn die Betriebsdauer die zulässige Testdauer übersteigt, kann ein systematischer Ansatz für Zuverlässigkeitstests (Reliability Demonstration Testing, RDT) Erstausrüstern zu 95 Prozent die Gewissheit geben, dass die Getriebemotoren ihre erforderliche Laufzeit erfüllen oder übertreffen. Utpal Rabha, leitender Ingenieur bei Portescap, erklärt das RDT-Verfahren.

DC-Getriebemotoren sind so konzipiert, dass sie die Drehmomentanforderungen bestimmter Aufgaben erfüllen und gleichzeitig kompakte Maße gewährleisten. Das Gerät besteht aus einem bürstenbehafteten oder bürstenlosen DC-Motor und einem Getriebe, das die Anforderungen an Drehmoment, Drehzahl und Effizienz optimiert. Somit kann ein Getriebemotor die Abtriebsdrehzahl reduzieren und gleichzeitig das Drehmoment auf das erforderliche Niveau erhöhen, und das bei einem kompakteren Durchmesser als bei der Verwendung eines einzelnen Motors mit höherer Leistung.

Mit dem zusätzlichen Getriebemechanismus ist es zwingend erforderlich, dass die Konstruktion des Getriebemotors für die Dauer der erforderlichen Nutzung hinreichend zuverlässig ist. Um die Belastbarkeit unter realen Bedingungen zu gewährleisten, braucht es einen Zuverlässigkeitsnachweis (Reliability Demonstration Testing, RDT).

RDT-Stufen

Die erste Aufgabe in der Planungsphase besteht darin, das Zuverlässigkeitsziel festzulegen, das für die Festlegung der RDT-Parameter erforderlich ist. Zu den typischen Eigenschaften von DC-Getriebemotoren, die einer RDT-Prüfung unterzogen werden, gehören Spannung, Strom, Drehzahl, Temperatur, Geräusche und physikalische Integrität. Dann lassen sich die Testmodelle auswählen, um den Stichprobenumfang sowie die erforderliche Testzeit zu berechnen. Die Präferenz hängt davon ab, ob die Testdauer von der zu erwartenden Standzeit abweicht. Sie wird für ein Gerät benötigt, das langfristig arbeitet, verglichen mit einem Gerät, das vielleicht nur einen einmaligen Betrieb erfordert. Außerdem gilt es, einen akzeptierten Toleranzwert für den Test festzulegen.

Idealerweise sollte der Test unter realen Anwendungsbedingungen stattfinden und für die gesamte Dauer der vorgesehenen Betriebszeit fortgesetzt werden. Wenn die Anforderungen an die Markteinführung dies jedoch nicht zulassen, zum Beispiel bei DC-Getriebemotoren mit langer Lebensdauer, die zehn Jahre lang betrieben werden können, kommt auch ein beschleunigtes Testverfahren infrage. In diesem Fall würde man den B10-Wert berechnen, das heißt, den Zeitpunkt, zu dem Geräte eine Überlebenswahrscheinlichkeit von 90 Prozent oder mehr haben.

Während des vordefinierten Zeitraums des Tests erfolgen in regelmäßigen, festgelegten Abständen Beobachtungen, anhand derer eine Datenanalyse stattfinden kann. Das typische Ziel sind null Fehler bei Abschluss des Tests. Werden vor Erreichen dieser Zeit Fehler festgestellt, wird die erforderliche Testzeit neu berechnet. Wenn eine geringe Anzahl von Proben während des Tests ausfällt, lassen sih die Ausfalldaten mit der Weibull-Methode analysieren. Diese Lebensdatenanalyse ermittelt die Trends einer relativ kleinen Datenstichprobe, um die erreichte Zuverlässigkeit zu berechnen.

Prüfungen von DC-Getriebemotoren in der Praxis

Als Beispiel für eine RDT-Prüfung hat Portescap einen DC-Getriebemotor für ein Infusionssystem entwickelt, das von einem Hersteller medizinischer Geräte stammt. Um die Zuverlässigkeit zu überprüfen, waren laut Testspezifikation eine Betriebsdauer von 10’000 Stunden und eine Zuverlässigkeit von 95 Prozent vorgegeben. Dies erforderte eine B10-Lebensdauerberechnung mit RDT, die unter einem beschleunigten Modell stattfand.

Da die Lebensdauer eines Getriebemotors in erster Linie von der angewandten Last und den Anwendungsbedingungen abhängt, wählte das technische Team Drehmoment und Drehzahl als Belastungsfaktoren für die Beschleunigung der Testzeit. Zur Berechnung des Beschleunigungsfaktors kommt das umgekehrte Leistungsgesetz zum Tragen, das üblicherweise der Prüfung nicht thermisch beschleunigter Spannungen dient.

Drehmoment und Drehzahl als Belastungsfaktoren bei DC-Getriebemotoren

Da der vorgegebene Drehmomentbedarf für die eigentliche Anwendung bei 10 mNm lag, hat man für die Beschleunigungsfaktorberechnung das Drehmoment für die beschleunigte Beanspruchung auf 25 mNm bei einer konstanten Drehzahl von 200 U/min eingestellt. Dann wurde die Testdauer mithilfe einer parametrischen binomischen Methode eingestellt, die bevorzugt wird, wenn die tatsächliche Lebensdauer des Geräts die zulässige Testdauer überschreitet. Daraus ergab sich eine Testzeit von 1’081 Stunden, wobei Fehlerfälle keine Berücksichtigung fanden. Anhand der Weibull-Berechnungen hat man eine Stichprobengröße von zehn Getriebemotoren festgelegt.

Zur Durchführung der RDT-Prüfung wurde das erforderliche Drehmoment an die DC-Getriebemotoren angelegt, das durch eine Hysteresebremse gehalten wurde und als Drehmomentbegrenzer fungierte. Die Aufzeichnung der Leistungsdaten erfolgte täglich, einschließlich Spannung, Strom, Drehzahl und Temperatur. Am Ende von 1’081 Stunden schlossen alle Getriebemotoren den Test ohne Ausfälle oder Anomalien ab. Die erforderliche B10-Lebensdauer von 10’000 Stunden ließ sich zudem mit einem Konfidenzniveau von 95 Prozent oder mehr validieren.

Systematischer Ansatz bestätigt Zuverlässigkeit

Ein systematischer RDT-Ansatz schafft erhebliches Vertrauen in die Lebensdauer von DC-Getriebemotoren. Sogar wenn die Prüfung der tatsächlichen Lebensdauer keine praktikable Möglichkeit darstellt, sorgt ein stabiles RDT-Verfahren für eine hohe Zuverlässigkeit bei beschleunigten Lebensdauerprüfungen.

Die Techniker von Portescap arbeiten mit Erstausrüsterteams zusammen, um RDT-Prüfungen zu entwickeln und umzusetzen, wann immer ein Projekt dies erfordert. Systematische RDT-Prüfungen schaffen nicht nur Vertrauen, sondern liefern auch die tatsächliche Zuverlässigkeit für die Praxis.

Bild oben: Bei chirurgischen Roboteranwendungen ist eine Bewegungslösung, die eine hohe Kraftdichte in einem kleinen Paket bietet, eine gängige Anforderung. Bildquelle: Monopoly919/stock.adobe.com

Weitere Informationen: https://www.portescap.com/

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