Zuverlässigkeitssicherung und Lebensdauer von elektrischen ...

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Zuverlässigkeitssicherung und Lebensdauer von elektrischen ...

MTBF (Mean time between failure)-, MTTF (Meantime to failure)-, FIT (Failure in Time)-Fehlerratenund -Lebensdauern sind Zuverlässigkeitsparameter,die zunehmend auch für Steckverbinder eingefordertwerden.Steckverbinderhersteller taten sich in der Vergangenheitschwer, zu Neuentwicklungen sichereZuverlässigkeitsaussagen zu treffen, weilzum einen die Felderfahrung für innovative neueProduktideen nicht vorhanden sein kann und zumanderen die Diversität von Einsatz- und Anwendungsmöglichkeitensowie die Lebensdauer derProdukte im Allgemeinen sehr hoch sind.Zur Lösung dieses Kernproblems hat harting einVerfahren zur Bestimmung der konstruktionsbedingtenausfallfreien Zeit entwickelt. Die Zeit,die die natürliche Lebens- bzw. Nutzungsdauereines Steckverbinderkontaktes vom Zeitbereichder Verschleißausfälle abgrenzt. Es nutzt aus, dass dieLebensdauer dem Arrheniusgesetz folgt und baut auf derExtrapolation von Labormesswerten auf. Diese Aussagezur Zuverlässigkeit einer Konstruktion ergänzt sehrsinnvoll und insbesondere den empirisch, rechnerischermittelten MTTF-Wert.In einem zweiten Schritt wird ein Verfahren zur Bestimmungder mittleren Lebensdauer (MTTF) von Steckverbindernauf der Grundlage physikalischer Ausfallmechanismenvorgestellt.Einfluss von Qualität und Entwicklungauf die ZuverlässigkeitDie nach dem schwedischen Ingenieur und MathematikerWaloddi Weibull benannte Verteilung zur Materialermüdungund dem Ausfall von elektronischen Bauteilengliedert sich in die Bereiche I der Frühausfälle, II dernatürlichen Lebensdauer und III der Verschleißausfälle.Ein hoher Grad von Frühausfällen weist immer auf einenschwierigen oder nicht ausgereiften Fertigungsprozesshin.Abb. 1: Das Ende der natürlichen Lebens-, bzw. Nutzungsdauer wird in derEntwicklung und Konstruktion des Produktes festgelegt.Quelle der Ausfallrate „Badewannenkurve“: Taschenbuch der Zuverlässigkeitund Sicherheitstechnik, Hanser Verlag.Die Ausfallrate λ =1MTTF im Zeitbereich der natürlichenLebens- bzw. Nutzungsdauer wird außer bei konstruktivenMängeln maßgeblich durch die Güte und Fähigkeitdes Fertigungsprozesses bestimmt. Bei gegenwärtigen,hochautomatisierten Herstellungsprozessen tendiert dieAusfallrate h(t) = λ bei Prozessfähigkeiten für und Produktenohne gravierende konstruktive Schwachpunktegegen Null h(t) = λ ➝ 0.Verschleißausfälle beenden den natürlichen Bereichder Lebensdauer. Der Beginn dieses Zeitbereichs wirdin der Entwicklung und während der Konstruktion desProduktes festgelegt.Relaxation des Kontaktdrucksals physikalischer GrenzwertEine sichere Kontaktgabe eines Steckverbinderkontakteswird gewährleistet, wenn der Druck σ = F NA imKontaktpunkt den konstruktiven Mindestwert nicht unterschreitet,so dass Fremdschichten unter Trockenreibbedingungensicher durchbrochen werden.70HARTING tec.News 14 (2006)


DieEdelmetallbeschichtungund Geometriedes Kontaktsystemswerden in ersterNäherung als festeGrößen angenommen,so dass die zeitabhängigeVariable auf denKontaktdruck die Normalkraftdarstellt. DieZuverlässigkeit wirdsomit von der Relaxationdes Federkontaktesüber die Zeitbestimmt.Bestimmung derLebensdauer über das Arrhenius-diagrammEs gilt, die Frage zu beantworten, nach welcher Zeit undKontakttemperatur die Normalkraft des Federkontaktesnoch oberhalb des Mindestwertes liegt.Die nach dem schwedischen Wissenschaftler und NobelpreisträgerSvante Arrhenius benannte Funktionbeschreibt Diffusionseigenschaften und lässt sich somitideal auf Relaxationsprozesse anwenden.Abb. 2: Simulation zur Berechnung des Mindestkontaktdruckes in derEntwicklungsphaseIn der Laboruntersuchungwerden diePrüflinge bei verschiedenenTemperaturengelagert unddie Normalkraft derFederkontakte überdie Lagerzeit gemessen.Für die mechanischeSpannung gilt allgemeinσ S≈ In(t), sodass die logarithmierteDarstellungder gemessenen FederkräfteGeraden ergeben.Aus dem Schnittpunkt der extrapolierten Geradenmit der Mindestnormalkraft kann der Zeitbereich für diezuverlässige Funktion des Kontaktes abgelesen werden.Die zuvor ermittelten Zeitwerte für den Zuverlässigkeitsbereichwerden reziprok gegen den Logarithmus der Zeitin das Arrheniusdiagramm eingetragen.Hieraus lässt sich jetzt die Zuverlässigkeit der Konstruktionin Jahren für die Kontakttemperaturen während desEinsatzes ablesen.Abb. 3: Normal- bzw. Federkraft als Funktion der Zeit bei denAuslagerungstemperaturen T= 70 °C, 85 °C, 105 °C und 125 °CAbb. 4: Extrapolation der Relaxationsmessungen zurBestimmung des Zuverlässigkeitsbereiches71


Reziproker Wert der Temperatur [1/Kelvin]Beispielsweise ist der Kontakt bei einer kontinuierlichenTemperaturbelastung im Betrieb von T K= 110 °C nochnach t O= 100 Jahre arbeitsfähig (t O= die konstruktionsbedingteausfallfreie Zeit).Die Kontakttemperatur T Kergibt sich aus Strombelastungund Umgebungstemperatur in der Applikation. Sie lässtsich mit diesen Eingaben aus dem Diagramm zur Stromtragfähigkeitentnehmen.Absicherung des Modells und Bestätigungdes MindestkontaktdruckesZur Bestätigung der konstruktiv bestimmten Mindestnormalkraftwurden an einem zweiten Los Prüflingevor der Belastung mit trockenerWärme 200 Steckzyklendurchgeführt.Im Anschluss an die Relaxationsprüfung,alsoim vorgealterten Zustand,wurden die Prüflingemit 21 Tage Mischgastestnach IEC 60068-2-60, VibrationsbelastungundKlimafolge belastet. DieArrhenius-Diagramm für 16 A KontaktEinsatzprofilJahreAbb. 5: Arrhenius-Diagramm aus den experimentell bestimmten ZuverlässigkeitswertenVirtuellesZerlegenDatenanalyse,PrognostikAnalyse, RisikokomponentenPrüfgrößen waren der Durchgangswiderstandund die Stromtragfähigkeit.Die Stromtragfähigkeit vermindert sichgegenüber dem Anfangswert vor derWärmelagerung um 5 %, dieses begründetsich durch den infolge der Relaxationetwas erhöhten Engewiderstand.Die ausgewählten Belastungen undMessungen an den Prüflingen nachAlterung bestätigen somit den Mindestkontaktdruckund auch unser Modellzur Bestimmung der Lebensdauer bzw.ausfallsfreien Zeit.Bestimmung der mittlerenLebensdauer auf derGrundlage physikalischerAusfall-mechanismenWährend wir die Belastungsprüfungen trockene Wärme,Steckzyklen, Mehrkomponentenindustriegastest,Klimafolge, Schock und Vibration durchführten, wurdendie physikalischen Ausfallmechanismen Relaxation,Abrieb und Korrosion als Grundlage des Modells vorausgesetzt.Temperatur [°C]Auf dieser Basis lassen sich bei einer ausreichend großenStichprobe und unter Kenntnis der Beschleunigungsfaktorenauch die MTTF-Werte im Prüflabor bestimmen. DieStichprobe muss groß genug gewählt sein (mindestens500 Kontakte), weil die Belastungszeit und -obergrenzenicht beliebig erweitert werden kann, ohne dass manHochlaufabsicherungPrüfstrategieBeobachtung1 2 3 4 5 6 7 8Abb. 6: Ablauf zum Zuverlässigkeitsmanagement nach VDI 4003 (Entwurf)Prävention72HARTING tec.News 14 (2006)


Ergebnisse aus dem Verschleiß- anstelle des Nutzungsbereicheserzielt.Der Korrosionsbelastung durch Mixed Flowing Gases(MFG) lassen sich wissenschaftlich bestätigte Beschleunigungsfaktorenzuordnen, die in den 80er Jahren vonW. H. Abbott am Battelle Institute und in den 90ern vomSwedish Corrosion Institute erarbeitet wurden.Beide Forschungen bestätigen den Beschleunigungsfaktorin erster Näherung, dass ein Tag unter MFG-Belastungeinem Jahr in realer Anwendung unter Outdoor-Bedingungen entspricht.Für die anderen Belastungen wurden im Automobilbereichbereits Beschleunigungsfaktoren ermittelt, aber sielassen sich auch mit Hilfe der Arrheniusfunktion ausexperimentellen Daten errechnen.Nach Einbindung der Beschleunigungsfaktoren bestimmtsich die Ausfallrate für den 16 A-Kontakt unter strengenIndustriegasbedingungen und im Außenbereich vomZugwagen auf λ Applikation= 0,4 FIT und der MTTF-Wert aufMTTF = 2375 * 10 6 h für den Zeitbereich der natürlichenLebens- und Nutzungsdauer mit einem Vertrauensbereichvon 90 %. Der Vertrauensbereich ergibt sich ausder Anwendung der χ 2 -Funktion.Bausteine im Zuverlässigkeitsmanagementharting hat für Merkmale wie Kontaktdruck, Stromtragfähigkeitund Relaxation auch prognosesichere Simulationsmodelleentwickelt (siehe tec.News 13). Auf derGrundlage des Arrheniusmodells kann somit die Zuverlässigkeitbereits in der Entwicklungsphase sichergestelltund in das Produkt eindesignt werden.Diese beiden wichtigen Bausteine zur Zuverlässigkeitsabsicherungim Prüfwesen und in der Simulationsphasesind eng miteinander verwoben und fügen sich nahtlosin das Zuverlässigkeitsmanagement (VDI 4003 – Entwurf)ein.Dr. Georg StaperfeldSenior ManagerCorporate Technology ServicesHarting KGaAgeorg.staperfeld@harting.com73

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