DE102006059945A1

DE102006059945A1 - Verfahren zur Bestimmung der Stoßbelastung beim Anschlagen eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag und Vorrichtung hierfür

Info

Publication number: DE102006059945A1
Application number: DE200610059945
Authority: DE
Inventors: Carsten Anklam; Oliver Schmidt; Thomas Schneider; Holger Dr.-Ing. Manz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: DE102006059945B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Stoßbelastung beim Anlaufen eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag wird unmittelbar vor dem Anlaufen gegen den Endanschlag (4) eine Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße (phi, dphi/dt) des bewegbaren Elements oder einer Komponente gemessen, deren Bewegung mit derjenigen des bewegbaren Elements korrespondiert, und mittels eines vorgegebenen Algorithmus aus der Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße ein Schädigungswert s<SUB>i</SUB> für die Stoßbelastung berechnet. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Bestimmung des Schädigungsgrads eines mechanischen oder elektromechanischen Systems mit Endanschlag, insbesondere einer elektromechanischen Lenkung, angegeben, die umfasst: Mittel (6, 13) zur Erfassung der Annäherung eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag, Mittel (13) zur Messung einer Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße des bewegbaren Elements oder einer mit dessen Bewegung korrespondierenden Systemkomponente und eine Recheneinrichtung (7), die mittels eines vorgegebenen Algorithmus aus der Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße einen Schädigungswert s<SUB>i</SUB> für die Stoßbelastung ermitteln.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Stoßbelastung beim Anschlagen eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Schädigungsgrads eines mechanischen oder elektromechanischen Systems mit Endanschlag, insbesondere einer elektromechanischen Lenkung.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, mechanische und elektromechanische Systeme während des Betriebs im Hinblick auf eventuelle Beschädigungen zu überwachen. In der DE 10 2004 017 660 A1 wird in diesem Zusammenhang vorgeschlagen, anhand systemspezifischer Belastungsgrößen einen zeitlich gewichteten Kennwert zu bestimmen, der zu einem aus Voruntersuchungen und/oder Erfahrungswerten ermittelten Grenzwert in Beziehung gesetzt wird.
In elektromechanischen Fahrzeuglenkungen können in Extremsituationen wie beispielsweise bei einem schnellen Lenken in die Endanschläge oder bei deaktivierten elektrischen Anschlägen hohe mechanische Belastungen auftreten, die aus den trägen Massen der Systemkomponenten der Lenkung resultieren. Diese Belastungen führen nicht unmittelbar zu einem Ausfall der Lenkung, verringern jedoch tendenziell deren Lebensdauer. Die Kenntnis dieser Belastungen erlaubt es, rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen, um ein Versagen der Lenkung zu vermeiden. Allerdings ist die Messung der mechanischen Spannung an den Systemkomponenten einer Lenkung ausgesprochen schwierig und angesichts des damit verbundenen Aufwands in der Serienfertigung nicht praktikabel.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Schädigungspotenzial von in Extremsituationen auftretenden Stoßbelastungen mit möglichst geringem Aufwand abzuschätzen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass unmittelbar vor dem Anschlagen gegen den Endanschlag eine Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße des bewegbaren Elements oder einer Komponente gemessen wird, deren Bewegung mit derjenigen des bewegbaren Elements korrespondiert, und mittels eines vorgegebenen Algorithmus aus der Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße ein Schädigungswert für die Stoßbelastung berechnet wird.
Aus der bzw. den Weg- und/oder Geschwindigkeitsgrößen des bewegbaren Elements kann gewissermaßen der Energieinhalt des auftretenden Stoßes bestimmt und aus diesem ein Schädigungsbeitrag in Form eines Schädigungswerts ermittelt werden. Der hierfür erforderliche Aufwand ist sowohl im Hinblick auf die erforderliche Sensorik als auch auf die Auswertung der Messsignale sehr gering.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Schädigungswerte der einzelnen Stoßbelastungen auf einen kumulierten Schädigungswert aufsummiert, in den gegebenenfalls weitere Schädigungswerte aus anderen Belastungssituationen miteinbezogen werden können.
Sowohl für den einzelnen Schädigungswert als auch für den kumulierten Schädigungswert können Grenzwerte vorgegeben werden. Bei einer Überschreitung eines Grenzwerts kann automatisch ein Warnsignal generiert wird, das einen visuellen oder akustischen Alarm auslöst.
Vorzugsweise erfolgt eine Auswertung lediglich dann, wenn ein Anschlagen des bewegbaren Elements an einen Endanschlag zu erwarten steht. Hierzu kann die Annäherung an den Endanschlag mittels eines Positionssensors erfasst werden.
Bei einer Fahrzeuglenkung repräsentiert die Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße die Lenkwinkelgeschwindigkeit. Durch die Verwendung einer unmittelbar von dem Energieinhalt eines Stoßes abhängigen Größe wird im Vergleich zu indirekten Größen wie beispielsweise einem Sollkraftsignal der Lenkunterstützungsregelung ein besonders aussagekräftiges Resultat erzielt.
Der Schädigungswert kann beispielsweise unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit vor Erreichen des Endanschlags ermittelt werden, da aus dieser Geschwindigkeit unmittelbar vor dem Anschlagen an dem Endanschlag die in dem System daraufhin auftretenden Verzögerungen sehr gut abgeschätzt werden können. In einer Recheneinrichtung wird hierzu ein das System abbildender Algorithmus abgelegt.
Der Schädigungswert kann weiterhin unter Berücksichtigung der maximalen Verzögerung innerhalb eines das Anschlagen einschließenden Zeitintervalls ermittelt wird. Hierzu kann die Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße über dieses Zeitintervall gemessen und deren zeitliche Ableitung gebildet werden, wobei für die Berechnung des Schädigungswerts das Verzögerungsmaximum ermittelt wird. Vorzugsweise wird ein entsprechender Algorithmus in einer Recheneinrichtung vorgehalten.
Weiterhin ist es möglich, die vorstehend genannten Konzepte zur Berechnung des Schädigungswerts für einen Stoß miteinander zu kombinieren.
Da die genannten Algorithmen sehr wenig CPU-Ressourcen benötigen, können diese beispielsweise unmittelbar in ein Steuergerät einer elektromechanischen Lenkung implementiert werden.
Die oben genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Schädigungsgrads eines mechanischen oder elektromechanischen Systems mit Endanschlag, insbesondere einer elektromechanischen Lenkung. Diese umfasst Mittel zur Erfassung der Annäherung eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag, Mittel zur Messung einer Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße des bewegbaren Elements oder einer mit dessen Bewegung korrespondierenden Systemkomponente, sowie eine Recheneinrichtung, die mittels eines vorgegebenen Algorithmus aus der Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße einen Schädigungswert für die Stoßbelastung ermittelt.
Zudem kann eine Summationseinrichtung vorgesehen sein, welche im Betriebsverlauf ermittelte Schädigungswerte aufsummiert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur Bestimmung des Schädigungsgrads eines mechanischen oder elektromechanischen Systems, das hier beispielhaft als elektromechanische Lenkung dargestellt ist.
Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung des Schädigungsgrads eines mechanischen oder elektromechanischen Systems mit Endanschlag, das im Hinblick auf eine hohe Betriebssicherheit überwacht wird. Dieses System ist hier beispielhaft eine elektromechanische Lenkung 1. Die anhand derselben nachfolgend erläuterten Prinzipien lassen sich jedoch auch auf andere mechanische und elektromechanische Systeme übertragen, bei denen eine Stoßbelastung beim Anlaufen bzw. Anschlagen eines bewegbaren Elements gegen einen Endanschlag auftritt, welche das Gesamtsystem schädigen kann.
Erfindungsgemäß werden hierzu nicht die an den Systemkomponenten auftretenden mechanischen Spannungen gemessen, sondern aus den Stoßparametern eines Stoßes ein Schädigungswert s_i abgeschätzt. Die Schädigungswerte s_i für einzelne Stöße werden in einem kumulierten Schädigungswert s_k aufsummiert, der den Schädigungsgrad des Systems repräsentiert. Bei einer Überschreitung eines Grenzwertes s_kgrenz kann ein Alarm ausgelöst werden, um eine Betriebsperson, hier den Fahrer zu warnen. Der kumulierten Schädigungswert s_k kann insbesondere auch bei Inspektionen ausgelesen werden, so dass rechtzeitig Gegenmaßnahmen gegen ein Versagen der Lenkung ergriffen werden können.
An einer Fahrzeuglenkung ist eine Stoßbelastung, die beim Anlaufen eines Spurstangengelenks 2 an einen Endanschlag 3 eines Lenkgetriebegehäuses 4 durch das plötzliche Abstoppen der Bewegung an den Systemkomponenten der Lenkung auftritt, aufgrund der Massenträgheiten derselben berechenbar, wenn die Lenkwinkelgeschwindigkeit bzw. die Verfahrgeschwindigkeit der Systemkomponenten, insbesondere der Zahnstange 5, bekannt sind. Die aus dem Energieeintrag des Stoßes resultierende Schädigung der Lenkung ist zuvor beispielsweise aus Versuchen und/oder aus Erfahrungswerten ermittelt und in einen Algorithmus abgebildet worden.
Zur Bestimmung des Schädigungswerts s_i für die jeweilige Stoßbelastung wird daher unmittelbar vor dem Anlaufen eines Spurstangengelenks 2 gegen den Endanschlag 4 eine Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße einer Komponente gemessen wird, deren Bewegung mit derjenigen des bewegbaren Elements, d. h. hier des Spurstangengelenks 2, korrespondiert. Prinzipiell könnte mittels geeigneter Sensoren die Relativverschiebung der Spurstangengelenke 2 oder der Zahnstange 5 zu dem Lenkgetriebegehäuse 3 erfasst werden. Es ist auch möglich, beispielsweise die Stellung eines Lenkungsritzels über einen Sensor 6 auszulesen, das mit der Spurstange 5 kämmt und so zwangsläufig mit der Bewegung derselben bzw. der Spurstangengelenke 2 verknüpft ist.
Mittels eines vorgegebenen Algorithmus, der in einer Recheneinrichtung 7 abgelegt ist, wird aus der Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße φ bzw. dφ/dt der Schädigungswert s_i für die Stoßbelastung berechnet. In diesem Zusammenhang kann in einem weiteren Schritt 8 geprüft werden, ob der Schädigungswert s_i einen Grenzwert s_igrenz überschreitet. Ist dies der Fall, wird ein Warnsignal generiert und über eine Warneinrichtung 9 zur Anzeige gebracht.
Weiterhin wird der Schädigungswert s_i an eine Summationseinrichtung 10 übermittelt und einem kumulierten Schädigungswert s_k aufaddiert. Bei jeder Änderung des kumulierten Schädigungswerts s_k kann in einem weiteren Schritt 11 geprüft werden, ob ein diesbezüglich vorgegebener Grenzwert s_kgrenz überschritten wird. Ist dies der Fall, wird ein Warnsignal generiert und über eine Warneinrichtung 9 zur Anzeige gebracht.
Der Schädigungswert s_i kann beispielsweise unmittelbar aus der Lenkwinkelgeschwindigkeit vor Erreichen des Endanschlags ermittelt werden, da sich aus dieser Geschwindigkeit der zu erwartende Stoß abschätzen lässt.
Es ist jedoch auch möglich, den Schädigungswert s_i unter Berücksichtigung der maximalen Verzögerung innerhalb eines das Anschlagen einschließenden Zeitintervalls zu ermitteln. In diesem Fall geht das tatsächlich gemessene Verzögerungsmaximum in die Berechnung des Schädigungswerts s_i mit ein.
Entsprechende Algorithmen benötigen lediglich geringe CPU-Ressourcen und lassen sich daher in ein Steuergerät 12 einer elektromechanischen Lenkung integrieren.
Es ist zudem möglich, sowohl die Lenkwinkelgeschwindigkeit dφ/dt als auch deren erste zeitliche Ableitung, d. h. eine Beschleunigungsgröße die in die Berechnung des Schädigungswerts s_i miteinzubeziehen.
In dem kumulierten Schädigungswert s_k können neben Stoßbelastungen auch weitere Beanspruchungen über weitere Schädigungswerte berücksichtigt werden.
Die Annäherung der Spurstangengelenke 2 an die Endanschläge 4 kann im Prinzip aus der Winkelstellung des Lenkungsritzels und damit über den Lenkwinkelsensor 6 ermittelt werden. Ein solcher Sensor 6 ist an einer elektromechanischen Lenkung 1 wegen der Regelung der Lenkunterstützung über einen Elektromotor derselben in der Regel bereits vorhanden. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt als Alternative Positionssensoren 13, die eine Annäherung der Spurstangengelenke 2 oder entsprechender anschlagrelevanter Spurstangenabschnitte unmittelbar erfassen.
Über die Positionserfassung kann die Berechnung von Schädigungswerten auf die tatsächlich auftretenden Extremensituationen beschränkt werden, so dass der Rechenaufwand und die dementsprechend vorzuhaltenden CPU-Ressourcen sehr gering gehalten werden können.

1: elektromechanische Lenkung
2: Spurstangengelenk
3: Lenkgetriebegehäuse
4: Endanschlag
5: Zahnstange
6: Lenkwinkelsensor
7: Recheneinrichtung
8: Vergleicher
9: Warneinrichtung
10: Summationseinrichtung
11: Vergleicher
12: Steuergerät
13: Positionssensor

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Stoßbelastung beim Anlaufen eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor dem Anlaufen gegen den Endanschlag (4) eine Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße (φ, dφ/dt) des bewegbaren Elements oder einer Komponente gemessen wird, deren Bewegung mit derjenigen des bewegbaren Elements korrespondiert, und mittels eines vorgegebenen Algorithmus aus der Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße ein Schädigungswert s_i für die Stoßbelastung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schädigungswert s_i ein Grenzwert S_igrenz vorgegeben ist und bei einer Grenzwertüberschreitung ein Warnsignal generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über den Betriebsverlauf die Schädigungswerte s_i der einzelnen Stoßbelastungen auf einen kumulierten Schädigungswert s_k aufsummiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den kumulierten Schädigungswert s_k ein Grenzwert s_kgrenz vorgegeben ist und bei einer Grenzwertüberschreitung ein Warnsignal generiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Annäherung an den Endanschlag (4) mittels eines Positionssensors (13) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße die Lenkwinkelgeschwindigkeit einer Kraftfahrzeuglenkung repräsentiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße bis zum Anschlagen gemessen und deren zeitliche Ableitung gebildet wird, wobei für die Berechnung des Schädigungswert s_i das Verzögerungsmaximum ermittelt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung des Schädigungsgrads eines mechanischen oder elektromechanischen Systems mit Endanschlag (4), insbesondere einer elektromechanischen Lenkung, umfassend: Mittel (6, 13) zur Erfassung der Annäherung eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag, Mittel (13) zur Messung einer Weg und/oder Geschwindigkeitsgröße des bewegbaren Elements oder einer mit dessen Bewegung korrespondierenden Systemkomponente, und eine Recheneinrichtung (7), die mittels eines vorgegebenen Algorithmus aus der Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße einen Schädigungswert s_i für die Stoßbelastung ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schädigungswert s_i unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit vor Erreichen des Endanschlags (4) ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schädigungswert s_i unter Berücksichtigung der maximalen Verzögerung innerhalb eines das Anschlagen einschließenden Zeitintervalls ermittelt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Summationseinrichtung (10) vorgesehen ist, welche im Betriebsverlauf ermittelte Schädigungswerte s_i auf einen kumulierten Schädigungswert s_k aufsummiert.