DE102006059945B4 - Verfahren zur Bestimmung der Stoßbelastung beim Anschlagen eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag und Vorrichtung hierfür - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades eines mechanischen oder elektromechanischen Systems, insbesondere einer elektromechanischen Lenkung, durch Bestimmung der Stoßbelastung beim Anlaufen eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag, wobei 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 si für die Stoßbelastung berechnet wird.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades eines mechanischen oder elektromechanischen Systems, insbesondere einer elektromechanischen Lenkung, durch Bestimmung der Stoßbelastung beim Anschlagen eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag, sowie auf eine entsprechende Vorrichtung hierfür.
- 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.
- Aus der
DE 197 13 576 A1 ist eine Überlagerungslenkung bekannt, bei der der durch den Fahrer initiierten Lenkbewegung eine durch einen Stellantrieb initiierte Lenkbewegung überlagert wird. Aus Komfort- und Sicherheitsgründen wird vorgeschlagen, vor Erreichen eines Lenkanschlags die durch den Stellantrieb initiierte Bewegung wenigstens zu reduzieren. - Zur Früherkennung und Vorhersage von Aggregateschädigungen ist es aus der
DE 101 44 076 A1 bekannt, den Körperschall durch einen Sensor zu erfassen, als Beschleunigungssignal auszugeben und in einem digitalen Signalprozessor zu analysieren. Bei Überschreiten von Grenzwerten wird das Diagnosesignal dem Benutzer angezeigt und ein Notlaufbetrieb eingeleitet. - Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Schädigungsgrad von in Extremsituationen auftretenden Stoßbelastungen mit möglichst geringem Aufwand abzuschätzen.
- Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Unmittelbar vor dem Anlaufen gegen den Endanschlag wird 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.
- 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.
- Gemäß Patentanspruch 8 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 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 unmittelbar vor dem Anlaufen des bewegbaren Elements an den Endanschlag, 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 einen Endanschlag aufweisenden mechanischen oder elektromechanischen Systems, 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 si abgeschätzt. Die Schädigungswerte si für einzelne Stöße werden in einem kumulierten Schädigungswert sk aufsummiert, der den Schädigungsgrad des Systems repräsentiert. Bei einer Überschreitung eines Grenzwertes skgrenz kann ein Alarm ausgelöst werden, um eine Betriebsperson, hier den Fahrer zu warnen. Der kumulierten Schädigungswert sk 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 Endanschlag3 eines Lenkgetriebegehäuses4 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 Zahnstange5 , 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 si für die jeweilige Stoßbelastung wird daher unmittelbar vor dem Anlaufen eines Spurstangengelenks
2 gegen den Endanschlag4 eine Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße einer Komponente gemessen wird, deren Bewegung mit derjenigen des bewegbaren Elements, d. h. hier des Spurstangengelenks2 , korrespondiert. Prinzipiell könnte mittels geeigneter Sensoren die Relativverschiebung der Spurstangengelenke2 oder der Zahnstange5 zu dem Lenkgetriebegehäuse3 erfasst werden. Es ist auch möglich, beispielsweise die Stellung eines Lenkungsritzels über einen Sensor6 auszulesen, das mit der Spurstange5 kämmt und so zwangsläufig mit der Bewegung derselben bzw. der Spurstangengelenke2 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 si für die Stoßbelastung berechnet. In diesem Zusammenhang kann in einem weiteren Schritt8 geprüft werden, ob der Schädigungswert si einen Grenzwert sigrenz überschreitet. Ist dies der Fall, wird ein Warnsignal generiert und über eine Warneinrichtung9 zur Anzeige gebracht. - Weiterhin wird der Schädigungswert si an eine Summationseinrichtung
10 übermittelt und einem kumulierten Schädigungswert sk aufaddiert. Bei jeder Änderung des kumulierten Schädigungswerts sk kann in einem weiteren Schritt11 geprüft werden, ob ein diesbezüglich vorgegebener Grenzwert skgrenz überschritten wird. Ist dies der Fall, wird ein Warnsignal generiert und über eine Warneinrichtung9 zur Anzeige gebracht. - Der Schädigungswert si 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 si 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 si 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 si miteinzubeziehen.
- In dem kumulierten Schädigungswert sk können neben Stoßbelastungen auch weitere Beanspruchungen über weitere Schädigungswerte berücksichtigt werden.
- Die Annäherung der Spurstangengelenke
2 an die Endanschläge4 kann im Prinzip aus der Winkelstellung des Lenkungsritzels und damit über den Lenkwinkelsensor6 ermittelt werden. Ein solcher Sensor6 ist an einer elektromechanischen Lenkung1 wegen der Regelung der Lenkunterstützung über einen Elektromotor derselben in der Regel bereits vorhanden. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt als Alternative Positionssensoren13 , die eine Annäherung der Spurstangengelenke2 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.
- Bezugszeichenliste
-
- 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 (11)
- Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades eines mechanischen oder elektromechanischen Systems, insbesondere einer elektromechanischen Lenkung, durch Bestimmung der Stoßbelastung beim Anlaufen eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag, wobei 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 si für die Stoßbelastung berechnet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schädigungswert si ein Grenzwert sigrenz vorgegeben ist und bei einer Grenzwertüberschreitung ein Warnsignal generiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über den Betriebsverlauf die Schädigungswerte si der einzelnen Stoßbelastungen auf einen kumulierten Schädigungswert sk aufsummiert werden.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den kumulierten Schädigungswert sk ein Grenzwert skgrenz 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 si das Verzögerungsmaximum ermittelt wird.
- Vorrichtung zur Bestimmung des Schädigungsgrads eines mechanischen oder elektromechanischen Systems, insbesondere einer elektromechanischen Lenkung, durch Bestimmung der Stoßbelastung beim Anlaufen eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag (
4 ), umfassend: – Mittel (6 ,13 ) zur Erfassung der Annäherung eines bewegbaren Elements an einen Endanschlag (4 ), – Mittel (13 ) zur Messung einer Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße des bewegbaren Elements oder einer mit dessen Bewegung korrespondierenden Systemkomponente unmittelbar vor dem Anlaufen des bewegbaren Elements an den Endanschlag (4 ), – eine Recheneinrichtung (7 ), die mittels eines vorgegebenen Algorithmus aus der Weg- und/oder Geschwindigkeitsgröße einen Schädigungswert si für die Stoßbelastung ermittelt. - Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schädigungswert si unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit vor Erreichen des Endanschlags (
4 ) ermittelt wird. - Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schädigungswert si 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 si auf einen kumulierten Schädigungswert sk aufsummiert.
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