DE102008038890B4

DE102008038890B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Belastungszählung in einem elektromechanischen Lenksystem

Info

Publication number: DE102008038890B4
Application number: DE102008038890.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hopp Christian; Thomas Schneider
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-08-13
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2028-08-14
Also published as: DE102008038890A9; DE102008038890A1

Abstract

Verfahren zur Belastungszählung eines Bauteils in einem elektromechanischen Lenksystem, mittels einer Einrichtung zur Erfassung oder Ermittlung mindestens einer Belastungsgröße, wobei zu dieser Belastungsgröße mindestens eine Wöhlerkurve abgelegt ist, wobei in Abhängigkeit der erfassten Belastungsgröße eine Schädigung aus der Wöhlerkurve ermittelt wird und ein Belastungszähler entsprechend der ermittelten Schädigung erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wöhlerkurven als Kurvenschar in Abhängigkeit eines Parameters Temperatur T_B abgelegt sind, wobei anhand eines Temperaturmodells (4) die Temperatur T_B des Bauteils geschätzt wird und eine zugehörige zu der geschätzten Temperatur T_B parametrierte Wöhlerkurve zur Bestimmung der Schädigung N ausgewählt wird, wobei in das Temperaturmodell (4) mindestens eine Umgebungstemperatur und eine Größe für einen elektrischen Energieeintrag in das elektromechanische Lenksystem oder das Bauteil eingehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Belastungszählung in einem elektromechanischen Lenksystem.
Aus der DE 101 61 998 A1 ist ein Verfahren zum Überwachen des Betriebes eines Systems mit mehreren Bauteilen bekannt, wobei repräsentative Parameter für eine Alterung der Bauteile erfasst werden, wobei ein Alterungsgrad der einzelnen Bauteile durch Auswerten der Parameterwerte für die einzelnen Bauteile bestimmt wird und das Überschreiten eines Schwellwertes eines Alterungsfaktors gemeldet wird, wobei der Alterungsfaktor durch Kumulation der Alterungsgrade bestimmt wird. Bei dem System handelt es sich vorzugsweise um ein elektronisches Modul, das weiter vorzugsweise ein Bauteil eines Antiblockiersystems oder eines indirekten Brems- oder Lenksystems in einem Kraftfahrzeug ist.
Aus der DE 102 15 865 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit einer Komponente eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei während des Betriebes der Komponente Daten in Form von schädigungsrelevanten Einflussparametern, welche die Ausfallwahrscheinlichkeit der Komponente beeinflussen, erfasst und abgespeichert werden, wobei die Einflussparameter während des Betriebes der Komponente in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit ausgewertet werden. Dabei wird die Ausfallwahrscheinlichkeit im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter durch einen Vergleich einer Kollektivschadensumme, die ein Maß für eine anhand der Einflussparameter ermittelte akkumulierte Schädigung der Komponente ist, und einer im Vorfeld der Auswertung der Einflussparameter ermittelte ertragbaren Schadensumme der Komponente ermittelt, wobei die Kollektivschadenssumme im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter anhand einer linearen Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner in Abhängigkeit eines Belastungskollektivs, das ein Maß für eine anhand der Einflussparameter ermittelte akkumulierte Schädigung der Komponente ist, und einer im Vorfeld der Auswertung der Einflussparameter ermittelten Bauteilwöhlerkurve, die ein Maß der Belastbarkeit der Komponente ist, ermittelt wird.
Bei elektromechanischen Lenksystemen variiert die Lebensdauer von Bauteilen sehr stark über dessen Temperatur, wobei jedoch deren direkte Messung häufig nur sehr aufwendig möglich ist. Wird andererseits ein fester Wert angenommen, können die Abweichungen bei der Belastungszählung von der realen Schädigung sehr groß werden, was entweder eine Verringerung an Sicherheit oder eine Verringerung der Verfügbarkeit zur Folge hat.
Aus der DE 103 06 579 A1 sowie der DE 103 60 582 A1 sind jeweils gattungsgemäße Verfahren zur Belastzählung eines Bauteils in einem elektromechanischen Lenksystem bekannt, wobei in der DE 103 60 582 A1 zusätzlich noch eine Temperatur des Lenksystems erfasst wird.
Aus der DE 102 57 793 A1 ist ein modellbasierter Lebensdauerbeobachter bekannt. Dabei werden Systembelastungen aus der vorhandenen Systemsensorik ermittelt und die Sensorsignale aus der Systemsensorik zu Belastungszeitverläufen aufbereitet. Weiter werden lokale Bauteil-Beanspruchungen aus dem Systemmodell und den Belastungszeitverläufen ermittelt. Schließlich wird eine Restlebensdauer der im Systemmodell enthaltenen Bauteile aus den akkumulierten Bauteilschädigungen durch eine Betriebsfestigkeitsanalyse berechnet.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Belastungszählung in einem elektromechanischen Lenksystem zu schaffen, mittels derer die Belastungszählung verbessert wird.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst das Verfahren bzw. die Vorrichtung zur Belastungszählung eines Bauteils in einem elektromechanischen Lenksystem eine Einrichtung zur Erfassung oder Ermittlung mindestens einer Belastungsgröße sowie eine Auswerteeinheit, wobei in der Auswerteeinheit zu dieser Belastungsgröße mindestens eine Wöhlerkurve abgelegt ist, wobei in Abhängigkeit der erfassten Belastungsgröße eine Schädigung aus der Wöhlerkurve ermittelt wird und ein Belastungszähler entsprechend der ermittelten Schädigung erhöht wird, wobei die Wöhlerkurven als Kurvenschar in Abhängigkeit eines Parameters Temperatur abgelegt sind, wobei anhand eines Temperaturmodells die Temperatur des Bauteils geschätzt wird und eine zugehörige zu der geschätzten Temperatur parametrierte Wöhlerkurve zur Bestimmung der Schädigung ausgewählt wird, wobei in das Temperaturmodell mindestens eine Umgebungstemperatur und eine Größe für einen elektrischen Energieeintrag in das elektromechanische Lenksystem oder das Bauteil eingehen. Hierdurch kann die Temperatur bei der Belastungszählung berücksichtigt werden, ohne am Bauteil bzw. im Lenksystem einen Temperatursensor vorzusehen, wobei vorzugsweise auf bereits vorhandene Temperatursensoren zurückgegriffen wird. Die Einrichtung zur Erfassung oder Ermittlung der Belastungsgröße kann dabei in die Auswerteeinrichtung integriert sein. Vorzugsweise umfasst die Einrichtung ein Rainflowalgorithmus. Durch das Temperaturmodell sind die von außen in das System eingetragene Energie bzw. Wärme berücksichtigt, da von der zugeführten elektrischen Energie in Abhängigkeit des Wirkungsgrades ein Teil in Wärme umgewandelt wird.
Vorzugsweise geht als Umgebungstemperatur die Kraftfahrzeugaußentemperatur und/oder die Antriebsmotortemperatur (z.B. Verbrennungsmotortemperatur) ein, wobei allgemein gilt, je mehr Größen in das Modell eingehen, desto genauer kann die Temperatur des Bauteils geschätzt werden. Welche der Umgebungstemperaturen bevorzugt wird bzw. im Modell stärker berücksichtigt sind, hängt vom konkreten Aufbau des Fahrzeugs ab. Ist beispielsweise das Lenksystem in der Nähe des Verbrennungsmotors angeordnet, so geht die Verbrennungsmotortemperatur stärker in das Modell ein als bei Ausführungsformen, wo diese stärker räumlich getrennt sind.
Die elektrische Energie kann in Form der elektrischen Leistung in das Modell eingegeben werden oder aber vereinfacht durch den aufgenommenen Strom.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich die Fahrzeuggeschwindigkeit in dem Temperaturmodell berücksichtigt, um die Kühlung durch den Fahrtwind zu berücksichtigen.
Die Belastungsgröße ist vorzugsweise eine von einem Servomotor des Lenksystems aufgebrachte Zusatzkraft oder ein Zusatzmoment, wobei die Belastungsgröße vorzugsweise mittels eines 4-P-Rainflowalgorithmus ermittelt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Auswerteeinheit ein Interpolations-Algorithmus abgelegt, mittels dessen die Schädigung bei Temperaturen zwischen dem Parameter der Wöhlerkurven durch Interpolation ermittelt wird. Existiert beispielsweise eine Wöhlerkurve mit dem Parameter T = 50°C und eine Wöhlerkurve mit T = 60°C und ermittelt das Modell eine Temperatur von T = 55°C, so wird beispielsweise der Mittelwert aus den Schädigungen der beiden Wöhlerkurven gebildet und als Schädigung bei der Erhöhung des Zählerstandes berücksichtigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Belastungszählung eines Bauteils in einem elektromechanischen Lenksystem.
Das Verfahren beginnt mit der Erfassung eines Zusatzmoments bzw. einer Zusatzkraft F eines Servomotors eines elektromechanischen Lenksystems. In einem ersten Modul 1 werden zunächst die Umkehrpunkte P1-P6 der Zusatzkraft F ermittelt, wobei vorzugsweise die Daten zuvor digitalisiert werden. In einem zweiten Modul 2 erfolgt dann die eigentliche Ermittlung der Belastungsgröße F_B mittels eines 4-P-Rainflowalgorithmus.
Dieser soll nun kurz schematisch erläutert werden. In einem ersten Schritt werden die ersten vier Umkehrpunkte P1-P4 betrachtet. Liegen die beiden mittleren Werte P2 und P3 zwischen den Werten für P1 und P4, so werden P2 und P3 gestrichen und aus der Differenz zwischen P1 und P4 die Belastungsgröße F_B ermittelt. Im dargestellten Beispiel ist sowohl P3 > P1 als P2 < P4, so dass diese Bedingung nicht erfüllt ist. Daher wird ein weiterer Umkehrpunkt P5 hinzugenommen. Betrachtet werden jetzt also P2-P5. P3 und P4 liegen zwischen P2 und P5 und können gestrichen werden. Die Differenz P5 minus P2 stellt die Belastungsgröße F_B dar, die weiter verarbeitet wird. Im nächsten Schritt werden P1, P2, P5 und P6 betrachtet. P2 und P5 liegen nicht zwischen P1 und P6, so dass diese nicht gestrichen werden können. Es muss also auf einen Umkehrpunkt P7 gewartet werden, wobei dann der Algorithmus mit P2, P5, P6 und P7 durchgeführt wird.
Die so kontinuierlich ermittelten Belastungsgrößen F_B werden einem Auswerteblock 3 zugeführt. In dem Auswerteblock 3 sind Wöhlerkurven abgelegt, die mit verschiedenen Temperaturen parametrisiert sind. Über ein Temperaturmodell 4 wird die Temperatur T_B eines Bauteils des Lenksystems, beispielsweise des Servomotors, bestimmt. Hierzu schätzt das Temperaturmodell 4 anhand der Eingangsgrößen Außentemperatur T_außen, Verbrennungsmotortemperatur T_Motor, Fahrzeuggeschwindigkeit V und elektrische Leistung P_el die Temperatur T_B des Bauteils, dessen Schädigung gezählt werden soll. Zu dieser Temperatur T_B wird dann die entsprechende Wöhlerkurve ausgewählt und die Belastungsgröße F_B eingesetzt, so dass sich eine Schädigung N ergibt. Um die so ermittelte Schädigung N wird der Zählerstand Z erhöht. Die Aufaddierung von Schädigungen N erfolgt solange, bis ein kritischer Zählerstand Z erreicht ist. Sämtliche Module 1-4 können dabei in einer Auswerteeinheit integriert sein.

Claims

Verfahren zur Belastungszählung eines Bauteils in einem elektromechanischen Lenksystem, mittels einer Einrichtung zur Erfassung oder Ermittlung mindestens einer Belastungsgröße, wobei zu dieser Belastungsgröße mindestens eine Wöhlerkurve abgelegt ist, wobei in Abhängigkeit der erfassten Belastungsgröße eine Schädigung aus der Wöhlerkurve ermittelt wird und ein Belastungszähler entsprechend der ermittelten Schädigung erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wöhlerkurven als Kurvenschar in Abhängigkeit eines Parameters Temperatur T_B abgelegt sind, wobei anhand eines Temperaturmodells (4) die Temperatur T_B des Bauteils geschätzt wird und eine zugehörige zu der geschätzten Temperatur T_B parametrierte Wöhlerkurve zur Bestimmung der Schädigung N ausgewählt wird, wobei in das Temperaturmodell (4) mindestens eine Umgebungstemperatur und eine Größe für einen elektrischen Energieeintrag in das elektromechanische Lenksystem oder das Bauteil eingehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Umgebungstemperatur die Kraftfahrzeugaußentemperatur T_außen und/oder die Antriebsmotortemperatur T_Motor eingehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eingetragene elektrische Energie in Form der elektrischen Leistung P_el oder des aufgenommenen elektrischen Stroms berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Fahrzeuggeschwindigkeit V in dem Temperaturmodell (4) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungsgröße eine von einem Servomotor aufgebrachte Zusatzkraft F oder ein Zusatzmoment ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schädigung N bei Temperaturen T_B zwischen den Parametern der Wöhlerkurven durch Interpolation ermittelt wird.
Vorrichtung zur Belastungszählung eines Bauteils in einem elektromechanischen Lenksystem, umfassend eine Einrichtung zur Erfassung oder Ermittlung mindestens einer Belastungsgröße sowie eine Auswerteeinheit, wobei in der Auswerteeinheit zu dieser Belastungsgröße mindestens eine Wöhlerkurve abgelegt ist, wobei in Abhängigkeit der erfassten Belastungsgröße eine Schädigung aus der Wöhlerkurve ermittelt wird und ein Belastungszähler entsprechend der ermittelten Schädigung erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wöhlerkurven als Kurvenschar in Abhängigkeit eines Parameters Temperatur T_B abgelegt sind, wobei anhand eines Temperaturmodells (4) die Temperatur T_B des Bauteils geschätzt wird und eine zugehörige zu der geschätzten Temperatur T_B parametrierte Wöhlerkurve zur Bestimmung der Schädigung N ausgewählt wird, wobei in das Temperaturmodell (4) mindestens eine Umgebungstemperatur und eine Größe für einen elektrischen Energieeintrag in das elektromechanische Lenksystem oder das Bauteil eingehen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Umgebungstemperatur die Kraftfahrzeugaußentemperatur T_außen und/oder die Antriebsmotortemperatur T_Motor eingehen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eingetragene elektrische Energie in Form der elektrischen Leistung P_el oder des aufgenommenen elektrischen Stroms berücksichtigt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Fahrzeuggeschwindigkeit V in dem Temperaturmodell (4) berücksichtigt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungsgröße eine von einem Servomotor aufgebrachte Zusatzkraft F oder ein Zusatzmoment ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit ein Interpolations-Algorithmus abgelegt ist, mittels dessen die Schädigung N bei Temperaturen T_B zwischen den Parametern der Wöhlerkurven durch Interpolation ermittelt wird.