-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das unerwünschte Rattern, das gelegentlich bei Zahnstangen von Fahrzeuglenksystemen auftritt, und insbesondere auf eine Testprozedur, die das Bestimmen einer Neigung zum Zahnstangenrattern in einem Fahrzeug anhand eines Labortests ermöglicht.
-
Bei herkömmlichen Zahnstangenlenksystemen für Fahrzeuge tritt im Zahnstangensystem ein Verschleiß auf, der zu einem vergrößerten Spiel zwischen Komponenten führt. Typischerweise tritt der Verschleiß an der Grenzfläche zwischen der Zahnstange mit dem Ritzel und dem System, das die Zahnstange gegen das Ritzel vorbelastet, ein. Das Spiel, das sich aus dem Verschleiß ergibt, führt dann zu Rattern an der Zahnstange, das für Fahrzeuginsassen hörbar ist, typischerweise dann, wenn sie über Bodenwellen fahren. Der Verschleiß kann tatsächlich früh in der Fahrzeuglebensdauer auftreten, was sehr viel kostet, um eine Zahnstange oder eine Lenksäule zu ersetzen, und möglicherweise die Zufriedenheit des Fahrzeugbesitzers mit dem Fahrzeug insgesamt schmälert. Gelegentlich rattern je nach Entwurf oder Anfangseinstellungen manche Zahnstangen und Säulen selbst dann, wenn sie neu sind.
-
Da Zahnstangenrattern ein hörbares Ereignis ist, das von Fahrzeuginsassen wahrgenommen werden kann, können Ratterereignisse binaural aufgezeichnet werden, während ein Fahrzeug auf groben Straßen bzw. über Bodenwellen gefahren wird, und mit hoher Genauigkeit wiedergegeben werden. Jedoch ist in diesen Aufzeichnungen im Allgemeinen ein zu starkes Fremdgeräusch vorhanden, das keine ausschließlich auf diesen Aufzeichnungen basierende objektive Analyse zulässt. Folglich werden die typischen Schätzungen des Zahnstangenratterverhaltens subjektiv anhand von Zufalls-Straßentestereignissen bestimmt, was die Wiederholbarkeit sehr erschwert. Da dies bei einem Fahrzeugpegeltest geschieht, können zudem andere Komponenten im Fahrzeug während des Tests ein Geräusch erzeugen, das es noch schwieriger macht, die Geräuschpegel des Lenksystems getrennt von diesen anderen Geräuschen zu bestimmen.
-
Herkömmliche Verfahren zum Bestimmen der Zahnstangenratterneigung einer Zahnstangenlenkanordnung, die in einem Fahrzeug verwendet werden soll, sind aus den Druckschriften
JP 2005 212 706 A ,
DE 10 2006 016 764 A1 und
JP 08 261 884 A bekannt.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Eine Ausführungsform zielt auf ein Verfahren zum Bestimmen der Zahnstangenratterneigung einer Zahnstangenlenkanordnung, die in einem Fahrzeug verwendet werden soll, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: gleichzeitiges Aufzeichnen von Tonsignalen und Messen der Beschleunigung einer Zahnstange, einer rechtsseitigen Spurstangenendlast und einer linksseitigen Spurstangenendlast, Identifizieren von Zahnstangenratterereignissen anhand der Tonsignalaufzeichnung, Bestimmen gemeinsamer Merkmale oder Eigenschaften der Zahnstangenbeschleunigung und Spurstangenendlasten während der identifizierten Zahnstangenratterereignisse und Erzeugen eines Zahnstangenratterindexpegels, der auf gemessenen Merkmalen der Zahnstangenbeschleunigung während der Zahnstangenratterereignisse basiert.
-
Ein Vorteil einer Ausführungsform ist, dass eine Labortestmetrik erzeugt wird, die die Lenksystemleistung hinsichtlich des Zahnstangenratterns in einer objektiven anstatt einer subjektiven Weise bestimmen kann. Diese Metrik erlaubt das Bestimmen eines maximal annehmbaren Geräuschpegels für das innere Rattern eines Lenksystems in einem Labortest und das Testen von Lenksystemen, um zu ermitteln, ob sie die annehmbaren Geräuschpegel einhalten. Dadurch, dass die Pegel in einem Lenksystem selbst anstatt beim Betreiben eines Fahrzeugs erfasst werden, wird zudem die Menge an Daten, speziell Fremdgeräuschdaten, die ansonsten von anderen Komponenten des Fahrzeugs stammen könnten, wesentlich verkleinert. Außerdem kann der Rattertest als objektiver Labortest beim Komponentenpegel wiederholbare Daten erzeugen, was ein genaues Testen vieler verschiedener Entwürfe von Zahnstangenlenksystemen, die getestet werden sollen, erlaubt. Zudem können die Tests in den Einrichtungen des Fahrzeugherstellers oder in den Einrichtungen eines Zulieferers durchgeführt werden, was übereinstimmende Ergebnisse erzeugt.
-
Der Komponentenpegeltest in einem Labor kann dann vor dem Bauen vollständiger Fahrzeuge zum Testen das technische Beseitigen von Rattern aus Lenksystemen ermöglichen. Außerdem kann er eine Fähigkeit ermöglichen, anhand der Neigung zum Rattern zwischen verschiedenen Zulieferern von Lenksystemen zu differenzieren und somit ermöglichen, dass die Neigung zum Rattern zu einem Faktor bei der Wahl eines Zulieferers wird. Solche frühen technischen Informationen können die Wahrscheinlichkeit, Lenksystemkomponenten in Fahrzeugen ersetzen zu müssen, verringern und somit Kosten senken. Außerdem kann auch das Fahrzeugtesten an verschiedenen Straßenoberflächentypen ausgeführt werden, um zu bestätigen, dass das Rattern technisch aus dem Lenksystem beseitigt worden ist.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
In den Zeichnungen sind:
-
1 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Fahrzeuglenkanordnung und einer Messvorrichtung;
-
2 ein Ablaufplan, der einen Prozess zum Erlangen eines Zahnstangenratterindexes veranschaulicht;
-
3 ein Ablaufplan, der einen Abschnitt des Prozesses nach 2 ausführlicher zeigt;
-
4 ein Ablaufplan, der einen Prozess des Testens einer Lenkanordnung auf Zahnstangenrattern veranschaulicht.
-
GENAUE BESCHREIBUNG
-
In 1 ist ein allgemein bei 20 angegebenes Fahrzeug gezeigt. Das Fahrzeug 20 umfasst eine Lenkanordnung 22, die ein Zahnstangengehäuse 24 umfasst. Ein Zahnradgehäuse 26 nimmt eine Lenkwelle 28 auf. Die Lenkwelle 28 kann ein herkömmliches Ritzel (nicht gezeigt) haben, das mit einem herkömmlichen Zahnstangenzahnrad (nicht gezeigt) an einer Zahnstange 30, die im Zahnstangengehäuse 24 teleskopisch vor und zurück gleitet, zusammenpasst. Um das Ritzel und das Zahnstangenzahnrad in einen Kontakt miteinander vorzubelasten und das Rattern zwischen den beiden zu begrenzen, kann ein Einstellbolzen 36 verwendet werden. Die Zahnstange 30 ist an einem ersten Ende mit einer rechtsseitigen Spurstange 32 und am gegenüberliegenden Ende mit einer linksseitigen Spurstange 34 in Eingriff. Die rechtsseitige, 32, und die linksseitige, 34, Spurstange sind zum Schwenken von Fahrzeugrädern in herkömmlicher Weise (nicht gezeigt) mit weiteren Lenkanordnungskomponenten (nicht gezeigt) in Eingriff. Die oben angesprochenen Komponenten können, falls dies erwünscht ist, im Wesentlichen herkömmlich sein und werden daher hier nicht näher besprochen. Außerdem kann diese Lenkanordnung 22 in Abhängigkeit von den zu sammelnden Daten und den durchzuführenden Tests in einem Fahrzeug oder in einem Labortestaufbau montiert sein.
-
Am Zahnradgehäuse 26 kann in der Nähe des Einstellbolzens 36 und in Verbindung mit einem Datenerfassungs- und -analyseprozessor 42 ein Beschleunigungsmesser 40 angebracht sein. Alternativ kann der Beschleunigungsmesser 40 an einem Säulengehäuse (nicht gezeigt) in der Nähe eines Untersetzungsgetriebes (nicht gezeigt) oder an anderen gewünschten Orten an der Lenkanordnung 22 angebracht sein. Der Prozessor 42 kann auch mit einem an der rechtsseitigen Spurstange 32 angebrachten rechten Spurstangenkraftsensor 44 und einem an der linksseitigen Spurstange 34 angebrachten linken Spurstangenkraftsensor 46 in Verbindung stehen. Außerdem kann ein Tonsignalsensor 48 (wie etwa ein Mikrophon) mit dem Prozessor 42 in Verbindung stehen.
-
2 ist ein Ablaufplan, der einen Prozess zum Erlangen eines Zahnstangenratterindexes veranschaulicht, der bezüglich 1 unter Bezugnahme auf die Hardware besprochen wird. Während ein Fahrzeug gefahren wird, werden gleichzeitig die Zahnstangenbeschleunigung und die Spurstangenendlasten aufgezeichnet, Block 102. Die Tonsignale können mit dem Tonsignalsensor 48, die Zahnstangenbeschleunigung mit dem Beschleunigungsmesser 40 und die Spurstangenendlasten mit dem rechten, 44, und dem linken, 46, Spurstangenkraftsensor aufgezeichnet werden.
-
Später werden anhand der Tonsignalaufzeichnung Zahnstangenratterereignisse bestimmt, Block 104. Dies kann umfassende Abhörsitzungen mit jenen, die mit Zahnstangenrattertönen vertraut sind, beinhalten, um spezifische Zahnstangenratterereignisse, die für manche Fahrzeuginsassen unannehmbar sind, zu identifizieren. Die Zahnstangenbeschleunigung und die Spurstangenendlasten werden für die identifizierten Zahnstangenratterereignisse untersucht, Block 106. Dies kann das Untersuchen der Beschleunigung und der Spurstangenendlasten sowohl im Frequenzals auch im Amplitudenbereich für die identifizierten Zahnstangenratterereignisse beinhalten. Für die verschiedenen identifizierten Zahnstangenratterereignisse werden gemeinsame Merkmale von Zahnstangenbeschleunigungen und Spurstangenendlasten bestimmt, 108. Diese Merkmale können beispielsweise die Anstiegszeit, die Ereignisdauer, der Frequenzgehalt und die Zeitstruktur sein, wobei die Metrik in solcher Weise definiert wird, dass das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung erhöht wird, der stark vorherrschende unkorrelierte Gehalt verworfen wird und sich spezifisch auf das Ratterereignis konzentriert wird. Beispielsweise können Krafteingaben von etwa 6–12 Kilonewton über ein Zeitintervall von etwa 20 Millisekunden ein Zahnstangenrattern induzieren. Anhand dieser gemeinsamen Merkmale von Ratterereignissen wird ein Ratterindex für Zahnstangenratterereignisse, der auf der Zahnstangenbeschleunigung basiert, erzeugt, Block 110. Der Ratterindex kann nun verwendet werden, ohne eines weiteren Aufzeichnens von Tonsignalen zum Testen künftiger Lenkanordnungen 22 zu bedürfen. Die Tests basieren nun auch auf objektiven anstatt subjektiven Kriterien und sind wiederholbar und genau.
-
3 zeigt einen Abschnitt des Prozesses von 2 ausführlicher. Genauer kann der Block 110 von 2 ausgeführt werden, indem der Prozess von 3 verwendet wird. Die Ablesungen vom Beschleunigungsmesser 40 werden durch ein Tiefpassfilter geleitet und erneut abgetastet, Block 202. Beispielsweise werden nach dem Aufnehmen der Datenmesswerte die Beschleunigungsmesserdaten durch ein 2500-Hertz-(HZ)-Tiefpassfilter geleitet und dann als vorläufige Anti-Aliasing-Vorsichtsmaßnahme mit 5000 Hz abgetastet. Unter Verwendung einer Zeitkonstanten, die mit den gemessenen Beschleunigungsmesser- und Tonsignalaufzeichnungen korreliert worden ist, werden in einem vorgegebenen Frequenzbereich die durch einen Bandpass geleiteten Effektivwert-Pegel (RMS-Pegel (RMS, root mean square = quadratischer Mittelwert oder Effektivwert)) berechnet, Block 204. Dies führt dazu, Daten zu ergeben, die spezifisch ein Ratterereignis erfassen, und minimiert den unverbundenen Gehalt – womit das Signal-Rausch-Verhältnis des Ratterindexes erhöht wird. Es wird ein annehmbarer Ratterindexpegel berechnet, Block 206. Beispielsweise kann der Pegel für den Vergleich mit dem Ratterindex in einem Frequenzbereich von 500–2000 Hz berechnet werden, wobei eine Integrationszeit von 20 Millisekunden (ms) verwendet wird, obwohl Integrationszeiten von 20 bis 400 ms, korreliert mit Beschleunigungsmesser- und Tonsignalmesswerten auf der Straße, verwendet werden können. Der Wert wird als Ratterindex in Einheiten von Milli-g-RMS (d. h. Tausendstel der Gravitationskonstanten (g's) – quadratischer Mittelwert bzw. Effektivwert) ausgedrückt und erzeugt eine objektive Schätzung der Ratterneigung (die die subjektive Schätzung approximiert), wobei er ein linearer Wert ist. Bei dem oben angegebenen besonderen Beispiel kann ein Ratterereignis, das einen Ratterindex von 300 überschreitet, als hörbares Ratterereignis betrachtet werden.
-
Außerdem kann die Metrik verfeinert werden, indem die oben beschriebene Technik angewandt wird, wobei, falls erwünscht, die Lenkanordnung 22 an einem Krafteingabetisch (nicht gezeigt) in einem Labor angebracht ist. Diese Labordaten können dann verwendet werden, wenn die Eingabeform für die Verhaltensbeschränkungsfunktion (forcing function), die während eines Tests (im Folgenden besprochen) angewandt wird, bestimmt wird.
-
4 veranschaulicht einen Prozess des Testens einer Lenkanordnung auf Zahnstangenrattern, der auf dem Ratterindex basiert und bezüglich der Lenkanordnung 22 aus 1 besprochen wird. Jedoch werden aufgrund der Verwendung eines Ratterindexes die Kraftsensoren und Tonsignalsensoren nicht benötigt, obwohl während des Testens einer der Spurstangenkraftsensoren verwendet werden kann, um eine Teststeuerung mit geschlossenem Regelkreis zu verschaffen. Eine vorhandene oder neu entworfene Lenkanordnung 22 wird in einem Labor an einer Messanordnung wie etwa einer Schüttelvorrichtung (Quelle elektromagnetischer Schwingungsenergie) angebracht, Block 302. Auf die Lenkanordnung werden vorgegebene Kraftprofile (anstatt Beschleunigungsprofile) angewandt, Block 304. Die Kraftprofile können ausgestaltet sein, um beispielsweise eine Straßenoberfläche mit abgeplatztem Beton oder Straßen aus Mexican Cubilete (Oberflächen aus mexikanischem Flussgestein) zu simulieren. Die Krafteingaben können beispielsweise sechs bis acht Kilonewton über 20 ms sein, wobei die Form auf den Messungen auf der Straße basiert. Die Beschleunigung an der Zahnstange wird durch den Beschleunigungsmesser 40 gemessen, Block 306. Vorzugsweise werden die vorgegebenen Kraftprofile mehrere Male angewandt, wobei jedes Mal die Beschleunigung gemessen wird, Block 308. Die Anzahl von Malen kann beispielsweise fünf bis acht für jeden Straßenoberflächentyp, der getestet werden soll, sein – obwohl, falls erwünscht, stattdessen eine andere Anzahl wiederholter Male verwendet werden kann.
-
Für eine bestimmte Straßenprofiloberfläche werden die Ablesungen vom Beschleunigungsmesser 40, die aus den Krafteingaben resultieren, durch ein Tiefpassfilter geleitet und erneut abgetastet, Block 310. Ähnlich wie bei der Datenmanipulation, die ursprünglich für die Messungen auf der Straße (oben besprochen) erfolgt, werden dann für jedes Krafteingabeereignis im vorgegebenen Frequenzbereich und mit der vorgegebenen Zeitkonstante die RMS-Pegel berechnet. Die Pegel können beispielsweise in einem Frequenzbereich von 500–2000 Hz berechnet werden, wobei eine Integrationszeit von 20 ms (oder je nach Anwendung irgendeine andere Integrationszeit zwischen etwa 20 und 400 ms) verwendet wird.
-
Für jedes Krafteingabeereignis (oder für eine ausgewählte Anzahl von solchen) wird der Mittelwert der Scheitelwerte der berechneten RMS-Werte berechnet, Block 314. Beispielsweise können acht Krafteingabeereignisse verwendet werden und genau die letzten fünf Scheitelwerte zum Berechnen dieses Mittelwertes verwendet werden. Dann wird dieser Mittelwert (d. h. der Ratterindex) mit dem annehmbaren Ratterindexpegel verglichen, Block 316. Ein annehmbarer Ratterindexpegel kann beispielsweise 300 Milli-g-RMS lauten. Der spezielle Pegel für einen annehmbaren Ratterindex kann auf einen Wert festgelegt sein, der als jener Schwellenwert betrachtet wird, oberhalb von dem Ratterereignisse in unannehmbarer Weise in einem Fahrzeugfahrgastraum hörbar sind.
-
Wenn der Mittelwert über dem annehmbaren Ratterindex liegt, gibt dies an, dass die spezielle Lenkanordnung 22, wenn sie in einem Fahrzeug verwendet wird, unerwünschte hörbare Ratterereignisse erzeugen kann. Somit kann für diesen bestimmten Entwurf einer Lenkanordnung 22 eine Entwurfs- oder Anordnungsänderung von Nöten sein. Wenn der Mittelwert unter dem annehmbaren Ratterindex liegt, können, falls erwünscht, die Schritte 304–316 für weitere Störfunktionen, die Straßenbedingungen, die wahrscheinlich Zahnstangenrattern verursachen, simulieren, wiederholt werden. Wenn sämtliche der verschiedenen Störfunktionen, die zu testen gewünscht wird, den Test durchlaufen haben und die Lenkanordnung 22 keinerlei Mittelwert oberhalb eines annehmbaren Ratterindexpegels erzeugt, ergibt dies eine objektive Angabe darüber, dass die spezielle Lenkanordnung 22 kein unerwünschtes Zahnstangenrattern erzeugt, an.
-
Alternativ (oder zusätzlich) kann der Prozess aus 4 in einem wirklichen Straßentest auf das Fahrzeug 20 angewandt werden. In diesem Fall umfasst der Block 302 das Anordnen des Beschleunigungsmessers 40 an der Lenkanordnung 22 (jedoch erübrigen sich wiederum die Kraftsensoren und Tonsignalsensoren) und das Anordnen des Fahrzeugs 20 zum Fahren über den gewünschten Typ von Test-Straßenoberfläche. Der Block 304 umfasst das Fahren des Fahrzeugs 20 über die bestimmte Test-Straßenoberfläche – beispielsweise eine Oberfläche aus abgeplatztem Beton. Wie beim Block 306 wird die Beschleunigung an der Zahnstange 30 gemessen, wobei der Block 308 das Analysieren der Beschleunigung über einen vorgegebenen Abschnitt der Test-Straßenoberfläche umfasst. Die Beschleunigungsmesserdaten werden dann wie oben verarbeitet und hinsichtlich der Scheitelwerte, bei denen der entsprechende Ratterindex über dem annehmbaren Ratterindexpegel liegt, bewertet. Wiederum wird eine objektive Messung verwendet, die wiederholbar ist.
-
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben worden sind, erkennen jene, die mit dem Fachgebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, vertraut sind, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Praktizieren der Erfindung, die durch die folgenden Ansprüche definiert ist.
