DE102010032443A1

DE102010032443A1 - Verfahren zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit einer Sperrvorrichtung sowie Sperrvorrichtung mit einer Diagnoseeinheit

Info

Publication number: DE102010032443A1
Application number: DE201010032443
Authority: DE
Inventors: Sebastian 85055 Stark
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2011-07-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit einer Sperrvorrichtung (10) mit einem beweglichen Sperrkörper (12) und einer elektromagnetischen Spule (14), wobei der Sperrkörper (12) durch Änderung der durch die elektromagnetische Spule (14) erzeugten magnetischen Feldstärke bewegbar ist und hierbei abschnittsweise in den Bereich (20) der elektromagnetischen Spule (14) eintritt bzw. aus ihr austritt, mit den folgenden Schritten: a) Ändern der an der Spule (14) anliegenden Spannung; b) hierbei Gewinnen von Messdaten (K2, N1) betreffend die Stromstärke (I) des in der Spule (14) fließenden Stroms; c) Bestimmen eines Defekts der Sperrvorrichtung (10) und/oder der Position des Sperrkörpers (12) unter Verwendung der Messdaten (K2, L2, M2, N1, O1, P1). Die Erfindung betrifft auch eine Sperrvorrichtung mit einem beweglichen Sperrkörper.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit einer Sperrvorrichtung mit einem beweglichen Sperrkörper und einer elektromagnetischen Spule, wobei der Sperrkörper durch Änderung der durch die elektromagnetische Spule erzeugten magnetischen Feldstärke bewegbar ist und hierbei abschnittweise in den Bereich der elektromagnetischen Spule eintritt bzw. aus ihr austritt. Die Erfindung betrifft auch eine Sperrvorrichtung mit einem beweglichen Sperrkörper und einer elektromagnetischen Spule.
Elektromagnetisch arbeitende mechanische Sperren finden im Kraftfahrzeugsbereich Einsatz. Beispielsweise kann eine Sperre mit der Sperrverzahnung einer Schnecke eines Lenkgetriebes zusammenwirken. Bei elektromagnetisch arbeitenden Ventilen wird ein Flüssigkeitszulauf von einer Sperrvorrichtung geöffnet und geschlossen. Eine Sperrvorrichtung kann z. B. lineare oder rotatorische Bewegungen blockieren. Ein Problem besteht darin, festzustellen, ob die Funktionsfähigkeit der Sperrvorrichtung noch gewährleistet ist oder nicht. Sind beispielsweise die mechanisch beweglichen Bauteile der Sperrvorrichtung (z. B. ein Sperrkörper bzw. Sperrenstift) nicht mehr fahrbar, so ist die Sperre defekt: Sie blockiert, wenn sie eigentlich freigeben sollte oder gibt frei, wenn sie eigentlich blockieren sollte. Es ist deshalb wünschenswert, eine Information über die momentane Position eines Sperrkörpers zu erhalten.
Bisher ist es üblich, separate Sensoren vorzusehen, welche die Position des Sperrkörpers ermitteln. Ein anderer Weg, um festzustellen, ob die Funktion der Sperre noch gewährleistet ist, besteht darin, die Sperrfunktion mechanisch zu testen. Dient die Sperrvorrichtung z. B. dazu, die Fahrbarkeit eines zu sperrenden Bauteils zu unterbinden, so kann man über die Bewegbarkeit dieses Bauteils darauf schließen, ob die Sperrvorrichtung tatsächlich sperrt.
Solche mechanischen Tests sind zeitaufwändig und verkürzen die Lebensdauer der Sperrvorrichtung bzw. des zu sperrenden Bauteils.
Aus der DE 198 14 042 C1 ist ein Verfahren zum Überwachen des Verschleißes von Bremsbelägen bekannt. In einer Bremse wird eine Scheibe mittels Spiralfedern gegen einen Bremsbelag gepresst und bewirkt so den Bremsvorgang. Die Entfernung der Scheibe vom Bremsbelag lässt sich über die Stärke des Magnetfeldes einer Spule ermitteln und liefert dabei ein Maß für den Verschleiß der Bremse. Diese Entfernung wirkt nämlich auf die Induktivität der Spule zurück, die erfindungsgemäß vermessen wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich die Funktionsfähigkeit einer Sperrvorrichtung schnell, kostengünstig und sicher feststellen lässt. Es soll auch eine Sperrvorrichtung bereitgestellt werden, die aufwandsarm eine Eigendiagnose ihrer Funktionsfähigkeit erlaubt.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit einer Sperrvorrichtung. Es erlaubt also insbesondere festzustellen, ob die Sperrvorrichtung dann sperrt, wenn sie sperren soll, und genau dann nicht sperrt, wenn keine Sperrwirkung gewünscht ist. Die Sperrvorrichtung umfasst hierbei einen beweglichen Sperrkörper und eine elektromagnetische Spule. Der Sperrkörper ist insbesondere ein linear beweglicher Sperrenstift (sogenannter Anker). Er ist insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere einem Metall gefertigt. Der Sperrkörper hat insbesondere zwei bevorzugte Positionen, nämlich eine sperrende Position und eine freigebende Position. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die elektromagnetische Spule kann die Spule ein Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld ist insbesondere homogen innerhalb der Spule ausgebildet. Als Wickelmaterial für die Spule kann insbesondere ein elektrisch gut leitfähiges Metall, z. B. Kupfer, vorgesehen sein. Zudem kann die Spule in ihrem Inneren einen Spulenkern aus einem bestimmten Material, insbesondere einem Material mit hoher Permeabilität (z. B. Ferrit), umfassen. Erfindungsgemäß ist der Sperrkörper durch eine Änderung der magnetischen Feldstärke, welche durch die elektromagnetische Spule erzeugt wird, bewegbar. Er tritt hierbei zumindest abschnittsweise in den Bereich der elektromagnetischen Spule ein bzw. aus diesem Bereich aus, wobei der Bereich der Spule der Bereich ist, der von Spulenwicklungen umgeben ist. Der Sperrkörper befindet sich also zumindest teilweise im Inneren der Spule und ist dort dem Magnetfeld der Spule ausgesetzt. Es können auch mehrere elektromagnetische Spulen vorgesehen sein, durch deren gemeinsames resultierendes Magnetfeld der Sperrkörper bewegbar ist. Insbesondere befindet sich der Sperrkörper in einer ersten bevorzugten Position (sperrende Position oder freigebende Position) wenn keine Spannung an der elektromagnetischen Spule anliegt und dementsprechend kein magnetisches Feld von der Spule erzeugt wird. Wird dagegen eine bestimmtes Sollspannung an die elektromagnetische Spule angelegt, wird ein Magnetfeld erzeugt, und der Sperrkörper hierdurch in eine zweite Sollposition (freigebende Position bzw. sperrende Position) bewegt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die an der Spule anliegende Spannung geändert. In einem weiteren Verfahrensschritt werden hierbei Messdaten gewonnen, welche die Stromstärke des in der Spule fließenden Stroms betreffen. Insbesondere wird mit dem Gewinnen der Messdaten begonnen, sobald oder nachdem die an der Spule anliegende Spannung geändert wurde. Die Stromstärke wird insbesondere über ein mit der Spule in Reihe geschaltetes Strommessgerät gemessen. In einem dritten erfindungsgemäßen Schritt werden die Messdaten verwendet, um die Position des Sperrkörpers zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Vielzahl verschiedener Positionen des Sperrkörpers bestimmt werden. Es ist aber auch möglich, dass lediglich eine Extremposition, z. B. die sperrende Position und/oder die freigebende Position, bestimmbar ist. Zusätzlich oder alternativ können die Messdaten auch dazu verwendet werden, einen Defekt der Sperrvorrichtung zu bestimmen. Die Messdaten werden dann insbesondere so verwendet, dass sie lediglich eine Aussage darüber zulassen, ob die Sperrvorrichtung momentan defekt oder funktionsfähig ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass sich die Induktivität der elektromagnetischen Spule in Abhängigkeit von der Position des beweglichen Sperrkörpers ändert. Da der Sperrkörper in dem Bereich der elektromagnetischen Spule zumindest abschnittsweise eindringt, ändert die Permeabilität seines Materials die Gesamtpermeabilität innerhalb der Spule. Die Permeabilität innerhalb der Spule ist damit von der jeweiligen Position des Sperrkörpers abhängig. Mit der Permeabilität ändert sich auch die Induktivität der Spule. Eine Messung der Spuleninduktivität erlaubt somit Rückschlüsse auf die jeweilige Position des Sperrkörpers. Die Induktivität der Spule wiederum lässt sich messen, indem die an der Spule anliegende Spannung verändert wird und beobachtet wird, wie sich die Stromstärke mit der Zeit ändert.
Das Verfahren kommt ohne eine kostspielige und fehleranfällige Sensorik aus. Der für das Verfahren benötigte Sensor ist durch die Spule selbst gegeben. Durch den Entfall zusätzlicher Sensorik steht Bauraum frei, sodass sich das Verfahren für kleine Sperrvorrichtungen und/oder in beengten Räumen eignet. Zusätzliche Sensorleitungen zur Sperrvorrichtung entfallen. Der Schaltungsaufwand in einem Steuergerät für das Bestimmen der Funktionsfähigkeit der Sperrvorrichtung ist insgesamt gering. Auch die Diagnosedauer ist kurz. Zeitaufwändige mechanische Tests können entfallen und die zu überprüfenden Bauteile werden nicht unnötig beansprucht, so dass ihr Verschleiß gering gehalten wird.
Vorzugsweise wird im Rahmen des Verfahrens die an der Spule anliegende Spannung dergestalt verändert, dass sich die Position des Sperrkörpers dabei nicht ändert. Dies gilt insbesondere bei voll funktionsfähiger Sperrvorrichtung. Große Spannungsänderungen an der Spule bewirken große Änderungen des von der Spule erzeugten Magnetfeldes und daher insbesondere die Bewegung des Sperrkörpers. Dagegen reichen z. B. bereits geringe Spannungsänderungen, die zu keiner Bewegung des Sperrkörpers führen, aus, um Messdaten zu gewinnen, über die sich auf einen Defekt der Sperrvorrichtung bzw. die Position des Sperrkörpers schließen lässt. Bei geringen Spannungsänderungen wird die Spule also lediglich als Sensor genutzt und nicht als Element zum Bewegen des Sperrkörpers. Je nach gewählter Spannung kann damit z. B. zwischen einer „Sensorfunktion” und einer „Aktuatorfunktion” der elektromagnetischen Spule gewählt werden. Ein Zustand der Sperrvorrichtung lässt sich besonders dann exakt und genau messen, wenn der Messvorgang diesen Zustand nicht oder nur unwesentlich ändert. Dies ist gerade dann der Fall, wenn die Spannungsänderung an der Spule so gewählt wird, dass sich die Position des Sperrkörpers dabei nicht ändert.
Wenn die Sperrvorrichtung voll funktionsfähig ist, ändert sich die Position des Sperrkörpers insbesondere dann nicht, wenn gewisse Schwellwerte der an der Spule anliegenden Spannung nicht über- bzw. unterschritten werden. Ist der Sperrkörper beispielsweise in einer ausgefahrenen Position (d. h. er tritt nicht sehr weit in den Bereich der elektromagnetischen Spule ein), muss ein bestimmter Schwellwert, die Anzugsspannung, überschritten werden, bevor die erzeugte Magnetfeldstärke ausreicht, um den Sperrkörper in Bewegung zu versetzten. Vorzugsweise soll der Sperrkörper durch das Messverfahren jedoch gerade nicht bewegt werden. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die an der Spule anliegende Spannung von einem Ausgangswert lediglich auf einen solchen Endwert erhöht wird, der noch unterhalb der Anzugsspannung liegt. Dann kommt es zu keiner unerwünschten Bewegung des Sperrkörpers und die Messung selbst beeinflusst die Position des Sperrkörpers nicht. Ist der Sperrkörper andererseits beispielsweise in einer eingefahrenen Position (d. h. er tritt relativ weit in den Bereich der elektromagnetischen Spule ein), muss ein bestimmter Schwellwert, die Abfallspannung, unterschritten werden, bevor die erzeugte Magnetfeldstärke nicht mehr ausreicht, um den Sperrkörper in seiner Position zu halten. Da der Sperrkörper im Rahmen des Messverfahrens insbesondere nicht bewegt werden soll, ist es vorteilhaft, wenn die an der Spule anliegende Spannung von einem Ausgangswert lediglich auf einen solchen Endwert verringert wird, der noch oberhalb der Abfallspannung liegt. Auch hier kommt es zu keiner unerwünschten Bewegung des Sperrkörpers und die Messung selbst beeinflusst die Position des Sperrkörpers nicht. Lägen dagegen die Endspannungen über der Anzugsspannung bzw. unter der Abfallspannung, käme es (bei einer voll funktionsfähigen Sperrvorrichtung) zu komplexen und gegebenenfalls unerwünschten Wechselwirkungen zwischen Sperrkörperposition und gemessener Spuleninduktivität.
In Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Messdaten gewonnen, die die Stromstärke des in der Spule fließenden Stroms betreffen. Bei diesen Messdaten handelt es sich insbesondere um Rohdaten, die gegebenenfalls einer Aufbereitung bedürfen, um noch aussagekräftigere Resultate hinsichtlich der Funktionsfähigkeit der Sperrvorrichtung zu erhalten. Deshalb werden aus den Messdaten vorzugsweise aufbereitete Messdaten gewonnen, die eine Änderung der Stromstärke mit der Zeit und/oder eine Ableitung der Stromstärke nach der Zeit (z. B. eine erste Ableitung oder höhere Ableitungen) und/oder ein Integral der Stromstärke über die Zeit (z. B. ein Integralwert über eine feste Zeitspanne oder eine kumulative Funktion) beschreiben. Insbesondere werden an den Rohdaten mathematische Operationen ausgeführt, um die aufbereiteten Messdaten zu gewinnen, z. B. ein Ableiten oder Integrieren der durch die Rohdaten gegebenen Messkurve. Durch das Aufbereiten von Messdaten können Charakteristiken zu Tage treten, die aus den Rohdaten nicht direkt erkennbar sind. Damit können auch geringe Effekte (z. B. minimale Änderungen der Permeabilität) zuverlässig identifiziert werden und die Genauigkeit der Positionsbestimmung des Sperrkörpers bzw. die Sicherheit in der Identifikation eines Defekts wird erhöht.
Um kurze Messzeiten zu erhalten, wird das Verfahren in Schritt b) vorzugsweise dann abgebrochen, sobald vorgebbare Sollwerte unter- bzw. überschritten werden. Es kann z. B. eine festgelegte Messdauer vorgegeben werden, die insbesondere ab dem Zeitpunkt gemessen wird, zu dem die Spannung an der Spule in Schritt a) geändert wird. Die Messdauer kann z. B. bedarfsgerecht auf die Sperrvorrichtung abgestimmt werden, indem sie in Abhängigkeit von der Zeitkonstante der Induktivität der elektromagnetischen Spule gewählt wird. Der Sollwert kann auch ein Stromschwellwert sein. Beispielsweise ist der Schwellwert dann ein bestimmter Prozentsatz eines Stromsättigungswertes. In diesem Fall kann erreicht werden, dass die Messung abgebrochen wird, sobald sich nach Ändern der Spannung in Schritt a), der in Schritt b) gemessene Strom einem Sättigungswert ausreichend stark angenähert hat. Beispielsweise kann auch ein Schwellwert für eine Ableitung der Stromstärke I nach der Zeit t festgelegt werden. Ändert sich die Stromstärke in Schritt b) nur noch unwesentlich (d. h. die Strommesskurve flacht ab), wird zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Schwellwert für die Steigung dl/dt unterschritten und die Messung kann abgebrochen werden. Auf diese Weise kann für Spulen mit unterschiedlichen bzw. variablen Induktivitäten die Messdauer flexibel und bedarfsgerecht so angepasst werden, dass sie einerseits kurz ist und andererseits dennoch das Gewinnen aussagekräftiger Messdaten zulässt.
In Schritt c) des Messverfahrens findet vorzugsweise ein Vergleich der Messdaten (bzw. abgeleiteten Messdaten) mit Solldaten statt. Die Solldaten beschreiben insbesondere, wie die Messdaten aussehen sollten, wenn die Sperrvorrichtung nicht defekt ist. Decken sich die Messdaten z. B. annähernd mit den Solldaten, weiß man, dass die Sperrvorrichtung funktionsfähig ist. Es kann auch ein Satz von Solldaten vorgesehen sein, beispielsweise für jede einzelne Position des Sperrkörpers. Über die Solldaten, die am besten mit den jeweiligen Messdaten übereinstimmen, kann man dann auf die tatsächliche Position des Sperrkörpers schließen. Ein Vergleich mit Solldaten ist eine empirische Methode, die ein sehr einfaches und dabei genaues Bestimmen des Defekts bzw. der Position in Schritt c) zulässt. Insbesondere ist es nicht erforderlich, aufwändige Modelle zur Beschreibung der Sperrvorrichtung aufzustellen oder alle baulichen oder funktionellen Details des Sperrvorrichtung zu kennen. Solche Solldaten werden z. B. zweckmäßig in Form einer Kennlinie bereitgestellt, die zuvor im Rahmen einer Kalibrierung bzw. Eichmessung aufgenommen werden konnte. Es kann auch ein Vergleich mit einem Sollwert stattfinden. Weicht beispielsweise das Integral der Stromstärke über die Zeit zu stark von einem vorgegebenen Sollwert ab, kann dies ein Zeichen sein, dass der Sperrkörper nicht mehr beweglich und die Sperrvorrichtung defekt ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Solldaten aus einer vorgebbaren mathematischen Funktion bestimmt werden. Insbesondere wird dann eine mathematisch beschriebene Kurvenform mit einer Messdatenkurve verglichen. Insbesondere kann die mathematische Funktion durch eine Exponentialfunktion gegeben sein.
Der Vergleich mit den Solldaten kann darin bestehen, dass ein Defekt der Sperrvorrichtung dann als gegeben angenommen wird, wenn bestimmte vorgebbare Schwellwerte unter- bzw. überschritten werden. Solche Schwellwerte können abhängig vom mechanischen und elektrischen Aufbau der Sperrvorrichtung sein und sind deshalb insbesondere messtechnisch zu ermitteln. Die vorgebbaren Kennlinien, Sollwerte und mathematischen Funktionen können im Rahmen einer Kalibrierung bestimmt werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Genauigkeit durch Mittelung über mehrere Messungen erhöht wird. Durch einen Vergleich mit Solldaten kann ein Defekt der Sperrvorrichtung und/oder die Position des Sperrkörpers schnell und mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden.
Eine erfindungsgemäße Sperrvorrichtung umfasst einen beweglichen Sperrkörper und eine elektromagnetische Spule. Die von der Spule erzeugte magnetische Feldstärke kann geändert werden, z. B. durch Ändern der an der Spule anliegenden Spannung, wobei die Magnetfeldänderung eine Bewegung des Sperrkörpers bewirken kann. Der Sperrkörper tritt hierbei zumindest abschnittsweise in den Bereich der elektromagnetischen Spule ein bzw. aus ihm aus. Die erfindungsgemäße Sperrvorrichtung umfasst ferner eine Diagnoseeinheit, welche dazu ausgebildet ist, die an der Spule anliegende Spannung zu ändern, hierbei Messdaten zu gewinnen, welche die Stromstärke des in der Spule fließenden Stroms betreffen, und unter Verwendung der Messdaten einen Defekt der Sperrvorrichtung und/oder die Position des Sperrkörpers zu bestimmen. Die Diagnoseeinheit ist also insbesondere dazu ausgebildet, die Spannung an der Spule variabel zu steuern. Dies kann beispielsweise durch eine Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation oder durch eine Linearregelung erreicht werden. Die Diagnoseeinheit ist zudem insbesondere dazu ausgebildet, den Strom zu messen, der durch die elektromagnetische Spule fließt. Zudem kann die Diagnoseeinheit elektronische Baukomponenten umfassen, die aus den gewonnenen Messdaten aufbereitete Messdaten gewinnen und/oder einen Vergleich der Messdaten mit Solldaten durchführen. Hierbei kann auch vorgesehen sein, dass die Diagnoseeinheit einen Speicher umfasst, in dem Kennlinien, Sollwerte und/oder mathematische Funktionen abgelegt sind. Die Diagnoseeinheit kann insbesondere auch einen Taktgeber umfassen, durch den die Messdauer variabel einstellbar ist. Um eine optimale Auswertbarkeit der Stromverläufe in Abhängigkeit von der Position des Sperrkörpers zu erreichen, sollte die Induktivitätsänderung in Abhängigkeit von der Sperrkörperposition bereits während der Designphase der Sperrvorrichtung berücksichtigt werden.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Sperrvorrichtung.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen als auch die in der Figurenbeschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen und/oder die in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1A eine schematische Schnittdarstellung durch eine Sperrvorrichtung mit einem Sperrkörper in einer ausgefahrenen Position;
1B eine schematische Schnittdarstellung durch eine Sperrvorrichtung mit einem Sperrkörper in einer eingefahrenen Position;
2A–2C zeitabhängige Kurvenverläufe der Stromstärke, des zeitlichen Integrals über die Stromstärke und der Ableitung der Stromstärke nach der Zeit für je eine Mess- und Referenzkurve für den Fall, dass in der Sperrvorrichtung der Sperrkörper eingefahren ist; und
3A–3C zeitabhängige Kurvenverläufe der Stromstärke, des zeitlichen Integrals über die Stromstärke und der Ableitung der Stromstärke nach der Zeit für je eine Mess- und Referenzkurve für den Fall, dass in der Sperrvorrichtung der Sperrkörper ausgefahren ist.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1A zeigt eine Sperrvorrichtung 10 mit einem Gehäuse 16, einem Sperrkörper 12 und einer Spule 14. Der Sperrkörper 12 ist entlang einer Bewegungsachse A beweglich und kann so mehr oder weniger in den Bereich 20 vordringen. Die Wicklungen der Spule 14 sind um die Bewegungsachse A radial umlaufend ausgebildet. Der Sperrkörper 12 dringt abschnittsweise in einen Bereich 20 ein, der sich im Inneren der Spule 14 befindet. Dieser Bereich 20 ist durch den Innenraum eines gedachten Zylinders gegeben, dessen Mantelfläche durch die Wicklungen der Spule 14 auf deren Innenseite begrenzt wird. Die Boden- und Deckfläche dieses Zylinders wird durch jeweils eine Ebene festgelegt, die senkrecht auf der Bewegungsachse A steht und die Spule 14 an ihrer Unter- bzw. Oberseite berührt.
Zudem umfasst die Sperrvorrichtung 10 eine Diagnoseeinheit 22 mit einer elektronischen Schaltung, die in der Lage ist, die an der Spule 14 anliegende Spannung zu variieren, den durch den Spule 14 fließenden Strom in Abhängigkeit von der Zeit zu messen, aus den so erhaltenen Messwerten abgeleitete Messwerte zu gewinnen und die Messwerte mit Sollwerten zu vergleichen. Hierfür umfasst die Diagnoseeinheit auch einen Speicher, in dem Referenzkurven bzw. Kennlinien abgelegt und für einen Vergleich zur Verfügung stehen.
In der Darstellung der 1A befindet sich der Sperrkörper 12 in einer ausgefahrenen Position. Hierdurch sind Ausnehmungen, nämlich Luftspalte 18, im Bereich 20 im Inneren der Spule 14 freigegeben. In 1B dagegen befindet sich der Sperrkörper 12 in einer eingefahrenen Position; d. h. die Sperre ist angezogen. In diesem angezogenen Zustand sind die Luftspalte 18 der 1A durch Material des Sperrkörpers 12 ausgefüllt. Die 1A zeigt eine sperrende Position der Sperrvorrichtung, während die 1B eine freigebende Position zeigt. Der Übergang vom Zustand der 1A in den Zustand der 1B wird auch als Anziehen der Sperre bezeichnet, während man beim rückwärtigen Übergang von einem Abfallen der Sperre spricht. Der Zustand der 1A wird erreicht, wenn kein Strom durch die Spule 14 fließt, die Sperrvorrichtung also abgeschaltet ist. Der geöffnete bzw. entsperrte Zustand der 1B wird erreicht, wenn die Spule 14 ein ausreichend hohes Magnetfeld erzeugt, also von einem ausreichend hohen Strom durchflossen wird.
Vergleicht man die Zustände der 1A und 1B miteinander, so sieht man, dass sich im Zustand der 1A weniger Material des Sperrkörpers 12 im Bereich 20 innerhalb der Spule 14 befindet. Der Sperrkörper 12 ist im Ausführungsbeispiel aus Metall gefertigt und weist eine hohe Permeabilität auf. Die Luft in den Luftspalten 18 dagegen hat eine geringere Permeabilität. Damit ist die Permeabilität im Bereich 20 der 1A insgesamt geringer als die Permeabilität im Bereich 20 der 1B. Damit ist auch die Induktivität der Spule 14 der 1A geringer als jene der Spule 14 in 1B.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass die Änderung der Position des Sperrkörpers 12 die Permeabilität im Bereich 20 und folglich die Induktivität der Spule 14 ändert. Diese Induktivitätsänderung kann von der Diagnoseeinheit 22 durch eine Messung der Stromstärkeänderung bestimmt werden. Mit der Diagnoseeinheit 22 können folglich Rückschlüsse auf die Position des Sperrkörpers 12 gezogen werden.
Die 2A bis 2C zeigen Messkurven und Referenzkurven für die in 1B dargestellte Situation. Die Sperrvorrichtung 10 der 1B ist hierbei defekt. Der Defekt besteht darin, dass sich der Sperrkörper 12 in der in 1B dargestellten Position befindet, obwohl er eigentlich wie in 1A gezeigt ausgefahren sein sollte. Es ist also fälschlicherweise eine freigebende Position eingenommen, obwohl die Sperrvorrichtung 10 eigentlich sperren sollte. Anhand wenigstens einer der in den 2A bis 2C gezeigten Kurvenverläufe kann die Diagnoseeinheit 22 diesen Defekt erkennen.
In 2A ist die Stromstärke I des in der Spule 14 fließenden Stroms in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Zu einem Zeitpunkt t₀ wird eine kleine Spannung an die Spule 14 angelegt, die unterhalb der Spannung liegt, die normalerweise zum Anziehen der Sperre erforderlich wäre. Aufgrund der Selbstinduktion der Spule 14 folgt die Stromänderung I(t) der Spannungsänderung nicht instantan. Es wird der Kurvenverlauf K2 gemessen. Im Rahmen einer Kalibriermessung wurde jedoch der Kurvenverlauf K1 für eine Sperrvorrichtung 10 mit ausgefahrenem Sperrkörper 12 (vgl. 1A) bestimmt. Aus dem Vergleich der Kurvenverläufe K2 und K1 erkennt die Diagnoseeinheit 22 das Vorliegen eines Defekts.
Dieser Vergleich kann beispielsweise darin bestehen, dass die Zeitkonstanten für den Anstieg der Kurven K1 und K2 verglichen werden. Der Zustand der 1B ist durch eine hohe Permeabilität gekennzeichnet. Dies führt zu einer hohen Induktivität der Spule 14 und damit zu einer großen Zeitkonstante für den Anstieg des Strom gemäß Kurve K2 in 2A. Für die Kurve K1 ist die Situation umgekehrt. Gemäß dem Zustand der 1A ist die Permeabilität im Bereich 20 geringer. Dementsprechend ist auch die Induktivität der Spule 14 geringer und der Strom steigt schneller bis zu einem Sättigungswert an. Deshalb ist die Kurve K2 gegenüber der Kurve K1 nach rechts verschoben.
Gemäß 2B wird über die Kurven K1 und K2 der 2A in der Diagnoseeinheit 22 integriert. Das zeitliche Integral Int(I) liefert dann die Kurvenverläufe L1 (für die Kurve K1) und L2 (für die Kurve K2). Aus dem zeitlichen Verzug in den Kurvenverläufen L1 und L2 ist die Position des Sperrkörpers 12 ermittelbar.
Die Kurven K1 und K2 der 2A können in der Diagnoseeinheit 22 auch geglättet und anschließend abgeleitet werden. Die zeitliche Ableitung dl/dt liefert dann die Kurvenverläufe M1 (für die Kurve K1) und M2 (für die Kurve K2). Die unterschiedlichen Steigungen der Kurvenverläufe M1 und M2 erlauben eine Aussage über die Position des Sperrkörpers 12.
Die 3A bis 3C zeigen Messkurven und Referenzkurven für die in 1A dargestellte Situation. Die Sperrvorrichtung 10 der 1A ist hierbei defekt. Der Defekt besteht darin, dass sich der Sperrkörper 12 in der in 1A dargestellten Position befindet, obwohl er eigentlich wie in 1B gezeigt eingefahren sein sollte. Es ist also fälschlicherweise eine sperrende Position eingenommen, obwohl die Sperrvorrichtung 10 eigentlich freigeben sollte. Anhand wenigstens einer der in den 3A bis 3C gezeigten Kurvenverläufe kann die Diagnoseeinheit 22 diesen Defekt erkennen.
In 3A ist die Stromstärke I des in der Spule 14 fließenden Stroms in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Zu einem Zeitpunkt t₀ wird die an der Spule 14 angelegte Spannung auf einen Wert verringert, der noch oberhalb der Spannung liegt, die zum Anziehen der Sperre erforderlich ist. Aufgrund der Selbstinduktion der Spule 14 folgt die Stromänderung I(t) der Spannungsänderung nicht instantan. Es wird der Kurvenverlauf N1 gemessen. Im Rahmen einer Kalibriermessung wurde jedoch der Kurvenverlauf N2 für eine Sperrvorrichtung 10 mit eingefahrenem Sperrkörper 12 (vgl. 1B) bestimmt. Aus dem Vergleich der Kurvenverläufe N1 und N2 erkennt die Diagnoseeinheit 22 das Vorliegen eines Defekts.
Gemäß 3B wird über die Kurven N1 und N2 der 3A in der Diagnoseeinheit 22 integriert. Das zeitliche Integral Int(I) liefert dann die Kurvenverläufe O1 (für die Kurve N1) und O2 (für die Kurve N2). Aus dem zeitlichen Verzug in den Kurvenverläufen O1 und O2 ist die Position des Sperrkörpers 12 ermittelbar.
Die Kurven N1 und N2 der 3A können in der Diagnoseeinheit 22 auch geglättet und anschließend abgeleitet werden. Die zeitliche Ableitung dl/dt liefert dann die Kurvenverläufe P1 (für die Kurve N1) und P2 (für die Kurve N2). Die unterschiedlichen Steigungen der Kurvenverläufe P1 und P2 erlauben eine Aussage über die Position des Sperrkörpers 12.
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Zitierte Patentliteratur

DE 19814042 C1 [0005]

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit einer Sperrvorrichtung (10) mit einem beweglichen Sperrkörper (12) und einer elektromagnetischen Spule (14), wobei der Sperrkörper (12) durch Änderung der durch die elektromagnetische Spule (14) erzeugten magnetischen Feldstärke bewegbar ist und hierbei abschnittsweise in den Bereich (20) der elektromagnetischen Spule (14) eintritt bzw. aus ihr austritt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Ändern der an der Spule (14) anliegenden Spannung; b) hierbei Gewinnen von Messdaten (K2, N1) betreffend die Stromstärke (I) des in der Spule (14) fließenden Stroms; c) Bestimmen eines Defekts der Sperrvorrichtung (10) und/oder der Position des Sperrkörpers (12) unter Verwendung der Messdaten (K2, L2, M2, N1, O1, P1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die an der Spule (14) anliegende Spannung so verändert wird, dass sich, insbesondere bei voll funktionsfähiger Sperrvorrichtung (10), die Position des Sperrkörpers (12) nicht ändert.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die an der Spule (14) anliegende Spannung von einem Ausgangswert auf einen Endwert erhöht wird, wobei der Endwert unter einem vorgebbaren Schwellwert liegt oder in Schritt a) die an der Spule (14) anliegende Spannung von einem Ausgangswert auf einen Endwert verringert wird, wobei der Endwert über einem vorgebbaren Schwellwert liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) aus den Messdaten (K2, N1) aufbereitete Messdaten (L2, M2, O1, P1) gewonnen werden, die in einer Gruppe enthalten sind, welche umfasst: – die Änderung der Stromstärke (I) mit der Zeit (t); – eine Ableitung (dl/dt) der Stromstärke (I) nach der Zeit (t); – ein Integral (Int(I)) der Stromstärke (I) über die Zeit (t).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) ferner umfasst: Abbrechen des Messens, – wenn der Strom (I) einen vorgebbaren Stromsollwert unter- bzw. überschreitet und/oder – wenn eine Ableitung (dl/dt) der Stromstärke (I) nach der Zeit (t) einen vorgebbaren Sollwert unter- bzw. überschreitet und/oder – wenn ein Integral (Int(I)) der Stromstärke (I) über die Zeit (t) einen vorgebbaren Sollwert unter- bzw. überschreitet und/oder – wenn eine vorgebbare Messdauer überschritten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) ein Vergleich mit Solldaten stattfindet, wobei die Solldaten in Form wenigstens einer vorgebbaren Kennlinie (K1, L1, M1, N2, O2, P2) vorliegen und/oder in Form wenigstens eines vorgebbaren Sollwertes vorliegen und/oder aus wenigstens einer vorgebbaren mathematischen Funktion bestimmt werden.
Sperrvorrichtung (10) mit einem beweglichen Sperrkörper (12) und einer elektromagnetischen Spule (14), wobei der Sperrkörper (12) durch Änderung der durch die Spule (14) erzeugten magnetischen Feldstärke bewegbar ist und hierbei abschnittsweise in den Bereich (20) der elektromagnetischen Spule (14) eintritt bzw. aus ihr austritt, gekennzeichnet durch eine Diagnoseeinheit (22), welche dazu ausgebildet ist, die an der Spule (14) anliegende Spannung zu ändern, hierbei Messdaten (K2, N1) betreffend die Stromstärke (I) des in der Spule (14) fließenden Stroms zu gewinnen und einen Defekt der Sperrvorrichtung (10) und/oder die Position des Sperrkörpers (12) unter Verwendung der Messdaten (K2, L2, M2, N1, O1, P1) zu bestimmen.