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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines EPS-Lenksystems sowie ein EPS-Lenksystem.
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EPS-Lenksysteme (Electric-Power-Steering-Lenksysteme) sind Fahrzeuglenkungen, die mit einem elektrischen Motor servounterstützt werden. Hierbei gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, wie die Lenkung motorunterstützt wird und wo der Motor sitzt.
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Die Erfindung ist auf keine dieser Möglichkeiten eingeschränkt, die bevorzugte Anwendungsvariante ist jedoch ein sogenanntes EPS-Zahnriemen-(Belt Drive)System, bei dem das abtriebsseitige Lenkbetätigungselement (z. B. die Zahnstange) durch eine auf ihm sitzende Kugelmutter kraftunterstützt wird, die über einen motorangetriebenen Zahnriemen bewegt wird.
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Andere Arten der EPS-Systeme sind zum Beispiel EPS-Rack-Drive-Systeme, bei denen um die Zahnstange herum der Elektromotor gebaut ist, welcher einen Kugelumlaufspindelantrieb darstellt. Darüber hinaus gibt es auch einen direkten Antrieb der Lenkwelle durch Elektromotoren, die beispielsweise nahe am Übergang der Lenkwelle zur Zahnstange sitzen und über ein. Ritzel die Zahnstange antreiben (EPS Pinion Drive) oder einen nahe des oberen Endes der Lenksäule sitzenden Motorantrieb, der ebenfalls über ein Zahnrad die Lenkwelle antreibt (EPS Column Drive). Die Erfindung ist prinzipiell für sämtliche dieser elektromotorisch unterstützten Servolenkungen anwendbar.
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Für Servolenkungen ist es wichtig, dass die Reibung in dem gesamten Lenksystem nicht extrem schwankt. Dies würde einerseits das Fahrgefühl stark beeinträchtigen und andererseits zu stark erhöhter Servounterstützung führen, die im Grenzbereich möglicherweise nicht mehr ausreichen könnte. Starke Schwankungen treten insbesondere dann auf, wenn es im Lenksystem zu Korrosion kommt, wie bei Beschädigung einer Balgabdichtung, zum Beispiel im Bereich der Zahnstange oder der Kugelmutter. Bei Kugelmuttern besteht ein extrem geringes Spiel, sodass Korrosion sehr schnell zu einer starken Drehmomenterhöhung führt.
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Um derartige Schäden am Lenksystem sehr frühzeitig zu detektieren, ist ein Verfahren zum Überwachen eines EPS-Lenksystems aus der
WO 2009/133534 bekannt. Hierbei wird, vereinfacht gesagt, das auf das Lenksystem aufgebrachte Drehmoment stetig überwacht und ein Hysterese-Effekt bei Auftreten von Wassereinbruch in abgedichtete Bereiche zwischen verschiedenen Drehrichtungen detektiert. Der Aufwand zur Bestimmung der Hysterese-Referenztabelle, mit der die augenblicklichen Werte ständig verglichen werden, ist groß.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zum Überwachen eines EPS-Lenksystems zu schaffen sowie ein kostengünstiger herzustellendes EPS-Lenksystem.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Überwachen eines EPS-Lenksystems eines Fahrzeugs gelöst, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- – wiederholtes Messen des augenblicklichen Lenkeinschlags,
- – wiederholtes Messen der augenblicklichen Fahrzeuggeschwindigkeit,
- – wiederholtes Bestimmen des augenblicklichen Gesamtdrehmoments der Lenkung,
- – Ermitteln wenigstens eines aktuellen Durchschnitts-Gesamtdrehmoments aus mehreren Werten für das augenblickliche Gesamtdrehmoment bezogen auf die zugeordnete Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination,
- – Ermitteln eines Vergleichs-Gesamtdrehmoments bezogen auf die zugeordnete Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination aus der Summe des entsprechenden aktuellen Durchschnitts-Gesamtdrehmoments plus einer akzeptablen Abweichung,
- – Vergleichen des Vergleichs-Gesamtdrehmoments mit einem hinterlegten Grenzdrehmoment für die zugeordnete Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination, und
- – Ausgabe eines Signals, wenn eine vorgegebene Anzahl Vergleichs-Gesamtdrehmomente ihre zugeordnete Grenzdrehmomente überschritten haben.
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Die vorliegende Erfindung arbeitet nicht mit dem Hysterese-Effekt, sondern mit dem Gesamtdrehmoment, das auf das Lenksystem (Lenkwelle, Zahnstange oder Lenkstockhebel) wirkt. Dieses Drehmoment ergibt sich aus dem Drehmoment, das über das Lenkrad eingebracht und über einen Drehmomentsensor gemessen wird und zusätzlich aus dem Drehmoment, das über den Motor eingebracht und z. B. über die aktuelle Stromabnahme des Motors bestimmt wird. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass das Gesamtdrehmoment bei Korrosion, wenn auch schleichend, erhöht wird und bei einer genügend großen Anzahl von Messungen, aus denen sich ein aktuelles Durchschnitts-Gesamtdrehmoment ermitteln läßt, eine Abweichung gegenüber zuvor bestimmten Standard-Werten erkennbar ist. Diese Abweichung ist ein Hinweis für ein defekt werdendes Lenksystem.
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Bekanntlich sind die aufzubringenden Lenkmomente bei höheren Fahrgeschwindigkeiten geringer als bei niedrigen Geschwindigkeiten oder beim Parken, sodass die Fahrzeuggeschwindigkeit dem Grenzdrehmoment bei dieser Geschwindigkeit ebenso wie der spezifische Lenkeinschlag zu diesem Zeitpunkt zugeordnet sein müssen (im Folgenden vereinfacht Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination genannt).
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Um die Sicherheit der Detektion zu erhöhen, das heißt Fehlauslösungen des Signals zu reduzieren, wird festgelegt, dass das Grenzdrehmoment nicht nur einmal bei einer Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination, sondern bei verschiedenen Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen insbesondere auch innerhalb eines vorgegebenen Fahrzeitraums, überschritten werden muss, bevor ein solches Signal abgegeben wird, das ein defekt werdendes oder bereits defektes Lenksystem anzeigt.
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Alternativ oder zusätzlich zu den mehreren zu überschreitenden Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen kann auch das mehrfache Überschreiten bei einer Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination ein Signal auslösen.
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Damit nicht nur ein oder wenige singuläre Ausreißer des augenblicklichen Gesamtdrehmoments zur Signalauslösung führen können, wird stetig ein aktuelles Durchschnitts-Gesamtdrehmoment ermittelt, das für die zugeordnete Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination gilt. Ferner wird statistisch eine akzeptable, vorbestimmte Abweichung für die zahlreichen aktuellen Gesamtdrehmomente der zugeordneten Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination bestimmt. Diese tolerierbare Abweichung wird zu dem aktuellen Durchschnitts-Gesamtdrehmoment addiert, woraus sich das Vergleichs-Gesamtdrehmoment für die jeweilige Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination ergibt. Dieser Vergleichs-Gesamtdrehmomentwert wird dann im laufenden Betrieb ständig mit dem hinterlegten Grenzdrehmoment verglichen, und zwar für sämtliche Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination, für die aktuelle, neue Werte ermittelt werden.
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Da es unendlich viele Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen gibt und das Verfahren schnell und pragmatisch arbeiten soll, sind insbesondere einzelne Bereiche von nahe aneinander liegenden, sich nicht stark unterscheidenden Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen zu einem Bereich, im Folgenden Zone genannt, zusammengefasst. Unter den Begriff „Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination” fällt deshalb im Folgenden auch eine Zone von unterschiedlichen, zusammengefassten Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen.
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Der Vorteil gegenüber der Hysterese-Analyse aus dem Stand der Technik besteht darin, dass durch die Erfindung ständig zahlreiche Daten abgegriffen werden können, so dass relativ schnell ein defektes System erkannt wird. Bei einer Lenkbewegung in einer Richtung werden zahlreiche Daten erfasst, die aktuelle Werte liefern. Beim Stand der Technik muss eine Hysteresekurve (Lenkbewegung in die eine und anschließend in die andere Richtung) durchfahren werden, um nur einen Wert zu erhalten.
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Für die jeweilige, zugeordnete Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination wird bevorzugt als akzeptable Abweichung eine sogenannte Standardabweichung vom aktuellen Durchschnitts-Gesamtdrehmoment, jeweils bezogen auf die zugeordnete Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination, bestimmt. Das Vergleichs-Gesamtdrehmoment ist eine Summe aus dem aktuellen Durchschnitts-Gesamtdrehmoment plus der zugeordneten, ermittelten Standardabweichung (siehe 9a).
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Es wird folglich eine Art Statistik geführt, um Ausschläge zu vermeiden, ebenso wie Fehlauslösungen des Signals.
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Die Standardabweichung entspricht mindestens zwei Sigma, insbesondere drei Sigma.
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Sigma bestimmt sich nach der Normal- oder Gaußverteilung, in der zufällige Messfehler oder Abweichungen von Nennmaßen, also Zufallsgrößen im Wesentlichen ausgeschaltet werden. Eine Standardabweichung Sigma beschreibt die Breite der Normalverteilung und hängt mit der Halbwertsbreite zusammen, wobei gilt, dass im Intervall +/– 1 × Sigma vom Mittelwert etwa 68,27% aller Messwerte zu finden sind, im Intervall +/– 2 × Sigma vom Mittelwert 95,45% aller Messwerte zu finden sind und im Intervall +/– 3 × Sigma vom Mittelwert 99,73% aller Messwerte zu finden sind.
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Das Signal wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform dann ausgegeben, wenn für eine vorbestimmte Anzahl von verschiedenen Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen, worunter, wie gesagt, auch Zonen zu verstehen sind, die ihr zugeordneten hinterlegten Grenzdrehmomente von den zugeordneten Vergleichs-Gesamtdrehmomenten überschritten wurden.
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Vorzugsweise sind in einem Speicher die Grenzdrehmomente abgelegt, und zwar für verschiedene Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen.
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Das Vergleichen des aktuellen Vergleichs-Gesamtdrehmoments mit dem hinterlegten Grenzdrehmoment erfolgt dementsprechend durch Abgeben oder Abnehmen von Grenzdrehmoment-Daten aus dem Speicher.
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Die bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass lenksystemspezifische Durchschnitts-Gesamtdrehmomente durch Testfahrten bestimmt werden. Diese Testfahrten werden nicht mit jedem einzelnen EPS-Lenksystem, das verkauft wird, durchgeführt, sondern anhand von Prototypen oder Erstserienmodellen für einen Typ des Lenksystems. Diese dann allgemeingültigen Durchschnitts-Gesamtdrehmomente werden im Gegensatz zu dem tatsächlich bei dem jeweiligen, individuellen Lenksystem gerade ermittelten Durchschnitts-Gesamtdrehmoment („aktuelles Durchschnitts-Gesamtdrehmoment”) als lenksystemspezifische Durchschnitts-Gesamtdrehmomente bezeichnet. Auf Basis des lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmoments, das jeweils für entsprechende Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen bestimmt wird, wird das jeweilige Grenzdrehmoment für die Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination bestimmt.
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Da eine ungeheure Vielzahl an Lenkeinschlägen bei vielen Fahrzeuggeschwindigkeiten über die Tests zu ermitteln wäre, sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass zwar für bestimmte Kombinationen von Lenkeinschlägen und Fahrzeuggeschwindigkeiten Testwerte ausschlaggebend sind, um das zugeordnete Grenzdrehmoment auf Basis von lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmomenten zu bestimmen, dass darüber hinaus aber auch für manche Lenkeinschläge bei bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeiten diese Drehmomentgrenzwerte ohne Testfahrten auf Basis von Grenzdrehmomenten ermittelt werden, welche bei geringfügig abweichenden Lenkeinschlägen und bestimmten, ähnlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten auf Basis von Testfahrten ermittelt wurden. Bildlich gesprochen werden die Lücken in den Daten für die Grenzdrehmomente, die wegen der beschränkten Anzahl der Daten, die durch Testfahrten ermittelt werden, entstehen, dadurch geschlossen, dass die praktisch (während Testfahrten) ermittelten Werte, die an diese Lücken angrenzen, herangezogen werden, um eine Art Interpolation durchzuführen. Damit lässt sich eine bestimmte Zone von Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen oder mehrere angrenzende Zonen datenmäßig vervollständigen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zu ähnlichen Lenkeinschlägen bei gleichen oder ähnlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten ermittelte Gesamtdrehmomente (und damit in einer Zone), die auf Basis von Testfahrten ermittelt werden, zur Bildung eines mittleren lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmoments zusammengefasst werden, und zwar für einen mittleren Lenkeinschlag und eine mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit für die herangezogenen Messwerte. Dies ist grafisch in 10b dargestellt. Der Grund hierfür liegt darin, dass exakt gleiche Lenkeinschläge bei exakt gleichen Fahrgeschwindigkeiten in den Testfahrten schwierig oder nur unter erheblichem Zeitaufwand ermittelt werden können. Da üblicherweise eine erhebliche Anzahl von Werten vorhanden sein muss, die eine ausreichende Sicherheit dahin gehend bieten, dass ein plausibler und realistischer lenksystemspezifischer Durchschnitts-Gesamtdrehmomentwert vorhanden ist, werden „Zonen” (siehe auch oben) von nahe beieinanderliegenden Werten gebildet. In anderen Worten: es werden für eine bestimmte Zone von (damit ähnlichen) Lenkeinschlägen und eine dazugehörige enge (und damit ähnliche) Zone von Fahrzeuggeschwindigkeiten die gemessenen Gesamtdrehmomente zusammengefasst, um eine höhere Anzahl an Testwerten zu erhalten. Diese größere Anzahl an Gesamtdrehmomentwerten aus einer Zone wird herangezogen, um für einen daraus gebildeten mittleren Lenkwinkel und eine entsprechende mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit (ergibt Mitte der Zone, siehe 10b) ein mittleres lenksystemspezifisches Durchschnitts-Gesamtdrehmoment zu bestimmen. Dieser statistisch gefestigte Durchschnittswert kann dann gegebenenfalls als Ausgangswert für Interpolationen herangezogen werden.
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Im Folgenden wird eine weitere vorteilhafte Verbesserung bei der Bestimmung des Grenzdrehmoments erläutert. Für bestimmte Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen werden mehrere Gesamtdrehmomente über Testfahrten ermittelt und eine Standardabweichung von dem lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmoment für die entsprechende Kombination von Fahrzeuggeschwindigkeit und Lenkeinschlag bestimmt. Das vorgegebene Grenzdrehmoment wird anschließend bestimmt, indem eine Summe aus dem lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmoment und einer zulässigen Grenzabweichung ermittelt wird. Die Grenzabweichung bestimmt sich in Abhängigkeit von der Standardabweichung. Es wird folglich eine Art Statistik geführt, um Ausschläge zu vermeiden, ebenso wie Fehlauslösungen des Signals. Die Standardabweichung entspricht vorzugsweise der Standardabweichung' die beim Ermitteln des Vergleichs-Gesamtdrehmoments herangezogen wurde, und zwar insbesondere nicht gemäß Absolutwert, sondern nach der statistischen Häufigkeit (Vielfaches von Sigma).
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Die Grenzabweichung beträgt insbesondere mindestens 2 Sigma, insbesondere mindestens 3 Sigma und kann zusätzlich noch einen Sicherheitsabstand beinhalten.
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Vorzugsweise wird zusätzlich zur Standardabweichung (z. B. +/– mindestens 2 ×, vorzugsweise 3 × Sigma) auch noch ein Sicherheitsabstand mit aufsummiert, um die Grenzabweichung, die gerade noch zulässig ist, zu bestimmen (siehe 9b). Dieser Sicherheitsabstand soll die Streuung der Fertigungstoleranzen von Lenkung zu Lenkung auffangen und beträgt mehrere Newtonmeter.
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Ein weiterer optionaler Schritt, der die Anzahl der Fehlauslösungen minimiert, besteht darin, dass die Anzahl der Überschreitungen des Grenzdrehmoments reduziert wird, falls nach Überschreiten des Grenzwerts dieser auch wieder unterschritten wird. Wenn die Lenkung einen Defekt hat, so wird davon ausgegangen, dass kontinuierlich geringe Vergleichs-Gesamtdrehmomente eigentlich nicht mehr vorkommen können. Wenn dementsprechend eine Grenzdrehmomentüberschreitung bei einer Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination anschließend wieder unterschritten wird, wird die hinterlegte Überschreitung für diese Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination wieder gestrichen, so dass sich die Gesamtanzahl der Überschreitungen entweder etwas reduziert oder sogar wieder auf Null zurückfällt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann darüber hinaus auch dadurch verbessert werden, dass das Signal nur dann abgegeben wird, wenn das Vergleichs-Gesamtdrehmoment in einer vorgegebenen Häufigkeit das Grenzdrehmoment bei denselben Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen (oder Zonen) überschreitet. Es könnte fertigungsbedingt oder aus anderen technischen Gründen nämlich der Fall sein, dass nur bei einem ganz bestimmten Lenkeinschlag und bei einer ganz bestimmten Fahrgeschwindigkeit eine Überschreitung stattfindet. Wenn Lenkeinschlag und Fahrgeschwindigkeit dann auch noch so liegen, dass dieser Kombinationswert relativ häufig im Fahrbetrieb vorkommt, würde sehr schnell ein Signal erzeugt werden. Da ein bevorstehender Defekt zum Beispiel aufgrund von Korrosion im Lenksystem, jedoch nicht zu einer punktuellen Abweichung der Gesamtdrehmomente nur bei einer bestimmten Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination führen würde, bietet es u. U. mehr Sicherheit, wenn eine Voraussetzung für das Abgeben des Signals mehrere Überschreitungen bei unterschiedlichen Lenkeinschlag-Fahrgeschwindigkeits-Kombinationen (oder Zonen) ist. Dies ist jedoch nur eine Option.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Überwachen eines EPS-Lenksystems eines Fahrzeugs, mit wenigstens einem Positionssensor zum Bestimmen des Lenkeinschlags, wenigstens einem Drehmomentsensor für die Bestimmung des Gesamtdrehmoments im Lenksystem, einem Signalgeber und wenigstens einer Steuerung, die mit dem Positionssensor, dem Drehmomentsensor und dem Signalgeber gekoppelt ist, in der ein Speicher mit darin hinterlegten Grenzdrehmomenten für Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen vorhanden ist und die wiederholt den augenblicklichen Lenkeinschlag, die augenblickliche Fahrzeuggeschwindigkeit sowie das Gesamtdrehmoment und aktuelle Durchschnitts-Gesamtdrehmomente im Lenksystem ermittelt. Die Steuerung ist so ausgebildet, dass sie Vergleichs-Gesamtdrehmomente bezogen auf die zugeordnete Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination aus der Summe des entsprechenden aktuellen Durchschnitts-Gesamtdrehmoments plus einer akzeptablen Abweichung bestimmt und für entsprechende Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen mit hinterlegten Grenzdrehmomenten vergleicht und ein Signal zur Aktivierung des Signalgebers abgibt, sobald eine vorgegebenen Anzahl Vergleichs-Gesamtdrehmomente ihre zugeordneten Grenzdrehmomente überschritten habt.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein EPS-Lenksystem, insbesondere ein mit einem Riemenantrieb betätigtes Lenksystem, mit einer Lenkwelle, einem Lenkgetriebe, wenigstens einem über das Lenkgetriebe angetriebenen, abtriebseitigen Lenkbetätigungselement, wenigstens einem Positionssensor zum Bestimmen des Lenkeinschlags, wenigstens einem Drehmomentsensor für die Bestimmung des Gesamtdrehmoments im Lenksystem, einem Signalgeber und wenigstens einer Steuerung, die mit dem Positionssensor, dem Drehmomentsensor und dem Signalgeber gekoppelt ist, in der ein Speicher mit darin hinterlegten Grenzdrehmomenten für Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen vorhanden ist und die wiederholt den augenblicklichen Lenkeinschlag, die augenblickliche Fahrzeuggeschwindigkeit sowie das Gesamtdrehmoment und aktuelle Durchschnitts-Gesamtdrehmomente im Lenksystem ermittelt. Die Steuerung ist so ausgebildet, dass sie Vergleichs-Gesamtdrehmomente bezogen auf die zugeordnete Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination aus der Summe des entsprechenden aktuellen Durchschnitts-Gesamtdrehmoments plus einer akzeptablen Abweichung bestimmt und für entsprechende Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen mit hinterlegten Grenzdrehmomenten vergleicht und ein Signal zur Aktivierung des Signalgebers abgibt, sobald eine vorgegebenen Anzahl Vergleichs-Gesamtdrehmomente ihre zugeordnete Grenzdrehmomente überschritten habt.
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Zu betonen ist, dass die Merkmale, die zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnt waren, beliebig auch für die Vorrichtung zum Überwachen des EPS-Lenksystems und auch für das EPS-Lenksystem selbst anwendbar sind und nicht nur auf das Verfahren beschränkt werden.
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Darüber hinaus ist das EPS-Lenksystem insbesondere ein Lenksystem, welches mit einer elektromotorisch angetriebenen Kugelmutter ausgestattet ist. Diese kann entweder direkt angetrieben sein (EPS rack drive) oder über einen Zahnriemen angetrieben werden (EPS belt drive).
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen EPS-Lenksystems und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überwachen des EPS-Lenksystems,
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2 ein erfindungsgemäßes EPS-Lenksystem in Form eines EPS Belt-Drive-Systems, das heißt eines riemengetriebenen EPS-Systems,
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3 ein erfindungsgemäßes EPS-Lenksystems in Form eines EPS Rack-Drive-Systems, mit einer direkt angetriebenen Kugelmutter,
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4a bis 4c dreidimensionale Diagramme, in denen bei einem EPS-Lenksystem nach der Erfindung die lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmomente, die Standardabweichung und die Summe der Werte aus
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4a und 4b jeweils über die Fahrzeuggeschwindigkeit und verschiedene Lenkeinschläge aufgetragen sind,
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5 die bei einem EPS-Lenksystem nach der Erfindung beispielsweise auftretenden und ermittelten Vergleichs-Gesamtdrehmomente über verschiedene Fahrzeuggeschwindigkeiten und Lenkeinschläge in einem dreidimensionalen Diagramm,
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6 bezogen auf 5 eine dreidimensionale Ansicht der über einem Grenzdrehmoment liegenden Werte des Gesamtdrehmoments,
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7 einen entsprechend 5 gezeigten Verlauf des Vergleichs-Gesamtdrehmoments bei einem defekten EPS-Lenksystem,
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8 ein 6 entsprechendes Diagramm für des EPS-Lenksystem, dessen Werte in 7 aufgetragen sind,
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9a und 9b grafisch die Zusammensetzung des Vergleichs-Gesamtdrehmoments beziehungsweise des bei Testfahrten ermittelten Grenzdrehmoments, und
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10a und 10b eine Variante, bei der in einer Zone ein mittleres aktuelles Gesamtdrehmoment beziehungsweise ein mittleres lenksystemspezifisches Gesamtdrehmoment ermittelt werden.
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In 1 ist schematisch ein EPS-Lenksystem eines Fahrzeugs dargestellt. Ein Lenkrad 1 treibt eine ein- oder mehrteilige Lenkwelle 3 an, die wiederum über ein Lenkgetriebe 5 mechanisch mit einem abtriebseitigen Lenkbetätigungselement 7 gekoppelt ist. Das Lenkbetätigungselement 7 kann beispielsweise eine Zahnstange oder ein Lenkstockhebel oder eine Art Spindel sein. Über die Bewegung des Lenkbetätigungselements 7 wird dann die Lenkeinschlagbewegung auf die Räder 9 übertragen.
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Die Lenkung wird über einen Elektromotor 11 servounterstützt, wobei die Einkoppelung der Drehbewegung des Elektromotors 11 in der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise über eine Einrichtung 12 in Form eines Getriebes oder einer angetriebenen Kugelmutter oder dergleichen erfolgen kann.
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Der Motor 11 wird von einer Steuerung 13 angesteuert, die wiederum mit wenigstens einem Positionssensor 15 an die Lenkwelle 3 und wenigstens einem Drehmomentsensor 17 gekoppelt ist, über den das in der Lenkwelle 3 vom Fahrer eingebrachte Drehmoment bestimmt werden kann. Über der Strom, den der Elektromotor zur Unterstützung der Lenkkraft zieht, kann dann auf das motorseitig aufgebrachte Drehmoment geschlossen werden und dieses zum vom Drehmomentsensor 17 ermittelte Drehmoment addiert werden, um das augenblickliche Gesamtdrehmoment zu erhalten.
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Bei der Ausführungsform nach 2, welche ein EPS-Lenksystem mit einem Zahnriemen 21 zeigt, der vom Elektromotor 11 angetrieben wird, handelt es sich um ein EPS Belt-Drive-System. Hier wird zum Beispiel eine Kugelmutter 23 am Lenkbetätigungselement 7 angetrieben.
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Bei der Ausführungsform nach 3, die ein EPS Rack-Drive-Lenksystem zeigt, wird die Kugelmutter 23 direkt über den Elektromotor 11 angetrieben, welcher auf dem Lenkbetätigungselement 7 sitzt.
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Sämtlichen dieser gezeigten Ausführungsformen ist gemeinsam, dass es mechanische Kraftübertragungsteile gibt, die zum Teil von Balgdichtungen umgeben sind (zum Beispiel Lenkgetriebe 5, Kugelmuttern 23) und Korrosion unterworfen sind, wenn die Abdichtung undicht wird. Damit ergeben sich zum Teil stark erhöhte Reibungswerte, die das Lenksystem defekt werden lassen.
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Um den Defekt des Lenksystems rechtzeitig bestimmen zu können, ist eine Vorrichtung zum Überwachen des Lenksystems vorhanden, die den Positionssensor 15, den Drehmomentsensor 17, den Elektromotor 11 und die Steuerung 13 sowie einen Signalgeber 31 umfasst, der beispielsweise eine Signallampe ist. Die Steuerung 13 ist mit dem Signalgeber 31 gekoppelt und kann diesen aktivieren. Zur Vereinfachung der 2 und 3 sind diese Einzelheiten weggelassen.
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Im Prozessor ist ein Speicher 33 integriert, in dem für verschiedene Lenkeinschläge und verschiedene Fahrzeuggeschwindigkeiten (im Folgenden Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination genannt) sogenannte Grenzdrehmomente hinterlegt sind. Diese hinterlegten Grenzdrehmomente werden zum Teil durch praktische Testfahrten mit Vorserien- oder ersten Serienmodellen oder Prototypen ermittelt. Die Grenzdrehmomente bestimmen eine Obergrenze des im Lenksystem, hier in der Lenkwelle 3 auftretenden Gesamtdrehmoments, oberhalb dessen die Wahrscheinlichkeit eines defekten Lenksystems sehr hoch ist. Es werden folglich viele Grenzdrehmomente ermittelt und hinterlegt.
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Das jeweilige Grenzdrehmoment wird bestimmt, indem bei Fahrversuchen unterschiedlichste Lenkeinschläge bei unterschiedlichsten Geschwindigkeiten wiederholt gemessen werden und zu diesen Lenkeinschlägen und Geschwindigkeiten auch das augenblickliche Gesamtdrehmoment der Lenkung bestimmt wird.
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Das Gesamtdrehmoment ist dabei, wie bereist oben gesagt, das durch den Fahrer aufgebrachte Drehmoment plus das vom Elektromotor 11 zusätzlich aufgebrachte Drehmoment.
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Da bei solchen Lenksystemen nie exakt gleiche Werte bei gleichen Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination reproduzierbar sind, gibt es für die verschiedenen Werte auch schwankende bzw. streuende, gemessene Gesamtdrehmomente.
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Darüber hinaus werden nicht für alle Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen Werte ermittelt oder genügend Werte ermittelt, um die Streuung bestimmen zu können.
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Grafisch vereinfacht zeigt 4 mit den als Kreise symbolisierten Punkten einzelne Messwerte bei bestimmten Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen. Diese Punkte stellen durch Tests bei einer Lenksystemgeneration ermittelte lenksystemspezifische Durchschnitts-Gesamtdrehmomente für bestimmte Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen dar, die aus einer Vielzahl von Gesamtdrehmomentwerten ermittelt wurden.
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Da bei zahlreichen Testfahrten nicht immer exakt die Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen erreicht werden, sind die einzelnen Punkte insbesondere das rechnerische Ergebnis aus einem „Punktebereich”, der sich um diesen Durchschnittswert herum bei Messungen ergeben hat. Das bedeutet, bei sehr nahe zusammenliegenden, ähnlichen Lenkeinschlag-Geschwindigkeitswerten werden diese Werte gemeinsam herangezogen, um für diese Zone einen mittleren Lenkeinschlag und eine mittlere Fahrgeschwindigkeit zu bestimmen und zusätzlich zu dieser mittleren Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination einen mittleren lenksystemspezifischen Durchschnittsgesamtdrehmomentwert, der den entsprechenden Punkt darstellt. In 10b ist sozusagen eine der zahlreichen in 4 gezeigten Zonen vereinfacht und vergrößert dargestellt. Die Säulen symbolisieren einzelne Messwerte von lenksystemspezifischen Gesamtdrehmomenten, die im Testfahrbetrieb ermittelt wurden. Aus diesen zahlreichen Messwerten für eine Zone wird ein Durchschnittswert, der im Folgenden mittleres lenksystemspezifisches Gesamtdrehmoment genannt wird, ermittelt. Dieser Wert steht sozusagen in der „Mitte” der zugeordneten Zone.
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Vorzugsweise werden zur Ermittlung eines mittleren lenksystemspezifischen Durchschnittsgesamtdrehmomentwertes etwa hundert Einzelwerte herangezogen.
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Bildlich gesprochen ergibt sich durch die zahlreichen mittleren lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmomentwerte eine Art Fläche im Raum (siehe 4). Diese Fläche wird durch die einzelnen Durchschnitts-Gesamtdrehmomentpunkte oder Zonen mit ihren jeweiligen mittleren lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmomenten aufgespannt.
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Es ergeben sich natürlich Lücken, die in Bereichen entstehen, in denen zu wenig Werte vorhanden sind. Diese Lücken werden dadurch aufgefüllt, dass für manche Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen die entsprechenden Durchschnittswerte ohne Testfahrten empirisch bestimmt werden, nämlich auf Basis der durch Testfahrten ermittelten Gesamtdrehmomente, genauer gesagt auf Basis von lenksystemspezifischen oder mittleren lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmomenten bei angrenzenden, das heißt geringfügig abweichenden Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen oder angrenzenden Zonen.
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Somit sind im Speicher empirisch ermittelte und über Testfahrten ermittelte Durchschnitts-Gesamtdrehmomentwerte für zahlreiche oder nahezu alle Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen abgelegt, die durch die Fläche in 4 symbolisiert sind.
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Aufgrund der Schwankungen der Gesamtdrehmomente im Fahrbetrieb kann natürlich nicht aus einem einzigen gegenüber den abgelegten Daten höheren aktuell ermittelten Gesamtdrehmoment geschlossen werden, dass das Lenksystem defekt ist.
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Aus diesem Grund werden zuerst Grenzdrehmomente ermittelt und im Speicher 33 abgelegt, die sich aus den in 4a gezeigten lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmomenten ergeben, auf die noch ein zusätzlicher Drehmomentwert jeweils aufsummiert wird, der mindestens zwei Sigma, insbesondere drei Sigma entspricht (siehe 4b), also der dreifachen Standardabweichung, wie zuvor bereits erläutert.
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Die Standardabweichung wird, wie in 4b zu sehen ist, wiederum für jeden hinterlegten Punkt oder Zone ermittelt und ergibt sich für die durch Testfahrten bestimmten Punkte oder Zonen aus der Streuung der gemessenen Gesamtdrehmomente bei bestimmten Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen oder in einer vorbestimmten Zone von Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen. Für die zuvor erwähnten empirisch ermittelten Punkte oder Zonen (das heißt für Punkte/Zonen, für die nicht ausreichend viele Messwerte vorlagen) werden die Streuungen der benachbarten Punkte oder Zonen als Vergleich herangezogen, das heißt entweder hochgerechnet oder einfach übernommen.
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In 4c ist das Grenzdrehmoment als Summe aus dem lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmoment und der dreifachen Standardabweichung dargestellt.
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Bevorzugt werden jedoch als Grenzdrehmomente die in 4c gezeigten Werte plus einem Sicherheitsabstand herangezogen. Das heißt, zusätzlich wird noch ein Sicherheitsabstand oder Sicherheitsdrehmoment zu dem lenksystemspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmoment und der mehrfachen Standardabweichung hinzugezählt, die üblicherweise ein fester Wert für alle Grenzdrehmomente ist, um die Streuung in der Fertigung zu berücksichtigen. In 9b ist grafisch symbolisiert das hinterlegte Grenzdrehmoment für eine bestimmte Zone oder eine bestimmte Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination dargestellt, das sich aus dem lenkspezifischen Durchschnitts-Gesamtdrehmoment, das auch das mittlere lenksystemspezifische Gesamtdrehmoment umfassen kann, der Standardabweichung und dem Sicherheitsabstand zusammensetzt.
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Somit ergeben sich Grenzdrehmomentwerte, die eine Fläche aufspannen würden, die über der Fläche gemäß 4 liegt.
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Das EPS-System und die Vorrichtung zum Überwachen des EPS-Lenksystems sieht vor, dass im normalen Fahrbetrieb wiederholt, das heißt in bestimmten Zeitabständen oder nahezu permanent der Lenkeinschlag über den Sensor 15 aktuell gemessen wird, ebenso die augenblickliche Fahrzeuggeschwindigkeit über einen weiteren Sensor. Zu diesen Messzeitpunkten und damit wiederholt oder permanent wird auch das augenblickliche Gesamtdrehmoment im Lenksystem, hier in der Lenkwelle 5 über den Sensor 17 und den Motor 11 bestimmt.
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Auch im laufenden Betrieb werden für zahlreiche Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen aus einer großen Anzahl von gemessenen Gesamtdrehmomenten jeweils aktuelle Durchschnitts-Gesamtdrehmomente bestimmt, insbesondere auch aus etwa 100 Werten pro Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination, worunter, wie mehrfach gesagt, auch eine Zone einer Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination zählt, Ferner wird dieselbe Standardabweichung aus der Vielzahl von Werten pro Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination (worunter auch eine Zone einer Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination zählt) bestimmt, also z. B. 2 oder 3 Sigma (je nach dem, ob 2 oder 3 Sigma für die Bestimmung des Grenzdrehmomentes herangezogen wurde).
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Die für die jeweilige Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination spezifische Standardabweichung wird zum zugeordneten aktuellen Durchschnitts-Gesamtdrehmoment hinzuaddiert, um damit ein sogenanntes Vergleichs-Gesamtdrehmoment für die entsprechende Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination oder die entsprechende Zone zu erhalten (siehe 9a).
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Das dann aktuelle Vergleichs-Gesamtdrehmoment (9a) wird mit dem hinterlegten Grenzdrehmoment (9b) bei derselben Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination oder Zone in der Steuerung 13 verglichen. Wird das Grenzdrehmoment überschritten, wird diese Überschreitung im Speicher 33 abgelegt.
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Anstatt nur Werte einzelner Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen zu ermitteln und zu vergleichen ist natürlich auch die vorerwähnte Zusammenfassung von Werten in einer Zone möglich. In 10a ist für eine Zone symbolisch dargestellt, dass aus einzelnen Messwerten von augenblicklichen Gesamtdrehmomenten innerhalb der Zone ein mittleres aktuelles Durchschnitts-Gesamtdrehmoment ermittelt wird. Dieses mittlere aktuelle Durchschnitts-Gesamtdrehmoment wird dann bezogen auf 9a als Basis herangezogen, um mit der Standardabweichung das Vergleichs-Gesamtdrehmoment zu bilden.
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In 5 sind die ermittelten Werte Vergleichs-Gesamtdrehmomente über einen bestimmten Fahrzeitraum angegeben. Auch diese Werte können eine Fläche aufspannen.
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Die tatsächlichen Werte werden dabei gespeichert, und es wird laufend überprüft, ob und bei welchen Lenkeinschlag-Geschwindigkeitswerten oder Zonen das zugeordnete, hinterlegte Grenzdrehmoment und gegebenenfalls wie häufig es überschritten wird.
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Dieses Überschreiten ist in 6 dargestellt. Die netzartige Fläche symbolisiert dabei die durch die Grenzdrehmomente aufgespannte Fläche. Die Spitzen sind die Vergleichs-Gesamtdrehmoment, die über dem jeweiligen Grenzwert liegen.
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Vorbestimmt ist, dass das Signal nicht bereits bei erstmaligem Überschreiten eines einzigen Grenzdrehmoments ausgelöst wird, sondern erst bei Überschreitung von mehreren Grenzwerten bei unterschiedlichen Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen beziehungsweise unterschiedlichen Zonen, um sogenannte „Ausreißer” zu vermeiden. Beim Lenksystem, dessen Werte in 5 dargestellt sind und das nicht defekt ist, ergeben sich im Fahrbetrieb beispielsweise die in 6 gezeigten Überschreitungen, die unkritisch sind.
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Bei den Messwerten gemäß 7, die im Durchschnitt bereits höher liegen als die in 5 gezeigten Werte, handelt es sich um Vergleichs-Gesamtdrehmomente, die bei einem defekten EPS-Lenksystem ermittelt wurden, bei dem beispielsweise eine Balgdichtung um die Kugelmutter undicht wurde und durch Wassereintritt Korrosion auftritt.
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In 8 ist dabei zu sehen, dass es zu einer Häufung von Überschreitungen des Vergleichs-Gesamtdrehmoments bei zahlreichen Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen oder Zonen kommt.
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Beispielsweise können als Grenze für die Alarmauslösung singuläre Überschreitungen bei sechs unterschiedlichen und u. U. um bestimmte Werte auseinanderliegenden Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen oder Zonen festgelegt werden. Sobald diese Anzahl an Überschreitungen erreicht ist, gibt der Prozessor 13 ein Signal aus, indem er den Signalgeber 31 entsprechend ansteuert.
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Wenn vor Erreichen der vorgegebenen Anzahl an Überschreitungen des Grenzdrehmoments bei einer Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination oder einer vorgegebenen Zone einer Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination, für die zuvor schon einmal eine Überschreitung ihres Grenzdrehmomentes ermittelt wurde, eine Unterschreitung des Grenzdrehmoments detektiert wird, wird die vorhergehende Überschreitung für diese Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombinationen oder der vorgegebenen Zone der Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination wieder gelöscht. Damit wird die für die Auslösung des Signals abgespeicherte Anzahl an Überschreitungen entweder reduziert oder komplett auf Null gesetzt, sodass die Messung und Zählung für diese Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination oder die vorgegebene Zone einer Lenkeinschlag-Geschwindigkeitskombination wieder von vorne beginnt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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