DE102013220519A1

DE102013220519A1 - Erkennen von erhöhter Reibung in einer Servolenkung mit Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE102013220519A1
Application number: DE102013220519.8A
Authority: DE
Inventors: Frank Peter Engels
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2033-10-12
Also published as: US10479401B2; DE102013220519B4; US20140121884A1

Abstract

Die Erfindung führt eine elektrisch unterstützte Servolenkung (9) mit Kugelgewindetrieb (6) ein, die einen in der Lenkung (9) angeordneten Sensor (8) aufweist. Der Sensor (8) ist ausgebildet, eine akustische Schwingung oder ein Beschleunigungssignal in der Lenkung (9) während einer Lenkwinkeländerung zu detektieren und ein die Schwingung bzw. das Beschleunigungssignal repräsentierendes Sensorsignal zu erzeugen und an eine Steuereinheit (7) zu übermitteln. Die Steuereinheit (7) ist dabei dazu ausgebildet, das Sensorsignal mit einem Schwellwert zu vergleichen und einen Fehlerzustand festzustellen, wenn das Sensorsignal größer als der Schwellwert ist. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit (7) außerdem dazu ausgebildet, einen eine Umgebungstemperatur repräsentierenden Temperaturwert zu empfangen und den Schwellwert in Abhängigkeit von dem Temperaturwert zu wählen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug (1) mit einer erfindungsgemäßen Servolenkung (9).

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte elektrisch unterstützte Servolenkung mit Kugelgewindetrieb und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Servolenkung.
Bei Zahnstangenlenkungen kann es aufgrund von beschädigten Manschetten zum Eintreten von Feuchtigkeit und Verunreinigungen in das Lenkgetriebe kommen, wodurch eine unerwünschte Rostbildung einsetzt. Bei hydraulischen Lenkgetrieben kann es langfristig zu einer Beschädigung der Dichtungen kommen, so dass schließlich das Lenkungsöl austritt. Dies hat zur Folge, dass der Fahrer beim Lenken nicht mehr unterstützt wird, was einen unmissverständlichen Hinweis auf einen Defekt der Lenkung bedeutet.
Servolenkungen mit Kugelgewindetrieb – auch Rack Eletric Power Assisted Stearing, REPAS, genannt – verwenden eine elektrische Lenkunterstützung, wodurch die Möglichkeit eines Austretens des Lenkungsöls entfällt. Allerdings besteht auch hier das Problem der Rostbildung in der Lenkung, insbesondere an den Kugellaufbahnen der Zahnstange, den Kugeln des Kugelumlauftriebes und den Laufbahnen des Kugelumlauftriebes, durch die sich die Reibung des Lenksystems erhöht. Da ein Ausfall der elektrischen Unterstützung jedoch erst bei sehr fortgeschrittener Rostbildung und stark erhöhten Reibungskräften zu erwarten ist, kommt es nicht zu einer Beeinträchtigung für den Fahrer. Eine frühzeitige Warnung des Fahrers ist daher wünschenswert.
Hierzu sind Verfahren zur Reibungserkennung bekannt, die jedoch nicht in der Lage sind, die Reibung innerhalb des Lenkgetriebes isoliert von anderen Einflüssen wie den Reibungen der mit dem Lenkgetriebe verbundenen Komponenten, beispielsweise Schwenklager und Stoßdämpfer, zu bestimmen. Deshalb kann es bei solchen Lösungen vorkommen, dass aufgrund einer vorgefundenen erhöhten Reibung die komplette Lenkung ausgetauscht wird, obwohl die Lenkung selbst keine Rostbildung beziehungsweise erhöhte Reibung aufweist, also unbeschädigt ist. Die bekannten Verfahren zur Reibungserkennung führen daher zu einem unerwünschten Austausch noch funktionsfähiger Lenkgetriebe.
Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, eine verbesserte Möglichkeit zur Erkennung einer erhöhten Reibung in einem Lenkgetriebe einer REPAS-Lenkung einzuführen.
Ein erster Aspekt der Erfindung führt daher eine elektrisch unterstützte Servolenkung mit Kugelgewindetrieb ein, die einen in der Lenkung angeordneten Sensor aufweist. Der Sensor ist ausgebildet, ein akustisches Signal („Airborne noise“) oder eine Beschleunigung (Schwingung, „structure born noise“) in der Lenkung während einer Lenkwinkeländerung zu detektieren und ein die akustische Schwingung/Geräusch oder die Beschleunigung repräsentierendes Sensorsignal zu erzeugen und an eine Steuereinheit zu übermitteln. Die Steuereinheit ist dabei dazu ausgebildet, das Sensorsignal mit einem Schwellwert zu vergleichen und einen Fehlerzustand festzustellen, wenn das Sensorsignal größer als der Schwellwert ist. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dabei dazu ausgebildet, einen eine Umgebungstemperatur repräsentierenden Temperaturwert zu empfangen und den Schwellwert in Abhängigkeit von dem Temperaturwert zu wählen.
Die Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, dass die durch die Rostbildung oder das Eindringen von Schmutzpartikeln erhöhte Reibung durch eine Geräuschbildung und/oder ein Beschleunigungssignal beim Durchlenken begleitet wird. Die Erfindung setzt daher vorteilhaft einen Sensor ein, der akustische Schwingungen bzw. Beschleunigungen in der Lenkung aufnimmt. Das Sensorsignal kann dann in einfacher Weise auf das Vorliegen eines Fehlerfalls, also einer unzulässig erhöhten Reibung, untersucht werden. Die Reibung wird also nur indirekt bestimmt. Allerdings ist eine hierdurch eventuell verursachte Reduktion der Messgenauigkeit ohne Belang, da eine grobe Quantifizierung der Reibung beziehungsweise des Zustandes des Lenkgetriebes für den gewünschten Zweck ausreicht. Die Erfindung besitzt eine erhöhte Genauigkeit der Bestimmung des Vorliegens erhöhter Reibung in der Lenkung, indem sie die Umgebungstemperatur dergestalt berücksichtigt, dass der Schwellwert in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gewählt wird. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil die in der Lenkung zu erwartende Reibung abhängig von der Umgebungstemperatur ist. Beispielsweise kann die Reibung bei niedrigen Temperaturen aufgrund einer erhöhten Viskosität von Schmiermitteln oder bei hohen Temperaturen aufgrund einer Wärmeausdehnung beweglicher Elemente der Lenkung wie beispielsweise der Kugeln eines Kugelgewindetriebes nur vorübergehend erhöht sein. Die Vorrichtung der Erfindung ist robust gegenüber Messfehlern aufgrund solcher Umwelteinflüsse.
Da es sich bei dem beschriebenen Problemkomplex um langfristige Veränderungen handelt, ist auch vorstellbar, einen Fehlerzustand erst dann festzustellen, wenn innerhalb eines bestimmten Zeitraumes oder bezogen auf eine bestimmte Zahl von Lenkvorgängen mindestens eine bestimmte Anzahl von Überschreitungen des Schwellwertes gefunden wurden. Der aktuelle Lenkwinkel, aus dem die Lenkwinkeländerung abgeleitet werden kann, ist in der Steuereinheit üblicherweise ohnehin bekannt oder kann durch einen Lenkwinkelsensor festgestellt werden.
Vorzugsweise beinhaltet der Sensor wenigstens einen der hier aufgezählten Sensoren: einen Beschleunigungssensor, einen akustischen Sensor, einen Drehmomentensensor, einen Positionssensor oder einen Stromaufnahmesensor. Dabei können auch Signale von aus anderen Gründen verbauten Sensoren nutzbringend für den Erfindungszweck verwendet werden. Insbesondere ist auch vorstellbar, eine Kombination der genannten Sensortypen zu verwenden und deren jeweiligen Sensorsignale gemeinschaftlich bei dem Schwellwertvergleich zu berücksichtigen. Das die Schwingung repräsentierende Sensorsignal umfasst dann eine Mehrzahl von individuellen Sensorsignalen. Auch können Daten von Sensoren, die weitere Umgebungsbedingungen wie die Luftfeuchtigkeit bestimmen, berücksichtigt werden. Dies kann beispielsweise geschehen, indem der Schwellwert außerdem abhängig von den gemessenen Umgebungsbedingungen eingestellt wird.
Der Sensor kann in die Steuereinheit integriert sein. Dies hat den Vorteil, dass der Aufwand für eine zusätzliche Verkabelung entfällt.
Alternativ oder zusätzlich kann der Sensor an dem Kugelgewindetrieb angeordnet sein. Dort ist die intensivste Geräuschentwicklung bzw. das intensivste Beschleunigungssignal für den zu detektierenden Fehlerfall zu erwarten, so dass der Sensor Sensorsignale mit erhöhter Messgenauigkeit erzeugen kann.
Bevorzugt ist der Schwellwert ein Amplitudenwert oder ein Frequenzband. Dabei ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, eine maximale Aussteuerung des Sensorsignals mit dem Schwellwert zu vergleichen. Die Aussteuerung des Sensorsignals bietet eine zuverlässige Information über die Intensität der Geräuschentwicklung im Lenkgetriebe.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, den Fehlerzustand einem Human-Machine-Interface zur Signalisierung an einen Fahrer zu übermitteln. Die Übermittlung kann dabei beispielsweise über einen CAN-Bus (Controller Area Network) des Kraftfahrzeugs erfolgen.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, nach Feststellung des Fehlerzustandes einen elektrischen Hilfsmotor der Servolenkung zu deaktivieren. Dies kann insbesondere nach einem nach der Feststellung des Fehlerzustandes erfolgenden Neustart des Kraftfahrzeugs erfolgen, da eine Deaktivierung des Hilfsmotors der Servolenkung während einer Fahrt eine Gefährdung der Fahrzeuginsassen und der Umgebung bedeuten kann, wenn das Steuerverhalten des Kraftfahrzeuges durch den Wegfall der Lenkunterstützung beeinträchtigt wird.
Die Servolenkung kann über eine Filtereinheit verfügen, welche zwischen den Sensor und die Steuereinheit geschaltet und ausgebildet ist, das Sensorsignal zu filtern. Durch die Filterung können unerwünschte Signalanteile gedämpft werden, was die Genauigkeit der Erkennung des Fehlerzustandes erhöht.
Insbesondere kann die Filtereinheit ausgebildet sein, Frequenzanteile des Sensorsignals oberhalb einer oberen Grenzfrequenz zu unterdrücken. Die obere Grenzfrequenz kann beispielsweise 10 kHz oder weniger betragen. Zusätzlich kann auch eine untere Grenzfrequenz vorgesehen sein, unter der Frequenzanteile des Sensorsignals unterdrückt werden. Die untere Grenzfrequenz kann beispielsweise wenigstens 100 Hz betragen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt ein Kraftfahrzeug mit einer Servolenkung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Abbildung eines Ausbildungsbeispiels näher beschrieben. Die einzige 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer erfindungsgemäßen Servolenkung 9.
Das Kraftfahrzeug 1 ist in 1 nur schematisch mit Rädern 2 dargestellt, von denen zwei von einem Lenkgetriebe 6 zum Lenken ausgerichtet werden können. Das Lenkgetriebe 6 ist vorliegend als Kugelgewindetrieb ausgeführt. Ein Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 teilt hierzu einen Lenkwunsch über ein Lenkrad 3 mit. Eine Differenz zwischen einer Auslenkung des Lenkrades 3 und einer tatsächlichen Auslenkung des Lenkgetriebes 6 kann anhand eines geeigneten Sensors wie einem Torsionsstab 4, der das Lenkrad 3 mit einer Zahnstange 10 verbindet, bestimmt werden. Eine Steuereinheit 7 steuert einen an der Zahnstange 10 angeordneten, als elektrischer Hilfsmotor fungierenden Elektromotor 5 derart, dass eine Abweichung zwischen der Auslenkung des Lenkrades 3 und der Auslenkung des Lenkgetriebes 6 ausgeglichen wird. Die vom Elektromotor 5 angetriebene Zahnstange 10 bewegt dann das Lenkgetriebe 6, wodurch die Räder 2 vom Lenkgetriebe 6 wie vom Fahrer gewünscht ausgerichtet werden. Erfindungsgemäß ist in dem Ausführungsbeispiel der 1 ein Sensor 8 vorgesehen, der akustische Schwingungen und/oder Beschleunigungssignale in dem Lenkgetriebe 6 misst und ein Sensorsignal an die Steuereinheit 7 übermittelt. Zwischen den Sensor 8 und die Steuereinheit 7 kann eine Filtereinheit 12 geschaltet sein, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in die Steuereinheit 7 integriert ist. Die Steuereinheit 7 wertet das Sensorsignal nach Filterung durch die Filtereinheit 12 geeignet aus und stellt – wie bereits beschrieben – gegebenenfalls einen Fehlerzustand fest, wenn die für die gemessene Geräuschentwicklung ursächliche Reibung im Lenkgetriebe 6 unzulässig erhöht ist. Die Steuereinheit 7 bringt dem Fahrer des Kraftfahrzeuges 1 den Fehlerzustand anhand eines Human-Machine-Interfaces 11, beispielsweise durch eine im Armaturenbrett angeordnete Warnlampe, zur Kenntnis.
Erfindungsgemäß ist in dem Kraftfahrzeug 1 ein Temperatursensor 13 vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, eine Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs zu messen. Die gemessene Umgebungstemperatur wird durch den Temperatursensor 13 direkt oder mittelbar an die Steuereinheit 7 als ein Temperaturwert übergeben. Die Steuereinheit 7 empfängt den Temperaturwert und wählt den Schwellwert, der für die Beurteilung des Vorliegens erhöhter Reibung in der Lenkung verwendet wird, in Abhängigkeit des Temperaturwertes. Da für niedrige Temperaturen eine erhöhte Viskosität von Schmiermitteln und gegebenenfalls eine Erstarrung von in die Lenkung eingedrungener Feuchtigkeit zu erwarten ist, ist auch eine erhöhte Reibung zu erwarten, die jedoch nicht notwendigerweise eine Fehlfunktion der Lenkung bedeutet. Außerdem kann bei hohen Temperaturen erhöhte Reibung vorliegen, wenn sich bewegliche Elemente der Lenkung wie die Kugeln eines Kugelgewindetriebes wegen der Erwärmung ausdehnen. Daher kann der Schwellwert beispielsweise innerhalb eines Temperaturbereichs geringer gewählt werden als ober- und/oder unterhalb des Temperaturbereichs.
Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es sind jedoch Abweichungen von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen.
Der Beschleunigungssensor kann zeitgleich auch genutzt werden, um weitere Fehler im Lenkgetriebe wie z. B. ein Überspringen des Zahnriemens, „normalen“ Verschleiß im Lenkgetriebe (z. B. Versschleiß des Gleitsteins, der zu Verzahnungsklappern führen kann) oder sogar im Extremfall Brüche von Bauteilen (z. B. durch unsachgemäße Behandlung/Reparatur) des Lenkgetriebes zu detektieren.

Claims

Eine elektrisch unterstützte Servolenkung (9) mit Kugelgewindetrieb (6), gekennzeichnet durch einen in der Lenkung (9) angeordneten Sensor (8), der ausgebildet ist, eine akustische Schwingung und/oder eine Beschleunigung in der Lenkung (9) während einer Lenkwinkel-änderung zu detektieren und ein die akustische Schwingung und/oder die Beschleunigung repräsentierendes Sensorsignal zu erzeugen und an eine Steuereinheit (7) zu übermitteln, wobei die Steuereinheit (7) ausgebildet ist, das Sensorsignal mit einem Schwellwert zu vergleichen und einen Fehlerzustand festzustellen, wenn das Sensorsignal größer als der Schwellwert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) ausgebildet ist, einen eine Umgebungstemperatur repräsentierenden Temperaturwert zu empfangen und den Schwellwert in Abhängigkeit von dem Temperaturwert zu wählen.
Servolenkung (9) gemäß Anspruch 1, bei der der Sensor (8) wenigstens einen der hier aufgezählten Sensoren: einen Beschleunigungssensor, einen Drehmomentensensor, einen Positionssensor oder einen Stromaufnahmesensor beinhaltet.
Servolenkung (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sensor (8) in die Steuereinheit (7) integriert ist.
Servolenkung (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sensor (8) an dem Kugelgewindetrieb (6) angeordnet ist.
Servolenkung (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schwellwert ein Amplitudenwert ist und bei dem die Steuereinheit (7) ausgebildet ist, eine maximale Aussteuerung des Sensorsignals mit dem Schwellwert zu vergleichen.
Servolenkung (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (7) ausgebildet ist, den Fehlerzustand einem Human-Machine-Interface (11) zur Signalisierung an einen Fahrer zu übermitteln.
Servolenkung (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (7) ausgebildet ist, nach Feststellung des Fehlerzustandes einen elektrischen Hilfsmotor (5) der Servolenkung (9) zu deaktivieren.
Servolenkung (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Filtereinheit (12), welche zwischen den Sensor (8) und die Steuereinheit (7) geschaltet und ausgebildet ist, das Sensorsignal zu filtern.
Servolenkung (9) gemäß Anspruch 8, bei dem die Filtereinheit (12) ausgebildet ist, Frequenzanteile des Sensorsignals oberhalb einer oberen Grenzfrequenz zu unterdrücken.
Ein Kraftfahrzeug (1) mit einem Temperatursensor (13) und einer Servolenkung (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.