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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Korrosion an einer Zahnstange eines Lenksystems für ein Fahrzeug, wobei die Vorrichtung wenigstens einen lichtempfindlichen Empfänger und eine mit dem Empfänger signaltechnisch verbundene Auswerteeinrichtung aufweist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Lenksystem für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer verlagerbaren Zahnstange, die mit lenkbaren Rädern des Fahrzeugs gekoppelt und durch ein Antriebsritzel antreibbar ist.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen und Lenksysteme der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Lenksysteme für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, weisen in der Regel eine verlagerbare, insbesondere verschiebbare, Zahnstange auf, die durch ein Antriebsritzel, das mit der Zahnstange kämmt, antreibbar beziehungsweise verlagerbar ist. Das Antriebsritzel wird dabei beispielsweise durch einen Elektromotor, hydraulisch und/oder manuell durch einen Fahrer des Fahrzeugs angetrieben.
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Zur Versorgung der Zahnstange mit einem Schmiermittel, um einen sicheren und dauerhaften Betrieb des Lenksystems zu gewährleisten, ist üblicherweise ein Gehäuse vorgesehen, welches zum einen dafür sorgt, dass das Schmiermittel im Bereich der Zahnstange verbleibt, und zum anderen die Zahnstange auch vor äußeren Einflüssen, wie Verschmutzungen oder Korrosion schützt. Dringt jedoch trotzdem Feuchtigkeit oder Wasser in das Gehäuse ein, kann dies dazu führen, dass die Zahnstange selbst oxidiert und Korrosionserscheinungen auftreten. Weil die Zahnstange in der Regel aufgrund ihrer Festigkeits- und Bearbeitungsanforderungen aus einem Material besteht, das besonders schnell zur Rostbildung neigt, ist es daher wünschenswert, den Korrosionszustand der Zahnstange auf einfache Art und Weise überwachen zu können. Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, mittels eines lichtempfindlichen Empfängers, der als Kamerasensor ausgebildet ist, die Oberflächenstruktur der Zahnstange zu erfassen und anhand der erfassten Bilder mittels einer entsprechenden Bildauswertung den Korrosionszustand zu bestimmen.
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Ferner ist aus der
DE 10 2014 118 619 A1 eine Vorrichtung zur Erfassung und/oder Überwachung einer Oberflächeneigenschaft, wie beispielsweise von Korrosion, einer medienberührenden Oberfläche bekannt, mit zwei Lichtquellen, die Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugen und derart ausgerichtet sind, dass sie zumindest im Wesentlichen den gleichen Bereich der Oberfläche beleuchten, mit einem lichtempfindlichen Empfänger, welcher mehrere Fotodioden aufweisen kann, und mit einer mit dem Empfänger signaltechnisch verbundenen Auswerteeinrichtung.
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Zudem ist aus der
US 5,623,341 A eine Vorrichtung zur Erfassung einer Oberflächeneigenschaft, wie Korrosion, bekannt, wobei die Erfassung der Oberflächeneigenschaft mittels nichtlinearer Oberflächenspektroskopie erfolgt. Dazu wird eine Lichtquelle in Form eines Lasers und ein Empfänger in Form eines Photomultipliers oder einer Avalanche-Photodiode verwendet.
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Darüber hinaus offenbart die
WO 2016/111866 A1 ein Lenksystem mit einem Lenkgehäuse und wenigstens einem am Lenkgehäuse angeordneten Sensor zur Erfassung von in das Lenkgehäuse eindringender Feuchtigkeit oder Wasser.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Korrosionsbestimmung mit einem geringen Aufwand kostengünstig und zeitnah durchführbar ist, wobei die Vorrichtung derart kompakt beziehungsweise bauraumsparend darstellbar ist, dass sie sich ohne weiteres in auch bestehende Lenksysteme integrieren lässt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zwei Lichtquellen aufweist, die dazu ausgebildet sind, Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugen, und derart ausgerichtet sind, dass sie zumindest im Wesentlichen den gleichen Bereich auf der Zahnstange beleuchten. Die Lichtquellen sind also derart ausgerichtet, dass sich ihre Lichtstrahlen in einem Fokuspunkt zumindest im Wesentlichen überschneiden, sodass die Lichtstrahlen von der dergleichen Oberfläche beziehungsweise von dem gleichen Oberflächenbereich der Zahnstange reflektiert werden. Dadurch, dass die Lichtquelle Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugen, wird ein unterschiedliches Reflektionsverhalten erwartet und kann mittels des Empfänger auf einfache Art und Weise durch die Auswerteeinrichtung ausgewertet werden, um den Korrosionszustand der Zahnstange zu bestimmen.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Empfänger mindestens zwei Fotodioden oder mindestens zwei Fototransistoren aufweist, wobei die zwei Empfangsmittel derart ausgebildet sind, dass sie unterschiedlich empfindlich auf bestimmte Wellenlängen des Lichts reagieren. Dadurch wird die Auswertung des vom Empfänger empfangenen Bildmaterials noch einfacher und ressourcensparender.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein die Auswerteeinrichtung aufweisendes Steuergerät speziell dazu hergerichtet ist, die Lichtquellen abwechselnd einzuschalten. Damit wird der eine Bereich der Zahnstange nicht von beiden Lichtquellen gleichzeitig beleuchtet, sondern abwechselnd beziehungsweise nacheinander. Hierdurch ergibt sich ein vorteilhaftes Reflektionsverhalten, das von dem Empfänger erfasst wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine der Lichtquellen eine Wellenlänge aufweist, die von Rost besonders stark absorbiert wird, und die andere Lichtquelle eine Wellenlänge, die von Rost besonders stark reflektiert wird. Dadurch wird ein Kontrast von rostbehafteten Bereichen der Zahnstange zu rostfreien Bereichen der Zahnstange erhöht und die Auswertung vereinfacht. Weist die Zahnstange keinen Rost auf, verhält sich die Reflektion reziprok oder beide Lichtquellen werden gleich stark reflektiert oder absorbiert. Ist das reflektierte Licht der Rostfarbe stärker als das reflektierte Licht eines korrosionsfreien Bereichs der Zahnstange, so wird darauf erkannt, dass Korrosion an der Zahnstange vorliegt und es wird insbesondere eine Warnmeldung an den Fahrer beziehungsweise Benutzer des Lenksystems ausgegeben, sodass dieser eine Werkstatt zur Wartung des Lenksystems anfahren kann.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung ein Verdunklungsgehäuse aufweist, das in oder an einem die Zahnstange einhausenden Lenkgehäuse des Lenksystems anordenbar/angeordnet ist. Durch das Verdunklungsgehäuse wird erreicht, dass die Reflektion beziehungsweise der Empfänger nicht durch Fremdlicht in seiner Funktion beeinträchtigt wird, sodass beispielsweise eine Fehlmeldung trotz korrosionsfreier Zahnstange erzeugt wird. Zweckmäßigerweise ist das Verdunklungsgehäuse dazu ausgebildet, eine Öffnung am Lenkgehäuse des Lenksystems zu überdecken, sodass kein Fremdlicht in das Lenkgehäuse eindringt, das das Messergebnis beeinflussen könnte. Ist das Verdunklungsgehäuse selbst in dem Lenkgehäuse angeordnet, wird dadurch die Sicherheit vor Fremdlicht zum einen erhöht, und zum anderen die Sensorik der Vorrichtung vor Verschmutzungen, beispielsweise durch das Schmiermittel oder dergleichen geschützt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Steuergerät dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Amplitude des an der Zahnstange reflektierten Lichts einen Verschmutzungsgrad der Zahnstange zu bestimmen. Somit kann zusätzlich zu einer Korrosionsüberwachung auch der Verschmutzungsgrad der Zahnstange beziehungsweise des Lenksystems erfasst werden, um bei Bedarf eine Warnmeldung auszugeben.
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Das erfindungsgemäße Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Vorrichtung derart an dem Lenksystem, insbesondere an dem Lenkgehäuse angeordnet ist, dass ein möglichst großer Bereich der Zahnstange durch die Vorrichtung erfasst werden kann, wenn diese verschoben wird, sodass eine möglichst großflächige Korrosionsprüfung der Zahnstange gewährleistet ist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung derart an dem Lenkgehäuse angeordnet ist, dass ein Bereich der Zahnstange durch die Lichtquellen beleuchtbar ist, in welchem eine Korrosion der Zahnstange am wahrscheinlichsten ist. Ein derartiger Bereich kann beispielsweise in der Nähe von Dichtstellen zur Umgebung des Lenkgehäuses liegen oder an der Unterseite der Zahnstange, der zuerst von eindringender Feuchtigkeit oder Wasser benetzt werden würde.
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Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass in dem Lenkgehäuse mehrere der erfindungsgemäßen Vorrichtungen angeordnet sind, um eine Prüfung der vollständigen oder nahezu vollständigen Zahnstange zu gewährleisten und bevorzugt ist die jeweilige Vorrichtung derart an dem Lenkgehäuse befestigt, dass sie einfach von außen montiert und demontiert werden kann, sodass sie in einem Fall von Feuchtigkeit leicht gereinigt werden kann.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens einen Feuchtigkeitssensor zum Erfassen der Feuchtigkeit oder Wasser aufweist. Dadurch kann auch noch vor dem Auftreten von Korrosionserscheinungen eine Warn- oder Fehlermeldung ausgegeben werden, sodass die Feuchtigkeit entfernt und eine Korrosion von vorne herein verhindert werden kann.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigt
- Figur ein Lenksystem eins Kraftfahrzeugs in einer vereinfachten Darstellung.
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Die Figur zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Lenksystem 1 eines Kraftfahrzeugs, das eine in einem Lenkgehäuse 2 angeordnete Zahnstange 3 aufweist, die in ihrer Längserstreckung verschiebbar gelagert ist. Die Zahnstange 3 kämmt mit einem Antriebsritzel 4, das mit einer Antriebswelle 5 drehfest verbunden. Die Antriebswelle 5 ist beispielsweise mit einem Elektromotor oder mit einer Lenkstange, die vom Fahrer des Kraftfahrzeugs bedienbar ist, verbunden. Außerdem ist die Zahnstange 3 an ihren Stirnenden mit jeweils einer Koppelstange 6 verbunden, die zu jeweils einem lenkbaren Rad des Kraftfahrzeugs führt. Wird die Antriebswelle 5 gedreht, wie durch einen Pfeil gezeigt, so wird dadurch infolge die Zahnstange 3 verschoben, wodurch die Koppelstangen 6 ebenfalls bewegt und die damit verbundenen Räder entsprechend gelenkt werden. Insoweit entspricht das Lenksystem 1 einem herkömmlichen Lenksystem.
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Dem Lenksystem 1 ist eine Vorrichtung 7 zugeordnet, die vorliegend in dem Lenkgehäuse 2 angeordnet ist. Die Vorrichtung 7 weist ein Verdunklungsgehäuse 8 auf, welches eine Öffnung in der Gehäusewand des Lenkgehäuses 2 lichtdicht verschließt. In oder an dem Gehäuse 8 sind zwei Lichtquellen 9 und 10 angeordnet. Die Lichtquellen 9, 10 sind dazu ausgebildet, Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen zu erzeugen, sodass die Lichtquellen 9 ein Licht mit einer ersten Lichtwellenlänge und die Lichtquelle 10 ein Licht mit einer zweiten Wellenlänge erzeugt, sofern die Lichtquelle 9, 10 eingeschaltet beziehungsweise aktiviert/angesteuert werden.
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Weiterhin weist die Vorrichtung 7 einen Empfänger 11 auf, der ein oder zwei Fotodioden oder Fototransistoren 12 umfasst.
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Die Lichtquellen 9, 10 sind dabei derart an dem Verdunkelungsgehäuse 8 und dem Lenkgehäuse 2 ausgerichtet, dass sie die Lenkzange 3 jeweils an der gleichen Stelle oder zumindest im Wesentlichen an der gleichen Stelle beleuchten. Der Empfänger 11 und der oder die Fotodioden/Fototransistoren 12 sind derart ausgerichtet, dass sie die von der Zahnstange 3 reflektierten Lichtstrahlen der Lichtquelle 9, 10 erfasst. Ein Steuergerät 13 der Vorrichtung 7 weist eine Auswerteschaltung auf, die mit dem Empfänger 11 verbunden ist, um die vom Empfänger 11 erfassten Lichtsignale auszuwerten. Das Steuergerät 13 ist außerdem dazu ausgebildet, die Lichtquelle 9, 10 anzusteuern beziehungsweise einzuschalten.
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Um einen Korrosionszustand der Zahnstange 3 zu prüfen, steuert das Steuergerät 13 die Lichtquellen 9, 10 abwechselnd an, um die Zahnstange 3 abwechselnd zu beleuchten. Die von dem Empfänger 11 erfassten Daten werden dann von der Auswerteschaltung ausgewertet. Die Lichtquelle 9 erzeugt insbesondere ein Licht mit einer Wellenlänge, die von Rost auf der Zahnstange 3 besonders stark absorbiert wird. Die Lichtquelle 10 erzeugt hingegen Licht mit einer Wellenlänge, die von Rost besonders stark reflektiert wird.
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Erfasst somit der Empfänger 11, dass das Licht beider Lichtquellen 9, 10 von der Zahnstange 3 gleich stark reflektiert oder absorbiert wird, so erkennt die Auswerteschaltung darauf, dass keine Korrosion beziehungsweise kein Rost an der Zahnstange 3 vorliegt. Ist das reflektierte Licht der Rostfarbe stärker als das reflektierte Licht des rostfreien Bereichs der Zahnstange 3, so wird dem Fahrer eine Störung des Lenksystems 1 mittels insbesondere einer vorhandenen Fehlerlampe angezeigt.
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Durch das Vorsehen des Verdunklungsgehäuses 8 wird erreicht, dass ein Fremdlichteinfluss bei der Auswertung der empfangenen Lichtwerte ausgeschlossen werden kann. Werden die Lichtquellen 9, 10 beide gleichzeitig ausgeschaltet, kann ein Fremdlichteinfluss gemessen werden, der beispielsweise durch defekte Dichtungen am Lenkgehäuse 2, beispielsweise defekte Gummiteile/Faltenbälge entstehen kann. Dieser Defekt kann dann dem Fahrer ebenfalls mittels der Federlampe angezeigt werden.
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Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung 7 derart an dem Lenkgehäuse 2 angeordnet, dass ein möglichst großer Verschiebeweg der Zahnstange 3 bei der Korrosionsprüfung erfasst wird. Vorteilhafterweise sind außerdem Lichtquellen 9, 10 selbst dazu ausgebildet, einen möglichst großen Bereich der Zahnstange 3 zu beleuchten und der Empfänger 11 einen entsprechend großen Bereich von Lichtstrahlen zu empfangen. Dies kann beispielsweise durch das Hinzufügen von optischen Linsen oder anderen Lichtbeeinflussungsmitteln verbessert oder optimiert werden.
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Vorteilhafterweise weist das Steuergerät 13 einen Fehlerspeicher auf, in welchem einer oder mehrere Verschiebepunkte der Zahnstange 3 gespeichert werden, an welchen Korrosion beziehungsweise Rost detektiert wurde. Dazu erfasst das Steuergerät 13 insbesondere auch die aktuelle Position der Zahnstange 3 und/oder der Antriebswelle 5. Dies hat den Vorteil, dass am ungeöffneten Lenksystem 1 Zahnstangenpositionen ermittelt werden können, an welchen Rost aufgetreten ist.
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Vorteilhafterweise wird aus dem Verhältnis der reflektierten Lichtstärken die Stärke der Rostbildung ermittelt und beispielsweise zum Steuergerät 13 des Lenksystems 1 übertragen, sodass die Intensität der Rostbildung ermittelt und gespeichert wird.
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Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung 7 außerdem derart angeordnet, dass sie die Flächen der Zahnstange 3 abtastet, die zuerst mit möglicherweise eindringender Flüssigkeit oder Feuchtigkeit benutzt werden. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung die Zahnstange 3 von unten abtastet.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass an dem Lenkgehäuse 2 nicht nur die eine Vorrichtung 7, sondern zumindest eine weitere Vorrichtung 7, in der Figur gestrichelt dargestellt, an oder in dem Lenkgehäuse 2 angeordnet wird, um eine vollständige Abtastung der Zahnstange 3 zu gewährleisten. Auch können die mehreren Vorrichtungen 7 den Stellen der Zahnstange 3 zugeordnet werden, an welchen in der Regel mit Korrosion als erstes zu rechnen ist.
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Vorteilhafterweise sind die Lichtquellen 9, 10 und/oder der Empfänger 11 durch Halbleitertechnisch gefertigt, sodass ein Großteil der Elektronik in die Vorrichtung 7 selbst integriert werden kann, wodurch Kosten und Bauraum gespart werden. Außerdem wird der Einfluss elektromagnetischer Störungen durch die kompakte Anordnung reduziert.
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Die Vorrichtung 7 selbst ist durch das Verdunkelungsgehäuse 8 in vorteilhafter Weise vor Verschmutzung und/oder Feuchtigkeit/Wasser geschützt.
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Die Vorrichtung 7 kann durch die Auswerteschaltung mit einer kostengünstigen Ein- oder Zweidrahtschnittstelle realisiert sein, auf der insbesondere Hilfsenergie für den Empfänger 11 und die Lichtquellen 9, 10 und das Messsignal des Empfängers 11 zum Steuergerät 13 übertragen werden können. Bei dem Steuergerät 13 kann es sich insbesondere auch um das Steuergerät des Lenksystems 1 selbst, insbesondere ein Lenksteuergerät, handeln. Dadurch, dass die Vorrichtung 7 in der Aussparung des Lenkgehäuses 2 angeordnet ist, ist es von außen montierbar und lässt sich im Servicefall einfach austauschen oder beispielsweise reinigen, ohne dass dazu das gesamte Lenksystem 1 demontiert werden müsste. Darüber hinaus können die Verbindungskabel, mittels derer die Vorrichtung 7 zur Energieversorgung und zum Datenaustausch kontaktiert wird, außerhalb des Lenkgehäuses 2 geführt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Vorrichtung 7 in oder an dem Verdunkelungsgehäuse 8 einen Feuchtigkeitssensor 14 aufweist, mittels dessen Feuchtigkeit in dem Lenkgehäuse 2 detektierbar ist. Dadurch kann die Korrosionsgefahr frühzeitig erkannt und eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden.
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Die Auswerteschaltung des Steuergeräts 13 ist außerdem insbesondere dazu ausgebildet, die Amplitude, also die Stärke, des rückgestrahlten Lichts zu überwachen, um eine Verschmutzung der Lichtquellen 9, 10 oder des Empfängers 11 zu erkennen und bei Bedarf den Fahrer des Kraftfahrzeugs darauf aufmerksam zu machen, beispielsweise mit der bereits erwähnten Fehlerlampe. Alternativ ist es denkbar, dass bei Erfassen einer Verschmutzung dies im Fehlerspeicher des Steuergeräts 13 eingetragen wird, sodass beim nächsten Fahrzeugservice das Lenksystem 1 oder die Vorrichtung 7 ausgetauscht oder gereinigt werden können.
