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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektromechanische Lenksysteme für Kraftfahrzeuge, insbesondere Lenkunterstützungsantriebe, die über einen Kugelgewindetrieb mit der Zahnstange gekoppelt sind.
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Technischer Hintergrund
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Elektromechanische Lenksysteme umfassen einen Lenkunterstützungsantrieb, um eine Lenkunterstützungskraft (oder ein Lenkunterstützungsmoment) bereitzustellen. Die Lenkunterstützungskraft dient dazu, den Fahrer bei Lenkbewegungen zu unterstützen. Üblicherweise wird die Lenkunterstützungskraft abhängig von einem über ein Lenkrad des Lenksystems aufgebrachten Handmoment ermittelt und über den Lenkunterstützungsantrieb in das Lenksystem eingebracht. Das Handmoment wird dabei als Fahrerwunsch interpretiert und über ein Kennfeld einer Lenkunterstützungskraft zugeordnet. Über die Abhängigkeit zu dem Handmoment hinaus kann durch das Lenkunterstützungskennfeld die Lenkunterstützungskraft auch abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit und abhängig von zusätzlichen Lenkfunktionen im Bereich der Fahrerassistenz, wie beispielsweise Einparkassistenz, Spurhalteassistenz und dergleichen bestimmt werden.
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Die Lenkunterstützungskraft und das Handmoment bestimmen eine Zahnstangenkraft, die über die Zahnstange auf die gelenkten Räder wirkt. Da die Zahnstangenkraft von einem Fahrzustand des Kraftfahrzeugs abhängt, bestimmt die bereitgestellte Lenkunterstützungskraft das Handmoment, das vom Fahrer aufgebracht werden muss.
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Die Lenkunterstützungskraft kann auf verschiedene Arten in das Lenksystem eingebracht werden. Wie in der Druckschrift
DE 10 2011 082 327 A1 offenbart, besteht eine Möglichkeit darin, die Lenkunterstützungskraft mithilfe eines sogenannten Kugelgewindetriebs auf die Zahnstange aufzubringen. Dazu kann die Zahnstange mit einem Abschnitt versehen sein, auf dem sich eine Gewindespindel mit Kugelrillen befindet. Zusammen mit einer Spindelmutter bildet die Gewindespindel einen schraubenförmig um eine Spindelachse gewundenen Kugelkanal, in dem Kugeln angeordnet sind, und mit einem Käfig, in dessen Käfigtaschen die Kugeln angeordnet sind. Der Käfig ist an einen Rotor eines Elektromotors angeschlossen. Durch Drehung des Käfigs kann auf die Zahnstange eine Kraft in Richtung der Spindelachse ausgeübt werden.
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Wie andere bewegliche Komponenten ist auch der Kugelgewindetrieb im Lenksystem Belastungen ausgesetzt, die zu einem Verschleiß oder einer Beschädigung führen können. Daher werden in aktuellen Lenksystemen Belastungen von einzelnen Bauteilen durch Algorithmen, die als Softwarekomponenten implementiert sein können, bestimmt. Wird dadurch das Erreichen einer maximal zulässigen Belastungsgrenze festgestellt, ist es möglich, Bauteile durch entsprechende Gegenmaßnahmen zu schützen. So kann beispielsweise eine Lenkunterstützungskraft in dem Lenksystem reduziert werden oder der Fahrzeugführer mit Hilfe einer Warnlampe über den aktuellen Belastungszustand des Lenksystems bzw. einzelner Bauteile informiert werden, so dass dieser einen Austausch in einer Werkstatt veranlassen kann. Dazu können in den Softwarekomponenten Belastungskennzahlen für einzelne Bauteile mit Hilfe eines sogenannten Rainflow-Verfahrens mit anschließender Verwendung einer Woehler-Kurve bereitgestellt werden, die im Prinzip Lastwechsel von einer auf das betreffende Bauteil wirkenden Last bewerten.
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Jedoch ist eine solche Vorgehensweise nicht für die Ermittlung einer Kennzahl geeignet, welche den Verschleiß eines Kugelgewindetriebs in einem Lenksystem angeben soll. Im Gegensatz liegt bei einem Kugelgewindetrieb auch dann ein Belastungszustand vor, wenn eine Bewegung des Kugelgewindetriebs bei Auftreten einer konstanten Zahnstangenkraft wirkt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 036 096 A1 ist ein Kugelgewindetrieb mit einer Gewindespindel und einer Doppelmutter bekannt, die gegeneinander mit einer einstellbaren Vorspannkraft beaufschlagt sind.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2012 008 106 A1 ist eine Vorrichtung zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs bekannt, durch die ein Kippspiel zwischen einer Kugelmutter und einer in der Kugelmutter über Kugeln geführten Spindel vermessen werden kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen eines Belastungszustands eines Kugelgewindetriebs insbesondere zum Aufbringen einer Lenkunterstützungskraft auf eine Zahnstange in einem Lenksystem zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Angabe über den tatsächlichen Verschleiß des Kugelgewindetriebs bereitstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Bestimmen einer Belastungsangabe eines Kugelgewindetriebs in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1 sowie durch die Steuereinheit und das Lenksystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Belastungsangabe eines Kugelgewindetriebs vorgesehen, insbesondere in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit Lenkunterstützung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Bestimmen einer Angabe über eine Last auf den Kugelgewindetrieb;
- – Bestimmen einer Angabe über eine Bewegungsgeschwindigkeit des Kugelgewindetriebs; und
- – Ermitteln einer Belastungsangabe für den Kugelgewindetrieb basierend auf der Angabe der Kugelgewindetrieblast und der Angabe der Bewegungsgeschwindigkeit des Kugelgewindetriebs.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, eine aktuelle Belastungsangabe für einen Gewindekugeltrieb bereitzustellen, die einen Beitrag des aktuellen Lastzustands auf den Verschleiß des Gewindekugeltriebs angeben kann. Es wurde festgestellt, dass im Gegensatz zu bisherigen Verfahren, bei denen die Anzahl und Stärke der Lastwechsel für eine Schätzung eines Verschleißzustandes ausreichend sind, bei einem Gewindekugeltrieb jegliche Bewegung unter einer Lastbedingung zu einem Verschleiß des Kugelgewindetriebs beiträgt. Somit ist es vorteilhaft, die Belastungsangabe basierend auf einer Angabe über die Bewegung des Kugelgewindetriebs und der während der Bewegung wirkenden Last zu ermitteln.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Angabe über die Last auf den Kugelgewindetrieb durch eine Zahnstangenkraft angegeben werden. Die Zahnstangenkraft liegt als Angabe in einem Lenksystem vor und es steht damit eine Angabe über die Last auf den Kugelgewindetrieb ohne weiteren Mess- und/oder Berechnungsaufwand zur Verfügung.
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Weiterhin kann als die Angabe über die Bewegungsgeschwindigkeit des Kugelgewindetriebs eine Drehzahlangabe eines den Kugelgewindetrieb antreibenden Stellmotors, ein während einer Zeiteinheit zurückgelegter Stellweg einer Zahnstange, mit der der Kugelgewindetrieb gekoppelt ist, oder eine Stellgeschwindigkeit angegeben werden. Dies stellen besonders einfache Möglichkeiten dar, die Bewegungsgeschwindigkeit des Kugelgewindetriebs anzugeben.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Belastungsangabe für den Kugelgewindetrieb abhängig von einem Produkt aus der Angabe der Kugelgewindetrieblast und der Angabe der Bewegungsgeschwindigkeit des Kugelgewindetriebs berechnet wird. Dies stellt eine geeignete und einen geringen rechenaufwand benötigende Möglichkeit dar, Belastung und Bewegung des Kugelgewindetriebs mithilfe einer einzigen Kennzahl zu erfassen.
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Weiterhin kann die berechnete Belastungsangabe integriert werden, um eine Belastungskennzahl zu erhalten, die eine Wirkung der Belastung des Kugelgewindetriebs über einen Zeitraum angibt. Die Wirkung der Belastung kann in einem Verschleiß des Kugelgewindetriebs resultieren. Daher kann die Belastungskennzahl als eine Kennzahl für den Belastungszustand des Kugelgewindetriebs bereitgestellt werden, die es ermöglicht, einen Verschleißzustand des Kugelgewindetriebs abzuschätzen.
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Insbesondere kann das Integrieren der berechneten Belastungsangabe durch Aufsummieren von mehreren berechneten Belastungsangaben durchgeführt werden, wobei die Aufsummierung der Belastungsangaben insbesondere eine Zykluszeit berücksichtigt, mit der die Belastungsangaben ermittelt werden.
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Abhängig von der Belastungskennzahl kann ein entsprechender Verschleißzustand des Kugelgewindetriebs signalisiert werden. Lässt der akkumulierte Belastungszustand des Kugelgewindetriebs auf einen fortgeschrittenen Verschleißzustand schließen, so kann eine entsprechende Maßnahme ausgelöst werden. Auf diese Weise kann ein weiterer Verschleiß oder gar ein Ausfall des Kugelgewindetriebs verhindert werden.
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Insbesondere kann bei Einsatz in einem Lenksystem die Belastung des Kugelgewindetriebs durch Reduzieren der aufgebrachten Lenkunterstützungskraft reduziert werden, wenn die Belastungskennzahl größer ist als eine vorgegebene maximal zulässige Belastungskennzahl. Dadurch kann bei bereits fortgeschrittenem Verschleiß des Kugelgewindetriebs die Lebensdauer verlängert werden, indem die weitere Belastung des Kugelgewindetriebs reduziert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren zyklisch ausgeführt werden, um die Belastungskennzahl zyklisch zu aktualisieren. Auf diese Weise steht zu jeder Zeit eine aktuelle Angabe über den Verschleißzustand zur Verfügung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Steuereinheit vorgesehen, insbesondere ein Lenkungssteuergerät. Die Steuereinheit ist ausgebildet, um:
- – eine Angabe über eine Last auf den Kugelgewindetrieb zu bestimmen;
- – eine Angabe über eine Bewegungsgeschwindigkeit des Kugelgewindetriebs zu bestimmen; und
- – eine Belastungsangabe für den Kugelgewindetrieb basierend auf der Angabe der Kugelgewindetrieblast und der Angabe der Bewegungsgeschwindigkeit des Kugelgewindetriebs zu berechnen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Lenksystem vorgesehen, umfassend:
- – eine Zahnstange, die mit gelenkten Rädern verbunden ist, wobei auf die Zahnstange ein von einem Fahrer ausgeübtes Handmoment einwirkt;
- – die obige Steuereinheit; und
- – einen Lenkunterstützungsantrieb, der ausgebildet ist, um über einen Kugelgewindetrieb die Lenkunterstützungskraft auf die Zahnstange aufzubringen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems mit elektromechanischer Lenkunterstützung;
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2 eine detailliertere Darstellung eines Kugelgewindetriebs zur Kopplung des Lenkunterstützungsantriebs mit einer Zahnstange des Lenksystems; und
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3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Bestimmung des aktuellen Belastungszustands eines Kugelgewindetriebs zum Einbringen einer Lenkunterstützungskraft.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Lenksystems 1 gezeigt. Das Lenksystem 1 weist eine Zahnstange 2 auf, die mit gelenkten Rädern 3 in an sich bekannter Weise gekoppelt ist, so dass diese gemäß einem vorgegebenen Lenkwinkel durch eine translatorische Bewegung der Zahnstange 2 gestellt werden können.
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Die Zahnstange 2 ist über eine erste mechanische Kopplung 4 mit einer Lenkwelle 5 gekoppelt, über das ein über ein Lenkrad 7 manuell aufgebrachtes Handmoment auf die Lenkstange 2 als Lenkkraft aufgebracht werden kann.
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Es ist weiterhin ein Lenkunterstützungsantrieb 6 vorgesehen, der einen Stellmotor 61 aufweist, der über eine zweite mechanische Kopplung 62 mit der Zahnstange 2 insbesondere mit einem Kopplungsbereich 21 der Zahnstange 2 gekoppelt ist. Der Stellmotor 61 kann insbesondere als eine elektronisch kommutierte Maschine ausgebildet sein. Über den Lenkunterstützungsantrieb 6 kann durch Ansteuern des Stellmotors 61 eine Lenkunterstützungskraft auf die Zahnstange 2 aufgebracht werden.
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Weiterhin ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen, die mit dem Lenkunterstützungsantrieb 6 verbunden ist, um die Lenkunterstützungskraft gesteuert, insbesondere abhängig von einem von einem Fahrer aufgebrachten Handlenkmoment, bereitzustellen. Weiterhin kann die Lenkunterstützungskraft auch abhängig von der auf die Zahnstange 2 wirkenden Zahnstangenkraft eingestellt werden.
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Die zweite mechanische Kopplung 62 kann als Kugelgewindetrieb ausgebildet sein, wie es in 2 detaillierter dargestellt ist. Dazu kann der Kopplungsbereich 21 der Zahnstange 2 als ein Spindelabschnitt ausgebildet sein, der eine insbesondere einstückig an die Zahnstange 2 angeformte Gewindespindel des Kugelgewindetriebes umfassen kann. Der Kugelgewindetrieb weist eine Spindelmutter 63 auf, die über ein (nicht dargestelltes) Wälzlager in einem Flansch radial gelagert ist, so dass die Spindelmutter 63 in axialer Richtung ortsfest gehalten ist. Die Gewindespindel an der Zahnstange 2 und die Spindelmutter weisen Kugelrillen 64 auf, die einen schraubenförmigen Kugelkanal 65 ausbilden, in dem Kugeln 66 angeordnet sind. Die Kugeln 66 sind in einem hülsenförmigen Käfig (nicht gezeigt) aufgenommen, um diese auf Abstand zueinander zu halten. Der Käfig ist an dem Rotor des Stellmotors 61 angebracht oder mit diesem gekoppelt, so dass sich der Käfig mit dem Rotor dreht. Weiterhin weist der Stellmotor 61 einen Stator auf, der an einem (nicht gezeigten) Motorflansch befestigt ist und drehfest gehalten ist.
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Eine Lenkunterstützungskraft kann durch Ansteuern des Stellmotors 61 aufgebracht werden, indem der Käfig gedreht wird und so die Kugeln 66 durch den Kugelkanal 65 bewegt werden, wobei diese die entsprechende Lenkunterstützungskraft auf die Zahnstange 2 ausüben.
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Bei einem aktivierten Stellmotor 61 wird eine Kraft auf die Zahnstange 2 ausgeübt, die die Mechanik des Kugelgewindetriebs belastet. Die Belastung des Kugelgewindetriebs 62 wirkt sich in einem Verschleiß des Kugelgewindetriebs 62 aus, und zwar abhängig von der auf den Kugelgewindetrieb 62 wirkenden Zahnstangenkraft und abhängig von der Verstellgeschwindigkeit des Kugelgewindetriebs.
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In 3 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Ermitteln einer Belastungsangabe des Kugelgewindetriebs 62 vorgesehen.
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Dazu wird im Schritt S1 eine Angabe über die Kugelgewindetrieblast P ermittelt. Die Kugelgewindetrieblast kann beispielsweise durch die Zahnstangenkraft angegeben werden und kann aus einer Kräftebilanz basierend auf einer über den Kugelgewindetrieb 62 ausgeübten Lenkunterstützungskraft und einem Fahrerhandmoment ermittelt werden.
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In Schritt S2 wird weiterhin eine Angabe über die Bewegungsgeschwindigkeit v des Kugelgewindetriebs 62 ermittelt. Diese Angabe kann beispielsweise eine Drehzahlangabe des Stellmotors 61 sein. Ferner kann diese Angabe auch als Stellweg der Zahnstange während 2 einer Zeiteinheit bzw. als Stellgeschwindigkeit angegeben werden.
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In Schritt S3 wird eine Belastungsangabe BA für den Kugelgewindetrieb 62 als eine Größe berechnet, die proportional zum Betrag des Produkts aus der Angabe der Kugelgewindetrieblast P und der Angabe der Bewegungsgeschwindigkeit v des Kugelgewindetriebs 62 ist. Die resultierende Belastungsangabe BA gibt einen momentanen Belastungszustand des Kugelgewindetriebs 62 an. BA = │P·v│
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In Schritt S4 wird die so ermittelte Belastungsangabe BA integriert, d.h. aufsummiert, um eine Belastungskennzahl BKZ zu erhalten. Die Belastungskennzahl BKZ gibt eine Wirkung der Belastung des Kugelgewindetriebs 62 über einen Zeitraum an. BKZ = Σ|P × v|
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So kann durch die Belastungskennzahl BKZ als ein Verschleißzustand interpretiert werden.
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Die Belastungskennzahl BKZ kann im Schritt S5 ausgewertet werden, beispielsweise durch einen Schwellwertvergleich. So kann beispielsweise bei Erreichen einer bestimmten maximal zulässigen Belastungskennzahl (Alternative: Ja) in Schritt S6 ein entsprechender Verschleißzustand des Kugelgewindetriebs 62 signalisiert werden. Durch das Signalisieren der überhöhten Belastungskennzahl BKZ kann beispielsweise erreicht werden, dass die Belastung des Kugelgewindetriebs 62 durch Reduzieren der aufgebrachten Lenkunterstützungskraft reduziert wird oder indem einem Fahrer in geeigneter Weise mitgeteilt wird, dass das Lenksystem 1 überholt, repariert bzw. gewartet werden muss.
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Wird festgestellt, dass die Belastungskennzahl BKZ nicht überhöht ist (Alternative: Nein), so wird das Verfahren mit Rücksprung zu Schritt S1 fortgesetzt, so dass eine zyklische Aktualisierung der Belastungskennzahl BKZ erreicht wird.
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Die Aufsummierung der Belastungsangabe in Schritt S4 kann weiterhin eine Zykluszeit tS berücksichtigen, mit der die Belastungsangabe ermittelt wird. So kann die Belastungsangabe BA multiplikativ mit der Zykluszeit tS beaufschlagt werden, wie folgt: BKZ = Σ|P × v × ts|
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Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn die Zykluszeit für das oben beschriebene Verfahren je nach Betriebszustand variieren kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Zahnstange
- 21
- Kopplungsbereich der Zahnstange (Spindelabschnitt)
- 3
- Räder
- 4
- erste mechanische Kopplung
- 5
- Lenkwelle
- 6
- Lenkunterstützungsantrieb
- 61
- Stellmotor
- 62
- zweite mechanische Kopplung
- 63
- Spindelmutter
- 64
- Kugelrillen
- 65
- Kugelkanal
- 66
- Kugel
- 7
- Lenkrad
- 10
- Steuereinheit
- BA
- Belastungsangabe
- P
- Kugelgewindetrieblast
- v
- Bewegungsgeschwindigkeit
- BKZ
- Belastungskennzahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011082327 A1 [0004]
- DE 102010036096 A1 [0007]
- DE 102012008106 A1 [0008]
