DE102016209741A1

DE102016209741A1 - Charakterisierung eines Gleitreibungszustands in einem Lenksystem

Info

Publication number: DE102016209741A1
Application number: DE102016209741.5A
Authority: DE
Inventors: Ian Y. Hwa
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2016-12-15
Also published as: CN106248404A; US20160362130A1; US9950736B2; CN106248404B

Abstract

Ein Verfahren zur Charakterisierung eines Gleitreibungszustands in einem Lenksystem beinhaltet die Übertragung eines periodischen Lenksteuersignals an ein Drehstellglied, um Drehung einer Lenkwelle durch einen Torsionsstab und eine Trägheitsscheibe, über einen Bereich von Lenkwinkeln, zu veranlassen, und die Anwendung einer axialen Kraft auf eine Zahnstange, um einer Zahnstangenverschiebung aus einer mittleren Position zu widerstehen. Ein Lenkdrehmomentausgabewert wird über einen Drehmomentaufnehmer gemessen. Eine Steuermaßnahme wird ausgeführt, wenn eine gemessene Differenz zwischen einem Maximalwert eines Lenkdrehmoments, das zum Initiieren der Zahnstangenverschiebung/losbrechmoment erforderlich ist, und einem Minimalwert des Lenkdrehmoments nach einem Losbrechen, bei Inbetriebnahme und jeder nachfolgenden Lenkrichtungsumkehr, einen kalibrierten Schwellenwert überschreitet. Ein System beinhaltet das Drehstellglied, das Lenksystem, den Drehmomentaufnehmer, den Torsionnstab, die Trägheitsscheibe, das Linearstellglied (er), das eine axiale Kraft entlang der Zahnstangenachse bereitstellt, um einer Zahnstangenverschiebung aus einer mittleren Position zu widerstehen, und die Steuerung, wie oben erwähnt, programmiert ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Charakterisierung eines Gleitreibungszustands in einem Lenksystem.
HINTERGRUND
Fahrzeug-Zahnstangenlenkungssysteme beinhalten ein verlängertes flaches Getriebe oder eine Zahnstange mit Zähnen, die mit Kontaktzähnen eines sich drehenden Zahnrads verzahnt sind. Das Zahnrad ist drehbar an einer Lenkwelle montiert. Wenn ein Lenkwinkel auf die Lenkachse durch die Drehung eines Lenkrads übertragen wird, übersetzt das Zahnradgetriebe entlang der Zahnstange durch Eingriff mit den Zahnstangenzähnen. Dies wiederum bewegt die Zahnstange in einer entsprechenden Lenkrichtung. Zugstangen, die an den distalen Enden der Zahnstange angeordnet sind, sind mit den vorderen Straßenrädern eines Fahrzeugs über einen entsprechenden Lenkarm verbunden. Deswegen wandelt ein Zahnstangengetriebelenksystem die Rotationsbewegung in Bezug zu einer Lenkachse wirkungsvoll in eine lineare Bewegung in Bezug auf die Zahnstange um, und stellt währenddessen auch eine passende Getriebeuntersetzung bereit.
Die Lenkfunktionalität, die durch typische Zahnstangengetriebelenksysteme bereitgestellt wird, kann in einigen Konstruktionen elektrisch unterstützt werden. Zum Beispiel kann ein elektrischer Lenkmotor gesteuert werden, um eine variable Lenkdrehmomentüberlagerung über einen Antriebsmechanismus an der Zahnstange selbst zu übermitteln, das heißt, ein Zahnstangen elektrisches Servolenkungs(EPS)-System, oder entlang der Lenkachse in einem Zahnrad-EPS oder einem Säulen EPS-System. Während EPS Systeme aller Typen im Allgemeinen unter den meisten Fahrbedingungen gut arbeiten, kann sich ein vorübergehendes Phänomen, das eine plötzliche Erhöhung des erforderlichen Lenkaufwands gefolgt durch eine abrupte Verringerung des Lenkwiderstands involviert, unter bestimmten Fahrbedingungen manifestieren. Ein solcher Zustand, hierin als Gleitreibungszustand bezeichnet, kann sich auf die Lenkqualität und das Gesamtfahrgefühl auswirken.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren und System zur Charakterisierung eines Gleitreibungszustands in einem elektrisch unterstützten Fahrzeuglenksystem der oben beschriebenen Typen, z.B. ein Säulen-, Zahnrad-, oder Zahnstangentyp elektrisches Servolenkungs(EPS)-System, werden hier offenbart. Es wird hier erkannt, dass Mängel auf oder entlang von Oberflächen von Untersetzungsgetrieben oder anderen mechanischen Schnittstellen das hier angesprochene Gleitreibungsproblem verursachen können. Allerdings kann die vorübergehende und schwer zu replizierende Natur des Gleitreibungsproblems zu falschen diagnostischen Ergebnissen führen. Als Ergebnis gibt es einen Bedarf für einen verbesserten diagnostischen Test, der helfen kann den Gleitreibungszustand zu isolieren und Korrekturmaßnahmen zu erleichtern.
Gemäß des vorliegenden Ansatzes ist das Lenksystem in Kommunikation mit einer Steuerung, die programmiert ist, Schritte des vorliegenden Testverfahrens auszuführen, und um dadurch eine Gleitreibungsmetrik für die Korrektur des Gleitreibungsproblems zu ermitteln. Um ein einwandfreies Funktionieren des Tests zu gewährleisten, sind verschiedene Hardware-Komponenten mit dem Lenksystem verbunden. Insbesondere ist ein nachgiebiger Torsionsstab zwischen einem Drehstellglied und einer Trägheitsscheibe entlang einer Lenkachse verbunden, sodass jede Lenkeingabe, die von dem Drehstellglied bereitgestellt wird, auf die Lenkwelle über den Torsionsstab und die Trägheitsscheibe übertragen wird. Diese Konfiguration soll ein Niveau der Lenkeingabeeinhaltung annähern, das in der Regel in realen Fahrsituationen erlebt werden wird.
Das Verfahren geht durch Anwenden eines periodischen Lenkeingabesteuersignals an das Drehstellglied vor. Das Steuersignal veranlasst das Drehstellglied die Lenkwelle mit einer glatten und kontinuierlichen Rate zu drehen. Drehstellglieder, die mit jeweiligen Enden der Zahnstange verbunden sind, wenden eine axiale Kraft proportional zu einer gemessenen Zahnstangenverschiebung an, das heißt, von einer Referenzmittelzahnstangenposition, und in Richtung des Widerstehens jeder Zahnstangenverschiebung. Sobald die Lenkmaßnahme eintritt, wird ein Lenkausgabedrehmoment entlang der Lenkachse über einen Drehmomentaufnehmer gemessen. Gleitreibung des Lenksystems wird dann durch Vergleich mit einem kalibrierten Schwellenwert einer gemessenen Differenz zwischen einem Maximalwert eines Lenkdrehmoments, das erforderlich ist, um eine Zahnstangenverschiebung einzuleiten, d.h. ein Lenklosbrechmoment, und einen Minimalwert des Lenkdrehmoments nach dem Auftreten des maximalen Lenkdrehmoments erfasst. Diese Messung und Bestimmung erfolgt bei der Inbetriebnahme des Tests und bei jeder nachfolgenden Lenkrichtungsumkehr, wie hierin dargelegt. Steuermaßnahmen können danach ergriffen werden, um das Gleitreibungsproblem zu korrigieren, zum Beispiel in der Konstruktions- und Validierungsphase der Herstellung, wann immer der kalibrierte Schwellenwert überschritten wird.
In einer besonderen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zur Charakterisierung eines Gleitreibungszustands in einem Lenksystem das Verbinden eines Torsionsstabs und einer Trägheitsscheibe mit der Lenkwelle. Das Verfahren beinhaltet auch das Übertragen eines periodischen Lenksteuersignals von einer Steuerung an ein Drehstellglied, um eine Drehung der Lenkwelle zu veranlassen, über den Torsionsstab und die Trägheitsscheibe durch einen kalibrierten Bereich von Lenkwinkeln. Zusätzlich beinhaltet das Verfahren die Messung der Zahnstangenverschiebung von einer Referenzmittelzahnstangenposition und die Anwendung einer axialen Kraft auf ein Ende oder die Enden der Zahnstange über ein oder mehrere Linearstellglieder. Die angewendete axiale Kraft ist proportional zu der gemessenen Zahnstangenverschiebung und ist in einer Richtung es Widerstehens der Zahnstangenverschiebung.
Das Verfahren in dieser Ausführungsform beinhaltet auch das Messen eines Lenkdrehmomentausgabewerts über einen Drehmomentaufnehmer oder einer anderen geeigneten Sensor. Eine Steuermaßnahme kann in Bezug auf das Lenksystem ausgeführt werden, wann immer eine Differenz zwischen einem Maximalwert eines gemessenen Lenkdrehmoments, das zum Initiieren der Zahnstangenverschiebung erforderlich ist, d.h., das Lenklosbrechmoment, und einem Minimalwert des gemessenen Lenkdrehmoments nach einem solchen Losbrechen, bei Inbetriebnahme und jeder nachfolgenden Lenkrichtungsumkehr, einen kalibrierten Schwellenwert, der den Gleitreibungszustand angibt, überschreitet.
Ein zugeordnetes System beinhaltet das Drehstellglied, das Lenksystem, und den oben erwähnten Drehmomentaufnehmer sowie einen Torsionsstab und eine Trägheitsscheibe, die mit dem Drehstellglied über die Lenkwelle, das Linearstellglied und die Steuerung verbunden sind.
Die oben aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen ganz offensichtlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsform(en) und der besten Art(en) zum Ausführen der beschriebenen Offenbarungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und angehängten Ansprüche hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Testsystems für die Charakterisierung eines Gleitreibungszustandes in einem Lenksystem, wie hierin beschrieben.
2A und 2B sind repräsentative Zeitdiagramme von befriedigend respektive unbefriedigend arbeitenden Lenksystemen, mit gemessenem Lenkausgabedrehmoment, Zahnstangenverschiebung und Lenkwinkel auf der vertikalen Achse aufgetragen und der Zeit auf der horizontalen Achse aufgetragen.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zur Charakterisierung eines Lenkgleitreibungszustands in einem Lenksystem beschreibt unter Verwendung des Testsystems, gezeigt in 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin sich in den mehreren Ansichten gleiche Referenznummern auf gleichen Komponenten beziehen, ist ein beispielhaftes Lenktestsystem 10, schematisch gezeigt in 1. Das Testsystem 10 beinhaltet ein Lenksystem 20 der oben beschriebenen Arten, sowie eine Lenksteuerungshardware 40 und eine Steuerung (C) 50, die darauf programmiert ist, eine Logik auszuführen, welche ein Verfahren 100 unter Verwendung der Steuerungshardware 40 verkörpert. Die Ausführung des Verfahrens 100 resultiert in der Charakterisierung einer Lenkgleitreibungszustandes im Lenksystem 20, wie unten mit Bezug auf 2A–3 ausgeführt.
Das Lenksystem 20 kann als ein elektrisch unterstütztes Lenksystem, der in der Technik wohlbekannten Art, verkörpert sein, beispielsweise eine Doppelzahnrad elektrische Servolenkung (EPS), wie gezeigt, oder alternativ ein Zahnrad EPS-System oder ein Säulen EPS-System. Als solches beinhaltet das Lenksystem 20 von 1 eine langgestreckte Zahnstange 22 mit einer Zahnstangenachse 17, einem ersten Ende 33 und einem zweiten Ende 35. Das Lenksystem 20 beinhaltet auch ein Getriebegehäuse 24 und eine Lenkwelle 25 mit dem Getriebegehäuse 24 in der Nähe des ersten Endes 33 der Zahnstange 22 angeordnet. Das Lenksystem 20 kann auch einen Lenkunterstützungsmotor 43 und einen Antriebsmechanismus 129 in einem Antriebsgehäuse 29 beinhalten.
Abhängig von der EPS-System-Ausführungsform, können der Antriebsmechanismus 129 und das Antriebsgehäuse 29 nahe dem zweite Ende 35 der Zahnstange 22, wie dargestellt, positioniert werden, was typisch für ein Doppelzahnrad-Zahnstangen EPS-System ist. Eine Rotorachse 15 des Lenkunterstützungsmotors 43 ist ausgerichtet, um die elektrische Unterstützung der Lenkmaßnahme zu ermöglichen, beispielsweise durch den Antriebsmechanismus 129, der als ein geeignetes Getriebe, Ketten, Riemen und/oder ein anderer Drehzahluntersetzungsmechanismus in solch einer Ausführungsform ausgeführt sein kann. Obwohl in 1 aus Gründen der veranschaulichenden Einfachheit ausgelassen, können die Lenkunterstützungsmotor- 43 und die Antriebsmechanismusstruktur ähnlich dem Antriebsmechanismus 129 und Antriebsgehäuse 29 alternativ an oder entlang der Lenkachse 13 angeordnet werden, um eine Säulen oder ein Zahnrad EPS-System zu bilden, wie oben erwähnt. Eine Säulen-EPS Ausführungsform kann auch eine Lenksäule und eine Zwischenwelle beinhalten, wie in der Technik bekannt ist, wobei der Lenkmotor 43 das Lenkunterstützungsmoment an einen separaten Antriebsmechanismus liefert, der benachbart zu der Lenksäule montiert ist. Ein Zahnrad-EPS-System, im Gegensatz dazu, kann den Lenkunterstützungsmotor 43 nahe dem Getriebegehäuse 24 platzieren, so dass ein Unterstützungsdrehmoment direkt auf das drehbare Zahnradgetriebe 26 wirkt. Unabhängig von der Ausführungsform können eine Halterung 27 und eine Grundplatte 28 verwendet werden, um das Lenksystem 20 in einer Testumgebung zu sichern.
Das Getriebegehäuse 24, das am ersten Ende 33 der Zahnstange 22 angeordnet ist, enthält ein drehbares Zahnradgetriebe 26. Wenn eine Lenkeingabe in der Form eines angeordneten Lenkwinkels auf die Lenkwelle 25 über die Lenkachse 13 übermittelt wird, typischerweise von einem Lenkrad (nicht gezeigt), aber in der vorliegenden gesteuerten Testumgebung über ein Drehstellglied 42, greift das Zahnradgetriebe 26 innerhalb des Getriebegehäuses 24 mit kämmenden Zahnräder (nicht dargestellt) der Zahnstange 22 ein. Das Zahnradgetriebe 26 übersetzt somit entlang der Zahnstangenachse 17, wie durch den Doppelpfeil A angedeutet. Diese Verschiebung wiederum bewegt die Zahnstange 22 in einer entsprechenden Richtung, um die Vorderräder eines Fahrzeugs (nicht dargestellt) zu steuern, in dem das Lenksystem 20 eingesetzt wird.
Es wird hier als Basis zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens 100 erkannt, dass ein Lenkgleitreibungszustand Unvollkommenheiten in den verschiedenen mechanischen Schnittstellen des Lenksystems 20 zur Folge haben kann, beispielsweise kämmenden Schneckenrädern oder anderen Typen von Zahnrädern in einem Antriebsmechanismus 129 des Antriebsgehäuses 29 und der Zahnstange 22, wenn ein mit dem Lenksystem 20 ausgestattetes Fahrzeug in Betrieb ist. Der Gleitreibungszustand ist sporadisch und vorübergehend, und ist daher schwierig, in einer Testumgebung zu replizieren. Das Verfahren 100 unternimmt somit Schritte, um reale Fahrbedingungen in einer kontrollierten Testumgebung nachzubilden, zum Zwecke der Trennung und Korrektur des oben beschriebenen Lenkgleitreibungsproblems.
Die Steuerungshardware 40, gezeigt in 1, ist daher zur Lösung dieses Problems konfiguriert, wenn in Verbindung mit der nachfolgend beschriebenen Steuerung 50 verwendet. Die Steuerungshardware 40 beinhaltet ein Drehstellglied 42, z. B. einen Elektromotor, sowie einen Drehmomentaufnehmer 44 und einen Drehencoder 46, wobei jeder von diesen auf der Lenkachse 13 koaxial auf die anderen ausgerichtet ist. Es sollte erwähnt werden, dass die Verwendung eines Drehmomentaufnehmers 44, der mit dem Drehstellglied gekoppelt ist, lediglich beispielhaft ist. In dieser Hinsicht kann der Drehmomentaufnehmer 44 eine beliebige geeignete Vorrichtung zum Messen und Beobachten eines Drehmoments an der Lenkwelle 25 des Lenksystems 20 umfassen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, einen internen Drehmomentsensor, der dem Lenksystem 20 zugeordnet ist. Da in den Komponenten der Steuerungshardware 40 eine Achsenvariation vorhanden sein kann, kann eine Verlängerungswelle 45 über einen Satz flexible Kupplungen 48 mit der Lenkwelle 25 gekoppelt sein, wie dargestellt. Die flexiblen Kupplungen 48 dienen zur Vereinfachung der Verbindung des Drehstellglieds 42 mit der Lenkwelle 25.
Ein nachgiebiger Torsionsstab 54 und eine Trägheitsscheibe 52, die beide auf der Lenkachse 13 angeordnet sind, wie dargestellt, werden auch als Teil der Steuerungshardware 40 verwendet. Zusammen sollen der Torsionsstab 54 und die Trägheitsscheibe 52 simulieren, wie das Lenksystem 20 in einem typischen Fahrzeug angeordnet ist, das heißt mit einer Lenksäule und Zwischenwelle, Kupplungen und dergleichen, die schließlich ein Lenkrad mit dem Zahnradgetriebe 26 verbinden. Die Materialien der Konstruktion und die Elastizität/Trägheit, die durch den Torsionsstab 54 und die Trägheitsscheibe 52 bereitgestellt werden, können mit der Konstruktion des Lenksystems 20 variieren und sollen die Steifigkeits- und die Trägheitseigenschaften von Teilen des Lenksystems oberhalb des Niveaus des Lenkgetriebes selbst simulieren. In einer beispielhaften Konfiguration kann der Torsionsstab 54 eine Drehrate von etwa 0,3 bis 0,5 Nm/Grad bereitstellen, und die Trägheitsscheibe 52 weist ein Trägheitsmoment von etwa 0,03 bis 0,05 kg-m²oder 0,4 Nm/Grad und 0,04 kg-m² in einer anderen Konfiguration auf.
Immer noch unter Bezugnahme auf 1 ist ein Linearstellglied 49 am zweiten Ende 35 der Zahnstange 22 angeordnet und mit einer von einem Paar von Zugstangen 75 verbunden. Ein im wesentlichen identisches Linearstellglied 149 kann wahlweise am ersten Ende 33, wie gezeigt, angeordnet werden. Die Steuerung 50 wird in verdrahtete oder drahtlose Kommunikation mit jedem, dem Linearstellglied 49 und/oder 149, dem Drehstellglied 42, dem Drehmomentaufnehmer 44 und dem Drehencoder 46, versetzt, sodass die Steuerung 50 eine gemessene Zahnstangenverschiebung (Pfeil D₄₉) als Linearstellgliedpositionssignal empfängt und axiale Kraftsteuersignale (Pfeil F₄₉) zu und von dem Linearstellglied 49 und/oder 149 überträgt und empfängt.
Das heißt, die Steuerung 50 ordnet die Anwendung einer variablen axiale Kraft entlang der Zahnstangenachse 17 an, die zur Stellglied- oder Zahnstangenverschiebung von einer Referenzmittelzahnstangenposition proportional ist, das heißt, eine Position in der die Zahnstange 22 zentriert ist, und überwacht die Rate, und Höhe der angewendeten axialen Kraft. Die Steuerung 50 empfängt auch einen gemessenen Lenkausgabedrehmomentwert (Pfeil T₄₄) um die Lenkachse 13 vom Drehmomentaufnehmer 44 und ein gemessenes Lenkwinkelsignal (θ₄₆) vom Drehencoder 46, sowie überträgt das Lenkwinkelsignal (Pfeil θ₄₂) an das Drehstellglied 42, um die Drehausgabe des Drehstellglieds 42 zu steuern. Somit ordnet die Steuerung 50 das Drehstellglied 42 an, einen kalibrierten Lenkwinkel oder ein Drehmoment auf das Lenksystem anzuwenden, während das Linearstellglied (er) eine Last auf die Zahnstange 22 ausübt. Eine integrierte ECU (nicht gezeigt) des Lenkunterstützungsmotors 43 bestimmt dann, und steuert den Betrag der Drehmomentüberlagerung, den der Unterstützungsmotor 43 erzeugen sollte, beispielsweise basierend auf einem Eingabedrehmomentsignal von einem internen Drehmomentsensor (nicht gezeigt), der entlang der Lenkachse 13 angeordnet ist, und einer Vielzahl von anderen Signalen, wie beispielsweise Fahrzeuggeschwindigkeit, Zündzustand usw., wie in der Technik bekannt ist. Somit werden elektrische Leistung und Lenksteuersignale (Pfeil T₄₃) dem Lenkunterstützungsmotor 43 bereitgestellt, um es dem Lenkunterstützungsmotor 43 zu ermöglichen, ein vorprogrammiertes Unterstützungsdrehmoment auszugeben.
Die Steuerung 50 von 1 kann als eine Hostmaschine konfiguriert sein, z.B. ein digitaler Computer oder Mikrocomputer, der speziell darauf programmiert ist, die Verfahrensschritte des Verfahrens 100 auszuführen, wofür ein Beispiel gezeigt ist in 3. Zu diesem Zweck ist die Steuerung 50 mit ausreichend Hardware konfiguriert, um die benötigten Schritte auszuführen, d. h. mit ausreichend Speicher (M), einem Prozessor (P) und anderer Hardware, wie einer Hochleistungstaktung (High-Speed Clock), Analog-zu-Digital- und/oder Digital-zu-Analog-Schaltungen, einem Timer, Eingangs-/Ausgangsschaltkreisen und verbundenen Geräten, Signalprogrammierungs- und/oder Signalpufferspeicher-Schaltungen. Der Speicher (M) beinhaltet ausreichend konkreten permanenten Speicher, wie magnetischen oder optischen ROM (Read-Only Memory), Flash-Speicher usw., sowie RAM (Random Access Memory), EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) u. ä.
Exemplarische Kurven 60 und 62 sind jeweils in 2A respektive 2B gezeigt, um Zeitdiagramme von beispielhaften akzeptablen und inakzeptablen Testszenarien zu veranschaulichen. Die Kurve D₄₉ stellt die gemessene axiale Verschiebung der Zahnstange 22 von dem Linearstellglied 49 dar, beispielsweise in Millimetern (mm), während die Kurve θ₄₆ den auf die Lenkachse 13 übermittelten Lenkwinkel darstellt. Die Kurve T₄₄ stellt das Lenkausgabedrehmoment, das über den Drehmomentaufnehmer 44 gemessen wird, dar, mit allen Hardware-Komponenten gezeigt in 1 und oben beschrieben.
In 2A, das heißt, dem beispielhaften akzeptablen Verhalten, beachten Sie, dass das gemessene Drehmoment T₄₄ relativ glatt ist. Ohne Rücksicht auf die sich verändernde Amplitude eines solchen Signals, fehlen der dargestellten Leistung signifikante Drehmomentspitzen, die einen Gleitreibungszustand angeben. Das Zeitdiagramm der 2B im Gegensatz dazu zeigt eine beispielhafte inakzeptable Gleitreibungsleistung. Die Pfeile 65 geben Drehmomentspitzen von dem Gleitreibungszustand an, die auftreten können, wenn eingreifende mechanische Komponenten des Antriebsmechanismus 129 oder an anderer Stelle in dem Lenksystem 20 vorübergehend impinged werden, bevor sie schnell losgelassen werden.
Die Drehmomentspitzen 65 können verwendet werden, um gegen einen kalibrierten Schwellenwert zu bewerten, um das Gleitreibungsproblem in einem bestimmten Lenksystem 20 zu diagnostizieren und zu korrigieren. Zum Beispiel kann eine Steuermaßnahme in Bezug auf das Lenksystem 20, über die Steuerung 50, ausgeführt werden, wenn eine Differenz zwischen einem absoluten Maximalwert des gemessenen Lenkdrehmoments, der erforderlich ist eine Verschiebung der Zahnstange zu initiieren, die durch die Punkte 68 angezeigt ist, und einem absoluten Minimalwert des gemessenen Lenkdrehmoments nach Losbrechmoment (Punkte 69), bei der Inbetriebnahme des Tests und allen nachfolgenden Lenkrichtungsumkehrungen, die in dem periodischen Lenksteuersignal gezeigt sind, das heißt Kurve θ₄₂, einen kalibrierten Schwellenwert überschreiten, der den Gleitreibungszustand anzeigt.
Unter Bezugnahme auf 3 beginnt eine Ausführungsform des Verfahrens 100 zur Charakterisierung der Gleitreibung in dem Lenksystem 20 von 1 mit Schritt S102, bei dem das Lenksystem 20 mit der Steuerungshardware 40 verbunden wird und in Kommunikation mit der Steuerung 50 gesetzt wird. Zusätzlich zum Verbinden der Steuerung 50 mit dem Drehstellglied 42 und dem Drehmomentaufnehmer 44, beinhaltet Schritt S102 das Verbinden des Linearstellglieds 49 und/oder 149 von 1 mit der Zahnstange 22 entlang der Zahnstangenachse 17 und dann das in Kommunikation mit der Steuerung 50 setzen des Linearstellglieds 49 und/oder 149. Das Verfahren 100 geht über zu Schritt S104, sobald das Testsystem 10 konstruiert ist.
Optional können ausreichende Lenkkonditionierungsschritte durch Übertragung des periodischen Konditionierungssignals über die Steuerung 50 von 1 bereitgestellt werden, und die daraus resultierende Steuerung des Drehstellglieds 42 über eine steigende Konditionierungsphase, eine anhaltende Konditionierungsphase, in der ein Spitzen kalibrierter Lenkwinkel beibehalten wird, und eine abfallende Konditionierungsphase. Solch ein periodisches Konditionierungssignal kann eine kalibrierte Anzahl von Malen wiederholt werden. Beispielsweise kann in einer besonderen Ausführungsform eine Dauer von 1 Sekunde (1 s) für jede der ansteigenden und abfallenden Phasen verwendet werden, mit einer Dauer von 2s für die anhaltende Konditionierungsphase verwendet, mit einem entsprechenden Lenkwinkel von ±3º und einer kalibrierten Frequenz f_CAL von etwa 8–12 Hz oder etwa 10 Hz in einer anderen Ausführungsform. Acht Zyklen des periodischen Konditionierungssignals können in dieser speziellen Ausführungsform für insgesamt 32s der Lenkkonditionierung verwendet werden. Die Ist-Werte werden mit dem durchgeführten Testtyp und den speziellen Komponenten des getesteten Systems variieren. Im Allgemeinen, kann eine Konditionierung für eine unzureichende Menge an Zeit oder Anzahl an Zyklen dazu führen, das sich das Problem nicht selbst manifestiert, während eine längere Lenkkonditionierung keine zusätzlichen Vorteile ergeben könnte.
Im Schritt S104 überträgt die Steuerung 50 das periodische Lenksteuersignal, um den Lenkwinkel (θ₄₂ der 1–2B) über das Drehstellglied 42 der 1 anzuordnen. Das periodische Lenksteuersignal kann eine Sinuswelle sein, zum Beispiel mit einer Amplitude von 10 Grad und Frequenz von 0,005 Hz, was eine glatte Lenkinbetriebnahme übermittelt. Beispielsweise kann, für einen ersten Viertelzyklus und letzten Viertelzyklus einer Sinuswelle, die zur Bereitstellung des Lenkwinkeleingabesignal verwendet wird, ein sanfter Start und Ende durch Verdoppeln der Frequenz und Halbieren der Amplitude eines solchen Eingabesignals erreicht werden. Das Verfahren 100 geht über zu Schritt S106, sobald die Lenkwelle 25 sich entsprechend des periodischen Lenksteuersignals dreht.
Schritt S106 schreitet in Verbindung mit dem Schritt S104 fort und beinhaltet das Anordnen einer kalibrierten axialen Kraft entlang der Zahnstangenachse 17 über das Linearstellglied 49 und/oder 149 von 1, wie angezeigt durch den Doppelpfeil F in 1. Der Wert der axialen Anwendungskraft ist proportional zu der gemessenen axialen Verschiebung der Zahnstange 22 von der kalibrierten Referenzmittelzahnstangenposition, beispielsweise bei 50 N/mm und in einer Richtung des Widerstehens einer solchen Verschiebung. Das heißt, eine „Drück-/Zug-” maßnahme resultiert in Bezug auf die Referenzmittelposition in einem kontrollierten Betrieb des Linearstellglieds 49 und/oder 149.
In einer möglichen Ausführungsform kann das Linearstellglied 49 und/oder 149 einen linear variablen Differentialtransformator (LVDT) beinhalten, der, wie in der Technik bekannt, eine lineare Verschiebung in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandelt. Ein LVDT stellt somit ein Zahnstangenverschiebungssignal bereit, das verwendet werden kann, um die axiale Anwendungskraft zu berechnen, wie oben beschrieben, und ermöglicht es dem Linearstellglied 49 als eine Feder mit konstanter Rate zu wirken. Zur Verbesserung der Leistung kann ein spezieller Verschiebungssensor entlang der Achse 17 verwendet werden, um die Verschiebung der Zahnstange 22 zu bestimmen, die dann an die Steuerung 50 mitgeteilt wird zur Bestimmung des geeigneten Betrags und der Richtung der anzuwendenden Kraft (Pfeil F). Das Verfahren 100 geht dann über zu Schritt S108.
Im Schritt S108 misst der Drehmomentaufnehmer 44 das Lenkausgabedrehmoment (T₄₄) und kommuniziert diesen Messwert an die Steuerung 50. Das Verfahren 100 geht dann über zu Schritt S110.
Der Schritt S110 kann das Bestimmen beinhalten, ob die Testergebnisse aus den Schritten S102–S108 einem bestandenen/akzeptablen oder versagenden/inakzeptablen Lenksystem 20 entsprechen. In einem Beispiel wird das gemessene Lenkausgabedrehmoment (T₄₄) aus Schritt S108 verarbeitet, um eine Differenz zwischen dem absoluten Maximalwert des gemessenen Lenkdrehmoments, das benötigt wird, um eine Zahnstangenverschiebung einzuleiten, d.h. Punkte 68 von 2B, und einem Minimalwert des gemessenen Lenkdrehmoments (Punkte 69), das nach dem „Drehmoment Losbrechen” von Punkt 68, für die Inbetriebnahme und jede nachfolgende Lenkrichtungsumkehr auftritt, zu berechnen. Diese Differenz wird mit einem kalibrierten Schwellenwert verglichen, der den Gleitreibungszustand anzeigt. Im Allgemeinen wird, wenn die berechnete Drehmomentdifferenz, wie oben beschrieben, beispielsweise 0,3 Nm oder weniger beträgt, die Gleitreibungsleistung des Lenksystems 20 als akzeptabel angesehen. Wenn die Drehmomentdifferenz über dem kalibrierten Grenzwert liegt, oder 0,3 Nm in dieser Ausführungsform, dann wird die Gleitreibungsleistung des Lenksystems 20 als inakzeptabel erachtet. Das Verfahren 100 geht über zu Schritt S112, wenn, basierend auf diesem Vergleich, die Probe inakzeptabel (–) ist und zu Schritt S114 in der Alternative, wenn die Probe (+) akzeptabel ist.
Schritt 112 kann das Ausführen einer Steuermaßnahme in Bezug auf das Lenksystem 20 der 1 beinhalten, wenn die vorhergehenden Schritte zu einer Entscheidung führen, dass das Lenksystem 20 eine inakzeptable Leistung aufweist. Zum Beispiel kann die Steuerung 50 von 1 einen ersten Diagnose-Code über ein Ausgabesignal aufzeichnen, der angezeigt wird durch den Pfeil 14 in 1, wenn die basierend auf dem gemessenen Lenkausgabedrehmoment (T₄₄) berechnete Lenkdrehmomentdifferenz den oben unter Bezugnahme auf Schritt S108 erwähnten kalibrierten Schwellenwert, das heißt, eine Drehmomentdifferenz, die eine inakzeptable Gleitreibungsleistung anzeigt, überschreitet. Zusätzliche Steuerungsschritte können das Anwenden des ersten Diagnosecodes zur Validierung einer gegebenen Konstruktion des manuellen Lenkgetriebes 20, zum Beispiel durch die Ablehnung einer gegebenen Konstruktion während eines Konstruktionsvalidierungsprozesses, wenn der Diagnosecode aufgezeichnet wird, oder der Erstellung einer Konstruktionsspezifikation, umfassen.
Schritt S114 wird erreicht, wenn die basierend auf dem gemessenen Lenkausgabedrehmoment (T₄₄) berechnete Lenkdrehmomentdifferenz bei oder unter dem kalibrierten Schwellenwert liegt, oder in anderen Worten, wenn kein wahrnehmbarer Gleitreibungszustand in den Schritten S102–S108 erkannt wird. Schritt S114 kann die Aufzeichnung eines zweiten Diagnosecodes (Pfeil 14) über das Ausgabesignal von der Steuerung 50 umfassen, wenn die basierend auf dem gemessenen Lenkausgabedrehmoment (T₄₄) berechnete Lenkdrehmomentdifferenz den oben unter Bezugnahme auf den Schritt S110 erwähnten kalibrierten Schwellenwert nicht überschreitet. Da Schritt S114 ein voll funktionstüchtiges Lenksystem 20 anzeigt, können zusätzliche Steuerungsschritte das Anwenden des zweiten Diagnosecodes zur Validierung einer gegebenen Konstruktion des Lenksystems 20, zum Beispiel durch die Annahme einer gegebenen Konstruktion während eines Validierungsprozesses oder der Erstellung einer Konstruktionsspezifikation, umfassen.
Wie hier mit Bezug auf die offenbarten Werte oder Bereiche verwendet, gibt der Ausdruck „ungefähr” an, dass der offenbarte nummerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt, zum Beispiel vernünftig nahe an den Wert oder fast genauso hoch, wie zum Beispiel plus ±10 % der angegebenen Werte oder Bereiche. Falls die Ungenauigkeit, die durch den Ausdruck „ungefähr” vorgesehen ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr”, wie hier verwendet mindestens Variationen, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben, an. Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs.
Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Offenbarung, doch der Umfang der Offenbarung ist einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während ein paar der besten Arten und Weisen und weitere Ausführungsformen der beanspruchten Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der Offenbarung in den angehängten Ansprüchen. Darüber hinaus sollen die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt sind, nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen aufgefasst werden. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Beispiele einer Ausführungsform beschriebenen Merkmale mit einem oder mehreren anderen gewünschten Merkmalen aus anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, was andere Ausführungsformen zur Folge hat, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen derartige andere Ausführungsformen in den Rahmen des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche.

Claims

Verfahren zur Charakterisierung eines Gleitreibungszustands in einem elektrisch unterstützten Lenksystem mit einer Zahnstange, einem Zahngetriebe, das an einem Ende einer Lenkwelle in kämmendem Eingriff mit der Zahnstange angeordnet ist, einem Lenkmotor, und einem Antriebsmechanismus, der über den Lenkmotor eine Lenkeingabe in das Lenksystem elektrisch unterstützt, worin das Verfahren umfasst: Verbinden eines Torsionsstabs und einer Trägheitsscheibe mit der Lenkwelle; Übertragen eines periodischen Lenksteuersignals von einer Steuerung an ein Drehstellglied, während der Lenkmotor und der Antriebsmechanismus die Lenkeingabe unterstützen, um dadurch eine Drehung der Lenkwelle zu veranlassen, über den Torsionsstab und die Trägheitsscheibe durch einen kalibrierten Bereich von Lenkwinkeln; Messen einer Verschiebung der Zahnstange von einer Mittelposition über ein Linearstellglied; Anwenden einer axialen Kraft auf die Zahnstange, die zu der gemessenen Verschiebung proportional ist und in einer Richtung des Widerstehens der Verschiebung der Zahnstange, während das periodische Lenksteuersignal übertragen wird; Messen eines Lenkdrehmomentausgabewerts entlang der Lenkwelle über einen Drehmomentaufnehmer, während das periodische Lenksteuersignal übertragen wird und die axiale Kraft angewendet wird; und eine Steuermaßnahme in Bezug auf das Lenksystem ausgeführt wird, über die Steuerung, wenn eine Differenz zwischen einem Maximalwert des gemessenen Lenkdrehmoments und einem Minimalwert des gemessenen Lenkdrehmoments, das nach dem Maximalwert des Lenkdrehmoments auftritt, bei der Inbetriebnahme und bei jeder Richtungsumkehr des periodischen Lenksteuersignal, einen kalibrierten Schwellenwert, der den Gleitreibungszustand anzeigt, überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Übertragen des periodischen Lenksteuersignals das Übertragen eines sinusförmigen Lenksteuersignals beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Linearstellglied einen linear variablen Differentialtransformator (LVDT) beinhaltet, worin das Verfahren weiterhin das Steuern der angewendeten axialen Kraft über den LVDT umfasst, um dadurch dem Linearstellglied zu ermöglichen als Feder mit konstanter Rate zu wirken.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Ausführung einer Steuermaßnahme das Aufzeichnen eines Diagnosecodes im Speicher der Steuerung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das Ausführen einer Steuermaßnahme die Ablehnung des Lenksystemss in einem Konstruktionsvalidierungsprozess beinhaltet, wenn der Diagnosecode aufgezeichnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der kalibrierte Schwellenwert, der den Gleitreibungszustand anzeigt, etwa 0,3 Nm beträgt.
System, das Folgendes umfasst: ein Drehstellglied; ein elektrisch unterstütztes Lenksystem mit einer Lenkwelle, einer Zahnstange mit einer Zahnstangenachse, einem Zahnradgetriebe, das an einem Ende der Lenkwelle in kämmendem Eingriff mit der Zahnstange angeordnet ist, einem Lenkmotor, und einem Antriebsmechanismus, der eine Lenkeingabe in das Lenksystem über den Lenkmotor elektrisch unterstützt; einen Drehmomentaufnehmer, der zum Messen eines Lenkausgabemoments entlang einer Lenkachse der Lenkwelle betreibbar ist; einen Torsionsstab, der mit dem Drehstellglied über den Drehmomentaufnehmer verbunden ist; eine Trägheitsscheibe, die mit dem Torsionsstab und der Lenkwelle verbunden ist; ein Linearstellglied, das für die Bereitstellung einer kalibrierte Queranwendungskraft entlang der Zahnstangenachse betreibbar ist; und eine Steuerung, die programmiert ist, um einen Gleitreibungszustand des Lenksystems zu charakterisieren, worin die Ausführung von Anweisungen durch die Steuerung, während der Lenkmotor und der Antriebsmechanismus die Lenkeingabe unterstützen, die Steuerung veranlasst: ein periodisches Lenksteuersignal von einer Steuerung an das Drehstellglied zu übertragen, um dadurch eine Drehung der Lenkwelle zu veranlassen, über den Torsionsstab und die Trägheitsscheibe durch einen kalibrierten Bereich von Lenkwinkeln; eine Verschiebung der Zahnstange von einer Mittelposition über ein Linearstellglied zu messen; eine axiale Kraft auf die Zahnstange anzuwenden, die zu der gemessenen Verschiebung proportional ist und in einer Richtung des Widerstehens der Verschiebung der Zahnstange, während das periodische Lenksteuersignal übertragen wird; ein Lenkdrehmomentausgabewert entlang der Lenkwelle über einen Drehmomentaufnehmer zu messen, während das periodische Lenksteuersignal übertragen wird und die axiale Kraft angewendet wird; und eine Steuermaßnahme in Bezug auf das Lenksystem auszuführen, über die Steuerung, wenn eine Differenz zwischen einem Maximalwert des gemessenen Lenkdrehmoments und einem Minimalwert des gemessenen Lenkdrehmoments, das nach dem Maximalwert des Lenkdrehmoments auftritt, bei der Inbetriebnahme und bei jeder Umkehr des periodischen Lenksteuersignals, einen kalibrierten Schwellenwert, der den Gleitreibungszustand anzeigt, überschreitet.
System nach Anspruch 7, worin die Steuerung programmiert ist, um das periodische Lenksteuersignal als ein sinusförmiges Lenksteuersignal zu übertragen.
System nach Anspruch 7, worin das Linearstellglied einen linear variablen Differentialtransformator (LVDT) beinhaltet, der zum Steuern der angewendeten axialen Kraft über den LVDT betreibbar ist, um dadurch dem Linearstellglied zu ermöglichen als Feder mit konstanter Rate zu wirken.
System nach Anspruch 7, worin die Steuermaßnahme das Aufzeichnen eines Diagnosecodes im Speicher der Steuerung beinhaltet.