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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Belastung eines Lenksystems in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Straßenfahrzeug, sowie ein entsprechendes Modul zum Bestimmen der Belastung eines Lenksystems in einem Fahrzeug.
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Das Lenksystem eines Fahrzeugs, etwa eines Straßenfahrzeugs, gehört zweifelsohne zu einem der sicherheitsrelevanten Systeme. Während des Betriebs können Ereignisse auftreten, welche punktuell einen übermäßigen Verschleiß am Fahrzeug und damit auch am Lenksystem führen können. Zu solchen Ereignissen zählen beispielsweise Bordsteinrempler, Lenkmanöver gegen die Bordsteinkante bei zu dichtem Parken am Bordstein, durchfahren von Schlaglöchern sowie Radkontakte mit der Leitplanke oder anderen Objekten. Durch die heutzutage teilweise sehr komfortabel ausgelegten Fahrwerke können solche Ereignisse aus Sicht des Fahrers unbemerkt erfolgen und sich daher seiner Aufmerksamkeit entziehen. Ereignisse der erwähnten Art können den Verschließ der betroffenen mechanischen Bauteile beschleunigen. Zudem können sie zur Ausbildung von latenten Schwachstellen am Lenksystem führen, welche den Fahrbetrieb nicht direkt beeinflussen und daher nicht durch die Überwachungssensorik des Fahrzeugs erkannt werden. Es kann dann irgendwann beim Betrieb des Fahrzeugs zu einem Schaden am Lenksystem kommen, insbesondere während eines der Ereignisse der erwähnten Art, welcher eine Fahrzeugreparatur nach sich zieht, bevor der Schaden im Rahmen einer regelmäßigen Fahrzeugwartung erkannt und beseitigt werden kann. Das hat zum einen zur Folge, dass das Fahrzeug für den Fahrer für die Dauer der Reparatur nicht mehr benutzbar ist. Zum anderen kann ein solcher Vorfall beim Fahrer das Gefühl erwecken, dass das Fahrzeug von minderwertiger Qualität ist, da der Schaden aus Sicht des Fahrers anscheinend durch ein einzelnes, aus seiner Sicht harmlos wirkendes Ereignis hervorgerufen worden ist. Darüber hinaus können ggf. größere Folgeschäden durch eine frühzeitige Korrektur vermieden werden.
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Aus Druckschrift
DE 10 2013 008 830 B3 ist Verfahren zur Erkennung einer Beschädigung eines Bauteils des Lenkstrangs eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei bei Ermittlung des Eintretens wenigstens einer vorgegebenen Betriebsbedingung des Kraftfahrzeugs, die ein Schadensereignis indizieren kann, anhand von Sensordaten eines wenigstens einen Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs messenden fahrzeugseitig angeordneten Sensors, eine Ermittlung eines ersten Geradeauslauflenkwinkels I durchgeführt wird, der einen Lenkwinkel angibt, bei dem sich das Fahrzeug geradeaus bewegt, und ein Vergleich des ersten Geradeauslauflenkwinkels mit einem vor Eintreten der Betriebsbedingung ermittelten zweiten Geradeauslauflenkwinkel stattfindet. Es wird ein Schadenssignal an einen Benutzer des Kraftfahrzeugs und/oder ein Fehlereintrag in einem Fehlerspeicher und/oder mindestens ein Parameters eines Fahrassistenzsystems angepasst, wenn eine Abweichung des ersten Geradeauslauflenkwinkel vom zweiten Geradeauslauflenkwinkel größer ist als ein vorgegebener Grenzwert.
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Druckschrift
DE 10 2010 033 066 B4 offenbart ein Verfahren zur Erfassung von äußeren Stößen bei Fahrzeuglenksystemen, die eine drehbare Lenkspindel und einen Servomotor aufweisen, wobei das Verfahren im Wesentlichen auf der kontinuierlichen Messung einer ersten und einer zweiten Kenngröße basiert, wobei Kenngrößen-Tupeln zumindest aus einem Messwert der ersten Kenngröße und einem zeitlich aufgenommenen Messwert der zweiten Kenngröße gebildet werden und mit einem vorbestimmen Normal-Betriebsbereich eines mehrdimensionalen Kennfeldes verglichen werden, das zumindest durch die erste Kenngröße und die zweite Kenngröße festgelegt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens, mittels welchem die Belastung eines Lenksystems in einem Fahrzeug einfach und zuverlässig festgestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens zum Bestimmen der Belastung eines Lenksystems in einem Fahrzeug gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie mittels eines entsprechend konfigurierten Moduls gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen der Belastung eines Lenksystems in einem Fahrzeug, insbesondere einem Straßenfahrzeug, bereitgestellt, aufweisend Ermitteln einer von außen auf das Lenksystem einwirkenden Kraft, Vergleichen der ermittelten Kraft mit einem Kraftschwellenwert, Verändern einer Zählvariable, wenn die ermittelte Kraft größer ist als der Kraftschwellenwert, und Ausgeben eines Warnhinweises, wenn die Zählvariable einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Ein Zustand, bei dem die ermittelte Kraft größer als der Kraftschwellenwert ist, wird im Folgenden als Belastungsereignis bezeichnet. Das Bestimmen der Belastung des Lenksystems kann insbesondere ein Bestimmen des aktuellen Belastungszustands des Lenksystems durch ein Belastungsereignis unter Berücksichtigung von in der Vergangenheit aufgetretenen Belastungsereignissen aufweisen.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Idee zugrunde, Ereignisse zu ermitteln und festzuhalten, die sich möglicherweise nachteilig auf das Lenksystem auswirken. Die Ermittlung dieser Belastungsereignisse basiert auf dem Vergleichen der auf das Lenksystem von außen, also durch Wechselwirkung des Fahrzeugs mit seiner Fahrumgebung, einwirkenden Kraft mit einem Kraftschwellenwert. Der Kraftschwellenwert kann beispielsweise vom Fahrzeughersteller vorbestimmt sein und einem Erfahrungswert oder einem Auslegungswert entsprechen. Über das Verändern der Zählvariable bei Detektion eines Ereignisses, bei dem die auf das Lenksystem von außen einwirkende Kraft größer als der Kraftschwellenwert ist, kann deren Anzahl über die Zeit verfolgt werden. Unter dem Verändern der Zählvariable kann allgemein ein Anpassen des Wertes der Zählvariable verstanden werden, was zweckmäßigerweise durch Erhöhen/Hochsetzen des Wertes der Zählvariable erfolgen kann.
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Das Ermitteln der von außen auf das Lenksystem einwirkenden Kraft kann insbesondere ein kontinuierliches Überwachen der von außen auf das Lenksystem einwirkenden Kraft aufweisen. Zur Ermittlung der von außen auf das Lenksystem einwirkenden Kraft kann beispielsweise mindestens ein Kraftsensor an mindestens einer Stelle innerhalb des Lenksystems angebracht sein. Durch Simulation und/oder Testerprobung kann die Kraft, welche unter normalen Fahrbedingungen an der mindestens einen Stelle auftritt, bekannt sein. Bei Detektion einer an dem mindestens einen Kraftsensor auftretenden größeren Kraft kann davon ausgegangen werden, dass ein Ereignis der oben beschriebenen Art stattgefunden hat. Alternativ kann zur Ermittlung der von außen auf das Lenksystem einwirkenden Kraft die Verschiebung der Kräfte in einem Kräftegleichgewicht betrachtet werden. Das Kräftegleichgewicht kann aufgestellt werden, indem die Beiträge der relevanten Systemkräfte berücksichtigt werden, etwa die Kraft, die der Fahrer auf das Lenksystem ausübt, die Motorkraft der Servolenkung, sowie Reibung und Massenträgheitskräfte.
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Basierend auf der Information über die Anzahl der aufgetretenen Belastungsereignisse kann dem Kundendienst frühzeitig angezeigt werden, wenn aufgrund einer großen Anzahl davon mit einer agglomeriert hohen Last am Lenksystem zu rechnen ist und der Verdacht auf eine Beschädigung am Lenksystem besteht. Ferner kann präventiv eine Wartungsmaßnahme veranlasst werden, etwa durch einen entsprechenden Hinweis auf dem Kombiinstrument oder im Fehlerspeicher des Steuergeräts, bei der das Lenksystem überprüft werden kann und gegebenenfalls eine entsprechende Reparatur vorgenommen werden kann. Ferner kann aus den ermittelten Informationen ein besseres Verständnis über das Nutzungsverhalten des Fahrers abgeleitet werden. Das kann zum einen dafür genutzt werden, um das Fahrzeug individuell an das Nutzungsverhalten des Fahrers anzupassen. Zum anderen kann diese Information zusammen mit den entsprechenden Informationen von anderen Fahrzeugen genutzt werden, um die Fahrzeuge zukünftiger Generationen zu optimieren und auf die Kunden auszurichten. So kann beispielsweise das Lenksystem optimal ausgelegt werden, sodass eine Über- oder Unterdimensionierung von Bauteilen vermieden werden kann.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann das Ermitteln der von außen auf das Lenksystem einwirkenden Kraft ein Ermitteln einer von außen auf eine Zahnstange des Lenksystems einwirkenden Kraft aufweisen. Bei dem betrachteten Lenksystem kann es sich also insbesondere um eine Zahnstangenlenkung handeln. Zur Ermittlung der auf die Zahnstange des Lenksystems einwirkenden Kraft kann ein Zahnstangenkraftschätzer verwendet werden, welcher ein Teil des Lenkungsreglers (Unterstützungskraftregler) ist. Die Ausgestaltung eines solchen Zahnstangenkraftschätzers ist beispielsweise in der Patentanmeldung
DE 10 2014 105 088 A1 offenbart, welcher darin als Kalman-Filter ausgeführt ist. Bei einer Zahnstangenlenkung gilt, dass im Gleichgewichtsfall die Zahnstangenkraft der Summe aus Fahrerkraft, Servo-Motorkraft, Faltenbalgkraft sowie der Reibungs- und Massenträgheitskraft diverser Bauteile entspricht. Die Fahrerkraft, wird durch den Fahrer über das Lenkrad und den Lenkstrang aufgebracht und kann beispielsweise aus dem Produkt des Drehstabmoments und der Ritzelübersetzung zwischen der Zahnstange und dem am Ende des Drehstabs angeordneten Ritzel errechnet werden. Die Servo-Motorkraft wird durch die Servo-Unterstützung aufgebracht und ergibt sich aus dem Produkt des Motormoments des Servo-Motors und der Riemenübersetzung/Kugelgewindetriebübersetzung zwischen Servo-Motor und Zahnstange. Die Faltenbalgkraft tritt aufgrund der Verformung des Faltenbalgs bei Lenkmanövern auf. Die Reibungskraft und die Massenträgheitskraft treten aufgrund der Lagerung bzw. der Massenträgheit verschiedener Bauteile auf. Beispielhafte Reibungsbeiträge können beispielsweise die Lenkstrangreibung und die Zahnstangenreibung umfassen. Beispielhafte Massenträgheitskräfte können die Lenkradträgheit, die Servo-Motor-Trägheit sowie die Trägheit der Zahnstangenmasse umfassen. Da die Beiträge der intern im bzw. am Lenksystem wirkenden Kräfte bekannt sind und auch die Fahrerkraft sensorisch ermittelt werden kann, kann die von außen auf die Zahnstange (insbesondere durch Räder übertragene) einwirkende Kraft durch Auswertung des Kräftegleichgewichts ermittelt werden. Es sei erwähnt, dass unter normalen Fahrbedingungen die vom Fahrer aufgebrachten Lenkkraft bzw. die vom Servo-Motor angewendete Kraft den Kraftschwellenwert nicht überschreiten und damit nicht als Belastungsereignis eingestuft werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann beim Verändern der Zählvariable der Zeitpunkt der Überschreitung des Schwellenwerts durch die auf das Lenksystem von außen einwirkende Kraft festgehalten werden. Der Zeitpunkt kann beispielsweise einem Zeitstempel entsprechen, welcher in einem entsprechenden Speicher abgelegt wird. Durch Festhalten der Zeitpunkte der Belastungsereignisse kann eine genauere Analyse der Belastung des Lenksystems erfolgen. Aus dem zeitlichen Verlauf der aufgetretenen Belastungsereignisse kann beispielsweise eine erforderliche Wartungsmaßnahme besser prognostiziert werden.
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Beim Ausgeben des Warnhinweises gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn die Zählvariable einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann es sich bei dem Warnhinweis h beispielsweise um einen akustischen und/oder optischen Hinweis handeln. Der Warnhinweis kann beispielsweise einer Kontrollleuchte im Kombiinstrument entsprechen und den Fahrer anleiten, eine Werkstatt zwecks Überprüfung des Lenksystems aufzusuchen. Bei dem Warnhinweis kann sich jedoch auch um einen entsprechenden Fehlerspeichereintrag im System des Fahrzeugs handeln, welcher beim nächsten Wartungsvorgang vom Techniker ausgelesen werden kann bzw. beim Auslesen der Fahrzeugdaten diesem angezeigt wird.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann das Ausgeben eines Warnhinweises erfolgen, wenn der Zuwachs der Zählvariable innerhalb eines vorbestimmten Zeitiritervalls einen vorbestimmen Wert überschreitet. Mit dieser Maßnahme kann der durch vergangene Belastungsereignisse geprägte Belastungszustand des Lenksystems bei Auftreten eines neuen/weiteren Belastungsereignisses berücksichtigt werden. So kann es sein, dass beispielsweise während einer mehrstündigen Fahrt mehrere Belastungsereignisse als nicht problematisch eingestuft werden. Erfolgt jedoch die gleiche Anzahl von Belastungsereignissen innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls, beispielsweise während ein paar Minuten oder einiger Zehn Sekunden, so kann der letztere Fall mit einer deutlich höheren Beanspruchung/Belastung des Lenksystems einhergehen. Deshalb kann es von Vorteil sein, nicht nur Kenntnis über die Anzahl der aufgetretenen Belastungsereignisse zu haben, sondern auch deren zeitliche Verteilung zu berücksichtigen. Mit anderen Worten kann nicht nur das Auftreten der Belastungsereignisse bzw. deren absolute Anzahl berücksichtigt werden für die Herbeiführung von Maßnahmen, etwa dem Anzeigen einer erforderlichen Wartungsmaßnahme/Reparatur, sondern auch deren Häufigkeit bzw. zeitliche Dichte. Durch Berücksichtigung des Zeitaspekts kann ferner der Belastungszustand des Lenksystems während des Auftretens eines nächsten Belastungsereignisses zuverlässiger prognostiziert werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Verfahren ferner Vergleichen der ermittelten Kraft mit mindestens einem zweiten Kraftschwellenwert und Verändern einer zweiten Zählvariable aufweisen, wenn die ermittelte Kraft größer als der zweite Kraftschwellenwert ist. Ein solcher Fall wird im Folgenden als zweites Belastungsereignis bezeichnet. Durch Einführen mindestens eines zweiten Kraftschwellenwerts können auftretende Belastungsereignisse feiner klassifiziert werden und beispielsweise in Belastungsereignisse mittleren Grades und Belastungsereignisse schweren Grades unterteilt werden. In Analogie zur Erfassung des Zeitpunktes der ersten Belastungsereignisse kann beim Verändern der zweiten Zählvariable ebenfalls der Zeitpunkt der Überschreitung des zweiten Kraftschwellenwerts durch die auf das Lenksystem von außen einwirkende Kraft festgehalten werden. Bei Bedarf können zusätzlich zum ersten Kraftschwellenwert und dem mindestens zweiten Kraftschwellenwert weitere Kraftschwellenwerte definiert werden und analog zum ersten und zweiten Kraftschwellenwert verwendet werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Verfahren ferner Ausgeben eines zweiten Warnhinweises aufweisen, wenn die zweite Zählvariable einen zweiten vorbestimmten zweiten Schwellenwert überschreitet. Dieser Vorgang kann grundsätzlich in Analogie zu dem Ausgeben des ersten Warnhinweises erfolgen und ebenfalls akustischer und/oder optischer Natur sein. Der zweite Hinweis kann sich beispielsweise.hinsichtlich seines Klanges, seiner Farbe und/oder seines Symbols vom ersten Hinweis unterscheiden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann das Ausgeben eines Warnhinweises in Abhängigkeit von dem Wert der ersten Zählvariable und von dem Wert der zweiten Zählvariable erfolgen. Bei dem Warnhinweis kann es sich beispielsweise um den ersten oder um den zweiten Warnhinweis handeln. Dadurch kann der aktuelle Belastungszustand des Lenksystems bei Auftreten eines neuen/weiteren Belastungsereignisses berücksichtigt werden, wobei hier unterschieden werden kann, ob beim Ereignis nur der erste Kraftschwellenwert oder der erste und mindestens der zweite Kraftschwellenwert überschritten werden. Die Ausgabe des Warnhinweises kann insbesondere von der zeitlichen Nähe und des Grades der Belastungsereignisse zueinander abhängen. So kann beispielsweise ein zweites Belastungsereignis, welchem mehrere aufeinanderfolgende erste Belastungsereignisse vorausgegangen sind, zu der Ausgabe eines Warnhinweises führen, während ein solitär auftretendes zweites Belastungsereignisse nicht zur Ausgabe eines Warnhinweises führt.
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Ferner, wird erfindungsgemäß ein Modul zum Bestimmen der Belastung eines Lenksystems in einem Fahrzeug bereitgestellt, wobei das Modul an mindestens einen Kraftsensor des Lenksystems gekoppelt ist, wobei das Modul eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Der mindestens eine Kraftsensor kann an die Zahnstange des Lenksystems gekoppelt sein. Beispielsweise kann der mindestens eine Kraftsensor an einem Lagerpunkt der Zahnstange des Lenkungssystems angeordnet sein. Vorteilhaft ist die Verwendung von zwei Kraftsensoren an den Spurstangen, weil hier auch gegensinnige Belastungen erkannt werden können.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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1 zeigt ein Flussdiagramm, in dem ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht ist.
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In 1 ist ein Flussdiagramm 100 dargestellt, in dem ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Belastung eines Lenksystems in einem Fahrzeug dargestellt ist. In einem ersten Schritt 101 weist das Verfahren Ermitteln einer von außen auf das Lenksystem einwirkenden Kraft auf. In einem weiteren Schritt 102 weist das Verfahren Vergleichen der ermittelten Kraft mit einem Kraftschwellenwert auf. In einem noch weiteren Schritt 103 weist das Verfahren Verändern einer Zählvariable, wenn die ermittelte Kraft größer als der Kraftschwellenwert ist.
