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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung eines Lenksystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zudem betrifft die Erfindung ein Steuergerät mit einer Recheneinheit zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Steuergerät.
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Aus der
DE 10 2004 017 660 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Überwachung eines elektrischen und/oder elektromechanischen Systems, wie beispielsweise eines Lenksystems, bekannt, bei welchem eine Belastungskenngröße in Form einer internen bzw. systemspezifischen Belastung eines Bauteils ermittelt und zur Bestimmung einer Beanspruchung und/oder eines Zustands des Bauteils ausgewertet wird. Zudem können bei der Auswertung weitere Systemgrößen, wie beispielsweise eine Betriebsdauer, eine Belastungsdauer und/oder eine Umgebungstemperatur, berücksichtigt werden. Externe Belastungen, welche ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf die Beanspruchung und/oder den Zustand des Bauteils haben und welche beispielsweise durch Fahrbahnunebenheiten, Schlaglöcher und/oder andere Sonderereignisse bewirkt werden, bleiben dabei jedoch unberücksichtigt.
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Ausgehend davon besteht die Aufgabe der Erfindung insbesondere darin, ein Verfahren zur Überwachung eines Lenksystems mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Beanspruchungsanalyse bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 10 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung eines Lenksystems, insbesondere während eines Betriebs in einem Fahrzeug und vorteilhaft in einem Kraftfahrzeug, bei welchem eine Belastungskenngröße wenigstens eines, insbesondere zu überwachenden, Lenkungsbauteils des Lenksystems ermittelt und zur Bestimmung einer, insbesondere mechanischen und/oder elektrischen, Beanspruchung und/oder eines Zustands des Lenkungsbauteils ausgewertet wird, und wobei die Belastungskenngröße zumindest eine durch eine externe Krafteinwirkung bewirkte und insbesondere von einer Umgebung auf das Lenkungsbauteil einwirkende, insbesondere externe, Belastung des Lenkungsbauteils umfasst.
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Es wird vorgeschlagen, dass zur Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung zumindest eine Bewegung einer Lenkhandhabe des Lenksystems überwacht und insbesondere ausgewertet wird. Die externe Krafteinwirkung, welche insbesondere zu der Belastung des Lenkungsbauteils führt, kann dabei beispielsweise durch eine Fahrbahnunebenheit, durch ein Schlagloch, durch ein Anstoßen an ein Hindernis, durch ein Lenken gegen ein Hindernis, durch eine Überfahrt eines Hindernisses und/oder durch andere derartige Sonderereignisse bewirkt sein. Vorteilhaft ist die externe Krafteinwirkung dabei von einer Lenkbewegung und/oder einer direkten Krafteinwirkung auf die Lenkhandhabe, insbesondere durch einen Fahrer, verschieden. Zudem kann durch Auswertung der Belastungskenngröße insbesondere auch eine Beanspruchung und/oder ein Zustand von Bauteilen bestimmt werden, welche mit dem Lenksystem in Wirkverbindung stehen, wie beispielsweise der Spurstangen und/oder eines Fahrwerks. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere eine vorteilhafte Beanspruchungsanalyse des Lenkungsbauteils, des Lenksystems und/oder von Bauteilen, welche mit dem Lenksystem in Wirkverbindung stehen, erreicht werden. Insbesondere können hierdurch auch Schädigungsmechanismen von externen Belastungen, welche sich signifikant von Schädigungsmechanismen von internen und/oder systemspezifischen Belastungen unterscheiden können, systematisch erfasst und berücksichtigt werden, wodurch vorteilhaft eine Betriebssicherheit erhöht werden kann. Zudem kann anhand der Beanspruchung und/oder des Zustands der überwachten Bauteile vorteilhaft eine Restlebensdauer der Bauteile und/oder eine Ausfallwahrscheinlichkeit ermittelt werden. Ferner kann durch die Überwachung der Bewegung der Lenkhandhabe vorteilhaft einfach eine Belastung in einer Lenkwelle und/oder in einem Sensorstrang des Lenksystems ermittelt werden kann.
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Insbesondere umfasst das Lenksystem die Lenkhandhabe und das wenigstens eine Lenkungsbauteil. Darüber hinaus kann das Fahrzeug und/oder das Lenksystem weitere Bauteile und/oder Baugruppen umfassen, wie beispielsweise ein Lenkgetriebe, welches vorteilhaft wenigstens ein Lenkungsstellelement, beispielsweise in Form einer Zahnstange, aufweist, eine Lenkwelle zur, insbesondere mechanischen Verbindung der Lenkhandhabe mit dem Lenkgetriebe, wenigstens einen, insbesondere mit dem Lenkgetriebe zusammenwirkenden, Lenkaktuator, wenigstens ein Kopplungsgetriebe zur Kopplung des Lenkaktuators mit dem Lenkgetriebe, wenigstens eine Erfassungseinheit zur Erfassung der Belastungskenngröße, wenigstens einen mit der Lenkwelle in Wirkverbindung stehenden Lenksensor zur Erfassung eines Drehstabsignals und/oder wenigstens ein Steuergerät. Insbesondere kann die Lenkwelle und/oder ein unmittelbar mit der Lenkwelle in Wirkverbindung stehendes Bauteil das zu überwachende Lenkungsbauteil sein. Unter einem „Lenkaktuator“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine, insbesondere elektrisch ausgebildete, Aktuatoreinheit verstanden werden, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, ein Lenkmoment an das Lenkungsstellelement zu übertragen und hierdurch vorteilhaft eine Fahrtrichtung des Fahrzeugs zu beeinflussen. Vorzugsweise ist der Lenkaktuator dazu vorgesehen, ein Lenkmoment zur Unterstützung eines an der Lenkhandhabe aufgebrachten Handmoments und/oder ein Lenkmoment zur selbsttätigen und/oder autonomen Steuerung einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs bereitzustellen. Dazu kann der Lenkaktuator wenigstens einen Elektromotor umfassen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
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Des Weiteren soll unter einer „Belastungskenngröße“ insbesondere eine Kenngröße verstanden werden, welche zumindest mit einer, insbesondere durch eine interne und/oder externe Krafteinwirkung auf das Lenkungsbauteil bewirkten, Belastung des Lenkungsbauteils korreliert ist. Insbesondere kann wenigstens anhand der Belastungskenngröße auf eine, insbesondere mechanische und/oder elektrische, Beanspruchung und/oder einen Zustand des Lenkungsbauteils geschlossen und/oder eine, insbesondere mechanische und/oder elektrische, Beanspruchung und/oder ein Zustand des Lenkungsbauteils bestimmt werden. Wird die Belastungskenngröße ferner mit einer, insbesondere tatsächlichen und beispielsweise vorab ermittelten, Belastbarkeit, insbesondere des Lenkungsbauteils, des Lenksystems und/oder von Bauteilen, welche mit dem Lenksystem in Wirkverbindung stehen, verrechnet, so ist vorteilhaft direkt eine Aussage über die Restlebensdauer möglich. Bevorzugt wird die Belastungskenngröße dabei während eines gesamten Überwachungszeitintervalls überwacht und eine zeitliche Veränderung der Belastungskenngröße zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands des Lenkungsbauteils ausgewertet. Unter einem „Überwachungszeitintervall“ soll insbesondere ein, insbesondere länger andauerndes und vorteilhaft mit einer Lebensdauer des Lenksystems und/oder des Fahrzeugs korreliertes, Zeitintervall verstanden werden, in welchem Veränderungen der Belastungskenngröße erfasst werden. Insbesondere kann das Überwachungszeitintervall dabei einen Zeitraum von mehreren Tagen, von mehreren Wochen, von mehreren Monaten und/oder von mehreren Jahren umfassen.
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Ferner kann das Fahrzeug und/oder das Lenksystem insbesondere wenigstens eine Recheneinheit und/oder wenigstens ein Steuergerät mit einer Recheneinheit umfassen, wobei die Recheneinheit insbesondere dazu vorgesehen ist, das Verfahren zur Überwachung des Lenksystems auszuführen. Unter einer „Recheneinheit“ soll insbesondere eine elektrische und/oder elektronische Einheit verstanden werden, welche einen Informationseingang, eine Informationsverarbeitung und eine Informationsausgabe aufweist. Vorteilhaft weist die Recheneinheit ferner zumindest einen Prozessor, zumindest einen Betriebsspeicher, zumindest ein Ein- und/oder Ausgabemittel, zumindest ein Betriebsprogramm, zumindest eine Steuerroutine, zumindest eine Berechnungsroutine, zumindest eine Überwachungsroutine und/oder zumindest eine Auswerteroutine auf. Insbesondere ist die Recheneinheit zumindest dazu vorgesehen, die Belastungskenngröße des Lenkungsbauteils zu ermitteln und/oder zu empfangen und insbesondere zur Bestimmung einer, insbesondere mechanischen und/oder elektrischen, Beanspruchung und/oder eines Zustands des Lenkungsbauteils auszuwerten. Ferner ist die Recheneinheit insbesondere dazu vorgesehen, zur Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung zumindest eine Bewegung der Lenkhandhabe zu überwachen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass zur Überwachung der Bewegung der Lenkhandhabe wenigstens ein Bewegungssensor verwendet wird. Der Bewegungssensor ist insbesondere dazu vorgesehen, ein mit der Bewegung der Lenkhandhabe korreliertes Bewegungssignal zu erfassen und kann beispielsweise als ein Geschwindigkeitssensor, als ein Beschleunigungssensor und/oder als ein Körperschallsensor ausgebildet sein. Hierdurch kann insbesondere eine besonders einfache und/oder kostengünstige Ermittlung der externen Belastung erreicht werden.
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Zudem ist der Bewegungssensor vorteilhaft von dem Lenksensor zur Erfassung des Drehstabsignals verschieden und insbesondere in einem von dem Lenksensor abweichenden Bereich des Lenksystems angeordnet. Bevorzugt wird dabei vorgeschlagen, dass der Bewegungssensor einen im Vergleich zu dem Lenksensor erweiterten Erfassungsbereich, insbesondere einen erweiterten Messbereich, aufweist. Insbesondere weist der Lenksensor einen ersten Erfassungsbereich auf und der Bewegungssensor einen im Vergleich zu dem ersten Erfassungsbereich erweiterten zweiten Erfassungsbereich. Zudem ist die externe Krafteinwirkung bevorzugt mit einem dynamischen Fahrmanöver korreliert und führt zu einem Drehmoment, welches oberhalb eines von dem Lenksensor erfassbaren Schwellwerts liegt und ausschließlich mittels des Bewegungssensors erfassbar ist. Unter „einem Bereich eines Objekts“ soll insbesondere ein räumlicher Bereich verstanden werden, welcher sich um das Objekt erstreckt und welcher aus Punkten gebildet ist, die jeweils einen Abstand von höchstens 30 cm, vorzugsweise von höchstens 20 cm und besonders bevorzugt von höchstens 10 cm von einem Referenzpunkt und/oder einem Referenzbauteil des Objekts aufweisen. Hierdurch können insbesondere auch schädigende, externe Belastungen erfasst werden, welche oberhalb des Erfassungsbereichs des Lenksensors liegen.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Bewegungssensor im Bereich der Lenkhandhabe oder im Bereich einer Peripheriebaugruppe der Lenkhandhabe, insbesondere mit einer dominierenden Trägheit, angeordnet ist. Im Fall, dass die Lenkhandhabe als Lenkrad ausgebildet ist, ist insbesondere die Lenkhandhabe das Bauteil mit der dominierenden Trägheit, sodass der Bewegungssensor in diesem Fall vorteilhaft im Bereich der Lenkhandhabe angeordnet ist. Ist die Lenkhandhabe hingegen als Joystick, Lenkhebel oder Lenkkugel oder dergleichen ausgebildet, so kann das Bauteil mit der dominierenden Trägheit auch von der Lenkhandhabe verschieden sein und einer Peripheriebaugruppe der Lenkhandhabe, wie beispielsweise einem mit der Lenkhandhabe zusammenwirkenden Feedbackaktuator, beispielsweise in Form eines Elektromotors oder eines Schwungrads, entsprechen. In diesem Fall ist der Bewegungssensor bevorzugt im Bereich der Peripheriebaugruppe angeordnet. Hierdurch können externe Krafteinwirkungen vorteilhaft einfach und präzise erfasst werden.
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Der Bewegungssensor könnte beispielsweise als Beschleunigungssensor ausgebildet und dazu vorgesehen sein, ein mit einer Bewegung der Lenkhandhabe korreliertes Beschleunigungssignal zu erfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird jedoch vorgeschlagen, dass zur Überwachung der Bewegung der Lenkhandhabe mittels des Bewegungssensors ein mit einer Auslenkung der Lenkhandhabe und/oder einer Bewegungsgeschwindigkeit der Lenkhandhabe korreliertes und von einem Beschleunigungssignal verschiedenes Bewegungssignal erfasst wird und zur Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung aus dem Bewegungssignal ein, insbesondere mit der Bewegung der Lenkhandhabe korreliertes, Beschleunigungssignal berechnet wird. Vorzugsweise erfolgt die Berechnung des Beschleunigungssignals dabei mittels einer Gradientenbildung und besonders bevorzugt unter Verwendung eines Differenzenquotienten. Hierdurch können insbesondere Verzögerungen im Bewegungssignal minimiert werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass bei der Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung zumindest eine Trägheit und vorteilhaft ein Trägheitsmoment der Lenkhandhabe und/oder einer Peripheriebaugruppe der Lenkhandhabe, insbesondere mit einer dominierenden Trägheit, berücksichtigt wird. Im Fall, dass die Lenkhandhabe als Lenkrad ausgebildet ist, ist insbesondere die Lenkhandhabe das Bauteil mit der dominierenden Trägheit, sodass in diesem Fall vorteilhaft bei der Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung zumindest eine Trägheit der Lenkhandhabe berücksichtigt wird. Ist die Lenkhandhabe hingegen als Joystick, Lenkhebel oder Lenkkugel oder dergleichen ausgebildet, so kann das Bauteil mit der dominierenden Trägheit auch von der Lenkhandhabe verschieden sein und einer Peripheriebaugruppe der Lenkhandhabe, wie beispielsweise einem mit der Lenkhandhabe zusammenwirkenden Feedbackaktuator, beispielsweise in Form eines Elektromotors oder eines Schwungrads, entsprechen. In diesem Fall wird bei der Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung zumindest eine Trägheit der Peripheriebaugruppe berücksichtigt. Hierdurch kann vorteilhaft eine designspezifische Trägheit des Lenksystems im Bereich der Lenkhandhabe bei der Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung berücksichtigt werden.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass zur Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung zumindest eine Betriebsgröße eines elektrischen Lenkaktuators des Lenksystems, insbesondere des bereits zuvor genannten Lenkaktuators und vorteilhaft eines Rotorelements des Lenkaktuators, überwacht und insbesondere ausgewertet wird, wodurch vorteilhaft einfach eine Belastung im Lenkgetriebe und/oder in einem Servostrang des Lenksystems ermittelt werden kann. Die Betriebsgröße ist dabei bevorzugt eine, insbesondere durch die externe Krafteinwirkung bewirkte, Beschleunigung des Lenkaktuators und/oder eine mit der Beschleunigung korrelierte Betriebsgröße, wie beispielsweise eine Betriebsspannung und/oder ein Betriebsstrom, des Lenkaktuators. Ferner wird vorteilhaft zur Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung zumindest eine Trägheit und vorteilhaft ein Trägheitsmoment des elektrischen Lenkaktuators und vorteilhaft des Rotorelements des Lenkaktuators berücksichtigt. Zudem wird vorgeschlagen, dass die Betriebsgröße des Lenkaktuators zur Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung mit der Bewegung der Lenkhandhabe verknüpft und/oder mit der Bewegung der Lenkhandhabe zu einem gemeinsamen Auswertedatensatz zusammengefasst wird. Hierdurch kann insbesondere eine besonders exakte Ermittlung der externen Belastung erreicht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Belastungskenngröße zumindest eine, insbesondere bei einem Betrieb des Lenksystems erzeugte und auf das Lenkungsbauteil wirkende, interne und/oder systemspezifische Belastung des Lenkungsbauteils umfasst, wodurch insbesondere eine allumfassende Beanspruchungsanalyse des Lenkungsbauteils und/oder des Lenksystems erreicht werden kann. Insbesondere können hierdurch auch Schädigungsmechanismen von internen und/oder systemspezifischen Belastungen erfasst und berücksichtigt werden, wodurch vorteilhaft eine Betriebssicherheit weiter erhöht werden kann.
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Zur Ermittlung der internen und/oder systemspezifischen Belastung kann das Fahrzeug und/oder das Lenksystem insbesondere einen speziellen Sensor, wie beispielsweise einen Spannungssensor, einen Stromsensor und/oder einen Temperatursensor, umfassen. Alternativ oder zusätzlich wird jedoch vorgeschlagen, dass zur Ermittlung der internen und/oder systemspezifischen Belastung zumindest ein Antriebsmoment und/oder eine Antriebskraft des Lenkaktuators und vorteilhaft des Rotorelements des Lenkaktuators und/oder eine mit dem Antriebsmoment und/oder der Antriebskraft korrelierte weitere Betriebsgröße, wie beispielsweise eine weitere Betriebsspannung und/oder ein weiterer Betriebsstrom, des Lenkaktuators überwacht und insbesondere ausgewertet wird. Hierdurch kann insbesondere eine besonders einfache und/oder kostengünstige Ermittlung der internen und/oder systemspezifischen Belastung erreicht werden.
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Wird die Belastungskenngröße ferner zur Ermittlung einer Zahnstangenkraft verwendet, kann vorteilhaft eine Funktionalität des Lenksystems weiter erhöht werden. Vorteilhaft umfasst die Belastungskenngröße in diesem Fall die durch die externe Krafteinwirkung bewirkte und insbesondere von einer Umgebung auf das Lenkungsbauteil einwirkende, insbesondere externe, Belastung des Lenkungsbauteils und die, insbesondere bei einem Betrieb des Lenksystems erzeugte und auf das Lenkungsbauteil wirkende, interne und/oder systemspezifische Belastung des Lenkungsbauteils. Ferner werden in diesem Fall bevorzugt zur Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung sowohl eine Bewegung der Lenkhandhabe als auch eine Betriebsgröße des elektrischen Lenkaktuators überwacht und insbesondere ausgewertet.
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Ein besonders einfacher Auswertealgorithmus für die Beanspruchungsanalyse, welcher gleichzeitig eine Ermittlung einer verbleibenden Betriebsdauer des Lenkungsbauteils erlaubt, kann insbesondere bereitgestellt werden, wenn zur Auswertung der Belastungskenngröße ein Rainflow-Zählverfahren, vorteilhaft in Kombination mit einem Wöhler-Diagramm, einem Haigh-Diagramm und/oder der Miner-Regel, verwendet wird.
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Das Verfahren zur Überwachung des Lenksystems, das Steuergerät und das Fahrzeug sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können das Verfahren zur Überwachung des Lenksystems, das Steuergerät und das Fahrzeug zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Aspekte der Erfindung. Der Fachmann wird diese Aspekte zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
- 1a-b ein beispielhaftes Fahrzeug mit einem Lenksystem in einer vereinfachten Darstellung und
- 2 eine schematische Darstellung eines Signalflussdiagramms zur Überwachung des Lenksystems.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Die 1a und 1b zeigen ein beispielhaft als Personenkraftfahrzeug ausgebildetes Fahrzeug 12 mit mehreren Fahrzeugrädern 22 und mit einem Lenksystem 10 in einer vereinfachten Darstellung. Das Lenksystem 10 weist eine Wirkverbindung mit den, im vorliegenden Fall insbesondere als Vorderrädern ausgebildeten, Fahrzeugrädern 22 auf und ist zur Beeinflussung einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs 12 vorgesehen. Ferner ist das Lenksystem 10 als elektrisch unterstütztes Lenksystem ausgebildet und weist demnach eine elektrische Hilfskraftunterstützung in Form einer Servolenkung auf. Darüber hinaus umfasst das Fahrzeug 12 im vorliegenden Fall beispielhaft zumindest zwei unterschiedliche Fahrmodi, insbesondere einen konventionellen und/oder manuellen Fahrmodus und einen autonomen und/oder teilautonomen Fahrmodus. Prinzipiell ist jedoch auch denkbar, ein Lenksystem als hydraulisch unterstütztes Lenksystem, insbesondere mit einer hydraulischen Hilfskraftunterstützung, auszubilden. Zudem könnte ein Fahrzeug genau einen Fahrmodus aufweisen.
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Das Lenksystem 10 umfasst eine, im vorliegenden Fall beispielhaft als Lenkrad ausgebildete, Lenkhandhabe 24 zum Aufbringen eines Handmoments, ein beispielhaft als Zahnstangenlenkgetriebe ausgebildetes Lenkgetriebe 26, welches ein Lenkungsstellelement 30 umfasst und dazu vorgesehen ist, eine Lenkvorgabe an der Lenkhandhabe 24 in eine Lenkbewegung der Fahrzeugräder 22 umzusetzen, und eine Lenkwelle 28 zur, insbesondere mechanischen, Verbindung der Lenkhandhabe 24 mit dem Lenkgetriebe 26. Das Lenkgetriebe 26 definiert einen Servostrang des Lenksystems 10. Die Lenkwelle 28 definiert einen Sensorstrang des Lenksystems 10. Alternativ könnte eine Lenkhandhabe auch als Lenkhebel oder Lenkkugel oder dergleichen ausgebildet sein.
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Darüber hinaus umfasst das Lenksystem 10 einen Lenkaktuator 16. Der Lenkaktuator 16 ist zumindest teilweise elektrisch und/oder elektronisch ausgebildet. Der Lenkaktuator 16 weist eine Wirkverbindung mit dem Lenkgetriebe 26 auf. Der Lenkaktuator 16 ist dazu vorgesehen, ein Lenkmoment zur Unterstützung eines an der Lenkhandhabe 24 aufgebrachten Handmoments bereitzustellen und an das Lenkungsstellelement 30 zu übertragen. Dazu umfasst der Lenkaktuator 16 wenigstens einen Elektromotor. Der Elektromotor ist im vorliegenden Fall insbesondere als permanenterregter Synchronmotor ausgebildet und zur Erzeugung des Lenkmoments vorgesehen. Grundsätzlich könnte ein Lenkaktuator auch mehrere Elektromotoren umfassen.
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Zudem umfasst das Lenksystem 10 zumindest einen an der Lenkwelle 28 angeordneten und an sich bekannten Lenksensor 34. Der Lenksensor 34 ist als Drehmomentsensor ausgebildet. Der Lenksensor 34 ist dazu vorgesehen, eine mit einer Betätigung der Lenkhandhabe 14 korrelierte Lenkinformation, insbesondere ein an der Lenkhandhabe 14 aufgebrachtes Handmoment und/oder Drehmoment, zu erfassen. Im vorliegenden Fall ist der Lenksensor 34 zur Erfassung eines Drehstabsignals vorgesehen. Ein maximaler Erfassungsbereich des Lenksensors 34 liegt dabei zwischen -10 Nm und +10 Nm. Alternativ könnte ein Lenksensor auch als von einem Drehmomentsensor abweichender Sensor ausgebildet sein, wie beispielsweise als Drehwinkelsensor und/oder als kombinierter Drehmoment- und Drehwinkelsensor.
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Ferner umfasst das Lenksystem 10 zumindest einen dem Lenkaktuator 16 zugeordneten Betriebssensor 36. Der Betriebssensor 36 ist als Rotorlagesensor ausgebildet und dazu vorgesehen, zumindest eine Betriebsgröße des Lenkaktuators 16, im vorliegenden Fall insbesondere ein Rotorlagesignal des Elektromotors, zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich könnte ein Betriebssensor jedoch auch als von einem Rotorlagesensor abweichender Sensor ausgebildet sein, wie beispielsweise als Beschleunigungssensor, als Körperschallsensor, als Spannungssensor, als Stromsensor und/oder als Temperatursensor.
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Darüber hinaus umfasst das Lenksystem 10 zumindest einen Bewegungssensor 32. Der Bewegungssensor 32 ist von dem Lenksensor 34 und dem Betriebssensor 36 verschieden. Der Bewegungssensor 32 ist als Geschwindigkeitssensor ausgebildet. Der Bewegungssensor 32 ist als Lenkradsensor ausgebildet. Der Bewegungssensor 32 weist einen im Vergleich zu dem Lenksensor 34 erweiterten Erfassungsbereich auf. Im vorliegenden Fall ist der Bewegungssensor 32 ausgelegt, ein Drehmoment kleiner -10 Nm und/oder größer +10 Nm zu erfassen. Der Bewegungssensor 32 ist ferner im Bereich der Lenkhandhabe 24 angeordnet. Der Bewegungssensor 32 ist dazu vorgesehen, ein mit der Bewegung der Lenkhandhabe 24 korreliertes Bewegungssignal, im vorliegenden Fall insbesondere ein Geschwindigkeitssignal, zu erfassen. Alternativ könnte ein Bewegungssensor jedoch auch als ein von einem Geschwindigkeitssensor abweichender Sensor ausgebildet sein, wie beispielsweise als Positionssensor, als Abstandssensor, als Beschleunigungssensor und/oder als Körperschallsensor, und insbesondere dazu vorgesehen sein, ein von einem Geschwindigkeitssignal abweichendes Bewegungssignal zu erfassen. Ferner könnte ein Bewegungssensor grundsätzlich auch im Bereich einer Lenkwelle, vorteilhaft oberhalb einer Lenkzwischenwelle, angeordnet sein. Zudem ist denkbar, einen Bewegungssensor im Bereich einer Peripheriebaugruppe einer Lenkhandhabe anzuordnen, insbesondere im Fall, dass die Lenkhandhabe von einem Lenkrad verschieden ausgebildet ist.
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Des Weiteren weist das Fahrzeug 12 ein Steuergerät 18 auf. Das Steuergerät 18 ist beispielhaft als Lenkungssteuergerät ausgebildet und folglich Teil des Lenksystems 10. Das Steuergerät 18 weist eine elektrische Verbindung mit dem Lenkaktuator 16 auf. Zudem weist das Steuergerät 18 eine elektrische Verbindung mit dem Bewegungssensor 32, dem Lenksensor 34 und dem Betriebssensor 36 auf. Das Steuergerät 18 ist dazu vorgesehen, das Bewegungssignal von dem Bewegungssensor 32, das Drehstabsignal von dem Lenksensor 34 und die Betriebsgröße von dem Betriebssensor 36 zu empfangen. Zudem ist das Steuergerät 18 zu einer Ansteuerung des Lenkaktuators 16 vorgesehen.
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Dazu umfasst das Steuergerät 18 eine Recheneinheit 20. Die Recheneinheit 20 umfasst zumindest einen Prozessor, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, und zumindest einen Betriebsspeicher. Zudem umfasst die Recheneinheit 20 zumindest ein im Betriebsspeicher hinterlegtes Betriebsprogramm mit zumindest einer Überwachungsroutine 38, zumindest einer Berechnungsroutine, im vorliegenden Fall insbesondere einer Schädigungsberechnungsroutine 40, 44, und zumindest einer Auswerteroutine 50. Prinzipiell ist jedoch auch denkbar, ein Steuergerät getrennt von einem Lenksystem auszubilden. In diesem Fall könnte ein Fahrzeug beispielsweise ein einzelnes zentrales Steuergerät mit einer zentralen Recheneinheit aufweisen.
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Um nun eine Analyse einer Beanspruchung und/oder eines Zustands des Lenksystems 10 bzw. zumindest eines Lenkungsbauteils 14 des Lenksystems 10 zu verbessern, wird im vorliegenden Fall ein Verfahren zur Überwachung des Lenksystems 10 vorgeschlagen. Im vorliegenden Fall entspricht das Lenkungsbauteil 14 dabei beispielhaft der Lenkwelle 28 oder zumindest einem Teil der Lenkwelle 28. Alternativ oder zusätzlich könnte ein zu überwachendes Lenkungsbauteil jedoch auch ein Lenkgetriebe, ein Lenkaktuator und/oder ein Kopplungsgetriebe zur Kopplung des Lenkaktuators mit dem Lenkgetriebe oder ein Teil des Lenkgetriebes, des Lenkaktuators und/oder des Kopplungsgetriebes sein. Darüber hinaus könnte zusätzlich auch eine Beanspruchung und/oder ein Zustand von Bauteilen überwacht werden, welche mit dem Lenksystem in Wirkverbindung stehen, wie beispielsweise der Spurstangen und/oder ein Fahrwerk.
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Ferner ist insbesondere die Recheneinheit 20 dazu vorgesehen, das Verfahren auszuführen und weist dazu insbesondere ein Computerprogramm mit entsprechenden Programmcodemitteln auf.
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Im vorliegenden Fall wird eine Belastungskenngröße des zu überwachenden Lenkungsbauteils 14 ermittelt und zur Bestimmung einer, insbesondere mechanischen, Beanspruchung und/oder eines Zustands des Lenkungsbauteils 14 ausgewertet. Im vorliegenden Fall wird die Belastungskenngröße dabei während eines gesamten Überwachungszeitintervalls, vorteilhaft während einer gesamten Betriebsdauer und/oder Lebensdauer des Lenksystems 10 und/oder des Fahrzeugs 12, überwacht und eine zeitliche Veränderung der Belastungskenngröße zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands des Lenkungsbauteils 14 ausgewertet.
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Die Belastungskenngröße umfasst zumindest eine durch eine externe Krafteinwirkung bewirkte und insbesondere von einer Umgebung auf das Lenkungsbauteil 14 einwirkende externe Belastung des Lenkungsbauteils 14. Die externe Krafteinwirkung, welche insbesondere zu der Belastung des Lenkungsbauteils 14 führt, kann dabei beispielsweise durch eine Fahrbahnunebenheit, durch ein Schlagloch, durch ein Anstoßen an ein Hindernis, durch ein Lenken gegen ein Hindernis, durch eine Überfahrt eines Hindernisses und/oder durch andere derartige Sonderereignisse bewirkt sein. Die durch die externe Krafteinwirkung bewirkte Belastung setzt sich dabei zumindest im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten zusammen, nämlich den Belastungen in der Lenkwelle 28 und/oder im Sensorstrang sowie den Belastungen im Lenkgetriebe 26 und/oder im Servostrang.
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Zur Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung, insbesondere in der Lenkwelle 28 und/oder im Sensorstrang, wird im vorliegenden Fall zumindest eine durch die externe Krafteinwirkung bewirkte und mittels des Bewegungssensors 32 erfasste Bewegung der Lenkhandhabe 24 überwacht und ausgewertet. Hierzu wird mittels des Bewegungssensors 32 ein mit einer Bewegungsgeschwindigkeit der Lenkhandhabe 24 korreliertes und von einem Beschleunigungssignal verschiedenes Bewegungssignal erfasst, aus welchem anschließend ein mit der Bewegung der Lenkhandhabe 24 korreliertes Beschleunigungssignal berechnet wird. Die Berechnung des Beschleunigungssignals erfolgt dabei mittels einer Gradientenbildung und insbesondere unter Verwendung eines Differenzenquotienten. Alternativ könnte jedoch auch eine andere Art der Differenzialrechnung verwendet werden oder direkt ein mit einer Bewegung einer Lenkhandhabe korreliertes Beschleunigungssignal erfasst werden. Zudem wird bei der Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung eine Trägheit der Lenkhandhabe 24 berücksichtigt. Für die externe Belastung, insbesondere in der Lenkwelle 28 und/oder im Sensorstrang, gilt in diesem Fall:
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Dabei beschreibt J1 die Trägheit der Lenkhandhabe 24 und ä1 die Beschleunigung der Lenkhandhabe 24, insbesondere in Form einer Winkelbeschleunigung. Das Drehstabsignal des Lenksensors 34 wird zur Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung nicht berücksichtigt, da die sich ergebenden Drehmomente deutlich größer sind, als ein mittels des Lenksensors 34 ermittelbares Drehmoment.
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Zusätzlich kann zur Ermittlung der durch die externe Krafteinwirkung bewirkten Belastung, insbesondere im Lenkgetriebe 26 und/oder im Servostrang, eine durch die externe Krafteinwirkung bewirkte und mittels des Betriebssensors 36 erfasste Betriebsgröße in Form einer Beschleunigung des Lenkaktuators 16 überwacht und ausgewertet werden, wobei ebenfalls eine Trägheit des Lenkaktuators 16 berücksichtigt werden kann. Für die externe Belastung, insbesondere im Lenkgetriebe 26 und/oder im Servostrang, gilt in diesem Fall:
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Dabei beschreibt J2 die Trägheit des Lenkaktuators 16, ä2 die Beschleunigung, insbesondere Rotorbeschleunigung, des Lenkaktuators 16, i eine Getriebeübersetzung eines Kopplungsgetriebes zur Kopplung des Lenkaktuators 16 an das Lenkgetriebe 26 und ηext einen Wirkungsgrad der externen Belastung.
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Um die Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands des Lenkungsbauteils 14 zu verbessern, kann die Betriebsgröße des Lenkaktuators 16 mit der Bewegung der Lenkhandhabe 24 verknüpft und/oder mit der Bewegung der Lenkhandhabe 24 zu einem gemeinsamen Auswertedatensatz zusammengefasst wird.
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Für die gesamte, externe Belastung ergibt sich dann:
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Grundsätzlich könnte auf eine Überwachung eines Lenkaktuators und folglich eine Ermittlung einer Belastung in einem Lenkgetriebe bzw. in einem Servostrang jedoch im vorliegenden Fall auch verzichtet werden.
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Um ferner eine allumfassende Beanspruchungsanalyse des Lenkungsbauteils 14 und/oder des Lenksystems 10 zu erreichen, umfasst die Belastungskenngröße ferner eine, insbesondere bei einem Betrieb des Lenksystems 10 erzeugte und auf das Lenkungsbauteil 14 wirkende, interne und/oder systemspezifische Belastung des Lenkungsbauteils 14. Die interne und/oder systemspezifische Belastung ist dabei durch einen normalen Betrieb des Lenksystems 10 bewirkt. Zur Ermittlung der internen und/oder systemspezifischen Belastung kann beispielsweise ein Antriebsmoment und/oder eine Antriebskraft des Lenkaktuators 16 überwacht und ausgewertet werden. Für die interne und/oder systemspezifische Belastung gilt in diesem Fall:
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Dabei beschreibt Mel das Antriebsmoment und/oder die Antriebskraft des Lenkaktuators 16, i die Getriebeübersetzung des Kopplungsgetriebes und ηint einen Wirkungsgrad der internen und/oder systemspezifischen Belastung.
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Die Belastungskenngröße bzw. die Gesamtbelastung des Lenkungsbauteils 14 setzt sich dann aus der externen Belastung sowie der internen und/oder systemspezifischen Belastung des Lenkungsbauteils 14 zusammen, wobei eine Situation, in welcher die externe Belastung größer als die interne und/oder systemspezifische Belastung ist, auf ein externes Sonderereignis, beispielsweise in Form eines Schlaglochs, eines Anstoßens an ein Hindernis, etc., hindeutet. Grundsätzlich ist jedoch auch denkbar, auf eine Erfassung und/oder Auswertung einer internen und/oder systemspezifischen Belastung eines Lenkungsbauteils zu verzichten und derartige interne und/oder systemspezifische Belastungen beispielsweise mittels vorab applizierter Kennlinien abzubilden.
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Zur Auswertung der Belastungskenngröße könnte die Belastungskenngröße mitgeschrieben, gespeichert und/oder klassifiziert werden oder gegen einen Maximalwert abgeglichen werden. Vorteilhaft kann zur Auswertung der Belastungskenngröße auch ein spezieller Schädigungsberechnungsalgorithmus, insbesondere ein Rainflow-Zählverfahren, beispielsweise in Kombination mit einem Wöhler-Diagramm, einem Haigh-Diagramm und/oder der Miner-Regel, verwendet werden, wodurch insbesondere eine vorteilhaft einfache Ermittlung einer verbleibenden Betriebsdauer des Lenkungsbauteils 14 erreicht werden kann. Derartige Schädigungsberechnungsalgorithmen sind an sich bekannt und werden daher im Folgenden nicht näher erläutert.
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Wird bei der Auswertung der Belastungskenngröße eine Schädigung des Lenkungsbauteils 14 und/oder eine drohende Schädigung des Lenkungsbauteils 14 erkannt, so können vorteilhaft als Reaktion darauf unterschiedliche Maßnahmen getroffen werden, wie beispielsweise eine Komplettabschaltung des Lenksystems 10, eine Degradierung des Lenksystems 10, ein Wechsel in einen bestimmten Fahrmodus, eine Änderung einer Ansteuerung des Lenkaktuators 16 und/oder lediglich ein Erzeugen einer Hinweismeldung und/oder einer Warnmeldung.
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Ferner kann die Belastungskenngröße mit einer, insbesondere tatsächlichen und beispielsweise vorab ermittelten, Belastbarkeit, insbesondere des Lenkungsbauteils 14, des Lenksystems 10 und/oder von Bauteilen, welche mit dem Lenksystem 10 in Wirkverbindung stehen, verrechnet werden, wodurch vorteilhaft direkt eine Aussage über eine Restlebensdauer der Einzelkomponenten und/oder des Gesamtsystems möglich ist. Die Restlebensdauer könnte anschließend beispielsweise über eine Kommunikationsschnittstelle des Fahrzeugs 12 und/oder des Lenksystems 10 oder über einen Bordcomputer des Fahrzeugs 12 ausgelesen werden.
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Darüber hinaus kann die Belastungskenngröße auch zur Ermittlung einer Zahnstangenkraft verwendet werden, wodurch eine Funktionalität des Lenksystems 10 weiter erhöht werden kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Signalflussdiagramms zur Überwachung des Lenksystems 10 und insbesondere zur Auswertung der Belastungskenngröße.
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Die Recheneinheit 20 ist dazu vorgesehen, mittels der Überwachungsroutine 38 die Belastungskenngröße zu überwachen, zu analysieren und zu klassifizieren. Insbesondere können der Überwachungsroutine 38 dabei auch weitere Einflussgrößen, wie beispielsweise eine aktuelle Temperatur, zugeführt werden, sodass diese bei der Auswertung der Belastungskenngröße berücksichtigt werden können. Im vorliegenden Fall ist die Recheneinheit 20 dazu vorgesehen, mittels der Überwachungsroutine 38 und insbesondere dem Rainflow-Zählverfahren eine dominierende Belastung zu bestimmen. Dabei ist die Recheneinheit 20 insbesondere dazu vorgesehen zu bestimmen, ob die externe Belastung oder die interne und/oder systemspezifische Belastung einer dominierenden Belastung entspricht.
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Entspricht die externe Belastung einer dominierenden Belastung, so ist die Recheneinheit 20 dazu vorgesehen, die Belastungskenngröße mittels der ersten Schädigungsberechnungsroutine 40, beispielsweise unter Verwendung eines Wöhler-Diagramms, weiterzuverarbeiten und anschließend mittels einer ersten Bestimmungsroutine 42 einen durch die externe Krafteinwirkung bewirkten externen Schädigungsgrad des Lenkungsbauteils 14 zu bestimmen.
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Entspricht hingegen die interne und/oder systemspezifische Belastung einer dominierenden Belastung, so ist die Recheneinheit 20 dazu vorgesehen, die Belastungskenngröße mittels der von der ersten Schädigungsberechnungsroutine 40 abweichenden zweiten Schädigungsberechnungsroutine 44, beispielsweise unter Verwendung eines weiteren Wöhler-Diagramms, weiterzuverarbeiten und anschließend mittels einer zweiten Bestimmungsroutine 46 einen durch einen normalen Betrieb des Lenksystems 10 bewirkten internen Schädigungsgrad des Lenkungsbauteils 14 zu bestimmen. Die Schädigungsberechnungsroutinen 40, 44 können sich im vorliegenden Fall beispielsweise anhand der verwendeten Wöhler-Diagramme unterscheiden. Grundsätzlich könnte auf die Ermittlung der internen und/oder systemspezifischen Belastung jedoch auch vollständig verzichtet werden.
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Anschließend ist die Recheneinheit 20 dazu vorgesehen, mittels einer Summationsroutine 48 den externen Schädigungsgrad und den internen Schädigungsgrad zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands des Lenkungsbauteils 14 zu einem Gesamtschädigungsgrad des Lenkungsbauteils 14 zusammenzufassen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, den externen Schädigungsgrad und/oder den internen Schädigungsgrad mit einem Gewichtungsfaktor zu multiplizieren und hierdurch den externen Schädigungsgrad und den internen Schädigungsgrad unterschiedlich zu gewichten.
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Daraufhin ist die Recheneinheit 20 dazu vorgesehen, mittels der Auswerteroutine 50 den Gesamtschädigungsgrad des Lenkungsbauteils 14 auszuwerten, beispielsweise mittels eines Abgleichs mit einem Grenzwert, und bei Überschreiten des Grenzwerts eine entsprechende Reaktion einzuleiten, wie beispielsweise das Erzeugen einer Hinweismeldung.
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Durch diese Ausgestaltung können sowohl Schädigungsmechanismen von internen und/oder systemspezifischen Belastungen als auch Schädigungsmechanismen von externen Belastungen, welche sich signifikant von Schädigungsmechanismen von internen und/oder systemspezifischen Belastungen unterscheiden können, sicher erfasst und berücksichtigt werden.