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Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen zur Lenkung mit einem lenkbaren Rad wirkverbundenen elektromechanischen Aktuator, der eine Sensoreinrichtung aufweist, die ausgebildet ist zur Erfassung mindestens eines mit der Belastung des Aktuators korrelierten Belastungswerts und die verbunden ist mit einer Steuereinheit, die mindestens ausgebildet ist zur Verarbeitung des Belastungswerts. Ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Lenksystem und ein Verfahren zur Steuerung eines Lenksystems ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
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Ein derartiges Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, im Folgenden kurz als Lenksystem bezeichnet, weist mehrere Lenkeinrichtungen oder Lenkaktuatoren auf, die als Aktuatoren bezeichnet werden. Diese Aktuatoren werden abhängig von eingegebenen Lenkbefehlen angesteuert, um eine Querführung des Fahrzeugs relativ zur Fahrbahn zu bewirken und auf einer durch die Lenkbefehle definierten Bahnführung zu halten.
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Die Aktuatoren einer elektromechanischen Lenkung umfassen an eine Steuereinheit angeschlossene elektrische Stellelemente, welche mit den Rädern des Fahrzeugs wirkverbunden sind, beispielsweise Lenksteller zur Erzeugung eines Lenkeinschlags durch Winkelverstellung einzelner Räder oder Gruppen von Rädern, Antriebs- oder Bremseinrichtungen zur gesteuerten Beaufschlagung einzelner Räder oder Gruppen von Rädern mit definierten Antriebs- oder Bremsmomenten für das sogenannte „torque-vectoring“, und/oder einzelnen oder Gruppen von Rädern zugeordnete verstellbare Fahrwerkskomponenten wie Radaufhängungen, Federelemente, Dämpferelemente oder dergleichen. Darüber hinaus können weitere hier nicht genannte oder Kombinationen von Aktuatoren vorgesehen sein, die geeignet und eingerichtet sein können, um einzeln oder in Kombination eine gesteuerte Querführung des Fahrzeugs zu bewirken.
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Die Aktuatoren können in einer Hilfskraftlenkung integriert sein, um ein manuell in eine Lenkwelle eingebrachtes Lenkmoment durch Einkopplung eines Zusatz- oder Hilfsmoments oder einer Hilfskraft zu verstärken, oder in einem Steer-by-Wire-Lenksystem die Querführung allein durch elektrische Ansteuerung der Aktuatoren zu bewirken.
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Die Aktuatoren werden üblicherweise ausgelegt, um sämtliche im normalen Betrieb über die gesamte Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs auftretenden Belastungen aufnehmen zu können. Diese Normalbelastungen werden im bestimmungsgemäßen Betrieb bei mehr als 95% aller Fahrzeuge nicht oder nicht signifikant überschritten. Derartige Normalbelastungen sollen unter dem Begriff Normalbetrieb subsumiert werden. Es können jedoch bei einem Teil der Fahrzeuge Betriebszustände auftreten, beispielsweise bei Fahrschulfahrzeugen oder regelmäßiger extremer Fahrweise, bei denen Spitzenbelastungen der Aktuatoren deutlich oberhalb der Normalbelastungen auftreten. Derartige Lastspitzen können bei Überlastereignissen auftreten, beispielsweise wenn das Fahrzeug allein durch einen Lenkeinschlag der Räder von einem Bordstein seitlich abgedrückt wird, wenn beim forcierten Schleudern hohe Querkräfte auf die Räder wirken, oder durch andere extreme Fahrsituationen.
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Um über die gesamte Lebensdauer des Kraftfahrzeugs ein jederzeit hohes Sicherheitsniveau zu gewährleisten, ist es im Stand der Technik bekannt, die Aktuatoren so zu dimensionieren, dass auch durch häufigere Überlastereignisse keine Beeinträchtigung der Lenkung zu erwarten ist. Dadurch sind die Aktuatoren jedoch für den weitaus überwiegenden Teil der im Wesentlichen unter Normalbelastungen betriebenen Fahrzeuge überdimensioniert, woraus als Nachteile ein hohes Gewicht sowie ein relativ hoher Ressourcen- und Energieverbrauch resultieren.
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Es ist zwar bekannt, die Funktion der Aktuatoren mittels geeigneter Sensoreinrichtungen im Betrieb zu überwachen, und bei einer Fehlfunktion oder einem Ausfall einen mit der Belastung des Aktuators korrelierten Belastungswert zur Steuerung des Aktuators im Notfall zu nutzen, beispielsweise bei Überhitzung, Kurzschluss, Leitertrennung oder dergleichen. Durch derartige Notfall-Steuersysteme können jedoch die vorgenannten Überlastereignisse im Fahrbetrieb nicht oder nicht hinreichend berücksichtigt werden, so dass die Aktuatoren weiterhin überdimensioniert werden.
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Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenksystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen anzugeben, wodurch eine für den Normalbetrieb optimierte Dimensionierung des Lenksystems zu ermöglichen.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 14, sowie durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 17. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einem Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen zur Lenkung mit einem lenkbaren Rad wirkverbundenen elektromechanischen Aktuator, der eine Sensoreinrichtung aufweist, die ausgebildet ist zur Erfassung mindestens eines mit der Belastung des Aktuators korrelierten Belastungswerts und die verbunden ist mit einer Steuereinheit, die mindestens ausgebildet ist zur Verarbeitung des Belastungswerts, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuereinheit eine Belastungsspeichereinheit und eine Vergleichseinheit aufweist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, aus mehreren Belastungswerten einen Belastungssummenwert zu bilden und in der Belastungsspeichereinheit abzuspeichern, und die Vergleichseinrichtung ausgebildet ist, den gespeicherten Belastungssummenwert mit einem vorgegebenen Belastungsgrenzwert zu vergleichen und abhängig von dem Vergleichsergebnis ein Statussignal zu erzeugen.
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Gemäß der Erfindung kann die Gesamtbelastung eines Aktuators über den laufenden Betrieb ermittelt werden und zur Bewertung der Betriebsfähigkeit oder des Verschleißes herangezogen werden. Im Unterschied zu einer Überwachung, bei dem eine durch ein einzelnes kritisches Überlastereignis ausgelöste aktuelle Überschreitung eines Belastungsgrenzwerts zur Erzeugung eines Warnsignals führt, können erfindungsgemäß mehrere Belastungswerte erfasst, und in der Speichereinheit gespeichert und zu einem im Laufe des Betriebs anwachsenden Belastungssummenwert akkumuliert werden, beispielsweise durch Aufsummieren. Der Belastungssummenwert kann somit als Maß für eine Belastungshistorie des Aktuators genutzt werden.
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Dabei ist es auch denkbar und möglich, verschiedene Arten von Belastungswerten voneinander separat zu speichern und gewichtet zu einem Belastungssummenwert zu akkumulieren.
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Der Belastungssummenwert wird durch eine Vergleichseinheit überwacht und im Betrieb zyklisch oder kontinuierlich mit einem als Referenzwert dienenden Belastungsgrenzwert verglichen. Falls dieser Belastungsgrenzwert erreicht oder überschritten wird, kann ein entsprechendes Statussignal erzeugt und ausgegeben werden. Ein Statussignal kann zur Fahrerinformation beispielsweise als Warnsignal automatisiert über eine Anzeigevorrichtung im Kraftfahrzeug, die auch als HMI (human machine interface) bezeichnet wird, optisch, akustisch und/oder haptisch ausgegeben werden, bevorzugt über ein Display und/oder geeignete Signalgeber. Über andere geeignete Schnittstellen kann das Statussignal zusätzlich oder alternativ übermittelt werden, beispielsweise über ein Mobilfunknetz.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Gesamtbelastung der Aktuatoren über einen längeren Betriebszeitraum analysiert werden kann, um potentiell kritischen Verschleiß des Lenksystems rechtzeitig erkennen zu können. Insbesondere ist es möglich, ein gehäuftes Auftreten von solchen Überlastereignissen im Betrieb zu berücksichtigen, die zwar jeweils für sich genommen nicht unmittelbar kritisch für die Funktionsfähigkeit des Lenksystems sind, aber in Summe zu einem potentiell kritischen Verschleiß noch innerhalb der üblicherweise unkritischen Nutzungsdauer bei normaler Beanspruchung führen können. Dadurch ist es möglich, die Aktuatoren näher an eine zu erwartende Normalbeanspruchung anzupassen, und durch eine kleinere Dimensionierung Kosten und Gewicht einzusparen und den Energie- und Ressourcenverbrauch bei der Herstellung und im Betrieb zu reduzieren.
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Dabei bleibt ein hohes Sicherheitsniveau dadurch gewährleistet, dass eine im Betrieb höhere Beanspruchung mit häufiger auftretenden Lastspitzen der Aktuatoren, beispielsweise im eingangs erwähnten Fahrschulbetrieb oder bei forcierter Fahrweise - auch bei Einsatz- und Rettungsfahrzeugen - rechtzeitig erkannt wird, so dass eine erforderliche Wartung oder ein Austausch vorgenommen werden kann.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinheit mit einer Kraftfahrzeugsteuerung verbunden sein. Die Kraftfahrzeugsteuerung kann ausgebildet und eingerichtet sein, um in Abhängigkeit von einem Statussignal des Lenksystems automatisiert Betriebsfunktionen des Kraftfahrzeugs zu steuern, beispielsweise die maximal mögliche Fahrzeuggeschwindigkeit auf einen Maximalwert zu begrenzen, der nicht überschritten werden kann, wenn der Belastungssummenwert in einem kritischen Bereich liegt.
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Es ist möglich, dass die Sensoreinrichtung ausgebildet ist zur zyklischen Erfassung von Belastungswerten. Dabei können die aktuellen Belastungswerte periodisch oder getaktet abgerufen werde, so dass eine im Betrieb fortlaufende Erfassung erfolgen kann. Aus den durch die fortlaufende Messung neu hinzukommenden Belastungswerten wird bevorzugt mit dem bereits vorliegenden, gespeicherten Belastungssummenwert ein neuer, aktualisierter Belastungssummenwert gebildet, der in der Belastungsspeichereinheit aktualisiert und abgespeichert wird.
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Es ist denkbar und möglich, dass die Steuereinheit eine Akkumulationseinrichtung aufweist, welche ausgebildet ist, die aus den gemessenen Belastungswerten nach einem vorgegebenen Algorithmus zu einem Belastungssummenwert zu generieren, beispielsweise durch Summieren. Dabei können im Prinzip sämtliche gemessenen Belastungswerte - auch die im Normalbereich liegenden - berücksichtigt werden, so dass eine vollständige Belastungshistorie zur Verfügung gestellt wird. Dadurch können in vorteilhafter Weise reale Betriebsdaten zur tatsächlich auftretenden Normalbelastung gesammelt werden, die für eine weiter optimierte Dimensionierung der Aktuatoren genutzt werden können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eine Bewertungseinheit aufweist. Die Bewertungseinheit ist ausgebildet und eingerichtet zur Analyse und Bewertung der erfassten Belastungswerte, und insbesondere zur Identifizierung von relevanten Lastspitzen. Dadurch ist es bevorzugt möglich, eventuell auftretende Überlastereignisse isoliert von Normal-Belastungswerten auszuwerten. Dadurch kann die zu übertragende und auszuwertende Datenmenge reduziert werden, wodurch der Aufwand und die Zuverlässigkeit erhöht werden können.
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Es ist denkbar und möglich, dass nur die mit relevanten Lastspitzen korrelierten Belastungswerte zur Bildung eines Belastungssummenwerts genutzt werden. Bevorzugt kann dadurch die Anzahl von Überlastungsereignissen registriert werden, die eine sichere Einschätzung ermöglicht, dass das Fahrzeug außergewöhnlich hoch beansprucht wird, beispielsweise im Fahrschul-, Einsatz- oder Rettungsbetrieb. Auf diese Weise kann mit relativ geringem Aufwand rechtzeitig eine potentielle Gefährdung erkannt werden. Der Belastungssummenwert kann dann als eine Art Lastspitzensummenwert oder Überlastungssummenwert betrachtet werden, der eine valide Einschätzung der potentiell gefährdenden, außerhalb des Normalbereichs liegenden Überbelastung angibt.
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Durch die Bewertungseinheit können die Belastungswerte gegebenenfalls auch bezüglich ihrer Höhe bewertet werden, d.h. insbesondere in welchem Maße ein vorgegebener Belastungsgrenzwert überschritten wurde. Dadurch kann ein einzelnes Überlastungsereignis, welches bereits für sich genommen kritisch sein kann, bei der Bildung des Belastungssummenwerts stärker berücksichtigt werde, als eine nur geringfügig außerhalb der normalen Belastung liegende Lastspitze. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine differenzierte Berücksichtigung von Überlastzuständen erfolgen, die ein höheres Sicherheitsniveau und eine weitere Optimierung des Lenksystems ermöglicht.
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Die Steuereinheit ist bevorzugt an eine Ausgabeeinrichtung angeschlossen. Diese kann bevorzugt als optisches, akustisches und/oder haptisches HMI (human machine interface) zur Ausgabe des Statussignals als Fahrerinformation ausgebildet sein. Das Statussignal kann bevorzugt einen Warnhinweis beinhalten, um beispielsweise eine zeitnahe Wartung oder Reparatur zu veranlassen.
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Die Steuereinrichtung ist bevorzugt als elektronische Steuerung (ECU = electronic control unit) aufgebaut oder weist eine solche auf. Die Sensoreinrichtung weist elektrische Sensoren auf, die ausgebildet und eingerichtet sind, mechanische oder andere Messgrößen in elektrische Messsignale umzusetzen, die als Belastungswerte an die Steuereinheit übermittelt werden. Die Steuereinheit kann mit der Belastungsspeichereinheit, der Vergleichseinheit sowie mit der Bewertungseinheit und gegebenenfalls der Akkumulationseinrichtung integriert sein, wobei die jeweiligen Funktionalitäten auch durch eine entsprechende Programmierung von Steuerungs- oder Schaltungseinheiten realisierbar sind.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung einen Kraftsensor umfasst. Der Kraftsensor kann die zwischen den Rädern und einem als mechanischem Stellantrieb ausgebildeten Aktuator wirkenden Lenk- und Reaktionskräfte während des Fahrbetriebs erfassen. Lastspitzen durch Überlastungsereignisse, beispielsweise einem Lenkeinschlag gegen ein starres Hindernis wie einen Bordstein oder dergleichen, können so sicher detektiert werden.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung einen Stromsensor umfasst. Dadurch, dass ein elektrischer Stromsensor direkt oder mittelbar den aktuellen Versorgungsstrom eines elektromechanischen Aktuators misst, beispielsweise eines Stellantriebs oder eines Rad-Antriebsmotors, kann eine Lastspitze des jeweiligen Aktuators sicher erfasst werden.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung einen Temperatursensor umfasst. Ein Temperaturanstieg eines Stellantriebs kann somit ebenfalls als Anzeichen für eine Überlastung berücksichtigt werde.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung einen Verschleißsensor umfasst. Ein Verschleißsensor ist ausgestaltet und eingerichtet, um eine Abnutzung von Betriebsmitteln im Betrieb zu erfassen - beispielsweise mechanischen Lagerverschleiß, Abnutzung von Bremsbelägen oder dergleichen. Die Messung kann optisch, resistiv, induktiv, kapazitiv oder mittels anderer geeigneter Messverfahren erfolgen. Die Messung kann Auskunft geben über den jeweils aktuellen Zustand des Betriebsmittels, und auch über die Abnutzungsrate über die Betriebsdauer, wodurch eine Abschätzung der tatsächlich erfolgten Belastungen erfolgen kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Aktuatoren eine mit einem Rad oder einer Gruppe von Rädern zusammenwirkende Lenkwinkelstellvorrichtung umfassen. Die Lenkwinkelstellvorrichtung kann beispielsweise einen elektrischen Stellmotor aufweisen, der zur Erzeugung eines mechanischen Lenkeinschlags mit einem gelenkten Rad - bei einer Einzelradlenkung - oder einer Gruppe von Rädern verbunden ist - beispielsweise bei einer Vorderradlenkung mit beiden gelenkten Vorderrädern.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Aktuatoren ein Lenkgetriebe aufweisen. Das Lenkgetriebe kann bei einer klassischen Zahnstangenlenkung ein über eine Lenkwelle drehend antreibbares Lenkritzel umfassen, welches mit einer linear verlagerbaren Zahnstange kämmt, die ihrerseits über Spurstangen mit lenkbaren Rädern verbunden ist. Die auf die Räder einwirkenden Kräfte können mit geringem Aufwand an der Zahnstange und/oder der Lenkwelle gemessen werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Aktuatoren eine mit einem Rad oder einer Gruppe von Rädern zusammenwirkende Antriebsvorrichtung und/oder Bremsvorrichtung aufweisen. Die Antriebs- und Bremsvorrichtungen können elektrische Rad- und/oder Achs-Antriebsmotoren umfassen, und/oder elektromechanische Bremssteller.
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Es ist weiterhin möglich, dass die Aktuatoren eine mit einem Rad oder einer Gruppe von Rädern zusammenwirkende Fahrwerksvorrichtung aufweisen. Eine derartige Fahrwerksvorrichtung kann mindestens eine Baugruppe oder ein funktionales Element der Radaufhängung, Federung, Stoßdämpfer, oder dergleichen umfassen, welches durch seine Ausgestaltung und Verstellung Einfluss nehmen kann auf die Bahnführung des Fahrzeugs. Zur Verstellung ist mindestens ein elektromotorischer Versteller vorgesehen, der von der Steuereinheit ansteuerbar ist.
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Bevorzugt kann ein Belastungssummenwert aus Belastungswerten mehrerer gleichartiger und/oder unterschiedlich ausgebildeter Aktuatoren gebildet werden. Dadurch ermöglicht der Belastungssummenwert eine zuverlässige Aussage zum Verschleißzustand des Lenksystems.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens einen zur Lenkung mit einem lenkbaren Rad wirkverbundenen elektromechanischen Aktuator, der eine Sensoreinrichtung aufweist, die ausgebildet ist zur Erfassung mindestens eines mit der Belastung des Aktuators korrelierten Belastungswerts und die verbunden ist mit einer Steuereinheit, die mindestens ausgebildet ist zur Verarbeitung des Belastungswerts, bei dem ein Belastungswert erfasst und ein Statussignal erzeugt wird, welches die folgenden Schritte umfasst:
- - A) Erfassen von Belastungswerten,
- - B) Bilden eines Belastungssummenwerts aus mehreren Belastungswerten und einem bereits vorliegenden Belastungssummenwert,
- - C) Speichern des Belastungssummenwerts,
- - D) Vergleichen des Belastungssummenwerts mit einem vorgegebenen Belastungsgrenzwert,
- - E1) Falls der Belastungssummenwert kleiner als der vorgegebene Belastungsgrenzwert ist: Erfassen von Belastungswerten gemäß Schritt A),
- - E2) Falls der Belastungssummenwert größer als oder gleich dem vorgegebenen Belastungsgrenzwert ist: Erzeugen und Ausgeben eines Statussignals.
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Das Verfahren kann mit Vorteil sämtliche vorangehend im Zusammenhang mit dem Lenksystem beschriebenen Merkmale aufweisen, oder zur Realisierung dieser Merkmale ausgestaltet sein.
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Wie oben für das Lenksystem beschrieben können die Belastungswerte bevorzugt mittels einer elektrischen Sensoreinrichtung gemessen werden. Diese kann zyklisch oder kontinuierlich, direkt oder mittelbar mittels geeigneter Messverfahren eine auf einen Aktuator einwirkende Kraft, einen elektrischen Strom, eine Temperatur oder eine andere Messgröße erfassen, die mit der Belastung eines Aktuators direkt oder mittelbar korreliert ist. Es kann insbesondere vorteilhaft sein, dass eine Mehrzahl von Messwerten von gleichartigen und/oder auch unterschiedlichen Sensoreinrichtungen und/oder Aktuatoren erfasst werden.
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Mehrere Belastungswerte, die beispielsweise im zeitlichen Verlauf fortlaufend gemessen worden sind, und/oder die von unterschiedlichen Aktuatoren und/oder Sensoreinrichtungen stammen können, werden bei der Erzeugung des Belastungssummenwerts berücksichtigt. Desweiteren wird geprüft, ob bereits ein vorliegender,abgespeicherter, alter Belastungssummenwert existiert. Falls bereits ein alter Belastungssummenwert existiert, der vorzugsweise in einer Belastungsspeichereinheit gespeichert ist, wird dieser ausgelesen, und nach einem vorgegebenen Algorithmus wird zusammen mit den gemessenen Belastungswerten ein aktueller Belastungssummenwert gebildet, beispielsweise durch Summieren. Der neue, aktualisierte Belastungssummenwert kann bevorzugt in der Belastungsspeichereinheit abgespeichert werden, wobei der alte Belastungssummenwert überschrieben wird und somit eine fortlaufende Aktualisierung des gespeicherten Belastungssummenwerts erfolgt.
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Wie bereits ausgeführt, können verschiedene Arten von Belastungswerten voneinander separat gemessen und gespeichert werden. Diese können gewichtet zu einem Belastungssummenwert akkumuliert werden. Dadurch können völlig verschiedene Arten von Belastungen kombiniert bewertet werden.
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Es folgt das Vergleichen des Belastungssummenwerts mit einem vorgegebenen Belastungsgrenzwert. Bevorzugt bei jeder Aktualisierung wird der Belastungssummenwert mit einem als Referenzwert vorgegebenen Belastungsgrenzwert verglichen, beispielsweise mittels einer Vergleichseinrichtung.
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Beim Vergleichen können im Ergebnis zwei Fälle unterschieden werden, nämlich dass der Belastungssummenwert kleiner ist als der vorgegebene Belastungsgrenzwert, also kleiner als der Referenzwert ist, oder der Belastungssummenwert größer als oder gleich dem vorgegebenen Belastungsgrenzwert ist, der mit einer zulässigen akkumulierten Gesamtbelastung des Lenksystems korrespondiert.
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Falls der Belastungssummenwert unterhalb des vorgegebenen Belastungsgrenzwerts liegt, ist die Gesamtbelastung des Lenksystems im normalen Betriebsbereich. Die Erfassung der Belastungswerte und die Bestimmung des Belastungssummenwerts können mit dem weiteren Betrieb des Fahrzeugs fortgesetzt werden.
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Falls der Belastungssummenwert größer als oder gleich dem vorgegebenen Belastungsgrenzwert ist, kann dies darauf hindeuten, dass im bisherigen Betrieb des Lenksystems in Summe kritische Überlastungsereignisse aufgetreten sind, so dass es möglich ist, dass die dabei in den Aktuatoren aufgetretenen Lastspitzen zu übermäßigem Verschleiß oder Schäden geführt haben können, die eine Wartung oder einen Austausch von funktionalen Komponenten erforderlich machen können. Zur Fahrerinformation kann ein Statussignal generiert und ein Warnhinweis ausgegeben werden. Es ist auch denkbar und möglich, dass ein Statussignal automatisiert weitergeleitet wird, beispielsweise über Mobilfunk an eine Service- oder Leitstelle. Es ist auch möglich, dass durch das Statussignal automatisiert Notfunktionen aktiviert werden, wie etwa eine Geschwindigkeitsbegrenzung des Fahrzeugs.
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Wie oben zum Lenksystem erläutert, kann vorgesehen sein, dass die in Schritt A) erfassten Belastungswerte bewertet werden, und entschieden wird, ob und/oder in welchem Maße sie zur Bildung des Belastungssummenwertes genutzt werden. Die Bewertung der Belastungswerte kann durch eine Bewertungseinheit erfolgen, und ermöglicht die Identifizierung von relevanten Lastspitzen, bei denen die Belastungswerte oberhalb vorgegebener Belastungsgrenzwerte liegen. Dadurch ist es möglich, nur die bei Überlastungsereignissen auftretenden, den Lastspitzen entsprechenden Belastungswerte bei der Bestimmung des Belastungssummenwerts mit einzubeziehen und in der Belastungsspeichereinheit abzuspeichern. Durch die Anzahl und die Höhe der Lastspitzen kann zuverlässig und mit geringem Aufwand auf eine Überbeanspruchung des Lenksystems durch häufigen Betrieb außerhalb des Normalbereichs geschlossen werden.
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Dabei kann es vorteilhaft sein, dass die Belastungswerte nach einem vorgegebenen Algorithmus akkumuliert werden, der die Anzahl und/oder die Größe der Abweichung des Belastungswerts berücksichtigt. Dadurch können extreme Belastungsereignisse, die bereits einzeln für sich genommen zu Beeinträchtigungen oder dauerhaften Schäden führen können, durch einen eine entsprechende stärkere Erhöhung des Belastungssummenwerts angemessen berücksichtigt werden.
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Durch Ausgabe des Statussignals kann zur Fahrerinformation ein Warnhinweis erfolgen, beispielsweise optisch, akustisch und/oder haptisch, so dass eine Wartung oder Reparatur veranlasst werden kann. Zusätzlich oder alternativ können automatisiert Sicherheitsfunktionen aktiviert werden, beispielsweise eine automatisierte Benachrichtigung einer Leit- oder Servicezentrale, eine Begrenzung der möglichen Fahrzeuggeschwindigkeit oder dergleichen.
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Oben wurde ausgeführt, dass auf diese Weise ein Lenksystem dargestellt ist, das auf den Normalbetrieb ausgelegt ist und dennoch die Sicherheit gegeben ist, dass das Lenksystem im Falle von kurzzeitigen oder dauernden Überbelastungen vor einer kritischen Beschädigung der Fahrer gewarnt werden kann und das Fahrzeug in einen sicheren Modus überführt wird. Dabei wurde als Normalbelastunge genannt, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb bei einem Prozentsatz von mehr als 95% aller Fahrzeuge eine derartige Überbelastung nicht oder nicht signifikant überschritten sind. Es ist natürlich grundsätzlich auch möglich, den Prozentsatz zu verändern. Denkbar und möglich sind Prozentsätze von 90% oder 85% oder auch 97%. Hier ist eine Abwägung zu treffen zwischen Kosten und realem Verhalten im Betrieb. Das ist insbesondere vor dem Hintergrund zu sehen, dass ein derartiger Prozentsatz zunächst nur als Auslegungskriterium existiert. Reale Werte für derartige Prozentsätze sind erst nach einigen Jahren Fahrbetrieb der Serienfahrzeuge zu erlangen.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Lenksystem,
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lenksystems eines Kraftfahrzeugs,
- 3 eine schematische Darstellung von zeitlichen Entwicklungen des Belastungssummenwerts.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 110 in einer Seitenansicht, umfassend ein Lenksystem 10, eine Steuereinheit 12 des Lenksystems 10, die im Beispiel mit einer Fahrzeugsteuerung 125 verbunden ist. Eine Ausgabeeinheit 9 ist zur Kommunikation mit dem Fahrer vorgesehen. Weiter umfasst das Fahrzeug 110 Vorderräder 13 und Hinterräder 25, die sich auf einer Fahrbahn 26 abrollen. Aufgrund der Richtung der Ansicht sind nur die Vorderräder 13 und Hinterräder 25 einer Seite des Fahrzeugs 110 zu erkennen.
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2 zeigt ein Lenksystem 10 eines Kraftfahrzeugs, gleichbedeutend als Kraftfahrzeuglenksystem 10 bezeichnet, nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, wobei das Lenksystem 10 ein Steer-by-Wire-Lenksystem ist. An einer Lenkwelle 23 einer manuellen Lenkhandhabe ist ein Drehwinkelsensor 124 angebracht, welcher als Lenkbefehl den durch Drehen eines Lenkrads 14 aufgebrachten Fahrerlenkwinkel α erfasst. Es kann zusätzlich auch ein Lenkmoment erfasst werden.
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Weiterhin kann an der Lenkwelle 23 ein Feedback-Aktuator 24 angebracht sein, der dazu dient, die Rückwirkungen von einer Fahrbahn 26 auf das Lenkrad 14 zu simulieren und somit dem Fahrer eine Rückmeldung über das Lenk- und Fahrverhalten des Fahrzeugs zu geben. Der Feedback-Aktuator 24 ist mit der Steuereinheit 12 elektrisch über Signalleitungen 36, die elektrische und/oder optische Steuer- und Versorgungsleitungen umfassen können, signalverbunden und kann zur Simulation der Rückwirkungen der Fahrbahn 26 angesteuert werden.
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Der Fahrerlenkwunsch wird über den vom Drehwinkelsensor 124 gemessenen Drehwinkel α der Lenkwelle 23 über Signalleitungen 36 an eine Eingabeeinheit der Steuereinheit 12 weitergegeben, die in Abhängigkeit von weiteren Eingangsgrößen über eine Ausgabeeinheit eine Lenkwinkelstelleinrichtung 15 elektrisch ansteuert, die die Stellung der lenkbaren Vorderräder 13 steuert. Die Lenkwinkelstelleinrichtung 15 weist einen elektrischen Stellantrieb auf, der über ein Lenkgetriebe 34, wie im gezeigten Beispiel einem Zahnstangen-Lenkgetriebe 34, sowie über Spurstangen 28 und anderen Bauteilen auf die gelenkten Räder 13 wirkt. Das Lenkgetriebe 34 umfasst ein von einem elektrischen Stellmotor 150 drehend antreibbares Ritzel 152, das mit einer Zahnstange 151 kämmt und bei Rotation um seine Achse die Zahnstange 151 in ihrer Längsrichtung verschiebt. Dadurch werden die Spurstangen 28 verschoben und damit die Räder 13 um einen durch den eingegebenen Lenkbefehl vorgegebenen Lenkwinkel verschwenkt, was eine Lenkbewegung des Kraftfahrzeuges 110 bewirkt. Die Lenkwinkelstelleinrichtung 15 ist Teil einer Vorderradlenkeinheit.
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Neben der im Beispiel gezeigten Verwendung eines Zahnstangen-Lenkgetriebes 34 sind auch andere Lenkgetriebevarianten denkbar und möglich. Beispielsweise kann die Verschwenkung der Räder 13 auch über einen Kugelgewindetrieb bewirkt sein.
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Die elektrisch verstellbare Lenkwinkelstelleinrichtung 15 stellt einen Aktuator im Sinne der Erfindung dar, der von der Steuereinheit 12 ansteuerbar ist, und wird daher im Folgenden gleichbedeutend auch als Aktuator 15 bezeichnet.
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Es sind weitere elektrische Aktuatoren 17 vorgesehen, die ebenfalls mit der Steuereinheit 12 zur Ansteuerung über elektrische Signalleitungen 36 signalübertragend verbunden sind. Es ist denkbar, dass mehr als zwei Aktuatoren 17 vorgesehen sind, die Teils des Lenksystems 10 sein können.
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Die Aktuatoren 17 sind elektrisch steuerbar und antreibbar ausgebildet und eingerichtet, um abhängig von elektrischen Steuersignalen der Steuereinheit 12 eine Querführung des Fahrzeugs zu bewirken, d.h. eine Lenkbewegung. Die Aktuatoren 17 können beispielsweise jeweils einen Einzelradantrieb oder einen Teil eines Achsantriebs, eine Einzelradbremse, eine Achsbremse, einen Teil einer Einzelradlenkeinrichtung oder einen Teil einer Achslenkeinrichtung aufweisen.
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Alternativ oder zusätzlich können die Aktuatoren 17 jeweils einen Teil einer elektromechanisch einstellbaren oder verstellbaren Fahrwerksvorrichtung 40 aufweisen, wie einen Einzelrad-Stoßdämpfer, eine Einzelrad-Fahrzeugfeder, einen Einzelrad-Hilfslenkaktuator oder dergleichen. Somit kann eine Fahrwerkseinrichtung 40 ebenfalls einen Aktuator 40 darstellen.
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Die Aktuatoren 17 sind vorzugsweise dazu angepasst, auf wenigstens eines der Räder 13, 25 derart einzuwirken, so dass im Fahrbetrieb eine Lenkbewegung des Fahrzeugs 110 eingeleitet bzw. das Fahrzeug 110 gelenkt wird.
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Eine Sensoreinrichtung umfasst jeweils einem Aktuator 15, 17 zugeordneten Sensor 8 auf, der einen Kraftsensor, einen elektrischen Strom- oder Spannungssensor, einen Temperatursensor oder einen nach einem anderen Wirkprinzip arbeitenden Sensor umfassen kann, der geeignet ist, eine mit der Belastung des jeweiligen Aktuators 15, 17 korrelierte elektrische Messgröße zu erzeugen.
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Die jeweiligen Sensoren 8 sind ebenfalls über die Signalleitungen 36 mit der Steuereinheit 12 verbunden und können darüber ihre jeweiligen Meßwerte als Belastungswerte an die Steuereinheit 12 übertragen.
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Da die Steuereinheit 12 auf verschiedene Arten und Weisen dargestellt sein kann, wurde auf die graphische Darstellung der Signalleitungen im Inneren der Steuereinheit 12 verzichtet. Es ist auch denkbar und möglich, alle Steuerleitungen in einen einheitlichen Datenbus zu kombinieren. Dabei können auch die einzelnen Signale der verschiedenen Sensoren jeweils nach Bedarf durch die Steuerung angefordert werden.
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Die Steuereinheit 12 umfasst eine Bewertungseinheit 121, eine damit verbundene Belastungsspeichereinheit 122 und eine Vergleichseinheit 123. An die Steuereinheit 12 ist eine Ausgabeeinheit 9 angeschlossen, die beispielsweise ein optisches Display, und/oder optische, akustische und/oder haptische Signalgeber zur Fahrerinformation umfassen kann.
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Die Bewertungseinheit 121 ist ausgebildet zum Empfang der von den Sensoren 8 abgegebenen und an die Steuereinheit 12 übermittelten Belastungswerte, welche beispielsweise die auf einen der Aktuatoren 15, 17 einwirkende Kraft angeben. Diese werden hinsichtlich ihrer Größe und einer Abweichung von vorgegebenen Normalwerten bewertet. Anhand dessen können Leistungsspitzen identifiziert werden, die auf ein Überlastungsereignis eines Aktuators 15, 17 hindeuten.
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In der Belastungsspeichereinheit 122 kann ein Belastungssummenwert gespeichert sein, der zur Aktualisierung überschrieben werden kann.
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Von der Bewertungseinheit 121 werden als relevant identifizierte Belastungswerte an die Belastungsspeichereinheit 122 weitergeleitet. Dort werden sie mittels einer nicht separat dargestellten Akkumulationseinrichtung nach einem vorgegebenen Algorithmus zu dem in der Belastungsspeichereinheit 122 vorhandenen Belastungssummenwert akkumuliert, beispielsweise durch Summierung. Der auf diese Weise neu gebildete, aktualisierte Belastungssummenwert wird in der Belastungsspeichereinheit 122 gespeichert, wobei der alte Wert überschrieben wird.
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Die Vergleichseinheit 123 überwacht den aktuell gespeicherten Belastungssummenwert und vergleicht ihn mit einem vorgegebenen Belastungsgrenzwert, der als Referenzwert dient.
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In dem Fall, dass der Belastungssummenwert größer oder gleich dem Belastungsgrenzwert ist, erzeugt die Vergleichseinheit 123 ein Statussignal, welches an die Ausgabeeinheit 9 weitergeleitet wird. Diese kann ein optisches, akustisches und/oder haptisches Warnsignal zur Fahrerinformation abgeben.
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Bei normalen Belastungen bleibt der Belastungssummenwert über die gesamte Lebensdauer unterhalb des kritischen Belastungsgrenzwerts, so dass die einwandfreie Funktion des Lenksystems 10 gewährleistet ist, und folglich kein Warnsignal abgegeben wird. Dies ist in dem Diagramm von 3 schematisch dargestellt, in dem die akkumulierte Gesamtbelastung B des Lenksystems 10 über die Zeit t aufgetragen ist.
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Der Zeitpunkt Tend markiert das Ende der Lebensdauer des Kraftfahrzeugs.
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Der Wert Bkrit bezeichnet einen kritischen Belastungssgrenzwert des Belastungssummenwerts, dessen Erreichen oder Überschreiten auf einen potentiell kritischen Verschleiß oder einen Schaden mindestens eines der Aktuatoren 15, 17 hindeutet.
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Die im Diagramm mit „N“ bezeichnete normale Belastungskurve zeigt die Gesamtbelastung beim Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs an. Es ist deutlich erkennbar, dass diese zwar ansteigt, aber bis zum Ende der Lebensdauer Tend des Fahrzeugs unterhalb des kritischen Belastungsgrenzwerts Bkrit bleibt.
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Bei hoher Belastung kann sich eine in dem Diagramm mit „X“ bezeichnete kritische Belastungskurve ergeben, die aufgrund hoher Belastungen mit häufigen Überlastungsereignissen, die beispielsweise im Fahrschul-, Einsatz- oder Rettungsbetrieb auftreten können, über den gesamten Verlauf oberhalb der Normalkurve N liegt. Dies führt im Beispiel dazu, dass zu einem Zeitpunkt Tkrit, der vor dem Lebensende Tend des Fahrzeugs liegt, der Belastungssummenwert B den kritischen Belastungsgrenzwert Bkrit erreicht bzw. überschreitet. Dies wird von dem erfindungsgemäßen Lenksystem 10 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erkannt, und das Statussignal kann als Warnmeldung zur Fahrerinformation ausgegeben werden, und gegebenenfalls an eine Service- oder Leitzentrale weitergeleitet werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass Sicherheitsfunktionen des Fahrzeugs automatisiert aktiviert werden, beispielsweise zur Begrenzung der maximal möglichen Fahrgeschwindigkeit.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Betrieb des Fahrzeugs der Belastungssummenwert B in Abhängigkeit insgesamt angefallenen Belastung der fortlaufend aktualisiert und in der Belastungsspeichereinheit 122 gespeichert. Bei der Belastungskurve X wird im Zeitpunkt Tkrit ein Warnhinweis über die Ausgabeeinheit 9 angezeigt. Im Normalbetrieb, bei dem der kritische Belastungssummenwert Bkrit in der Lebensdauer Tend nicht erreicht oder überschritten wird, erfolgt kein Warnhinweis.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lenksystem
- 110
- Kraftfahrzeug
- 12
- Steuereinheit
- 121
- Bewertungseinheit
- 122
- Belastungsspeichereinheit
- 123
- Vergleichseinheit
- 125
- Fahrzeugsteuerung
- 124
- Drehwinkelsensor
- 13
- Vorderräder
- 14
- Lenkrad
- 15
- Lenkwinkelstelleinrichtung (Aktuator)
- 150
- Stellmotor
- 151
- Zahnstange
- 152
- Ritzel
- 17
- Aktuator
- 23
- Lenkwelle
- 24
- Feedback-Aktuator
- 25
- Hinterräder
- 26
- Fahrbahn
- 28
- Spurstangen
- 34
- Lenkgetriebe
- 36
- Signaleitungen
- 40
- Fahrwerksvorrichtung
- 8
- Sensor
- 9
- Ausgabeeinheit
- B
- Gesamtbelastung
- Bkrit
- Belastungsgrenzwert
- t
- Zeit
- Tend
- Lebensdauer
- Tkrit
- Zeitpunkt
- N
- normale Belastungskurve
- X
- kritische Belastungskurve
