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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schwingungsanalyse eines Lenksystems in einem Lenksystemprüfstand sowie einen derartigen Lenksystemprüfstand, mit deren Hilfe ein Übertragungsverhalten des Lenksystems untersucht werden kann.
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Aus
DE 11 2018 006 220 T5 ist ein Verfahren zur Charakterisierung eines Servolenkungssystems zur empirischen Ermittlung zumindest einer Eigenschaft des Servolenkungssystems mit Hilfe eines Lenksystemprüfstands bekannt, bei dem das Servolenkungssystems einen Unterstützungsmotor aufweist, der zum Erzeugen von Testzyklen gemäß einem Schwingungserfassungszyklus dient.
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Aus
US 2011/0125450 A1 und
DE 10 2016 123 629 A1 ist jeweils ein Lenksystemprüfstand bekannt, bei dem eine aufzuprägende Soll-Belastung in Reaktion gemessener Ist-Belastungen korrigiert werden kann.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis das Übertragungsverhalten verschiedener Lenksysteme eines Kraftfahrzeugs besser miteinander vergleichen zu können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine gute Vergleichbarkeit des Übertragungsverhaltens verschiedener Lenksysteme eines Kraftfahrzeugs ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Lenksystemprüfstand mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schwingungsanalyse eines Lenksystems in einem Lenksystemprüfstand, mit den Schritten
- a) Einleiten einer über einen Messzeitraum zu erzeugenden vorgegeben Soll-Belastung in einem Bauteil, insbesondere Spurstange Lenkstange, des Lenksystems, wobei die Soll-Belastung auf mindestens einer konstanten oder variablen Sinusform basiert
- b) Messen einer Ist-Belastung in dem Bauteil,
- c) Korrigieren der Soll-Belastung in eine Korrektur-Belastung in Reaktion der gemessenen Ist-Belastung, so dass für nachfolgende Belastungen in dem Bauteil die Soll-Belastung zu erwarten ist und
- d) Wiederholen der Schritten a), b) und c) über die Dauer des Messzeitraums wobei beim Korrigieren der Soll-Belastung unter Beibehaltung des Frequenzverlaufs nur die Amplitude der Soll-Belastung korrigiert wird.
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Es wurde erkannt, dass Lenksysteme eines Kraftfahrfahrzeugs in ihrem Übertragungsverhalten durch ein nicht-lineares Verhalten gekennzeichnet sind. Dies macht die Vergleichbarkeit verschiedener Lenksysteme schwierig, insbesondere wenn die Lenksystem für unterschiedliche Kraftfahrzeugmodelle vorgesehen sind und sich in ihrem konstruktiven Aufbau signifikant unterscheiden. Um die Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Lenksystemen zu verbessern sollen die verschiedenen Lenksysteme in dem Lenksystemprüfstand gleichen Belastungsverläufen ausgesetzt werden. Es wurde jedoch erkannt, dass es nicht ausreicht einen Motor zur Einleitung des Belastungsverlauf für verschiedene Lenksysteme identisch zu betrieben, da sich trotz identischem Betrieb des Motors unterschiedliche Ist-Belastungen an der Einleitungsstelle, insbesondere die Spurstange des Lenksystems, ergeben. Es wird davon ausgegangen, dass das Lenksystem ein schwingungsfähiges Masse-Feder-System ist, das aufgrund ihrer Eigenfrequenz Resonanzeffekte und/oder Feder-/Dämpfer-Effekte induziert, welche die eingeleitete Soll-Belastung an der Einleitungsstelle individuell beeinflusst. Dies führt zu einer je nach untersuchten Lenksystem unterschiedlichen Ist-Belastung am Beginn des Lastpfads durch das Lenksystem, wodurch eine Vergleichbarkeit verschiedener Lenksysteme erschwert oder sogar unmöglich gemacht wird.
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Anstatt nur für verschiedene Lenksysteme identische Soll-Belastungen einzuleiten, wird die an der Einleitungsstelle vorliegende Ist-Belastung gemessen und daraus eine Korrektur-Belastung berechnet, welche anstelle der ursprünglichen Soll-Belastung als neue Soll-Belastung treten soll. Dies ermöglicht es die Soll-Belastung während des Messzeitraums, insbesondere möglichst kontinuierlich, derart zu korrigieren, dass sich eine Ist-Belastung ergibt, die der beabsichtigten ursprünglichen Soll-Belastung entspricht. Durch Resonanzeffekte und/oder sonstige Instabilitäten des Lenksystems verursachte Beeinflussungen der Belastung an der Einleitungsstelle können durch den korrigierten Betrieb des hierzu vorgesehenen Motors mit Hilfe der berechneten Korrektur-Belastung, möglichst in Echtzeit, korrigiert werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass unabhängig von den Eigenschwingverhalten verschiedener Lenksysteme an der von einem Motor zur Schwingungsanalyse des Lenksystems eingeleiteten Belastungen an der Einleitungsstelle immer gleiche Ist-Belastungen vorliegen. Durch die Korrektur der durch ein Eigenschwingverhalten des untersuchten Lenksystems beeinträchtigenden Soll-Belastungen kann für verschiedene Lenksysteme eine gleiche tatsächliche Ist-Belastung erreicht werden, so dass eine gute Vergleichbarkeit des Übertragungsverhaltens verschiedener Lenksysteme eines Kraftfahrzeugs ermöglicht ist.
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Da die Soll-Belastung auf mindestens einer konstanten oder variablen Sinusform basiert, kann eine Amplitude und/oder eine Frequenz der Soll-Belastung über einen vorgegebenen Zeitabschnitt konstant gehalten werden, wobei insbesondere eine Änderung der Amplitude und/oder der Frequenz sprungartig erfolgt. Die Soll-Belastung kann um einen Mittelwert sinusförmig schwingen, wobei bei einer Überlagerung von mehr als einer Sinusform auch Schwebungen auftreten können. Dadurch lassen sich mit einfachen Mitteln auch komplexere Fahrsituationen an dem Lenksystem simulieren. Es ist aber auch möglich, dass die Amplitude und/oder die Frequenz der Sinusform über einen vorgegebenen Algorithmus variable ausgeführt ist.
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Erfindungsgemäß wird beim Korrigieren der Soll-Belastung unter Beibehaltung des Frequenzverlaufs nur die Amplitude der Soll-Belastung korrigiert. Da der Betrag, aber nicht die Frequenz der Soll-Belastung geregelt wird, ist es nicht erforderlich eine Eigenfrequenz des Lenksystems zu ermitteln. Stattdessen werden die Auswirkungen des Schwingungsverhaltens des Lenksystems korrigiert, wobei durch das Schwingungsverhaltens des Lenksystems induzierte Ungleichförmigkeiten an der Einleitungsstelle hingenommen werden. Es wurde erkannt, dass der Betrag der Belastung einen sehr viel größeren Einfluss auf die Vergleichbarkeit der Messwerte an der Messstelle hat und Variationen in der Frequenz zumindest fahrerseitig deutlich weniger stark als Änderungen im Betrag der Belastung wahrgenommen werden. Die Komplexität zur Ermittlung der Korrektur-Belastung kann dadurch gering gehalten werden, wodurch eine besonders schnelle Regelung ermöglicht ist. Zusätzlich sind Phasenverzüge zwischen der Ist- und Sollbelastung nicht relevant, da ausschließlich das Übertragungsverhalten zwischen der Ist-Belastung am axialen Ender der Spurstange und einer Messstelle in der Nähe des Lenkrads beziehungsweise zwischen der Ist-Belastung an der Lenkradstange und einer Messstelle in der Nähe der Spurstange betrachtet wird.
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Das Lenksystem kann einen Kraftpfad bereitstellen, der von einer Einleitstelle der Soll-Belastungen zu einer von der Einleitstelle entfernten Messstelle zur Messung einer Übertragungsbelastung führt. Beispielsweise kann ein Linearmotor an einer Spurstange des Lenksystem als Soll-Belastung eine fahrbahnseitige Anregung simulieren und an einer mit einem Lenkrad verbindbaren Lenkstange, die mittelbar oder unmittelbar an der Spurstange angekoppelt ist, eine fahrerseitige Anregung des Lenksystems gemessen werden. Der Kraftpfad führt in diesem Fall von einer Einleitungsstelle des Linearmotors an der Spurstange bis zu der Messstelle an der Lenkstange. Aus dem Vergleich der Messwerte an der Messtelle und den Ist-Belastungen an der Einleitungsstelle kann das Lenksystem untersucht werden und eine Schwingungsanalyse des untersuchten Lenksystems durchgeführt werden. Vorzugsweise können in verschiedene Lenksysteme gleichen Ist-Belastungen eingeleitet werden und die an der Messstelle gemessenen Messwerte der verschiedenen Lenksysteme miteinander verglichen werden, insbesondere um das Lenksystem mit den besten Schwingungseigenschaften der untersuchten und miteinander verglichenen Lenksysteme zu identifizieren.
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Die Soll-Belastungen können einen bestimmten für die Untersuchung des Schwingungsverhaltens des Lenksystems repräsentativen, aber vorzugsweise vereinfachten, Lastfall entsprechen. Wenn ein fahrbahnseitiger Einfluss an der Fahrerseite untersucht werden soll, kann die Soll-Belastung an der Spurstange eingeleitet und eine Belastung an einer an der Lenkstange vorgesehenen Messstelle gemessen werden. Wenn ein fahrerseitiger Einfluss an der Fahrbahnseite untersucht werden soll, kann die Soll-Belastung an der Lenkstange eingeleitet und eine Belastung an einer an der Spurstange vorgesehenen Messstelle gemessen werden. Die Soll-Belastung kann insbesondere eine axiale Kraftanregung und/oder Weganregung und/oder eine Drehwinkelanregung und/oder eine Drehmomentanregung aufweisen.
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Das Messen der Ist-Belastung kann beispielsweise mit Hilfe mindestens eines Dehnungsmessstreifens durchgeführt werden. Dies ermöglicht es Spannungen und damit Kräfte in radialer Richtung und/oder in axialer Richtung und/oder ein Drehmoment ermitteln zu können.
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Die Korrektur-Belastung kann durch einen Vergleich der Soll-Belastung mit der Ist-Belastung ermittelt werden. Hierbei kann die Ist-Belastung eine Regelgröße und die Soll-Belastung eine Führungsgröße für einen Regler darstellen, aus deren Vergleich eine Regelabweichung für eine Stellgröße berechnet werden kann, welche die Korrektur-Belastung ergibt, mit der die vorherige Soll-Belastung ersetzt werden kann. Diese Regelschleife kann, möglichst so schnell wie möglich, wiederholt werden. Bei einer hinreichend schnellen Korrektur der Soll-Belastung mit der berechneten Korrektur-Belastung ergibt sich bei der Ist-Belastung nur eine sehr geringe Regelabweichung von der ursprünglich beabsichtigten Soll-Belastung, so dass nur eine entsprechend geringe Korrektur und ein entsprechend geringer Regeleingriff erforderlich ist. Die Stabilität der Regelung ist dadurch sichergestellt.
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Der Messzeitraum ist zeitlich groß genug gewählt, um belastbare Aussagen aus der Schwingungsanalyse des untersuchten Lenksystems zu erhalten. Beispielsweise kann ein Messwerteverlauf an der Messstelle einer Fourier-Analyse, insbesondere einer schnellen Fourier Transformation („FFT“), unterzogen werden, beispielsweise um aus der Bandbreite im Bildbereich Schlussfolgerungen über den Lenkkomfort abzuleiten. Insbesondere ist der Messzeitraum groß genug, um nacheinander verschiedene Belastungsverläufe, insbesondere wiederholt, aufprägen zu können.
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Insbesondere wird eine Berechnung der Korrektur-Belastung mit Hilfe einer Echtzeit-Anwendung durchgeführt. Die Wiederholungschleife kann dadurch in so kurzen Zeitabständen wiederholt werden, dass sich nahezu keine Abweichung der Ist-Belastung von der ursprünglichen Soll-Belastung einstellt. Die Messung der Ist-Belastung kann insbesondere kontinuierlich und/oder mit einer besonders hohe Abtastrate erfolgen. Dies führt zu einer sehr stabilen Regelung und eine besonders gute Vergleichbarkeit der Messwerte an der Messstelle.
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Vorzugsweise wird das Korrigieren der Soll-Belastung mit Hilfe eines PI-Reglers durchgeführt. Durch den Integral-Anteil in der Übertragungsfunktion des PI-Reglers kann eine Dämpfung in der Reglerantwort vorgesehen sein, die auch bei einer Echtzeitregelung ein Überschwingen der Reglerantwort vermeidet und einen stabilen Betrieb sicherstellt. Durch den kostengünstigen und schnell reagierenden PI-Regler kann eine gute und stabile Regelung bei geringen Kosten sichergestellt werden.
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Besonders bevorzugt wird aus einem Verhältnis der Soll-Belastung zur Ist-Belastung zu einem Messzeitpunkt ein Korrekturfaktor gebildet, wobei ein zeitlicher Verlauf der Soll-Belastung bis zur Bildung eines neuen Korrekturfaktors zur Erzeugung der Korrektur-Belastung mit dem Korrekturfaktor multipliziert wird. Anstatt die Soll-Belastung um einen absoluten Wert zu korrigieren, kann die Soll-Belastung mit einem Faktor korrigiert werden, der auch bei einer langsamen Abtastrate und signifikanten Totzeiten bis zu einer erneuten Wiederholungsschleife eine gute Korrektur-Belastung bereitstellt. Insbesondere wenn ein Betrag der Soll-Belastungen sprungartig oder entlang einer Rampe variiert wird, kann der Korrekturfaktor im Vergleich zu einer Korrektur mit einem absoluten Wert bis zu einer erneuten Korrektur zu besseren Werten für die Korrektur-Belastung führen. Eine Regelabweichung der Ist-Belastung kann dadurch auch bei einer variablen Soll-Belastung gering gehalten werden.
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Besonders bevorzugt weist das Lenksystem eine Spurstange zur Ankoppelung von Lenkrädern und eine mittelbar oder unmittelbar an der Spurstange angekoppelte Lenkstange zur Anbindung eines Lenkrads auf, wobei die Soll-Belastung an der Spurstange eingeleitet wird, das Messen der Ist-Belastung an der Spurstange erfolgt und ein Messen einer Übertragungsbelastung an der Lenkstange erfolgt. Dies ermöglicht es fahrbahnseitig eingeleitete Belastungen zu simulieren und deren haptische Wahrnehmung in Form der gemessenen Übertragungsbelastung vom Fahrer zu untersuchen. Alternativ ist vorgesehen, dass das Lenksystem eine Spurstange zur Ankoppelung von Lenkrädern und eine mittelbar oder unmittelbar an der Spurstange angekoppelte Lenkstange zur Anbindung eines Lenkrads aufweist, wobei die Soll-Belastung an der Lenkstange eingeleitet wird, das Messen der Ist-Belastung an der Lenkstange erfolgt und ein Messen einer Übertragungsbelastung an der Spurstange erfolgt. Dies ermöglicht es fahrerseitig eingeleitete Belastungen zu simulieren und deren Auswirkungen auf eine Fahrbahn zu untersuchen.
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Insbesondere wird durch einen Vergleich der gemessenen Übertragungsbelastung mit der mit Hilfe der Korrektur-Belastung korrigierten Soll-Belastung ein Übertragungsverhalten des Lenksystems in einem Kraftpfad zwischen der Spurstange und der Lenkstange ermittelt. Beispielsweise kann durch den Vergleich der gemessenen Übertragungsbelastung mit der Ist-Belastung eine Übertragungsfunktion für das Übertragungsverhalten des Lenksystems ermittelt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Lenksystemprüfstand zur Untersuchung eines Lenkverhaltens eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs, mit einer Spurstange zur Ankoppelung von Lenkrädern, mindestens einem an der Spurstange angekoppelten Linearmotor zum Einleiten einer Soll-Belastung, einer an Spurstange vorgesehenen ersten Messsensorik zur Detektion einer Ist-Belastung der Spurstange, einer an der Spurstange mittelbar oder unmittelbar angekoppelten Lenkstange zur Anbindung eines Lenkrads, einer an der Lenkstange vorgesehenen zweiten Messsensorik zur Detektion einer in der Lenkstange verursachten Übertragungsbelastung und einer Regeleinrichtung zur Regelung des Linearmotors in Abhängigkeit von der Soll-Belastung und der Ist-Belastung, wobei die Regeleinrichtung hergerichtet ist, das Verfahren, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, durchzuführen. Durch die Korrektur der durch ein Eigenschwingverhalten des untersuchten Lenksystems beeinträchtigenden Soll-Belastungen kann für verschiedene Lenksysteme eine gleiche tatsächliche Ist-Belastung erreicht werden, so dass eine gute Vergleichbarkeit des Übertragungsverhaltens verschiedener Lenksysteme eines Kraftfahrzeugs ermöglicht ist.
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Vorzugsweise ist die Regeleinrichtung als ein in Echtzeit betreibbarer PI-Regler ausgestaltet. Die Wiederholungschleife kann dadurch in so kurzen Zeitabständen wiederholt werden, dass sich nahezu keine Abweichung der Ist-Belastung von der ursprünglichen Soll-Belastung einstellt. Die Messung der Ist-Belastung kann insbesondere kontinuierlich und/oder mit einer besonders hohe Abtastrate erfolgen. Durch den Integral-Anteil in der Übertragungsfunktion des PI-Reglers kann eine Dämpfung in der Reglerantwort vorgesehen sein, die auch bei einer Echtzeitregelung ein Überschwingen der Reglerantwort vermeidet und einen stabilen Betrieb sicherstellt. Durch den kostengünstigen und schnell reagierenden PI-Regler kann eine gute und stabile Regelung bei geringen Kosten sichergestellt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 2: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Lenksystem prüfstands.
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Um ein für ein Kraftfahrzeug vorgesehenes Lenksystem einer Schwingungsanalyse zu unterziehen und mit einem Lenksystem zu vergleichen, kann wie in 1 dargestellt ist, zunächst eine Soll-Belastung 10 vorgegeben sein, die insbesondere fahrbahnseitig in das zu untersuchende Lenksystem eingeleitet werden soll, um einen fahrbahnseitigen Belastungsfall zu simulieren. Insbesondere handelt es sich bei der Soll-Belastung um einen zeitlichen Kraftverlauf, bei dem eine Kraft 12 in Newton über eine Zeit 14 in Sekunden aufgetragen ist. Vorzugsweise handelt es sich um einen sinusförmigen Kraftverlauf mit variierender Amplitude, der um einen Mittelwert von 0 N schwingt aber auch um einen von Null verschiedenen Mittelwert schwingen kann, der insbesondere selbst auch einer zeitlichen Veränderung unterliegen kann. Insbesondere kann sich der Mittelwert der Sollbelastung 10 sprungartig oder rampenartig oder sinusartig entlang der Zeit 14 verändern. Aufgrund von Rückkoppelungseffekten des schwingungsfähigen Lenksystems ergibt sich an der Einleitungsstelle jedoch eine von der Soll-Belastung 10 abweichende Ist-Belastung 16. Die ist-Belastung 16 wird gemessen und in einem nächsten Schritt zu der Sollbelastung 10 ins Verhältnis 18 gesetzt, so dass sich ein zeitlich veränderlicher Korrekturfaktor 20 ergibt. Mit diesem Korrekturfaktor 20 kann die Soll-Belastung 10 korrigiert werden, so dass sich eine Korrektur-Belastung 22 ergibt, welche die ursprüngliche Soll-Belastung 10 ersetzt und für einen erneuten Durchlauf der anhand von 1 erläuterten Verfahrensschritte an die Stelle der Soll-Belastung 10 tritt. Dadurch lässt sich an der Einleitungsstelle der Soll-Belastung 10 eine tatsächliche Belastung 24 erreichen, die der ursprünglichen Soll-Belastung 10 sehr genau, in jedem Fall deutlich mehr gleicht, als die ursprüngliche Ist-Belastung 16.
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Das in 1 dargestellte Verfahren kann mit dem in 2 dargestellten Lenksystemprüfstand 26 durchgeführt werden. Der Lenksystemprüfstand 26 kann ein Lenksystem 28, das in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden soll, für eine Schwingungsanalyse untersuchen. Das zu untersuchende Lenksystem 28 weist eine Spurstange 30 auf, mit der über mehrere Zwischenbauteile eine Lenkstange 32 angekoppelt ist. Die Spurstange 30 kann in einem im Kraftfahrzeug eingebauten Zustand mit Lenkrädern verbunden sein, während mit der Lenkstange 32 im eingebauten Zustand ein Lenkrad befestigt sein kann. Um eine Fahrsituation simulieren zu können sind an den axialen Enden der Spurstange 30 jeweils ein Linearmotor 34 angekoppelt, über die die Soll-Belastung 10 in die Spurstange 30 eingeleitet werden soll. Es ist auch möglich nur an einem axialen Ende der Spurstange 30 den Linearmotor 34 vorzusehen. An der Spurstange 30 ist eine Messsensorik 36 vorgesehen, welche die Ist-Belastung 16 misst. Die Messsensorik 36 kann insbesondere auch in einem anderen Bereich des Kraftpfads vorgesehen sein, insbesondere zwischen einem axialen Ende der Spurstange 30 und dem dort angebundenen Linearmotor 34. Die gemessene Ist-Belastung 16 wird einem echtzeitfähigen PI-Regler 38, mit dessen Hilfe die mit Hilfe des Korrekturfaktors 20 korrigierte Korrektur-Belastung 22 als neue Soll-belastung 10 auf die Linearmotoren 34 aufgeschaltet werden kann. An der Lenkstange 32 kann mit Hilfe einer weiteren Messsensorik 40 eine fahrerseitige Übertragungsbelastung gemessen werden. Durch einen Vergleich der so ermittelten Übertragungsbelastung mit der tatsächlichen Ist-Belastung 24 beziehungsweise der weitestgehend der der tatsächlichen Ist-Belastung 24 entsprechenden ursprünglichen Soll-Belastung 10 kann das Schwingungsverhalten und/oder das Übertragungsverhalten des Lenksystems 28 analysiert werden. Durch einen Vergleich der Übertragungsbelastung verschiedener Lenksysteme 28 bei gleichen ursprünglichen Soll-Belastungen 10 können qualitative und/oder quantitative Aussagen über das Schwingungsverhalten und/oder das Übertragungsverhalten der miteinander verglichenen Lenksysteme 28 gemacht werden, beispielsweise um zu entscheiden, welches untersuchte Lenksystem eine für den Fahrer besserer Performance bietet.
