DE10301542A1

DE10301542A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beanspruchungsanalyse nicht sichtbarer Systembauteile in Fahrzeugen

Info

Publication number: DE10301542A1
Application number: DE2003101542
Authority: DE
Inventors: Holger Dr. Manz; Nikolaus Wahnschaffe; Olaf Kwasny
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2004-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beanspruchungsanalyse mindestens eines nicht sichtbaren Systembauteils in einem Fahrzeug, mittels mindestens einer Auswerteeinheit (54), wobei das Systembauteil mit mindestens einem Sensorelement (4) ausgebildet ist, das Sensorelement (4) eine Verformung des Systembauteils detektiert und ein Signal an die Auswerteeinheit (54) übermittelt. Das Sensorelement (4) ist vorzugsweise als intelligenter Werkstoff ausgebildet, welcher bei einer Verformung ein elektrisches Signal abgibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beanspruchungsanalyse nicht sichtbarer Systembauteile in Fahrzeugen.
Systembauteile von Fahrzeugen weisen oftmals eine hohe Komplexität auf. Vielfach sind komplexe Systembauteile selbst im Werkstattbetrieb nicht oder zumindest nicht vollständig sichtbar. Ein Versagen von Systembauteilen kann jedoch insbesondere bei sicherheitskritischen Bauteilen zu einem sicherheitskritischen Zustand des Fahrzeugs führen.
Derartige sicherheitskritische, in der Regel nicht sichtbare Bauteile sind beispielsweise eine Zahnstange und/oder ein Schneckengetriebe einer elektromechanischen Lenkung. Ein Versagen dieser Bauteile kann beispielsweise zu einem Blockieren der Lenkung führen.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch welches ein Bauteilversagen zu einem möglichst frühen Zeitpunkt erkennbar ist.
Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierfür umfasst ein nicht sichtbares Systembauteil eines Fahrzeugs mindestens ein Sensorelement, wobei das Sensorelement bei Verformung ein Signal abgibt, welches an eine Auswerteeinheit übertragbar ist. Die Auswerteeinheit ist beispielsweise als Recheneinheit ausgebildet, durch welche eine detaillierte Beanspruchungsanalyse durchführbar ist. Daneben ist es denkbar, die Auswerteeinheit lediglich als optische und/oder akustische Ausgabeeinheit mit einer Warnfunktion auszubilden. Die Auswerteeinheit ist beispielsweise als Signalleuchte ausbildbar, wobei bei Empfang eines entsprechenden Signals der Sensoreinheit die Signalleuchte aufleuchtet. Ist das Systembauteil starken Wechseln der Umgebungsbedingungen, beispielsweise starken Temperaturschwankungen, ausgesetzt, so ist es denkbar, dass mehrere, verschiedene Sensorelemente in ein Systembauteil integriert werden, um so eine Überwachung über den gesamten Betriebsbereich zu garantieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sensorelement als intelligenter Werkstoff ausgebildet, welcher bei Verformung ein elektrisches Signal sendet. Erfindungsgemäße intelligente Werkstoffe sind beispielsweise piezoelektrische Werkstoffe. Anstelle piezoelektrischer Materialien ist auch ein Einsatz optischer Fasern denkbar, wobei ein Bauteilschaden durch eine Trennung der entsprechenden Faser optisch erkennbar ist. Das optische Signal ist dabei durch geeignete Auswerteeinheiten in ein akustisches oder elektrisches Signal umwandelbar. Anstelle der Einarbeitung intelligenter Werkstoffe ist es auch denkbar, Dehnmessstreifen an einer Außenwand des Bauteils anzubringen. Durch die Verwendung intelligenter Werkstoffe lassen sich jedoch Schadstellen oftmals besser am Ort der Entstehung erfassen.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Sensorelement als piezokeramische Folie, Faser und/oder Stäbchen ausgebildet und in das Bauteil eingearbeitet. Die Einarbeitung sogenannter Piezostäbchen ermöglicht eine strukturkonforme Einbindung. Außerdem ist es denkbar, dass Bauteil vollständig aus einem oder mehreren intelligenten Werkstoffen herzustellen. Hierbei muss jedoch beachtet werden, dass Eigenschaften eingehalten werden, welche durch den fahrtechnischen Einsatz des Bauteils erforderlich sind. Zudem ist eine ganzheitliche Herstellung aus intelligenten Werkstoffen für große Bauteile aus Kostengründen häufig nicht sinnvoll.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schadenanalyse eine Einleitung von Präventivmaßnahmen. Durch die Einleitung von Präventivmaßnahmen ist das betroffene Systembauteil gegen weitere Schäden schätzbar, ohne dass das Fahrzeug außer Betrieb genommen werden muss.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Systembauteil als eine Zahnstange einer elektromechanischen Lenkung ausgebildet. Das Sensorelement ist dabei vorzugsweise als mindestens eine piezokeramische Faser ausgebildet und in die Zahnstange eingearbeitet, wobei im Schadensfall durch die Auswerteeinheit ein maximaler Lenkwinkel beschränkt wird. Durch piezokeramischen Fasern lassen sich Dehnungen der Zahnstange in Form von elektrischen Signalen wiedergeben. Anhand dieser elektrischer Signale lassen sich beginnende Brüche oder Risse in der Zahnstange erfassen. Für eine Überwachung einer elektromechanischen Lenkung können intelligente Werkstoffe auch in einem Schneckenrad des Lenk-Schneckengetriebes integriert werden. Im Allgemeinen wird die Zahnstange besonders stark bei einem Einlenken in Endanschläge beansprucht, da an dieser Stelle Spurstangenkräfte maximale Werte erreichen. Ein hoher Verschließ ist daher in den äußeren Zähnen der Zahnstange zu beobachten. Wird ein derartiger Verschleiß erkannt, so wird der maximale Lenkwinkeleinschlag begrenzt. Die äußeren Zähne werden daher nicht weiter belastet. Diese Einschränkung führt zwar zu einer Einschränkung des Fahrkomforts gefährdet jedoch nicht die Sicherheit. Unter Betrieb des Fahrzeugs mit eingeschränkter Fahrfunktion kann dann beispielsweise eine Werkstatt angefahren werden. Dabei ist es denkbar, dass der Fahrer durch optische und/oder akustische Signale auf eine Einschränkung der Funktionalität hingewiesen wird. Daneben ist es auch denkbar, dass beispielsweise ein Fahrzeugmotor aufgrund der eingeschränkten Funktionalität automatisch gedrosselt wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird der maximale Lenkwinkel durch einen Software-Anschlag beschränkt. Bei einer elektromechanischen Lenkung wird eine Unterstützungskraft durch einen elektrischen Servomotor zusätzlich zu einem durch einen Fahrer mittels eines Lenkmittels, beispielsweise eines Lenkrades, über eine durchgehende mechanische Verbindung vorgegebenen Lenkwinkels aufgebracht. Für eine Begrenzung des maximalen Lenkwinkels kann durch den Servomotor eine Gegenkraft zu dem mechanisch aufgebrachten Lenkwinkel erzeugt werden. Die Gegenkraft bildet einen virtuellen Anschlag, durch den ein Einlenken in die äußeren Zähne verhindert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Prinzipdarstellung einer elektromechanische Lenkung mit integrierter Beanspruchungsanalyse.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer elektromechanischen Lenkung mit integrierter Beanspruchungsanalyse, umfassend ein als Lenkrad ausgebildetes Lenkmittel 1 und einen Servomotor 2, die über Getriebe 31, 32 mit einer Zahnstange 3 verbunden sind. Die Zahnstange 3 ist über eine nicht dargestellte bekannte Lenkverbindung steuerbar mit ebenfalls nicht dargestellten lenkbaren Rädern eines Fahrzeugs verbunden. Für eine Lenkunterstützung wird zusätzlich durch den Servomotor 2 ein in einer Recheneinheit 5 ermitteltes Unterstützungsmoment aufgebracht. Der Recheneinheit werden hierfür die erforderlichen Fahrzustände und/oder Lenkwünsche zugeführt.
Die Zahnstange 3 und/oder die Getriebe 31, 32 sind in der Regel auch im Werkstattbetrieb nicht sichtbar. Ein Versagen dieser Systembauteile kann jedoch zu einem Blockieren der Lenkung und damit zu einem sicherheitskritischen Zustand des Fahrzeugs führen. Durch ein Sensorelement 4 werden Dehnungen der Zahnstange 3 erfasst und an eine Auswerteeinheit 54 übermittelt. Die Auswerteeinheit 54 ist dabei gemeinsam mit der Recheneinheit 5 ausgebildet. Daneben ist es auch denkbar, die Auswerteeinheit 54 als getrenntes Bauteil auszuführen. Durch die Auswerteeinheit 54 ist ein drohendes Bauteilversagen frühzeitig detektierbar.
Das Sensorelement 4 ist beispielsweise als Piezofasern ausgebildet, welche in die Zahnstange 3 eingearbeitet sind. Durch derartige Piezofasern sind Dehnungen der Zahnstange 3 in Form von elektrischen Signalen an die Auswerteeinheit 54 übermittelbar.
Nach einer Detektion eines drohenden Bauteilversagens sind entsprechende Präventivmaßnahmen durch die Auswerteeinheit 54 selbsttätig einleitbar. Daneben ist es jedoch auch denkbar, dass die Auswerteeinheit 54 lediglich einen Nutzer des Fahrzeugs über den Schadensfall informiert. Durch ein automatisches Einleiten von Präventivmaßnahmen ist jedoch eine sofortige Außerbetriebnahme des Bauteils oder des gesamten Fahrzeugs aufgrund des Schadenfalls vermeidbar.
Die Zahnstange 3 wird insbesondere bei einem Einlenken in Endanschläge am Getriebe 31 stark beansprucht. Entsprechend weisen die äußeren Zähne auf der Zahnstange den höchsten Verschleiß auf. Bei einem Erkennen von Verschleiß durch die Auswerteeinheit 54, wird daher ein Anfahren der äußeren Zähne vermieden. Bei Überschreiten eines Maximalwertes wird daher in der Recheneinheit 5 eine Gegenmoment ermittelt. Das Gegenmoment wird bei Erreichen kritischer Lenkwinkel durch den Servomotor 2 auf die Zahnstange 3 gebracht und wirkt einem durch das Lenkmittel 1 aufgebrachten Lenkwunsch entgegen. Das Gegenmoment wirkt somit wie ein virtueller Anschlag und verhindert das Anfahren der äußeren Zähne. Eine notwendige Lenkwinkeleinschränkung ergibt sich aus einer Übersetzung des Getriebes 31.

Claims

Verfahren zur Beanspruchungsanalyse mindestens eines nicht sichtbaren Systembauteils in einem Fahrzeug, mittels mindestens einer Auswerteeinheit (54), dadurch gekennzeichnet, dass das Systembauteil mit mindestens einem Sensorelement (4) ausgebildet wird, das Sensorelement (4) eine Verformung des Systembauteils detektiert und mindestens bei einer Verformung ein Signal an die Auswerteeinheit (54) übermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) ein elektrisches Signal an die Auswerteeinheit (54) übermittelt, wobei das Sensorelement (4) als intelligenter Werkstoff ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (54) mindestens eine Präventivmaßnahme einleitet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Systembauteil als Zahnstange (3) einer elektromechanischen Lenkung ausgebildet ist, das Sensorelement (4) als mindestens eine piezokeramische Faser, Folie und/oder Stäbchen ausgebildet und in die Zahnstange (3) eingearbeitet ist, und im Schadensfall ein maximaler Lenkwinkel beschränkt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Lenkwinkel durch einen Software-Anschlag beschränkt wird.
Vorrichtung zur Beanspruchungsanalyse mindestens eines nicht sichtbaren Systembauteils in einem Fahrzeugen umfassend mindestens eine Auswerteeinheit (54), dadurch gekennzeichnet, dass das Systembauteil mindestens ein Sensorelement (4) umfasst und von dem Sensorelement (4) mindestens bei Verformung ein Signal an die Auswerteeinheit (54) übertragbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) als intelligenter Werkstoff ausgebildet ist, welcher bei Verformung ein elektrisches Signal abgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) als piezokeramische Folie, Fasern und/oder Stäbchen ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteeinheit (54) eine Präventivmaßnahme einleitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Systembauteil als Zahnstange (3) und/oder Schneckenrad einer elektromechanischen Lenkung ausgebildet ist, das Sensorelement (4) in die Zahnstange (3) und/oder das Schneckenrad eingearbeitet ist, und im Schadensfall ein maximaler Lenkwinkel beschränkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteeinheit (54) ein Software-Anschlag ermittelbar ist, wobei der maximale Lenkwinkel durch den Software-Anschlag beschränkt wird.