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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Lenkung eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zum Erfassen und/oder Auswerten von Daten derselben.
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Elektromechanische Lenkungen sind hohen Lastkollektiven sowie aufgrund ihrer Anordnung im Motorraum hohen Temperaturen ausgesetzt. Sie weisen einen in der Regel elektrischen Servomotor zur Erzeugung eines Hilfsmoments auf, der das von einem Fahrer aufgebrachte Lenkmoment unterstützt. Insbesondere die Getriebestufe des Servomotors aber auch andere Komponenten der Lenkung sind mitunter einer besonders starken Beanspruchung ausgesetzt, so daß es in diesem Bereich der Lenkung zu einem erhöhten Verschleiß kommen kann.
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Die Feststellung des Beanspruchungs- bzw. Schädigungszustands der Lenkung gestaltet sich in der Praxis jedoch schwierig, da es hierzu erforderlich ist, die Lenkung aus dem Fahrzeug auszubauen und in ihre Einzelteile zu zerlegen. Um einen hohen Wartungsaufwand zu vermeiden, werden daher die Komponenten der Lenkung mit einer hohen Sicherheitsmarge dimensioniert, da ein Ausfall der Lenkung unter dem Aspekt der Sicherheit unter allen Umständen zu vermeiden ist. Die Einplanung einer hohen Sicherheitsmarge ist mit entsprechend hohen Kosten verbunden.
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Aus der
DE 697 07 685 T2 ist eine elektromechanische Lenkung bekannt, die Mittel zum Erfassen von vom Fahrer aufgebrachte Lenkmomente und zum Erfassen mindestens eines Lenkstroms mindestens eines elektrischen Servomotors der Lenkung umfasst. Darüber hinaus ist aus diesem gattungsbildenen Stand der Technik eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, bekannt, die zumindest in Abhängigkeit der erfassten Werte mindestens einen charakteristischen Kennwert als mindestens einen Schädigungsgrad ermittelt und bei Überschreiten eines vorgegebenen Schädigungsgrad ein Ausgabesignal und/oder eine akustische, optische und/oder haptische Informationsgabe erzeugt. Ein entsprechendes Verfahren zur Erfassung der oben genannten Werte und Ermittlung eines charakteristischen Kennwert als ein Schädigungsgrad, sowie die Erzeugung eines Ausgabesignals und/oder Informationssignal bei Überschreiten eines Schädigungsgrads, wird ebenfalls in der
DE 697 07 685 T2 offenbart.
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Zielsetzung der Erfindung ist es nun, unter dem Gesichtspunkt der Aufrechterhaltung einer hohen Sicherheit und eines geringen Wartungsaufwandes neue Ansätze zu finden, welche einen besseren Einblick in den Beanspruchungs- bzw. Schädigungszustand der Lenkung erlauben.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dazu wird eine elektromechanische Lenkung vorgeschlagen, die zumindest im folgenden umfaßt:
- – Mittel zum Erfassen von vom Fahrer aufgebrachten Lenkmomenten MF,
- – Mittel zum Erfassen von Hilfsmomenten MS mindestens eines elektrischen Servomotors der Lenkung, und/oder
- – Mittel zum Erfassen mindestens eines Lenkstroms i mindestens eines elektrischen Servomotors, und
eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung, die zumindest in Abhängigkeit der erfaßten Werte einen charakteristischen Kennwert als Schädigungsgrad s ermittelt und bei Überschreiten eines vorgegebenen Schädigungsgrads s ein Ausgabesignal und/oder eine akustische und/oder optische und/oder haptische Informationsausgabe erzeugt.
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Es hat sich gezeigt, daß bereits anhand wenigstens dieser Parameter eine Aussage über den Schädigungsgrad s der Lenkung getroffen werden kann. Die Hilfsmomente MS und Lenkströme i können alternativ oder auch gemeinsam erfaßt werden.
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Die erfaßten Werte werden in mindestens einem charakteristischen Kennwert ermittelt, der den aktuellen Schädigungsgrad s repräsentiert. Es ist auch möglich, die erfassten Werte in nur einem einzigen charakteristischen Kennwert zu verdichten. Durch einen Vergleich mit mindestens einem vorgegebenen Schädigungsgrad kann dann sehr einfach ein Ausgabesignal und/oder eine akustische und/oder optische und/oder haptische Informationsausgabe erzeugt werden, aufgrund dessen beispielsweise eine nähere Untersuchung der Lenkung oder ein Austausch derselben vorgenommen werden kann. Der Vorteil, mehrere Kennwerte zu ermitteln, z. B. den einzelnen Lenkungsabschnitten zugeordnet, hat den Vorteil, dass eine den jeweiligen Kennwerten zugeordnete Größe zur Warnung bzw. zur Signalerzeugung herangezogen werden kann. Mit dem jeweiligen Kennwert und einer dazugehörigen Informationsausgabe oder eines Ausgabesignals kann direkt beispielsweise direkt auf einen geschädigten oder schädigungsgefährdeten Abschnitt hingewiesen werden.
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Durch die hieraus resultierende, bessere Überwachung des Verschleißes in der Lenkung ist es prinzipiell möglich, die Lenkung ohne Einbußen der Sicherheit kompakter und mit einem geringeren Bauteilgewicht auszuführen. Desweiteren sind Informationen über eine reale Beanspruchung der Lenkung im Betrieb sammelbar, welche bei einer zukünftigen Auslegung oder Optimierung der Lenkung heranziehbar sind. Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zur Erfassung der Temperatur der Lenkung und/oder Teilen davon und/oder der Systemtemperatur der Lenkung an derselben ein oder mehrere Temperatursensoren vorgesehen. Prinzipiell läßt sich die Systemtemperatur auch über einen einzigen Temperatursensor bestimmen. Jedoch wird durch eine differenzierte Temperaturanalyse eine genauere Aussage über die Beanspruchung und damit über den Schädigungsgrad s erhalten. Vorzugsweise sind Temperatursensoren an den thermisch am stärksten beanspruchten Stellen vorgesehen. So befindet sich beispielsweise mindestens ein Temperatursensor an mindestens einem Getriebe der Lenkung, insbesondere mindestens einem Schneckengetriebe der Lenkung. Weiterhin kann ein Temperatursensor an mindestens einem Servomotor der Lenkung angeordnet sein. Sofern mindestens zwei Getriebe oder mindestens zwei Servomotoren vorgesehen sind, können beispielsweise auch mindestens zwei Temperatursensoren vorgesehen sein.
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In einer Vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind Mittel zum Erfassen der Betriebszeit der Lenkung und/oder des Fahrzeugs vorgesehen. So können die Belastungen vorteilhaft einer Beanspruchungszeit zugeordnet werden. Weiterhin lässt sich ermitteln, ob eine Schädigung beispielsweise aus kurzen, jedoch starken Beanspruchungen hervorgerufen wurde oder ob über einen längeren Zeitraum eine geringe Belastung vorlag. Aus dem Vergleich der Betriebszeit der Lenkung und der des Fahrzeugs lassen sich die Beanspruchungen der Lenkung im Fahrbetrieb, beipielsweise in Zusammenhang mit der Laufleistung, ermitteln. Dies ermöglicht die Aussage, ob das Fahrzeug im Zusammenhang mit der Laufleistung und/oder Betriebszeit normalen Lenkbeanspruchungen ausgesetzt war.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Ermittlung des charakteristischen Kennwerts auf der Basis von Wöhlerkurven und/oder auf Basis von Formeln oder Algorithmen, welche Wöhlerkurven zumindest annähernd nachbilden. Diese dem Fachmann an sich bekannten Kurven werden aus Dauerschwingversuchen unter schwellender oder wechselnder Zug-, Biege- oder Torsionsbeanspruchung ermittelt (DIN 50100 und 50113) und stellen eine Auftragung der Spannungsausschläge über dem Logarithmus der Lastspielzahlen dar. Zudem können für einzelne Bauteile Wöhlerkurven oder entsprechende Funktionen oder Kennfelder oder Funktionen, die Wöhlerkurven beschreiben, vorgegeben werden, die von den obengenannten Parametern abhängen.
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Weiterhin kann bei einem Überschreiten des vorgegebenen Schädigungsgrads die elektrische Lenkunterstützung mindestens eines Servomotors verringerbar oder vollständig ausschaltbar sein. Die Verringerung und/oder Ausschaltung kann dabei auch nur zeitweise, d. h. über bestimmte Zeitabschnitte erfolgen. Wenn beispielsweise die Lenkunterstützung aufgrund von hohen Temperaturen eingeschränkt wird, so kann diese ggf. wieder vollständig zur Verfügung gestellt werden, wenn die jeweilige oder die jeweiligen Temperaturen wieder in einem Normalbereich liegen.
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Sofern eine Verringerung der Lenkunterstützung und/oder eine Ausschaltung erfolgt, ist es vorgesehen, dass eine Informationsausgabe darüber erfolgt. Einem Fahrzeugführer kann beispielsweise angezeigt werden, dass die Lenkunterstützung nur noch zu 70% zur Verfügung steht. Es ist beispielweise auch möglich eine Warnanzeige zu schalten, sofern es Probleme mit der Lenkung bzw. der korrekten Ausführung eines Lenkbefehls gibt. Bei Ausschaltung der Lenkunterstützung wird dann dieser Zustand ebenfalls signalisiert. Einem Fahrzeugführer ist dann bewusst, dass ein normaler, gewohnter Fahrbetrieb mit gewohnten Lenkeigenschaften nicht mehr vorliegt.
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Zur Verbesserung der Signifikanz des ermittelten Schädigungsgrads s kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wenigstens ein Gradient zumindest eines der erfaßten Werte in die Ermittlung mindestens eines charakteristischen Kennwerts einfließen. Dabei ist es möglich, dass auch nur ein jeweiliger Gradient in die Berechnung einfließt.
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Da insbesondere die Getriebestufe am Servomotor einer hohen Beanspruchung ausgesetzt ist, weil diese unter anderem die Stöße aus der Fahrbahn auffängt, werden gemäss einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zur Erfassung der Hilfsmomente des Servomotors die Bewegungen des Rotors desselben erfaßt. Anhand der Bewegungen des Servomotor-Rotors lassen sich diese Stöße sehr gut analysieren und in ihrer Schädigungswirkung bewerten.
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Zur Verbesserung der Auswertung der Rotorbewegung wird vorzugsweise weiterhin ein Gradient der Rotorbewegung der Servoeinrichtung ermittelt. Ein derartiger Gradient fließt ebenfalls in die Ermittlung mindestens eines charakteristischen Kennwerts ein, und zwar so, dass höhere Gradienten ein schnelleres Anwachsen mindestens eines charakteristischen Kennwerts und damit mindestens eines ermittelten Schädigungsgrads bewirken.
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Die erfindungsgemäße Lenkung kann mit einer Diagnoseeinrichtung versehen sein, die mit einem Kraftfahrzeug mitgeführt wird. Eine solche wird beispielsweise in der
EP 0949122 A2 offenbart. So kann ein Schädigungsgrad-Selbstdiagnosesystem mit einem Mikroprozessor der zentralen Diagnoseeinrichtung derart zusammenarbeiten, daß der mindestens eine ermittelte Schädigungsgrad s und/oder das Vorliegen eines Ausgabesignals w kontinuierlich oder intermittierend an die Diagnoseeinrichtung übermittelt wird bzw. werden. Es ist auch möglich, weitere Daten (z. B. Temperaturen, Betriebszeit, etc.) an die Diagnoseeinrichtung zu übermitteln. Denkbar ist auch eine Abfrage des mindestens einen Schädigungsgrads durch die Diagnoseeinrichtung. Hierdurch ist es möglich, die Überwachung der Lenkung in ein mit dem Fahrzeug mitgeführtes Diagnosesystem zu integrieren, das auch weitere Komponenten des Fahrzeugs auf ihre Funktionsfähigkeit überwacht, wie beispielsweise den Motor, die Bremsen, das Getriebe oder einen Airbag. Im Falle des Auftretens eines Problems mit der Lenkung, kann beispielsweise automatisch und/oder vom Fahrer quittiert eine Servicewerkstatt und/oder eine Servicestelle, bevorzugt die des Automobilherstellers, informiert werden. Die übermittelten Informationen können dann frühzeitig beim Automobilhersteller zur Erkennung von Beanspruchungen herangezogen werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 14 und 15 genannt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung eines Schädigungsgrad-Selbstdiagnosesystems eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Lenkung, und in
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2 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels der elektromechanischen Lenkung nach der Erfindung.
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Das Ausführungsbeispiel in 2 zeigt eine mechanische Fahrzeuglenkung 1 mit einem elektrischen Hilfsantrieb, die hier beispielhaft als Zahnstangenlenkung mit Hilfsantrieb für ein Personkraftfahrzeug ausgebildet ist. Die Fahrzeuglenkung 1 umfaßt ein Lenkgetriebegehäuse 2, in dem eine Lenkstange 3 axial bewegbar aufgenommen ist. An den Enden der Lenkstange 3 sind zwei Spurstangen 5 und 6 jeweils gelenkig angekoppelt, die zu den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs führen. Die Gelenke sind in der 2 durch jeweils eine kreisförmige Unterbrechung der Spurstangen 5 und 6 dargestellt.
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In das Lenkgetriebegehäuse 2 leitet eine Lenksäule 7, die mit einem Lenkrad verbunden ist, eine Lenkkraft oder einen Lenkbefehl ein. Im Lenkgetriebegehäuse 2 ist ein Ritzel vorgesehen, das mit einer Verzahnung der Lenkstange 3 kämmt, um einen fahrerseitig an dem Lenkrad eingebrachten Lenkbefehl in eine Axialbewegung der Lenkstange 3 umzusetzen, wie dies in 2 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist.
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Zudem ist an das Lenkgetriebegehäuse 2 ein Servomotor 8 angesetzt oder in dieses integriert, der beispielsweise einen koaxial zu der Lenkstange 3 angeordneten Rotor aufweist. Der zugehörige Stator ist an dem Lenkgetriebegehäuse 2 festgelegt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Servomotor 8 der Unterstützung des fahrerseitig eingebrachten Lenkmoments MF. Bei einem Ausfall der elektrischen Lenkkraftunterstützung kann das Fahrzeug weiterhin manuell gelenkt werden.
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In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels ist es jedoch auch möglich, einen fahrerseitigen Lenkbefehl bzw. die Stellung des Lenkrads allein sensorisch zu erfassen und die erfaßten Stellungsinformationen, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Regeleinrichtung, zur Ansteuerung des Servomotors 8 zu verwenden. Dieses wird üblicherweise als steer-by-wire-System bezeichnet. Die Möglichkeit, bei einem Ausfall der elektrischen Lenkkraftunterstützung das Fahrzeug manuell (mechanisch) zu lenken, besteht hierbei in der Regel nicht.
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Weiterhin umfaßt die elektromechanische Fahrzeuglenkung 1 ein Selbstdiagnosesystem 10, mit dem der Schädigungsgrad s der Lenkung oder Teilen davon ermittelt und bei einem Überschreiten mindestens eines vorgegebenen Schädigungsgrads s der Fahrer und/oder ein weiteres Erfassungs- und/oder Auswertesystem gewarnt werden kann. Der Fahrer kann dann geeigneten Gegenmaßnahmen treffen, wie beispielsweise eine Wartung oder eine Reparatur veranlassen. Sofern ein weiteres Erfassung- und/oder Auswertesystem eingebunden ist, kann dieses dem Fahrer oder Fahrzeugeigner, oder -betreiber etc. einen Hinweis geben, dass eine Wartung oder Reparatur erforderlich ist. So ist es möglich, dass das Diagnosesystem 10 per Funkverbindung eine Zentrale informiert. Diese informiert, den Fahrzeugbetreiber (z. B. einer Fahrzeugflotte) beispielsweise, dass für das ermittelte Fahrzeug in ca. 2 bis 3 Monaten eine Wartungsphase einzuplanen ist.
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Die Ermittlung des Schädigungsgrads s erfolgt anhand von erfaßten Parametern der Lenkung, aus denen mit Hilfe von vorgegebenen Auswerteregeln ein charakteristischer, den Schädigungsgrad s repräsentierender Kennwert bestimmt wird. Die Auswerteregeln stützen sich dabei beispielsweise auf empirische Untersuchungen in Form von Wöhlerkurven, die beispielsweise als Kennfelder oder Annähungen an Kennfelder in Abhängigkeit der erfaßten Parameter in einer Speichereinrichtung 17 bereitgehalten werden. Es ist dabei natürlich auch möglich, in der Speichereinrichtung 17 Funktionen oder Kennfelder abzulegen, welche ursächlich auf die Erfahrungen des Automobil- oder Lenkungssystemherstellers zurückzuführen sind.
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Wie 2 zeigt, umfaßt das Selbstdiagnosesystem 10 Mittel 11 zum Erfassen der mindestens einen Temperatur der Lenkung und/oder Teilen davon und/oder der Systemtemperatur T der Lenkung. Prinzipiell kann dies über mindestens einen an geeigneter Stelle plazierten Temperatursensor erfolgen. Vorzugsweise sind jedoch zu einer genaueren Abbildung der Systemtemperatur T mehrere Temperatursensoren vorhanden. Die Werte dieser Sensoren werden in geeigeter Weise gemittelt oder gewichtet, um zur Systemtemperatur T zu gelangen. Die Anordnung der Temperatursensoren erfolgt insbesondere an den thermisch stark beanspruchten Stellen. So kann beispielsweise ein Temperatursensor an einem Getriebe der Lenkung, insbesondere einem Schneckengetriebe der Lenkung angeordnet sein. Ein weiterer Temperatursensor 9 befindet sich bevorzugt am Servomotor 8 der Lenkung.
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Weiterhin umfaßt das Diagnosesystem 10 Mittel 12 zum Erfassen der vom Fahrer aufgebrachten Lenkmomente MF.
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Um die Intensität des Einsatzes des Servomotors 8 abzubilden, sind außerdem Mittel 13 zum Erfassen der Hilfsmomente MS des elektrischen Servomotors 8 der Lenkung und/oder Mittel 14 zum Erfassen der Lenkströme i des elektrischen Servomotors 8 vorgesehen.
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Schließlich wird zur Berechnung mindestens eines Schädigungsgrads s die Betriebszeit t der Lenkung und/oder des Fahrzeugs über hierzu geeignete Mittel 15 erfaßt. Ebenso kann zur Auswertung oder Berechnung die Laufleistung des Fahrzeugs bzw. der Lenkung herangezogen werden. Bei der Berücksichtigung der Betriebszeit der Lenkung kann auch nur oder auch zusätzlich die aktive Betriebszeit der Lenkung, d. h. die Zeit bei der der Servomotor aktiv war, erfasst werden.
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Die Auswertung der vorgenannten Parameter erfolgt in einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 16 mit Hilfe der oben genannten Auswerteregeln bzw. -parameter. Überschreitet mindestens ein charakteristischer Kennwert einen vorgegebenen Schädigungsgrad s, so kann ein Ausgabesignal w und oder eine akustische und/oder optische und/oder haptische Informationsausgabe erzeugt und dem Fahrer angezeigt bzw. mitgeteilt werden. Alternativ oder ergänzend kann dem Fahrer auch der ermittelte Schädigungsgrad s mitgeteilt werden. Auch die Anzeige der noch verfügbaren Lenkunterstützung oder der noch verfügbaren Lenkunterstützungsleistung ist denkbar.
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Mit dem Überschreiten mindestens eines vorgegebenen Schädigungsgrads s kann zudem die elektrische Lenkunterstützung des Servomotors 8 automatisch verringert oder ganz ausgeschaltet werden.
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In einer Abwandlung des vorstehend erläuterten Diagnosesystems 10 können zusätzlich auch Gradienten der obengenannten Parameter bei der Auswertung berücksichtigt werden. Erfolgt beispielsweise eine starke Beanspruchung der Lenkung durch Stöße aus der Fahrbahn, so wird dies durch den Fahrer kaum bemerkt, da das Getriebe des Servomotors 8 die Stöße abfängt. Eine Erkennung dieser Stöße kann jedoch beispielsweise durch die Auswertung der Bewegungen des Rotors des Servomotors 8 erfolgen.
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Zu diesem Zweck werden die Bewegungen des Rotors mittels geeigneter Sensoren erfaßt. Hieraus lassen sich zum Beispiel die Hilfsmomente M des Servomotors 8 ableiten.
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Insbesondere kann auch mindestens ein Gradient der Rotorbewegung des Servomotors 8 ermittelt werden und in die Bestimmungen des mindestens einen charakteristischen Kennwerts mit einfließen. Je größer die erfaßten Gradienten der Rotorbewegung sind, desto größer ist auch die Belastung des Getriebes des Servomotors 8. Größere Gradienten bei der Rotorbewegung bewirken somit ein schnelleres Anwachsen des charakteristischen Kennwerts und damit des mindestens einen ermittelten Schädigungsgrads s.
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Prinzipiell kann das Diagnosesystem
10 der Lenkung unabhängig von weiteren Diagnosesystemen im Fahrzeug betrieben werden. Es jedoch auch möglich, das Diagnosesystem
10 der Lenkung in eine zentrale Diagnoseeinrichtung einzubinden, die mit dem Kraftfahrzeug mitgeführt wird, wie sie beispielsweise in der
EP 0 949 122 A2 beschrieben wird. Diese Diagnoseeinrichtung, welche der Verminderung des Reparaturaufwands bei Fahrzeugen dient, umfaßt einen Mikroprozessor zum Auslesen von Fehlermeldungen in Fehlerspeichern elektronischer Steuerungen des Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise in einem Motorsteuergerät, einem Bremssteuergerät, einem Getriebesteuergerät oder einem Airbagsteuergerät.
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Der in der
EP 0 949 122 A2 beschriebene Mikroprozessor kann nun so betrieben werden, daß dieser auch das Vorliegen eines Warnsignals w ausliest. Möglich ist weiterhin auch die Übertragung des konkreten Schädigungsgrads s an den Mikroprozessor, so daß diese Information dem Fahrer übermittelt oder bei einer Inspektion in der Werkstatt überprüft werden kann. Weiterhin können schon frühzeitig Prognosen oder Schädigungstrends zum Zustand der Lenkung erkannt werden.
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Das erfindungsgemäße Diagnosesystem 10 ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Schädigungsanalyse im Betrieb der Lenkung, so dass der Fahrer eines Kraftfahrzeugs rechtzeitig vor einem möglichen Systemversagen gewarnt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeuglenkung
- 2
- Lenkgetriebegehäuse
- 3
- Lenkstange
- 4
- Lenkstange
- 5
- Spurstange
- 6
- Spurstange
- 7
- Lenksäule
- 8
- Servomotor
- 9
- Temperatursensor
- 10
- Diagnosesystem der Lenkung
- 11
- Mittel zum Erfassen einer Temperatur der Lenkung
- 12
- Mittel zum Erfassen von vom Fahrer aufgebrachten Lenkmomenten
- 13
- Mittel zum Erfassen von Hilfsmomenten eines elektrischen Servomotors der Lenkung
- 14
- Mittel zum Erfassen von Lenkströmen des elektrischen Servomotors
- 15
- Mittel zum Erfassen der Betriebszeit
- 16
- Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung
- 17
- Speichereinrichtung Lenkstrom
- MF
- Lenkmoment
- MS
- Hilfsmoment des Servomotors
- s
- Schädigungsgrad
- T
- Temperatur
- t
- Zeit/Betriebszeit
- w
- Warnsignal
