DE10208961B4 - Verschleißerkennung bei Kraftfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Verschleißerkennung an Komponenten eines Fahrzeugs mit
einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Aufnahme mehrerer Sensorsignale und zur Ausgabe einer Verschleißgröße bezüglich der Fahrzeugkomponente auf der Grundlage von mindestens zwei Sensorsignalen, wobei über die Verschleißgröße kein unmittelbares Sensorsignal verfügbar ist, und die Verschleißgröße anhand der mindestens zwei Sensorsignale mittels mindestens einer Übertragungsfunktion indirekt ermittelbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Signalverarbeitungseinrichtung an mehrere verschiedene Datennetze unterschiedlichen Typs anschließbar ist, und die mindestens zwei Sensorsignale von mindestens zwei der mehreren verschiedenen Datennetze unterschiedlichen Typs stammend zur Ermittlung der Verschleißgröße verwendbar sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verschleißerkennung an Komponenten eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 8. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bremsbelagsverschleißerkennung bei Kraftfahrzeugen.
• Verschleißerkennung wird in Kraftfahrzeugen üblicherweise durch den Einbau entsprechender Sensorik realisiert. Die Sensoren haben dabei die Aufgabe vor Ort den Verschleiß eines Bauteils oder den Verbrauch einer Flüssigkeit ausreichend genau zu messen und den erfassten Wert an ein elektronisches Steuergerät zur Auswertung weiterzuleiten. Hinsichtlich des Verschleißes von Bremsbelägen gibt es derzeit zwei übliche Verfahren, den Kunden vor Folgeschäden zu bewahren. Eine erste Methode basiert auf festen Inspektionsintervallen. Dabei wird beispielsweise alle 40.000 km die Restdicke des Bremsbelags durch eine Sichtkontrolle überprüft. Belagsdicken unter 3 mm werden als untere Verschleißgrenze behandelt. Diese Methode hat den Nachteil, dass sie nicht auf die individuelle Fahrweise der Kunden beziehungsweise auf die sich ändernden Fahrbedingungen eingeht. Um alle Kunden vor möglichen Folgeschäden zu schützen, ist es notwendig, die Inspektionsintervalle so zu verkürzen, dass auch Kunden mit einem erhöhten Bremsverschleiß von der Maßnahme abgedeckt werden. Diese Methode ist besonders nachteilig bei Komponenten, bei denen keine Sichtkontrolle möglich ist. Ein Beispiel hierfür ist der Zahnriemen, der in festen Intervallen ausgetauscht werden muss, unabhängig davon, in welchem Zustand er sich befindet.
• Eine zweite gängige Möglichkeit zur Kontrolle des Verschleißes von Bremsbelägen ist eine individuelle, kundengerechte Lösung, bei der die Dicke der Bremsbeläge absolut gemessen wird. Dazu sind zusätzliche Sensoren erforderlich, die heutzutage mittels Kontaktfühler umgesetzt sind. Diese Fühler wirken aber nur im Endstadium der Lebensdauer des Belags und ermöglichen keine Aussage über den aktuellen Verschleißzustand, da sie als Digitalschalter wirken. Werden hochwertige Sensoren implementiert, beispielsweise für die optische Messung der Restbelagsdicke, sind genaue Aussagen über den Verschleißzustand möglich. Darüber hinaus könnten Vorhersagen über die Restlebensdauer unter Berücksichtigung der Fahrgewohnheiten durch diese direkte Messung getroffen werden.
• Nachteilig wirkt in jedem Fall, dass der Einbau der Sensorik kostspielig und meist sehr aufwändig ist. Darüber hinaus stehen den Systemen zur Auswertung nur wenig Daten und vielfach in unzureichender Qualität zur Verfügung.
• In diesem Zusammenhang ist aus der gattungsbildenden Druckschrift DE 43 16 993 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Zustands einer Fahrzeugbremsanlage bekannt. Dabei ist die Bremsbelagrestdicke und die Bremsscheibentemperatur indirekt ohne Zuhilfenahme von entsprechenden Sensoren ermittelbar. Vielmehr sind hier lediglich Sensoren vorgesehen, die verschiedene Fahrzeugenergien zu bestimmen erlauben.
• Auch die Druckschrift DE 100 29 238 A1 zeigt ein Verfahren zur Überwachung der Stärke der Bremsbeläge einer Fahrzeug-Bremsanlage. Dabei wird ausgehend von einer Anfangs-Stärke der Bremsbeläge ein anhand eines Verschleißmodells festgestellter Verschleiß subtrahiert. Das Verschleißmodell basiert auf einem Polynomansatz. Die Überwachung erfolgt für jedes Rad des Fahrzeugs individuell.
• Des Weiteren beschreibt die Druckschrift DE 198 32 167 A1 ein elektromechanisches Bremssystem. Die Verbindung zwischen einem Pedalmodul und mindestens zwei Bremsmodulen sowie einem Zentralmodul erfolgt durch einen redundanten Datenbus. Dadurch ist eine fehlertolerante Architektur gewährleistet.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Verschleißerkennung bei Kraftfahrzeugen zu verbessern beziehungsweise zu vereinfachen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Verschleißerkennung an Komponenten eines Fahrzeugs mit einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Aufnahme mehrerer Sensorsignale und zur Ausgabe einer Verschleißgröße bezüglich der Fahrzeugkomponente auf der Grundlage von mindestens zwei Sensorsignalen, wobei über die Verschleißgröße kein unmittelbares Sensorsignal verfügbar ist, und die Verschleißgröße anhand der mindestens zwei Sensorsignale mittels mindestens einer Übertragungsfunktion indirekt ermittelbar ist, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung an mehrere verschiedene Datennetze unterschiedlichen Typs anschließbar ist, und die mindestens zwei Sensorsignale von mindestens zwei der mehreren verschiedenen Datennetze unterschiedlichen Typs stammend zur Ermittlung der Verschleißgröße verwendbar sind.
• Darüber hinaus wird die vorliegende Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Verschleißerkennung an Komponenten eines Fahrzeugs mit einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Aufnahme mehrerer Sensorsignale und zur Ausgabe einer Verschleißgröße bezüglich der Fahrzeugkomponente durch Erfassen von mindestens zwei Sensorsignalen bezüglich der Komponenten des Fahrzeugs und Berechnen einer Verschleißgröße für eine der Komponenten aus den mindestens zwei Sensorsignalen, von denen keines ein direktes Maß für den Verschleiß der Komponente darstellt, mittels mindestens einer Übertragungsfunktion, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung an mehrere verschiedene Datennetze anschließbar ist und wobei die mindestens zwei Sensorsignale über mindestens zwei der mehreren verschiedenen Datennetze unterschiedlichen Typs zur Ermittlung der Verschleißgröße zur Verfügung gestellt werden.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Grundsätzlich liegt der vorliegenden Erfindung der Gedanke zugrunde, die zur Verschleißerkennung notwendigen Vernetzungsdaten aus verschiedenen Datennetzen (CAN, MOST, LIN) einem im Fahrzeug vorhandenen zentralen Diagnose-Rechner in ausreichender Qualität und Quantität zur Verfügung zu stellen. Die Daten sind Eingangssignale einer oder mehrerer spezieller Übertragungsfunktionen zur Verschleißerkennung (Verschleiß-Algorithmen). Das Ausgangssignal der Übertragungsfunktion ermöglicht dann genaue Rückschlüsse auf die Verschleißsituation eines Bauteils.
• Speziell zur Bremsbelagsverschleißerkennung bietet sich die Möglichkeit zur Aufzeichnung geeigneter Fahrzeug-Manöverdaten (CAN-Daten) in dem zentralen Diagnose-System des Fahrzeugs. Ein entsprechender Algorithmus berechnet "on-line" und nach jedem Manöver die aktuelle Verschleißenergie der Bremsklötze und vergleicht diese mit der gesamten Belagsenergie im ursprünglichen Zustand. Das Verhältnis aus beiden Energien ergibt den relativen Bremsbelagsverschleiß.
• Der Vorteil der Verschleißerkennung aus den ohnehin vorhandenen Vernetzungsdaten ist darin zu sehen, dass der Einbau zusätzlicher Sensorik entfallen kann, da der Informationsgehalt der Vernetzungsdaten ausreicht, um vom realen Kundenfahrverhalten indirekt Rückschlüsse auf die Verschleißsituation der Bauteile zu ziehen.
• Speziell hinsichtlich der Bremsbelagsverschleißerkennung kann eine modellbasierte Diagnose zur Anwendung kommen. Ein derartiges Modell zur Bremsbelagsverschleißerkennung ermittelt in einem zentralen Diagnose-System den aktuellen Verschleiß der Bremsbeläge, wobei auch hier der Informationsgehalt der Vernetzungsdaten zur Ermittlung ausreicht. Hierfür werden alle relevanten Fahrzeug- und Manöverdaten von einem Datenbus zyklisch in einer Datei aufgezeichnet und ausgewertet. Dieses Verfahren ermöglicht eine effiziente Diagnose und hilft dem Kunden, Analyse- beziehungsweise Reparaturkosten zu sparen.
• Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
• 1 eine Skizze zur Gewinnung von Vernetzungsdaten in einem Kraftfahrzeug; und
• 2 ein Datenflussdiagramm zur Berechnung einer Verschleißgröße.
• Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
• Die elektrischen Komponenten eines Kraftfahrzeugs sind in der Regel über Bussystems datentechnisch miteinander verbunden. So zeigt 1 ein Kraftfahrzeug 1, das mit einem Diagnoserechner 2 ausgestattet ist. Der Diagnoserechner 2 sammelt die über die Bussysteme CAN, MOST, LIN, TTP etc. erhaltenen Daten von Steuergeräten beziehungsweise Sensoren. Als typische Beispiele hierfür seien die Steuergeräte für den Motor 3 und das Getriebe 4 genannt. Weitere Quellen für Vernetzungsdaten sind beispielsweise die Armaturenbrettinstrumentierung (Kombi) 5, die elektronische Stabilitätssteuerung (ESP) 6 und andere beliebige Steuerungssysteme (ECUx – Elektronic Control Unit) 7.
• Der zentrale Diagnoserechner 2 zeichnet die zur Verschleißerkennung notwendigen Daten x₁, ..., x_n in einer "Manöverdatei" auf und berechnet daraus "on-line" einen Verschleißgrad Y des jeweiligen Bauteils. Der Verschleißgrad Y als Ausgangsgröße hängt in den meisten Fällen nicht nur von den Eingangssignalen x₁ ... x_n sondern auch von einer oder mehreren Störgrößen z ab. Eine derartige Störgröße z ist in vielen Fällen die Temperatur, die zur Berechnung der Ausgangsgröße Y entsprechend berücksichtigt werden muss. In vorteilhafter Weise erfolgt dies dadurch, dass die Störgröße, im vorliegenden Fall die Temperatur, mittels einer eigenen Übertragungsfunktion

  

  (z) für den Verschleißgrad Y additiv berücksichtigt wird.
• 2 zeigt symbolisch den Signalfluss zur Berechnung des Verschleißgrads Y aus den Eingangssignalen x₁, x₂, x₃, ..., x_n und x_p. Das Eingangssignal x_p wird zur Plausibilisierung der aufgezeichneten Daten verwendet und bestätigt somit die Gültigkeit der Daten in der "Manöverdatei".
• Die Genauigkeit der Verschleißerkennung ist unmittelbar von den gewählten Übertragungsfunktionen h₁ und h₂ und damit vom gewählten technischen Ansatz abhängig. So können in das gewählte Modell Größen wie beispielsweise die Energie, Kräfte etc. Eingang finden. Dabei unterscheidet man globale und lokale Ansätze.
• Die in 2 dargestellten Funktionen zur Berechnung des Verschleißgrads Y lassen sich wie folgt auch in vektorieller Schreibweise formulieren.
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• Dabei stellt der Verschleißgrad Y die Summe aus dem Skalarprodukt aus der als Zeilenvektor formulierten Übertragungsfunktion

  

  mit dem als Spaltenvektor formulierten Eingangssignal

  

  sowie dem Skalarprodukt aus der als Zeilenvektor formulierten Übertragungsfunktion

  

  mit der Störgröße z als Spaltenvektor dar. Vergleicht man den Verschleißgrad Y mit einem konstanten Referenzwert R ergibt sich ein Verschleißmaß M zu M = Y / R. Somit lässt sich beispielsweise der Verschleiß eines Bremsbelags oder eines Kupplungsbelags auf der Basis von Eingangssignalen ermitteln, die keinen unmittelbaren Bezug zu den aktuellen Belagsdicken besitzen.
• Speziell im Hinblick auf den Verschleiß von Bremsbelägen kann der Verschleiß aus Geschwindigkeitssignalen und dergleichen als Eingangsgröße mit einer geeigneten Übertragungsfunktion berechnet werden. Hierzu wird die Bremsverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse durch die Elektronische Bremskraft (EBV), die in die ESP als Funktion integriert ist, als eine Eingangsgröße erfaßt. Ferner geht man davon aus, dass die Bremsanlage unter Normalbedingungen aufgrund der vorgegebenen Belagsdicke eine bestimmte Bremsenergie aufbringen kann. Bei jedem Bremsvorgang wird ein Anteil dieser Energie verbraucht. Die Energie jedes Bremsmanövers E_{Bremsmanöver} wird festgehalten und addiert, so dass man permanent Kenntnis darüber hat, welche Bremsenergie E_Bremse-ist vom Fahrzeug bislang geleistet worden ist.
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• Der aktuelle Verschleiß ergibt sich aus dem Quotienten von E_Breme-ist und E_{Bremse-theoretisch}, wobei E_{Bremse-theoretisch} den Gesamtenergiebetrag einer neuwertigen Bremsanlage darstellt.
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• Zur Berechnung des Verschleißmaßes M bedarf es somit noch der exakten Auswertung eines jeden einzelnen Bremsmanövers. Dazu wird zunächst die theoretische Bremsenergie E_{Bremse-theoretisch} eines einzelnen Bremsmanövers vom Beginn der Bremsung bis zu deren Ende wie folgt berechnet:

  
• Diese theoretische Bremsenergie stellt somit die kinetische Energiedifferenz des Kraftfahrzeugs dar, wobei m der Masse des Kraftfahrzeugs, v₁ der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs zu Beginn des Bremsvorgangs und v₂ der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs am Ende des Bremsvorgangs entspricht. Diese theoretische Bremsenergie eines Bremsmanövers muss anhand von Korrekturfaktoren den tatsächlichen Umgebungsbedingungen wie Berg-auf/ab-fahrt, Temperaturzustand der Bremse, Beladungszustand usw., angepasst werden. Dies erfolgt durch eine Multiplikationskonstante k.

  

  mit

  
• Alternativ zu dieser dargestellten Methode kann der Ansatz ebenso anhand der verrichteten Arbeit aufgestellt werden. Diese Alternative hätte den Vorteil, dass man über den vorhandenen Bremsdruck p_Bremse sehr genau über die Bremsanlagengeometrie die Bremskraft ermitteln kann und anhand eines Korrelationsfaktors und der Winkelbewegung der Bremsscheibe die Arbeit berechnen kann.
• In jedem Fall ist das Verschleißmaß M, das sich aus dem Energie- oder Arbeitsansatz ergibt, allenfalls eine Nährungsgröße für den tatsächlichen Verschleiß der Bremsanlage. Es ist jedoch ein sehr guter Anhaltspunkt, der von der Qualität der Aussage zwischen der Methode der unmittelbaren Belagsmessung und der Methode der rein zeitlichen Vorhersage liegt. Insbesondere wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die individuelle Fahrweise und der individuelle Einsatz eines einzelnen Fahrzeugs berücksichtigt, um den Zustand der jeweiligen Komponente zu ermitteln.
• Ein weiterer Anwendungsbereich zur Ermittlung eines Verschleißes aus einer Manöverdatei wäre beispielsweise die Abnutzung von Reifen.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Verschleißerkennung an Komponenten eines Fahrzeugs mit einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Aufnahme mehrerer Sensorsignale und zur Ausgabe einer Verschleißgröße bezüglich der Fahrzeugkomponente auf der Grundlage von mindestens zwei Sensorsignalen, wobei über die Verschleißgröße kein unmittelbares Sensorsignal verfügbar ist, und die Verschleißgröße anhand der mindestens zwei Sensorsignale mittels mindestens einer Übertragungsfunktion indirekt ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung an mehrere verschiedene Datennetze unterschiedlichen Typs anschließbar ist, und die mindestens zwei Sensorsignale von mindestens zwei der mehreren verschiedenen Datennetze unterschiedlichen Typs stammend zur Ermittlung der Verschleißgröße verwendbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Busanschluss für einen CAN-Bus ausgestattet ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißgröße Y durch eine Übertragungsfunktion h₁ mit den Eingangsgrößen x₁, ..., x_n berechenbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorsignal eine Störgröße wie beispielsweise die Temperatur ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur mit einer eigenen Übertragungsfunktion h₂ zur Berechnung der Verschleißgröße Y berücksichtigbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Sensorsignalen ein Plausibilisierungssignal, das zur Überprüfung der Sensorsignale dient, als Eingangsgröße für die Übertragungsfunktion h₁ verwendbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale zyklisch in einer Datei zur Auswertung aufzeichenbar sind.
8. Verfahren zur Verschleißerkennung an Komponenten eines Fahrzeugs mit einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Aufnahme mehrerer Sensorsignale und zur Ausgabe einer Verschleißgröße bezüglich der Fahrzeugkomponente durch Erfassen von mindestens zwei Sensorsignalen bezüglich der Komponenten des Fahrzeugs und Berechnen einer Verschleißgröße für eine der Komponenten aus den mindestens zwei Sensorsignalen, von denen keines ein direktes Maß für den Verschleiß der Komponente darstellt mittels mindestens einer Übertragungsfunktion, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung an mehrere verschiedene Datennetze anschließbar ist und die mindestens zwei Sensorsignale über mindestens zwei der mehreren verschiedenen Datennetze unterschiedlichen Typs zur Ermittlung der Verschleißgröße zur Verfügung gestellt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale als Vernetzungsdaten über einen CAN-Bus gewonnen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißgröße Y durch eine Übertragungsfunktion h₁ mit den Eingangsgrößen x₁, ..., x_n berechnet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Sensorsignale eine Störgröße wie beispielsweise die Temperatur darstellt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur mit einer eigenen Übertragungsfunktion h₂ zur Berechnung der Verschleißgröße berücksichtigt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Sensorsignalen ein Plausibilisierungssignal, das zur Überprüfung der Sensorsignale dient, als Eingangsgröße für die Übertragungsfunktion h₁ verwen det wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale zyklisch in einer Datei zur Auswertung aufgezeichnet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bremsbelagverschleiß aus einer Relation aus einer Summe von Bremsenergien mehrerer Bremsmanöver zu einer Gesamtbelagsenergie im ursprünglichen Zustand ermittelt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsenergie für ein Bremsmanöver aus der theoretischen kinetischen Energiedifferenz des Fahrzeugs beim Bremsmanöver ermittelt wird.