CN101349313B - 确定车辆制动垫厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种估计制动垫厚度的方法。该方法使用了传感器融合(如果使用了传感器的话)和驾驶员制动建模来预测制动垫寿命。还使用了一种采用不同输入的算法，例如制动垫摩擦材料属性、制动垫冷却速率、制动垫温度、车辆质量、道路等级、重量分布、制动压力、制动能量、制动功率等等来提供估计。该系统和方法利用总功减去损失，如气动牵引阻力、引擎制动和/或制动功率(制动转矩乘以速度并除以滚动阻力)来计算制动功以确定制动器转子和衬垫温度。然后该系统和方法使用制动器温度来确定制动垫磨损，其中为每次制动事件累积该磨损。制动垫传感器可被包括以提供一个或多个制动垫厚度指示，所述估计可根据这些指示被修正。

Description

确定车辆制动垫厚度的方法

相关申请交叉引用 

本申请要求申请号为No.60/908357，申请日为2007年3月27日，发明名称为“Brake Pad Prognosis System”(“制动垫预测系统”)的美国临时专利申请的优先权。 

技术领域

本发明总的涉及到一种用于随着车辆制动垫因使用受磨损而估计制动垫厚度的系统和方法，更特别地涉及到一种利用传感器融合(fusion)和制动建模来随着车辆制动垫因使用受磨损而估计制动垫厚度的系统和方法。 

背景技术

通常车辆制动垫根据其使用状况，如城市、高速路、农村等可使用20000到80000英里，平均约为50000英里。随着使用所受的磨损，制动垫的厚度逐渐降低。当制动垫的厚度足够小时，机械刮器将使其与制动器转子产生接触。该机械刮器产生让人烦恼的高频噪音，从而不友好地提示需要更换制动垫。尽管该噪音提示车辆驾驶员制动垫磨损，但是没有进一步给车辆驾驶员警示，或是连续判断衬垫厚度，仅提示制动垫已经磨损到很薄的程度。因此，例如当要计划长途旅行时，就无法显示出制动垫不能坚持完成这一旅程。 

现有技术中已知提供传感器确定制动垫磨损时的厚度。例如，已知传感器包括以某些厚度水平延伸穿过制动垫的一条或多条导线，这样当导线中断后，传感器就可以提供一种制动垫减少了某个量的指示。然而，这种传感器通常价格昂贵，且不能在制动垫整个寿命内提供连续的厚度指示。 

发明内容

根据本发明的教导，本发明公开了一种用于在车辆运行时随着制动垫磨损而提供对制动垫厚度的估计的系统和方法。该方法使用了传感器融合(如果使用了传感器的话)和驾驶员制动建模来预测制动垫寿命。还使用了一种采用不同输入的算法，例如制动垫摩擦材料属性、制动垫冷却速率、制动垫温度、车辆质量、道路等级、重量分布、制动压力、制动能量、制动功率等等来提供估计。该系统和方法利用总功减去损失，如气动牵引阻力、引擎制动和/或制动功率(制动转矩乘以速度并除以滚动阻力)来计算制动功以确定制动器转子和衬垫温度。然后该系统和方法使用制动器温度来确定制动垫磨损，其中为每次制动事件累积该磨损。制动垫传感器可被包括以提供一个或多个制动垫厚度指示，所述估计可根据这些指示被修正。 

参考下面的说明书、所附权利要求并结合附图，本发明的其它特征将变得非常明显。 

附图说明

图1所示为根据本发明的一个实施例的用于估计制动垫厚度的系统的方框图； 

图2所示为根据本发明的一个实施例的用于确定制动垫厚度过程的流程图； 

图3所示为根据本发明的一个实施例的用于确定传感器已经是否提供指示摩擦垫厚度的信号的过程的流程图；和 

图4所示为如何从本发明的制动垫厚度估计过程向车辆驾驶员通知制动垫厚度的流程图。 

具体实施方式

下面对本发明实施方式的用于使用传感器融合和制动器建模来连续地估计制动垫厚度的系统和方法的讨论实质上仅是示例性的，而不以任何方式限制本发明或其应用或使用。 

本发明提出使用传感器融合、驾驶员制动信息和驾驶员制动模型来预测或估计车辆制动垫厚度，并向车辆驾驶员以例如剩余英里数或剩余制动垫厚度的百分比来提供剩余制动垫寿命的指示。本发明的制动垫厚度估计过程可与制动垫传感器结合使用以确定制动垫厚度估计是否准确。特别地，随着制动垫磨损，传感器导线可能断掉而提供了剩余制动垫厚度的指示，这可以与与对估计向比较，以便改进估计计算。在下面将详细讨论的是，本发明的制动垫厚度估计算法使用不同的参数和传感器信号来提供估计，包括但不限于，制动垫摩擦材料属性、制动垫冷却速率、制动垫温度、车辆质量、道路等级、动力制动分配比、车辆重量分布、所施制动压力、制动能量等。 

图1所示为根据本发明的一个实施例的用于预测制动垫厚度的制动垫厚度估计系统10的方框图。该系统10包括制动器控制器12和传动系控制器14。系 统10还包括模型与数据融合处理器16和制动垫磨损估计处理器18。该系统10还可包括本领域已知的任一合适类型的制动垫传感器20，当制动垫磨损制动垫内导线断掉后提供制动垫厚度指示信号。 

制动器控制器12包括制动垫温度估计处理器26、轮速传感器28、制动压力处理器30和制动功率计算处理器32。另外，制动器控制器12包括提供制动系统动力学的处理器34、提供制动冷却速率的处理器36、提供来自防抱死系统(ABS)、牵引控制系统(TCS)、电控系统(ECS)和ACC的信号的处理器38。处理器26-38中进行的全部或大部分计算目前在车辆上可用和/或对本领域技术人员来说是已知的。 

传动系控制器14包括车辆质量估计处理器40、道路等级估计处理器42和道路不平度估计处理器44。附加的信号可用于估计制动垫厚度，例如车辆里程表46、GPS信号48、地图信息50、车辆车载信息服务52和周围温度传感器54。这些处理器和设备提供的所有信号通常在车辆上都可用，本领域技术人员可以轻易使用。 

制动垫温度估计处理器26估计制动垫温度。根据制动垫材料，制动垫的磨损将取决于制动垫温度。当不使用制动垫时，其冷却速率有助于确定制动垫温度，制动垫的冷却速率还有赖于车辆设计、车速、轮转速、周围温度、海拔高度等。当车辆运动时，制动垫周围的空气流动将确定制动垫从前次制动过程中冷却得有多快。制动垫温度还可由传感器测量。然而，这些传感器通常价格昂贵，因此，通常更需要估计制动垫温度的算法。 

制动能量处理器30估计制动器中的能量耗散。这个计算使用了各种输入，例如停止距离、停止时间、制动垫温度等等。制动器处理器30可使用制动系统的主缸压力、车辆重量分布和成比例的制动压力在各个车轮上的动力制动分配比来确定制动压力。动力制动分配比基于车辆重量分布，并且是已知的计算方法。 

车辆质量估计处理器40估计车辆质量，通常基于引擎扭矩，并且是对本领域技术人员是已知的过程。车辆质量可根据乘客数量、卡车负载、燃料容量等变化。另外，在估计处理器42中结合估计车辆质量来估计道路等级在本领域中是已知的。 

处理器16可根据下面的等式(1)来计算制动能量。制动能量是制动器对 车辆减速做的功，是总功减去滚动阻力、气动阻力、引擎制动和道路等级。制动功可用于计算由制动器耗散的功率，这里功率等于功/时间。在制动事件期间，该功率可在设定的时间间隔内计算，例如每10ms。 

$\mathrm{BrakingEnergy}=\frac{1}{2}M(V_I^2-V_F^2)-E_{\mathrm{RollingResis}\tan \mathrm{ce}}-E_{\mathrm{Grade}}-E_{\mathrm{Engine}}---\left(1\right)$

在等式(1)中，M是车辆质量，E_{RollingResistan ce}是使车辆在平缓坡道上行驶所需要的能量，这是一个已知的值，E_Grade是在一定道路等级下使车辆行驶所需的能量，这也是一个已知的值，E_Engine是引擎自身提供的制动能量，这也是一个已知的值，V_I是车辆在制动开始时的速度以及V_F是车辆在制动终止时的速度。在一个可选实施例中，可使用车辆减速度而不是车辆速度V，并且车辆减速度可由纵向加速度传感器提供。 

制动事件耗散的制动功率也可由功率＝力×速度(power＝force·velocity)来估计，制动力(BrakingForce)可由下式计算： 

BrakingForce＝pressure·area·μ(2) 

其中μ是制动垫的摩擦系数，它是制动垫温度的函数，area是制动垫的表面积。 

可选地，制动功率(BrakingPower)还可以如下计算： 

$\mathrm{BrakingPower}=\frac{\mathrm{Torque}}{\mathrm{RollingRadius}}\·\mathrm{Velocity}---\left(3\right)$

计算用于车辆前后轮的转矩，并且该转矩是制动压力和动力制动分配比的函数。RollingRadius是车轮的滚动半径，velocity是车辆速度。 

施加的制动力的积分可输入到一阶动力的物理热模型中以确定对制动器温度的估计。制动垫测力计可用来获得作为温度的函数的制动垫摩擦系数。它们也可被用于确定在每个垫温度下预计的磨损量。 

停止车辆所需要的力可作如下估计： 

Force＝mass·acceleration (力＝质量×加速度)(4) 

从制动器控制器12可用的前后轮制动比信息和的转角信息可用于确定在各轴和转角处的功率分布。从传动系控制器14处可得到车辆质量估计，并且也在这些等式中使用该车辆质量估计。根据制动能量或制动功率，可确定作为比值的制动垫温度，并且从根据制动垫温度，可得出确定作为比值形式的制动垫磨损，所根据的参数通常来自从估计处理器18中的查询表中查出。本领域技术人员将容易理解如何提供一查找表，该查找表基于制动能量和制动垫温度之间的关系来填充，并且基于上述的计算和制动垫属性来提供制动垫温度和制动垫磨 损。每次算法计算出制动垫的磨损，就随时间将其加到前次的磨损计算，并从车辆的里程数对其进行差值以确定每个制动垫剩余的里程数。 

制动垫磨损估计处理器18利用上述可用信息的组合来估计制动垫厚度。可为不同的应用和不同的车辆校准信息的比例。在车辆上记录自上次制动垫改变之后对制动垫材料的损失量以及车辆已经行驶的里程的估计。当前估计可以存储在车辆上的单独的模块中。如果在模块之一上发生故障而需要更换，这用于存储信息。剩余的车辆里程可通过以下多种方式确定，比如驾驶员制动特性、线性内插、里程查询表和制动垫厚度估计。 

如果系统10包括制动垫传感器20，那么表示来自传感器20的制动垫实际厚度的信号可用于逐步地减小制动垫厚度的估计与超过剩余制动垫厚度和寿命的实际厚度之间任何的差异。传感器20可如此设置使得在特定的制动垫厚度处一根或多根导线断开。如果传感器制动接触所确定的估计值和实际厚度之间存在显著的差异，则这将用于逐步调整估计值，使得当制动垫接近更换期或下一次传感器测量时，整个系统的精确度就会尽可能的提高。这将涉及以一个不同于观察到的速率来增加或降低对制动垫剩余寿命的估计，使得制动垫寿命终止将别精确确定。 

尽管上面讨论的制动器传感器使用了导线中断来给出制动垫厚度的指示，在本发明的范围内也可使用其它类型的传感器。例如，可用间接传感器或感测机构来推断制动垫厚度。合适的例子包括例如在电子-机械或线控制动系统中发测定液面传感器或测量制动器卡钳位移。 

图2所示为上面讨论的用于估计制动垫厚度的算法执行的流程图60。在方框62中，算法收集了各种车辆信号，例如制动压力、轮转速、车辆速度、纵向加速度、动力制动分配比、施加的制动力等等。在方框64中，算法从传动系控制器14获得系统估计值，例如车辆质量、道路等级、引擎制动量、滚动阻力等等。在方框66中，算法从制动器控制器12获得系统估计值，例如制动温度。 

算法接着在方框68中利用如等式(1)来根据制动能量计算制动功。可以为车辆上多个制动垫中的任何一个制动垫计算制动能量，或者为每个车辆车轴计算一次制动能量。 

另外或可选地，在方框70中可使用如等式(2)、(3)来根据制动功率确定制动功。在此计算中，制动功由例如等式(2)提供的制动功率和压力确定。为 计算制动能量确定车辆质量时有时会发生错误，并且在制动功率估计中摩擦系数μ可能会包含误差。因此，通过将两个对功的计算结合在一起就可以更准确地确定制动功。 

然后该算法在方框72和方框74中以如上所述的方式确定制动垫温度。为每次制动事件确定制动垫磨损，并在方框76中将它加在累计值上以确定剩余的制动垫厚度。该算法可使用如方框78的车辆车载信息服务来将该数据输送给车辆驾驶员。 

图3是流程图80，示出了用于根据本发明的一个实施例将制动垫传感器信息和制动垫磨损确定相结合的过程。该算法在菱形判断框82中确定是否存在制动垫传感器，如果没有制动垫传感器，那么在方框84中只使用制动垫厚度估计来提供制动垫厚度计算。如果在菱形判断框82中判断存在制动器传感器，则该算法在菱形判断框86中确定制动垫传感器是否提供一个以上制动垫厚度的指示，也就是说，是否有用于指示制动垫厚度的一根以上的导线断开。如在菱形判断框86中制动垫传感器只提供了制动垫厚度的单个信号指示，则当传感器导线断开时，该算法在方框88修正估计。 

如果在菱形判断框86中制动垫传感器包括了一个以上的导线指示器，则该算法在菱形判断框90中确定第一导线是否已经断开。如果在菱形判断框90中第一导线未断开，则该算法仅利用该估计值在方框84中确定制动垫厚度。如果在菱形判断框90中第一导线已断开，则算法在方框92中利用来自传感器的已知的制动垫厚度来修正估计，并在减小在估计值与超过某个距离的剩余制动垫厚度之间的差异。然后该算法在菱形判断框94中确定第二导线是否已经断开，如果未断开，则算法在方框84中使用修正后的制动垫估计。如果在菱形判断框94中第二导线已断开，则算法在方框96中以与方框94相同的方式更新估计，并为在剩余的制动垫寿命消除差异。 

图4所示为本发明的用于将估计的制动垫厚度提示通知给车辆驾驶员的流程图100。该算法在判断方框102中基于上述过程来确定判断制动垫磨损程度是否大于第一预定阈值。如果在判断方框102中制动垫的厚度未达到第一预定阈值，则该算法在方框104中通知向车辆驾驶员通知当前估计的制动垫厚度。可以用任何合适的方式通知车辆驾驶员，并且基于制动垫当前的磨损通知向车辆驾驶员通知当前与制动垫何时需要更换前有关的剩余里程数。如果在判断方框 102中制动垫的磨损已经达到第一预定阈值，则算法在方框106中通知向车辆驾驶员通知当前的制动垫厚度。另外，算法还可基于迄今的车辆操作利用使用线性内插值以里程的形式告知向车辆驾驶员通知与制动垫的剩余寿命有关的日期，可以减小消除估计的制动垫寿命之间的差异，并且指示车辆驾驶员此时不需要采取措施。在一个非限制的实施例中，大约90％的制动垫磨掉后穿过第一阈值。 

然后该算法在菱形判断方框108处确定制动垫的磨损是否将制动垫的厚度降到第二预定阈值。如果没有，则返回到方框106以向车辆驾驶员通知当前的制动垫厚度。如果在菱形判断方框108处确定制动垫磨损已经到达第二阈值，则该算法在方框110向车辆驾驶员通知当前的制动垫厚度，并在方框106中执行相同操作。 

然后该算法在菱形判断方框112处确定制动垫的磨损是否已经达到第三预定阈值。如果没有，则返回到方框110以向车辆驾驶员通知当前的制动垫厚度。如果在菱形判断方框112处确定制动垫磨损已经到达第三预定阈值，则该算法在方框114向车辆驾驶员通知当前的制动垫厚度，并告知车辆驾驶员在制动垫需要更换之前剩余的里程数。另外，该算法可以告诉车辆驾驶员需要检测制动垫。 

然后该算法在菱形判断方框116处确定制动垫的磨损程度是否已经达到第四阈值。如果没有，则返回到方框114以向车辆驾驶员通知当前的制动垫厚度。如果在菱形判断方框116处确定制动垫磨损已经到达第四阈值，则该算法在方框118向车辆驾驶员通知当前的制动垫厚度，并显示需要更换制动垫。 

上面讨论所揭示和说明的仅是针对本发明示意性的实施例。本领域技术人员将会认识到从上述讨论、附图和权利要求中可以做出各种不同的变形、修正和改变，而不背离所附权利要求所限定的精神和保护范围。 

Claims (19)

1.一种用于确定车辆制动垫厚度的方法，所述方法包括：

提供识别车辆的信息和/或操作状态的车辆参数；

使用这些车辆参数中的一些来将车辆制动所做的功确定为制动功；

使用制动功来确定制动垫温度；

使用制动垫温度来确定制动垫磨损；以及

累积制动垫磨损以提供对制动垫厚度的估计。

2.如权利要求1所述的方法，其中提供车辆参数包括提供制动垫摩擦材料、制动垫冷却速率、车辆质量、道路等级、动力制动分配比、车辆重量分布、车辆速度、轮转速和制动压力。

3.如权利要求2所述的方法，其中提供车辆参数包括提供车辆里程表读数、GPS位置、地图位置和周围温度。

4.如权利要求1所述的方法，其中确定制动功包括从车辆制动所做的总功中减去阻力值，其中阻力值是降低所述总功的力。

5.如权利要求4所述的方法，其中确定制动功时使用了下面的等式：

其中BrakingEnergy定义了制动功，M是车辆质量，E_{Rolling Re sis tan ce}是使车辆在平缓坡道上行驶所需要的能量，E_Grade是在一定道路等级下使车辆行驶所需的能量，E_Engine是车辆引擎提供的制动能量，V_I是车辆在制动事件开始时的速度以及V_F是车辆在制动事件终止时的速度。

6.如权利要求1所述的方法，其中确定制动功包括按照制动压力乘以制动垫面积乘以制动垫摩擦系数来确定制动力。

7.如权利要求1所述的方法，其中确定制动功包括按照车辆产生的转矩乘以车辆速度并除以车轮的滚动半径来确定制动功率。

8.如权利要求1所述的方法，其中使用制动功来确定制动垫温度，并且使用制动垫温度来确定制动磨损包括使用查询表。

9.如权利要求1所述的方法，其中还包括提供制动垫传感器，该制动垫传感器在一个或多个制动垫厚度水平上确定制动垫厚度。 

10.如权利要求9所述的方法，其中还包括减小在估计的制动垫厚度与超过剩余制动垫厚度的实际厚度之间的差异。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述传感器提供一个以上的制动垫厚度指示。

12.如权利要求1所述的方法，其中还包括使用车载信息服务来向车辆驾驶员通知制动垫厚度估计。

13.一种用于确定车辆制动垫厚度的方法，所述方法包括：

提供车辆参数，这些车辆参数包括制动垫摩擦材料、制动垫冷却速率、车辆质量、道路等级、动力制动分配比、车辆重量分布、车辆速度、轮转速和制动压力；

使用这些车辆参数来确定制动功，其中制动功至少以两种方式来确定，包括基于制动能量确定制动功和基于制动功率确定制动功；

使用制动功来确定制动垫温度；

使用制动垫温度来确定制动垫磨损；

累积制动垫磨损以提供对制动垫厚度的估计；

提供制动垫传感器，该制动垫传感器在一个或多个制动垫厚度水平上确定制动垫厚度；以及

减小在估计的制动垫厚度与超过剩余制动垫厚度的实际制动垫厚度之间的差异。

14.如权利要求13所述的方法，其中提供车辆参数还包括提供车辆里程表读数、GPS位置、地图位置和周围温度。

15.如权利要求13所述的方法，其中确定制动功包括从车辆制动所做的总功中减去阻力值，其中阻力值是降低所述总功的力。

16.如权利要求13所述的方法，其中确定制动功包括按照制动压力乘以制动垫面积乘以制动垫摩擦系数来确定制动力。

17.如权利要求13所述的方法，其中确定制动功包括按照车辆产生的转矩乘以车辆速度并除以车轮的滚动半径来确定制动功率。

18.如权利要求13所述的方法，其中使用制动功来确定制动垫温度，并且使用制动垫温度来确定制动磨损包括使用查询表。

19.如权利要求13所述的方法，其中所述传感器提供一个以上的制动垫 厚度指示。

20.如权利要求13所述的方法，其中还包括使用车载信息服务来向车辆驾驶员通知制动垫厚度估计。 

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