CN107921950B - 用于分析制动衬片的磨损特性的方法和系统 - Google Patents

用于分析制动衬片的磨损特性的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种用于分析制动系统的制动衬片的磨损特性的方法，其至少包括以下步骤：a)提供制动系统，该制动系统包括至少一个或多个制动器和至少一个评估装置(9)，所述制动器分别具有一个或多个制动衬片(6a、6b)，所述制动衬片具有衬片支撑板(10，11)和由至少两个或更多个摩擦材料层(12，13)构成的摩擦衬片，这些摩擦材料层由不同的摩擦材料制成；b)通过每个制动器的至少一个磨损传感器确定每个制动器在制动期间引起的磨损；c)利用评估装置确定每个制动器在制动期间转化的制动能量；d)重复确定曲线当前的斜率，该曲线将在步骤b)和c)中确定的值和优选行驶里程信息相互关联；并且e)如果斜率发生变化，则在输出装置上输出信号。

Description

用于分析制动衬片的磨损特性的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于分析制动衬片的磨损特性的方法和一种用于实施该方法的制动系统。
背景技术
图1示出用于车辆的车辆制动系统，该制动系统具有在此例如四个分布在两个轴5a(前轴，也称为VA)、轴5b(后轴，也称为HA)上的盘式制动器1、2、3、4，所述盘式制动器分别具有两个制动衬片6a、6b。这些制动衬片6a、6b在制动时分别被压靠到盘式制动器1-4的在此未示出的制动盘上，以便制动车辆。由于制动，制动衬片6a、6b和制动盘发生磨损。为了获得制动衬片6a、6b和制动盘的磨损作为总信号，已知将所述四个盘式制动器1-4上的磨损传感器7分别经由连接、例如电缆8或无线地连接至评估装置9。评估装置在现有技术中和也在本发明中可以作为设计成上级的、在此未进一步示出的车辆状态确定和信息系统的一部分。
根据在图1中示出的现有技术规定，这四个盘式制动器1-4分别具有一个衬片磨损传感器7(接下来也称为单个传感器)，其输出端分别经由其中一个电缆8连接到评估装置9，从而在车辆运行中在该评估装置上可获得关于盘式制动器的制动衬片6a、6b的相应的磨损状态的信息(例如参见EP0590388B1)。利用未示出的终端触点确定，是否衬片的磨损已经进展到如此程度，以至于需要衬片更换。在这种情况下相应的警告信号被发出并且输送给评估装置9。当制动衬片达到预定的剩余磨损水平时，评估装置9经由输出装置如显示器输出信号以指示即将来临的衬片更换，以便防止对制动器、制动部件和制动盘的损伤并且以便避免由于过度磨损导致用旧的制动衬片的磨穿。已知的磨损传感器、特别是其终端触点然而是相对较贵的并且需要相对高的装配耗费。
由DE10150047A1也已知确定在制动时出现的能量、实施该制动能量与制动能量界限值的比较并且在超过该界限值的情况下实施调节运动以补偿出现的磨损。
根据DE10150047A1的一个变型，在没有附加传感器的情况下直接由制动力矩和车轮旋转角度计算制动能量。优选为此车轮旋转角度借助于具有极轮传感器的ABS系统确定，其在现代制动系统中始终存在并且由此不需要额外的设备耗费。同样优选制动力矩以简单的方式由制动缸压力确定，该制动缸压力同样输送给EBS或ABS控制计算器或控制装置(其可以具有相应的软件程序作为评估装置)。
适宜的(这可以通过经验确定)是，每当在超过2至8MJ、特别是5MJ的能量界限值时启动调节，以便一方面将调节过程的频率保持相对较小并且另外一方面始终维持足够的制动安全性。
制动能量根据DE10150047A1(并且该方法也非常适合作为根据本发明的示例)近似地由转速信号和制动压力信号确定：
Figure GDA0002536272940000021
其中
WB＝制动能量；
MB＝制动力矩；
Figure GDA0002536272940000022
车轮旋转角度直接通过例如对于制动系统的用于制动控制的ABS和/或EBS功能本来就需要的和因此已提供的转速传感器确定。转速传感器由随着轮毂一起旋转的极轮和固定传感器构成，该固定传感器利用电压脉冲记录极轮的从旁边运动经过的齿、磁铁线圈等。在例如每个极轮100齿时，因此一个脉冲对应于3.6°的车轮旋转角度。评估装置通过累加这些脉冲确定在制动阶段期间的车轮旋转角度。
制动力矩优选借助于在ABS/EBS系统中存在的压力传感器利用评估装置通过确定制动缸压力根据下面的公式来计算：
MB＝(PZ-PAn)AZ iεC*reff,其中：
PZ＝制动缸中的压力，并且
PAn＝制动器的施加压力，
i＝制动器的力传动比，
ε＝制动器的力传动机构的机械效率，
C*＝制动特征值≈2×μB，
μB＝制动衬片的摩擦系数，
reff＝制动盘的有效摩擦半径，
Z＝ABS极轮的累加的旋转角度脉冲的数量，
AZ＝制动缸的有效活塞面积。
此外，对于每个相应于ABS极轮的一个齿的旋转、即对于每个转速脉冲而言转化的制动能量可以如下确定：
W＝(PZ–PAn)K，其中
K＝AZ iεC*reff 2π/n；
PZ＝制动缸中的压力，并且
PAn＝制动器的施加压力。
所转化的制动能量因此通过制动缸压力信号与车轮旋转脉冲数量的简单关联被确定。
所给出的公式是示例的并且不是必须强制用于确定制动能量。这些公式适合于具有电动或气动操纵装置的且具有浮动制动钳、固定制动钳或滑动制动钳的盘式制动器。优选调节系统在制动盘的两侧分别包括至少其中一个电动的调节装置。
由DE19933396A1也已知，由制动能量确定自衬片更换以来在所有的制动过程中累加的制动衬片总磨损。
发明内容
在此背景下，本发明的任务在于提供一种简单的方法和制动系统，利用它们可以简单地识别制动衬片的衬片磨损特性的异常发展。
就方法而言，本发明通过根据本发明的方法达到该目标并且通过根据本发明的制动系统达到该目标。
根据本发明的用于分析制动衬片的磨损特性的方法至少包括下列的步骤：
a)提供制动系统，该制动系统包括至少一个制动器和至少一个评估装置，所述制动器分别具有一个或多个制动衬片，所述制动衬片具有衬片支撑板和由至少两个摩擦材料层构成的摩擦衬片，这些摩擦材料层由不同的摩擦材料制成并且这些摩擦材料层的摩擦系数是不同的；
b)通过每个制动器的至少一个磨损传感器确定每个制动器在制动期间引起的磨损；
c)利用评估装置确定每个制动器在制动期间转化的制动能量；
d)重复确定曲线当前的斜率，该曲线将在步骤b)和c)中确定的值和优选行驶里程信息相互关联；并且
e)如果斜率发生变化，则在输出装置上输出信号。
优选所使用的制动器是盘式制动器、特别是压缩空气操纵的盘式制动器，在所述盘式制动器中利用所给出的方法可以特别好地实现：监控制动器上的磨损并且及时给出衬片更换的指示。本发明然而原则上也适合于鼓式制动器。
为了获得不同的摩擦系数，摩擦材料层可以全面地或在部分区段上由不同的摩擦材料制成。
利用本发明提供对一种带有衬片磨损传感器的制动系统的改进，所述衬片磨损传感器具有在各制动衬片中的单个传感器。在此根据DE10150047A1和DE19933396A1的现有技术被以简单的方式在简单识别制动衬片的磨损特性中的异常性方面改进。
如果利用磨损传感器确定的每个制动器的磨损与在制动时的能量输入相关联，那么随着里程的增大，对于前轴和后轴的每个车轮或每个盘式制动器1-4而言分别形成一个曲线(其通常至少在部分区段上是直线)，其斜率或者说坡度对于相应应用的摩擦材料或相应的摩擦系数而言是特定的。因此如果摩擦材料在两个摩擦材料层之间的过渡处发生变换，那么曲线的斜率也显著变化。
根据一个有利的改进，车辆和优选其挂车的所述至少一个制动衬片6a、6b或多个制动衬片、特别是所有的制动衬片6a、6b的摩擦材料层中的一个外部摩擦材料层的厚度对应于相应的制动衬片6a、6b的最终磨损水平并且当识别到在至少其中一个制动衬片6a、6b上达到最终磨损水平时，输出信号。当越过从一个摩擦材料层到另一个摩擦材料层的界限时，制动系统因此通过(例如以规则的间隔、特别是以公里间隔)实施的磨损斜率比较而识别到变化。优选地，然后触发定义的动作，例如显示警告“在下一个X公里内更换制动衬片”。
采用的制动器优选是盘式制动器。然而，本发明原则上也适用于鼓式制动器。特别有利的是，盘式制动器构造为压缩空气操纵的盘式制动器。
这种类型的最终磨损识别尤其在制动施加侧的制动衬片和制动钳外侧的制动衬片的不相同磨损的情况下是有用的，因为目前使用的其他磨损检测系统通常只能检测到两个制动衬片和制动盘的总磨损。
根据本发明的制动系统(该制动系统包括至少一个或多个制动器，所述制动器分别具有一个或多个制动衬片，所述制动衬片具有衬片支撑板和摩擦衬片，所述摩擦衬片由至少两个摩擦材料层构成，这些摩擦材料层的摩擦系数是不同的)包括评估装置，该评估装置设置用于实施根据本发明所述的方法。优选规定，所述至少一个制动衬片的至少其中一个摩擦材料层的厚度对应于该摩擦衬片的最终磨损水平。优选规定，摩擦材料层中的一个外部的摩擦材料层的厚度大于内部的摩擦材料层的厚度。优选规定，制动器是盘式制动器，其中优选盘式制动器构成为压缩空气操纵的盘式制动器。
本发明还提供一种用于根据本发明所述的制动系统的制动衬片，该制动衬片包括衬片支撑板和摩擦衬片，所述摩擦衬片由至少两个不同摩擦系数的摩擦材料层构成，这些摩擦材料层由不同的摩擦材料制成，其中，制动衬片的其中一个摩擦材料层的厚度对应于该摩擦衬片的最终磨损水平。在EP0859164A1中公开了具有随磨损度而不同的摩擦系数的摩擦衬片。
附图说明
以下参照附图并基于实施例更详细地描述本发明。各图示出：
图1a是已知的车辆制动系统的高度示意的且简化的视图；
图1a是根据本发明的车辆制动系统的高度示意的且简化的视图；
图2是用于车辆的制动衬片的俯视图；
图3-8中的线图示出了作为车辆里程的函数的衬片材料磨损占衬片材料的百分比。
具体实施方式
图1b示出包括四个盘式制动器1、2、3、4的车辆制动系统，所述盘式制动器分布在两个轴5a、5b上并且分别都具有两个制动衬片6a、6b。在制动期间，制动衬片应摩擦地压靠在这里未示出的制动盘上。如根据图1a的现有技术规定，这四个盘式制动器1至4中的每一个都具有磨损传感器7，所述磨损传感器的输出端分别连接到评估装置9，从而在车辆运行中向评估装置提供关于盘式制动器1至4的相应的磨损状态的信息。根据本发明的一个变型，可以省略用于磨损传感器的终端触点，这导致成本的降低，尽管备选地也可以考虑保留终端触点。
根据本发明，一方面两个衬片和制动盘的当前总磨损仍然通过磨损传感器7确定，尤其如上所述。不过，该值并不是被孤立考虑的。而是也进行能量考量。因此，例如在评估装置9上也提供和评估关于车轮的旋转角度(在车轮上和/或盘式制动器1-4附近的旋转角度传感器14)并且优选地关于制动力矩(压力传感器16)的信号以及优选地关于车辆的总里程(优选地自衬片更换起，如果已经执行了衬片更换的话)的信息。
制动能量在这里可以以各种不同的方式检测，例如根据开头所述的DE10150047A1或DE19933961A1的方式。转化的制动能量基本上对应于制动期间的能量输入。
图2示出了用于具有至少一个或多个盘式制动器1至4的车辆制动系统的有利的制动衬片6a或6b。该制动衬片有利地适合于根据本发明的方法。示出了制动衬片6a处于尚未发生磨损的状态。
制动衬片6a具有衬片支撑板10，摩擦衬片11布置在该衬片支撑板上。摩擦衬片11由至少两个摩擦材料层12、13构成，所述摩擦材料层具有不同的摩擦系数并且可以例如完全地或在部分面积上由不同的材料构成。第一摩擦材料层12直接布置在衬片支撑板10上。第二摩擦材料层13布置在所述第一摩擦材料层的背向支撑板1的一侧上。
优选地，在衬片支撑板10和第二摩擦材料层13之间的第一摩擦材料层12的厚度D1小于(外部的)第二摩擦材料层13的厚度D2。内部的摩擦材料层12的厚度优选对应于最终磨损水平。这是一个这样的水平，在该水平时在支撑板10上仍然存在衬片材料剩余层，但是在达到该水平时衬片更换必须立即或至少在预先规定的剩余里程间隔内实施，以避免在进一步运行中出现危及运行安全的状态。
为此，外部的摩擦材料层13的厚度D2优选地如此被确定尺寸，使得一旦达到最终磨损水平，外部的摩擦材料层13已经被完全磨损完。因此，达到这种状态对驾驶员来说是一个合适的指示器，即，需要很快进行必要的衬片更换。因此，有利的是以简单的方式检测该状态的达到、尤其是优选针对车辆的每个制动衬片单独检测该状态的达到。
车辆中的现代信息系统(见开头提到的文献DE10150047A1)如今处理大量的数据和测量变量，其一方面可用于向驾驶员和/或车辆运营者提供信息例如以规划维修间隔，另一方面也有利于在发生故障时简化在维修车间中的诊断。由此可以评估磨损。如果这种磨损评估与制动期间转化的能量相关联，则经由已驶过的行驶里程的信息，盘式制动器1-4的制动衬片6a、6b的特定磨损也可以基于与里程相关联的斜率被确定，并且可以存储在车辆存储器中。
例如利用这些信息还可以预测制动衬片的剩余使用寿命。在车辆的规定的行驶里程或使用寿命之后，在存储的磨损斜率和新的当前的斜率之间进行比较。如果在此检测到显著变化，则车辆电子装置可以启动适当的、可自由定义的动作，例如向驾驶员发出警告信号。
为了通过所描述的方法识别制动衬片的最终磨损水平的达到，安装制动衬片9a、9b，其摩擦衬片10例如按照图2的形式提供。外部的摩擦材料层13在此适当地具有厚度D2，在该厚度磨损完之后达到最终磨损水平。如果需要的话，制动衬片9a、9b也可以包括多于两个摩擦材料层12、13(未示出)，其中这些摩擦材料层12、13可以由两种不同的材料成分构成，其然后例如交替地被压缩，或者也可以由更多种不同的材料构成，以便可以更精细地分解磨损进展，由此例如可以提高制动衬片的可能的使用寿命预测的质量。应该注意，由多个摩擦材料层12、13构成的制动衬片本身是现有技术中已知的。但是，过去这种制动衬片与磨损监测相结合的主要优点没有被认识到。
如果借助磨损传感器7将磨损评估关联到制动期间转化的能量，则诸如驾驶行为的改变等影响尽可能不被考虑在内。经由已驶过的行驶里程的信息，特定的磨损可以如此与制动衬片的使用寿命相关联地以斜率的形式被计算。
如图3至图8所示，对于每个车轮和/或每个车轮的盘式制动器分别形成一个曲线，该曲线特别是至少在部分区段上是直线并且该曲线的斜率或坡度对相应使用的摩擦材料而言是特定的。因此，如果斜率发生变化，则这例如指示摩擦材料或摩擦系数的变化。
优选至少当斜率变化超过至少一个预定的固定或可变的界限值时，在输出装置上输出信号。通过这种方式确保了所出现的变化也足够重要，从而有必要输出信号。特别优选这如此实施，即在步骤e)中至少当斜率变化超出于公差范围或公差带TB-VA或TB-HA时，在输出装置上输出信号。公差范围可以是恒定的或可以随着里程增加而改变、例如线性增大。
当越过从一个摩擦材料层13、12到另一个摩擦材料层的界限时，制动系统通过步骤d)和/或通过比较磨损斜率而识别到变化。优选然后触发定义的动作。
在具有摩擦材料层12、13的双层摩擦材料的情况下，其中直接邻接衬片支撑板上的摩擦材料层12的厚度D1大致对应于最终磨损水平，那么在这两种材料之间的过渡可以通过斜率变化识别到，并且可以显示给驾驶员，例如在屏幕等上。(图3-8)。这取代了已知电缆磨损传感器(终端触点传感器)的功能。
图3示出了一个线图，其中相对于作为行驶里程信息的里程绘制出磨损百分比(自从最后一次衬片更换以来)。
在此，磨损百分比是一个值，其例如由磨损测量值和制动操作期间的能量输入的计算值的商确定。这个值被累加地并且相对于里程被绘制。所得到的曲线显示，在车辆制动系统的两个车轴5a、5b的全部四个盘式制动器1-4上达到特定里程(约300000km)之后(或时)，磨损斜率发生变化，这表明磨损测量值与能量输入的计算值之间的比值已经改变。这表明从外部的摩擦材料层13到内部的衬片材料层12的过渡。已经达到了最终磨损水平。发出警告(立即或至少在规定的里程间隔内)。
在图3中还标出了用于前轴的公差带TB-VA和用于后轴的公差带TB-HA。只有当曲线从相关的公差带TB-VA或TB-HA出来时，才需要显示警告信号(在此在大约300000公里时)。相应的公差带TB-VA和TB-HA也显示在图5、6、7和8中。公差带TB-VA和TB-HA的跨度在此随着里程(自最后一次衬片更换起测量)增大而增大，这是优选的，但不是强制性的。
图4示出了仅在车辆制动系统的前轴的两个盘式制动器1-2上在达到特定里程(约300000km)之后(或时)磨损斜率发生变化。这表明在该轴上从外部的摩擦材料层13到内部的衬片材料层12的过渡。在此，前轴5a上的最终磨损水平在后轴5b上达到相应的水平之前达到。在到达一个或两个公差带TB-HA和/或TB-VA之后，发出警告(立即或至少在规定的里程间隔内)。
图5和图6示出，在车辆制动系统的前轴的两个盘式制动器中的仅一个盘式制动器2上在达到特定里程(约300000km)之后(或时)磨损斜率发生变化，其中，在图5中比在图6中变化更明显。
从图5和图6中分别可以看出，从外部的摩擦材料层13到内部的衬片材料层12的过渡只发生在这个轴5a(在此为前轴)的其中一个盘式制动器(盘式制动器2)上。因此，在前轴5a的盘式制动器2上已经达到了最终磨损水平。因此，在此也发出警告(立即或至少在规定的里程间隔内)。这是因为当盘式制动器中仅有一个制动衬片达到其最终磨损水平时，也会发生磨损斜率的变化。图5显示了如在单侧的严重脏污或例如在盘式制动器中发生故障、例如有缺陷的制动钳引导时可能出现的情况。从而可以防止：衬片完全磨损并且在最不利的情况下在制动盘和制动器支架之间被磨穿。已知的总磨损识别方法通常无法识别到这种故障。
图7或图8示出了与图3或图4类似的视图，但是其中分别针对能量输入绘制出磨损度。形成恒量或者是具有零斜率的直线。如同在图3和图4中，与该零斜率的偏离也导致从公差带TB-HA和/或TB-VA出来并且导致警告信号。
附图标记清单
1 盘式制动器
2 盘式制动器
3 盘式制动器
4 盘式制动器
5a、5b 轴
6a、6b 制动衬片
7 磨损传感器
8 电缆
9 评估装置
10 衬片支撑板
11 摩擦衬片
12、13 摩擦材料层
14 极轮传感器
15 压力传感器

Claims (10)

1.一种用于分析制动系统的制动衬片的磨损特性的方法，其至少包括以下步骤：
a)提供制动系统，该制动系统包括至少一个制动器和至少一个评估装置(9)，所述制动器分别具有至少一个制动衬片(6a、6b)，所述制动衬片具有衬片支撑板(10，11)和由至少两个摩擦材料层(12，13)构成的摩擦衬片，这些摩擦材料层的摩擦系数是不同的；
b)通过每个制动器的至少一个磨损传感器确定每个制动器在制动期间引起的磨损；
c)利用评估装置确定每个制动器在制动期间转化的制动能量；
d)重复确定将在步骤b)和c)中确定的值相互关联的曲线的当前的斜率；并且
e)如果斜率发生变化，则在输出装置上输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤e)中至少当斜率变化超出预定的界限值时在输出装置上输出信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤e)中至少当斜率变化超出于公差范围或公差带时在输出装置上输出信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所有的制动衬片(6a、6b)具有衬片支撑板(10，11)和由至少两个摩擦材料层(12，13)构成的摩擦衬片。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个制动衬片(6a、6b)的至少其中一个所述摩擦材料层(12，13)的厚度(D1)对应于该摩擦衬片的最终磨损水平，并且当识别到达到该最终磨损水平时，输出信号。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，该曲线将在步骤b)和c)中确定的值和行驶里程信息相互关联。
7.一种制动系统，其特征在于，该制动系统包括评估装置，该评估装置设置用于实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
8.根据权利要求7所述的制动系统，其特征在于，制动系统的制动器的制动衬片的摩擦材料层(12，13)中的一个外部的摩擦材料层的厚度大于内部的摩擦材料层的厚度(D1)。
9.根据权利要求7或8所述的制动系统，其特征在于，该制动系统的制动器是盘式制动器。
10.根据权利要求9所述的制动系统，其特征在于，盘式制动器构成为压缩空气操纵的盘式制动器。
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