CN111795925B - 在弹性结合的子系统中测定摩擦系数的方法和摩擦系数测定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在弹性结合的子系统中测定摩擦系数的方法，在第一步骤中，从激发振幅的使弹性连接件仍处于静摩擦状态的值开始将该激发振幅提高，直到通过相位差从0°过渡到180°显示出从静摩擦状态过渡到滑动摩擦状态，通过在这个过渡时存在的激发振幅来确定静摩擦系数，其中在第二步骤中，再次降低该激发振幅，直到通过该相位差从180°过渡到0°显示出从该滑动摩擦状态过渡到该静摩擦状态，通过在这个过渡时存在的激发振幅来确定滑动摩擦系数。另外要求保护一种摩擦系数测定装置。

Description

在弹性结合的子系统中测定摩擦系数的方法和摩擦系数测定 装置
技术领域
本发明涉及一种用于在弹性结合的子系统中测定摩擦系数的方法。另外要求保护一种在此类弹性结合的子系统中的摩擦系数测定装置。
背景技术
彼此弹性联接的子系统(例如铰接系统)构成了其特征值依据外部影响而经历变化的总系统。这样的变化在现有技术中用于如监测汽车的驾驶行为。
因此，在文献DE 10 2004 016 288 B3中公开了一种用于确定摩擦系数的方法，其中分析了轮胎振动的振幅。由此推导出轮胎与街道之间的摩擦系数。
文献DE 10 2013 008 943 A1通过监测铰接系统的运行参数来确定车辆是否位于光滑的车道地面上。作为运行参数尤其提及发动机角度或传递到铰接系统的扭转杆上的转矩。
在一些涉及车辆转向的驾驶辅助功能中，立法者要求对方向盘的触碰受到驾驶员监控。触碰方向盘或其中断(也称为“动手”或“放手”)例如可以在方向盘或转向系统处藉由直接的传感装置确定，然而其中该传感装置造成了额外的成本。因此，间接的测量(例如藉由先前提及的特征值，在此为转向系统的特征值)表现为有利的。在此有问题的是，“动手”和“放手”这两种状态之一的检测一般很大程度上与系统摩擦叠加。对此已知的方法观察子系统的运动行为并且在适当时通过使用对应的过滤器来检测相应的摩擦状态。基本上使用关于运动行为所选择的特征值的幅值作为定量参数进行观察。
在文献DE 10 2011 102 453 B4中，在转向系统中在车轮转向速度转变(Umklappen)之前和之后在时间上分开地确定相应的车轮转向力，以便从这两个车轮转向力的差来确定摩擦力幅度。如果摩擦力幅度是已知的，则从中可以适当地控制伺服器转向，从而更好地抑制对摩擦力的感知。
因此对相应摩擦状态(例如取决于老化和/或温度)的准确识别是必需的，以便能够可靠地区分这些摩擦状态。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提供一种方法，该方法能够测定用于表征弹性结合的子系统中的摩擦状态的摩擦值。另外，应提出一种用于在此类弹性结合的子系统中测定摩擦系数的装置。
为了实现上述目的，建议了一种用于在弹性结合的子系统中测定摩擦系数的方法，其中总系统包括多个子系统并且至少两个子系统通过弹性连接件彼此相连。弹性连接件在预定的外部状态参数下具有至少一种静摩擦状态和一种滑动摩擦状态。通过在限定的激发频率处具有可变的激发振幅的振动来激发总系统，其中该激发振幅缓慢地变化、即在系统响应中没有产生非线性的情况下变化。将在振动与所测量的反作用力矩之间的相位差与激发振幅一起作为时间的函数进行记录，其中在静摩擦状态中不出现相位差，并且在滑动摩擦状态中出现180°的相位差。在第一步骤中，从该激发振幅的使该弹性连接件仍处于静摩擦状态的值开始，将该激发振幅提高，直到通过该相位差从0°过渡到180°显示出从该静摩擦状态过渡到该滑动摩擦状态。通过在这个过渡时存在的激发振幅来确定静摩擦系数或静摩擦水平。在第二步骤中，再次降低该激发振幅，直到通过该相位差从180°过渡到0°显示出从该滑动摩擦状态过渡到该静摩擦状态。通过在这个过渡时存在的激发振幅来确定滑动摩擦系数或滑动摩擦水平。
本发明的方法在此有利地利用以下内容：在应进行摩擦系数测定的待观察的总系统中，在激发用的振动之后还只能使用相位、振幅和反作用力矩作为在没有显著延迟的情况下可观察的测量参数。
在本发明方法的实施方式中，以如下方式确定了所限定的激发频率：以具有较小的第一测试振幅和较大的第二测试振幅的振动(测试振动)激发该总系统。该振动的测试频率从频率下限变化直到频率上限，其中该弹性连接件在该频率下限处的振动下对于所有预定的外部状态值而言仍处于静摩擦状态中，并且该弹性连接件在该频率上限处的振动下对于所有预定的外部状态值而言处于滑动摩擦状态中。在第一测试步骤中，该振动具有该较小的第一测试振幅，但是该第一测试振幅选择为足够大到在该频率下限与该频率上限之间将该弹性连接件转变到该滑动摩擦状态。在该静摩擦状态与该滑动摩擦状态之间的过渡在围绕第一系统固有频率的第一过渡区域中进行。在第二测试步骤中，该振动具有该较大的第二测试振幅。在该静摩擦状态与该滑动摩擦状态之间的过渡在围绕第二系统固有频率的第二过渡区域中进行。如此选择该第一测试振幅和该第二测试振幅，使得这两个过渡区域彼此不重合。最后该限定的激发频率选自这两个过渡区域之间的频率范围中。
在本发明方法的另一个实施方式中，外部的状态参数选自以下清单：温度，老化，磨损，维修间隔。外部的状态参数例如硬性弹性连接件的刚度并且因此改变系统固有频率。本发明的方法因此应在恒定的外部状态参数下实施。可设想的是，改变外部状态参数的设定并且在相应的设定下测定摩擦系数。例如外部状态参数温度的变化例如可以在对于总系统的运行而言典型的温度范围内进行。相应测定的摩擦系数然后与外部状态参数的相应设定一起可调用地保存在表格中。
在本发明方法的再另一个实施方式中，总系统由方向盘、转向柱和扭转杆子系统构成。本发明的方法通常能够在可振动的系统中用于测定摩擦系数。在转向系统的情况下，根据本发明的对静摩擦吸收和滑动摩擦系数的测定对于进一步表征转向系统相对于子系统中变化(例如通过由汽车或车辆的驾驶员触碰方向盘)的行为是有利的。与之相连的质量变化改变系统固有频率，该系统固有频率在恒定的外部状态参数下单独地通过子系统的质量和弹性结合的刚度来确定。得知静摩擦系数(在适当时由访问上述用于变化的外部状态参数的表格得到)有利地能够实现在摩擦行为方面的检测，该摩擦行为可以依据静摩擦与滑动摩擦之间系统固有频率的位置而改变并且然后该检测可以确定静摩擦状态与滑动摩擦状态之间的过渡。进一步有利地，由于通过在足够小的振幅下在转向系统中的振动造成的激发而发生静摩擦与滑动摩擦之间的此类过渡，使得针对于此的检测可以保持在驾驶员的可感知阈值之下。
在本发明方法的再另外的实施方式中，通过振动，紧邻方向盘和转向柱来激发该总系统。
在本发明方法的再仍另外的实施方式中，通过传感器在扭转杆处测量反作用力矩。
另外，要求保护一种用于在弹性结合的子系统中测定摩擦系数的摩擦系数测定装置，该摩擦系数测定装置具有带有多个子系统的总系统，其中至少两个子系统通过弹性连接件彼此相连。摩擦系数测定装置另外具有振动发生器，该振动发生器被配置为用于以振动激发这些子系统。仍另外，该摩擦系数测定装置在该总系统处具有传感器，该传感器被配置为用于检测总系统的反作用力矩。最后，该摩擦系数测定装置还包括以下器件，这些器件被设计为用于将在振动与所测量的反作用力矩之间的相位差和该激发振幅一起作为时间的函数进行记录。该摩擦系数测定装置被配置为用于：在第一步骤中，从该激发振幅的使该弹性连接件仍处于静摩擦状态的值开始将该激发振幅提高，直到该相位差从0°过渡到180°显示出从该静摩擦状态过渡到该滑动摩擦状态。在这个过渡时存在的激发振幅确定静摩擦系数。最后，该摩擦系数测定装置被配置为用于：在第二步骤中，再次降低该激发振幅，直到该相位差从180°过渡到0°显示出从该滑动摩擦状态过渡到该静摩擦状态。在这个过渡时存在的激发振幅确定滑动摩擦系数。
在该摩擦系数测定装置的一个设计方案中，该摩擦系数测定装置包括以下另外的器件，这些另外的器件被设计为用于将该相位差作为测试频率的函数进行记录。该摩擦系数测定装置被配置为用于以如下方式确定该限定的激发频率：用具有较小的第一测试振幅和较大的第二测试振幅的振动(测试振动)激发该总系统并且将该振动的测试频率从频率下限改变直至频率上限。该弹性连接件在该频率下限处的振动下对于所有预定的外部状态值而言仍处于静摩擦状态中。此外，该弹性连接件在该频率上限处的振动下对于所有预定的外部状态值而言处于滑动摩擦状态中。另外，该摩擦系数测定装置被配置为用于以如下方式确定该限定的激发频率：在第一测试步骤中，以具有该较小的第一测试振幅的振动在围绕第一系统固有频率的第一过渡区域中产生在该静摩擦状态与该滑动摩擦状态之间的过渡，该第一测试振幅足够大到在该频率下限与该频率上限之间将该弹性连接件转变到该滑动摩擦状态，以及，在第二测试步骤中，以具有该较大的第一测试振幅的振动在围绕第二系统固有频率的第二过渡区域中产生在该静摩擦状态与该滑动摩擦状态之间的过渡，其中如此选择该第一测试振幅和该第二测试振幅，使得这两个过渡区域彼此不重合；以及，该限定的激发频率在这两个过渡区域之间的频率范围中。
在该摩擦系数测定装置的另一个设计方案中，总系统由方向盘、转向柱和扭转杆子系统构成。
在该摩擦系数测定装置的仍另一个设计方案中，用于反作用力矩的传感器布置在扭转杆处。
本发明的其他优点和设计方案从说明书和附图得出。
不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，以上提到的这些特征以及仍将在以下说明的特征不仅能够在相应给出的组合中使用，而且还可以在其他组合中或者单独地使用。
附图说明
将概括并一般性地描述附图，相同的部件与相同的附图标记相关联。
图1关于本发明方法的一个实施方式示出在较小的测试振幅下的相位差曲线。
图2关于本发明方法的该实施方式示出在较大的测试振幅下的相位差曲线。
图3关于本发明方法的另一个实施方式示出摩擦系数的测定。
具体实施方式
在图1中，关于本发明方法的实施方式示出了在较小的第一测试振幅下的相位差曲线100。用在较小的第一测试振幅下具有测试频率(在横坐标101上以Hz标记)的振动来激发具有多个子系统(其中至少两个子系统通过弹性连接件彼此相连)的总系统。对于转向系统的一个例子，弹性连接件例如可以布置在扭转杆与带有方向盘的转向柱之间并且激发通过在扭转杆处的振动发生器来进行。测量了反作用力矩的相位，然后由该相位与激发用振动的相位一起构成相位差103，该相位差在纵坐标102上以度记录。在横坐标101上以Hz记录的振动测试频率从0Hz的频率下限变化直到约40Hz的频率上限。在此，弹性连接件正在频率下限处的振动下处于静摩擦状态。但是测试振幅应选择为足够大，使得弹性连接件可以在频率下限与频率上限之间转变为滑动摩擦状态。从频率下限开始提高在横坐标101上以Hz计的测试频率，其中这应用适合的时间曲线来完成，使得在系统响应中检测不到非线性。只要弹性连接件仅仅处于静摩擦状态下，相位差103就为0°。在转向系统的例子中，至少直到12Hz的测试频率105以上都是这种情况。只有在约20Hz的测试频率106下，向滑动摩擦状态的过渡区域才开始，通过180°的相位差值显示完全到达滑动摩擦状态。由此还确定频率范围的右上极限，从该频率范围中确定所限定的激发频率104。
在图2中关于本发明方法的该实施方式示出在较大的测试振幅下的相位差曲线200。与图1中所选的较小的第一测试振幅相比，现在设定较大的第二测试振幅并且重复在横坐标101上以Hz记录的测试频率的变化。由于较大的第二测试振幅的较大值，系统的固有频率下降，对于转向系统的例子，该系统固有频率介于9Hz与12Hz之间。所示的记录在纵坐标102上相位差203现在明显在12Hz的测试频率105之前开始离开0°的值并且通过达到180°的值确定了频率范围的左下极限，从该频率范围中确定所限定的激发频率104。
在图3中关于本发明方法的另一个实施方式示出摩擦系数的测定。根据在图1和图2中执行的对所限定的激发频率104的确定，现在对于在图示310中的这个激发频率104，根据激发振幅313的时间曲线在时间轴311上改变(记录在纵坐标312上)激发幅值。通过相同的时间轴311，在其下方示出了对应设定的相位差曲线320。从在第一静摩擦状态301中存在的弹性连接件出发，自最大实现的激发幅值(在附图标记314处)的略大于0.5的足够小的数值开始激发振幅313缓慢升高，直至通过在纵坐标102上记录的相位差323从0°到180°的变化显示出向滑动摩擦状态的过渡。在此所采用的激发幅值314限定了静摩擦系数314或静摩擦水平314。一旦已经识别出此类相位偏移，则激发振幅313再次降低。在相位差323现在从180°反向变化到0°时，再次达到静摩擦状态303。在这个过渡处的激发振幅值315限定了滑动摩擦系数315或滑动摩擦水平315。
附图标记清单
100 较小测试振幅的相位差曲线
101 以赫兹计的测试频率
102 以度计的相位差角度
103 相位差
104 限定的激发频率
105 在系统固有频率范围内的转向系统典型数值
106 过渡区域的起点
200 较大测试振幅的相位差曲线
203 相位差
301 静摩擦状态
302 滑动摩擦状态
303 静摩擦状态
310 激发振幅调节的时间曲线
311 时间轴
312 激发幅值
313 激发振幅
314 静摩擦系数
315 滑动摩擦系数
320 相位差曲线
323 相位差

Claims (10)

1.一种用于在弹性结合的子系统中测定摩擦系数的方法，其中总系统包括多个子系统并且至少两个子系统通过弹性连接件彼此相连，其中该弹性连接件在预定的外部状态参数下具有至少一种静摩擦状态(301，303)和一种滑动摩擦状态(302)，其中通过在限定的激发频率(104)处具有可变的激发振幅(313)的振动来激发该总系统，其中该激发振幅(313)缓慢地变化、即在系统响应中没有产生非线性的情况下变化，其中将在该振动与所测量的反作用力矩之间的相位差(103，203，323)和该激发振幅(313)一起作为时间(311)的函数进行记录，其中在该静摩擦状态(301，303)中不出现相位差(103，203，323)并且在该滑动摩擦状态(303)中出现180°的相位差(103，203，323)，其中在第一步骤中，从该激发振幅(313)的使该弹性连接件仍处于静摩擦状态(301)的值开始将该激发振幅(313)提高，直到通过该相位差(323)从0°过渡到180°显示出从该静摩擦状态(301)过渡到该滑动摩擦状态(302)，其中通过在这个过渡时存在的激发振幅(314)来确定静摩擦系数(314)，其中在第二步骤中，再次降低该激发振幅(313)，直到通过该相位差(323)从180°过渡到0°显示出从该滑动摩擦状态(302)过渡到该静摩擦状态(303)，其中通过在这个过渡时存在的激发振幅(315)来确定滑动摩擦系数(315)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过用具有较小的第一测试振幅和较大的第二测试振幅的振动激发该总系统来确定该限定的激发频率(104)，其中该振动的测试频率(101)从频率下限变化直到频率上限，其中该弹性连接件在该频率下限处的振动下对于所有预定的外部状态值而言仍处于静摩擦状态(301)中，其中该弹性连接件在该频率上限处的振动下对于所有预定的外部状态值而言处于滑动摩擦状态(302)中，其中在第一测试步骤(100)中，该振动具有该较小的第一测试振幅，该第一测试振幅足够大到在该频率下限与该频率上限之间将该弹性连接件转变到该滑动摩擦状态(302)，其中在该静摩擦状态(301)与该滑动摩擦状态(302)之间的过渡在围绕第一系统固有频率的第一过渡区域中进行，其中在第二测试步骤(200)中，该振动具有该较大的第二测试振幅，其中在该静摩擦状态(301)与该滑动摩擦状态(302)之间的过渡在围绕第二系统固有频率的第二过渡区域中进行，其中如此选择该第一测试振幅和该第二测试振幅，使得这两个过渡区域不重合，并且其中该限定的激发频率(104)选自这两个过渡区域之间的频率范围中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中该外部的状态参数选自以下清单：温度，老化，磨损，维修间隔。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该总系统由方向盘、转向柱和扭转杆子系统构成。
5.根据权利要求4所述的方法，其中通过该振动，紧邻方向盘和转向柱来激发该总系统。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中通过传感器来测量在该扭转杆处的反作用力矩。
7.一种用于在弹性结合的子系统中测定摩擦系数的摩擦系数测定装置，该摩擦系数测定装置具有：具有多个子系统的总系统，其中至少两个子系统通过弹性连接件彼此相连；振动发生器，该振动发生器被配置为用振动激励这些子系统；以及在该总系统处的传感器，用于检测该总系统的反作用力矩，其中该摩擦系数测定装置还包括以下器件，这些器件被设计为用于将在振动与所测量的反作用力矩之间的相位差(103，203，323)和激发振幅(313)一起作为时间(311)的函数进行记录，并且其中该摩擦系数测定装置被配置为用于：在第一步骤中，从该激发振幅(313)的使该弹性连接件仍处于静摩擦状态(301)的值开始将该激发振幅(313)提高，直到该相位差(323)从0°过渡到180°显示出从该静摩擦状态(301)过渡到滑动摩擦状态(302)，其中在这个过渡时存在的激发振幅(314)确定静摩擦系数(314)，并且在第二步骤中，再次降低该激发振幅(313)，直到该相位差(323)从180°过渡到0°显示出从该滑动摩擦状态(302)过渡到该静摩擦状态(303)，其中在这个过渡时存在的激发振幅(315)确定滑动摩擦系数(315)。
8.根据权利要求7所述的摩擦系数测定装置，该摩擦系数测定装置包括以下另外的器件，这些另外的器件被设计为用于将该相位差(103，203)作为测试频率(101)的函数进行记录，并且其中该摩擦系数测定装置被配置为用于以如下方式确定一限定的激发频率(104)：用具有较小的第一测试振幅和较大的第二测试振幅的振动激发该总系统并且将该振动的测试频率(101)从频率下限改变直至频率上限，其中该弹性连接件在该频率下限处的振动下对于所有预定的外部状态值而言仍处于静摩擦状态(301)中，并且其中该弹性连接件在该频率上限处的振动下对于所有预定的外部状态值而言处于滑动摩擦状态(302)中；以及，在第一测试步骤(100)中，以具有该较小的第一测试振幅的振动在围绕第一系统固有频率的第一过渡区域中产生在该静摩擦状态(301)与该滑动摩擦状态(302)之间的过渡，该第一测试振幅足够大到在该频率下限与该频率上限之间将该弹性连接件转变到该滑动摩擦状态(302)，并且在第二测试步骤(200)中，以具有该较大的第一测试振幅的振动在围绕第二系统固有频率的第二过渡区域中产生在该静摩擦状态(301)与该滑动摩擦状态(302)之间的过渡，其中如此选择该第一测试振幅和该第二测试振幅，使得这两个过渡区域彼此不重合；以及，该限定的激发频率(104)在这两个过渡区域之间的频率范围中。
9.根据权利要求7或8所述的摩擦系数测定装置，其中该总系统由方向盘、转向柱和扭转杆子系统构成。
10.根据权利要求9所述的摩擦系数测定装置，其中用于检测该反作用力矩的传感器布置在该扭转杆处。
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