CN114110058A - 用于制动衬垫的磨损估计装置和磨损估计方法 - Google Patents

用于制动衬垫的磨损估计装置和磨损估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于制动衬垫的磨损估计装置和磨损估计方法，不仅考虑制动衬垫的当前热状态，还考虑制动衬垫的热“历史”，因此在磨损估计期间会考虑超过“最大连续应用温度”的温度。原因在于结合到制动衬垫材料中的粘合树脂在超过“最大连续应用温度”时会损坏。在损坏区域，制动衬垫的磨损率增加。这意味着在接下来的制动周期中，制动衬垫在损坏层中以加速的速度磨损。损坏层磨损完后，恢复原来的磨损率。磨损估计装置包括车载计算能力装置，其包括：磨损因数估计单元，其被配置为基于所述基于摩擦的制动装置的操作状况的特性来确定磨损系数；和磨损积分单元，其被配置为在考虑由磨损因数估计单元确定的磨损系数的情况下确定制动装置的元件的磨损。

Description

用于制动衬垫的磨损估计装置和磨损估计方法
技术领域
本发明涉及用于制动衬垫的磨损估计装置和磨损估计方法，特别地涉及此类考虑温度特性的磨损估计装置和磨损估计方法。
背景技术
当前的轨道车辆装备有车轮制动系统。通常，这些车轮制动系统通过制动衬垫与摩擦表面之间的摩擦将轨道车辆的动能转化为热量，所述摩擦表面如外轮圆周、内鼓圆周或与轨道车辆的车轮一起旋转的制动盘。在此类车轮制动系统中，制动衬垫和摩擦表面受到磨损并且在磨损耗尽时必须更换。目前，轨道车辆的制动磨损检查是根据维护时间或维护里程来安排的。在磨损检查期间，根据使用模式估计所涉及部件的剩余寿命。使用可以通过列车时刻表或列车类型来表征。时刻表提供有关制动频率和列车速度的信息。在列车类型下，可以理解为慢车、城际列车或长途列车，由于不同的速度包络线和停靠次数，它们表现出不同的制动应力水平。
众所周知，摩擦制动器的制动衬垫在不同的操作状况下具有不同的磨损速度。例如，制动衬垫具有最大连续应用温度的阈值和最大短时应用温度的阈值。如果超过这些阈值，制动衬垫中包含的粘合树脂可能会损坏，并且因此在随后的制动过程中导致永久较高的平均制动衬垫磨损。文献DE 10 2016 115275 A1提出了一种制动诊断装置，所述装置包括用于检测制动器的环境当前温度的传感器和制动盘摩擦温度警报装置，以便当制动盘摩擦表面的当前温度达到预定的制动盘摩擦温度限制时输出信号。
这些操作状况通常不在单独的制动磨损估计中考虑。这导致必须提前更换制动系统的部件或必须将维护间隔安排在更短的间隔内，以解决未考虑的可能更快的磨损。
发明内容
本发明的目的是提供用于制动衬垫的磨损估计装置和磨损估计方法，其消除了相关技术的缺陷并且允许更准确地估计车轮制动系统的部件的未来寿命。
所述目的通过根据本发明的磨损估计装置和磨损估计方法来解决。本发明还包括有利的进一步发展。
若干不同的磨损估计模型是可能的：
1.仅考虑平均磨损的磨损估计。
计算磨损的第一种方法是基于制动衬垫磨损与制动过程中消耗的能量成比例的假设。磨损系数在制造商的信息表中给出(涉及UIC确定的一系列制动)，或者可以使用计划时刻表在测功机上测量。如果在例如制动控制单元(BCU)或车轮打滑保护装置(WSP)的车载计算机中测量和处理缸压力和速度，则可以在线汇总摩擦制动器上消耗的制动能量。
2.考虑速度、温度或法向力的磨损估计
进一步改进的磨损估计模型考虑了速度或温度或法向力依赖的摩擦条件。通过考虑制动衬垫磨损系数对衬垫表面温度和滑动速度的依赖性而不是使用单个常数(如条目1)，可以进行更准确的磨损计算。为了实现这种改进，必须知道衬垫表面温度。这些温度通常难以测量，但可以使用简单的衬垫-盘热模型从测量的制动器缸压力和车轮速度估算出来。
2a.考虑制动衬垫摩擦系数变化的磨损估计
模型2的修改另外考虑了衬垫摩擦系数(COF)中通常很小的变化。在这种情况下，可以以更准确的方式计算摩擦功率和加热过程。温度依赖的磨损系数可以使用测功机测量确定并存储在查找表中或表示为数学函数(w(T)或w(T，v)或w(T，v，Fb)(T、V、Fb是被认为是“摩擦学状态向量”)。
3.考虑制动衬垫状态的历史的磨损估计
对点2和2a的磨损估计的进一步改进还考虑了制动衬垫的状态的时间历史，尤其是温度和结构状态。当衬垫温度达到衬垫制造商定义为“最大连续应用温度”的范围时，制动会导致制动衬垫的粘合树脂变弱。在这样的制动之后，衬垫-盘摩擦系数仍然是合适的，但至少在这个弱化层磨损完之前，必须预计磨损系数会增加得多。这意味着使用2和2a中描述的方法需要在此类事件之后暂时增加磨损系数，即在此类事件之后，可以应用磨损系数与预定因数的乘积。
公开了一种用于基于摩擦的制动装置的元件的磨损估计装置，其包括被配置为进行算术计算并被布置在车辆处的车载计算能力装置，所述车载计算能力装置可连接到基于摩擦的制动装置，其中所述车载计算能力装置包括：磨损因数估计单元，其被配置为基于所述基于摩擦的制动装置的操作状况的特性来确定磨损系数(w因数化)；以及磨损积分单元，其被配置为在考虑由磨损因数估计单元确定的磨损系数(w因数化)的情况下确定制动装置的元件的磨损(W(t))。
公开了有利地，车载计算能力装置是制动控制单元或车轮滑动防止单元。
公开了有利地，制动装置的元件是制动衬垫、制动盘或保持制动装置的摩擦表面的任何其他元件。
公开了有利地，车载计算能力装置进一步包括制动元件温度估计单元，其被配置为确定制动装置的元件的温度(T衬垫)，并且磨损因数估计单元被配置为基于由制动元件温度估计单元确定的温度(T衬垫)来确定磨损系数(w因数化)。
公开了有利地，车载计算能力装置进一步包括制动功率确定单元，其被配置为确定制动功率P(t)，并且磨损积分单元被配置为在考虑由磨损因数估计单元确定的磨损系数(w因数化)和由制动功率确定单元确定的制动功率(P(t))的情况下确定制动装置的元件的磨损(W(t))。
公开了有利地，制动功率确定单元被配置为基于施加到基于摩擦的制动装置的元件的法向力(Fb)或制动装置的若干元件相对于彼此的速度(Vf)来确定制动功率P(t)。
公开了有利地，磨损因数估计单元被配置为基于由制动元件温度估计单元确定的温度(T衬垫)、施加到基于摩擦的制动装置的元件的法向力(Fb)或制动装置的元件相对于彼此的速度(Vf)来确定磨损系数(w因数化)。
公开了有利地，制动元件温度估计单元被配置为基于施加到基于摩擦的制动装置的元件的法向力(Fb)、制动装置的元件相对于彼此的速度(Vf)或环境温度(T环境)来确定制动装置的元件的温度(T衬垫)。
公开了有利地，车载计算能力装置进一步包括温度-摩擦-系数估计单元，并且温度-摩擦-系数估计单元包括制动元件温度估计单元和被配置为确定制动装置的元件的当前摩擦系数(μ0)的制动元件摩擦估计单元，其中制动元件温度估计单元被配置为基于施加到基于摩擦的制动装置的元件的法向力(Fb)、制动装置的元件相对于彼此的速度(Vf)、环境温度(T环境)或制动装置的元件的当前摩擦系数(μ0)来确定制动装置的元件的温度(T衬垫)，或者制动功率确定单元被配置为基于施加到基于摩擦的制动装置的元件的法向力(Fb)、制动装置的元件相对于彼此的速度(Vf)或制动装置的元件的当前摩擦系数(μ0)来确定制动功率P(t)。
公开了一种包括任何前述部分的磨损估计装置的车辆。
公开了一种用于基于摩擦的制动装置的元件的磨损估计方法，所述方法包括以下步骤：基于所述基于摩擦的制动装置的操作状况的特性确定磨损系数(w因数化)，以及在考虑由磨损因数估计单元确定的磨损系数(w因数化)的情况下确定制动装置的元件的磨损(W(t))，其中方法步骤通过车载计算能力装置实现，所述车载计算能力装置被配置为进行算术计算并被布置在车辆处，所述车载计算能力装置可连接到基于摩擦的制动装置。
公开了有利地，所述方法进一步包括以下步骤：确定制动装置的元件的温度(T衬垫)，其中磨损系数(w因数化)的确定基于温度(T衬垫)。
公开了有利地，所述方法进一步包括以下步骤：确定制动装置的制动功率P(t)，其中在考虑在磨损因数估计步骤中确定的磨损系数(w因数化)和在制动功率确定步骤中确定的制动功率P(t)的情况下应用制动装置的元件的磨损(W(t))的确定。
公开了有利地，所述方法进一步包括以下步骤：确定制动装置的元件的制动元件摩擦系数(μ0)，其中制动元件温度估计步骤基于施加到基于摩擦的制动装置的元件的法向力(Fb)、制动装置的元件相对彼此的速度(Vf)、环境温度(T环境)或制动装置的元件的当前摩擦系数(μ0)来确定制动装置的元件的温度(T衬垫)，或者
制动功率确定步骤基于施加到基于摩擦的制动装置的元件的法向力(Fb)、制动装置的若干元件相对于彼此的速度(Vf)或制动装置的元件的当前摩擦系数(μ0)来确定制动功率P(t)。
附图说明
下面，通过参考附图的实施例来阐明本发明。
图1展示了具有根据本发明的制动系统的轨道车辆。
图2展示了根据本发明的磨损计算模块。
图3展示了图2的磨损计算模块的修改。
图4展示了显示增加的磨损系数的应用的图。
图5展示了图3的磨损计算模块的修改。
具体实施方式
参考图1，轨道车辆1包括通过车轴12连接的接轨车轮11。轨道车辆1包括制动系统，所述制动系统具有：在摩擦盘13上的摩擦表面，其中制动盘以制动盘13被迫与车轴12一起旋转的方式固定到车轴12，使得当轨道车辆在轨道车辆的预期移动方向上的速度大于0时，制动盘13相对于轨道车辆1旋转；以及制动衬垫14，所述制动衬垫以其基本上不相对于轨道车辆移动的方式固定在轨道车辆中，使得制动盘13相对于制动衬垫14旋转并且可以被施加力(例如电动地、气动地或液压地)，使得制动衬垫14被压靠在制动盘13上并在制动衬垫14和制动盘13之间施加摩擦。制动系统还包括制动控制单元15和车轮滑动保护单元16，它们被配置为控制制动衬垫14压靠在制动盘13上的力并且包括计算单元以计算适当的力。
制动控制单元15或车轮滑动保护单元16的计算单元用于计算制动衬垫14的磨损量。
图2展示了包含在制动控制单元15或车轮滑动保护单元16中的虚拟磨损计算模块2。磨损计算模块2具有作为输入的代表施加在制动盘13和制动衬垫14之间的法向力的力Fb以及代表制动盘13和制动衬垫14之间的相对速度的速度Vf。磨损计算模块2包含制动功率确定单元21，其将Fb和Vf作为输入，并且计算和输出实际制动功率P(t)。实际制动功率计算如下：
P(t)＝μpd(v，Ts，Fb)·Fb·v
其中：
P(t)：制动衬垫/盘系统中消耗的实际制动功率
μpd：作为速度、盘表面温度和制动衬垫/盘法向力的函数的制动衬垫/盘摩擦系数
v：制动盘和制动衬垫之间的相对速度，＝Vf
Fb：施加在制动盘和制动衬垫之间的法向力。
从上面的计算可以看出，摩擦系数随着速度、温度和制动压力的变化而变化。相应的值由制动衬垫制造商提供。
磨损计算模块2包括磨损积分单元23和由操作员对应于列车运行类型设置的作为单个磨损因数22的存储值。磨损积分单元23具有作为输入的来自制动功率确定单元21的实际制动功率P(t)以及磨损因数22，并且计算制动衬垫13的磨损W(t)。直到时刻t的磨损量W(t)计算如下：
Figure BDA0003240578690000061
其中：
W(t)：直到时刻t的磨损量
P(t)：制动衬垫/盘系统中消耗的实际制动功率
w(T，Fb，v)：磨损系数
磨损系数w(T，Fb，v)可以以多项式形式提供，即在参考文件中作为查找表。
磨损积分单元23根据计算出的磨损量W(t)输出计算出的剩余里程。
图3展示了虚拟磨损计算模块3，其是磨损计算模块2的修改。磨损计算模块3包括磨损计算模块2的输入和输出以及分别对应于制动功率确定单元21和磨损积分单元23的制动功率确定单元31和磨损积分单元33。另外，磨损计算模块3包括衬垫温度估计单元34。它将Fb、Vf和作为环境温度的T环境作为输入，并且计算制动衬垫13的温度T衬垫作为输出。制动衬垫温度与制动盘温度类似地计算，计算如下：
Figure BDA0003240578690000071
Figure BDA0003240578690000072
其中：
s：表面
b：制动盘的主体部分
C：热容量，
λ：表面和主体之间的热交换
K：表面/主体与环境之间的热交换(速度依赖)
v：制动盘和制动衬垫之间的相对速度
ξ：进入制动盘的摩擦热的比例
P(t)：制动功率(参见上文)
磨损计算模块3还包括磨损因数估计单元35，其将Fb、Vf和T衬垫作为输入并且计算磨损系数w因数化作为输出。为了考虑高于“最大连续应用温度”和低于“最大短时应用温度”的温度，w因数化计算如下：
w因数化＝w前因*w(T，Fb，v)
因数w前因(wprelife)考虑了以下事实：由于温度升高，磨损至少在特定持续时间内增加。在该温度包络线内，受升高温度影响的层足够薄以在低于“最大连续应用温度”的温度下在预定量的磨损能量内磨损完。去除受影响的制动衬垫材料的持续时间以及相应地w前因的应用的持续时间取决于受影响材料的厚度。w前因及其应用的持续时间的值存储在查找表中，如下所示：
Figure BDA0003240578690000081
如果制动衬垫温度超过上表中定义的温度，则必须在磨损计算中应用考虑了因数w前因的磨损系数w因数化。这个增加的磨损系数w因数化必须用于“增加的磨损状态”中，即它必须被使用，直到上表中为每种温度阈值定义的摩擦能量累积从而导致损坏的表面层磨损掉为止。
图4展示了应用增加的磨损系数w因数化的示例。可以看出，在不超过300℃的“最大连续应用温度”的280℃的制动衬垫温度下发生了13次制动能量为10MJ的制动事件。然而，第五次制动事件超过“最大连续应用温度”高达320℃。根据上表，必须应用1.2的因数w前因，直到制动能量累积为50MJ为止。可以看出，过度制动事件之后是5次不超过“最大连续应用温度”且每次制动能量为10MJ的常规制动事件。在此期间，应用1.2的因数w前因。在累积50MJ的制动能量后，没有应用任何增加的因数。
作为查找表的替代，磨损因数估计单元35可以计算因数w前因和相应的制动能量值。
被馈送磨损因数估计单元35的输出，磨损积分单元33计算直到时刻t的磨损量W(t)如下：
Figure BDA0003240578690000091
图5展示了虚拟磨损计算模块4，它是磨损计算模块3的修改。磨损计算模块4包括磨损计算模块3的输入和输出、分别对应于制动功率确定单元21、31、磨损积分单元23、33和磨损因数估计单元35的功率确定单元41、磨损积分单元43和磨损因数估计单元45。磨损计算模块3包括温度-摩擦-系数估计单元46。温度-摩擦-系数估计单元46将Fb、Vf和T环境作为输入，并且提供制动衬垫13的温度T衬垫和当前摩擦系数μ0作为输出。
温度-摩擦-系数估计单元46包括衬垫摩擦估计单元47，其将Fb、Vf和T衬垫作为输入，并且根据制动力、速度和估计的制动衬垫温度确定摩擦系数μ0。摩擦系数μ0被输入到制动功率确定单元41中以更准确地确定制动功率P(t)。
温度-摩擦-系数估计单元46包括对应于衬垫温度估计单元34的衬垫温度估计单元44。衬垫温度估计单元44另外将摩擦系数μ0作为输入。由于摩擦系数μ0随制动衬垫温度变化，因此该输入可用于更准确地确定T衬垫。
通过实施例描述了本发明。实施例仅具有说明性质，并不限制如权利要求所限定的本发明。如本领域技术人员所认识到的，根据所要求保护的主题的范围，在不脱离本发明的情况下，与实施例的偏差是可能的。
在本文档中，术语“和”、“或”和“要么…要么”用作连接词，其含义分别类似于逻辑连接词“和”、“或”(通常也称为“和/或”)或“异或”。特别地，与“要么…要么”相反，术语“或”还包括两个操作符都出现。
说明书或权利要求中指出的方法步骤仅用于所需方法步骤的列举目的。它们仅暗示给定的顺序或次序，其中顺序或次序被明确表达或—对技术人员显而易见—由于其性质而具有强制性。特别地，方法步骤的列出并不意味着该列表是封闭的。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个并且必须被理解为“至少一个”。
附图标记列表
1 轨道车辆
11 接轨车轮
12 车轴
13 制动盘
14 制动衬垫
15 制动控制单元(BCU)
16 车轮滑动防止单元(WSP)
2 磨损计算模块
21 制动功率确定单元
22 磨损因数
23 磨损积分单元
3 磨损计算模块
31 制动功率确定单元
33 磨损积分单元
34 制动衬垫温度估计单元
35 磨损因数估计单元
4 磨损计算模块
41 制动功率确定单元
43 磨损积分单元
44 制动衬垫温度估计单元
45 磨损因数估计单元
46 温度-摩擦-系数估计单元
47 制动衬垫摩擦估计单元

Claims (14)

1.一种用于基于摩擦的制动装置的元件的磨损估计装置，包括车载计算能力装置(15、16)，所述车载计算能力装置被配置为进行算术计算并被布置在车辆处，所述车载计算能力装置(15、16)能够连接到基于摩擦的制动装置(13、14)，
其中所述车载计算能力装置(15、16)包括：
磨损因数估计单元(35、45)，其被配置为基于所述基于摩擦的制动装置(13、14)的操作状况的特性来确定磨损系数(w因数化)，以及
磨损积分单元(23、33、43)，其被配置为在考虑由磨损因数估计单元(35、45)确定的磨损系数(w因数化)的情况下确定制动装置(13、14)的元件的磨损(W(t))。
2.根据前一权利要求所述的磨损估计装置，其中所述车载计算能力装置是制动控制单元(15)或车轮滑动防止单元(16)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的磨损估计装置，其中所述制动装置的元件是制动衬垫(14)、制动盘(13)或保持制动装置的摩擦表面的任何其他元件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的磨损估计装置，其中所述车载计算能力装置(15、16)还包括被配置为确定制动装置(13、14)的元件的温度(T衬垫)的制动元件温度估计单元(34、44)，并且磨损因数估计单元(35、45)被配置为基于由制动元件温度估计单元(34、44)确定的温度(T衬垫)来确定磨损系数(w因数化)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的磨损估计装置，其中所述车载计算能力设备(15、16)还包括被配置为确定制动功率P(t)的制动功率确定单元(21、31、41)，并且磨损积分单元(23、33、43)被配置为在考虑由磨损因数估计单元(35、45)确定的磨损系数(w因数化)和由制动功率确定单元(31、41)确定的制动功率(P(t))的情况下的情况下确定制动装置(13、14)的元件的磨损(W(t))。
6.根据前述权利要求中任一项所述的磨损估计装置，其中所述制动功率确定单元(21、31、41)被配置为基于施加到基于摩擦的制动装置(13、14)的元件的法向力(Fb)或制动装置的若干元件(13、14)相对于彼此的速度(Vf)来确定制动功率P(t)。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的磨损估计装置，其中所述磨损因数估计单元(35、45)被配置为基于由制动元件温度估计单元(34、44)确定的温度(T衬垫)、施加到基于摩擦的制动装置(13、14)的元件的法向力(Fb)或制动装置的元件(13、14)相对于彼此的速度(Vf)来确定磨损系数(w因数化)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的磨损估计装置，其中所述制动元件温度估计单元(34、44)被配置为基于施加到基于摩擦的制动装置(13、14)的元件的法向力(Fb)、制动装置(13、14)的元件相对于彼此的速度(Vf)或环境温度(T环境)来确定制动装置(13、14)的元件的温度(T衬垫)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的磨损估计装置，其中所述机载计算能力装置(15、16)还包括温度-摩擦-系数估计单元(46)，并且所述温度-摩擦-系数估计单元(46)包括：
制动元件温度估计单元(34、44)，以及
被配置为确定制动装置(13、14)的元件的当前摩擦系数(μ0)的制动元件摩擦估计单元(47)，
其中所述制动元件温度估计单元(34、44)被配置为基于施加到基于摩擦的制动装置(13、14)的元件的法向力(Fb)、制动装置(13、14)的元件相对于彼此的速度(Vf)、环境温度(T环境)或制动装置(13、14)的元件的当前摩擦系数(μ0)来确定制动装置(13、14)的元件的温度(T衬垫)，或者
所述制动功率确定单元(21、31、41)被配置为基于施加到基于摩擦的制动装置(13、14)的元件的法向力(Fb)、制动装置的若干元件(13、14)相对于彼此的速度(Vf)或制动装置(13、14)的元件的当前摩擦系数(μ0)来确定制动功率P(t)。
10.一种车辆，包括根据前述权利要求中任一项所述的磨损估计装置。
11.一种用于基于摩擦的制动装置的元件的磨损估计方法，所述方法包括以下步骤：
基于所述基于摩擦的制动装置(13、14)的操作状况的特性来确定磨损系数(w因数化)，以及
在考虑由磨损因数估计单元(35、45)确定的磨损系数(w因数化)的情况下确定制动装置(13、14)的元件的磨损(W(t))，
其中方法步骤通过车载计算能力装置(15、16)实现，所述车载计算能力装置被配置为进行算术计算并被布置在车辆处，所述车载计算能力装置(15、16)能够连接到所述基于摩擦的制动装置(13、14)。
12.根据前一权利要求所述的磨损估计方法，还包括以下步骤：
确定制动装置(13、14)的元件的温度(T衬垫)，
其中磨损系数(w因数化)的确定基于温度(T衬垫)。
13.根据前述权利要求11或12中任一项所述的磨损估计方法，还包括以下步骤：
确定制动装置(13、14)的制动功率P(t)，
其中在考虑在磨损因数估计步骤(35、45)中确定的磨损系数(w因数化)和在制动功率确定步骤中确定的制动功率(P(t))的情况下应用制动装置(13、14)的元件的磨损(W(t))的确定。
14.根据前述权利要求11至13中任一项所述的磨损估计方法，还包括以下步骤：
确定制动装置(13、14)的元件的制动元件摩擦系数(μ0)，
其中制动元件温度估计步骤基于施加到基于摩擦的制动装置(13、14)的元件的法向力(Fb)、制动装置(13、14)的元件相对于彼此的速度(Vf)、环境温度(T环境)或制动装置(13、14)的元件的当前摩擦系数(μ0)来确定制动装置(13、14)的元件的温度(T衬垫)，或者
制动功率确定步骤基于施加到基于摩擦的制动装置(13、14)的元件的法向力(Fb)、制动装置的若干元件(13、14)相对于彼此的速度(Vf)或制动装置(13、14)的元件的当前摩擦系数(μ0)来确定制动功率P(t)。
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