用于估计摩擦系数的方法以及用于轨道车辆的制动控制的方法和制动控制设备与流程

1.本发明涉及一种用于估计摩擦系数的方法、一种用于轨道车辆的制动控制的方法以及一种用于轨道车辆的制动控制设备和一种用于实施相应的方法的计算机程序产品。


背景技术：

2.已知的摩擦制动的特性是衬片-盘-配对的摩擦系数并不如所期望的那样恒定，而是受各种系统参数和系统状态影响，如夹紧力、制动盘温度以及摩擦速度。这在制动过程中对列车瞬时达到的减速并且因此对制动距离准确度有直接的影响。
3.典型的制动特性例如依赖于不同的初始速度而有所不同。即使在附着力条件充足的情况下，所达到的减速值和由此产生的制动距离也承受大的公差。这主要是由所使用的衬片-盘-摩擦配对的波动的摩擦系数产生的。该摩擦系数主要取决于变化的制动盘温度并且因此也取决于在给定的行驶工况中的先前经历。制动盘温度由能量输入确定，所述能量输入决定性地受制动的初始速度影响。附加地，也出现可对随后的制动产生影响的调节效应。外部参量，例如环境温度和空气湿度也对摩擦系数有影响。
4.另外，制动系统的另外的公差，例如制动执行器的效率和未准确考虑的磨损车轮的直径也对车轮组上所合成的制动力有直接的影响。这些众多的变量在制动距离的无法忽略的分散范围中体现出来。
5.所述的系统公差的影响能通过列车的减速调节来降低，所述列车的减速调节直接对当前减速与所期望的要求值的偏差作出反应。因此，可明显降低制动距离的分散。可避免由于制动装备的公差和车轮直径的偏差而产生的潜在的超出制动距离。因此，所要求的制动距离在很大程度上不依赖于衬片的摩擦特性。
6.减速调节可平均地补偿整个列车上的作用。该全列车的(平均的)补偿可由于各个车轮组上的可能不同的制动力导致各个车轮组上的附着力不同，其中，存在超过一些车轮组的粘着极限的风险，尤其是在不同的转向架上同时使用ed制动器和ep制动器的情况下。
7.所以有利的是用于求取或者说估计每个车轮组或转向架的瞬时的摩擦系数的设备或方法。通过当前的摩擦系数能补偿在使用恒定的基准摩擦系数计算需要的制动压力以及由此产生的制动力的情况下造成的不准确性。这将使相应的与所期望的附着力值的偏差最小化。这样的方法可通过减小上文提出的平均作用附加地支持减速调节。
8.在现在已知的制动系统中，如今已应用了所谓的μ-估计器。对此，例如de 10 2014 116 803 a1公开了一种具有控制单元的制动装置，在所述控制单元中存储有至少一个制动参数曲线，所述制动参数曲线基于在法向力恒定且与试验台参数组合的情况下在从初始速度制动到目标速度上的过程中产生的摩擦系数曲线。使用试验台参数来求取相应的特性曲线相对应地变得复杂。
9.在de 10 2016 115 275 a1中描述了制动盘与制动衬片之间的摩擦与制动盘温度、与制动盘与制动衬片之间的相对速度vf并且因此与制动盘的以m/s为单位的速度以及
与制动衬片与制动盘之间作用的法向力的依赖性，该依赖性通过方程μa(vf,ts,fn)＝a0+a1vf+a2v
f2
+b1ts+b2t
s2
+c1fn+c2f
n2
进行描述，其中，vf是制动衬片与制动盘之间的相对速度，ts是制动盘摩擦面的温度并且fn是在制动衬片与制动盘之间作用的法向力，该法向力可由制动缸压力计算得出。用于求取通过实验确定的表征各制动衬片-制动盘-配对的常数的耗费由于方程的非线性的部分而增加。如果要当场，例如调试期间直接在列车上确定系数，则增加的耗费尤其产生不利的作用。在这样的或类似的情况中需要简单的且快速的方法。非线性方程的系数的确定在这方面几乎是不合适的并且另外是易于出错的。
10.de 10 2018 129 132 b3以相似的方式公开了根据经验公式cofi＝a+b*fb
(i-1)
+c*fb
2(i-1)
+d*v
(i-1)
+e*v
2(i-1)
+f*t
2(i-1)
+j*t
2(i-1)
对摩擦系数cof的计算，其中，a、b、c、d、e、f、j是适当选择的参数。这里也产生了相应复杂地求取参数的缺点。


技术实现要素：

11.所以鉴于上述实施方式，本发明的任务是提供一种用于估计摩擦系数的方法、一种用于轨道车辆的制动控制的方法、一种用于轨道车辆的制动控制设备以及一种相对应的计算机程序产品，使得能够对摩擦系数进行简化的估计或者说使用这种简化的估计。
12.所述任务通过根据独立权利要求所述的一种用于估计摩擦系数的方法以及一种用于轨道车辆的制动控制的方法和一种相对应的制动控制装置以及一种相对应的计算机程序解决。本发明的有利的拓展方案包含在从属权利要求中。
13.根据本发明设置有用于估计用于制动衬片-制动盘-配对的摩擦系数(μ)的方法，其中，根据基准摩擦系数通过制动盘温度和/或摩擦速度和/或夹紧力的至少一个线性函数估计摩擦系数。
14.所述估计基于以下假设，即摩擦系数与系统值即制动盘温度、摩擦速度以及夹紧力的依赖性是相互独立的。因此，摩擦系数可相应独立地以至少一个线性函数的形式进行描述。在此，基准摩擦系数映射参考值。另外，基准摩擦系数尤其是在温度相对低且速度适度的情况下出现并且因此至少在一定的范围内是几乎恒定的。因此，使用至少一个通用的特性或者说特征进行估计，所述特性或者说特征例如以特性曲线的形式表现摩擦系数与所选择的系统值的相应的功能上的依赖性。
15.通过至少一个线性函数进行的估计既包括其中以一条直线的形式估计摩擦系数的估计，又包括其中借助具有至少部分不同的斜率的多条直线估计摩擦系数的估计，如这例如在下文中还关于借助分段线性函数的估计描述的那样。
16.通过至少一个线性函数对摩擦系数进行估计允许在一定程度上对原本由于使用恒定的摩擦值而产生的影响进行补偿。同时，通过线性函数的映射和对上述系统值的独立观察既在求取依赖性方面又在应用估计方面显著地简化了对摩擦系数的估计。
17.补充地，应注意到的是，夹紧力与施加到或要施加到制动盘上的力相对应。例如，夹紧力是将制动衬片或要将制动衬片压到制动盘上的力或者说与之相应的力。在此，夹紧力也可通过制动压力或者说压紧力来表示或者由此推导得出。摩擦速度对应于制动衬片与制动盘之间的相对速度。
18.在所述方法的一种实施方式中，根据以下方程估计摩擦系数：
19.μ≈f0＊f2(v)
ꢀꢀ
(|)
(v)是依赖于摩擦速度(v)的线性函数以及f3(fb)是依赖于夹紧力(fb)的线性函数。
42.因此，方程(ii)也可通过f3(fb)＝1的方程(iii)映射得到或者说方程(i)可通过f1(t)＝1且f3(fb)＝1的方程(iii)映射得到。然而，也可使用将不同于方程(i)和/或(ii)中的函数用于f1(t)和f3(fb)。总的来说适用的是，各线性函数可单独或在特定的模型中以相互任意组合的方式使用以对摩擦系数进行估计。相应的选择和/或组合可由相应所要求的准确度以及系统值的预期值产生。因此，除了通过至少一个与相应的影响因素有关的线性函数进行映射外，也通过将摩擦系数因子分解到所述依赖于影响因素的线性函数中来对摩擦系数进行估计。
43.在所述方法的一种构型中，函数f1(t)、f2(v)和/或f3(fb)是至少分段线性的。
44.因此，可通过依赖于相应的系统值的不同的线性函数对不同限定范围中的相应的摩擦系数进行描述。例如，通过函数f1(t)代表的摩擦系数可在200℃与300℃之间的范围中比在大于或等于300℃的范围中更快地变化。替代地或补充地，只有当达到特定的系统值时，特定的依赖性才也能够纳入到上述方程之一中。因此，常数f0例如可在限定值的特定范围上被假设为要估计的摩擦系数，而后只有由于达到特定的制动盘温度、摩擦速度和/或夹紧力，相应的线性函数才会进入方程(iii)中或者说之前仅被考虑为常数。换句话说，所述至少一个用于估计摩擦系数的线性函数可通过多个线性函数来表示，或者说通过所述至少一个线性函数中的多个线性函数来进行估计。
45.基于这种从基准摩擦系数出发的摩擦系数因子分解的办法，可通过简单的方式对摩擦系数进行充分的近似估计。因此，没有必要通过普遍适用的经验公式和为此求取的参数来表示摩擦系数，而方程可分成线性子函数以及其对于依赖于相应的系统值预先确定的限定范围的适用性。
46.将分段的线性函数选择为，使得它们足够准确地接近真实的依赖性。因为各子函数分别仅依赖于一个影响参量，所以这也可不依赖于另外的影响参量并且因此在耗费更小的情况下进行。
47.对此，示例性地说明：例如在具有制动衬片-制动盘-配对的制动元件中，f1(t)通常随着制动盘温度t的增长而减小。在f1(t)在预先确定的温度范围上仅相对微小地变化，亦即在摩擦系数的具有可容忍的影响的估计的意义中变化的范围中，f1(t)可被近似为常数。由此，随着制动盘温度的升高可产生以下摩擦系数的估计，在所述摩擦系数的估计中摩擦系数在第一子函数中是恒定的，然后在温度进一步升高的情况下根据第二子函数线性地减小，以便最后又根据第三子函数变为恒定的值。可尤其根据制动衬片-制动盘配对的材料配对和/或根据符合需求的准确度对变化过程、限定范围以及子函数的数量进行描述。
48.f2(v)例如也通常以相似的方式随着摩擦速度的增长而减小。换句话说，f2(v)在直至静止状态的制动过程中增大并且因此在摩擦速度降低的过程中增大。在这里，f2(v)也可示例性地由三个子函数形成，其中，仅有中间的子函数在预先确定的限定范围上随着摩擦速度的增长而线性下降，而位于该中间的子函数之前和之后的子函数分别由常数形成。
49.来自夹紧力的作为f3(fb)的摩擦系数的曲线可尤其受制动衬片-制动盘-配对的材料配对以及另外的物理因素(如尺寸大小)影响。
50.函数f1(t)、f2(v)和/或f3(fb)尤其针对基准摩擦系数进行归一化。
51.如上文已描述的那样并且例如通过方程(iii)所说明的那样，在考虑到基准摩擦
系数的情况下对摩擦系数进行估计。因此，基准摩擦系数通过归一化被适配为当前的摩擦系数。换句话说，相应的摩擦系数是由基准摩擦系数或代表它的数值与线性函数f1(t)、f2(v)和/或f3(fb)中的至少一个相乘得到的。归一化的函数f1(t)、f2(v)和/或f3(fb)可例如如下所示被描述为分段线性的绝对值函数f1(t)、f2(v)和/或f3(fb)的归一化的函数：
[0052][0053]
和/或
[0054][0055]
绝对值函数的术语涉及未被归一化的函数。换句话说，函数fi表示作为t、v和fb的函数的实际的摩擦系数，而函数fi根据上述依赖于按照摩擦系数的绝对值函数fi的方程则表示标定的或者说归一化的值。
[0056]
在一种构型中，函数f1(t)、f2(v)和/或f3(fb)在函数的限定范围中的数值范围通过限制参数被限制到下界和/或上界c
t
、cv和/或c
fb
上。
[0057]
在整个限定范围上或在限定范围的预先确定的子范围上的线性函数可表达为，使得各函数的在这上面能达到的值不超过或者说不低于上值和/或下值，所述函数代表分别仅依赖于所述系统值的摩擦系数。替代地，线性函数也可表达为，使得其可在所配属的限定范围中超过或者说低于上值，而特性曲线或者说估计的摩擦系数在这样超过或者说低于的情况下假设为相应预先确定的下界或者说上界c
t
、cv和/或c
fb
的值。
[0058]
在设计线性函数中，可既要注意技术安全上的方面，如保证遵守最大允许的制动距离，又要注意系统技术上的限界，例如避免由于过高的制动力而使得制动执行器过载。因此，对于所述函数中的每个函数可限定对用于分别由函数代表的摩擦系数的近似值的限制。根据摩擦系数的梯度，这个限制可向上、向下或必要时在两个方向上进行。
[0059]
因此，该方法区分了用于建模物理特性的参数(亦即模型参数)和这里被称为限制参数的用于控制要基于它们控制的函数(如制动函数)的参数。下界或者说上界c
t
、cv和/或c
fb
可用作为模型参数，例如以便例如在估计的摩擦系数不再明显变化的情况下降低计算功率。下界或者说上界c
t
、cv和/或c
fb
可作为限制参数对应于特定的制动规定或安全性规定。关于不同制动场景中的不同规定，如相对于行车制动而言在紧急制动或快速制动中那样，下界或者说上界c
t
、cv和/或c
fb
也可根据相应的制动规定能适配为限制参数。因此，下界或者说上界c
t
、cv和/或c
fb
也可被称为模型参数c
mt
、c
mv
和/或c
mfb
以及关于控制函数的限制参数也可被称为c
st
、c
sv
和/或c
sfb
。模型参数与限制参数的区别也类似地能应用于关于能使用的界限的另外的实施方式以及之后还要描述的加权因子。
[0060]
根据一种拓展方案，将函数f1(t)选择为，使得上界c
t,max
小于或等于代表基准摩擦系数的值和/或下界c
t,min
代表要施加的最大夹紧力。
[0061]
上界ct,max例如与摩擦系数在温度低的情况下实际出现的数值的增长相应。由此出发，上界ct,max的作用是，无论温度值如何，亦即即使在临界低温范围内，要施加用于夹紧力的制动力总是大于预先给定的最小值，以对制动力的减少进行限界并且因此能够遵守由此产生的最大允许的制动距离。换句话说，上界ct,max可有助于在相对应的制动力控制
中保持最小制动力或者说最小夹紧力。例如，函数f1(t)限定为，使得f1(t)总是小于或等于基准摩擦系数μ
ref
，或者说在相对应的归一化的情况下小于或等于1。
[0062]
下界c
t,min
在温度高的情况下与制动力或夹紧力相应，所述制动力或夹紧力在进一步增大的情况下会导致用于施加和/或接收力的制动系统损害。因此，下界c
t,min
可有助于过载保护。
[0063]
上述对关于低温或者说高温的上界或者说下界的陈述针对的是摩擦系数在这些温度范围中的相应实际的现象学的特性。换句话说，在这里，关于摩擦系数在这些温度范围中的特性而言使用所述界限，在低温下在摩擦系数更高的情况下使用上界，并且在更高的温度下在摩擦系数更低的情况下使用下界。
[0064]
替代地或补充地，将函数f2(v)选择为，使得下界c
v,min
大于或等于代表基准摩擦系数的数值，和/或上界c
v,max
代表要施加的最小夹紧力(fb)。
[0065]
在实践中，下界c
v,min
例如在速度更高的情况下是重要的，以排除制动执行器的过载。为了避免产生的制动力太小并且制动距离因此而延长，可通过上界c
v,max
限制特性曲线。因此，这样的函数描述尤其在速度小的情况下引起对摩擦系数的特别是在停车过程中升高的过程的补偿。
[0066]
另外替代地或补充地，将函数f3(fb)选择为，使得上界c
fb,max
和/或下界c
fb,min
适配于制动衬片-制动盘-配对。
[0067]
如其已被提出用于函数f1(t)和f2(v)那样，在类似的考虑下得出限制，其中，对f1(t)和f2(v)也能考虑材料配对依赖性。
[0068]
在上述方法实施方式中的一种构型中，线性函数f1(t)、f2(v)和/或f3(fb)在用于估计摩擦系数(μ)的方程中尤其至少分段地根据相应的限定范围被分配不同的加权因子。
[0069]
在上述方法实施方式的帮助下，对摩擦值的估计原则上允许在一定程度上对依赖于状况的摩擦值的影响进行补偿。当在控制中使用恒定的摩擦值时，这仅对于特定的场景来说是可行的。相应的补偿所依据的由线性函数形成的特性曲线可配备相应的加权因子以调节其补偿行为。加权因子例如可处于0％(亦即恒定的依赖于相应的系统值的摩擦系数或者说没有补偿)与100％(亦即特性曲线完全有效)之间。应用加权因子的一个原因可以是安全性方面，因为当今的制动系统的现有技术通常与恒定的摩擦值考虑有关并且因此会限制出于安全性方面的补偿措施在其范围内的作用。
[0070]
加权因子根据相应的限定范围和/或预先确定的数值范围可以是能适配的。替代地或补充地，在需要的情况下加权也可根据确定的边界条件，例如列车的运动状态(例如行驶、制动、静止)、制动系统的状态(例如也依赖于：制动调节类型，如具有减速调节和不具有减速调节；制动类型，如紧急制动或行车制动；制动设备的状态，如新的制动衬片相对于旧的制动衬片)和/或在时间上受限地构成为可变的。
[0071]
在此，在应用加权因子的情况下，也可区分用于估计摩擦系数的作为模型值或者说模型参数的加权因子与用于控制目的或者说作为限制参数的加权因子。例如关于在用于映射物理条件的模型的意义中的摩擦值估计可在因子分解中进行线性函数的加权。因此，摩擦系数的模型值例如可表达为μm≈f0*g
m1
*f1(t)*g
m2
*f2(v)*g
m3
*f3(fb)，其中，g
m1
至g
m3
表示根据模型的线性函数的各自的加权因子。关于控制目的，这些加权因子又可符合需求地假设为另外的数值。因此，相对应的为这样的控制目的估计的摩擦系数μs例如可表达为μs≈
f0*g
s1
*f1(t)*g
s2
*f2(v)*g
s3
*f3(fb)，其中，g
s1
至g
s3
是根据控制目的的线性函数的各自的加权因子。因此，加权因子gm类似于关于下界或者说上界的实施方式表示模型参数，而加权因子gs表示限制参数。
[0072]
出于控制目的，估计的摩擦系数μs也可以直接通过能分配给估计的摩擦系数μm的加权因子表达，而不是给相应的线性函数分配单独的加权因子，即μs≈g
sm
*μm，其中g
sm
与关于模型值的加权因子相对应。在此，在一种实施形式中，不是直接对摩擦系数的模型值μm进行加权，而是对摩擦系数μm与基准摩擦系数μ
ref
的偏差进行加权。在这种情况下，出于控制目的估计的摩擦系数μs可示例性地表示为μs≈μ
ref
+g
ref
*(μ
m-μ
ref
)，其中，g
ref
为基准偏差加权因子。在这里，加权因子g
sm
符合g
sm
＝μ
ref
/μm+g
ref
*(1-μ
ref
/μm)。
[0073]
在另一方面中，本发明也涉及一种用于轨道车辆的制动控制的方法，其中，轨道车辆的中心的制动控制设备操控一个或多个局部的主制动控制。在此，每个局部的主控制装置(例如每个车厢或转向架)控制至少一个制动设备并且依赖于通过应用上述方法估计的摩擦系数进行适配。
[0074]
在上述方法中，估计的摩擦系数用于使主制动控制进行适配。因此，例如可在估计摩擦系数的基础上相对于恒定的摩擦系数关于当前的摩擦关系更加准确地操控所述至少一个制动设备。替代地或补充地，适配可以是对控制特性本身进行适配而不仅是对进入到控制中的摩擦系数值进行适配。在一种变型方案中，关于控制特性的适配可另外规定，即例如仅在预先确定的情况中，如在确定的制动过程或制动设备的状态中，尤其在对于变化的摩擦系数特别敏感的情况下在主控制中考虑所估计的摩擦系数。通过这种选择性的考虑可减轻主控制的负担。
[0075]
用于制动控制的方法可尤其用于通过中心的制动控制设备操控一个或多个用于相应的制动设备的局部的主制动控制单元，其中，局部相应地根据局部估计的摩擦系数对主制动控制进行适配。如果存在局部不同的摩擦系数，则局部适配的主制动控制可提高主制动控制的全列车的准确度。
[0076]
中心的制动控制设备例如根据预先给定的控制策略操控分布在列车上的局部的主制动控制单元，其中，局部地根据局部估计的摩擦系数对主制动控制进行适配。列车通常可具有多个局部的主制动控制单元，例如每个车厢或转向架具有至少一个主制动控制单元。中心的制动控制单元将总列车制动力按照确定的准则分配到各个局部的主制动控制单元上。如已经提出的那样，用于此目的的主制动控制及其局部的适配对局部的力调控有积极的作用，并且因此总体上也对列车的总制动力的准确度有积极的作用，并且因此对列车减速有积极的作用。因此，可更好地保持制动距离。
[0077]
在一种构型中，主制动控制作为对用于所述至少一个制动设备的减速调节单元的预控制进行。
[0078]
由此，如上所述，全列车的减速控制或者说减速调节例如可与局部的摩擦系数估计组合。在此，各个车轮组或者说转向架的摩擦系数估计可经由主制动控制及其适配用作为对减速调节单元(如全列车作用的减速调节器)的预控制。因此，该调节器在其作用中得到支持并且例如仅还必须补偿得到的列车减速中的最小的差异。同样，通过与减速调节结合，对摩擦系数估算器的准确度要求是适度的，因为全列车的减速调节总的来说可补偿在摩擦系数估计中的偏差或者说不准确性。出于这个原因，用于特性曲线的参数的确定明显
变得简单，因为尤其是直接用车辆进行更少的测试行驶和/或进行更少的试验台运行可以是足够的。
[0079]
在一种拓展方案中，当所要求的减速与实际的减速之间的差距超过预先确定的上限值时，通过减速调节单元进行调节。
[0080]
因此，所述至少一个制动设备的制动控制则仅当存在预先确定的减速偏差时通过减速调节单元的调节干预进行。否则，制动控制对应于由主控制进行的预控制。因此，进一步减轻了减速调节单元或者说减速调节的负担。
[0081]
预先确定的上限值可以是能适配的。例如可为行车制动设置比紧急制动情况中更高的减速偏差的上限值。这也可通过类似的方式与制动设备的状态联系在一起，其中，在状态的基础上归类为降低的制动功率可规定更低的上限值。
[0082]
在制动控制的一种方法变型方案中，则至少当所要求的减速与实际的减速之间的差距超过预先确定的上限值时对主制动控制进行适配。
[0083]
该方法变型方案可涉及以下情况，在所述情况中主制动控制本身操控制动设备或用作为减速调节的预控制。在此，适配尤其涉及由于考虑到估计的摩擦系数和/或加权因子的适配而对控制特性进行的适配。
[0084]
因此，主控制的适配根据预先给定的上限值仅在所要求的减速与实际的减速之间有相对应的偏差的情况下进行并且因此可按照这样的情况进行限制。上限值例如也可依赖于外部的边界条件和/或优化标准可变地限定。替代地或补充地，也可依赖于系统值对摩擦系数的能预期的影响以及因此对所要求的减速与实际的减速之间的偏差的能预期的影响确定相应的界限值和/或也确定主控制本身的适配。例如，可在低于或超过确定的制动盘温度、摩擦速度和/或夹紧力的意义中达到的情况下设置本身的适配。
[0085]
在另一变型方案中，仅在主控制的预先确定的应用情况中考虑估计的摩擦系数。
[0086]
例如，轨道车辆的通常的运行可相对容忍实际摩擦系数与估计为常数的摩擦系数相比的偏差。在紧急情况中(如紧急制动)或关于另外的优化需要(例如在限界到一路段上的噪音防护)，更准确的估计可变得重要。
[0087]
在另一方面中，本发明涉及一种用于轨道车辆的制动控制设备，其用于将夹紧力提供道制动盘上，其中，该制动控制设备配置为，使得能依赖于摩擦系数应用用于估计摩擦系数的方法或用于轨道车辆的制动控制的方法来控制夹紧力。
[0088]
制动控制可以是针对用于制动控制的方法所描述的中心的制动控制，但也可局部地设置。在中心的制动控制的情况下对摩擦系数的估计也不是必须局限于对主调节或主控制的适配，而是也可直接参与到制动部件的直接操控中或者说将夹紧力提供到制动盘上中。
[0089]
另外，本发明在另一方面中涉及一种计算机程序产品，其具有存储在机器可读的载体上的程序代码，所述程序代码构造用于当其在数据处理设备上实施时促使该数据处理设备实施上述用于估计摩擦系数的方法或上述用于轨道车辆的制动控制的方法。
[0090]
类似于上述关于相应方法的实施方式得到优点。
附图说明
[0091]
下文中将参照附图对本发明进行更详细的阐释。图中详细示出：
[0092]
图1示出作为根据本发明的用于估计摩擦系数的方法的示例性的第一实施形式的用于根据制动盘温度、摩擦速度和夹紧力对摩擦系数进行估计的模型；
[0093]
图2示出作为根据本发明的用于估计摩擦系数的方法的示例性的第二实施形式的用于根据制动盘温度和摩擦速度对摩擦系数进行估计的模型；
[0094]
图3示出作为根据本发明的用于估计摩擦系数的方法的示例性的第三实施形式的用于根据摩擦速度对摩擦系数进行估计的模型；
[0095]
图4示出作为根据本发明的用于制动控制的方法的示例性的第一实施形式的框图；
[0096]
图5示出作为根据本发明的用于制动控制的方法的示例性的第二实施形式的框图。
具体实施方式
[0097]
图1示出作为根据本发明的用于估计摩擦系数μ的方法的示例性的第一实施形式的用于根据制动盘温度t、摩擦速度v和夹紧力fb对摩擦系数μ进行估计的模型。为此，首先分别根据与其对应的系统值即制动盘温度t、摩擦速度v和夹紧力fb求取摩擦系数μ
t
、μv和μfb。摩擦系数μ
t
与不同制动盘温度t下的摩擦系数相对应，其中，夹紧力fb(这里示例性地为25kn)和摩擦速度v(这里示例性地为15m/s)保持恒定或假设为恒定。与之类似地，摩擦系数μv与不同摩擦速度v下的摩擦系数相对应，其中，制动盘温度t或者说平均的制动盘温度tm(这里示例性地为100℃)和夹紧力fb(这里示例性地为25kn)保持恒定或假设为恒定。与之类似地，摩擦系数μ
fb
也与不同夹紧力fb下的摩擦系数相对应，其中，制动盘温度t或者说平均的制动盘温度tm(这里示例性地为100℃)和摩擦速度v(这里示例性地为15m/s)保持恒定或假设为恒定。因此，依赖于所述系统值之一的摩擦系数相应地不依赖于另外所提及的系统值的变化。各摩擦系数μ
t
、μv和μfb可根据经验(例如根据试验台试验)和/或借助另外的模型计算求取。
[0098]
在第二步骤中通过分段的线性函数对所求取的摩擦系数μ
t
、μv和μfb的曲线进行近似。例如通过分段的线性函数f1(t)对依赖于制动盘温度t的摩擦系数μ
t
进行描述。在制动盘温度t《t0的范围中，亦即在限定范围t《t0中，f1(t)是恒定的。在制动盘温度t0≤t≤t1的范围中，亦即在限定范围t0≤t≤t1中，代表摩擦系数μ
t
的函数f1(t)的函数值随着温度的增长而线性地减小。函数f1(t)在限定范围t0≤t≤t1中选择为，使得不低于预先确定的下界c
t,min
。
[0099]
也通过分段的线性函数f2(v)对依赖于摩擦速度v的摩擦系数μv进行描述。在摩擦速度v0≤v≤v1的范围中，亦即在限定范围v0≤v≤v1中，代表摩擦系数μv的函数f2(v)的函数值随着摩擦速度线性地减小。函数f2(v)在限定范围v0≤v≤v1中选择为，使得不超过预先确定的上界c
v,max
。在摩擦速度v《v0的范围中，亦即在限定范围v《v0中，f2(v)是恒定的。
[0100]
通过分段的线性函数f3(fb)对依赖于夹紧力fb的摩擦系数μfb进行描述。在夹紧力fb《f0的范围中，亦即在限定范围fb《f0中，f3(fb)是恒定的。在夹紧力f0≤fb≤f1的范围中，亦即在限定范围f0≤fb≤f1中，代表摩擦系数μ
fb
的函数f3(fb)的函数值随着摩擦速度的增长线性地增大。函数f3(fb)在限定范围f0≤fb≤f1中选择为，使得不超过预先确定的上界c
fb,max
。
[0101]
估计的摩擦值μ根据以下方程由分段的线性函数f1(t)、f2(v)和f3(fb)估计得出：
[0102]
μ≈f0*f1(t)*f2(v)*f3(fb)，
[0103]
其中，f0代表基准摩擦系数μ
ref
，并且f1(t)是依赖于制动盘温度(t)的线性函数、f2(v)是依赖于摩擦速度(v)的线性函数以及f3(fb)是依赖于夹紧力(fb)的线性函数。
[0104]
在这种情况下，基准摩擦系数μ
ref
是在低温和适当的速度下出现的摩擦系数。在这些范围中，摩擦系数几乎是恒定的，使得近似得到基准摩擦系数水平。值f0可作为常数要么直接等于基准摩擦系数μ
ref
要么至少与之成正比。
[0105]
因此，基于上述摩擦系数因子分解的办法，当前的摩擦系数μ或者说μ(t,v,fb)可以好地近似估计为来自各个特性曲线的摩擦系数因子与基准摩擦系数μ
ref
或者说代表这个基准摩擦系数μ
ref
的常数f0相乘的乘积。
[0106]
为了估计与基准摩擦系数μ
ref
成比例的摩擦系数μ，分段的线性函数f1(t)、f2(v)和f3(fb)针对基准摩擦系数μ
ref
进行归一化。
[0107]
这里分段的线性函数f1(t)、f2(v)和f3(fb)例如由分段的线性函数f1(t)、f2(v)和f3(fb)得到，如下所示：
[0108]
具有下界
[0109]
具有上界和
[0110]
具有上界
[0111]
要注意的是，在使用温度特性曲线的情况下当前的制动盘温度必须至少作为好的近似值已知。如果没有基于传感器的温度能作为测量值使用，则优选应用执行正确地参数化的温度模型以进行估计。
[0112]
图2示出作为根据本发明的用于估计摩擦系数的方法的示例性的第二实施形式的用于估计依赖于制动盘温度t和摩擦速度v的摩擦系数μ的模型。第二实施形式与第一实施形式的区别如下在于：忽略摩擦系数与夹紧力fb的依赖性并且模型因此由仅还剩两个的通用的特征或者说系统值依赖性组成，这允许对制动衬片-制动盘-摩擦系数的行为进行还更简单的但在多数情况下足够准确的补偿。
[0113]
因此，根据以下方程由分段的线性函数f1(t)和f2(v)对估计的摩擦值μ进行估计：
[0114]
μ≈f0*f1(t)*f2(v)
[0115]
其中，f0代表基准摩擦系数μ
ref
，并且f1(t)是依赖于制动盘温度(t)的线性函数，并且f2(v)是依赖于摩擦速度(v)的线性函数。
[0116]
图3示出作为根据本发明的用于估计摩擦系数的方法的示例性的第三实施形式的用于根据摩擦速度v对摩擦系数μ进行估计的模型。
[0117]
这种进一步的简化基于以下考虑：可忽略夹紧力fb和温度t的依赖性并且模型因此由仅还剩一个的通用的特征组成。因此，附加需要的参数被限制到最小值上，并且不需要附加的温度测量或(例如基于温度模型的)温度估算。就这方面来说，这在实践中可以有利的是，可补偿摩擦值在停车过程期间的典型的升高并且因此能够更加目标准确地制动。如已在开头所提出的那样，这尤其在具有ato系统(自动列车运行系统)的列车中是有利的。
[0118]
因此，根据以下方程由分段的线性函数f2(v)对估计的摩擦值μ进行估计：
[0119]
μ≈f0*f2(v)
[0120]
其中，f0代表基准摩擦系数μ
ref
，并且f2(v)是依赖于摩擦速度(v)的线性函数。
[0121]
图4示出作为根据本发明的用于借助制动控制设备1进行制动控制的方法的示例性的第一实施形式的框图。在此，该方法使用根据上述实施方式的估计的摩擦系数μ。
[0122]
制动控制设备1包括中心的制动控制设备10、减速调节单元25以及用于制动设备30的主制动控制单元20。减速调节单元25可以是中心的制动控制设备10的部分并且因此也能在全列车使用。即使在图4中示例性地仅示出一个主制动控制单元20，中心的制动控制单元10或者说减速调节单元20可连接到多于一个的主制动控制单元20上。这些主制动控制单元可以是各局部的主制动控制单元20，所述局部的主制动控制单元又与至少一个局部配属其的制动设备30连接。用于这里局部的主制动控制单元20的主制动控制由中心的制动控制设备10或者说减速调节单元25预先规定。
[0123]
另外，制动控制设备包括估计单元40，也被称为fca。直接作用于主制动控制单元20或者说主制动控制的估计单元用作为减速调节单元25的预控制装置。为此，主制动控制单元20可传输经由估计单元40估计的摩擦系数μ。估计单元40根据上述方法变型方案中的一种方法变型方案在当前求取的和/或估计的制动盘温度t、摩擦速度v和/或夹紧力fb的系统值的基础上估计摩擦系数μ。在此，估计单元40例如可单独构成或构造为主控制单元20的部分。估计的摩擦系数在这里示例性地连续地供主制动控制单元20使用或者说相应地在主制动控制中被考虑。替代地，如之后还将对根据图5的方法变型方案进行描述那样，主制动控制单元20可仅在预先给定的情形中考虑估计的摩擦系数，例如依赖于相应的制动过程(如行车制动或紧急制动)和/或制动设备状态。在另外的情况中，主制动控制也可以恒定的摩擦系数为基础。
[0124]
由主制动控制单元20照此而设置的主制动控制形成了用于由减速调节单元25进行的上级的减速调节的预控制。由于估计单元40更加精确地为每个配属于其的主制动控制单元20调控制动压力并且以此调控制动力以适配主制动控制，也得到列车减速中更小的偏差，上级的减速调节必须更少地补偿所述偏差。因此，局部的估计单元40与相应的局部的主制动控制单元20共同作用的总和用作为对上级的全列车的减速调节的预控制。换句话说，局部的主制动控制单元20和局部的估计单元40的使用实现了力引入的局部适配，所述力引入的局部适配总体上更加准确地对全列车的减速进行预控制并且因此减轻了减速调节的负担。要注意的是，各局部的估计单元可提高主制动控制的适配准确度，但也可使用全列车的估计单元40。这可能不那么精确，但可简化所需的数据求取和/或减少所需的传感器。
[0125]
在图4中所示的方法构型中，直接或间接通过监测单元50监测制动设备30。在此，监测单元50例如求取制动设备30的实际的减速a
ist
。只要在实际的减速a
ist
与所要求的减速a
soll
之间的差距超过预先确定的上限值δa
max
，就激活通过减速调节单元25的减速调节，如在图4中通过用“是”标记的箭头标明的那样。因此，减速调节仅在需要时工作。
[0126]
但也可规定，减速调节和预控制或者说主制动控制在不管监测单元50和与之相关的监测结果或另外的条件的情况下并行且长期工作。这在图4中通过从制动设备30到减速调节单元25的虚线箭头标明。为此，制动设备30的数据传输给减速调节单元25。替代地或补充地，转达给减速调节单元25的数据也可由监测单元50提供。在通过估计的摩擦系数进行相对应更准确的预控制的情况下，减速调节单元已经可被充分地卸载，以便仅还必须补偿
或完全干预小的差。因此，减速偏差直接影响减速调节单元25以及其对主控制20和制动设备30的操控。而上述由于超过界限值而引起的对减速调节的干预例如可带来以下优点，即干预条件可通过简单的方式进行适配。如果减速调节长期一起运行，则但也可替代地或补充地通过减速调节单元考虑并补偿变化的边界条件，例如通过变化的调节行为，这依赖于各种因素，如制动过程的类型和/或制动设备30的状态。
[0127]
图5示出作为根据本发明的用于借助制动控制设备1
′
进行制动控制的方法的示例性的第二实施形式的框图。在此，该方法也使用根据上述实施方式估计的摩擦系数μ。
[0128]
如已经对图4所描述的那样，制动控制设备1
′
包括中心的制动控制设备10，所述中心的制动控制设备10为主制动控制单元20预先规定了用于制动设备30的主制动控制。在这里，主制动控制单元20也可构成中心的制动控制设备10的部分或与之分开地构造。
[0129]
第二实施形式的方法与第一实施形式的方法的区别主要在于，这里重要的是通过主制动控制单元20对主制动控制进行适配。而在一种拓展方案中，主制动控制单元20也可如对第一实施形式所描述的那样与减速调节单元25或另外与类似的减速调节组合。在此，减速调节单元25可与中心的制动控制设备10组合。
[0130]
制动控制设备1
′
在所示的实施形式中也具有监测单元50，所述监测单元监测通过主制动控制的实际的减速a
ist
。只要在实际的减速a
ist
与所要求的减速a
soll
之间的差距超过预先确定的上限值δa
max
，则适配主制动控制单元20的主制动控制。为此，经由估计单元40估计的摩擦系数μ被传输给主制动控制单元20。估计单元40根据上述方法变型方案之一在当前所求取的和/或估计的制动盘温度t、摩擦速度v和/或夹紧力fb的系统值的基础上估计摩擦系数μ。在此，估计单元40例如可单独地构造或构成为主控制单元20的部分。另外，通过估计单元40对摩擦系数μ的估计可不依赖于是否超过上限值δa
max
持续或定期进行并且仅在需要时传输。替代地，也可仅当这由于超过上限值δa
max
而设置用于将所估计的摩擦系数μ传输到主控制20上时，才通过估计单元40对摩擦系数μ进行估计。在图4中所示的方法变型方案中主制动控制单元20的适配针对的是根据减速偏差对在相应的边界条件下所估计的摩擦系数做出的考虑。而总的来说，术语主控制的适配原则上也包括使用根据估计变化的摩擦系数以及随之出现的调整参量的适配。而适配也可引起控制特性本身的变化，亦即例如传递函数的适配。
[0131]
本发明不限于所述的实施形式。例如，即使在用于估计摩擦系数的方法的第二和第三实施形式中没有考虑摩擦系数与夹紧力的线性的依赖性，也可使用其来代替制动盘温度和/或摩擦速度，只要不是所有的系统值被同等地考虑。
[0132]
附图标记
[0133]
1、1
′
制动控制设备
[0134]
10中心的制动控制设备
[0135]
20主制动控制单元
[0136]
25减速调节单元
[0137]
30制动设备
[0138]
40估计单元
[0139]
50监测单元
[0140]
μ估计的摩擦系数
[0141]
μ
max
上限值(摩擦系数)
[0142]
μ
min
下限值(摩擦系数)
[0143]
μ
ref
基准摩擦系数
[0144]cfb,min/max
f3(fb)的上界或者说下界
[0145]ct,min/max
f1(t)的上界或者说下界
[0146]cv,min/max
f2(v)的上界或者说下界
[0147]
fb夹紧力
[0148]
t制动盘温度
[0149]
v摩擦速度
[0150]aist
实际的减速
[0151]asoll
所要求的减速
[0152]
δa
max
上限值

技术特征：
1.用于估计制动衬片-制动盘-配对的摩擦系数(μ)的方法，其中，依赖于基准摩擦系数(μ
ref
)通过制动盘温度(t)和/或摩擦速度(v)和/或夹紧力(f
b
)的至少一个线性函数估计摩擦系数(μ)。2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据以下方程估计摩擦系数(μ)：μ≈f0*f2(v)，其中，f0代表基准摩擦系数μ
ref
并且f2(v)是依赖于摩擦速度(v)的线性函数。3.根据权利要求1所述的方法，其中，根据以下方程估计摩擦系数(μ)：μ≈f0*f1(t)*f2(v)，其中，f0代表基准摩擦系数μ
ref
，并且f1(t)是依赖于制动盘温度(t)的线性函数，并且f2(v)是依赖于摩擦速度(v)的线性函数。4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据以下方程估计摩擦系数(μ)：μ≈f0*f1(t)*f2(v)*f3(f
b
)，其中，f0代表基准摩擦系数μ
ref
，并且f1(t)是依赖于制动盘温度(t)的线性函数、f2(v)是依赖于摩擦速度(v)的线性函数以及f3(f
b
)是依赖于夹紧力(f
b
)的线性函数。5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，函数f1(t)、f2(v)和/或f3(f
b
)至少是分段线性的。6.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，将函数f1(t)、f2(v)和/或f3(f
b
)针对基准摩擦系数(μ
ref
)进行归一化。7.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，将函数f1(t)、f2(v)和/或f3(f
b
)的在函数的限定范围中的数值范围通过限制参数限制到下界和/或上界c
t
、c
v
和/或c
fb
上。8.根据权利要求7所述的方法，其中，将函数f1(t)选择为，使得上界c
t,max
小于或等于代表基准摩擦系数(μ
ref
)的值和/或下界c
t,min
代表要施加的最大夹紧力(f
b
)。9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，将函数f2(v)选择为，使得下界c
v,min
大于或等于代表基准摩擦系数(μ
ref
)的值和/或上界c
v,max
代表要施加的最小夹紧力(f
b
)。10.根据权利要求7至9之一所述的方法，其中，将函数f3(f
b
)选择为，使得上界c
fb,max
和/或下界c
fb,min
适配于制动衬片-制动盘-配对。11.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，在用于估计摩擦系数(μ)的方程中将不同的加权因子分配给线性函数f1(t)、f2(v)和/或f3(f
b
)，尤其是至少分段地依赖于相应的限定范围分配。12.用于轨道车辆的制动控制的方法，其中，轨道车辆的中心的制动控制设备(10)为至少一个制动设备(30)预先规定主制动控制并且使所述主制动控制依赖于通过应用根据权利要求1至11之一所述的方法所估计的摩擦系数(μ)进行适配。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述主制动控制作为用于所述至少一个制动设备(30)的减速调节单元(25)的预控制进行。14.根据权利要求13所述的方法，其中，当所要求的与实际的减速(a
ist
、a
soll
)之间的差距超过预先确定的上限值(δa
max
)时，通过减速调节单元(25)进行调节。15.用于轨道车辆的制动控制设备(1)，其用于将夹紧力(f
b
)提供到制动盘上，其中，所述制动控制设备(1)配置为使得夹紧力(f
b
)能在应用根据权利要求1至11之一所述的方法或根据权利要求12至14之一所述的方法的情况下依赖于摩擦系数(μ)被控制。
16.计算机程序产品，该计算机程序产品具有存储在机器可读的载体上的程序代码，所述程序代码构造用于当其在数据处理设备上实施时促使该数据处理设备实施根据权利要求1至11之一所述的方法或根据权利要求12至14之一所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种用于估计制动衬片-制动盘-配对的摩擦系数(μ)的方法，其中，依赖于基准摩擦系数(μ


技术研发人员：R
受保护的技术使用者：克诺尔轨道车辆系统有限公司
技术研发日：2021.11.11
技术公布日：2023/8/28