工作循环记录系统和用于估计传动系统部件的损伤和剩余寿命的方法

摘要

一种用于车辆的工作循环记录系统，所述车辆具有传动系统，该传动系统具有多个传送系统部件和多个传感器。工作循环记录系统可以包括：控制单元和通信链路。控制单元可以接收传感器读数、基于传感器读数计算传动系统部件的损伤估值、和基于损伤估值计算传动系统部件的估计剩余寿命(ERL)估值。通信链路可以传输计算得出的损伤估值和ERL估值。控制单元可以对传动转矩传感器读数和传动速度传感器读数进行采样，并且针对每个样本可填充车辆已经经历的传动转矩和传动速度的三维柱状图数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种车辆传动系统部件，并且更具体地涉及车辆传动系 统部件的损伤和剩余寿命的估计。

背景技术

当对公路机动车应用和非公路机器应用进行设计时，理想的是对工 作循环有一个清楚和精确的理解，特定的机器或多个机器的传动系统经 历所述工作循环。虽然对传动系统转矩和速度的预期范围的认识通常对 设计过程是有帮助的，但是系统在各种转矩和速度条件的组合状况下持 续经历的时间量(即“工作循环”)才主要地决定传动系统部件在机器的 使用寿命期间发生的损伤的程度。

现在机械设计人员和设备制造商所面临的重要问题是非公路车辆传 动系统的工作循环的全面和精确的信息的缺乏。该情况是由多种因素导 致的。用于从中获取工作循环数据的实验机器的生产和操作可能是昂贵 的。提供出于工作循环收集目的的试验机器的成本通常是较高的。实验 机器的数量通常较少，试验持续时间通常较短，试验操作人员通常较少， 因此限制了可获得的数据的数量和广度。从顾客所拥有的机器中获取数 据的方法存在多种缺点，并且利用过去的仪器和数据收集方法获取数据 是困难的。传动系统实验室试验装置可能引入不精确度，这是因为在实 验室环境中不能高度真实地轻易复制车辆所特有的整个系统动力。因此， 通过对传动系统进行超安全标准设计和过度试验，对工作循环进行最好 地估算和最差的推测。在没有精确工作循环数据的情况下，存在如下风 险：传动系统设计或有效性试验可能无法涉及因机器的预料之外的应用 而导致出现的状况。

次要的问题是期望估计单个车辆的传动系统中的关键机械部件的剩 余寿命，并且使该数据对于操作人员或服务技术人员而言是可获得的。 在不具备收集和存储精确的和全面的工作循环数据的能力的情况下，剩 余寿命的计算是不可能完成的。

应当理解，传动系统部件的工作循环能够被用于向传动系统的承受 疲劳和磨损的各个关键部件(例如，齿轮、轴承)的设计和/或维修决策 提供信息。当机器传动系统工作循环信息在设计用于新的或类似的机器 的传动系统之前是已知的，那么在如下的很多方面是有利的，例如，减 少或消除传动系统设计和试验的重复、适当地设定各个传动系统部件的 尺寸、适当地设计实验室耐久性和可靠性测试等。当机器传动系统工作 循环信息在生产和销售机器期间是已知的，那么在如下的很多方面也能 够是有利的，例如，增加机器可用时间、减少保修要求和相关的成本、 在损伤数字(damagefigures)具有高变化率的多个机器中识别出各个机 器、提前计划和规划维修(预报/预示维修)等。

理想的是具有如下的系统和方法，该系统和方法在车辆使用过程中 通过车载系统收集和处理传动系统工作循环信息。

发明内容

本发明公开了具有传动系统的车辆的工作循环记录系统的实施方 式，所述传动系统具有多个传送系统部件和多个传感器。工作循环记录 系统可以包括：电子控制单元和通信链路。所述电子控制单元可包括控 制处理器，所述控制处理器配置为接收来自所述多个传感器的传感器读 数、基于接收到的传感器读数计算传动系统部件的损伤估值、和基于所 述损伤估值计算传动系统部件的估计剩余寿命估值。所述通信链路配置 为与所述电子控制单元通信，并且传输计算得出的传动系统部件的损伤 估值和估计剩余寿命估值。

在一些实施例中，所述电子控制单元还可包括控制处理器能够访问 的控制存储器，该控制存储器存储所述车辆已经经历的传动转矩和传动 速度的三维柱状图数据。所述多个传感器可包括提供传动转矩传感器读 数的传动转矩传感器和提供传动速度传感器读数的传动速度传感器。所 述控制处理器可配置为对传动转矩传感器读数和传动速度传感器读数进 行采样，并且针对每个样本，在所述三维柱状图数据中找到所采样的传 动转矩传感器读数和传动速度传感器读数的相对应的单元，并且使所述 三维柱状图数据中的所述相对应的单元的单元计数器递增。可基于收集 的三维柱状图数据计算传动系统部件的损伤估值。所述通信链路可配置 为以固定的时间间隔和根据需求无线地传输计算得出的损伤估值和估计 剩余寿命估值和收集的三维柱状图数据。

在其他实施例中，所述电子控制单元还可包括控制处理器能够访问 的控制存储器，其中控制存储器存储车辆已经经历的传动转矩和传动速 度的多个三维柱状图数据，所述多个三维柱状图数据中的每一个三维柱 状图数据用于不同的传动操作齿轮。所述多个传感器可包括分别提供传 动操作齿轮传感器读数、传动转矩传感器读数和传动速度传感器读数的 传动操作齿轮传感器、传动转矩传感器和传动速度传感器。所述控制处 理器可配置为对传动操作齿轮传感器读数、传动转矩传感器读数和传动 速度传感器读数进行采样，并且每个样本，首先在所述多个三维柱状图 数据中选择用于被采样的传动操作齿轮的三维柱状图数据，然后在所选 择的三维柱状图数据中找到所采样的传动转矩传感器读数和传动速度传 感器读数的相对应的单元，并且使所选择的三维柱状图数据中的所述相 对应的单元的单元计数器递增。可基于收集的多个三维柱状图数据计算 传动系统部件的损伤估值。所述通信链路可配置为以固定的时间间隔和 根据需求无线地传输计算得出的损伤估值和估计剩余寿命估值和收集的 多个三维柱状图数据。

工作循环记录系统还可以包括车载数据网络，电子控制单元联接到 该车载数据网络，并且该电子控制单元配置为通过车载数据网络接收来 自多个传感器的传感器读数。工作循环记录系统还可以包括联接到车载 数据网络的车辆数据变送器，其中通信链路是该车辆数据变送器的一部 分，电子控制单元和车辆数据变送器通过车载数据网络进行通信。通信 链路可以被构造为以固定的时间间隔和根据需求无线地传输计算的损伤 估值和估计剩余寿命估值，以及收集的三维柱状图数据。

车辆数据变送器还可以包括变送器处理器和变送器存储器。控制处 理器可以配置为将收集的三维柱状图数据和计算得出的损伤估值和估计 剩余寿命估值存储在控制存储器中。变送器处理器可以配置为对控制存 储器中的收集的三维柱状图数据和计算得出的损伤估值和估计剩余寿命 估值进行采样，并且将采样得到的三维柱状图数据和损伤估值和估计剩 余寿命估值存储在变送器存储器中。通信链路可以被配置为以固定的时 间间隔和根据需求无线地传输存储在变送器存储器中的采样得到的三维 柱状图数据和损伤估值和估计剩余寿命估值。

一种工作循环记录方法可以包括：接收来自于多个传感器的传感器 读数；基于接收到的传感器读数计算用于传动系统部件的损伤估值；基 于损伤估值计算传动系统部件的估计剩余寿命估值；以及传输计算得出 的传动系统部件的损伤估值和估计剩余寿命估值。

在一些实施例中，接收传感器读数可以包括接收传动转矩传感器读 数和传动速度传感器读数；并且控制存储器可以存储车辆已经经历的传 动转矩和传动速度的三维柱状图数据。在这些实施例中，所述方法还可 以包括：对传动转矩传感器读数和传动速度传感器读数进行采样；并且 针对每个样本，在三维柱状图数据中找到所采样的传动转矩传感器读数 和传动速度传感器读数的相对应的单元；以及使三维柱状图数据中的所 述相对应单元的单元计数器递增。所述方法还可以包括：将传动系统部 件的损伤估值和估计剩余寿命估值存储在控制存储器中；对控制存储器 中的收集的三维柱状图数据、损伤估值和估计剩余寿命估值进行采样； 将采样得到的三维柱状图数据和计算得出的损伤估值和估计剩余寿命估 值存储在变送器存储器中；以及以固定的时间间隔和根据需求无线地传 输存储在变送器存储器中的采样得到的三维柱状图数据和损伤估值和估 计剩余寿命估值。

在其他实施例中，接收传感器数据包括接收传动操作齿轮传感器读 数、传动转矩传感器读数和传动速度传感器读数，并且控制存储器可以 存储车辆已经经历的传动转矩和传动速度的多个三维柱状图数据，传动 转矩额和穿的欧冠速度的多个三维柱状图数据中的每一个三维柱状图数 据用于不同的传动操作齿轮。所述方法还可以包括：对传动操作齿轮传 感器读数、传动转矩传感器读数和传动速度传感器读数进行采样；并且 针对每个样本：在传动转矩额和传动速度的多个三维柱状图数据中选择 用于所采样的传动操作齿轮的三维柱状图数据；然后在所选择的三维柱 状图数据中找到所采样的传动转矩传感器读数和传动速度传感器读数的 相对应的单元；以及使所选择的三维柱状图数据中的该相对应单元的单 元计数器递增。所述方法还可以包括：将用于传动系统部件的损伤估值 和估计剩余寿命估值存储在控制存储器中；对控制存储器中的收集的多 个三维柱状图数据、损伤估值和估计剩余寿命估值进行采样；将采样得 到的多个三维柱状图数据、损伤估值和估计剩余寿命估值存储在变送器 存储器中；以及以固定的时间间隔和根据需求无线地传输存储在变送器 存储器中的采样得到的多个三维柱状图数据、损伤估值和估计剩余寿命 估值。

从以下的说明和附图中，上述和其他特征将变得显而易见。

附图说明

对附图做出详细的说明涉及以下附图，其中：

图1示出了示例性的工作循环记录系统；以及

图2示出了示例性的三维柱状图，该图反映了用于车辆传动系统已 经经受的不同转矩和速度范围的多个样本或持续时间。

具体实施方式

需要理解的是，车辆的传动系统部件的工作循环可以向传动系统的 经受疲劳和磨损的各个关键部件(例如，齿轮、轴承)的设计和/或维修 决策提供信息。传动系统工作循环信息可以被用于处理和通信的车载电 子系统收集。该工作循环信息可以被用于各种目的，包括对传动系统部 件的损伤进行估计、和对传动系统部件的剩余寿命进行估计等。

图1示出了用于收集、记录、处理和传输传动系统工作循环信息的 系统100的示例性实施例。系统100可以包括多个车辆数据系统和传感 器120、电子控制单元140、车辆数据变送器160和车载控制器数据网络 180。所述多个车辆数据系统和传感器120、电子控制单元140、车辆数 据变送器160可以通过车载数据网络180进行通信。

多个车辆数据系统和传感器120可以监测多个车辆数据并且通过车 载数据网络180传输车辆数据。示例性的车辆数据系统和传感器120可 以包括：例如，监测实际的或估测的输入和/或输出传动轴转矩的传动轴 转矩传感器122、监测输入和/或输出传动轴速度的传动轴速度传感器 124、监测活动的传动齿轮的传动齿轮传感器126、监测车辆的行驶方向 的车辆方向传感器128、监测用于各种车辆部件和系统的时间和持续时 间信息的时间传感器130、以及各种其他传感器和传感器系统。

电子控制单元140可以位于车辆上并且经由车载数据网络180将信 息传输到其他控制器并且接收来自其他控制器的信息。电子控制单元 140可以包括控制处理器或处理器142、存储器144和车载通信链路146。

在车辆的操作期间，处理器142可以重复地对正通过车载数据网络 180传输的并且由传动轴转矩传感器122和传动轴速度传感器124获取 的当前传动转矩数据和传动速度数据进行采样。在直接接口存在的情况 下，处理器142可选地可以直接从传感器122、124对传动转矩数据和传 动速度数据进行采样。处理器142可使用该数据填入柱状图数据表152， 该数据表使用转矩范围作为一个轴，使用速度范围作为另一个轴。在一 些实施例中，对于每一对实际采样的转矩数据和速度数据，处理器142 在柱状图数据152中找到相对应的单元和使用于该单元的单元计数器递 增以记录采样的转矩值和速度值。该处理可以重复执行，使得经过一段 时间，累积在该柱状图数据152中的多个单元计数器值构成三维柱状图， 该三维柱状图反映车辆传动系统已经经受的转矩和速度以及每次经受的 相关的持续时间。图2示出了示例性的三维柱状图，该柱状图反映车辆 传动系统已经经历的不同转矩和速度范围的样本数量或持续时间。在柱 状数据152中可以保持用于各个传动操作齿轮的多个独立的表。可以具 有用于每个传动操作齿轮的一个或多个独立的三维柱状图。柱状图数据 152可以被存储在存储器144中。存储器144可以是非易失存储器，从 而在车辆熄火之后可保存该柱状数据152，并且在启动车辆时再次调用 该数据，并且可以在柱状数据152中添加额外的数据。来自存储器144 的柱状图数据152或其他数据可以在需要时被访问或者从电子控制单元 140经由车载通信链路146下载到车载控制器数据网络180。

基于由电子控制单元140通过车载数据网络180而接收的输入和柱 状图数据152，处理器142也可以计算损伤数据154和/或估计剩余寿命 (ERL，estimatedremaininglife)数据156，并且将该数据存储在存储器 144中或通过车载数据网络180将其发送出去。损伤数据154可以包括， 例如，损伤图形、损伤率图形，并且ERL数据156可以包括，例如，适 用于每个传动操作齿轮的ERL图形。通过在一段时间内跟踪各种车辆数 据和柱状图数据152，电子控制单元140可以使用本领域普通技术人员 已知的算法估算传动系统部件的损伤数据154和ERL数据156。处理器 142可以将柱状图数据152提炼成损伤数据154的几个关键损伤值，并 且然后计算传动系统部件的估计剩余寿命数据156。该数据可以包括， 例如，特定传动系统齿轮、轴承或其他部件的计算得出的损伤和损伤速 率；以及在特定的传动系统齿轮、轴承或其他部件预期失效之前还有多 长时间。通过使用由电子控制单元140所收集的数据和在维修或修理期 间检验传动系统部件可以更新和改进这些算法。与柱状图数据152类似， 损伤数据154和ERL数据156可以在车辆操作循环的至始至终过程中被 保持，并且可以在需要时通过车载通信链路146从电子控制单元140下 载。柱状图数据152、损伤数据154和ERL数据156也可按照固定的时 间间隔通过车载数据网络180传送出去。

估计剩余寿命(ERL)数据可以根据从机器已经经历的转矩-速度历 史中获得的损伤图中计算得出。通过从传动系统中的经历疲劳、损伤或 磨损的各种机械部件(例如，齿轮和轴承)的已知预期寿命图中减去损 伤图，可以计算ERL数据。针对每个感兴趣的部件计算出的差值可用作 这些部件的剩余寿命的估值，并且这些图可以在预期的维修和修理策略 中使用。

车辆数据变送器160包括处理器162、存储器164和无线通信链路 166。车辆数据变送器160的处理器162可以对由电子控制单元140计算 并通过车载数据网络180发送的柱状图数据152、损伤数据154和ERL 数据156进行采样。车辆数据变送器160的处理器162然后可以填入和 更新保存在车辆数据变送器160的存储器164中的柱状图数据172、损 伤数据174和ERL数据176。可替换地，处理器162可以对在车载数据 网络180上传输的多个传感器数据进行采样，并且与处理器142类似地 独立地创建它自己的柱状图数据172、损伤数据174和ERL数据176。 在该可替换的实施例中，车辆数据变送器160没有必要依赖于用于数据 收集和处理的电子控制单元140。

车辆数据变送器160然后可以经由无线通信链路166传输柱状图数 据172、损伤数据174和ERL数据176。车辆数据变送器160可以使用 无线通信链路166以根据需求或者以规律的时间间隔将该数据传输到其 他当地的非车载系统或者远程位置。

用户可以使用这些实时的、实际使用数据，以在车辆报废之前计划 预期的车辆维修。车辆设计人员和开发人员可以通过多个车辆的集群来 收集这些实时的、实际的使用值，并且确定这些车辆中的每一个车辆的 真实使用。车辆设计人员和开发人员然后可以使用这些收集的真实使用 数据以设定传动系统部件的尺寸、设计和测试传动系统部件。

在系统100的其他实施例中，无线通信链路166和车辆数据变送器 160的其他功能可以被合并到电子控制单元140中。在这些实施例中， 电子控制单元140可以通过车载数据网络180传输柱状图数据152、损 伤数据154和ERL数据156，并且根据需求或者以规律的时间间隔将该 数据传输到多个非车载系统和位置。

系统100可以使用车辆传动装置的输入轴转矩和输入轴速度，或者 车辆传动装置的输出轴转矩和输出轴速度。传动装置输出轴参数也可以 用作其他关键传动系统部件(例如，轮轴)的输入参数，并且了解这些 其他传动系统部件所经受的工作循环可能是有利的。

使用车辆数据变送器160的无线通信链路166而不是数据记录器可 具有潜在的优点。由于使用标准的、工厂安装的机器电子器件而不是现 场安装的额外产品或第三方供应的数据记录设备，无线通信链路166可 实现成本降低和/或对机器集群的更加全面的采样。使用无线通信链路 166还可以缩短从在机器上生成数据的时刻到接收数据以用于分析的时 刻之间的时间；并且还可以减少或消除对于专业服务人员接近机器取得 数据的需求。

词语“示例性的”用在此文中意味着用作示例、例子或例证。在本 文中被描述为“示例性的”任何方面或设计没有必要被理解为优于其他 方面或设计。然而，使用“示例性的”这一表述，旨在以具体的形式体 现一些概念。

虽然已经在附图和前文的说明中详细说明和描述了本公开，此种说 明和描述被理解为是示例性的，而不是对特征的限制，应当理解示例性 的实施例已经被示出和秒速，并且期望保护落在本公开的精神中的所有 改变和修改。应当注意，本公开的可选实施例可以不包括描述的所有特 征，但是还是从这些特征的至少一些优点中获益。本领域的普通技术人 员可以轻易地设想到它们各自的实施方式，这些实施方式包含本公开的 一个或多个特征并且落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围 中。