用于预测车辆中的车轮轴承的故障的系统及方法与流程

本发明大体上涉及车辆车轮轴承，且更具体地涉及一种用于预测车轮轴承的故障的系统及方法。

道路车辆通常在车轮和轴组件中使用车轮轴承。尽管进行了大量的磨削和抛光，但没有一个滚珠轴承是完全球形的，轴承的内保持架或外保持架也不是完全光滑的。结果，随着车轮轴承老化和磨损，轴承可能会产生振动和噪音。因此，用于监测车轮轴承性能的一种技术是在车辆使用间隔期间测量振动和噪音。但是，要执行此操作，必须在检查轴承时停止使用车辆，并且可能需要技术人员拆除或拆卸车轮轴承。

因此，期望提供一种测量车轮轴承性能并预测车轮轴承故障的非侵入式方法。另外，当车辆在道路上使用和操作时，期望能够进行这些测量和预测。此外，通过本发明的随后的详细描述和所附权利要求，结合附图和本发明的背景，本发明的其他期望特性和特征将变得显而易见。

技术实现要素：

提供了一种用于预测车辆中的车轮轴承的潜在故障的装置。该装置包括被配置为测量车轮轴承的温度的精确温度传感器和用于将温度值与阈值进行比较的处理器。当温度值超过阈值时，该过程提供用来警告车轮轴承有潜在故障的指示。

在本发明的另一方面中，该装置包括具有分别与该车速值相关联的多个阈值的存储器和用于确定车速值的车速传感器。

在本发明的另一方面中，该装置包括信号处理器，其用于在提供进行比较的温度值的过程中接收温度值。

在本发明的另一方面中，车辆是乘用车辆并且处理器被配置为在该乘用车辆已经驾驶一段时间之后将温度值与阈值进行比较。

在本发明的另一方面中，处理器被配置为存储它们日期值的温度值，并且根据日期定期地将温度值与阈值进行重新比较。

提供了一种用于预测车辆中的车轮轴承的潜在故障的方法。该方法包括操作车辆一段时间并在该时间段之后测量车轮轴承的温度值。接下来，将温度值与车轮轴承的阈值进行比较。当车轮轴承温度值超过阈值时，该方法提供用来警告车轮轴承有潜在故障的指示。

在本发明的另一方面中，该方法包括处理温度值以提供处理后的值，然后将该处理后的温度值与阈值进行比较。

在本发明的另一方面中，调节温度信号包括对温度信号进行电平移位和缓冲，使其准备好在信号处理单元中进行处理。

在本发明的另一方面中，该方法包括确定车速并根据车速选择阈值。

在本发明的另一方面中，该车辆是乘用车辆并且该方法包括操作该乘用车辆一段时间。

在本发明的另一方面中，该车辆是拖车并且该方法包括将拖车拖曳一段时间。

在本发明的另一方面中，该方法包括将温度值连同测量温度值的日期一起存储在存储器中。

在本发明的另一方面中，根据存储的日期定期地重复该方法。

在本发明的另一方面中，该方法包括测量第一和第二车轮轴承的温度值以分别提供第一和第二温度值。将第一和第二温度值相减，并且将差值与阈值进行比较。当差值超过阈值时，将第一和第二温度值进行比较以确定第一或第二轴承是否已经发生故障。当温度差未超过阈值时，将第一和第二温度值中的每一个与阈值进行比较，以确定第一和第二轴承中的一个或两个是否发生故障。

附图说明

在下文中将结合以下附图来描述本发明，其中相同的数字表示相同的元件，并且

图1是根据实施例的半牵引式拖车的图示；

图2a-c是根据实施例的乘用车辆和可由乘用车辆牵引的拖车的图示；

图3a-c是根据实施例的乘用车辆和可由乘用车辆牵引的拖车的进一步图示；并且

图4是示出根据实施例的车速与车轮轴承温度之间的相关性的图表；

图5是根据该实施例的相关车速和车轮轴承孔径阈值的图示；

图6是示出根据实施例的车轮轴承测量系统的方框图；

图7是示出根据实施例的方法的流程图；

图8a-b是示出根据实施例的另一方法的流程图；

图9是示出根据实施例车速与车轮轴承温度之间的相关性作为r-c上升和衰减时间常数的图表；

图10是示出根据实施例的等效电路的示意图；

图11是根据实施例的对用于提供作为车速的函数的温度阈值的图10的示意图进行建模的等式。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本文公开的系统和方法的应用和使用。此外，不期望受到前述背景或以下详细描述所体现的任何原理的限制。

图1是根据示例性实施例的适于结合本发明的教导的半牵引式拖车100的图示。半牵引式拖车100包括用于沿道路拖曳运输各种货物的拖车104的牵引车102。牵引车102和拖车104都采用轮胎和车轮组件106，每个轮胎和车轮组件106具有车轮轴承108。如本文所使用的，术语“车辆”包括乘用车辆和拖车车辆，这些拖车车辆可以由乘客车辆沿道路拖曳。本发明涵盖了所有类型的车辆，这些车辆的非限制性实例包括图2a中示出的乘用车辆200，其可以足尖公用拖车202(图2b)或船用拖车204(图2c)或具有在乘用车辆200拖曳能力内的重量的其他拖车。其他非限制性实例包括图3a中示出的卡车乘用车300，其可以足尖承包商拖车302(图3b)或休闲车辆拖车304(图3c)。

图4是示出车速402与良好(在规格公差内)车轮轴承404和潜在故障车轮轴承406的测量温度之间的关系的图表400。可以看出，车速可以与温度的上升和下降相关，如相关点408所示。特别是在车辆已经运行了一段时间410之后，速度和车轮轴承温度之间的这种相关性非常明显，使得车轮轴承已经加热到超过初始或环境温度至工作温度。在本发明的基本实施例中，本文公开的系统和方法利用如下原理：由于车轮轴承的旋转转矩的增加，潜在机械故障、车轮轴承、或超出规格公差操作的车轮轴承将具有增加的热量。使用该信息，凭经验或使用制造商规格数据，能够创建操作公差内车速与车轮轴承的温度阈值之间的相关性。作为非限制性实例，温度阈值可以被设置为在给定速度下高于制造商的轴承温度规格5％-10％(摄氏度)。在这样的实施例中，故障轴承和规格内的轴承之间的温度差将大约为2℃-3℃。这些值能够存储在如图5所示例的表500中，其中相应的速度值502与预期的温度阈值504相关。

图6是示出本发明的非限制性实施例的方框图。车辆轮胎602安装在车轮604上，车轮604又反过来安装在包含车轮轴承608的车轴组件606上。温度传感器610定位于车轮轴承附近，以便测量车轮轴承温度。在一些实施例中，温度传感器610包括负温度系数(ntc)热敏电阻，其响应于温度的改变而具有变化的电阻。在一些实施例中，所利用的ntc热敏电阻可以是高精度(例如，误差小于5％)器件。由温度传感器610测量的温度值发送到信号调节模块612。在一些实施例中，信号调节模块612提供电平移位功能，以使温度传感器的值达到可由信号处理单元(微控制器)614中的微控制器检测到的水平。在其他实施例中，可以根据需要在任何特定实施例中采用其他诸如滤波或模数转换的信号处理技术。微控制器614接收来自信号调节模块612的调节信号，并使用处理器616将温度值与存储在存储器618中的温度阈值进行比较。在一些实施例中，存储器618存储车速到温度阈值列表，如上面结合图5所讨论的。如果温度值未超过温度阈值，则测量的温度读数可以连同由时钟620提供的时间和日期标记一起存储在存储器618中，在车辆的下一个定期计划的使用中，技术人员可以询问该时间和日期标记，以进一步分析车轮轴承的性能。相反地，如果车轮轴承温度超过温度阈值，则处理器可以通过通信总线624由通信模块622提供潜在车轮轴承故障的指示。在一些实施例中，通信总线624可以是车载诊断(obd)总线或控制器区域网络(can)总线。

图7是示出根据本发明的实施例的方法700的流程图。在方框702中，车辆运行一段时间(例如，一小时)以使车轮轴承达到工作温度。在方框704中，使用上面结合图6讨论的系统对车轮轴承进行温度测量。可选地，车速可以在方框706中选择的相应温度阈值中测量，如上面结合图5所讨论的。接下来，方框708将温度值与方框710中的(所选)温度阈值进行比较，确定温度值是否超过温度阈值。如果是这样，则在方框712中提供指示以呼叫车辆操作者注意车轮轴承的潜在故障。相反地，如果车轮轴承温度值未超过温度阈值，则方框714存储轴承温度和温度测量的日期，其可用于以任何期望的计划(例如，每天、每周、每月)定期地重复该过程。此外，如上所述，存储的轴承温度和日期可由技术人员在车辆的定期维护期间使用，以在图6的系统记录的时间过程内测量车轮轴承加热的进展。

图8a-b是根据实施例本发明的另一方法800的流程图。在方法800的过程中，提供了一个优点，即可以通过过程800同时检查车轮轴承。该过程在方框802中开始于车辆运行一段时间。接下来，在方框804中进行第一车轮轴承温度(tb1)和第二车轮轴承温度(tb2)的测量。可选地，如上文结合图5所讨论的，可以测量车速并在方框806中选择轴承温度阈值。在方框808中，将第二车轮轴承的温度值中的第一车轮轴承的温度值减去，并将与该减法的差值与阈值进行比较。如果温差超过阈值，则在第二车轮轴承中的第一车轮轴承之间存在显著的温度差，指示它们中的一个已经故障或具有故障的可能性。相应地，方框812确定它们的第一轴承温度是否超过第二轴承温度，如果是，则给出表明第一轴承的潜在故障的指示。相反地，如果第一轴承温度未超过第二轴承温度，则给出第二轴承可能失效的指示。

返回到方框810，确定第一车轮轴承和第二车轮轴承之间的温度差未超过阈值可能是两个轴承都失效的结果。相应地，方框818确定第一轴承的温度是否超过温度阈值。如果是这样，并且在方框820中提供第一车轮轴承可能故障的指示。存储第一个轴承温度和日期(方框822)并继续该方法。相反地，如果第一车轮轴承的温度值未超过温度阈值，则在方框822中存储温度值和日期。接下来的方框824确定第二车轮轴承的温度值是否超过该阈值。如果是这样，则方框826向车辆的操作者提供第二车轮轴承可能故障并且存储第二轴承温度和日期的指示(方框828)。方框824的否定终止导致第二车轮轴承的温度值连同方框828中的温度测量的日期一起被存储。

图9-11示出了用于预测在图7和图8a-8b的方法中使用的轴承阈值温度的非限制性实施例。应当理解，本领域普通技术人员可以凭经验或利用制造商的数据来创建图5的温度阈值表。然而，请注意，在图4中可以看出，当车辆以大约恒定速度运行一段时间然后停止时，轴承温度曲线类似于r-c电路的充放电曲线。这在图9中示出，其中图表900示出了当车辆以基本恒定的速度904运行时轴承温度902呈指数上升。然后，当在906处车速变为零时，轴承温度曲线902如在r-c电路中那样衰减。另外，可以看出轴承温度的适度变化与环境温度908有关。根据该观察，并采用电路建模技术，在图10的电路图中示出了等效电路。

在图10中，取决于在任何特定实施例中使用的特定轴承，电路的r-c部分由轴承规格得到。因此，将从轴承制造商的数据产生电阻器r1(1002)、r2(1004)、c1(1006)和c2(1008)的等效值。表示车速(1010)、车辆重量(1012)和环境温度(1014)的电压源在组合器1016中组合，并施加到r-c电路以提供作为车速、重量和环境温度的函数的预测轴承阈值温度1018。

图11示出表示图10的等效电路的等式1100，其中：k是从车轴质量和轴承尺寸导出的常数，w是车辆重量，速度是车速，tamb是环境温度。将k、w和速度相乘并减去tamb得到vab，vab是轴承初始条件，其被加到图10的r-c值的积分中，如等式1100所示。然后，该值可以在如上所述的图7和图8a-8b的方法中用作轴承阈值。

本文公开的示例性系统和方法提供潜在轴承故障的非侵入式早期预警，通过能够在方便的时间而不是在完全的轴承故障之后计划使用，可以为车辆操作者提供益处。此外，当车辆在道路上使用和操作时，可以获得车轮轴承性能的连续和周期性测量。

尽管在本发明的前述详细描述中已经举出了至少一个示例性方面，但是应当理解本发明存在大量变化。还应当理解，一个或多个示例性方面仅作为示例，并不期望以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反地，前面的详细描述将为本领域的技术人员提供用于实施本发明的示例性方面的便捷路径。应当理解，可以在示例性方面中所述的功能和元件布置中进行不超出如附加的权利要求所述的本发明范围的各种改变。