一種探測(cè)剎車(chē)片厚度的方法

黃　偉，胡國(guó)兵，龍　禹，石　維

(1.銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.宜春學(xué)院 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，江西 宜春 336000)

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一種探測(cè)剎車(chē)片厚度的方法

黃偉1，胡國(guó)兵2，龍禹1，石維1

(1.銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.宜春學(xué)院 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，江西 宜春 336000)

設(shè)計(jì)了一種剎車(chē)片厚度探測(cè)方法。闡述了厚度探測(cè)的基本原理、探測(cè)裝置的組成及制作、剎車(chē)片探測(cè)尺寸范圍的劃分及電阻阻值的確定。該方法可用于對(duì)剎車(chē)片厚度范圍的探測(cè)，與汽車(chē)控制系統(tǒng)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車(chē)片厚度信息的反饋、預(yù)警或在剎車(chē)片厚度低于極限使用厚度的情況下對(duì)車(chē)輛的控制。采用該方法設(shè)計(jì)的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)小型化，嵌入式結(jié)構(gòu)，便于安裝，可增強(qiáng)汽車(chē)主動(dòng)安全性。該方法適合在各類制動(dòng)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

探測(cè)方法；厚度；剎車(chē)片；汽車(chē)安全

引用格式：黃偉，胡國(guó)兵，龍禹，等. 一種探測(cè)剎車(chē)片厚度的方法[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(18)：97-98，102.

0　引言

據(jù)公安部交管局統(tǒng)計(jì)，截至2014年底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)2.64億輛，其中汽車(chē)1.54億輛[1]；截至2015年底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)2.79億輛，其中汽車(chē)1.72億輛[2]。機(jī)動(dòng)車(chē)的普及，給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)便捷的同時(shí)，也帶來(lái)了安全隱患。為減少交通事故傷亡率、提高汽車(chē)乘員保護(hù)能力，汽車(chē)安全技術(shù)逐漸成為中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)最重要的研究方向之一[3]。

在各類公路交通事故中,因汽車(chē)剎車(chē)片過(guò)度磨損或高溫磨損等引起的汽車(chē)制動(dòng)效果減弱或失效的現(xiàn)象占相當(dāng)大比例,導(dǎo)致的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失十分嚴(yán)重。剎車(chē)片是各種裝配有鼓剎或碟剎的交通工具制動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分。由于摩擦作用，摩擦塊會(huì)被逐漸磨損，當(dāng)磨損到極限厚度時(shí)，必須更換，否則將降低制動(dòng)的效果，甚至造成安全事故[4]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦片厚度的在線動(dòng)態(tài)測(cè)量，以便于構(gòu)建剎車(chē)片性能監(jiān)測(cè)和隱患預(yù)警系統(tǒng)，羅慶生等人設(shè)計(jì)了一種可變電阻厚度傳感器[5]，但由于電阻變化量較小且受溫度影響，難以獲得精確的厚度信息，因此該技術(shù)未能得到推廣應(yīng)用。黃偉等人發(fā)明了一種可探測(cè)剎車(chē)片厚度的裝置[6]，該裝置將電阻絲組成并聯(lián)電路用于探測(cè)剎車(chē)片厚度，由于電阻絲直接與剎車(chē)片摩擦而產(chǎn)生溫度變化，因此電阻變化較大。對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的方法是用導(dǎo)線和電阻取代電阻絲，將電阻置于遠(yuǎn)離剎車(chē)片的位置[7]，從而使電阻變化幅度減小，可以對(duì)剎車(chē)片厚度范圍進(jìn)行較為精確的判斷，并可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)信號(hào)的變化量，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。上述方法中，均通過(guò)一定的方式將剎車(chē)片厚度信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)而可通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制[8]，適應(yīng)于汽車(chē)向電子化、智能化發(fā)展的需要[9]。本文對(duì)通過(guò)并聯(lián)電路方式探測(cè)剎車(chē)片厚度范圍裝置的探測(cè)方法作進(jìn)一步討論。

1　探測(cè)原理

對(duì)于多個(gè)電阻構(gòu)成的并聯(lián)電路，假設(shè)各電阻的電阻值分別為R1、R2，…，Rn，則由相關(guān)的物理學(xué)知識(shí)可知，其總的電阻值R總與各電阻值之間存在以下關(guān)系：

(1)

電路中，如果部分與電阻連接的導(dǎo)線斷開(kāi)，則總電阻將會(huì)增加；如果所有導(dǎo)線都斷開(kāi)，則總電阻將為∞。

將并聯(lián)電阻電路中與各個(gè)電阻相連接的導(dǎo)線與剎車(chē)片保持相對(duì)固定，并在剎車(chē)片一定厚度范圍內(nèi)與剎車(chē)片一起受到摩擦。當(dāng)導(dǎo)線因摩擦而斷開(kāi)時(shí)，將引起總電路電阻的變化，由此將剎車(chē)片的厚度與電路的電阻聯(lián)系起來(lái)。將導(dǎo)線與剎車(chē)片指定的厚度相對(duì)應(yīng)，便可通過(guò)電阻值反映剎車(chē)片的厚度范圍，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車(chē)片厚度的探測(cè)。

2　探測(cè)裝置的制作

1.支撐體，2.導(dǎo)線，3.電阻圖1　剎車(chē)片厚度探測(cè)電路示意圖

根據(jù)上述基本原理，設(shè)計(jì)制作了一種剎車(chē)片厚度范圍探測(cè)裝置，該裝置由支撐體、導(dǎo)線和電阻等組成。將部分導(dǎo)線按設(shè)計(jì)的并聯(lián)連接方式固定在支撐體上，再與相應(yīng)的電阻連接，然后將電阻連接起來(lái)構(gòu)成電路，示意圖如圖1所示。將支撐體與剎車(chē)片保持相對(duì)固定，并在一定的剎車(chē)片厚度范圍內(nèi)與剎車(chē)片一起受到摩擦。那么在某一尺寸時(shí)就會(huì)有相應(yīng)的導(dǎo)線因摩擦而斷開(kāi)，由此引起電路的總電阻發(fā)生變化，且總電阻的每一次明顯變化都與剎車(chē)片相應(yīng)的厚度尺寸相對(duì)應(yīng)。將該電路與外電路或測(cè)試裝置連接，再將測(cè)試信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或汽車(chē)控制系統(tǒng)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車(chē)片厚度情況的監(jiān)測(cè)甚至是對(duì)汽車(chē)的控制。在此裝置中，支撐體的作用是使部分導(dǎo)線與剎車(chē)片保持相對(duì)固定并在剎車(chē)片一定厚度范圍內(nèi)與剎車(chē)片一起受到摩擦，因此，可以采用塑料、陶瓷等作為支撐體，甚至可以以剎車(chē)片本身作為支撐體。

3　剎車(chē)片厚度尺寸范圍的劃分

一般情況下，新的剎車(chē)片厚度為14 mm左右，而更換的極限厚度是7 mm左右，其中包括大約3 mm的鐵襯板厚度和近4 mm的摩擦材料厚度。達(dá)到了使用極限的剎車(chē)片即使尚能使用一段時(shí)間，也會(huì)降低制動(dòng)效果，影響行車(chē)安全，因此必須更換?；诖耍蓪x車(chē)片厚度尺寸劃分為3個(gè)區(qū)域：正常使用范圍、極限預(yù)警范圍和禁止使用范圍，并將相應(yīng)的信息通過(guò)汽車(chē)控制系統(tǒng)反映出來(lái)。正常使用情況下，前輪剎車(chē)片的使用壽命一般在45 000 km左右，后輪剎車(chē)片的使用壽命一般在85 000 km左右[10]。以設(shè)置三個(gè)探測(cè)點(diǎn)為例，假如在達(dá)到剎車(chē)片極限厚度前500 km左右預(yù)警，則可將第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)設(shè)置在剎車(chē)片厚度為7.5～8.0 mm之間，將第二個(gè)探測(cè)點(diǎn)設(shè)置在7.0 mm左右，將第三個(gè)探測(cè)點(diǎn)設(shè)置在6.5～7.0 mm之間。當(dāng)剎車(chē)片厚度大于第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的厚度時(shí)，電路處于完好狀態(tài)，總電阻基本保持不變，反映了剎車(chē)片在正常使用范圍；當(dāng)剎車(chē)片厚度介于第一和第二個(gè)探測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度之間時(shí)，處于第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的導(dǎo)線因摩擦而斷開(kāi)，引起電路總電阻增加，反映了剎車(chē)片將達(dá)到極限使用厚度，可通過(guò)汽車(chē)控制系統(tǒng)提醒使用者更換剎車(chē)片；當(dāng)剎車(chē)片厚度介于第二和第三個(gè)探測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度之間時(shí)，處于第二個(gè)探測(cè)點(diǎn)的導(dǎo)線也因摩擦而斷開(kāi)，引起電路總電阻再次增加，反映了剎車(chē)片達(dá)到極限使用厚度，可通過(guò)汽車(chē)控制系統(tǒng)提醒使用者更換剎車(chē)片；當(dāng)剎車(chē)片厚度低于第三個(gè)探測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度之間時(shí)，處于第三個(gè)探測(cè)點(diǎn)的導(dǎo)線因摩擦而斷開(kāi)，電路總電阻為無(wú)窮大，反映了剎車(chē)片已在極限使用厚度以下，可通過(guò)汽車(chē)控制系統(tǒng)禁止車(chē)輛行駛，從而保證行車(chē)安全。當(dāng)然，根據(jù)使用需求，可以設(shè)置更多的探測(cè)點(diǎn)或?qū)?yīng)于其他厚度尺寸。由于剎車(chē)時(shí)斷開(kāi)的導(dǎo)線可通過(guò)金屬剎車(chē)盤(pán)而連通，因此，僅在剎車(chē)片不與剎車(chē)盤(pán)接觸時(shí)測(cè)量的電路信號(hào)才能反映剎車(chē)片厚度信息。

4　電阻阻值的確定

為方便計(jì)算，在確定總電阻變化范圍及間隔后，應(yīng)根據(jù)與電阻相連接的導(dǎo)線被摩擦的順序，先確定最后一個(gè)電阻的阻值，然后利用公式(1)計(jì)算出倒數(shù)第二個(gè)電阻的阻值，按此方式直至所有的電阻阻值被確定。例如圖2所示電阻連接中，依次斷開(kāi)順序?yàn)镵1、K2、K3，若要求初始總電阻為50 Ω，K1斷開(kāi)后電阻為100 Ω，K2斷開(kāi)后電阻為200 Ω，則應(yīng)先確定出R3的阻值為200 Ω，然后由R2、R3組成并聯(lián)電阻計(jì)算出R2的阻值為200 Ω，以同樣的方式再計(jì)算出R1的阻值為100 Ω。由于電阻阻值存在偏差以及受溫度等因素影響會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，因此電路阻值變化間隔不宜過(guò)小，以免因造成錯(cuò)誤判斷，同時(shí)，在一個(gè)電路中所并聯(lián)的電阻也不宜過(guò)多。

圖2　電阻連接示意圖

5　結(jié)論

本方法探測(cè)原理簡(jiǎn)單，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)小型化、嵌入式結(jié)構(gòu)，便于安裝，用于剎車(chē)片厚度探測(cè)可增強(qiáng)汽車(chē)自主安全性，適合于各類機(jī)動(dòng)車(chē)輛及其他制動(dòng)系統(tǒng)推廣使用。

[1] 公安部交通管理局. 2014年全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)和駕駛?cè)搜该驮鲩L(zhǎng) 新增汽車(chē)1700多萬(wàn) 汽車(chē)駕駛?cè)?780多萬(wàn)[EB/OL].(2015-01-27)[2015-12-20]http://www.mps.gov.cn/n16/n1252/n4386914/4388268.html.

[2] 網(wǎng)易汽車(chē)綜合. 公安部：2015新增汽車(chē)1781萬(wàn) 保有量增長(zhǎng)新高[EB/OL].(2016-01-26)[2016-04-12]http://auto.163.com/16/0126/11/BE8ISTGT00084TV1.html.[3] 趙福全，吳成明，潘之杰，等. 中國(guó)汽車(chē)安全技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2011, 2(2)：111-121.

[4] 劉毅然. 汽車(chē)制動(dòng)蹄片的養(yǎng)護(hù)要點(diǎn)[J].輕型汽車(chē)技術(shù)，2008(Z1):87.

[5] 羅慶生,韓寶玲. 汽車(chē)制動(dòng)摩擦片厚度在線動(dòng)態(tài)測(cè)量的原理和方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2002,31(2):78-80.

[6] 銅仁學(xué)院. 一種可探測(cè)剎車(chē)片厚度的裝置[P].中國(guó)：2015205699830， 2015-12-02.

[7] 銅仁學(xué)院. 一種探測(cè)剎車(chē)片厚度的裝置[P].中國(guó)：2015205699826， 2016-01-13.

[8] 李小青. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在汽車(chē)上的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2003,22(7):49-50，58.

[9] 于寅虎. 2015年汽車(chē)電子最新技術(shù)與市場(chǎng)動(dòng)態(tài)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015,41(2):9-10.

[10] 王福建. 淺議汽車(chē)駕駛過(guò)程中的剎車(chē)片問(wèn)題[J].科技論壇，2010(16):21.

A method for detecting the thickness of the brake pad

Huang Wei1, Hu Guobing2, Long Yu1, Shi Wei1

(1. College of Materials and Chemical Engineering, Tongren University, Tongren 554300, China; 2. Physical Science and Technology College, Yichun University, Yichun 336000, China)

In this paper, a method was designed to detect the thickness of the brake pad. The basic principle of thickness detecting, the construction and fabrication of detector, the detecting range of the brake pad, and the value of resistance are described. This method can be used to detect the thickness range of the brake pad. It can reflect the thickness range of the brake pad or control the vehicle if it is combined with the control system of the vehicle. It has a simple construction, it is easy to realize miniaturization and flushbonading, it is easy to install, and it can enhance active safety of automobile. This method is suitable to popularize and apply for all kinds of brake system.

detection method; thickness; brake pad; automobile safety

TM930.2；U463.55

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.028

2016-05-24)

黃偉(1978-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：軟磁鐵氧體材料、電子材料及元器件。

胡國(guó)兵(1983-)，男，碩士，講師，主要研究方向：熒光材料、電子材料及元器件。

龍禹(1986-)，男，學(xué)士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：電子材料及元器件。