大型重載貨車制動(dòng)鼓溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

李富明+吳繼宗+朱萍玉

摘要：大型重載貨車采用的鼓式制動(dòng)器是車輛的重要部件，針對(duì)行車中制動(dòng)鼓溫度過高易導(dǎo)致破裂的安全問題，分析了鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和制動(dòng)器溫升過高的成因，提出了一種基于熱電偶和單片機(jī)的大型重載貨車制動(dòng)鼓溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)。分析了各部分的功能和組成，研制了實(shí)物，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，獲得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：重載貨車；鼓式制動(dòng)器；溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；報(bào)警

中圖分類號(hào)：U46351文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.01.0010引言

汽車的安全性通常分為四種：主動(dòng)安全性、被動(dòng)安全性、事故后安全性和生態(tài)安全性。汽車的制動(dòng)系統(tǒng)是影響汽車主動(dòng)安全性最主要因素之一，目前，我國(guó)的貨運(yùn)汽車普遍采用鼓式制動(dòng)器。鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)效果好，汽車制動(dòng)鼓在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，其溫度常在200 ℃以上，有時(shí)甚至?xí)_(dá)到500～600 ℃，汽車以較高速度緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)鼓溫度也會(huì)迅速升高。當(dāng)制動(dòng)鼓的溫度升高到一定程度之后，其摩擦力矩會(huì)出現(xiàn)明顯下降，出現(xiàn)制動(dòng)鼓的熱衰退現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)完全失效或制動(dòng)鼓破裂飛出，導(dǎo)致車毀人亡的慘劇發(fā)生。針對(duì)行車中制動(dòng)鼓溫度過高易導(dǎo)致破裂的安全問題，分析了鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和制動(dòng)器溫升過高的成因，提出了一種基于熱電偶和單片機(jī)的大型重載貨車制動(dòng)鼓溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)。

1鼓式制動(dòng)器工作條件分析

1.1鼓式制動(dòng)器的熱源分析

根據(jù)摩擦生熱原理，制動(dòng)過程摩擦生熱量的計(jì)算公式可簡(jiǎn)單描述為：

Q1=FμS（1）

式中Fμ為制動(dòng)器的制動(dòng)力；

S為制動(dòng)鼓圓周轉(zhuǎn)動(dòng)的距離。

車輛在制動(dòng)過程中，隨著行駛速度的降低，其動(dòng)能減少，減少的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為制動(dòng)器的摩擦熱。當(dāng)車輛在有縱向坡度的路段行駛時(shí)，考慮勢(shì)能的變化，忽略輪胎與地面的滑磨熱損失，推導(dǎo)出車輛制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量為：

Q1=12mv21-12mv22+mg（±i-f）S（2）

式中m—汽車總質(zhì)量（kg）；

v1—汽車制動(dòng)初速度（m/s）；

v2—汽車制動(dòng)末速度（m/s）；

g—重力加速度（9.8m/s2）；

i—道路縱坡坡度，下坡路段取“+”，上坡路段取“-”；

f—滾動(dòng)阻力系數(shù)；

S—制動(dòng)距離，m。

補(bǔ)充的是，因?yàn)榈缆菲露萯=h/l=tanα，根據(jù)我國(guó)下坡路段設(shè)計(jì)規(guī)范，坡度大小應(yīng)在3%～9%范圍內(nèi)，所以一般道路的坡度都比較小，則sinα≈tanα=i；所以有此推導(dǎo)公式。

1.2鼓式制動(dòng)器工作溫度對(duì)其他方面的影響分析

121導(dǎo)致輪胎爆胎

構(gòu)成輪胎的基本材料是橡膠，橡膠能夠承受的最高溫度大約是145 ℃左右，超過這一溫度，橡膠就會(huì)融化，由橡膠制成的輪胎就會(huì)爆裂。車輪行駛中輪胎的熱量主要來自于兩個(gè)方面，一是車輪在滾動(dòng)中，輪胎會(huì)發(fā)生變形，橡膠分子之間因摩擦生熱，輪胎溫度升高；使得輪胎溫度升高的另一熱源是制動(dòng)鼓，車輪行駛中，具有動(dòng)能，要停車或減速時(shí)，車輛的動(dòng)能就通過制動(dòng)器轉(zhuǎn)化為熱能，熱能有一部分會(huì)散發(fā)到空氣中，一部分熱量傳給了與之連接的鋼圈和輪轂，使得鋼圈和輪轂的溫度升高，還有一部分暫時(shí)未傳遞出去的熱量使得制動(dòng)器（含制動(dòng)鼓、制動(dòng)底板、制動(dòng)蹄等）本身溫度升高。

由于鋼圈是和輪胎直接接觸的，因此鋼圈的溫度絕對(duì)不能超過145 ℃。如果考慮輪胎在滾動(dòng)中本身還要生熱，兼顧考慮輪胎的使用壽命。鋼圈的溫度還應(yīng)該再低一點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，車輪使用中，鋼圈的溫度應(yīng)以不超過100 ℃為宜，對(duì)于大貨車來說，相應(yīng)的制動(dòng)鼓溫度應(yīng)在200 ℃以下。

122導(dǎo)致潤(rùn)滑脂融化

輪轂內(nèi)潤(rùn)滑脂融化，可能會(huì)有潤(rùn)滑油流入制動(dòng)鼓內(nèi)，如果潤(rùn)滑油黏附在剎車片及制動(dòng)鼓表面，將使汽車的制動(dòng)性能大大降低甚至沒有制動(dòng)，這是極其危險(xiǎn)的。另外，潤(rùn)滑脂融化后流失，也會(huì)導(dǎo)致輪轂軸承損壞。潤(rùn)滑脂是否會(huì)融化，一方面取決于潤(rùn)滑脂能承受的最高溫度，一方面取決于輪轂的溫度。汽車輪轂軸承一般使用鋰基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，其所能承受的最高溫度在120～150 ℃左右。不同廠家、不同品牌的潤(rùn)滑脂，其耐溫指標(biāo)變化不大。輪轂的溫度也受兩個(gè)因素的影響，一是軸承在轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)摩擦生熱，另一個(gè)就是制動(dòng)器傳給輪轂的熱量，從經(jīng)驗(yàn)看，制動(dòng)鼓溫度在200 ℃左右，輪轂內(nèi)的潤(rùn)滑脂已有融化跡象，這表明輪轂內(nèi)的溫度已接近120 ℃。

123導(dǎo)致剎車片摩擦系數(shù)下降

剎車片裝在制動(dòng)器內(nèi)，如果制動(dòng)器的溫度升高，剎車片的摩擦系數(shù)會(huì)下降，汽車的制動(dòng)力減小，剎車片的這種特性叫熱衰退。關(guān)于剎車片的熱衰退特性，要從兩方面考慮，一是要選用質(zhì)量合格的剎車片，合格的剎車片其熱衰退必然也小，另一方面，要限制制動(dòng)器的溫度。正規(guī)廠家的剎車片，可正常承受的溫度一般在300 ℃以上，因此，將制動(dòng)器溫度控制在200 ℃以內(nèi)，剎車片摩擦系數(shù)的降低還是在可以接受的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)汽車的制動(dòng)性能產(chǎn)生太大的影響。

1.3鼓式制動(dòng)器工作溫度綜合考慮

對(duì)制動(dòng)鼓溫度安全使用范圍，非正常使用范圍，及危險(xiǎn)范圍有以下觀點(diǎn)：制動(dòng)鼓溫度在150 ℃以下，應(yīng)該屬于正常使用的范圍，制動(dòng)鼓溫度在150～200 ℃，就應(yīng)該盡快采取措施，如果高于200 ℃，就必須立刻采取措施。

利用溫度傳感器的特性，把溫度傳感器裝在制動(dòng)鼓內(nèi)，然后布線連接到單片機(jī)和顯示器，就能對(duì)制動(dòng)鼓的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)把制動(dòng)鼓的溫度顯示給駕駛員。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中增加了報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)溫度即將到達(dá)危險(xiǎn)溫度的時(shí)候會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，同時(shí)車上的應(yīng)急燈也會(huì)閃爍發(fā)出警告，通知駕駛員要馬上找地方停下來讓制動(dòng)鼓溫度下降。

2制動(dòng)鼓溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和連接路線（如圖1所示）圖1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和連接路線2.2溫度實(shí)現(xiàn)顯示模塊（如圖2所示）

本系統(tǒng)采取了STM最先進(jìn)的微電腦技術(shù)，LED數(shù)碼顯示，測(cè)量和溫控精確到0.1 ℃，帶有高溫報(bào)警和傳感器，簡(jiǎn)單實(shí)用，是一個(gè)性價(jià)比極高的系統(tǒng)，小型一體化智能控制，延時(shí)回差可設(shè)定。

（2）技術(shù)參數(shù)

溫度控制范圍：-50～110 ℃；

測(cè)溫精度：0.1 ℃；

控制精度：0.1 ℃；

回差精度：0.1 ℃；

刷新頻率：0.5 s；

輸入電源：DC/AC 12 V；

測(cè)量輸入：NTC（10K 0.5%） 防水型傳感器；

輸出：1路繼電器輸出，容量=10 A；

環(huán)境要求：-10～60 ℃， 濕度20%～85%；

規(guī)格尺寸：78 mm×51 mm （安裝孔M3，對(duì)角75 mm）；

整機(jī)功耗：靜態(tài)電流：≤35 MA， 吸合電流：≤65 MA。

（3）安裝設(shè)定（如圖3所示）

連接好供電和設(shè)備，即可為控制器供電，此時(shí)顯示為測(cè)量溫度，按一次SET鍵，顯示屏溫度閃爍，按“+-”來設(shè)定所需溫度（按住“+-”可快速升降），設(shè)定完成后按SET確認(rèn)返回，此時(shí)控制器按設(shè)定自動(dòng)執(zhí)行溫度監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

該溫控器輸出為10 A繼電器，滿足各種大功率負(fù)載，連接好控制電路，即可為溫控器供電，此時(shí)顯示屏顯示為環(huán)境溫度。

（4）指示燈、數(shù)碼管和蜂鳴器狀態(tài)說明（如圖4所示）

數(shù)碼管：顯示LL為傳感器開路，請(qǐng)按說明連接好傳感器；顯示HH為超出測(cè)量范圍，溫控器會(huì)強(qiáng)制斷開繼電器；顯示---為高溫報(bào)警。

蜂鳴器：數(shù)碼管顯示LL、HH或---時(shí)，蜂鳴器發(fā)出嘀-嘀-嘀-提示音。

（5）系統(tǒng)參數(shù)功能說明

長(zhǎng)按SET 5 s可進(jìn)入主菜單設(shè)定，按“+-”切換P0...P8；長(zhǎng)按SET或者10 s無按鍵動(dòng)作控制器自動(dòng)確認(rèn)返回P0模式。

在結(jié)合本大型重載貨車制動(dòng)鼓溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中，需要設(shè)定用到的程序有P4、P5、P6、P7、P8。以下為各程序的含義：

①P4 溫度校正

當(dāng)測(cè)量溫度和標(biāo)準(zhǔn)溫度有偏差時(shí)，可以使用此功能校正，校正后的溫度=校正前的溫度+校正值。有效范圍為-100～100 ℃。

長(zhǎng)按SET 5 s顯示P0，按“+-”切換到P4，按一次SET進(jìn)行校正，按“+-”設(shè)置校正值，完成后按一次SET返回，長(zhǎng)按SET或者10 s無按鍵動(dòng)作控制器自動(dòng)確認(rèn)完成。

其含義是例如正常顯示為25 ℃；溫度校正為0時(shí)顯示25 ℃；溫度校正為100時(shí)顯示125 ℃。

②P5 延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間（單位：min）

當(dāng)監(jiān)測(cè)預(yù)警有需要時(shí)，可開啟延時(shí)功能，保護(hù)設(shè)備壽命。

長(zhǎng)按SET 5 s顯示P0，按“+-”切換到P5，按一次SET設(shè)置延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間單位是分鐘，按“+-”設(shè)置0～10 min，完成后按一次SET返回，長(zhǎng)按SET或者10 s無按鍵動(dòng)作控制器自動(dòng)確認(rèn)完成。

其含義是，溫度監(jiān)測(cè)狀態(tài)下設(shè)定延時(shí)為5 min，監(jiān)測(cè)后溫度到達(dá)預(yù)警設(shè)定值，啟動(dòng)延時(shí)，此時(shí)開始計(jì)時(shí)，5 min后通電給繼電器使應(yīng)急燈閃爍。延時(shí)中LED指示燈閃爍，延時(shí)啟動(dòng)設(shè)置為0時(shí)等于關(guān)閉延時(shí)功能。

③P6 按鍵音開關(guān)

長(zhǎng)按SET 5 s顯示P0，按“+-”切換到P6，按一次SET設(shè)置是否開啟按鍵聲音，按“+-”設(shè)置on/off，完成后按一次SET返回，長(zhǎng)按SET或者10 s無按鍵動(dòng)作控制器自動(dòng)確認(rèn)完成。

蜂鳴器開關(guān)分on/off 設(shè)置為on時(shí)按鍵有動(dòng)作時(shí)隨按鍵發(fā)出滴聲，設(shè)置為off即關(guān)閉蜂鳴器，按鍵無聲音。

④P7 高溫報(bào)警

長(zhǎng)按SET 5 s顯示P0，按“+-”切換到P7，按一次SET顯示on/off（設(shè)置為off則關(guān)閉此功能）設(shè)置為on后按一次SET可設(shè)置高溫報(bào)警溫度點(diǎn)，按“+-”設(shè)置0～110，完成后按一次SET返回，長(zhǎng)按SET或者10 s無按鍵動(dòng)作控制器自動(dòng)確認(rèn)完成。

高溫報(bào)警設(shè)置范圍為0～110或?yàn)閛ff關(guān)閉此功能，到達(dá)高溫報(bào)警后蜂鳴器發(fā)出急促滴滴聲，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)給信號(hào)車上的應(yīng)急燈系統(tǒng)，讓其閃爍通知駕駛員。

⑤P8 恢復(fù)出廠設(shè)置

由于某種人為原因?qū)е聹乜仄鲀?nèi)部設(shè)置混亂，一項(xiàng)一項(xiàng)來設(shè)定很費(fèi)時(shí)間，此時(shí)可用此功能恢復(fù)出廠設(shè)定，具體方法為：

長(zhǎng)按SET 5 s顯示P0，按+-切換到P8，按一次SET設(shè)置為on或者off，on為恢復(fù)出廠設(shè)置，off為不執(zhí)行任何動(dòng)作，完成后按一次SET返回，長(zhǎng)按SET或者10 s無按鍵動(dòng)作控制器自動(dòng)恢復(fù)出廠設(shè)置。

2.3控制器接線圖

AT89C2051管腳說明：VCC是供電電壓；GND是接地；RST是復(fù)位輸入；P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，在此電路中連接PT100溫度傳感器送過來的信號(hào)；P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在此電路中連接汽車的前后危險(xiǎn)燈繼電器，把電信號(hào)輸出；P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)，在此電路中連接溫度報(bào)警裝置，輸出信號(hào)。

2.4溫度測(cè)量模塊

PT100溫度傳感器（如圖7所示）是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。帶傳感器的變送器通常由兩部分組成：傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻；信號(hào)轉(zhuǎn)換器主要由測(cè)量單元、信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換單元組成。

2.5溫度報(bào)警裝置

壓電式蜂鳴器（如圖8所示）主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。現(xiàn)使用的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。

多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后（1.5～15 V直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5～2.5 kHz的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。

壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。

實(shí)物圖3監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)施方案

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在模型上安裝試驗(yàn)后，證明了該系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能：①制動(dòng)鼓溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。②溫度超過極限值時(shí)預(yù)警。這兩個(gè)功能均能實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在把設(shè)備安裝在實(shí)車上，進(jìn)行布線及所需要的模塊和傳感器等進(jìn)行安裝。觸感器安裝的位置是通過軟件進(jìn)行仿真模擬找出的摩擦片最高溫度的位置。本系統(tǒng)安裝在廣州市電車廠一工程搶險(xiǎn)車上進(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)，以驗(yàn)證分析系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的有效性及實(shí)用性。

把系統(tǒng)安裝在實(shí)車，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安裝復(fù)查一遍后，開始進(jìn)行路試。我們選擇的場(chǎng)地是位于中山八電車廠內(nèi)的試車道。該車道全程1 km，路面80%為平坦路面，其余的為顛簸或者坡度小于5°的坡度路段。實(shí)驗(yàn)過程中環(huán)境溫度為25 ℃，通過駕駛室顯示器看到的實(shí)時(shí)溫度與環(huán)境溫度一致。

試驗(yàn)開始，數(shù)據(jù)的驗(yàn)證選擇每500 m對(duì)用紅外線測(cè)溫儀與制動(dòng)鼓溫度進(jìn)行讀數(shù)，并實(shí)時(shí)與駕駛室顯示器所示溫度進(jìn)行比對(duì)。試驗(yàn)過程總共走了30 km，行駛過程中有意多次進(jìn)行急減速。總共讀數(shù)比對(duì)60次，60次讀數(shù)均一致。每次試驗(yàn)在正常行駛過程中偶爾進(jìn)行緊急制動(dòng)或強(qiáng)制動(dòng)，使制動(dòng)蹄摩擦襯片溫度迅速升高。

系統(tǒng)共報(bào)警 5 次，其中 1 次未預(yù)警。通過查找原因發(fā)現(xiàn)，由于線路未連接好而導(dǎo)致。因此，預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警有效。當(dāng)鼓式制動(dòng)器溫度恢復(fù)預(yù)警設(shè)定值以下時(shí)，系統(tǒng)不再進(jìn)行報(bào)警，繼續(xù)正常運(yùn)行。

在每次數(shù)據(jù)讀取記錄完成后，將數(shù)據(jù)填表進(jìn)行記錄，完成測(cè)試。經(jīng)過多次試驗(yàn)，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)功能能在實(shí)車上進(jìn)行應(yīng)用。

5結(jié)論

本系統(tǒng)把溫度傳感器裝在制動(dòng)鼓內(nèi)，通過布線連接到處理器和顯示器。當(dāng)汽車在行駛時(shí)，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地把制動(dòng)鼓的溫度顯示在駕駛位的儀表臺(tái)上，讓駕駛員實(shí)時(shí)知道制動(dòng)鼓的溫度，若檢測(cè)到的溫度超過預(yù)先設(shè)定的溫度極限值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)蜂鳴告知駕駛員，駕駛員知道后盡快把車停在安全的位置，等制動(dòng)鼓溫度下降以后再繼續(xù)行駛。

系統(tǒng)能用直觀的方式實(shí)時(shí)告知駕駛員制動(dòng)鼓的溫度，這對(duì)減少因制動(dòng)系統(tǒng)溫度過高出現(xiàn)的故障導(dǎo)致意外發(fā)生起到很好的效果，減少生命及財(cái)產(chǎn)的損失，對(duì)社會(huì)的發(fā)展有良好的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王庭義.鼓式制動(dòng)器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

[2]劉長(zhǎng)亮.鼓式制動(dòng)器動(dòng)力學(xué)分析及制動(dòng)性能優(yōu)化[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

[3]王宜鋒.鼓式制動(dòng)器動(dòng)力學(xué)性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[4]昌振華，元昌.蹄-鼓式制動(dòng)器熱彈性耦合有限元分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2003（8）.

[5]李衛(wèi).重型卡車持續(xù)制動(dòng)制動(dòng)器熱機(jī)耦合分析及疲勞損傷預(yù)測(cè)[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

[6]國(guó)儉.載貨汽車制動(dòng)器溫度監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[7]楊鵬飛，付銳，王暢.基于nRF2401的鼓式制動(dòng)器溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技導(dǎo)報(bào)，2010， 28（18）.