載貨汽車制動(dòng)蹄片溫度動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法

姚雪萍 張利丹 國(guó) 儉 冀秉魁 鐘月曦 李明達(dá)

（[1]長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 吉林·長(zhǎng)春 130012；[2]一汽-大眾汽車有限公司 吉林·長(zhǎng)春 130012)

0 引言

載貨汽車連續(xù)制動(dòng)時(shí)，由于制動(dòng)器負(fù)荷大，摩擦片與制動(dòng)鼓發(fā)生摩擦使制動(dòng)蹄片溫度極速上升，容易產(chǎn)生熱衰退現(xiàn)象，從而導(dǎo)致制動(dòng)器失效，制動(dòng)失靈，造成嚴(yán)重交通事故。制動(dòng)蹄片屬于消耗品，當(dāng)磨損到極限位置時(shí)必須更換，否則將降低制動(dòng)的效果，甚至造成安全事故。對(duì)制動(dòng)蹄片溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證制動(dòng)器的制動(dòng)能力熱穩(wěn)定性達(dá)到最佳，是載貨汽車行駛安全性的重要途徑之一。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)安全性的研究很多，初明澤利用ANSYS對(duì)高速列車在200km/h速度下緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到制動(dòng)盤溫度分布規(guī)律和溫度變化曲線，為制動(dòng)盤選材及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供相應(yīng)理論參考。吉林大學(xué)孟昭輝通過(guò)軟件進(jìn)行三元有限元分析，分析了領(lǐng)從蹄式鼓式制動(dòng)器的溫升情況，得出了不同初速度下的制動(dòng)結(jié)束瞬間的制動(dòng)鼓溫度。季景方針對(duì)盤式制動(dòng)器制動(dòng)溫度過(guò)高導(dǎo)致的摩擦制動(dòng)失效問(wèn)題，借助ANSYS建立了盤式制動(dòng)器溫度場(chǎng)仿真模型，并結(jié)合回歸分析方法進(jìn)行非線性回歸分析，計(jì)算了不同初始速度下制動(dòng)盤的最高溫度，為制動(dòng)器設(shè)計(jì)過(guò)程中的溫度預(yù)測(cè)提供參考。Rajesh Somnay、Shan Shih等通過(guò)考慮熱耦合和力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行有限元分析來(lái)改進(jìn)鼓式制動(dòng)性能，提出根據(jù)制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程中的熱效應(yīng)以及力學(xué)效應(yīng)來(lái)預(yù)測(cè)制動(dòng)器的扭矩的方法。Day等人通過(guò)建立制動(dòng)器二維建模，利用有限元仿真分析的方法，研究制動(dòng)器接觸摩擦面的壓力分布，得出摩擦系數(shù)對(duì)制動(dòng)性能的影響規(guī)律。

在實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并及時(shí)預(yù)警的過(guò)程中，如何確定制動(dòng)蹄片溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)即制動(dòng)器摩擦溫度最高點(diǎn)是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，本文通過(guò)建立制動(dòng)蹄片力學(xué)分析模型，利用有限元仿真的方法，分析得到車輛在緊急制動(dòng)過(guò)車中制動(dòng)蹄溫度最高的位置。

1 制動(dòng)溫度最高點(diǎn)的位置分析

本文選擇一汽青島專用汽車廠生產(chǎn)的解放賽龍Ⅱ汽車的制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)賽龍汽車進(jìn)行實(shí)際測(cè)量得出了賽龍汽車鼓式制動(dòng)器的詳細(xì)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1：賽龍汽車鼓式制動(dòng)器的詳細(xì)參數(shù)

利用Solidworks建立制動(dòng)蹄三維模型，并采用SOLID35單元對(duì)制動(dòng)蹄片模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

圖1：制動(dòng)蹄網(wǎng)格劃分三維立體圖

做如下仿真假設(shè)：（1）以最大制動(dòng)力矩進(jìn)行制動(dòng)，并保持力矩大小不變；（2）車輛制動(dòng)減速度值恒定不變；（3）緊急制動(dòng)瞬間，制動(dòng)器的摩擦熱全部被制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄片吸收。對(duì)制動(dòng)器在緊急制動(dòng)瞬間，制動(dòng)蹄的溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行ANSYS有限元仿真分析，如圖2所示。

圖2：溫度場(chǎng)分布情況

試驗(yàn)得出，車輛緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)蹄摩擦襯片最高溫度位置在上半側(cè)的摩擦襯片上，具體位置在上側(cè)摩擦襯片1/2位置處，在豎直方向與水平位置的距離為，在z軸方向距離與摩擦襯片寬度b相同，該處與水平反向的角度為。

2 制動(dòng)器溫度監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)搭建

2.1 傳感器的選型及安裝

車輛制動(dòng)時(shí)，摩擦襯片表面與高速運(yùn)轉(zhuǎn)的制動(dòng)鼓表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生高溫。摩擦襯片制動(dòng)時(shí)的溫度可以通過(guò)熱電偶或者紅外線傳感器測(cè)量?？紤]到安裝費(fèi)用及測(cè)量精度，采用鉑熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)量。將傳感器安裝在制動(dòng)時(shí)摩擦襯片溫度最高處，如圖3所示。

圖3：傳感器安裝位置

2.2 車載終端的選擇

車載預(yù)警控制面板以 FREESCALE的 MC9S12XEP100單片機(jī)為終端，與車輛終端之間通過(guò)RS-232進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)直觀顯示車輛制動(dòng)器溫度狀態(tài)的預(yù)警信息。終端人機(jī)交互控制面板程序使用C++語(yǔ)言編寫，實(shí)現(xiàn)了車輛制動(dòng)器摩擦襯片溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)、預(yù)警等功能。在主界面的預(yù)警狀態(tài)由綠色變?yōu)榧t色。預(yù)警系統(tǒng)人機(jī)交互控制面板如圖4所示。

圖4：預(yù)警系統(tǒng)人機(jī)交互控制面板主界面

2.3 摩擦襯片溫度預(yù)警程序設(shè)計(jì)

利用DAM3046采集溫度傳感器信號(hào)，通過(guò)采集模塊與車載終端 MC9S12XEP100單片機(jī)之間的雙工通信模式將采集到的傳感器溫度信息發(fā)送過(guò)車載終端。將制動(dòng)蹄摩擦襯片溫度閾值設(shè)定為260°C，當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的溫度高于該閾值溫度時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出危險(xiǎn)預(yù)警信息。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)研究摩擦襯片生熱與散熱過(guò)程，得出散熱主要途徑。利用ANSYS進(jìn)行有限元仿真分析，找出制動(dòng)蹄摩擦襯片高溫最高點(diǎn)。

（2）搭建載貨汽車制動(dòng)器溫度監(jiān)測(cè)及預(yù)警系平臺(tái)，從硬件和軟件角度制定具體的制動(dòng)器溫度監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)實(shí)施方案。

（3）進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)工作正?？尚?。