李富明+吳繼宗+朱萍玉

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

關(guān)鍵詞：重載貨車；鼓式制動器；溫度實時監(jiān)測；報警

中圖分類號：U46351文獻標識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.01.0010引言

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

1鼓式制動器工作條件分析

1.1鼓式制動器的熱源分析

根據(jù)摩擦生熱原理，制動過程摩擦生熱量的計算公式可簡單描述為：

Q1=FμS（1）

式中Fμ為制動器的制動力；

S為制動鼓圓周轉(zhuǎn)動的距離。

車輛在制動過程中，隨著行駛速度的降低，其動能減少，減少的動能部分轉(zhuǎn)化為制動器的摩擦熱。當(dāng)車輛在有縱向坡度的路段行駛時，考慮勢能的變化，忽略輪胎與地面的滑磨熱損失，推導(dǎo)出車輛制動器在制動時摩擦產(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—汽車制動初速度（m/s）；

v2—汽車制動末速度（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—滾動阻力系數(shù)；

S—制動距離，m。

補充的是，因為道路坡度i=h/l=tanα，根據(jù)我國下坡路段設(shè)計規(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鼓式制動器工作溫度對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，橡膠就會融化，由橡膠制成的輪胎就會爆裂。車輪行駛中輪胎的熱量主要來自于兩個方面，一是車輪在滾動中，輪胎會發(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鼓，車輪行駛中，具有動能，要停車或減速時，車輛的動能就通過制動器轉(zhuǎn)化為熱能，熱能有一部分會散發(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，還有一部分暫時未傳遞出去的熱量使得制動器（含制動鼓、制動底板、制動蹄等）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不能超過145 ℃。如果考慮輪胎在滾動中本身還要生熱，兼顧考慮輪胎的使用壽命。鋼圈的溫度還應(yīng)該再低一點，根據(jù)經(jīng)驗，車輪使用中，鋼圈的溫度應(yīng)以不超過100 ℃為宜，對于大貨車來說，相應(yīng)的制動鼓溫度應(yīng)在200 ℃以下。

122導(dǎo)致潤滑脂融化

輪轂內(nèi)潤滑脂融化，可能會有潤滑油流入制動鼓內(nèi)，如果潤滑油黏附在剎車片及制動鼓表面，將使汽車的制動性能大大降低甚至沒有制動，這是極其危險的。另外，潤滑脂融化后流失，也會導(dǎo)致輪轂軸承損壞。潤滑脂是否會融化，一方面取決于潤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滑脂潤滑，其所能承受的最高溫度在120～150 ℃左右。不同廠家、不同品牌的潤滑脂，其耐溫指標變化不大。輪轂的溫度也受兩個因素的影響，一是軸承在轉(zhuǎn)動中會摩擦生熱，另一個就是制動器傳給輪轂的熱量，從經(jīng)驗看，制動鼓溫度在200 ℃左右，輪轂內(nèi)的潤滑脂已有融化跡象，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

剎車片裝在制動器內(nèi)，如果制動器的溫度升高，剎車片的摩擦系數(shù)會下降，汽車的制動力減小，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)，不會對汽車的制動性能產(chǎn)生太大的影響。

1.3鼓式制動器工作溫度綜合考慮

對制動鼓溫度安全使用范圍，非正常使用范圍，及危險范圍有以下觀點：制動鼓溫度在150 ℃以下，應(yīng)該屬于正常使用的范圍，制動鼓溫度在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鼓內(nèi)，然后布線連接到單片機和顯示器，就能對制動鼓的溫度進行監(jiān)測并實時把制動鼓的溫度顯示給駕駛員。監(jiān)測系統(tǒng)中增加了報警系統(tǒng)，當(dāng)溫度即將到達危險溫度的時候會發(fā)出蜂鳴聲，同時車上的應(yīng)急燈也會閃爍發(fā)出警告，通知駕駛員要馬上找地方停下來讓制動鼓溫度下降。

2制動鼓溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)

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

本系統(tǒng)采取了STM最先進的微電腦技術(shù)，LED數(shù)碼顯示，測量和溫控精確到0.1 ℃，帶有高溫報警和傳感器，簡單實用，是一個性價比極高的系統(tǒng)，小型一體化智能控制，延時回差可設(shè)定。

（2）技術(shù)參數(shù)

溫度控制范圍：-50～110 ℃；

測溫精度：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，對角75 mm）；

整機功耗：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，此時顯示為測量溫度，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確認返回，此時控制器按設(shè)定自動執(zhí)行溫度監(jiān)測與預(yù)警。

該溫控器輸出為10 A繼電器，滿足各種大功率負載，連接好控制電路，即可為溫控器供電，此時顯示屏顯示為環(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，請按說明連接好傳感器；顯示HH為超出測量范圍，溫控器會強制斷開繼電器；顯示---為高溫報警。

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

（5）系統(tǒng)參數(shù)功能說明

長按SET 5 s可進入主菜單設(shè)定，按“+-”切換P0...P8；長按SET或者10 s無按鍵動作控制器自動確認返回P0模式。

在結(jié)合本大型重載貨車制動鼓溫度實時檢測系統(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)測量溫度和標準溫度有偏差時，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 ℃。

長按SET 5 s顯示P0，按“+-”切換到P4，按一次SET進行校正，按“+-”設(shè)置校正值，完成后按一次SET返回，長按SET或者10 s無按鍵動作控制器自動確認完成。

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

②P5 延時啟動時間（單位：min）

當(dāng)監(jiān)測預(yù)警有需要時，可開啟延時功能，保護設(shè)備壽命。

長按SET 5 s顯示P0，按“+-”切換到P5，按一次SET設(shè)置延時啟動時間單位是分鐘，按“+-”設(shè)置0～10 min，完成后按一次SET返回，長按SET或者10 s無按鍵動作控制器自動確認完成。

其含義是，溫度監(jiān)測狀態(tài)下設(shè)定延時為5 min，監(jiān)測后溫度到達預(yù)警設(shè)定值，啟動延時，此時開始計時，5 min后通電給繼電器使應(yīng)急燈閃爍。延時中LED指示燈閃爍，延時啟動設(shè)置為0時等于關(guān)閉延時功能。

③P6 按鍵音開關(guān)

長按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，長按SET或者10 s無按鍵動作控制器自動確認完成。

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

④P7 高溫報警

長按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)置高溫報警溫度點，按“+-”設(shè)置0～110，完成后按一次SET返回，長按SET或者10 s無按鍵動作控制器自動確認完成。

高溫報警設(shè)置范圍為0～110或為off關(guān)閉此功能，到達高溫報警后蜂鳴器發(fā)出急促滴滴聲，同時系統(tǒng)會給信號車上的應(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，一項一項來設(shè)定很費時間，此時可用此功能恢復(fù)出廠設(shè)定，具體方法為：

長按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)行任何動作，完成后按一次SET返回，長按SET或者10 s無按鍵動作控制器自動恢復(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8位漏級開路雙向I/O口，在此電路中連接PT100溫度傳感器送過來的信號；P2口為一個內(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燈繼電器，把電信號輸出；P3口管腳是8個帶內(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口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號，在此電路中連接溫度報警裝置，輸出信號。

2.4溫度測量模塊

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

2.5溫度報警裝置

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?，F(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，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(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。

實物圖3監(jiān)測技術(shù)實施方案

監(jiān)測系統(tǒng)在模型上安裝試驗后，證明了該系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)設(shè)計的功能：①制動鼓溫度的實時監(jiān)測。②溫度超過極限值時預(yù)警。這兩個功能均能實現(xiàn)?，F(xiàn)在把設(shè)備安裝在實車上，進行布線及所需要的模塊和傳感器等進行安裝。觸感器安裝的位置是通過軟件進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車上進行實車道路試驗，以驗證分析系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的有效性及實用性。

把系統(tǒng)安裝在實車，對整個系統(tǒng)的安裝復(fù)查一遍后，開始進行路試。我們選擇的場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。實驗過程中環(huán)境溫度為25 ℃，通過駕駛室顯示器看到的實時溫度與環(huán)境溫度一致。

試驗開始，數(shù)據(jù)的驗證選擇每500 m對用紅外線測溫儀與制動鼓溫度進行讀數(shù)，并實時與駕駛室顯示器所示溫度進行比對。試驗過程總共走了30 km，行駛過程中有意多次進行急減速?？偣沧x數(shù)比對60次，60次讀數(shù)均一致。每次試驗在正常行駛過程中偶爾進行緊急制動或強制動，使制動蹄摩擦襯片溫度迅速升高。

系統(tǒng)共報警 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)鼓式制動器溫度恢復(fù)預(yù)警設(shè)定值以下時，系統(tǒng)不再進行報警，繼續(xù)正常運行。

在每次數(shù)據(jù)讀取記錄完成后，將數(shù)據(jù)填表進行記錄，完成測試。經(jīng)過多次試驗，證明了系統(tǒng)設(shè)計的兩個功能能在實車上進行應(yīng)用。

5結(jié)論

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

系統(tǒng)能用直觀的方式實時告知駕駛員制動鼓的溫度，這對減少因制動系統(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，減少生命及財產(chǎn)的損失，對社會的發(fā)展有良好的作用。

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