大貨車制動器熱衰退報警系統(tǒng)設(shè)計摘要：制動器是車輛的重要安全部件，在汽車行駛安全性與停車可靠性方面具有極其重要的作用。載貨汽車在山區(qū)公路長下坡路段行駛時，因頻繁制動或連續(xù)制動，使制動器負荷增大，十分容易出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，從而影響制動器性能使車輛的制動距離大大增加，對行車制動安全帶來較大的影響。因此，研究制動器溫升情況，對制動蹄摩擦襯片溫度信息進行實時監(jiān)控，并及時將摩擦襯片溫度信息傳遞給駕駛員，將摩擦襯片溫度控制在行駛安全溫度以下，有效減少制動效能熱水退現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而保證制動器在制動時具有足夠的制動效能，對裝有鼓式制動器的載貨汽車具有重要意義。近年來，我國道路交通安全形勢日益嚴(yán)峻，群死群傷和重大惡性交通事故頻發(fā)。根據(jù)公安部交通管理局通報數(shù)據(jù)，載貨汽車的運輸安全問題已經(jīng)成為國家主管部門提高交通運輸安全的重要舉措之一。本文結(jié)合“863”項目《營運載貨汽車安全性能監(jiān)測與預(yù)警集成技術(shù)及裝置》針對制動過程中連續(xù)制動或強制制動情況，分析了制動器自身影響制動性能的主要因素，包括制動蹄摩擦襯片磨損量、制動力矩、制動蹄摩擦襯片溫度三個方面；研究了制動器制動過程中制動器的溫升情況；針對制動失效主要原因，利用能量守恒定律及與車速、制動距離、制動器溫度等之間的關(guān)系，推出了車輛在滿載時，長下坡情況下制動器溫度與制動安全距離之間的關(guān)系模型，研究尋找了制動過程中鼓式制動器最高溫度的位置，設(shè)計研發(fā)載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，對制動蹄摩擦襯片溫度進行實時監(jiān)控。概系統(tǒng)能夠在制動器摩擦襯片溫度達到預(yù)設(shè)的報警溫度時，發(fā)出聲、光報警，提示駕駛員減速行駛，或提示進入緊急休息區(qū)停車休息，待溫度恢復(fù)正常后再繼續(xù)前行，從而提高載貨汽車的行車安全，減少交通事故的發(fā)生。關(guān)鍵詞：大貨車；鼓式制動器；制動器溫升；安全預(yù)警Big

truck

brake

thermal

recession

alarm

system

designAbstract：Thebrakesareimportantsafetycomponentsofvehicles,drivinginthevehiclesafetyandreliabilityofvehicleparkingisextremelyimportantrole.Truckcontinuouslongdownhillbraking,thebrakeload,poordrivingenvironment,pronetoheatarecession,whichcouldaffectthevehicle'sbrakingbrakeperformancefromthegreatlyincreasedsecurity,greatersafetyonthebrakeeffects.Therefore,studythetemperatureofbrakes,monitorthetemperatureofthebrakesysteminformationinreal-timeanddeliverythemtothedrivertimely,thiswillcontrolthetemperaturelowerthanthesafetytemperatureindriving.Inthismethod,thebrakingthermalperformanceofthephenomenonoftherecessionwillbeeffectivelyreduced,andensuresufficientbrakingperformanceofthebrakeswhichfittedwithdrumbrakesonheavyvehiclesladenwithsignificance.Inrecentyears,roadtrafficsafetysituationisincreasinglygriminChina,andfrequentaccidentsofmajormalignantbecomelarger.AccordingtotheinformedDataoftheMinistryofPublicSecurityTrafficManagementBureau,safetyoftrucktransportofroadtrafficsafetyhasbecomeoneofthemajorfocusonaccidents,whileaddressingtheproblemofroadtrafficsafetyhasbecomeoneoftheimportantnationalauthoritiestoimprovetransportationsecurityinitiatives.Inthispaper,combinethe"863”project"Operatingperformanceoftrucksafetytechnologiesandintegratedmonitoringandearlywarningdevice"analyzesthemainfactorsaffectingbrakeperformanceofbrakesthemselvesforthecontinuousbrakingsituation,includingthetemperatureofbrakeshoefrictionlining，thebrakingtorqueandthewearofbrakeshoe.Studythetemperaturerisesituationofbrakesduringthebrake;focusonthemainreasonsforfailureunderbraking,usetherelationshipofenergyconservationtheoremwiththespeed,brakingdistance,braketemperature,deducetherelationshipformulabetweenthebraketemperaturewiththebrakingsafetydistancewhenit'sfullyloadedvehiclewithdifferentslope;researchonthelocationofdrumbrakesystemhighesttemperature,designanddevelopthetruckbrakesystemtemperaturemonitoringandearlywarningsystemstomonitorthetemperatureofbrakesysteminreal-time.Whenthetemperaturereachesthepresetalarmtemperature(thetemperatureoftheupperlimitofsafedriving),audibleandvisualalarmappear,promptingthedrivertoslowdown,ordriveintoemergencyseatingareatostopuntilthetemperaturereturnstonormalandthenmoveon.Thereby,improvetrucktrafficsafetyandreducingtrafficaccidentstoprovideprotectionfortrucksafetyofpeopleandvehicles.Keywords:Truck,Drumbrake,Temperatureofdrumbrake,Early-warning目錄中文摘要...........................................................Ⅰ英文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅱ第1章緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11.1選題背景.......................................................1.1.1我國營運載貨汽車安全現(xiàn)狀......................................1.1.2研究背景及意義................................................1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀..................................................1.3課題主要研究內(nèi)容及目的.........................................1.3.1課題研究的主要內(nèi)容............................................1.3.2課題研究的主要目的...........................................第2章載貨汽車制動器熱衰退的研究.................................2.1載貨汽車制動器熱衰退產(chǎn)生的原因..............................2.2載貨汽車制動器熱衰退的影響因素.............................2.2.1連續(xù)制動對制動器熱衰退的影響............................2.2.2摩擦材料對制動器熱衰退的影響............................2.2.3制動器溫升對制動器熱衰退的影響.......................2.3本章小結(jié).................................................第3章制動器溫度對制動性能的影響研究..............................3.1鼓式制動器生熱與散熱研究...................................3.1.1制動器生熱與散熱過程.....................................3.1.2制動器摩擦熱的確定......................................3.2制動器制動溫度最高點的位置分析...........................3.3制動器熱衰退失效溫度范圍................................3.4本章小結(jié)................................................第4章載貨汽車制動器熱衰退報警系統(tǒng)研究.....................4.1監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)概述....................................4.2溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)概述...................................4.3速度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)概述..................................4,4本章小結(jié)第5章載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計5.1傳感器的選取..............................................5.2溫度數(shù)據(jù)的采集..............................................5.3車載終端類型選擇............................................5.4監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)軟件方案設(shè)計..................................5.4.1軟件系統(tǒng)功能定義..........................................5.4.2單片機電路系統(tǒng)設(shè)計........................................5.5摩擦襯片溫度監(jiān)測技術(shù)實施方案................................5.5.1摩擦襯片溫度預(yù)警程序設(shè)計..................................5.5.2監(jiān)測技術(shù)實施方案..........................................5.5.3車載終端人機交互面板......................................5.6本章小結(jié).....................................................第6章總結(jié)與展望.................................................6.1全文總結(jié).....................................................6.2論文不足與展望...............................................參考文獻..........................................................致謝...............................................................緒論1.1選題背景1.1.1我國營運載貨汽車安全現(xiàn)狀近年來隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，公路交通運輸業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，貨物運輸需求日益增大，載貨汽車的使用量隨之增大。2014年，商用車產(chǎn)銷分別完成2372.29萬輛和2349.19萬輛，比上年分別增長7.26%和6.86%。貨車(含貨車非完整車輛、半掛牽引車)產(chǎn)銷分別完成963.40萬輛和964.72萬輛，比上年分別增長5.8%和7%。貨車數(shù)量累積達3100萬輛。目前，我國公路交通安全形勢日益嚴(yán)峻，重大特大惡性交通事故頻發(fā)。2013年，全國共發(fā)生一次死亡10人以上重大事故16起，共造成195人死亡。2012年，全國接報涉及人員傷亡的路口交通事故4.6萬起，造成1.1萬人死亡、5萬人受傷，分別上升17.7%,16.5%和12.3%，重特大道路交通事故25起。2012年發(fā)生的一次死亡5人以上事故中，70起為單方翻墜事故，占28.5%，同比上升5個百分點。25起重特大事故中，12起為單方翻墜事故，占48%。特別是在西南地區(qū)，71%重特大事故為單方翻墜車事故。交通事故造成的死亡人數(shù)占各種事故的90%以上，對人類的危害己遠遠超過了地震、洪水、火災(zāi)這些可怕的災(zāi)難。由于載貨汽車引發(fā)的特重大道路交通事故導(dǎo)致大量生命財產(chǎn)損失，以下是全國近幾年發(fā)生的載貨汽車道路重大交通事故概述。2013年7月23日晚，在贛閩交界處(江西境內(nèi))發(fā)生一起重大交通事故，事故車輛為一輛載有28人的客車和一輛裝載26噸黃花梨的半掛大貨車（核載32噸）。該車從福建返程至省道南建線江西與福建交界(江西境內(nèi))山區(qū)陡坡急轉(zhuǎn)彎處發(fā)生事故，導(dǎo)致16人遇難、10人受傷。2012年12月5日云南昆曲高速發(fā)生多車相撞交通事故，導(dǎo)致12人不幸遇難，6人受傷，10輛車不同程度受損;通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，事故的主要原因是由于江西籍重型載貨汽車因超載導(dǎo)致制動失效，將車輛前方一小型轎車撞翻，隨后又與一輛重型貨車發(fā)生碰撞，導(dǎo)致該重型貨車與另一小型普通客車發(fā)生連環(huán)碰撞。2012年6日11時，車牌為藏A-B5375的貨車載35人，在貢嘎縣沿江北公路從桑耶寺前往丹青寺，在返回途中制動失靈，導(dǎo)致車輛撞在路邊山體，事故造成26人死亡、9人受傷。2011年4月25日上午，在云南楚雄彝族自治州昆楚公路127公里處發(fā)生一起特大交通事故，一輛旅游客車與貨車相撞，導(dǎo)致21人死亡，20人受傷;經(jīng)過調(diào)查，運載西瓜的貨車嚴(yán)重超載，核載9.9噸，實際載重21.8噸，超載11.9噸，制動失靈，導(dǎo)致慘劇發(fā)生。載貨汽車的運輸安全問題己經(jīng)成為我國重大交通事故關(guān)注焦點之一，同時解決道路交通安全問題也成為國家主管部門提高交通運輸安全的重要舉措之一。1.1.2研究背景及意義我國山區(qū)面積較大，大約有75%的國土面積為山地、高原和丘陵地形，山地占地面積比較大，尤其是在中西部地區(qū)，以山嶺區(qū)、高原和重丘為主。在這些地區(qū)，絕大多數(shù)公路為低級公路和等外公路。然而，這些低等級的公路大多數(shù)分布于山區(qū)和丘陵地帶，不僅技術(shù)等級較低，而且施工質(zhì)量較差，同時在這些公路上缺少較高等級的安全設(shè)施，并且部分道路傍巖，落差非常大，坡長且陡，道路沿線地勢險要。例如，在云南和貴州等南方地區(qū)，道路多為盤山路和長下坡路段，道路安全措施較缺乏。云南地區(qū)部分長下坡路段如圖1.1所示。圖1.1云南地區(qū)部分長下坡路段目前，在這些山區(qū)及丘陵路段，運輸貨物的車輛多數(shù)為營運載貨汽車。在這些營運載貨汽車上，均采用鼓式制動器作為行車制動器。在此類車輛上，由于制動器工作在非常惡劣的條件下，并且受到摩擦力與摩擦襯片較大壓力的綜合作用，尤其是行駛在山區(qū)及丘陵等復(fù)雜環(huán)境中載貨汽車，因經(jīng)常頻繁連續(xù)制動或長時間使用制動，制動鼓的負荷將異常增大。因為制動蹄摩擦襯片與輪胎發(fā)生摩擦，產(chǎn)生的熱量將使制動器的溫度急劇升高，大大降低了制動器的強度;同時，由于摩擦產(chǎn)生的熱應(yīng)力將使制動鼓與制動蹄摩擦襯片的摩擦表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋，摩擦襯片上的熱裂紋來不及擴展就被磨損了，因此摩擦襯片上的熱裂紋是影響制動器性能的主要原因。制動器的制動熱衰退現(xiàn)象也會因制動器溫度迅速上升變的尤為突出，嚴(yán)重時將使制動器完全喪失制動能力，導(dǎo)致交通事故發(fā)生。制動器的制動效能熱衰退是制動器失效的主要原因，尤其是安裝鼓式制動器的載貨車輛，因頻繁制動或連續(xù)制動，使制動器負荷增大，十分容易出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。本文主要針對載貨汽車鼓式制動器，設(shè)計研發(fā)了載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實時監(jiān)測制動蹄摩擦襯片的溫度情況，并及時將制動蹄摩擦襯片溫度信息傳遞給駕駛員，保證制動器在制動時具有足夠的制動效能，使制動器處于最佳的工作狀態(tài)，有效減少熱衰退現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而減少交通事故的發(fā)生，提高載貨汽車的行駛安全性。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀制動器作為汽車制動的主要元件，對于制動器的相關(guān)要求，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:制動摩擦片的適宜工作溫度為100-350。C。但許多劣質(zhì)制動摩擦片在溫度達到250.C時，其摩擦系數(shù)就會急劇下降，而此時制動就會完全失靈。1.2.1制動器熱衰退國內(nèi)的研究現(xiàn)狀近年來，對車輛制動器熱衰退的研究及其解決方法已經(jīng)相當(dāng)豐富，通過對制動器熱衰退的產(chǎn)生機理的研究分析，提出了解決方案。大多數(shù)的解決方法是對制動器的結(jié)構(gòu)、制動器的摩擦材料、摩擦材料的溫升規(guī)律以及ABS裝置的采用，實時的反映在汽車顯示屏上，這種以傳感器裝置以及ABS裝置的方法已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用到汽車上來，相關(guān)的理論和方法也越來越豐富。如：余國輝在《汽車制動效能的熱衰退》【1】中根據(jù)車輛行駛的工況不同提到，當(dāng)汽車下長坡連續(xù)使用制動或高速制動時，制動器的工作溫度上升，由于機械、物理、化學(xué)三種因素的作用，制動器的摩擦系數(shù)變小，使得摩擦力矩顯著降低，不同工況下的制動器熱衰退的程度不同。紀(jì)飛龍，馬迅，楊殷梁在《鼓式制動器循環(huán)制動瞬態(tài)溫度場仿真》【2】分析了鼓式制動器生熱散熱過程．運用有限元軟件ANSYS建立某鼓式制動器瞬態(tài)溫度場仿真模型，得出在重復(fù)制動工況下制動鼓的溫升過程．分析了瞬態(tài)溫度場的變化情況根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進行熱衰退試驗，通過修改仿真模型的熱邊界條件．使仿真溫度曲線與試驗曲線相吻合．確定了鼓式制動器瞬態(tài)溫度場分析的邊界條件及模擬方法。高誠輝,黃健萌,林謝昭,唐旭晟在《盤式制動器摩擦磨損熱動力學(xué)研究進展》【3】分析了摩擦磨損熱動力學(xué)是制動器失效分析和設(shè)計的重要理論依據(jù),對選擇摩擦副材料也有指導(dǎo)作用因此從分析摩擦熱對制動器摩擦副的影響著手,總結(jié)了盤式制動器摩擦磨損熱動力學(xué)的數(shù)學(xué)、物理模型,并對制動摩擦表面溫度場和應(yīng)力場的計算方法進行分析比較,評述了盤式制動器摩擦磨損熱動力學(xué)的研究進展,并對今后主要研究工作進行了展望，粗糙表面形貌的數(shù)字化及其數(shù)字化建模仿真,可為進一步研究制動摩擦副的失效和熱破壞機制、摩擦材料磨損的微觀力學(xué)和磨損機理打下很好的研究基礎(chǔ)。陳漢汛，朱攀在《摩擦材料引起制動器熱衰退的機理的研究與探討》【4】對兩種不同的摩擦材料進行了熱衰退相關(guān)實驗,并利用掃描電子顯微鏡(SEM)對制動器摩擦表面摩擦前后的表面形貌進行了觀察分析。對不同材料的摩擦片的觀察結(jié)果進行對比,發(fā)現(xiàn)熱衰退產(chǎn)生的強弱程度與材料的成分與配方有密切關(guān)系。對于粉末冶金摩擦材料,由于材料中不含有機組分,熱衰退表現(xiàn)并不明顯；而對于樹脂摩擦材料,由于其內(nèi)部含大量有機粘結(jié)劑,其熱衰退較為明顯。剖析了產(chǎn)生熱衰退的根本原因，得出制動器熱衰退的程度與摩擦材料的成分及其結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。王志剛在《制動器摩擦材料的熱衰退現(xiàn)象研究》【5】中對熱衰退進行試驗研究，從而進一步提出了熱分解溫度的概念。分析摩擦材料隨溫度變化而出現(xiàn)的不同變化規(guī)律是評價摩擦材料的一個重要的方面。由于升溫方式不同（比壓和速度升溫，也可以人工加熱提高溫升），存在能否正確的模擬摩擦溫度的問題。當(dāng)與不同的對偶金屬材料處于定速連續(xù)摩擦工況時，熱負荷的大小及溫度梯度的變化對摩擦性能有很大的影響。所以主要靠摩擦熱來獲取升溫還是依靠人工加熱來實現(xiàn)溫度的模擬，很可能會產(chǎn)生相異甚至完全不同的實驗結(jié)果。采用模擬實際摩擦表面生熱的動態(tài)測試方法，得出依靠摩擦副的摩擦熱來實現(xiàn)溫升模擬，更符合實際制動工況，因此具有良好的模擬性。制動期間摩擦材料表層的溫度變化對摩擦系數(shù)有很大的影響，具體對測試材料，當(dāng)表層材料溫度低于125。C時，定速對摩制動的摩擦系數(shù)變化規(guī)律取決于所采用的不同對偶金屬材料；反之，摩擦材料固有表層熱影響機理控制摩擦系數(shù)的下降趨勢，與對偶材料無直接關(guān)系。代洪在《運輸車輛自動控制氣壓淋水助冷裝置的設(shè)計》【6】介紹了運輸車輛氣壓制動傳動裝置的組成，對鼓式制動器熱衰退性的危害進行了分析。當(dāng)車輛長時間下坡制動，為了保證行車安全，克服制動效能熱衰退帶來的危害，對車輪制動器加裝了自動控制氣壓淋水裝置進行冷卻，闡述了自動控制氣壓淋水助冷裝置的總體組成及工作原理。自動控制氣壓淋水助冷裝置，實現(xiàn)了單向閥和電磁閥的雙重保護，避免了由于貯淋水箱缺水或管路漏氣造成貯氣筒內(nèi)氣壓降低而使制動傳動裝置失效的故障，增加了制動系統(tǒng)的可靠性。自動控制氣壓淋水助冷裝置，實現(xiàn)了單向閥和電磁閥的雙重保護，只有貯氣筒內(nèi)的空氣壓力達到200kPa以上，單向閥才能開啟；要想實現(xiàn)淋水助冷，必須保證貯氣筒內(nèi)的空氣壓力達到370kPa以上，制動器的溫度達到300℃以上，二者缺一不可，避免了由于貯淋水箱缺水或管路漏氣，造成貯氣筒內(nèi)氣壓降低，使制動傳動裝置失效的故障。?；洌瑢O運柱，王忠舉，李愛娟，郭新民在《汽車鼓式制動器冷卻能力自控裝置的研究》【7】設(shè)計了鼓式制動器冷卻能力自控裝置,水泵采用直流電動機驅(qū)動,水泵轉(zhuǎn)速和電磁閥開閉頻率都由單片機控制,實現(xiàn)了冷卻能力的自動調(diào)節(jié)。電動機調(diào)速采用PWM電控器,建立了其控制模型。將此電控裝置在制動試驗臺上進行了試驗研究。結(jié)果表明:該冷卻裝置可將摩擦片的溫度控制在310。C以內(nèi),有效防止制動器的熱衰退。楊志剛,吳佳偉在《長下坡工況中通風(fēng)制動盤熱性能的仿真分析》【8】研究在長下坡工況中制動盤的溫升情況，本文基于fluent仿真軟件，對幾種不同的坡度、車速和車重的長下坡工況中的通風(fēng)制動盤的熱性能進行仿真分析，得出了制動盤在長下坡拖磨工況中的盤體溫度場及溫升曲線，確定了坡度、車速和車重增大均使制動盤溫升速率增大，而車速增大會使制動盤對流換熱加強，最終制動盤溫升速率會隨時間推移逐漸減小，對設(shè)計汽車長下坡工況中制動器性能有參考作用。吳笛，吳波勇，王漢斌在《中重型商務(wù)車裝用ABS對制動器熱衰退的影響》【9】分析得出在中重型商用車上裝用ABS系統(tǒng)雖然會對車輛的抗熱衰退性能及熱衰退狀態(tài)下駕駛員的判斷及操作上帶來一定的不利影響，但其遠小于載荷變化對制動器熱衰退及制動距離的影響。由于ABS系統(tǒng)能夠改善車輛在不同路況及不同載荷狀態(tài)下的制動效能及制動時的方向穩(wěn)定性，因此中重型商用車上裝用ABS系統(tǒng)是非常必要的。但為了盡量消除ABS系統(tǒng)對制動器抗熱衰退性能的不利影響，在設(shè)計和匹配裝用ABS的制動系統(tǒng)時，應(yīng)盡可能采用高熱容量的制動器和輔助制動系統(tǒng)等以提高制動系統(tǒng)的抗熱衰退性能。1.2.2制動器熱衰退國外的研究現(xiàn)狀K.Bhambare,S.JeliM.Haffey，ExaCorporation在《BrakeDutyCycleSimulationforThermalDesignofVehicleBrakingSystem》【27】中采用仿真工具可以用來預(yù)測汽車連續(xù)制動期間溫度是否過高。車輛的CFD模型是帶有剎車和加速的加熱法的的制動系統(tǒng)。在剎車和加速期間，根據(jù)車輛速度的波動計算出熱能轉(zhuǎn)化成動能的多少。在整個制動周期內(nèi)，隨著一個獨立模擬的速度變化的傳熱系數(shù)（HTC）計算熱量輸入，用來預(yù)測整個制動系統(tǒng)包括制動圓盤的溫度。對制動盤和相鄰部件例如輪轂和輪輞使用固網(wǎng)，在加熱和冷卻期間通過建模的傳導(dǎo)進一步精確溫度的預(yù)測。在轉(zhuǎn)速極快的時間下，多個設(shè)計可以快速執(zhí)行，從而分析和提高制動冷卻性能。RussellCreed,AndrewCreedandJohnP.DecontiD-BrakeLLC在《LiquidCooledDrivelineBrakingSystemTechnologyandTestResults》中安裝電磁緩速器同時在制動器上補充阻滯劑，可以很好的改善摩擦材料的性能，大大減少了行車制動器溫度的升高。制動器結(jié)構(gòu)的選擇可以很好的改善其使用壽命。從大量的國內(nèi)外研究狀況和查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻可知，針對鼓式制動器，目前的研究絕大多數(shù)是利用有限元分析的方法，從鼓式制動器的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、車輛類型以及山路的坡度等方面針對鼓式制動器的溫升變化情況進行了分析;在預(yù)警方面，通過Zigbee,雷達等方法來測量前后車的安全距離，從而對駕駛員進行提示，提高行車安全;而在制動預(yù)警專利方面，大部分是通過安裝距離探測裝置，一方面根據(jù)探測與前車的距離來對駕駛員進行預(yù)警提示或自動制動減速，另一方面根據(jù)采取本車行駛數(shù)據(jù)以及安全情況信號，向后車發(fā)出預(yù)警信號，提示后車駕駛員減速制動。但是，在載貨汽車制動器溫度監(jiān)測與預(yù)警方面，如何確定制動過程中制動器摩擦襯片溫度的最高位置、如何對制動蹄器摩擦襯片溫度進行實時監(jiān)測，尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究。因此，針對制動器溫度預(yù)警問題，開展關(guān)于制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的研究，通過有效的方法測量制動器摩擦襯片的溫度，并進行實時監(jiān)測，隨時能夠為駕駛員提供預(yù)警信息。實際開發(fā)的整套監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示等功能，通過改變相關(guān)參數(shù)，開發(fā)的此軟件可應(yīng)用到不同的車型，為車輛的安全提供了保障。1.3課題主要研究內(nèi)容及目的1.3.1課題研究的主要內(nèi)容（1）大貨車連續(xù)長下坡制動，制動器溫度升高導(dǎo)致制動失效問題（2）研究制動效能與摩擦片溫度的關(guān)系，找出失效溫度范圍（3）熱衰退失效報警系統(tǒng)原理設(shè)計、選擇傳感器類型及系統(tǒng)其他主要部件。1.3.2課題研究的主要目的通過理論分析，得出實用的制動器失效溫度范圍及溫升規(guī)律分析貨車制動器熱衰退原因，建立預(yù)警方案建立一種實用的貨車制動器熱衰退檢測及報警系統(tǒng)為進一步的研究奠定基礎(chǔ)載貨汽車制動器熱衰退的影響因素2.1載貨汽車制動器熱衰退產(chǎn)生的原因汽車的安全性直接關(guān)系到廣大人民群眾的生命安全和財產(chǎn)安全，而改善汽車的制動性是提高汽車安全性的一個重要環(huán)節(jié)。當(dāng)汽車下長坡連續(xù)使用制動或高速制動時，制動器的工作溫度上升，由于機械、物理、化學(xué)三種因素的作用，制動器的摩擦系致變小，使得摩擦力矩顯著降低，從而使汽車的動效能明顯下降，這種現(xiàn)象即為制動效能的熱衰退。產(chǎn)生熱衰退現(xiàn)象的主要原因是在制動蹄的摩擦片里含有大量的有機化合物，這些有機化合物在生產(chǎn)過程中被固化下來。2.2載貨汽車制動器熱衰退的影響因素不同工況、不同的摩擦材料以及溫度等等是制動器產(chǎn)生熱衰退的影響因素，對這些影響因素的研究可以改善或者對制動器熱衰退現(xiàn)象的發(fā)生，降低交通事故的發(fā)生，對人們的生命及其財產(chǎn)安全有重要保障。2.2.1連續(xù)制動對制動器熱衰退的影響在長下坡工況下或者山區(qū)等道路條件惡劣的情況下，駕駛員會對汽車進行持續(xù)的剎車或者經(jīng)常點剎，所以在此時，制動器的溫度升高，摩擦材料的磨損逐漸增大，產(chǎn)生熱衰退的幾率極大的增加。2.2.2摩擦材料對制動器熱衰退的影響“熱衰退”指的是當(dāng)制動初速度大、壓力增大、制動頻繁導(dǎo)致摩擦副溫度升高時,摩擦因數(shù)降低的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生熱衰退的原因之一就是制動蹄的摩擦片里含有大量的有機化合物，這些有機化合物在生產(chǎn)過程中被固化下來。汽車在制動過程中制動器摩擦副間有氧化膜、潤滑膜、氣墊膜和轉(zhuǎn)移膜等表面膜的存在,其中潤滑膜和氧化膜較明顯并能直接觀測到,氧化膜和轉(zhuǎn)移膜的形成與破裂是摩擦片發(fā)生磨損的直接表現(xiàn),關(guān)系到摩擦材料的使用壽命;而潤滑膜和氣墊膜的形成直接影響摩擦片摩擦系數(shù)的變化,從而影響制動性能。車輛在制動時，整個制動過程中制動鼓和制動蹄摩擦襯片表面會發(fā)生相對運動，產(chǎn)生的摩擦作用會使制動鼓和摩擦襯片表面的材料發(fā)生流失與轉(zhuǎn)移，因此產(chǎn)生磨損。如圖2.1和圖2.2所示，體現(xiàn)了制動蹄摩擦襯片與制動鼓在磨損前后的對比情況，通過圖片可以看出，制動器摩擦副之間的磨損對物體表面產(chǎn)生了很大的影響，同時隨著摩擦材料的磨損，制動器熱衰退現(xiàn)象發(fā)生的幾率增大。圖2.1制動蹄摩擦襯片發(fā)生磨損前后對比圖圖2.2制動鼓發(fā)生磨損前后對比圖2.2.3摩擦片溫升對制動器熱衰退的影響摩擦材料的摩擦系數(shù)在較低的溫度區(qū)間隨著溫度的升高而增加；但在溫度持續(xù)升高時，摩擦材料發(fā)生熱衰退，摩擦系數(shù)隨著溫度的升高而降低；而當(dāng)溫度降低到低溫區(qū)間后，摩擦系數(shù)又會逐漸恢復(fù)。摩擦材料的這一特性使制動器的制動性能不同溫度下發(fā)生明顯變化。當(dāng)摩擦片的工作溫度不超過300。C時，制動鼓與摩擦片的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0．3～0．4之間。在制動過程中，只要制動器的工作溫度不超過摩擦片的最高工作溫度，制動效能就會相對恒定。但是，當(dāng)其工作溫度超過300。C后，摩擦片里的有機化合物受熱分解，所產(chǎn)生的氣體和液體析出，并存在于摩擦片與制動鼓之間，起著潤滑膜的作用，導(dǎo)致摩擦系數(shù)變小。即在相同踏板力的作用下，摩擦力矩會顯著降低，從而產(chǎn)生制動效能熱衰退現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在鼓式制動器上尤為明顯，這是由于鼓式制動器的結(jié)構(gòu)決定了它的散熱性較差。在汽車下長坡連續(xù)制動或高速制動的過程中，如果制動器的工作溫度高達300℃以上，由于制動鼓的質(zhì)量和散熱面積有限，制動鼓的溫度就會急驟上升，有時高達600～700℃，并受熱膨脹、軟化，甚至其金相組織也發(fā)生變化。根據(jù)摩擦學(xué)理論，溫度對摩擦系數(shù)的影響，一般是隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)增加；達到極大值后，溫度升高，摩擦系數(shù)下降。不同的摩擦材料歲溫度變化曲線如下圖所示。圖2.3熱衰退實驗曲線圖2.3本章小結(jié)通過對制動器熱衰退的影響因素分析得知：在不同工況下行駛的汽車，尤其在長下坡工況下，駕駛員連續(xù)制動或者點剎對汽車制動器產(chǎn)生熱衰退的幾率增加；摩擦材料及其溫升對制動器熱衰退的影響巨大，隨著溫度的升高，制動器的摩擦材料不斷磨損，制動器摩擦片的溫度不斷升高，極大的影響了制動效能，對汽車的安全行駛有著及不利的因素。制動器溫度對制動性能的影響研究載貨汽車行駛在行駛過程中，由于長時間連續(xù)制動、緊急制動或高強度制動，會導(dǎo)致制動器出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象。在制動器的生產(chǎn)過程中，向制動器的摩擦片中固化大量的有機化合物。這些化合物是產(chǎn)生制動器熱衰退現(xiàn)象的主要原因。當(dāng)摩擦片溫度低于200。C時，制動鼓與摩擦片的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.3到0.4之間。一般情況下，關(guān)于鼓式制動器研究人員通常討論的是在冷制動情況(通常制動器的起始溫度在100。C以下)下的制動效能。當(dāng)制動器的工作溫度低于摩擦片的最高工作溫度時，則不會發(fā)生制動失效現(xiàn)象，制動效能也會相對恒定。一旦制動器摩擦片的溫度過高，產(chǎn)生的高溫作用就會使摩擦片中的有機化合物發(fā)生分解，產(chǎn)生各種不同的氣體和液體。產(chǎn)生的氣體和液體會在摩擦襯片和制動鼓之間形成潤滑膜，導(dǎo)致摩擦系數(shù)變小，摩擦力矩便會急劇下降。對于載貨汽車，當(dāng)在繁重的工作條件下進行制動(例如制動器需要長時間進行連續(xù)性制動，甚至要承受較大的制動力而進行高強度的制動，鼓式制動器的溫度通常會達到250.C以上，如果進行制動強度過高，有時會達到600-700。C，甚者達到700。C以上。在這種情況下以及高速度行駛制動時，制動器經(jīng)常會發(fā)生熱衰退現(xiàn)象，導(dǎo)致制動器失效。本文章節(jié)單獨從制動器本身出發(fā)，通過對影響鼓式制動器性能的因素分析，可以得出:無論是制動力矩下降、制動蹄摩擦襯片磨損增加還是摩擦襯片摩擦材料中有機物的分解，都是由于制動器制動過程中，溫度急劇上升，導(dǎo)致了有機物分解，摩擦系數(shù)下降，制動效能衰退。因此，可以得出制動器失效的主要原因歸根結(jié)底都是由于溫度影響所造成的。3.1鼓式制動器生熱與散熱研究3.1.1制動器生熱與散熱過程載貨汽車在進行制動時，制動蹄摩擦襯片和制動鼓內(nèi)表面之間發(fā)生摩擦，產(chǎn)三大量的熱量。熱量一部分通過不同的途徑消失，剩余的部分熱量則積累于制動ti和制動鼓內(nèi)部，這部分熱量將會不斷的增加，從而使制動鼓與制動蹄的溫度逐廳升高。從傳熱學(xué)角度來說，熱傳遞方式分為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種「側(cè)。日動器在制動的過程中的生熱與散熱方式具體情況如圖3.1所示。圖3.1鼓式制動器與外界換熱模型對流散熱是鼓式制動器最主要的散熱方式，占總散熱量的3O%以上。制動時產(chǎn)生的摩擦熱使制動鼓溫度升高從而高于周圍的空氣溫度，因此，制動鼓與周圍空氣發(fā)生對流散熱。由于制動器的內(nèi)表面為了防止灰塵等外物的侵入而被密封，所以不存在空氣流動，則內(nèi)表面基本不存在對流換熱過程。因此，本文只考慮制動鼓外表面的換熱過程。一般情況下，輻射換熱量約占制動鼓散熱量的5%-10%，制動鼓外表面的溫度越高，輻射換熱量也就越大。當(dāng)車輛制動時，制動鼓必將與制動蹄摩擦襯片發(fā)生摩擦從而產(chǎn)生熱量使其溫度逐漸升高。此時，由于制動鼓和外界環(huán)境之間的溫度不同，則會發(fā)生熱輻射作用，熱量從高溫的制動鼓傳向周圍低溫的外界環(huán)境，從而使制動鼓的溫度緩慢降低。傳導(dǎo)散熱方式主要發(fā)生在制動蹄摩擦襯片與制動鼓之間。在制動過程中，摩擦副的接觸表面是生熱的主要表面，因此，其溫度遠遠高于兩側(cè)表面的溫度。根據(jù)理論分析和試驗證明制動鼓與制動蹄摩擦襯片之間的傳導(dǎo)散熱量所占的比例非常小，所以在計算時幾乎可以忽略。3.2制動器制動溫度最高點位置分析重型載貨汽車多用于運輸大量貨物，載重量大，因此制動時要求制動器能夠產(chǎn)生高強度的制動力，所以大多采用氣壓驅(qū)動的鼓式制動器。如下圖所示：圖3.2大貨車鼓式制動器 對于制動蹄實體模型的建立，首先對制動蹄實物進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)在AUTOCAD軟件中創(chuàng)建AUTOCAD模型，然后根據(jù)AUTOCAD模型在Solidworks軟件中建立三維模型。制動蹄AUTOCAD模型所畫三視圖，如下圖所示：CAD模型主視圖 CAD模型側(cè)視圖CAD模型俯視圖通過分析得到的制動蹄溫度場分布情況可以得出，在車輛緊急制動過程中，制動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Y。=90一105mm,在z軸方向距離與摩擦襯片寬度b相同Z。=125mm，該處與水平反向的角度為B=27.一40。。3.3制動器熱衰退失效溫度范圍載貨汽車制動器經(jīng)常工作在非常惡劣的環(huán)境中，同時經(jīng)常受到劇烈撞擊和磨損作用，因此對制動器的性能有很大的影響。當(dāng)車輛在路面行駛時，駕駛員經(jīng)常會進行連續(xù)制動、緊急制動或者高強度制動。此時，由于制動蹄摩擦襯片與制動鼓之間的摩擦?xí)r間過長和摩擦強度過大，非常容易產(chǎn)生高溫從而導(dǎo)致摩擦襯片表面材料中的有機物進行化學(xué)分解，由有機物分解產(chǎn)生的液體和氣體會使摩擦表面形成表面膜(氧化膜潤滑膜、氣墊膜)，金屬表面的實際構(gòu)成示意圖如圖所示。圖3.3.1金屬表面的實際構(gòu)成示意圖氧化膜是由金屬表面與空氣中的氧原子反應(yīng)形成的，并且強度低，硬而脆，在摩擦力的作用下易開裂或破裂，變成磨粒剝離表面。但是，由于連續(xù)制動產(chǎn)生的高溫，會加速金屬表面的氧化過程，并且由于接觸的不均勻性和分散性，在接觸點處承受高壓、高溫從而發(fā)生局部粘著磨損現(xiàn)象。在干摩擦條件下進行制動時，由于接觸處的高溫超過了制動器摩擦襯片材質(zhì)中低熔點金屬組分的熔點，使金屬熔化;在法向和切向力的作用下，熔化的液態(tài)金屬逐漸被展平而產(chǎn)生潤滑作用，或者說高溫下有機物組分的熱分解所產(chǎn)生的液態(tài)物，潤滑點的擴散而形成了襯片表面的“潤滑膜”。在高溫摩擦的作用下，摩擦材料中的有機組分如酚醛樹脂的熱分解而產(chǎn)生大量氣體(CO,CO2、CH、等)，這些氣體不容易被對偶件金屬表面的氧化膜吸收，從而局部具備了流體動壓或靜壓潤滑條件，形成了“氣墊膜”。無論是氧化膜、潤滑膜還是氣墊膜，都會嚴(yán)重的影響制動的可靠性及穩(wěn)定性，使摩擦系數(shù)下降、制動性能降低，這也是造成制動器“熱衰退”的重要原因。因此，在車輛制動過程中，應(yīng)采取相應(yīng)的措施保證摩擦襯片處于正常狀態(tài)，盡力避免出現(xiàn)制動偶件高溫而導(dǎo)致材料變質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生。摩擦系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線如下圖所示。當(dāng)溫度小于250。C時，摩擦系數(shù)隨著溫度的增加而增高，呈上升趨勢;當(dāng)溫度高于250℃時，摩擦系數(shù)隨著溫度的增高急劇下降，呈下降趨勢。因此，在擦副溫度高于250℃左右時，制動器摩擦襯片的摩擦系數(shù)將大大降低，進而使制動器的制動力矩降低，影響制動器的制動效能。根據(jù)美國聯(lián)邦公路局(FHWA)開發(fā)的坡度嚴(yán)重度分級系統(tǒng)把汽車制動毅溫度是否超過260。C作為是否設(shè)置避險車道的依據(jù)。因此，綜合國內(nèi)的研究結(jié)論，并參考國外的研究成果，現(xiàn)把制動器衰退溫度定為260。C即失效閡值溫度設(shè)置為260。C。圖3.3.2摩擦襯片的摩擦系數(shù)與溫度關(guān)系曲線本章小結(jié)通過分析得到了大貨車在長下坡制動時摩擦材料隨溫度的升高，制動蹄片的摩擦材料的不斷磨損，導(dǎo)致制動器熱衰退現(xiàn)象的發(fā)生幾率大大增加；同時得到了制動器熱衰退時制動溫度的最高位置以及制動失效的溫度范圍，對后面的研究奠定了一個堅實的基礎(chǔ)。 載貨汽車制動器熱衰退報警系統(tǒng)方案研究4.1溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)概述通過在車輛制動器上加裝溫度傳感器，實時采集制動蹄摩擦襯片的溫度信息對車輛制動器的安全狀態(tài)進行實時動態(tài)監(jiān)測，車輛制動器出現(xiàn)故障后及時向駕駛員實時提供預(yù)警信息。4.2速度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)研究通過對車輛速度的監(jiān)控，實時采集速度的變化程度對制動器安全狀態(tài)進行實時動態(tài)監(jiān)測，車輛制動器出現(xiàn)故障后及時向駕駛員提供預(yù)警信息。本文采用的是溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)對大貨車制動器熱衰退進行研究。本章小結(jié)通過研究分析可以得到不同的研究預(yù)警方案，在這些方案中選擇溫度傳感器來對制動器熱衰退進行預(yù)警。載貨汽車制動器熱衰退溫度監(jiān)測及預(yù)警方案設(shè)計車載監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)主要是通過在車輛制動器上加裝溫度傳感器，實時采集制動蹄摩擦襯片的溫度信息對車輛制動器的安全狀態(tài)進行實時動態(tài)監(jiān)測。車輛制動器出現(xiàn)故障后及時向駕駛員實時提供預(yù)警信息，避免由于制動器溫度過高引起制動失效從而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生，為車輛提高主動安全性能。本文中構(gòu)建的載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)總體框架如圖5.1所示。制動蹄摩擦襯片溫度參數(shù)動態(tài)監(jiān)測制動蹄摩擦襯片溫度數(shù)據(jù)分析 制動器故障預(yù)警方式圖5.1載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)總體框架系統(tǒng)主要由車載終端、車載電源、制動蹄摩擦襯片溫度監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊以及預(yù)警面板五部分組成。按照模塊劃分系統(tǒng)可以分為:(1）制動蹄摩擦襯片溫度監(jiān)測模塊通過在被檢測車輛上加設(shè)溫度傳感器，采集制動器溫度狀態(tài)參數(shù)。通過采集摩擦襯片溫度，動態(tài)監(jiān)測制動器的安全情況，實現(xiàn)對制動器溫度進行動態(tài)監(jiān)測。(2）數(shù)據(jù)處理模塊基于傳感器采集的車輛制動器溫度狀態(tài)參數(shù)，在車輛行駛過程中按照預(yù)設(shè)的制動器溫度安全狀態(tài)閡值，采用單參數(shù)預(yù)警模式對制動器溫度信號值進行實時數(shù)據(jù)處理。(3)預(yù)警報警模塊通過對制動器溫度狀態(tài)進行分析，按照制動器故障單參數(shù)預(yù)警模式設(shè)定的預(yù)警閡值進行預(yù)警。根據(jù)系統(tǒng)判斷出車輛制動器溫度狀態(tài)參數(shù)的安全度，將車載終端報警器與面板指示燈動態(tài)顯示兩種方式相結(jié)合，對駕駛員進行提醒并提示其采取相應(yīng)的措施。(4)人機交互模塊構(gòu)建友好車輛終端人機交互界面，清楚看到監(jiān)測到的車輛制動器溫度狀態(tài)參數(shù)在車輛行駛過程中的變化過程，并實時存儲車輛的狀態(tài)參數(shù)。5.1傳感器的選擇傳感器選型及布置方案的確定是系統(tǒng)硬件集成中關(guān)鍵問題。本文主要涉及制動系中制動蹄摩擦襯片溫度信號的監(jiān)測，經(jīng)過充分論證和反復(fù)的試驗，檢測摩擦襯片溫度信號需要檢測輔助信號見表5.1.表5.1制動器運行狀態(tài)檢測信號監(jiān)測物理量測量范圍檢測信號傳感器摩擦襯片溫度0-5v摩擦襯片實時溫度熱電偶溫度傳感器主要4種類型，分別是:熱敏電阻、IC溫度傳感器、電阻溫度檢測器以及熱電偶。基于信號檢測確定了檢測制動器摩擦襯片溫度狀態(tài)參數(shù)需要的傳感器類型及其工作特性，詳細內(nèi)容見表5.2，選取的溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)見表5.3。表5.2制動器溫度狀態(tài)檢測傳感器確定運行狀態(tài)參數(shù) 數(shù)量 傳感器 數(shù)據(jù)類型摩擦襯片溫度 4 熱電偶 模擬量表5.3制動蹄摩擦襯片溫度傳感器主要技術(shù)參數(shù)項目名稱具體參數(shù)鉑熱電阻型號Pt100測量范圍（-200--400。C）精度等級A級士(0.15十0.002}t}).C熱電偶K型偶(0一一900。C)精度等級工工級測溫方式接觸式測溫優(yōu)點外形小巧，安裝適應(yīng)性強5.2溫度數(shù)據(jù)的采集5.2.1數(shù)據(jù)采集類型的確定車載監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要采用基于總線的分散測控方案。因為，基于總線的分散測控方案是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣的一種測控方式，在車輛的測控中也被廣泛應(yīng)用。整個系統(tǒng)由多個CPU組成，分散布置于測量信號附近的測量模塊都有各自的CPU，數(shù)據(jù)采集由測量模塊完成。通過現(xiàn)場總線，測量數(shù)據(jù)傳遞給主控CPU，也就是車載計算機。車載計算機再根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)處理及分析融合。這種方案可靠性高，適合于車載監(jiān)控系統(tǒng)。常用的現(xiàn)場總線有RS485,Prof-Bus,World-FIP和CAN-Bus等。本文搭建的載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)對于車輛運行狀態(tài)參數(shù)為單純的采集后處理，R232/485從節(jié)點個數(shù)、通信速率及可靠性方面都能夠滿足車載集成系統(tǒng)的要求，因此本文選用基于R}485的數(shù)據(jù)傳輸模式。關(guān)于計算機串行接口標(biāo)準(zhǔn)中，日5232是最早的接口標(biāo)準(zhǔn)，在小于15m的范圍內(nèi)，能夠以較低波特率進行信號傳輸，在此方面得到了廣泛的用。為了彌補日5232通信距離較短、波特率較低的缺陷，在此基礎(chǔ)上提出了日5422/485接口標(biāo)準(zhǔn)。R422/485采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信，接口具有極強的抗共模干擾能力，總線收發(fā)器靈敏度很高;并且采用了半雙工工作方式，支持多點數(shù)據(jù)通信，除此之外，R232/485總線的商品化數(shù)據(jù)采集模塊種類多，技術(shù)成熟。5.2.2數(shù)據(jù)采集模塊確定市場上基于日5485總線的分散式數(shù)據(jù)采集模塊種類多，有ADVAN型ECH的ADAM-4000系列、阿爾泰科技的DAM-3000系列、中泰的RM系列、廣州致遠的RSM系列等不同產(chǎn)品。其中ADVAN型ECH公司是從事該類產(chǎn)品研發(fā)最早的公司之一，其ADAM-3000系列模塊型號齊全、性能穩(wěn)定，得到了廣泛的應(yīng)用。其內(nèi)部集成微處理器并有堅固的工業(yè)塑料外殼，可以安裝于任何位置。能獨立完成信號處理、數(shù)字顯示和R485通信等功能。并且，產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)配置十分靈活，通過兩根線路就能夠輕松建立起一個多點分布式R485網(wǎng)絡(luò)。針對本文系統(tǒng)中利用熱電偶采集制動蹄摩擦襯片溫度信號要求，確定選用ADAM3046系列模塊采集四組制動蹄摩擦襯片溫度傳感器輸出信號。本文在載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)硬件集成過程中，結(jié)合確定的需要采集的車輛運行狀態(tài)傳感器類型及工作特性以及確定采用的分布式采集模塊，系統(tǒng)對信號的分配見表5.4。表5.4數(shù)據(jù)采集模塊選擇及輸入接口分配表監(jiān)測物理量 數(shù)量 測量范圍 傳感器 接口分配摩擦襯片溫度 4 0-5v熱電偶ADAM30165.3車載終端類型選擇對于普通計算機而言，載貨汽車工作環(huán)境惡劣，震動大、灰塵多，而且溫濕度變化大、電磁干擾嚴(yán)重。載貨汽車上只有24V直流電源，電源變化范圍寬，在啟動瞬間電壓將很大，會導(dǎo)致電腦自動關(guān)機。運輸車輛到達目的地后，載貨汽車會被關(guān)閉電源。如果選用普通計算機，甚至是工業(yè)級計算機作為車載集成系統(tǒng)的核心，會由于環(huán)境惡劣而經(jīng)常死機，最終導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常應(yīng)用。除此之外，載貨汽車駕駛室空間有限，無法安裝體積大的計算機系統(tǒng)。因此選擇一種緊湊、堅固、無風(fēng)扇冷卻的專用車載終端是項目成功的關(guān)鍵之一。經(jīng)過分析確定了MC9S12XEP100雙核16位單片機作為研究載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)車載終端。該單片機主要參數(shù)如下:它能夠適應(yīng)7-50V電壓輸入，可以適用于汽車電源;有12路獨立的數(shù)字信號輸入電路，讀取外部的數(shù)字信號，由于試驗車上的數(shù)字信號不一定是5V的電壓標(biāo)準(zhǔn)，電路中使用光藕合實現(xiàn)不同電壓的轉(zhuǎn)換并隔離電磁干擾，當(dāng)外部信號輸入為高電平時，光藕合輸入到單片機的電平為低電平，當(dāng)外部信號輸入為低電平時，光藕合輸入到單片機的電平為高電平;有16路AD采集電路，利用AD采集口對模擬信號進行采集，最高精度為12位精度;該單片機完全滿足本文中載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的需要。5.4監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)軟件方案設(shè)計本文中構(gòu)建的載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的車載終端是以MC932XER0雙核16位單片機為主體設(shè)計而成，該單片機的微控制器運算能力超強，在汽車電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用「州。該單片機基于HC單片機架構(gòu)，其計算性能為原HC單片機的5倍。在該單片機內(nèi)部，嵌入由C語言編寫而成的數(shù)據(jù)處理程序，該程序能夠按照預(yù)設(shè)的采樣頻率通過傳感器對制動器摩擦襯片溫度信號進行監(jiān)測，然后根據(jù)車載終端單片機中內(nèi)置的制動蹄摩擦襯片溫度狀態(tài)參數(shù)處理算法檢測車輛制動器的安全狀態(tài)，根據(jù)預(yù)設(shè)安全閡值判斷車輛的危險狀態(tài)并對駕駛員進行提示與預(yù)警。5.4.1軟件系統(tǒng)功能定義車載終端內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集處理程序用于車輛制動器運行狀態(tài)參數(shù)的采集與處理，并根據(jù)處理結(jié)果向車載控制面板發(fā)送預(yù)警控制指令。1}數(shù)據(jù)采集:車輛終端可以按照設(shè)定的數(shù)據(jù)采集頻率(0-10Hz)獲取車輛制動器傳感器采集的車輛運行狀態(tài)參數(shù)值。2)數(shù)據(jù)處理:數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理過程之間相互獨立，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。3)預(yù)警信息:預(yù)警控制面板接收車輛終端發(fā)送的預(yù)警信息后，可以按照需要控制預(yù)警控制面板預(yù)警的閃爍頻率。綜上所述，車載終端內(nèi)置程序按照預(yù)設(shè)的采樣頻率在車輛行駛過程中實時獲取車輛制動器運行狀態(tài)參數(shù)值并進行預(yù)警。5.4.2單片機電路系統(tǒng)設(shè)計1)電源電路該控制板的電源電路可以適用于汽車電源，能夠適應(yīng)7-50V的電壓輸入。通過保險F11與二極管D11，將汽車電源引入電源芯片。D11的作用是防止用戶將電源接反而損壞硬件。F1為2A的保險絲，對電路起保護作用。與此同時，電路中使用電源轉(zhuǎn)換芯片LM2576和LM1117，能夠產(chǎn)生電源電壓包括12V,5V、4.2V和3.3V，其電壓轉(zhuǎn)換電路分別如圖所示。圖5.4.112V電源轉(zhuǎn)換電路圖5.4.25V電源轉(zhuǎn)換電路圖5.4.32V電源電路圖V電源電路2)AD采集電路該控制板有有16路AD采集電路，通過設(shè)計的RC濾波電路將采集到的特性進行電容和電阻的匹配，對信號進行分壓和濾波，利用單片機的AD采集口對模擬信號進行采集，最高精度12位精度，如圖所示。圖5.4.5AD采集電路5.5摩擦襯片溫度監(jiān)測技術(shù)實施方案5.5.1摩擦襯片溫度預(yù)警程序設(shè)計貨車制動器制動蹄摩擦襯片溫度傳感器信號通過DAM3046數(shù)據(jù)采集模收集后，通過采集模塊與車載終端MC9S12XEP100單片機之間的雙工通信模式將采集到的傳感器溫度信息發(fā)送過車載終端。當(dāng)車載終端收到摩擦襯片溫度狀態(tài)信息后，向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)初始化指令，初始化指令格式為:OXO1，OX10，OXO1，OX00，OX00，OXO1，0X02，OX00，0X43，OXF7，0X61同時車載終端單片機根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間間隔定時向DAM30146數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送接收最新制動蹄片溫度狀態(tài)信息的8個十六進制數(shù)字信號指令格式為:OXO1，OX04，OXO1，OX00，OX00，OXOC，OXF1，OXF3在DAM3000數(shù)據(jù)采集模塊中，內(nèi)置電信號和溫度之間存在一定的映射關(guān)系。因此，根據(jù)映射關(guān)系式在單片機中設(shè)置一定的采樣頻率，從而獲取制動蹄片溫度的實時信息，為車輛制動蹄摩擦襯片溫度過高引起的制動器失效危險情況提供預(yù)警信息。根據(jù)前面內(nèi)容，將制動蹄摩擦襯片溫度閡值設(shè)定為260。C，當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的溫度高于該閡值溫度時，預(yù)警系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出危險預(yù)警信息。制動蹄摩擦襯片溫度預(yù)警模塊流程圖如圖所示。圖5.5制動蹄摩擦襯片溫度預(yù)警模塊流程圖5.5.2監(jiān)測技術(shù)實施方案當(dāng)車輛在運行狀態(tài)下進行制動時，制動蹄的摩擦襯片表面與高速運轉(zhuǎn)的制動鼓表面之間發(fā)生相對運動進行摩擦，由于通過摩擦產(chǎn)生的高溫不能直接測量。因此，通常情況下摩擦襯片制動時的溫度通過熱電偶或者紅外線傳感器的方法進行測量。考慮到安裝費用以及測量精度問題，在本文中采用鉑熱電阻的方法進行測量。傳感器安裝方式及位置如圖所示。圖5.5.1溫度傳感器安裝主視圖5.5.2溫度傳感器的安裝實物圖5.5.3傳感器摩擦襯片上具體位置5.5.4傳感器線路圖5.5.3車載終端人機交互面板車載預(yù)警控制面板以FREEAE的MC9S12XEP100單片機為終端，與車輛終端之間通過RS-232進行數(shù)據(jù)通信，實時直觀顯示車輛制動器溫度狀態(tài)的預(yù)警信息對駕駛員進行預(yù)警。綜上所述，最終確定的載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)車載終端集成方案如圖所示。圖5.5.5載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系集成方案 該車輛終端人機交互控制面板程序使用C++語言編寫，實現(xiàn)了車輛制動器摩擦襯片溫度實時數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、預(yù)警等功能。此軟件開發(fā)有利于車輛實驗過程中數(shù)據(jù)保存和預(yù)警監(jiān)控，也方便了實驗數(shù)據(jù)處理工作。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了兩組數(shù)據(jù)，即閡值參數(shù)和串口參數(shù)，系統(tǒng)自動設(shè)置的溫度閡值保存到EXCEL文件中，當(dāng)車載終端軟件運行時，系統(tǒng)會自動開啟EXCEL，并將傳感器的數(shù)據(jù)保存到EXCEL中，同時會自動將實時的傳感器數(shù)值與閡值進行比較，一旦傳感器的當(dāng)前值超過閡值，則處于報警狀態(tài)，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)人機交互控制面板如圖所示，主要包括載貨汽車圖片、預(yù)警指示說明、一級指示燈、二級指示燈四部分。當(dāng)車輛啟動時，預(yù)警系統(tǒng)開始進入工作狀態(tài)，控制面板一級指示燈顯示為綠色，倘若預(yù)警系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，一級指示燈顯示為紅色并不停的閃爍;制動蹄摩擦襯片溫度低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閡值時，二級指示燈顯示為綠色，當(dāng)制動蹄片溫度高于閡值時，二級指示燈顯示為紅色并不停的閃爍，同時發(fā)出聲音報警，提示駕駛員制動蹄摩擦襯片溫度出現(xiàn)異常，及時采取適當(dāng)安全措施避免交通事故的發(fā)生。圖5.5.6預(yù)警系統(tǒng)人機交互控制面板主界面本章小結(jié)本章主要針對載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警平臺的搭建進行了詳細的分析與描述。首先，通過具體分析確定了制動器制動溫度安全閡值。然后根據(jù)監(jiān)測及預(yù)警平臺的要求，通過充分論證確定了系統(tǒng)傳感器類型、分布方式、數(shù)據(jù)采集模式以及車載終端類型的選擇，最終形成了系統(tǒng)硬件構(gòu)件設(shè)計方案。針對軟件設(shè)計，本文首先對系統(tǒng)軟件功能進行了定義，然后針對單片機的電路系統(tǒng)進行了設(shè)計，并且根據(jù)系統(tǒng)的功能編制了系統(tǒng)的程序。通過分析，確定了具體的制動蹄摩擦襯片溫度監(jiān)測技術(shù)實施方案，確定了摩擦襯片溫度預(yù)警程序，同時也確定了具體的實施方案。綜上所述，通過本章內(nèi)容對溫度閡值、系統(tǒng)硬件、軟件以及實施方案的論證分析，確定了監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)平臺的構(gòu)架及具體方案，搭建了載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警平臺?？偨Y(jié)與展望6.1全文總結(jié)隨著公路交通運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，貨物運輸需求的日益增大，載貨汽車的使用量也隨之增大。因此，實時監(jiān)測制動器溫度，提高制動器的安全性能，對駕駛員進行高溫預(yù)警，不僅是減少制動器失效的重要方法，同時也是保證載貨汽車行車安全、減少交通事故的重要手段之一。本文首先對制動器熱衰退的影響因素進行了研究，分析了制動器在制動過程中摩擦做功生熱及散熱的方式，介紹了溫度對熱衰退的影響?！按筘涇囍苿悠鳠崴ネ藞缶到y(tǒng)設(shè)計”以國內(nèi)山區(qū)道路及山區(qū)長下坡下坡路段為例并結(jié)合其特點，研究了連續(xù)制動情況下，融合載貨汽車摩擦材料以及溫升規(guī)律對制動器熱衰退的影響，通過理論分析制動蹄摩擦襯片溫度變化的溫升特性，得出了溫度、摩擦材料等與制動器熱衰退之間的關(guān)系，然后分析得到制動蹄摩擦襯片制動時最高溫度的位置。并且，搭建了載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警平臺，從而保證載貨汽車制動時的安全性。論文具體工作和主要結(jié)論如下:1)針對制動系統(tǒng)特性分析了影響制動器熱衰退影響因素，并從制動器自身出發(fā)，研究了制動蹄摩擦襯片磨損、制動蹄摩擦襯片溫度自身因素對制動效能的影響，給出了車輛制動器摩擦襯片的摩擦系數(shù)與溫度關(guān)系曲線，同時通過實驗數(shù)據(jù)得到了制動器張力最大時制動力矩隨溫度變化的趨勢曲線圖。2)根據(jù)對鼓式制動器結(jié)構(gòu)分析，分析了制動器摩擦襯片生熱與散熱過程，針對載貨汽車制動的過程，得出了散熱的主要方式。分析得出模擬出車輛制動過車中制動蹄摩擦襯片最高溫度位置。針對載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)平臺進行了搭建。根據(jù)監(jiān)測及預(yù)警平臺的要求，通過確定系統(tǒng)傳感器類型、分布方式、數(shù)據(jù)采集模式以及車載終端類型的選擇，最終形成了系統(tǒng)硬件構(gòu)件設(shè)計方案。針對軟件設(shè)計，首先對系統(tǒng)軟件功能進行了定義，然后針對單片機案電路系統(tǒng)進行了設(shè)計，并且根據(jù)系統(tǒng)的功能編制了系統(tǒng)的程序。通過分析，確定了具體的制動器溫度監(jiān)測技術(shù)實施方案，確定了摩擦襯片溫度預(yù)警程序，同時也確定了具體的實施方案。6.2論文不足與展望對于載貨汽車而言，制動器的性能對車輛的安全起重要作用，因此，對車輛制動器的研究對減少交通事故具有重要意義。本文主要是通過分析了影響制動器熱衰退的主要因素，然后通過分析摩擦材料、溫升規(guī)律等因素對制動器進行研究。然后，為了防止制動失效而引發(fā)交通事故的發(fā)生，搭建了載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，沒有進行實車實驗以及連續(xù)長下坡的實車試驗。因此，許多問題還需要進一步完成和深入，具體體現(xiàn)在:1)在研究過程中，只考慮到車了車輛熱對流為主的極限方式散熱，忽略了部分能量的散失，建議以后的研究中，更加全面的考慮制動器工作過程中的生熱及散熱方式，得出的溫度值誤差偏大。2)關(guān)于預(yù)警系統(tǒng)實車試驗方面，在連續(xù)長下坡路段進行的實車試驗相對較少，并且沒有進行實車實驗，知識一個理論性的分析。建議在以后相關(guān)研究中，能夠考慮相關(guān)因素，在長下坡路段進行連續(xù)長下坡實車試驗。參考文獻[1]余國輝.汽車制動效能的熱衰退[J].中南汽車運輸，1997,4:1-2.[2]紀(jì)飛龍，馬迅，楊殷梁.《鼓式制動器循環(huán)制動瞬態(tài)溫度場仿真》[J]. 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