一种探测刹车片厚度的装置设计

黄伟，胡国兵，石维，龙禹

（1.铜仁学院 材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300；2.宜春学院 物理科学与工程技术学院，江西 宜春 336000）

一种探测刹车片厚度的装置设计

黄伟1，胡国兵2，石维1，龙禹1

（1.铜仁学院 材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300；2.宜春学院 物理科学与工程技术学院，江西 宜春 336000）

∶文章设计了一种刹车片厚度探测装置，阐述了其设计原理、装置制作方法及使用条件。本装置结构简单，易实现小型化，节能省电，便于安装，可用于对刹车片厚度范围的探测，增强汽车自主安全性。目前国内外汽车上还没有该项功能，因此具有比较广阔的推广应用前景。

∶刹车片；厚度；探测方法；汽车安全

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.090

CLC NO.: U472.9Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-261-03

前言

据统计，截至2015年底，全国汽车保有量达1.72亿辆[1],较上一年的1.54亿辆增加了10%以上[2]。随着机动车的普及，给人们生产生活带来便捷的同时，也带来了安全隐患。为减少交通事故伤亡率、提高汽车乘员保护能力，汽车安全技术逐渐成为中国汽车产业最重要的研究方向之一[3]。

刹车片是汽车制动系统的一个重要的组成部分。由于摩擦作用，摩擦块会逐渐被磨损，当磨损到极限位置时，必须更换，否则将降低制动的效果，甚至造成安全事故[4]。在各类公路交通事故中,因汽车刹车片过度磨损或高温磨损等引起的汽车制动效果减弱或失效,导致的人员伤亡和财产损失十分严重。罗庆生等设计了一种可变电阻厚度传感器[5]，用来在线动态测量摩擦片厚度，以便于构建刹车片性能监测和隐患预警系统，但由于电阻变化量较小，且受温度影响较大，未能得到推广应用。黄伟等发明了两种探测刹车片厚度范围的装置[6][7]，由于该装置长时间处于通电状态，耗能较大。本文设计了一种刹车片厚度探测装置，可以对刹车片厚度范围进行较为精确的判断，并且还比较省电。由于目前国内外汽车上还没有刹车片厚度探测功能，而该功能可以增加汽车自主安全性，因此本装置具有比较广阔的推广应用前景。

1、探测原理

对于并联电路，假设各电阻的电阻值分别为R1、R2......Rn，则其总电阻R总与各电阻值之间存在以下关系：

在上述电路中，如果减少或增加部分电阻，则总电阻将会发生相应的变化。

将并联电路中与各个电阻相连接的导线的一端断开，然后使该部分导线和回路导线与刹车片保持相对固定，并在刹车片一定厚度范围内依次与刹车片一起受到摩擦。在最初时，电路处于断开状态，当刹车片被摩擦到某一厚度尺寸时，其中一段导线和回路导线因摩擦而与金属刹车盘接触时，该导线通过刹车盘而与回路导线连通，若不考虑导线及刹车盘的电阻，则电路总电阻等于与该导线所连接的电阻的阻值；在进一步的摩擦过程中，在刹车片相应的厚度尺寸时，将会有其他导线依次通过刹车盘而与回路导线连通，电路的总电阻将逐步变小，直到所有导线均通过刹车盘而与回路导线连通，总电阻基本保持不变。由此将刹车片的厚度与电路的电阻联系起来了。如果使导线与刹车片指定的厚度相对应，则可通过电阻值反映刹车片的厚度范围，由此实现对刹车片厚度范围的探测。

2、探测装置的制作

图1　刹车片厚度探测电路示意图Fig. 1　Thickness detection circuit of brake pad

根据以上基本原理，设计制作了一种刹车片厚度范围探测装置，该装置由支撑体、导线和电阻等组成。支撑体的作用是使部分导线与刹车片保持相对固定并在刹车片一定厚度范围内与刹车片一起受到摩擦，因此，可以采用塑料、陶瓷等作为支撑体，甚至可以以刹车片本身作为支撑体。按设计的连接方式将导线固定在支撑体上，再与相应的电阻连接，然后将电阻另一端并联连接起来，示意图如图1所示。将支撑体与刹车片保持相对固定，并在刹车片一定厚度尺寸范围内与刹车片一起受到摩擦。那么在刹车片厚度达到一定尺寸时就会有相应的导线因摩擦而与金属刹车盘接触，并通过刹车盘连通，由此引起电路的总电阻变小，且电阻的每一次明显变化都与刹车片相应的厚度尺寸相对应。将该电路信号通过一定方式传输给数据处理系统或汽车控制系统，便可实现对刹车片厚度状态进行监测甚至是对汽车的运行实施控制。

3、刹车片厚度尺寸范围的划分

一般情况下，新的刹车片厚度为14mm左右，极限厚度是7mm左右。达到了极限厚度的刹车片即使尚能使用一段时间，其制动的效果也会降低，从而影响行车的安全，因此必须更换。基于此，将刹车片厚度划分为三个区域：正常使用区、极限预警区和禁止使用区，正常使用区表示刹车片厚度尺寸完全处于正常使用范围，极限预警区表示刹车片厚度尺寸处于正常使用范围但接近极限厚度，禁止使用区表示刹车片已达到极限使用厚度，应进行更换。一般情况下，前刹车片行驶到4500km就要更换了，后刹车片则是到8500km[8]。以设置两个探测点为例，假如在达到刹车片极限厚度前500km左右预警，则可将第一个探测点设置在刹车片厚度为7.5mm-8.0mm之间，将第二个探测点设置在7.0mm左右。当刹车片厚度大于第一个探测点所对应的厚度时，对应于正常使用区，电路处于完好状态，电路处于断开状态，电阻为无穷大，反映了刹车片在正常使用范围；当刹车片厚度介于第一和第二个探测点对应的厚度之间时，对应于极限预警区，处于第一个探测点的导线因摩擦而与金属刹车盘接触，并通过刹车盘与回路导线连通，引起电路电阻减小，反映了刹车片将达到极限使用厚度，可通过汽车控制系统提醒使用者准备更换刹车片；当刹车片厚度低于第二个探测点对应的厚度之间时，对应于禁止使用区，处于第二个探测点的导线因摩擦而与金属刹车盘接触，并通过刹车盘与回路导线连通，电路电阻减小，反映了刹车片已达到或在极限使用厚度以下，可通过汽车控制系统禁止车辆行驶，从而保证行车安全。当然，根据使用需求，可以对应于其他厚度尺寸设置更多的探测点。由于刹车时导线才能通过金属刹车盘而连通，因此，仅在刹车片与刹车盘接触时测量的电路信号才能反映刹车片厚度信息。同时，由于电路仅在刹车时导通，其余时间处于断开状态，因此耗电量低。

4、电阻阻值的确定

为方便计算，在确定总电阻变化范围及间隔后，应根据与电阻相连接的导线被摩擦的顺序，先确定第一电阻的阻值，然后利用公式（1）计算出第二个电阻的阻值，按此方式直至所有的电阻阻值被确定。例如图2所示电阻连接中，依次闭合顺序为K1、K2、K3，若要求K1闭合后电阻为200∧，K2闭合后电阻为100∧，K3闭合后电阻为50∧，则应先确定出R1的阻值为200∧，然后由R1、R2组成并联电阻计算出R2的阻值为200∧，同样的方式再计算出R3的阻值为100∧。

由于电阻阻值存在偏差以及受温度等因素影响会产生一定的误差，因此电路阻值变化间隔不宜过小，以免因造成错误判断，同时，在一个电路中所并联的电阻也不宜过多。

图2　电阻连接示意图Fig. 2　Connection mode of resistance

5、结论

本装置结构简单，探测原理简单，易实现小型化，节能省电，便于安装。本装置用于刹车片厚度探测可增强汽车自主安全性，避免或减少因刹车过渡磨损而导致的交通事故。

[1] 网易汽车综合.公安部2015新增汽车1781万保有量增长新高[EB/OL].(2016-01-26)[2016-04-12].http://auto.163.com/16/0126/11 /BE8ISTGT00084TV1.html.

[2] 公安部交通管理局.2014年全国机动车和驾驶人迅猛增长新增汽车1700多万汽车驾驶人2780多万[EB/OL].(2015-01-27)[2015-12 -20]http://www.mps.gov.cn/n16/n1252/n4386914/4388268.html.

[3] 赵福全,吴成明,潘之杰,刘卫国,刘巍.中国汽车安全技术的现状与展望[J].汽车安全与节能学报,2011,2(2):111-121.

[4] 刘毅然.汽车制动蹄片的养护要点[J].轻型汽车技术,2008,(Z1): 87-87.

[5] 罗庆生,韩宝玲.汽车制动摩擦片厚度在线动态测量的原理和方法[J].机械设计与制造工程,2002,31(2):78-80.

[6] 铜仁学院.一种可探测刹车片厚度的装置:中国:2015205699830[P]. 2015-12-02[2016-03-04].http://epub.sipo.gov.cn/dxb.action.

[7]铜仁学院.一种可探测刹车片厚度的装置:中国:2015205699830[P]. 2015-12-02[2016-03-04].http://epub.sipo.gov.cn/dxb.action.

[8] 王福建.浅议汽车驾驶过程中的刹车片问题[J].科技论坛,2010. (16):21-21.

Design of the Device that Detect the Thickness of Brake Pad

Huang Wei1, Hu Guobing2, Shi Wei1, Long Yu1
(1.College of Materials and Chemical Engineering, Tongren University, T Guizhou Tongren 554300; 2. physical science and technology college, Yichun University, Jiangxi Yichun 336000)

In this paper,a device was designed to detect the thickness of brake pad. The basic principle of thickness detecting, the fabrication of the divice and it's service conditions are described. This device has a simple construction, it is easy to realize miniaturization,it is an energy saving device, and it is easy to install. It can enhance active safety of automobile by be used to detect the thickness range of the brake pad. There haven't the function of detecting the brake pad thickness in automobile at present. So, it have wide application prospects.

brake pad; thickness; detection method; automobile safety

∶U472.9

∶A

∶1671-7988 (2016)09-261-03

黄伟（1978-），男，高级工程师，主要从事电子材料及器件研发。