大型重载货车制动鼓温度实时监测系统研究

李富明+吴继宗+朱萍玉

摘要：大型重载货车采用的鼓式制动器是车辆的重要部件，针对行车中制动鼓温度过高易导致破裂的安全问题，分析了鼓式制动器的结构和制动器温升过高的成因，提出了一种基于热电偶和单片机的大型重载货车制动鼓温度实时监测和报警系统。分析了各部分的功能和组成，研制了实物，并进行了实际测试，获得了良好的效果。

关键词：重载货车；鼓式制动器；温度实时监测；报警

中图分类号：U46351文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.01.0010引言

汽车的安全性通常分为四种：主动安全性、被动安全性、事故后安全性和生态安全性。汽车的制动系统是影响汽车主动安全性最主要因素之一，目前，我国的货运汽车普遍采用鼓式制动器。鼓式制动器的制动效果好，汽车制动鼓在长时间工作时，其温度常在200 ℃以上，有时甚至会达到500～600 ℃，汽车以较高速度紧急制动时，制动鼓温度也会迅速升高。当制动鼓的温度升高到一定程度之后，其摩擦力矩会出现明显下降，出现制动鼓的热衰退现象，严重时会出现制动完全失效或制动鼓破裂飞出，导致车毁人亡的惨剧发生。针对行车中制动鼓温度过高易导致破裂的安全问题，分析了鼓式制动器的结构和制动器温升过高的成因，提出了一种基于热电偶和单片机的大型重载货车制动鼓温度实时监测和报警系统。

1鼓式制动器工作条件分析

1.1鼓式制动器的热源分析

根据摩擦生热原理，制动过程摩擦生热量的计算公式可简单描述为：

Q1=FμS（1）

式中Fμ为制动器的制动力；

S为制动鼓圆周转动的距离。

车辆在制动过程中，随着行驶速度的降低，其动能减少，减少的动能部分转化为制动器的摩擦热。当车辆在有纵向坡度的路段行驶时，考虑势能的变化，忽略轮胎与地面的滑磨热损失，推导出车辆制动器在制动时摩擦产生的热量为：

Q1=12mv21-12mv22+mg（±i-f）S（2）

式中m—汽车总质量（kg）；

v1—汽车制动初速度（m/s）；

v2—汽车制动末速度（m/s）；

g—重力加速度（9.8m/s2）；

i—道路纵坡坡度，下坡路段取“+”，上坡路段取“-”；

f—滚动阻力系数；

S—制动距离，m。

补充的是，因为道路坡度i=h/l=tanα，根据我国下坡路段设计规范，坡度大小应在3%～9%范围内，所以一般道路的坡度都比较小，则sinα≈tanα=i；所以有此推导公式。

1.2鼓式制动器工作温度对其他方面的影响分析

121导致轮胎爆胎

构成轮胎的基本材料是橡胶，橡胶能够承受的最高温度大约是145 ℃左右，超过这一温度，橡胶就会融化，由橡胶制成的轮胎就会爆裂。车轮行驶中轮胎的热量主要来自于两个方面，一是车轮在滚动中，轮胎会发生变形，橡胶分子之间因摩擦生热，轮胎温度升高；使得轮胎温度升高的另一热源是制动鼓，车轮行驶中，具有动能，要停车或减速时，车辆的动能就通过制动器转化为热能，热能有一部分会散发到空气中，一部分热量传给了与之连接的钢圈和轮毂，使得钢圈和轮毂的温度升高，还有一部分暂时未传递出去的热量使得制动器（含制动鼓、制动底板、制动蹄等）本身温度升高。

由于钢圈是和轮胎直接接触的，因此钢圈的温度绝对不能超过145 ℃。如果考虑轮胎在滚动中本身还要生热，兼顾考虑轮胎的使用寿命。钢圈的温度还应该再低一点，根据经验，车轮使用中，钢圈的温度应以不超过100 ℃为宜，对于大货车来说，相应的制动鼓温度应在200 ℃以下。

122导致润滑脂融化

轮毂内润滑脂融化，可能会有润滑油流入制动鼓内，如果润滑油黏附在刹车片及制动鼓表面，将使汽车的制动性能大大降低甚至没有制动，这是极其危险的。另外，润滑脂融化后流失，也会导致轮毂轴承损坏。润滑脂是否会融化，一方面取决于润滑脂能承受的最高温度，一方面取决于轮毂的温度。汽车轮毂轴承一般使用锂基润滑脂润滑，其所能承受的最高温度在120～150 ℃左右。不同厂家、不同品牌的润滑脂，其耐温指标变化不大。轮毂的温度也受两个因素的影响，一是轴承在转动中会摩擦生热，另一个就是制动器传给轮毂的热量，从经验看，制动鼓温度在200 ℃左右，轮毂内的润滑脂已有融化迹象，这表明轮毂内的温度已接近120 ℃。

123导致刹车片摩擦系数下降

刹车片装在制动器内，如果制动器的温度升高，刹车片的摩擦系数会下降，汽车的制动力减小，刹车片的这种特性叫热衰退。关于刹车片的热衰退特性，要从两方面考虑，一是要选用质量合格的刹车片，合格的刹车片其热衰退必然也小，另一方面，要限制制动器的温度。正规厂家的刹车片，可正常承受的温度一般在300 ℃以上，因此，将制动器温度控制在200 ℃以内，刹车片摩擦系数的降低还是在可以接受的范围内，不会对汽车的制动性能产生太大的影响。

1.3鼓式制动器工作温度综合考虑

对制动鼓温度安全使用范围，非正常使用范围，及危险范围有以下观点：制动鼓温度在150 ℃以下，应该属于正常使用的范围，制动鼓温度在150～200 ℃，就应该尽快采取措施，如果高于200 ℃，就必须立刻采取措施。

利用温度传感器的特性，把温度传感器装在制动鼓内，然后布线连接到单片机和显示器，就能对制动鼓的温度进行监测并实时把制动鼓的温度显示给驾驶员。监测系统中增加了报警系统，当温度即将到达危险温度的时候会发出蜂鸣声，同时车上的应急灯也会闪烁发出警告，通知驾驶员要马上找地方停下来让制动鼓温度下降。

2制动鼓温度实时监测系统

2.1监测系统的组成和连接路线（如图1所示）图1监测系统的组成和连接路线2.2温度实现显示模块（如图2所示）

本系统采取了STM最先进的微电脑技术，LED数码显示，测量和温控精确到0.1 ℃，带有高温报警和传感器，简单实用，是一个性价比极高的系统，小型一体化智能控制，延时回差可设定。

（2）技术参数

温度控制范围：-50～110 ℃；

测温精度：0.1 ℃；

控制精度：0.1 ℃；

回差精度：0.1 ℃；

刷新频率：0.5 s；

输入电源：DC/AC 12 V；

测量输入：NTC（10K 0.5%） 防水型传感器；

输出：1路继电器输出，容量=10 A；

环境要求：-10～60 ℃， 湿度20%～85%；

规格尺寸：78 mm×51 mm （安装孔M3，对角75 mm）；

整机功耗：静态电流：≤35 MA， 吸合电流：≤65 MA。

（3）安装设定（如图3所示）

连接好供电和设备，即可为控制器供电，此时显示为测量温度，按一次SET键，显示屏温度闪烁，按“+-”来设定所需温度（按住“+-”可快速升降），设定完成后按SET确认返回，此时控制器按设定自动执行温度监测与预警。

该温控器输出为10 A继电器，满足各种大功率负载，连接好控制电路，即可为温控器供电，此时显示屏显示为环境温度。

（4）指示灯、数码管和蜂鸣器状态说明（如图4所示）

数码管：显示LL为传感器开路，请按说明连接好传感器；显示HH为超出测量范围，温控器会强制断开继电器；显示---为高温报警。

蜂鸣器：数码管显示LL、HH或---时，蜂鸣器发出嘀-嘀-嘀-提示音。

（5）系统参数功能说明

长按SET 5 s可进入主菜单设定，按“+-”切换P0...P8；长按SET或者10 s无按键动作控制器自动确认返回P0模式。

在结合本大型重载货车制动鼓温度实时检测系统中，需要设定用到的程序有P4、P5、P6、P7、P8。以下为各程序的含义：

①P4 温度校正

当测量温度和标准温度有偏差时，可以使用此功能校正，校正后的温度=校正前的温度+校正值。有效范围为-100～100 ℃。

长按SET 5 s显示P0，按“+-”切换到P4，按一次SET进行校正，按“+-”设置校正值，完成后按一次SET返回，长按SET或者10 s无按键动作控制器自动确认完成。

其含义是例如正常显示为25 ℃；温度校正为0时显示25 ℃；温度校正为100时显示125 ℃。

②P5 延时启动时间（单位：min）

当监测预警有需要时，可开启延时功能，保护设备寿命。

长按SET 5 s显示P0，按“+-”切换到P5，按一次SET设置延时启动时间单位是分钟，按“+-”设置0～10 min，完成后按一次SET返回，长按SET或者10 s无按键动作控制器自动确认完成。

其含义是，温度监测状态下设定延时为5 min，监测后温度到达预警设定值，启动延时，此时开始计时，5 min后通电给继电器使应急灯闪烁。延时中LED指示灯闪烁，延时启动设置为0时等于关闭延时功能。

③P6 按键音开关

长按SET 5 s显示P0，按“+-”切换到P6，按一次SET设置是否开启按键声音，按“+-”设置on/off，完成后按一次SET返回，长按SET或者10 s无按键动作控制器自动确认完成。

蜂鸣器开关分on/off 设置为on时按键有动作时随按键发出滴声，设置为off即关闭蜂鸣器，按键无声音。

④P7 高温报警

长按SET 5 s显示P0，按“+-”切换到P7，按一次SET显示on/off（设置为off则关闭此功能）设置为on后按一次SET可设置高温报警温度点，按“+-”设置0～110，完成后按一次SET返回，长按SET或者10 s无按键动作控制器自动确认完成。

高温报警设置范围为0～110或为off关闭此功能，到达高温报警后蜂鸣器发出急促滴滴声，同时系统会给信号车上的应急灯系统，让其闪烁通知驾驶员。

⑤P8 恢复出厂设置

由于某种人为原因导致温控器内部设置混乱，一项一项来设定很费时间，此时可用此功能恢复出厂设定，具体方法为：

长按SET 5 s显示P0，按+-切换到P8，按一次SET设置为on或者off，on为恢复出厂设置，off为不执行任何动作，完成后按一次SET返回，长按SET或者10 s无按键动作控制器自动恢复出厂设置。

2.3控制器接线图

AT89C2051管脚说明：VCC是供电电压；GND是接地；RST是复位输入；P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，在此电路中连接PT100温度传感器送过来的信号；P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，在此电路中连接汽车的前后危险灯继电器，把电信号输出；P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号，在此电路中连接温度报警装置，输出信号。

2.4温度测量模块

PT100温度传感器（如图7所示）是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成。

2.5温度报警装置

压电式蜂鸣器（如图8所示）主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。现使用的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。

多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5～15 V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5～2.5 kHz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。

实物图3监测技术实施方案

监测系统在模型上安装试验后，证明了该系统的可行性，系统设计的功能：①制动鼓温度的实时监测。②温度超过极限值时预警。这两个功能均能实现。现在把设备安装在实车上，进行布线及所需要的模块和传感器等进行安装。触感器安装的位置是通过软件进行仿真模拟找出的摩擦片最高温度的位置。本系统安装在广州市电车厂一工程抢险车上进行实车道路试验，以验证分析系统在实际应用中的有效性及实用性。

把系统安装在实车，对整个系统的安装复查一遍后，开始进行路试。我们选择的场地是位于中山八电车厂内的试车道。该车道全程1 km，路面80%为平坦路面，其余的为颠簸或者坡度小于5°的坡度路段。实验过程中环境温度为25 ℃，通过驾驶室显示器看到的实时温度与环境温度一致。

试验开始，数据的验证选择每500 m对用红外线测温仪与制动鼓温度进行读数，并实时与驾驶室显示器所示温度进行比对。试验过程总共走了30 km，行驶过程中有意多次进行急减速。总共读数比对60次，60次读数均一致。每次试验在正常行驶过程中偶尔进行紧急制动或强制动，使制动蹄摩擦衬片温度迅速升高。

系统共报警 5 次，其中 1 次未预警。通过查找原因发现，由于线路未连接好而导致。因此，预警系统预警有效。当鼓式制动器温度恢复预警设定值以下时，系统不再进行报警，继续正常运行。

在每次数据读取记录完成后，将数据填表进行记录，完成测试。经过多次试验，证明了系统设计的两个功能能在实车上进行应用。

5结论

本系统把温度传感器装在制动鼓内，通过布线连接到处理器和显示器。当汽车在行驶时，系统能实时地把制动鼓的温度显示在驾驶位的仪表台上，让驾驶员实时知道制动鼓的温度，若检测到的温度超过预先设定的温度极限值时，系统就会蜂鸣告知驾驶员，驾驶员知道后尽快把车停在安全的位置，等制动鼓温度下降以后再继续行驶。

系统能用直观的方式实时告知驾驶员制动鼓的温度，这对减少因制动系统温度过高出现的故障导致意外发生起到很好的效果，减少生命及财产的损失，对社会的发展有良好的作用。

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