一種探測剎車片厚度的裝置設計

黃偉，胡國兵，石維，龍禹

（1.銅仁學院 材料與化學工程學院，貴州 銅仁 554300；2.宜春學院 物理科學與工程技術學院，江西 宜春 336000）

一種探測剎車片厚度的裝置設計

黃偉1，胡國兵2，石維1，龍禹1

（1.銅仁學院 材料與化學工程學院，貴州 銅仁 554300；2.宜春學院 物理科學與工程技術學院，江西 宜春 336000）

∶文章設計了一種剎車片厚度探測裝置，闡述了其設計原理、裝置制作方法及使用條件。本裝置結構簡單，易實現小型化，節能省電，便于安裝，可用于對剎車片厚度范圍的探測，增強汽車自主安全性。目前國內外汽車上還沒有該項功能，因此具有比較廣闊的推廣應用前景。

∶剎車片；厚度；探測方法；汽車安全

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.090

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

前言

據統計，截至2015年底，全國汽車保有量達1.72億輛[1],較上一年的1.54億輛增加了10%以上[2]。隨著機動車的普及，給人們生產生活帶來便捷的同時，也帶來了安全隱患。為減少交通事故傷亡率、提高汽車乘員保護能力，汽車安全技術逐漸成為中國汽車產業最重要的研究方向之一[3]。

剎車片是汽車制動系統的一個重要的組成部分。由于摩擦作用，摩擦塊會逐漸被磨損，當磨損到極限位置時，必須更換，否則將降低制動的效果，甚至造成安全事故[4]。在各類公路交通事故中,因汽車剎車片過度磨損或高溫磨損等引起的汽車制動效果減弱或失效,導致的人員傷亡和財產損失十分嚴重。羅慶生等設計了一種可變電阻厚度傳感器[5]，用來在線動態測量摩擦片厚度，以便于構建剎車片性能監測和隱患預警系統，但由于電阻變化量較小，且受溫度影響較大，未能得到推廣應用。黃偉等發明了兩種探測剎車片厚度范圍的裝置[6][7]，由于該裝置長時間處于通電狀態，耗能較大。本文設計了一種剎車片厚度探測裝置，可以對剎車片厚度范圍進行較為精確的判斷，并且還比較省電。由于目前國內外汽車上還沒有剎車片厚度探測功能，而該功能可以增加汽車自主安全性，因此本裝置具有比較廣闊的推廣應用前景。

1、探測原理

對于并聯電路，假設各電阻的電阻值分別為R1、R2......Rn，則其總電阻R總與各電阻值之間存在以下關系：

在上述電路中，如果減少或增加部分電阻，則總電阻將會發生相應的變化。

將并聯電路中與各個電阻相連接的導線的一端斷開，然后使該部分導線和回路導線與剎車片保持相對固定，并在剎車片一定厚度范圍內依次與剎車片一起受到摩擦。在最初時，電路處于斷開狀態，當剎車片被摩擦到某一厚度尺寸時，其中一段導線和回路導線因摩擦而與金屬剎車盤接觸時，該導線通過剎車盤而與回路導線連通，若不考慮導線及剎車盤的電阻，則電路總電阻等于與該導線所連接的電阻的阻值；在進一步的摩擦過程中，在剎車片相應的厚度尺寸時，將會有其他導線依次通過剎車盤而與回路導線連通，電路的總電阻將逐步變小，直到所有導線均通過剎車盤而與回路導線連通，總電阻基本保持不變。由此將剎車片的厚度與電路的電阻聯系起來了。如果使導線與剎車片指定的厚度相對應，則可通過電阻值反映剎車片的厚度范圍，由此實現對剎車片厚度范圍的探測。

2、探測裝置的制作

圖1　剎車片厚度探測電路示意圖Fig. 1　Thickness detection circuit of brake pad

根據以上基本原理，設計制作了一種剎車片厚度范圍探測裝置，該裝置由支撐體、導線和電阻等組成。支撐體的作用是使部分導線與剎車片保持相對固定并在剎車片一定厚度范圍內與剎車片一起受到摩擦，因此，可以采用塑料、陶瓷等作為支撐體，甚至可以以剎車片本身作為支撐體。按設計的連接方式將導線固定在支撐體上，再與相應的電阻連接，然后將電阻另一端并聯連接起來，示意圖如圖1所示。將支撐體與剎車片保持相對固定，并在剎車片一定厚度尺寸范圍內與剎車片一起受到摩擦。那么在剎車片厚度達到一定尺寸時就會有相應的導線因摩擦而與金屬剎車盤接觸，并通過剎車盤連通，由此引起電路的總電阻變小，且電阻的每一次明顯變化都與剎車片相應的厚度尺寸相對應。將該電路信號通過一定方式傳輸給數據處理系統或汽車控制系統，便可實現對剎車片厚度狀態進行監測甚至是對汽車的運行實施控制。

3、剎車片厚度尺寸范圍的劃分

一般情況下，新的剎車片厚度為14mm左右，極限厚度是7mm左右。達到了極限厚度的剎車片即使尚能使用一段時間，其制動的效果也會降低，從而影響行車的安全，因此必須更換。基于此，將剎車片厚度劃分為三個區域：正常使用區、極限預警區和禁止使用區，正常使用區表示剎車片厚度尺寸完全處于正常使用范圍，極限預警區表示剎車片厚度尺寸處于正常使用范圍但接近極限厚度，禁止使用區表示剎車片已達到極限使用厚度，應進行更換。一般情況下，前剎車片行駛到4500km就要更換了，后剎車片則是到8500km[8]。以設置兩個探測點為例，假如在達到剎車片極限厚度前500km左右預警，則可將第一個探測點設置在剎車片厚度為7.5mm-8.0mm之間，將第二個探測點設置在7.0mm左右。當剎車片厚度大于第一個探測點所對應的厚度時，對應于正常使用區，電路處于完好狀態，電路處于斷開狀態，電阻為無窮大，反映了剎車片在正常使用范圍；當剎車片厚度介于第一和第二個探測點對應的厚度之間時，對應于極限預警區，處于第一個探測點的導線因摩擦而與金屬剎車盤接觸，并通過剎車盤與回路導線連通，引起電路電阻減小，反映了剎車片將達到極限使用厚度，可通過汽車控制系統提醒使用者準備更換剎車片；當剎車片厚度低于第二個探測點對應的厚度之間時，對應于禁止使用區，處于第二個探測點的導線因摩擦而與金屬剎車盤接觸，并通過剎車盤與回路導線連通，電路電阻減小，反映了剎車片已達到或在極限使用厚度以下，可通過汽車控制系統禁止車輛行駛，從而保證行車安全。當然，根據使用需求，可以對應于其他厚度尺寸設置更多的探測點。由于剎車時導線才能通過金屬剎車盤而連通，因此，僅在剎車片與剎車盤接觸時測量的電路信號才能反映剎車片厚度信息。同時，由于電路僅在剎車時導通，其余時間處于斷開狀態，因此耗電量低。

4、電阻阻值的確定

為方便計算，在確定總電阻變化范圍及間隔后，應根據與電阻相連接的導線被摩擦的順序，先確定第一電阻的阻值，然后利用公式（1）計算出第二個電阻的阻值，按此方式直至所有的電阻阻值被確定。例如圖2所示電阻連接中，依次閉合順序為K1、K2、K3，若要求K1閉合后電阻為200∧，K2閉合后電阻為100∧，K3閉合后電阻為50∧，則應先確定出R1的阻值為200∧，然后由R1、R2組成并聯電阻計算出R2的阻值為200∧，同樣的方式再計算出R3的阻值為100∧。

由于電阻阻值存在偏差以及受溫度等因素影響會產生一定的誤差，因此電路阻值變化間隔不宜過小，以免因造成錯誤判斷，同時，在一個電路中所并聯的電阻也不宜過多。

圖2　電阻連接示意圖Fig. 2　Connection mode of resistance

5、結論

本裝置結構簡單，探測原理簡單，易實現小型化，節能省電，便于安裝。本裝置用于剎車片厚度探測可增強汽車自主安全性，避免或減少因剎車過渡磨損而導致的交通事故。

[1] 網易汽車綜合.公安部2015新增汽車1781萬保有量增長新高[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年全國機動車和駕駛人迅猛增長新增汽車1700多萬汽車駕駛人2780多萬[EB/OL].(2015-01-27)[2015-12 -20]http://www.mps.gov.cn/n16/n1252/n4386914/4388268.html.

[3] 趙福全,吳成明,潘之杰,劉衛國,劉巍.中國汽車安全技術的現狀與展望[J].汽車安全與節能學報,2011,2(2):111-121.

[4] 劉毅然.汽車制動蹄片的養護要點[J].輕型汽車技術,2008,(Z1): 87-87.

[5] 羅慶生,韓寶玲.汽車制動摩擦片厚度在線動態測量的原理和方法[J].機械設計與制造工程,2002,31(2):78-80.

[6] 銅仁學院.一種可探測剎車片厚度的裝置:中國:2015205699830[P]. 2015-12-02[2016-03-04].http://epub.sipo.gov.cn/dxb.action.

[7]銅仁學院.一種可探測剎車片厚度的裝置:中國:2015205699830[P]. 2015-12-02[2016-03-04].http://epub.sipo.gov.cn/dxb.action.

[8] 王福建.淺議汽車駕駛過程中的剎車片問題[J].科技論壇,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

黃偉（1978-），男，高級工程師，主要從事電子材料及器件研發。