一種溫度可控的強(qiáng)制風(fēng)冷型鼓式制動裝置

楚社民

（武警士官學(xué)校，浙江 杭州311400）

汽車制動性能的好壞直接影響到車輛行駛的安全性，當(dāng)汽車行駛在各種復(fù)雜的道路上尤其是在高山地形時，路程遠(yuǎn)、時間長、負(fù)載重，如車輛行駛在川藏線、秦嶺、新疆的達(dá)坂公路等，駕駛員需要連續(xù)多次使用制動減速或制動，容易造成制動轂發(fā)熱，制動蹄片燒蝕、冒煙等，制動轂過熱，會將熱量傳給輪轂軸承，造成輪轂軸承的潤滑脂變質(zhì)，破壞潤滑，造成軸承的早期損壞。此類問題如不及時解決，直接影響人的生命安全。為防止制動器溫度過高，一些車輛在制動轂附近加裝了水箱淋水裝置，過熱時向制動轂噴水以降低溫度，能夠起到降溫的作用。但由于制動轂屬于金屬材料用水降溫后容易出現(xiàn)變形、裂縫等現(xiàn)象，制動蹄片為石棉壓制而成，受熱用水冷卻后容易老化、硬化、打滑，直接影響到車輛的安全性能。而且加裝淋水器，體積大，車重增加，慣性增大，需要更大的制動力。行駛一段時間后還需要補(bǔ)充冷卻水，且散熱后的水流到路面過程中冬季氣溫在0℃以下，會被車輪打起形成水霧，車隊行駛過程中會影響后車的駕駛視野，嚴(yán)重時會使路面結(jié)冰，直接影響后面車輛的正常行駛。為此，設(shè)計柴油運(yùn)兵車溫度可控風(fēng)冷制動裝置，用隨車24V電瓶帶動四個電機(jī)強(qiáng)力風(fēng)扇向每個制動轂引入三根小管吹風(fēng)，以降低制動轂和制動蹄片的溫度，不僅不會對制動轂和制動蹄片造成任何損壞，還可安裝溫度傳感器，在溫度超過150℃時，風(fēng)機(jī)開始工作，向制動轂和制動蹄片間吹風(fēng)降溫，當(dāng)溫度降至規(guī)定溫度時風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動控制。此裝置持續(xù)工作時間長，能夠達(dá)到冷卻、安全、高效的目的，保證車輛良好的制動效能。其特點(diǎn)是：風(fēng)冷不受天氣限制，不用水源，可以無限制使用；從里往外散熱，剎車蹄片摩擦下來的粉末能往外排出，提高剎車制動系數(shù)；對每一個制動轂進(jìn)行獨(dú)立風(fēng)冷，避免浪費(fèi)電源或磨損。

1 強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂結(jié)構(gòu)和工作原理

為實現(xiàn)溫度可控，輪轂內(nèi)安裝溫度傳感器，在駕駛室儀表盤上安裝顯示器。為達(dá)到良好的制動性能，在制動轂內(nèi)側(cè)蓋板上沿圓周約120°處分別鉆3個直徑為10mm的孔。并從風(fēng)機(jī)處分別引三根引風(fēng)管，形狀前大后小呈喇叭狀結(jié)構(gòu)，汽車制動時，當(dāng)制動轂溫度超過150℃，電機(jī)起動，風(fēng)機(jī)開始工作，向制動轂和制動蹄片間吹風(fēng)降溫，當(dāng)溫度降至規(guī)定溫度（60℃）以下（或用手摸制動轂其熱度應(yīng)是手能承受的溫度），風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動控制。柴油運(yùn)兵車溫度可控風(fēng)冷制動裝置主要由控制單元、工作單元、電源連接單元、液晶顯示單元四部分構(gòu)成。

1.1 控制單元

控制單元為單片機(jī)，型號為STM8S105，載波通信PWM波，單片機(jī)控制STM32F103，主要管理和監(jiān)控電流分多段輸出，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。見圖1、圖2。

圖1 控制單元設(shè)計圖

圖2 控制單元結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作單元

工作單元為風(fēng)冷制冷裝置，利用車載電瓶24V電壓，進(jìn)行工作。電機(jī)功率60~160W，風(fēng)量20~34m/h，風(fēng)壓6~10kPa，負(fù)載電流2.8~6.8A，主要是對汽車輪轂進(jìn)行風(fēng)冷，將輪轂的溫度控制在設(shè)定范圍之內(nèi)。

工作單元包括固定在輪轂1內(nèi)側(cè)車輪軸2上的輪轂溫度傳感器3；輪轂1的內(nèi)側(cè)還設(shè)有風(fēng)機(jī)4，風(fēng)機(jī)4上設(shè)有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路14，風(fēng)機(jī)4固定在汽車懸梁5上，風(fēng)機(jī)4上連接有管口朝向輪轂1的排風(fēng)管6；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路14和輪轂溫度傳感器3均通過導(dǎo)線7連接有控制單元8，控制單元8連接有汽車電源9，汽車電源9上設(shè)有充電檢測傳感器10，充電檢測傳感器10與控制單元8相連，控制單元8連接有固定在駕駛室內(nèi)的人機(jī)界面11，見圖3。

圖3 工作單元示意圖

在輪轂旁設(shè)一個風(fēng)機(jī)來給輪轂降溫，風(fēng)機(jī)的電力由汽車電源提供，輪轂內(nèi)側(cè)設(shè)有輪轂溫度傳感器，能實時監(jiān)測輪轂溫度，輪轂溫度傳感器連接控制單元，當(dāng)輪轂溫度傳感器監(jiān)測到輪轂溫度達(dá)到預(yù)定啟動溫度時，控制單元啟動風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)對輪轂側(cè)面吹風(fēng)，對輪轂進(jìn)行冷卻，當(dāng)輪轂溫度傳感器檢測到的輪轂溫度繼續(xù)升高到警戒值時，控制單元就會提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；當(dāng)輪轂溫度降低到預(yù)定啟動溫度以下時，控制單元則關(guān)閉風(fēng)機(jī)停止工作；所述控制單元與車內(nèi)的人機(jī)界面連接，在駕駛室能夠?qū)崟r觀察輪轂的溫度和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.3 電源連接單元

電源連接單元為直接連接電瓶正、負(fù)極進(jìn)行取電，額定輸出電壓24V。主要由自動斷電保護(hù)器、插座、電纜等組成。要求接通電源的線徑為5mm2圓體銅芯線，風(fēng)機(jī)電線直徑2.5mm2圓體銅芯線，確保用電安全。

1.4 液晶顯示單元

液晶顯示器為觸摸屏式，由STM32F103單片機(jī)控制；屏上有設(shè)定開關(guān)可設(shè)定溫度參數(shù)；具備可視功能，要求可觀察溫度、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)值及充電狀態(tài)。此溫度可控風(fēng)冷制動裝置可以將制動輪轂溫度實時顯示在駕駛室的液晶屏上，當(dāng)溫度超過150℃時，風(fēng)機(jī)開始作業(yè)，降低輪轂的溫度，當(dāng)溫度降至規(guī)定溫度時風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動控制，在柴油運(yùn)兵車上使用，也可在工程機(jī)械維修車、軍械維修車、野戰(zhàn)炊事車上廣泛應(yīng)用。已獲得專利二項：車用輪轂風(fēng)冷系統(tǒng)：專利號201720558933.1；車用輪轂風(fēng)冷系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)：專利號201720559005.7。

該強(qiáng)制風(fēng)冷型制動轂的結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 強(qiáng)制風(fēng)冷型制動轂結(jié)構(gòu)示意圖

2 制動轂溫升試驗對比

為檢驗溫度可控強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂散熱性能，試驗時選用柴油EQ5118G運(yùn)輸汽車，總質(zhì)量11000kg（空車重量6000kg，載重5000kg）掛5擋以20~25km/h的速度，在坡度約為30°的坡道上行駛，當(dāng)在液晶顯示器上看到制動轂溫度達(dá)到60℃時開始實驗，選擇坡長為1km的坡道采取行車制動。采用輪轂溫度傳感器、充電檢測傳感器、輪速傳感器、STM32F103單片機(jī)控制人機(jī)界面液晶顯示單元；工作單元為風(fēng)冷制冷裝置，利用車載電瓶24V電壓進(jìn)行工作。電機(jī)功率60~160W，風(fēng)量20~34m/h，風(fēng)壓6~10kPa，負(fù)載電流2.8~6.8A，用型號為STM8S105，載波通信PWM波的單片機(jī)控制，主要管理和監(jiān)控電流分多段輸出，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速對汽車輪轂進(jìn)行風(fēng)冷，將輪轂的溫度控制在設(shè)定范圍之內(nèi)。在相同試驗路段，對裝有強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂和原車制動轂相同型號的車輛分別進(jìn)行了兩次下坡試驗[1]。

2.1 強(qiáng)制風(fēng)冷型制動轂的溫度升降分析

第一次試驗時，強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂和原車制動轂溫度升降試驗曲線見圖5。第二次試驗，強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂和原車制動轂溫度升降試驗曲線見圖6。圖5和圖6中的X為車輛下坡過程中試驗對應(yīng)點(diǎn)的位移，Y為制動轂對應(yīng)點(diǎn)的溫度。

圖5 第一次強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂和原車制動轂溫度升降試驗曲線

由圖5和圖6可看出，第一次下坡時實驗時，原制動轂溫度由80.8℃升至150.72℃，強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂溫度由82.3℃升至148.52℃開始下降到133.50℃，強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂比原車制動轂的最高溫度降低約17.22℃。第二次下坡實驗時，原車制動轂溫度由86.22℃升至155.41℃，強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂溫度由87.1℃升至150.63℃開始下降到138.22℃，強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂比原車制動轂的最高溫度降低約17.19℃。由此可見，在同樣條件下，強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂比原車制動轂溫度的上升得到了很好的控制，散熱性能大大改善，兩次實驗平均溫度可降低17℃左右，提高了柴油運(yùn)兵汽車長時間在連續(xù)下坡時車輛制動的安全性[2]。

圖6 第二次強(qiáng)制風(fēng)冷制動轂和原車制動轂溫度升降試驗曲線

3 結(jié)論

在相同的條件下，通過對強(qiáng)制風(fēng)冷式制動轂與原車制動轂溫度升降試驗對比表明，加裝引風(fēng)管的強(qiáng)制風(fēng)冷型制動轂在溫度接近150℃時，風(fēng)機(jī)開始工作，降低輪轂的溫度，當(dāng)溫度降至規(guī)定溫度時風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，在顯示屏上可看到其溫度變化，實現(xiàn)自動控制，制動最高溫度比原車制度溫度平均降低約17℃ ，散熱功能提高很快；此新型制動轂結(jié)構(gòu)和降溫原理簡單，在制動轂后蓋板上鉆孔不影響制動轂的強(qiáng)度和剛度，安全性能可充分保證，可在大型柴油運(yùn)輸車上得到很好的推廣應(yīng)用。