重型貨車剎車失靈預警和應急制動系統設計

蔣開正

(四川職業技術學院 汽車技術學院，四川 遂寧 629000)

前 言

經統計：超載、剎車失靈是引起重型貨車事故的主要原因之一。重型貨車剎車失靈很容易造成重特大交通事故，目前載貨汽車的運輸安全問題已成為我國重大交通事故關注焦點之一，交通監管部門已對癥下藥來盡量避免事故發生，如嚴格治理超載、車輛技術狀況不合格不準上路行駛等措施；相應的《機動車運行安全技術條件》國家標準也制定了諸如：重型貨車裝備緩速器或其他輔助裝置等規定來提升車輛的主動安全系數；但由于目前重型載貨汽車制動系統技術還存在不完善，如：缺少剎車失靈預警、剎車失靈電控應急制動裝置等，因此非常有必要對重型貨車制動系統進行改進，有必要在重型貨車制動系統設置剎車失靈預警和電控應急制動系統，當制動系統各部件存在工作異常導致車輛即將出現剎車失靈故障時即時報警，提醒駕駛員即時采取應急措施對車輛進行控制；當車輛出現剎車失靈故障時，電控應急制動裝置即時進行應急制動，保證車輛能夠在極短時間和極短距離范圍內停車，防止出現車輛失控，保證行車安全，減少交通事故的發生。

1 重型貨車剎車失靈預警和應急制動系統設計

重型貨車通常采用氣壓制動，制動器一般為鼓式制動器。在不考慮地面附著力的情況下，造成剎車失靈的原因是制動器的制動力或制動器制動力矩過小，根據分析，導致制動器制動力矩過小的原因有：①貯氣筒內壓縮空氣氣壓過低；②制動踏板的自由行程過大；③制動管路及制動氣室氣壓不足；④制動氣室推桿行程不足或凸輪軸或制動蹄片的支撐銷生銹卡滯；⑤制動蹄片與制動鼓之間的間隙太大；⑥制動器溫度過高導致摩擦系數下降；⑦制動蹄摩擦片嚴重磨損等。

1.1 重型貨車剎車失靈預警和應急制動系統設計思路

重型貨車剎車失靈預警和應急制動系統設計思路是：采用單片機控制系統，由傳感器、控制器(其核心器件為單片機)、執行器組成，如圖1所示。

圖1 重型貨車剎車失靈預警及應急制動系統設計思路

1.2 控制系統傳感器、執行器的確定

根據前面重型貨車剎車失靈原因可知控制系統需要監測的參數有：貯氣筒氣壓、制動踏板自由行程、制動管路氣壓、制動氣室推桿行程、制動器溫度、摩擦片磨損程度、制動蹄片與制動鼓之間間隙等。由于載貨汽車制動系統上已經裝有起步氣壓過低報警裝置，因此本設計中不需要再進行貯氣筒氣壓過低監測；對于制動器間隙不容易實時監測，可以通過制動氣室推桿行程間接測量，因此本論文所設計的重型貨車剎車失靈預警和應急制動系統需要傳感器有：制動踏板推桿位移傳感器(由于制動踏板位移不便于直接測量，因此采用制動踏板推桿位移來反應制動踏板位移)、制動管路氣壓傳感器、制動氣室推桿行程傳感器、制動器溫度傳感器、摩擦片磨損傳感器，如圖2所示。

執行器包括有報警裝置和應急制動裝置，報警裝置設有：制動踏板自由行程不合格報警燈、制動管路漏氣報警燈、制動氣室推桿行程不符合報警燈、制動摩擦片磨損極限報警燈、制動器溫度過高報警燈；應急制動裝置設計為ECU輸出信號控制繼電器，繼電器再控制應急制動裝置工作，因此控制系統應急制動執行器為繼電器，如圖2所示。

圖2 控制系統傳感器、執行器確定

1.3 控制系統傳感器的選擇及所測量參數異常辨識

1.3.1 制動踏板推桿位移傳感器、制動管路氣壓傳感器、制動氣室推桿行程傳感器選擇及測量參數異常辨識

制動踏板推桿行程傳感器、制動氣室推桿行程傳感器選用可變電阻線性傳感器,傳感器輸出是與位移呈線性變化的電壓信號，分別安裝于制動踏板推桿和制動氣室推桿處；制動管路氣壓傳感器選用供電電壓是DC24V、輸出是0-5V壓力變送器，安裝于前、后橋制動管路上。

1.3.1.1 制動踏板推桿自由行程過大辨識

制動踏板推桿自由行程對應制動踏板的自由行程有一個規定的范圍，設最小值為L0min，最大值為L0max。踩制動踏板時，制動踏板推桿位移傳感器檢測制動踏板推桿位移信號，氣壓傳感器檢測制動管路氣壓信號，當微機監測到制動管路開始充氣記下此時制動踏板推桿移動的行程記為L0，此位移即為制動踏板推桿實際的自由行程，微機判定此行程是否處于規定的范圍內(即L0min≤L0≤L0max)，如果處于規定范圍內，表明制動踏板推桿自由行程正常；如果L0max>L0max，制動管路還未進行充氣，則可能是由于制動控制閥發卡或漏氣、制動管路堵塞、制動管路或制動氣室漏氣等故障引起，會導致剎車失靈現象，此時報警裝置進行報警。

1.3.1.2 制動管路氣壓過低(漏氣)辨識

制動時制動管路氣壓P與制動踏板推桿消除自由行程L0后有效行程(記為LX)按一定的關系變化，有的是呈線性的，有的不呈線性，可以通過實車測試獲得，建立起制動踏板推桿有效行程LX與制動管路氣壓關系數據庫。

制動管路漏氣識別：制動時踏板推桿位移傳感器和氣壓傳感器分別檢測制動踏板推桿位移L和制動管路氣壓P，微機對輸入的數據進行分析判定，如果制動踏板推桿有效行程LX=L-L0已經很大，但制動管路氣壓P很低或者遠低于規定值，則判定為制動管路氣壓過低(漏氣)，進行報警或應急制動。

1.3.1.3 制動氣室推桿行程異常辨識

在制動器制動間隙一定(正常間隙之內)和制動管路氣壓正常情況下，制動器工作時，制動氣室推桿行程(設為X0)是一個定值。由于制動器制動間隙有一個正常變化范圍，相應的制動氣室推桿行程X0就在一個正常范圍內變動，設最小值為X0min,最大值為X0max。進行制動操作時，微機首先判斷制動管路氣壓是否正常，在制動管路氣壓正常情況下，微機再判斷制動氣室推桿行程X0是否處于最大行程和最小行程之間，即X0minX0X0max，如果是則表明制動氣室推桿行程正常；如果檢測出制動氣室推桿行程X0>X0max或X0

1.3.2 制動器溫度傳感器選擇及溫度過高危險閥值確定

制動器摩擦片表面溫度選用熱電偶溫度傳感器間接測量。根據研究可知，制動器的溫度保持在200℃以下時，制動器和摩擦襯片的摩擦系數保持穩定，制動器的制動力穩定，車輛能夠實現安全制動；當制動器溫度處于200℃～250℃范圍內時，制動器的制動力出現下滑，制動距離略大于規定的安全距離；當制動器溫度處于250℃～300℃范圍內時，制動距離已超出安全制動距離的20%～40%，已超出了國標GB12676-2014中關于汽車制動系統要求的規定，車輛若只依靠制動器的制動力，不能確保車輛安全停車；當制動器溫度超過300℃時，制動器的制動力直線下降，剎車失靈。綜合國內的研究結論，并參考國外的研究成果，本設計中把制動器熱衰退報警設定為250℃，失靈閾值溫度設置為300℃。即當檢測到制動器溫度為250℃T≤300℃時，作為制動熱衰退溫度，進行報警，提醒駕駛員注意減速降檔，靠邊停車，同時所設計的應急制造系統進行中等強度應急制動；當檢測到制動器溫度T>300℃，進行報警，同時所設計的應急制造系統進行高強度應急制動。

1.3.3 摩擦片磨損傳感器選擇及磨損極限狀態辨識

摩擦片磨損到極限狀態采用圖3所示原理進行檢測：用一個安裝在摩擦片中的U形金屬絲(金屬絲硬度遠小于制動蹄片摩擦副的硬度)，U形金屬絲的頂端就處在制動器摩擦塊的磨損極限位置上，制動器摩擦片沒有磨損到極限位置時，U形金屬絲沒有磨斷，輸出端電壓U0=0V，為低電平；當摩擦片磨損到規定限度時，U形金屬絲部分被磨斷，電路斷開，輸出端輸出電壓U0≈5V為高電平。車輛行駛過程中，控制系統的微機檢測到傳感器輸出端U0≈5V，就進行報警，如車輛正在進行制動就進行報警和應急制動。

圖3 摩擦片磨損到極限檢測傳感器工作電路

1.4 應急制動裝置設計

應急制動裝置包括應急制動器和應急制動控制裝置。應急制動器采用氣壓盤式制動器(與制動氣室和制動促動裝置制成一體)，安裝于汽車傳動軸上，選用浙江隆中控股集團股份有限公司制造的氣壓盤式制動器(制動器、制動氣室、氣動促動機構制成一體)經改裝而成。應急制動電磁閥選用上海儒煒自動化科技有限公司生產的SV8A02和SV8A33電磁閥，其工作狀態如圖4所示。

圖4 SV8A02二位二通和SV8A32二位三通電磁閥工作狀態

SV8A02二位二通電磁閥和SV8A32二位三通電磁閥連接、控制電路如圖5所示：SV8A02電磁閥進口1通過管路與儲氣筒連接，出口2與SV8A32電磁閥的進口1連接，SV8A32的2口通過管道接應急制動氣室，SV8A32電磁閥的第3口通大氣；SV8A02電磁閥和SV8A32電磁閥分別由繼電器1、繼電器2控制，兩個繼電器由ECU輸出控制。控制器輸出及應急制動電磁閥工作狀態如表1所示。

圖5 應急制動裝置控制電路圖

表1 控制器輸出及應急制動電磁閥工作情況

2 所設計的重型貨車剎車失靈預警和應急制動系統仿真演示

2.1 所設計的重型貨車剎車失靈預警和應急制動系統結構原理圖

以江淮格爾發K5W重卡為參照對像，所設計的重型貨車剎車失靈預警和應急制動系統結構原理如圖6所示。

圖6 重型貨車剎車失靈預警和應急制動系統結構原理圖

2.2 所設計的重型貨車剎車失靈預警和應急制動系統仿真演示

2.2.1 控制器主要硬件選配

單片機選用STC生產的單時鐘/機器周期(1T)的STC15W4K56S4系列單片機，是寬電壓、高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾的新一代51內核單片機，采用STC第九代加密技術，指令兼容傳統8051，但速度快8-12倍。熱電偶轉換器選配Maxim公司推出的具有冷端補償的單片K型熱電偶放大器與數字轉換器MAX6675。高精度AD轉換器選配單電源、低功耗8位COMS型A/D、D/A轉換芯片PCF8591，其具有4路模擬量輸入通道、一路模擬量輸出通道和1個I2C總線接口。

2.2.2 仿真系統結構框圖

仿真系統結構框圖如圖7所示。

圖7 仿真系統結構框

2.3 仿真演示結果

以江淮格爾發K5W重卡為參照對像，將實車的制動系統正確參數通過編程輸入控制系統的數據庫存中作為參考值，在進入仿真演示時，在控制系統中輸入實車制動過程中的正常或異常的制動參數，觀察報警裝置報警與否或應急制動繼電器工作與否來判斷仿真電路是否實現所設計的預期目標，如圖8所示。仿真演示結果：①當制動踏板推桿自由行程在規定范圍內時，“制動踏板自由行程不合格報警燈”不亮；否則報警燈亮進行報警。②當前、后橋制動管路不漏氣，“制動管路漏氣報警燈”不亮；當任何一處存在漏氣，報警燈亮進行報警。③當制動氣室推桿行程在規定范圍內時，“制動氣室器推桿行程不合格報警燈”不亮；否則，報警燈亮進行報警。④當所有制動摩擦片不存在磨損到極限時，“摩擦片磨損極限報警燈”不亮；當任何一車輪制動器摩擦片磨損到極限，報警亮進行報警，并且應急制動裝置進行應急制動。⑤當所有車輪制動器溫度<250℃,“制動器溫度過高報警燈”不亮；當任何一個制動器溫度存在250℃T≤300℃，其他的都<250℃，報警燈亮進行報警；當所有的制動器溫度存在：250℃300℃，報警燈亮，并進行高強度應急制動。結論：仿真演示實現預期目標。

圖8 仿真演示

3 總結

論文根據重型貨車剎車失靈的實際原因設計了重型貨車剎車失靈預警和應急制動電控系統，并制作了仿真電路進行仿真演示，實現所需目標，因此所設計的控制系統能夠實現重型貨車剎車失靈預警和應急制動，具有實用性，能夠為貨車制造企業關于重型貨車制動系統的改進起到借鑒作用。