黃偉1，胡國兵2，龍禹1，石維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）
摘要：設計了一種剎車片厚度探測方法。闡述了厚度探測的基本原理、探測裝置的組成及制作、剎車片探測尺寸范圍的劃分及電阻阻值的確定。該方法可用于對剎車片厚度范圍的探測，與汽車控制系統(tǒng)結(jié)合可實現(xiàn)對剎車片厚度信息的反饋、預警或在剎車片厚度低于極限使用厚度的情況下對車輛的控制。采用該方法設計的裝置結(jié)構簡單，易實現(xiàn)小型化，嵌入式結(jié)構，便于安裝，可增強汽車主動安全性。該方法適合在各類制動系統(tǒng)中推廣應用。
關鍵詞：探測方法；厚度；剎車片；汽車安全
0引言
據(jù)公安部交管局統(tǒng)計，截至2014年底，全國機動車保有量達2.64億輛，其中汽車1.54億輛［1］；截至2015年底，全國機動車保有量達2.79億輛，其中汽車1.72億輛［2］。機動車的普及，給人們生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)最重要的研究方向之一［3］。
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的現(xiàn)象占相當大比例,導致的人員傷亡和財產(chǎn)損失十分嚴重。剎車片是各種裝配有鼓剎或碟剎的交通工具制動系統(tǒng)的一個重要的組成部分。由于摩擦作用，摩擦塊會被逐漸磨損，當磨損到極限厚度時，必須更換，否則將降低制動的效果，甚至造成安全事故［4］。為實現(xiàn)對摩擦片厚度的在線動態(tài)測量，以便于構建剎車片性能監(jiān)測和隱患預警系統(tǒng)，羅慶生等人設計了一種可變電阻厚度傳感器［5］，但由于電阻變化量較小且受溫度影響，難以獲得精確的厚度信息，因此該技術未能得到推廣應用。黃偉等人發(fā)明了一種可探測剎車片厚度的裝置［6］，該裝置將電阻絲組成并聯(lián)電路用于探測剎車片厚度，由于電阻絲直接與剎車片摩擦而產(chǎn)生溫度變化，因此電阻變化較大。對其進行改進的方法是用導線和電阻取代電阻絲，將電阻置于遠離剎車片的位置［7］，從而使電阻變化幅度減小，可以對剎車片厚度范圍進行較為精確的判斷，并可以根據(jù)需要設計信號的變化量，具有較大的實際應用價值。上述方法中，均通過一定的方式將剎車片厚度信息轉(zhuǎn)化為電信號，進而可通過計算機系統(tǒng)進行控制［8］，適應于汽車向電子化、智能化發(fā)展的需要［9］。本文對通過并聯(lián)電路方式探測剎車片厚度范圍裝置的探測方法作進一步討論。
1探測原理
對于多個電阻構成的并聯(lián)電路，假設各電阻的電阻值分別為R1、R2，…，Rn，則由相關的物理學知識可知，其總的電阻值R總與各電阻值之間存在以下關系：
電路中，如果部分與電阻連接的導線斷開，則總電阻將會增加；如果所有導線都斷開，則總電阻將為∞。
將并聯(lián)電阻電路中與各個電阻相連接的導線與剎車片保持相對固定，并在剎車片一定厚度范圍內(nèi)與剎車片一起受到摩擦。當導線因摩擦而斷開時，將引起總電路電阻的變化，由此將剎車片的厚度與電路的電阻聯(lián)系起來。將導線與剎車片指定的厚度相對應，便可通過電阻值反映剎車片的厚度范圍，由此實現(xiàn)對剎車片厚度的探測。
2探測裝置的制作
根據(jù)上述基本原理，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。將部分導線按設計的并聯(lián)連接方式固定在支撐體上，再與相應的電阻連接，然后將電阻連接起來構成電路，示意圖如圖1所示。將支撐體與剎車片保持相對固定，并在一定的剎車片厚度范圍內(nèi)與剎車1.支撐體，2.導線，3.電阻片一起受到摩擦。那么在某一尺寸時就會有相應的導線因摩擦而斷開，由此引起電路的總電阻發(fā)生變化，且總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。將該電路與外電路或測試裝置連接，再將測試信號傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或汽車控制系統(tǒng)，便可實現(xiàn)對剎車片厚度情況的監(jiān)測甚至是對汽車的控制。在此裝置中，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(nèi)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。
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14 mm左右，而更換的極限厚度是7 mm左右，其中包括大約3 mm的鐵襯板厚度和近4 mm的摩擦材料厚度。達到了使用極限的剎車片即使尚能使用一段時間，也會降低制動效果，影響行車安全，因此必須更換。基于此，可將剎車片厚度尺寸劃分為3個區(qū)域：正常使用范圍、極限預警范圍和禁止使用范圍，并將相應的信息通過汽車控制系統(tǒng)反映出來。正常使用情況下，前輪剎車片的使用壽命一般在45 000 km左右，后輪剎車片的使用壽命一般在85 000 km左右［10］。以設置三個探測點為例，假如在達到剎車片極限厚度前500 km左右預警，則可將第一個探測點設置在剎車片厚度為7.5~8.0 mm之間，將第二個探測點設置在7.0 mm左右，將第三個探測點設置在6.5~7.0 mm之間。當剎車片厚度大于第一個探測點所對應的厚度時，電路處于完好狀態(tài)，總電阻基本保持不變，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，處于第一個探測點的導線因摩擦而斷開，引起電路總電阻增加，反映了剎車片將達到極限使用厚度，可通過汽車控制系統(tǒng)提醒使用者更換剎車片；當剎車片厚度介于第二和第三個探測點對應的厚度之間時，處于第二個探測點的導線也因摩擦而斷開，引起電路總電阻再次增加，反映了剎車片達到極限使用厚度，可通過汽車控制系統(tǒng)提醒使用者更換剎車片；當剎車片厚度低于第三個探測點對應的厚度之間時，處于第三個探測點的導線因摩擦而斷開，電路總電阻為無窮大，反映了剎車片已在極限使用厚度以下，可通過汽車控制系統(tǒng)禁止車輛行駛，從而保證行車安全。當然，根據(jù)使用需求，可以設置更多的探測點或?qū)谄渌穸瘸叽纭Ｓ捎趧x車時斷開的導線可通過金屬剎車盤而連通，因此，僅在剎車片不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。
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(jù)與電阻相連接的導線被摩擦的順序，先確定最后一個電阻的阻值，然后利用公式（1）計算出倒數(shù)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，依次斷開順序為K1、K2、K3，若要求初始總電阻為50 Ω，K1斷開后電阻為100 Ω，K2斷開后電阻為200 Ω，則應先確定出R3的阻值為200 Ω，然后由R2、R3組成并聯(lián)電阻計算出R2的阻值為200 Ω，以同樣的方式再計算出R1的阻值為100 Ω。由于電阻阻值存在偏差以及受溫度等因素影響會產(chǎn)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(lián)的電阻也不宜過多。
5結(jié)論
本方法探測原理簡單，裝置結(jié)構簡單，易實現(xiàn)小型化、嵌入式結(jié)構，便于安裝，用于剎車片厚度探測可增強汽車自主安全性，適合于各類機動車輛及其他制動系統(tǒng)推廣使用。
參考文獻
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