载货汽车制动蹄片磨损动态检测预警策略

引用本文

孙文财, 李君, 李世武, 田晶晶, 徐艺. 载货汽车制动蹄片磨损动态检测预警策略. 吉林大学学报: 工学版, 2014, 44(5): 1303-a-1307[SUN Wen-cai, LI Jun, LI Shi-wu, TIAN Jing-jing, XU Yi. Dynamic detection and early-warning strategy of wear of brake shoe of truck. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2014, 44(5): 1303-a-1307] 复制到剪切板

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载货汽车制动蹄片磨损动态检测预警策略

孙文财¹, 李君², 李世武¹, 田晶晶³, 徐艺¹

1.吉林大学交通学院, 长春 130022

2.吉林大学汽车工程学院, 长春 130022

3.交通运输部公路科学研究院, 北京 100088

通信作者:李世武(1971-),男,教授,博士生导师.研究方向:交通环境与安全技术.E-mail:lshiwu@163.com

作者简介:孙文财(1981-),男,讲师,博士.研究方向:交通环境与安全技术.E-mail:swcai@163.com

基金:国家自然科学基金项目（51308250）; 高等学校博士学科点专项科研基金项目（20120061120043）; 中国博士后科学基金面上项目（2013M530984）

摘要

为实现载货汽车制动蹄片磨损状态动态检测预警,分析了载货汽车常用的鼓式制动器S凸轮磨损规律,提出了一种基于阻值分级法的蹄片磨损状态动态检测方法,并构建了制动蹄片磨损n级检测预警传感器电阻分级计算模型,得出基于阻值分级法的制动蹄片磨损状态检测传感器并行电阻分布特性。以解放赛龙Ⅱ载货汽车为试验车、MC9S12XEP100单片机为车载终端,设计开发了制动蹄片磨损状态动态检测预警系统平台,并进行了试验研究。试验结果表明:系统检测电压阈值大于0.25 V,实现了对12 mm制动蹄片不同磨损状态在显著性水平α=0.01下的12级动态检测,验证了用该方法动态检测预警蹄片磨损状态的准确性和可行性。

关键词: 车辆工程; 制动蹄片; 磨损状态; 动态检测预警

中图分类号:U492.8 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2014)05-1303-05

Dynamic detection and early-warning strategy of wear of brake shoe of truck

SUN Wen-cai¹, LI Jun², LI Shi-wu¹, TIAN Jing-jing³, XU Yi¹

1.College of Transportation, Jilin University, Changchun 130022, China

2.College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China

3.Research Institute of Highway Ministry of Transport, Beijing 100088, China

Abstract

To realize the dynamic detection and early-warning of wear of brake shoe of truck, the wear rule of S-shaped cam drum brake was analyzed. Then a dynamic detection method of the wear of brake shoe was proposed based on resistance classification. A calculation model of the resistance classification was built to calculate the resistance values of the dynamic detection sensor for wear status of brake shoe with 12 classes. A testing platform was built with Jie-Fang Sailing heavy truck and Freescale microcontrollers and the detection test was carried out. The test results show that the thresholds of change of output voltage between two different early-warning classes was higher than 0.25 V. The wear status of a 12 mm brake shoe can be dynamically detected with 12 grades under the significant level ofα = 0.01. The feasibility and accuracy of the dynamic detection method of wear status of brake shoe were verified.

Keyword: vehicle engineering; brake shoe; wear status; dynamic detection and early-warning

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0 引言

据公安部交通管理局2004~2010年全国道路交通事故情况统计年鉴,全国道路交通事故中半数左右的道路交通事故与车辆的制动性能不佳有关^{[ 1]}。研究制动蹄片磨损状态动态检测预警方法,对提高车辆主动安全、预防制动蹄片过度磨损导致制动性能失效而引发的道路交通事故的发生有重要的理论意义和实际应用价值。

针对载货汽车制动蹄片磨损状态的检测预警问题,司国庆和Dennis等^{[ 2, 3]}设计了一种制动蹄片磨损极限报警器,该方案只能在制动片磨损到极限值时报警;Giovanni等^{[ 1, 4]}设计了一种采用角位移传感器测量调整臂凸轮鼓式制动器制动蹄片磨损状态的检测方法,该方法只能对特定类型制动器有效,而且该检测方法采用磁性编码盘作为磨损传感器的信号源,导致其成本高、实用性差。目前,S凸轮鼓式制动器在载货汽车上有着广泛应用,本文的试验车解放赛龙Ⅱ载货汽车采用该类型制动器。为了对制动蹄片的磨损状态进行实时动态检测,本文提出一种基于阻值分级法的制动蹄片磨损状态动态检测方法。

1 制动蹄片磨损动态检测方法

1.1 制动器蹄片磨损规律分析

本文试验车的制动器为S凸轮领从蹄固定支点式鼓式制动器,为了使制动蹄片摩擦副的工作表面与制动鼓内表面全面接触,提高制动效能,制动蹄片摩擦副的工作表面曲率半径 R₁与制动鼓内半径 R相等,但是这样的结构会导致制动蹄片摩擦副表面的压力分布不均匀^{[ 5]}。下面重点分析S凸轮领从蹄式鼓式制动器蹄片磨损规律,S凸轮领从蹄式鼓式制动器工作原理如图1所示。

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	图1 制动蹄片的磨损规律分析Fig.1 Law analysis of wear of brake shoe

图1中,O为制动鼓圆心, $O_{1}$ 为制动器未作用时制动蹄片外圆弧曲率中心。当蹄端张力F作用使制动蹄摩擦副外缘与制动鼓完全贴合时,O和 $O_{1}$ 完全重合。在制动蹄上任取一点A, $∠COA = α$ 。假设制动蹄片不受制动鼓约束,制动蹄片绕C转过角度γ,制动蹄片外圆弧移到 $E_{1} - E_{2}$ 的位置,制动蹄片外圆弧曲率中心移到 $O_{2}$ 的位置,A点移到 $A_{1}$ ,O点移到 $O_{2}$ 处, $∠CO A_{1} = α$ ,由于γ很小,根据图1得:

$\begin{matrix} \begin{matrix} A A_{1} = CA \cdot γ (1) \\ ∠ A_{1} AB = ∠ CAO (2) \\ B A_{1} = A A_{1} \cdot \sin ∠ CAO (3) \end{matrix} \end{matrix}$

将式(1)(2)代入式(3)得:

$\begin{matrix} B A_{1} = CA \cdot γ \cdot \sin ∠ CAO (4) \end{matrix}$

根据正弦定理,在 $\begin{matrix} △ COA \end{matrix}$ 中有:

$\begin{matrix} CA = \frac{OC \cdot sinα}{\sin ∠ CAO} (5) \end{matrix}$

将式(5)代入式(4)得:

$\begin{matrix} B A_{1} = OC \cdot γ \cdot sinα (6) \end{matrix}$

制动器结构形式一定,在制动蹄片上选取点 $\begin{matrix} E 使得 ∠ COE = α = 90 °, 此时 E \end{matrix}$ 点是制动蹄片上径向位移的最大值点。制动蹄片摩擦副工作表面各点的径向位移量对应等于各相应点的径向压缩变形量。根据虎克定律,制动蹄片摩擦副工作表面各点的单位压力的变化趋势与其径向压缩变形量一致,沿周向按正弦规律变化。制动蹄片摩擦副工作表面磨损规律与压力分布规律相同。根据本文选取的试验车安装的鼓式制动器的结构尺寸,制动蹄片摩擦副磨损量最大处 θ≈10°,依此确定本文设计开发的传感器的安装位置。

1.2 制动蹄片磨损动态检测方法

为了对车辆运营过程中车辆制动蹄片的磨损状态进行实时动态检测,本文设计开发了一种基于阻值分级法的制动蹄片磨损状态多级动态检测方法。制动蹄片磨损状态动态检测传感器原理结构为如图2所示的混联电路,包括磨损区域和电路区域^{[ 6]}。将整个电路固结于电子芯片内部,选取电子芯片的硬度远小于制动蹄片摩擦副的硬度,实现传感器磨损区域与制动蹄片摩擦副同步磨损。根据图2,通过磨损区域中导线 $\begin{matrix} l_{i} (i = 1,2, \dots, n) 之间的距离 Δ S_{i} (i = 1,2, \dots, n - 1) 实现对车辆制动蹄片磨损状态的多级动态检测; 电路区域由 n 个电阻 R_{i} (i = 1,2, \dots, n) 并联而成, 通过测量 R_{0} 两端的输出电压 U_{0} \end{matrix}$ 即可实现对制动蹄片磨损状态的多级动态检测。传感器结构物理模型如图3所示,主要由密封盖、防护外壳、集成电路板、锁紧螺母组成。

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	图2 制动蹄片磨损状态多级动态检测原理Fig.2 Principle of dynamic multi-level detection for wear status of brake shoe

根据图3设计的制动蹄片磨损状态多级动态检测装置结构如下:集成电路板装入防护外壳的轴向阶梯通孔中并固定,集成电路板的下端面和防护外壳杆部的下端面共面,密封盖和防护外壳的底部通过螺纹连接,集成电路板的信号输出线通过密封盖中心孔,防护外壳通过螺纹固定于车辆制动蹄片通孔内,并由锁紧螺母进行紧固。

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	图3 制动蹄片磨损状态检测装置结构模型Fig.3 Structure of detection sensor of wear status of brake shoe

本文以解放赛龙Ⅱ型载货汽车为试验车,试验车制动蹄片厚度为12 mm,因此设定制动蹄片摩擦磨损状态检测装置的磨损区域长度为12 mm,本文取 n=12, ΔS_i=1 mm( i=1,2,…,11)实现对试验车制动蹄片摩擦副磨损状态的12级动态检测预警。

1.3 制动蹄片磨损检测方法数学描述

采用Freescale的MC9S12XEP100单片机为车载终端采集获取检测装置的输出电压信号。为了准确识别不同级别检测预警的输出电压信号,检测装置电路区域相邻两个检测预警级别的输出信号 $\begin{matrix} U_{0} 的变化值 Δ U_{0} \end{matrix}$ 为:

$\begin{matrix} \begin{matrix} Δ U_{0} = |\frac{R_{0} U}{R_{0} + 1 (\overset{n}{\sum_{i = 1}} \frac{1}{R_{i}})} - \frac{R_{0} U}{R_{0} + 1 (\overset{n - 1}{\sum_{i = 1}} \frac{1}{R_{i}})}| \\ \geq 0.25 V (7) \end{matrix} \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} R_{0} 为分压电阻; R_{i} (其中 i = 1,2, \dots, n) 为第 i 个混联电阻阻值; U \end{matrix}$ 为外围电源电压,5 V。

对制动蹄片磨损状态进行12级动态检测预警,则 n=12。通过式(7)得到混联电路各个电阻值如表1所示。

表1 混联电路欧姆特性 Table 1 Resistivity of series-parallel connection resistance circuit

2 制动蹄片磨损检测试验分析

2.1 系统平台构建

图4(a)为试验车,图4(b)为Freescale的MC9S12XEP100型单片机车载终端,利用C语言开发数据采集程序,实现传感器输出电压信号的1 Hz采样频率^{[ 7, 8]},并可按照预设的预警阈值提示驾驶员检查制动蹄片磨损状态。按图3制动蹄片磨损状态检测装置结构模型开发了如图4(c)所示的制动蹄片磨损状态多级动态检测预警装置,图4(d)为图4(c)的局部放大图。传感器内部中空并安装“T”字型芯片,芯片磨损区域位于螺栓端部,其顶端与蹄片摩擦表面相切。

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	图4 制动蹄片磨损检测试验平台Fig.4 Test platform of dynamic detection of wear status of brake shoe

2.2 制动蹄片磨损检测装置标定试验分析

为验证制动蹄片磨损状态检测预警装置工作的准确性,本文预设传感器的磨损状态来验证检测装置工作的可靠性。检测装置不同等级的输出电压、电压变化以及输出电压变化阈值如图5所示。根据图5,传感器相邻两级监测预警输出电压的变化量均高于输出电压变化阈值0.25 V,车载终端可以准确识别检测装置输出电压信号的变化,从而实时检测制动蹄片的磨损状态。

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	图5 检测装置工作特性分析Fig.5 Analysis of work characteristic of detection device of brake shoe

2.3 制动蹄片磨损动态检测预警试验分析

利用图4所示的制动蹄片磨损状态检测试验平台进行制动蹄片磨损状态多级动态检测预警试验,试验结果如图6所示。制动蹄片厚度理论变化值为检测装置输出电压信号的理论值,制动蹄片厚度的检测误差为传感器检测结果测量值与理论值的差值。

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	图6 制动蹄片磨损动态检测结果Fig.6 Test results of dynamic detection for wear status of brake shoe

制动蹄片磨损状态测量值 $\begin{matrix} \begin{matrix} X_{1} 与检测装置磨损区域连线布置间隔测量值 X_{2} 均存在测量误差, 测量误差服从正态分布。根据概率论与数理统计的相关知识, X_{1} + X_{2} ~ N (μ, σ^{2}), 因此制动蹄片磨损状态动态检测值 X_{3} 与制动蹄片厚度理论值 X_{4} 的差值 X = X_{3} - X_{4} 亦服从正态分布^{[9]} 。本文取显著性水平 α = 0.01, 假设 H_{0} : μ = 0, H_{1} : μ \neq 0, 制动蹄片在不同磨损状态下 X = X_{3} - X_{4} = (0.04,0.02, - 0.2,0.025,0.03, - 0.03, - 0.028, - 0.019,0.015,0.035,0.017, - 0.015) 。 \\ 在 H_{0} \end{matrix} \end{matrix}$ 成立时,有:

$\begin{matrix} t = \frac{\bar{X} - 0}{S / \sqrt[]{12}} ~ t (11) \end{matrix}$

对于 $\begin{matrix} α = 0.01, 查 t \end{matrix}$ 分布表得:

$\begin{matrix} t_{0.005} (11) = 3.1058 \end{matrix}$

对于本文中制动蹄片不同磨损状态的检测值与理论值的差值 $\begin{matrix} X \end{matrix}$ 的基本数字特征如下:

$\begin{matrix} \begin{matrix} \bar{X} = 0.0058, s^{2} = 0.0007, s^{2} = 0.0262 \\ t = \frac{\bar{X} - 0}{S / \sqrt[]{12}} = \frac{0.0058}{0.0262 / \sqrt[]{12}} = 0.7669 \\ |t| = 0.7669 < t_{0.005} (11) = 3.1059 \end{matrix} \end{matrix}$

所以接受 $\begin{matrix} H_{0}, 即在显著性水平 α = 0.01 \end{matrix}$ 下认为制动蹄片不同磨损状态下的测量值与理论值一致。

3 结束语

为了实现制动蹄片磨损状态的动态检测,提出了基于阻值分级法的制动蹄片磨损状态多级动态检测方法,设计开发了一种制动蹄片磨损状态动态检测预警装置。分析了目前广泛应用于载货汽车的S凸轮鼓式制动器磨损规律与曲率半径的关系,确定了制动蹄片磨损状态检测装置的最优安装位置。以解放赛龙Ⅱ为试验车、Freescale的MC9S12XEP100单片机为车载终端,设计开发了制动蹄片磨损动态检测预警系统平台。采用本文设计开发的试验平台,进行了制动蹄片磨损状态检测装置标定试验和制动蹄片磨损状态动态检测试验。试验结果表明:制动蹄片磨损状态任意两个相邻的检测预警等级输出电压的变化阈值均高于0.25 V,实现了对试验车制动蹄片1 mm磨损量在显著性水平 α=0.01下的动态检测,证明了制动蹄片磨损量动态检测方法的准确性。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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... 针对载货汽车制动蹄片磨损状态的检测预警问题,司国庆和Dennis等^[2,3]设计了一种制动蹄片磨损极限报警器,该方案只能在制动片磨损到极限值时报警 ...

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. 2010, 39(4):623-658

Stress field numerical simulation of automotive drum brake

针对鼓式制动器在制动过程中制动鼓出现开裂的问题,基于有限元法和瞬态热传导方程,分别建立了鼓式制动器接触分析模型和瞬态热分析模型.采用非线性接触方法分析了因制动蹄外张制动在制动鼓上产生的应力大小及其分布规律.利用瞬态生热对流与热传导分析方法得出了制动鼓上的生热-散热毅律及其热应力的大小与分布投律.利用该模型分析了某重型车制动鼓开裂原因.结果表明,紧急制动工况时,机械应力和热应力对制动鼓不同部位的开裂都有影响,均可引起制动鼓疲劳开裂,且引起的开裂形态不同.该模型和分析方法对制动鼓的开裂失效研究具有很好的工程应用价值和理论指导意义.

... 1 制动器蹄片磨损规律分析本文试验车的制动器为S凸轮领从蹄固定支点式鼓式制动器,为了使制动蹄片摩擦副的工作表面与制动鼓内表面全面接触,提高制动效能,制动蹄片摩擦副的工作表面曲率半径R₁与制动鼓内半径R相等,但是这样的结构会导致制动蹄片摩擦副表面的压力分布不均匀^[5] ...

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. 2011, 41(增刊2):114-117

Dynamic detection stragegy for brake shoe wear of operating vehicle

1. College of Transportation, Jilin University, Changchun 130022, China; 2. College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China

For realizing the wear dynamic detection of operating vehicle brake shoe,the brake shoe wear detection model adopting resistance classification method was presented.The resistance distribution principle of sensor was researched with the detection accuracy of 10%、5%、2%、1%、0.5%和0.2%,respectively.Simulation results show that the approximate linear relationship is clear between the parallel resistances before and after wearing accompanying with higher detection precision and lower split-voltage resistance.Wear sensors of brake shoe were developed and experiments were performed.Experimental results show that the detection voltage threshold of the experimental sensor is 0.15 V.The dynamic detection for brake shoe wear is realized with wearing value of 1 mm and detection precision of 8.3%.The feasibility and accuracy of the dynamic detection method for brake shoe wear are inspected.

为实现营运车辆制动器蹄片磨损量的动态检测,提出了采用阻值分级法的蹄片磨损量检测模型,研究了传感器阻值在检测精度分别为10%、5%、2%、1%、0.5%和0.2%时的分布规律。仿真结果表明:随着检测精度的提高和分压电阻阻值的减小,磨损前后并联电阻阻值成明显的近似线性关系。研发了蹄片磨损传感器并进行了试验。试验结果表明:试验传感器的检测电压阈值为0.15V,可实现对磨损量为1mm、精度为8.3%的蹄片磨损量动态检测,验证了制动蹄片磨损量动态检测方法的可行性和准确性。

2009

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