鼓式制动器温度监测预警系统设计

鼓式制动器温度监测预警系统设计

张子博 吕卅 姜赛杰 孙存义 宋雪亮 宋明宇

（吉林建筑大学 吉林 长春 130118）

摘要：近几年来，交通事故频发，其中由于刹车失灵而引发的事故大约占了30%。其中，载重货车在下坡路段行驶时，由于制动器温度过高而导致的刹车失灵，会给人民的生命财产安全带来巨大的破坏。针对这种情况，团队成员通过对货车制动器刹车鼓的温度变化特性分析，从温度检测和数据传输两方面进行研究，采用多种传感器与单片机的组合来设计货车刹车鼓自动控制预警系统，为车辆的制动安全保驾护航。

关键词：汽车安全；鼓式制动器；红外测温

1.引言

鼓式制动器是一种用于大型车辆上的制动安全构件，这种大型车辆的制动特点是制动器在制动过程中，通过摩擦制动鼓和摩擦板的作用将车辆的动能和势能转化为热能，吸收制动鼓和摩擦板产生的制动热而改变机械和热性能。但是，由于载重货车体积及载重量大，制动温度普遍偏高，因此对其制动器的性能要求也十分苛刻，温度频繁的剧烈变化会造成制动器热疲劳，使其到达强度极限，制动器本身可能会突然出现小裂纹或断裂，这种故障和损坏将极大地威胁驾驶员和行人的生命安全。针对载重货车制动鼓温度过高易导致破裂的安全问题，本文所介绍的预警系统为避免这类安全问题提供了一种有效的解决方案。

2.系统设计

（1）制动器温度范围分析

制动器之所以受热损坏主要有以下几点原因：

①车辆减速的影响。由于速度减小，车辆的部分动能转化为制动器的摩擦热，其中部分热量传递至与之连接的钢圈和轮毂进行散热，还有部分暂时未传递出去的热量使得制动器本身温度升高。

②下坡路段的影响。当车辆在有一定坡度的路面行驶时，由于势能的变化，制动器在减速过程中会产生摩擦热。

③轮胎的材质影响。大部分轮胎为橡胶材质，车轮在滚动过程中，由于橡胶分子之间的摩擦产生热量，轮胎温度升高。橡胶能承受的最高温度约为145℃，超过此温度会导致轮胎爆裂。

通过以上分析和参数计算，得出结论：汽车在行驶时，轮毂的温度应小于100℃。对于卡车、大货车等大型车辆，制动鼓的温度应小于200℃。因此，对制动鼓的温度状态及处理方式划分为三类：

①温度<150℃为安全使用范围，不采取措施

②150℃<温度<200℃为异常使用范围，需尽快采取措施

③温度>200℃为危险使用范围，立即采取措施

（2）系统的工作原理

该系统以单片机为控制核心，以温度传感器、显示器、声光报警器、降温器，无线通信器等硬件辅以搭建。

利用温度传感器的特点，将温度传感器安装在制动鼓旁，实时采集制动鼓的温度，并将此数据传递至单片机，并将温度在显示屏上进行实时显示，使驾驶员能够及时了解制动鼓的温度状态变化，实现安全驾驶的目的。同时，监控系统也配备有报警功能，当温度快要达到临界温度时，系统会通过蜂鸣器发出报警音并伴随车上的应急灯闪动，通知驾驶员立即找地方停车，让刹车鼓温度下降。同时，该预警系统会将采集到的信息进行统计分析，并定期反馈给货车监控中心，向用户提供车辆健康情况，针对用户驾驶习惯的分析提出合理建议，使用户可以及时对车辆进行维修，有效避免危险的发生。

（3）主要硬件选择

①温度传感器。是集成温度传感器技术与集成电路技术相结合的产物，由于本系统对传感器的性能要求较高，因此本系统选用AD590L，（线性度为0.5℃）可将制动蹄片的温度控制在150℃左右，保证车辆制动系统正常运行。

②单片机控制器。在同时兼顾性能与成本的情况下，为了提高其稳定性与精度，系统选用STC89C51单片机作为系统的控制单元，指挥各部分的协调工作。

③A/D转换器。A/D转换器的作用就是把模拟量转换成数字量。系统中选择使用ADC0809转换器。

④无线通信器。通过此模块选用SIM800C模块，通过GPRS技术将刹车鼓的状态信息远距离上传至货车监控中心，作为判断货车状态和性能优劣的依据。

⑤显示器。显示器采用LCD液晶显示器，能够将传感器采集到的温度数据实时显示在屏幕上，使驾驶员直观的了解到当前速度对刹车鼓温度的影响，一旦察觉温度异常，便能够在最短时间内采取相应的措施。

⑥降温器。为了有效降低货车在下长坡时制动鼓频繁制动后的高温，降温器选用外置冷却的方案对制动系统进行外部冷却。其主要作用是采用间接冷却的方式冷却摩擦片与制动鼓的工作表面，从而降低整个制动器的温度。

⑦报警器。选用压电式蜂鸣器作为声音报警模块，选用发光二极管作为光报警模块。当温度传感器传递的数据超出了安全温度范围，报警器同时进行声光警报，有效提醒驾驶人员行驶出现危险的可能性，及时进行处理。

（4）主程序设计

系统上电后，首先进入各模块初始化阶段。由温度传感器采集的刹车鼓温度信息传送至单片机进行数据分析和处理，并将此温度进行显示。单片机对实际温度与刹车鼓安全温度上限进行比较，当温度达到150℃时，启动报警器进行声光报警，并将此状态通过GPRS无线通信模块发送至货车监控中心。

图1 主程序流程图

3.结语

本系统把温度传感器安装在制动鼓旁对制动鼓温度进行实时监测，通过合理布线将温度传感器、显示器、报警器、无线通信器与单片机相连。当汽车在行驶时，系统能实时地把制动鼓的温度显示在驾驶位仪表台的显示器上，使驾驶员能够及时了解制动器的温度，一旦超过预先设定的温度极限值时，系统便会通过声光报警告知驾驶员，这样能更加直观的提醒驾驶人员，能够有效降低因制动系统温度过高出现故障而导致的意外交通事故的发生率，保护人民生命及财产安全，对社会的健康安全发展起到良好的辅助作用。

参考文献

[1] 张平.长下坡连续制动的中型货车鼓式刹车系统热分析及温控装置设计[D].山东:齐鲁工业大学工程硕士学位论文,2019.

[2] 王魁汉.温度测量实用技术[M].北京：机械工业出版社.2007.

[3] 杨鹏飞.鼓式制动器温度场的数值模拟研究[D].西安：长安大学.2004.

[4] 安鹏,马伟.S12 单片机模块应用及程序调试［J］.电子产品世界.2006( 7) : 162 -163.

[5]陈红良.一种基于蓝牙传输的温度检测系统［J］.浙江万里学院学报.2011(4):75-77.

[6]贾永辉.一种用于GPRS预警信息展示的LCD液晶屏［P］.中国专利：CN214368730U.2021.

基金项目：2021年度大学生创新创业训练计划省级项目《鼓式制动器实时温度红外监测预警系统》