丁金根， 方繼根， 嚴(yán) 超， 查顯軍

（1.中機(jī)精密成形產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（安徽）股份有限公司， 安徽 蕪湖 241070；2.安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601； 3.深圳市軸心自控技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著私家車數(shù)量越來越多， 關(guān)于汽車剎車的問題也成為了我們的研究重點(diǎn)。 車輛的剎車功能是靠剎車片和剎車盤之間的摩擦來實(shí)現(xiàn)，如果摩擦力越大，剎車的距離就越短。但在剎車時(shí)，剎車盤與剎車片之間會(huì)因制動(dòng)力帶來的摩擦產(chǎn)生的高溫， 剎車盤和剎車片的摩擦系數(shù)會(huì)隨著溫度的上升而降低，導(dǎo)致制動(dòng)性能失去保障，甚至導(dǎo)致剎車片失靈，使人們出行過程中存在巨大的安全隱患。

在實(shí)際生活中，汽車的制動(dòng)過程其實(shí)是很復(fù)雜的，我們很難實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。目前，15 次重復(fù)制動(dòng)后的制動(dòng)溫度一般被作為測(cè)量熱降解對(duì)剎車性能的影響的基準(zhǔn)[1]。 這個(gè)指標(biāo)的研究大部分是基于實(shí)驗(yàn)、基于有限元法， 有些是通過匹配實(shí)際車輛的測(cè)量數(shù)據(jù)而獲得的。 這些分析需要許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致剎車系統(tǒng)和車輛的匹配非常困難。

1 現(xiàn)有剎車片現(xiàn)狀研究

現(xiàn)有的剎車片類型有半金屬型剎車片、石棉型剎車片、陶瓷型剎車片、無石棉有機(jī)物（NAO）型剎車片等。 其中石棉型剎車片擁有良好的耐高溫性能，并且價(jià)格便宜，是最早的用于剎車系統(tǒng)中的的一種剎車片， 但由于在醫(yī)學(xué)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)了致癌物質(zhì)， 所以這類剎車片已被國(guó)際制造業(yè)所禁用[2-3]。半金屬型剎車片，此剎車片在散熱和溫控性能上都要比傳統(tǒng)剎車片高出很多， 但是因?yàn)閴毫Υ笤斐闪撕艽蟮哪p，噪音也加大了。于此類似的低金屬型剎車片減少了噪音，同時(shí)也解決了磨損問題，但又產(chǎn)生了另外一個(gè)問題，使用壽命太短。 陶瓷型剎車片。 現(xiàn)在運(yùn)用最多的就是陶瓷型剎車片，它具有環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、不腐蝕輪轂、無落灰、無噪聲等特點(diǎn)，是一種新型的剎車片[4-6]。NAO（無石棉有機(jī)物） 型剎車片，該剎殺片也具有噪音小、使用壽命長(zhǎng)、磨損低、無污染無落灰的特點(diǎn)，性能也有很大的提升，但是成本非常的高[7-8]。

對(duì)于剎車時(shí)產(chǎn)生的高溫，一種采用水冷的裝置，其名為汽車水冷噴淋降溫裝置，它是專供卡車發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器、剎車鍋、輪胎的快速降溫裝置。由固定在車箱下面的圓筒形氣壓水罐連接出水主管至水路分配器， 再由支路水管連接到各噴霧頭、噴水嘴，給所需降溫的部位噴水，而達(dá)到快速降溫的目的。但是采用水冷使溫度迅速下降，容易導(dǎo)致剎車盤或剎車片碎裂， 剎車盤和剎車片之間由于有水的存在容易打滑。一種名為“佐佐木剎車盤+剎車片”的組合， 這款佐佐木打孔剎車盤能夠較好的解決剎車產(chǎn)生的高溫問題。 理由在于剎車盤上的開孔和通風(fēng)槽能夠有效降低剎車產(chǎn)生的高溫，從而保證了較高的摩擦系數(shù)。而且盤上的污物，如水或油，亦會(huì)在離心力的作用下從孔槽中排出，保證了剎車盤和剎車片之間的清潔[9-10]。

本文設(shè)計(jì)了一種可以智能散熱的剎車片，剎車時(shí)剎車片溫度升高自動(dòng)打開散熱通道，溫度降低時(shí)自動(dòng)關(guān)閉散熱通道， 與傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)中的內(nèi)外側(cè)打孔結(jié)構(gòu)相對(duì)比，本項(xiàng)目可以大大減少汽車在行駛過程中由散熱孔風(fēng)阻帶來的能量損耗，節(jié)約緊缺的燃油資源，可以一定程度上減少汽車尾氣的排放；利用氣體熱脹冷縮的性質(zhì)（PV=nRT），可以達(dá)到剎車片自動(dòng)冷卻的效果，節(jié)省了用其他冷卻方式帶來的能量和物質(zhì)損耗，滿足國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

2 智能剎車片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1.1 工作原理

制動(dòng)過程中，液壓卡鉗夾持剎車盤，摩擦產(chǎn)生大量的熱能，剎車盤的溫度迅速升高，柱塞腔內(nèi)的溫度也急劇上升，由理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT 得，當(dāng)氣體溫度急劇升高，體積恒定時(shí)，柱塞腔內(nèi)壓力快速升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外側(cè)大氣壓，從而推動(dòng)柱塞向外運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推開擺動(dòng)葉片，使外界空氣進(jìn)入散熱孔道，提高散熱效率，并且增加風(fēng)阻，利于汽車的制動(dòng)。

當(dāng)制動(dòng)結(jié)束后，當(dāng)剎車片溫度下降到常溫，和制動(dòng)時(shí)相反，散熱孔道自動(dòng)關(guān)閉，從而減小風(fēng)阻，減少行車時(shí)不必要的能量消耗。 流程圖見圖1。

圖1 工作流程圖

2.1.2 機(jī)械機(jī)構(gòu)

（1）柱塞連桿機(jī)構(gòu)。圖2 為柱塞連桿， 其采用的是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。活塞在密封的柱塞腔里，柱塞通過銷和連桿相固定。 當(dāng)剎車片工作時(shí)， 由于剎車產(chǎn)生大量的熱能導(dǎo)致溫度升高， 而柱塞腔是密閉的， 空氣在其中受熱膨脹會(huì)推動(dòng)柱塞在柱塞腔內(nèi)滑動(dòng)， 柱塞連桿與葉片相連， 此時(shí)葉片緩慢張開。 該機(jī)構(gòu)具有：①面接觸低副，壓強(qiáng)小，便于潤(rùn)滑，磨損輕，壽命長(zhǎng)，傳遞動(dòng)力大；②低副易于加工，可獲得較高精度，成本低；③桿可較長(zhǎng)， 可用作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的操縱控制； ④可利用連桿實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖2 柱塞連桿

（2）葉片連桿機(jī)構(gòu)，見圖3。葉片連桿與柱塞相連，當(dāng)柱塞腔內(nèi)空氣受熱工作時(shí)，柱塞沿著柱塞腔滑動(dòng)， 推動(dòng)葉片張開，熱空氣由散熱孔道與外部大氣接觸，帶走了剎車盤內(nèi)部的熱量，完成剎車片降溫的過程。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，能完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。 缺點(diǎn)：制造、安裝精度要求高。

圖3 葉片連桿

機(jī)構(gòu)三維模型圖見圖4。

圖4 剎車盤三維模型剖視圖

2.2 電氣設(shè)計(jì)

（1）供電方法：使用USB端口為Arduino 供電。 我們可以使用Arduino uno 的USB 端口為Arduino 開發(fā)板供電。使用這種方法供電時(shí)，電源電壓需要是穩(wěn)定的+5V 的直流電壓。當(dāng)我們將Arduino 開發(fā)板通過USB 數(shù)據(jù)線連接在電腦USB 端口上開發(fā)Arduino 程序時(shí)，電腦的USB 端口可以為Arduino 開發(fā)板提供電源。 我們也可以用Arduino 的USB數(shù)據(jù)線連接手機(jī)充電器或者充電寶為Arduino 供電[11]。

（2）選用LM35DZ 攝氏溫度傳感器。 LM35 是由National Semiconductor 所生產(chǎn)的溫度傳感器，其輸出電壓為攝氏溫標(biāo)。 LM35 是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。 由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從0℃開始。LM35 有多種不同封裝型式。 在常溫下，LM35 不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到±1/4℃的準(zhǔn)確率。 工作電壓4～30V，在上述電壓范圍以內(nèi)， 芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的 （約50μA），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。 這么小的電流也使得該芯片在某些應(yīng)用中特別適合， 比如在電池供電的場(chǎng)合中， 輸出可以由第三個(gè)引腳取出， 根本無需校準(zhǔn)。目前，有兩種型號(hào)的LM35 可以提供使用。LM35DZ 輸出為0℃～100℃，而LM35CZ 輸出可覆蓋-40℃～110℃，且精度更高，兩種芯片的精度都比LM35 高，不過價(jià)格稍高[12-13]。

3 性能參數(shù)計(jì)算

3.1 剎車風(fēng)阻計(jì)算

空氣阻力計(jì)算公式：F=CρSV2/2。 式中：C—空氣阻力系數(shù)， 該值通常是實(shí)驗(yàn)值， 和物體的特征面積 （迎風(fēng)面積），物體光滑程度和整體形狀有關(guān)；ρ—空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293g/l，特殊條件下可以實(shí)地監(jiān)測(cè)；S—物體迎風(fēng)面積；V—物體與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度， 這里我們?nèi)∑囁俣葹?0km/h。

由上式可知， 正常情況下空氣阻力的大小與空氣阻力系數(shù)及迎風(fēng)面積成正比，與速度平方成正比。在空氣中如果速度達(dá)到2.5M（馬赫） 附近，由于空氣的摩擦，開始出現(xiàn)氣動(dòng)加熱現(xiàn)象。

汽車在行駛中由于空氣阻力的作用，圍繞著汽車重心同時(shí)產(chǎn)生縱向、 側(cè)向和垂直等三個(gè)方向的空氣動(dòng)力量，其中縱向空氣力量是最大的空氣阻力，大約占整體空氣阻力的80%以上。 空氣阻力系數(shù)值是由風(fēng)洞測(cè)試得出來的。

由于空氣阻力與空氣阻力系數(shù)成正比關(guān)系， 現(xiàn)代轎車為了減少空氣阻力就必須要考慮降低空氣阻力系數(shù)。70 年代能源危機(jī)后，各國(guó)為了進(jìn)一步節(jié)約能源，降低油耗，都致力于降低空氣阻力系數(shù)。轎車的空氣阻力系數(shù)一般為0.28～0.4。

假設(shè)汽車正面的投影面積：智能剎車片外形尺寸（厚度/半徑）： 70/180mm，離地間隙100mm，迎風(fēng)面積=πrd=396mm2。 最后可以得出F=CρSV2/2=1571N，這個(gè)為汽車的總風(fēng)阻，剎車片由于有散熱通道也會(huì)占據(jù)一部分風(fēng)阻，研究的目的就是減少這一部分的風(fēng)阻帶來的能量損失。

3.2 智能降溫溫度計(jì)算

根據(jù)nRT=PV。

液壓桿向外的液壓過程看作氣室內(nèi)空氣作等壓膨脹，則有V1/V2=T1/T2。 根據(jù)圖紙具體參數(shù)，即為24/（54-12）=T1/T2。

由于氣候、季節(jié)和位置的差異，剎車片氣道開始開啟的溫度也不同。此處假定正常室外溫度T1=30℃。則T2=52.5℃。即當(dāng)溫度為52.5℃時(shí)，剎車片氣道完全打開。

3.3 冷卻通道開啟時(shí)間計(jì)算

氣室中氣體在未膨脹時(shí)與外界氣壓平衡，當(dāng)氣道開啟完成后再次達(dá)到平衡狀態(tài)。已知柱塞直徑Φ=15mm，柱塞腔的長(zhǎng)度L=54mm。 根據(jù)前文計(jì)算剎車片氣道開始開啟的溫度T2=52.5℃，假定此時(shí)室外溫度T1=30℃。

根據(jù)公式PV=nRT，P1V1=nRT1，P2V1=nRT2，△P=nR△T/V1。假設(shè)柱塞原來停留的位置正好在柱塞腔中間， 當(dāng)葉片完全張開時(shí)柱塞移動(dòng)到柱塞腔頂端， 柱塞移動(dòng)過程是加速度為a 的直線運(yùn)動(dòng)，柱塞質(zhì)量m=0.5Kg。

4 有限元模型仿真分析

有限元模型見圖5。

圖5 有限元模型

4.1 熱力學(xué)仿真

過程溫度仿真：由圖6 可以分析出制動(dòng)產(chǎn)生的熱量主要由散熱通道排出。

圖6 剎車盤熱力學(xué)仿真

4.2 動(dòng)力學(xué)仿真

由圖7、8 可知， 根據(jù)X、Y、Z 三個(gè)方向變形可以分析， 剎車盤的變形和應(yīng)力主要集中在散熱通道兩側(cè)。圖9、10 為組成部件的相關(guān)有限元仿真分析。

圖7 位移合成云圖

圖8 應(yīng)力仿真分析

圖9 柱塞連桿機(jī)構(gòu)仿真分析

圖10 散熱葉片仿真分析

5 結(jié)束語(yǔ)

由理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT 得，當(dāng)氣體溫度急劇升高，體積恒定時(shí)， 柱塞腔內(nèi)壓力快速升高，從而推動(dòng)柱塞向外運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推開擺動(dòng)葉片， 使外界空氣進(jìn)入散熱孔道，提高散熱效率。

當(dāng)制動(dòng)結(jié)束后，當(dāng)剎車片溫度下降到常溫，和制動(dòng)時(shí)相反，散熱孔道自動(dòng)關(guān)閉。

制動(dòng)過程中， 外界空氣進(jìn)入散熱孔道， 提高散熱效率，并且增加風(fēng)阻，利于汽車的制動(dòng)。當(dāng)制動(dòng)結(jié)束后，當(dāng)剎車片溫度下降到常溫， 和制動(dòng)時(shí)相反， 散熱孔道自動(dòng)關(guān)閉，從而減小風(fēng)阻，減少行車時(shí)不必要的能量消耗。 當(dāng)剎車片溫度為52.5℃時(shí)，散熱氣道完全打開。 散熱通道開啟時(shí)間為4.3s，滿足現(xiàn)代車輛的剎車需求[14]。

《中國(guó)制造2025》明確描述了關(guān)于汽車安全駕駛產(chǎn)品的相關(guān)內(nèi)容，在2020 年，我們要掌握智能輔助駕駛總體的技術(shù)以及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，此外，還要擁有自主研發(fā)系統(tǒng)和智能連接車輛生產(chǎn)支持系統(tǒng)[15]。 智能剎車片利用溫度傳感器對(duì)剎車系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)， 做到剎車片溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控與實(shí)時(shí)反饋， 實(shí)現(xiàn)了與自動(dòng)控制降溫系統(tǒng)于一體的智能裝置。通過使用本系統(tǒng)，不但可以提高剎車系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)也可增強(qiáng)車輛行駛的安全性，具有一定的使用價(jià)值和應(yīng)用前景[16-17]。