朱思陶，郭東炎，趙 一

（沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，沈陽 110034）

公路物流是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐，由于重型載重卡車重量大，慣性很大，因此在減速或制動(dòng)時(shí)需要極大的制動(dòng)力，導(dǎo)致剎車系統(tǒng)高溫，影響車輛的制動(dòng)性能，甚至引起剎車失靈，對(duì)行車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅?，F(xiàn)存淋水降溫系統(tǒng)并非車輛出廠標(biāo)配，缺乏相關(guān)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也無機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)收和監(jiān)管，隱患極大。因此，盡快生產(chǎn)一種反應(yīng)迅速，質(zhì)量可靠的剎車系統(tǒng)溫控報(bào)警及降溫系統(tǒng)是非常必要的。本文就目前載重卡車的概況及測(cè)溫裝置進(jìn)行深度剖析，提出相對(duì)較為完善的降溫方案，以期降低載重卡車存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，降低經(jīng)濟(jì)損失。

1 社會(huì)背景與現(xiàn)階段研究程度

1.1 近幾年載重卡車事故情況

近年來，我國(guó)平均每年發(fā)生近20 萬起交通事故，其中大貨車交通事故死亡人數(shù)占事故死亡人數(shù)總數(shù)72.9%，而其中的一些事故，事故車輛本身的行車制動(dòng)系技術(shù)狀況良好，導(dǎo)致事故的原因是所加裝的淋水箱設(shè)計(jì)不完善，如2005 年7 月1 日昆沙（昆明-沙朗）公路與昆祿（108 國(guó)道昆明境內(nèi)路段的簡(jiǎn)稱）公路交叉路口處，一輛中型自卸重載貨車下坡時(shí)與前方車輛發(fā)生碰撞，致人受傷，車輛嚴(yán)重?fù)p毀。2006 年6 月18 日昆明市渾阿線龍頭街附近路段，一輛重載大貨車下坡時(shí)與對(duì)向車輛發(fā)生碰撞致使對(duì)方駕駛員當(dāng)場(chǎng)死亡。目前此問題的解決方法是駕駛員及車主改裝滴水型剎車降溫裝置，但是，這種裝置存在著明顯的短板：在降溫過程中會(huì)產(chǎn)生多余的水，尤其是在云貴川等高原山區(qū)，過量的水會(huì)導(dǎo)致山地路面結(jié)冰，給往來車輛造成麻煩。

1.2 現(xiàn)階段降溫裝置的研究程度

通過廣泛的市場(chǎng)調(diào)研與網(wǎng)絡(luò)文件檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段我國(guó)的載重卡車經(jīng)常采用淋水的方式對(duì)其剎車系統(tǒng)進(jìn)行降溫處理。但是，由于缺乏相關(guān)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，淋水降溫系統(tǒng)并非車輛出廠標(biāo)配，而通常為車主私下自主進(jìn)行加裝，由于沒有機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)專業(yè)性的驗(yàn)收和監(jiān)管，因此隱患極大，其主要的缺點(diǎn)大致可以總結(jié)為：自流式淋水系統(tǒng)依靠重力淋水降溫，當(dāng)水量減少后，水壓也減小，容易造成管路堵塞；且由于水流量大，但是輪轂實(shí)際用水少，易造成裝置的超負(fù)荷運(yùn)行，甚至燒毀裝置；且大多未被利用的水會(huì)造成一定路面行駛安全隱患，進(jìn)而對(duì)企業(yè)造成損失，甚至造成無法彌補(bǔ)的人員傷亡情況。

1.3 市場(chǎng)現(xiàn)狀

1.3.1 行業(yè)市場(chǎng)分析

在大型運(yùn)輸車輛行業(yè)中，一直存在著一個(gè)問題：貨車在連續(xù)下坡路段很容易造成交通事故。造成交通事故的最主要原因就是長(zhǎng)時(shí)間頻繁使用行車制動(dòng)器，使制動(dòng)器內(nèi)溫度急劇升高，導(dǎo)致熱衰退，汽車的制動(dòng)效能急速下降，同時(shí)高溫還會(huì)造成輪胎爆胎甚至自燃，影響行車安全。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，貨車上會(huì)裝配發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和緩速器等輔助制動(dòng)裝置，國(guó)內(nèi)由于成本等原因，還沒能在貨車上普及。國(guó)內(nèi)的貨車絕大部分都采用了淋水器，通過對(duì)剎車轂淋水，加快散熱，維持剎車的制動(dòng)特性。對(duì)于長(zhǎng)期跑山路的貨車司機(jī)來說，淋水降溫系統(tǒng)是下坡時(shí)必不可少的一個(gè)重要工具，由于缺乏相關(guān)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，淋水降溫系統(tǒng)并非車輛出廠標(biāo)配，因其對(duì)行車安全起到保障作用，車主對(duì)其需求量極大，但通常為車主私下加裝，同時(shí)也無機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)收和監(jiān)管，因此隱患極大。針對(duì)這一系列問題，本方案進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)最終做到了符合當(dāng)今市場(chǎng)需求的功能方案：可以根據(jù)實(shí)時(shí)感應(yīng)不同位置溫度變化，進(jìn)而改變出水量及裝置自動(dòng)啟關(guān)的剎車片及輪轂降溫裝置。

此外，經(jīng)過大量的社會(huì)調(diào)查與分析，我們發(fā)現(xiàn)這樣一種降溫裝置對(duì)于載重貨車等又是必不可少的，大量貨車司機(jī)對(duì)于此降溫問題也很關(guān)注。同時(shí)此裝置不僅可以單純應(yīng)用在載重貨車等的制冷降溫上，還可以應(yīng)用到所有需要靈敏感應(yīng)溫度、準(zhǔn)確高效進(jìn)行降溫等社會(huì)各方面的需求中。更重要的是可以節(jié)約自然資源。因此，如果將這一設(shè)計(jì)裝置投放入市場(chǎng)，加上價(jià)位親民的特點(diǎn)，會(huì)有很大的社會(huì)需求和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3.2 消費(fèi)者市場(chǎng)分析

2020 年國(guó)內(nèi)重卡銷量超70 萬輛，在液力緩速器等輔助制動(dòng)普及率的大環(huán)境下，且為保證行車安全，基本每輛中、重卡車型都會(huì)有安裝淋水器的需求，有巨大的市場(chǎng)需求。本產(chǎn)品在可以很好地滿足消費(fèi)者需要的基礎(chǔ)上，又節(jié)約了水資源，既保障了司機(jī)的行駛安全，又進(jìn)一步減少貨車司機(jī)的開銷，發(fā)展前景十分良好。

2 本方案設(shè)計(jì)過程

2.1 前期準(zhǔn)備

進(jìn)行大量的實(shí)地考察與市場(chǎng)調(diào)研，針對(duì)不同地區(qū)尤其是多山地、多長(zhǎng)途路段的地區(qū)，研究貨車在運(yùn)輸整個(gè)過程剎車轂和剎車片面對(duì)不同情況所產(chǎn)生的溫度，及對(duì)應(yīng)的降溫效率的記錄與分析；同時(shí)，廣泛搜集了人們尤其是與貨車相關(guān)的各種人群，對(duì)于擁有一款國(guó)家規(guī)格的剎車降溫相關(guān)裝置的期許與建議。研究當(dāng)今貨車剎車以及降溫系統(tǒng)的缺點(diǎn)與安全隱患，以及因此所導(dǎo)致的事故分析與損失統(tǒng)計(jì)。實(shí)地研究后，又在互聯(lián)網(wǎng)上查閱對(duì)比了各原理相似原件優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不斷地增多創(chuàng)新及優(yōu)勢(shì)點(diǎn)，為完成最優(yōu)元件的組裝方案做出充分準(zhǔn)備。全力在填補(bǔ)當(dāng)今貨車淋水系統(tǒng)的市場(chǎng)空缺基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)此裝置原理的靈活廣泛的社會(huì)應(yīng)用。

2.2 改善方案的確立

2.2.1 方案模塊的確定

通過不斷比對(duì)，最終確立降溫裝置方案由4 部分組成。對(duì)其這4 部分模塊進(jìn)行具體分析如下。

（1）溫度檢測(cè)與信號(hào)處理模塊部分：由于光電式傳感器的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)微秒量級(jí)，另外相比于熱電偶其可實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，提高了整個(gè)裝置的安全性與便利性，所以采用光電傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，并與模數(shù)轉(zhuǎn)化器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化與信號(hào)傳遞。

（2）數(shù)?？刂妻D(zhuǎn)化模塊部分：關(guān)于根據(jù)不同溫度的流量的確定，根據(jù)熱量公式C1M1（t1-t0）=C2M2（t2-t3），其中公式左側(cè)是與剎車盤、輪轂相關(guān)數(shù)據(jù)（比熱、質(zhì)量和溫度變化量），右側(cè)是水的相關(guān)同類數(shù)據(jù)，針對(duì)本裝置，代入t2-t3為水變?yōu)樗魵獾臏囟茸兓?，進(jìn)而根據(jù)不同剎車盤、輪轂溫度變化，精準(zhǔn)算出所需噴水量。如圖1 所示。

圖1 技術(shù)圖表

（3）邏輯處理模塊部分：進(jìn)水管與安裝有開關(guān)的高壓水管連接，進(jìn)水管與淋水管之間為一體化成型結(jié)構(gòu)，支架的一端與進(jìn)水管和淋水管連接，另一端與汽車輪轂連接。支架使淋水管的淋水孔對(duì)準(zhǔn)汽車輪轂，當(dāng)噴液裝置啟動(dòng)后，水箱內(nèi)的水便會(huì)噴出，與輪轂直接接觸對(duì)其降溫。

（4）驅(qū)動(dòng)噴淋模塊部分：相同類型貨車在不同氣壓的地區(qū)，剎車片安全溫度范圍也不盡相同。尤其在空氣稀薄的高原地區(qū)，剎車片工作溫度臨界點(diǎn)與正常氣壓下有明顯不同，所以單片機(jī)內(nèi)部會(huì)提前輸入多個(gè)預(yù)定值來應(yīng)變多種情況。

2.2.2 功能設(shè)計(jì)與模塊劃分

（1）溫度檢測(cè)與信號(hào)處理模塊：在溫度檢測(cè)與信號(hào)處理模塊，本裝置依靠光電傳感器感應(yīng)剎車片的溫度并在系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)將檢測(cè)到的溫度信號(hào)傳達(dá)至控制轉(zhuǎn)化部分。

（2）數(shù)模控制轉(zhuǎn)化模塊：在數(shù)?？刂妻D(zhuǎn)化部分，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快、功耗低、精度高的特點(diǎn)，將信號(hào)采樣，量化，編碼，再與單片機(jī)耦合。

（3）邏輯處理模塊：邏輯控制模塊中的單片機(jī)將該信號(hào)與設(shè)定的溫度數(shù)據(jù)比較，根據(jù)特定程序?qū)?shù)據(jù)再次與數(shù)?？刂撇糠诌B接，進(jìn)行轉(zhuǎn)化傳遞。

（4）驅(qū)動(dòng)噴淋裝置模塊：驅(qū)動(dòng)噴淋裝置在接收分析后的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的不同自動(dòng)調(diào)整噴水量。

2.2.3 方案設(shè)備的選取

通過對(duì)調(diào)查階段所得到的調(diào)查數(shù)據(jù)報(bào)告，以及社會(huì)調(diào)研總結(jié)進(jìn)行深入分析，有針對(duì)性地提出產(chǎn)品的基本功能及技術(shù)指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上完成裝置的基本設(shè)計(jì)方案。初步選擇的主要裝置有：材料元器件電源（12 V 1 A 12 W）、淋水器（12 V 對(duì)接 單頭寶塔 開關(guān)）、氣壓閥（附有APC 接頭）、單片機(jī)（升級(jí)版+51 仿真器+TFT 彩屏+藍(lán)牙模塊+WiFi 模塊+步進(jìn)電機(jī)+舵機(jī)+八根杜邦線）、水箱（10 L）光電式傳感器、雙極型晶體管、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和導(dǎo)線（銅芯截面為0.5~1 mm）。

3 本方案設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)

3.1 方案裝置的功能特點(diǎn)

（1）能夠?qū)x車系統(tǒng)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并自動(dòng)啟動(dòng)控制冷卻水的開關(guān)。當(dāng)溫度低于超過預(yù)設(shè)警戒線時(shí)，裝置只監(jiān)測(cè)不噴水，避免冷卻水浪費(fèi)并延長(zhǎng)設(shè)備壽命;當(dāng)溫度高于警戒線時(shí)，自動(dòng)噴水降溫。很大程度降低貨車在山地、高原等崎嶇、長(zhǎng)途路段，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能不完善導(dǎo)致的交通事故、產(chǎn)業(yè)損失甚至人員傷亡等情況。

（2）裝置響應(yīng)時(shí)間短。由于設(shè)備采用光電檢測(cè)技術(shù)及單片機(jī)控制，因此反應(yīng)迅速，響應(yīng)時(shí)間極短，可達(dá)微秒量級(jí)。這一特點(diǎn)，有效減少了水資源的不必要浪費(fèi)。更重要的是，其很大程度減緩了剎車片等部件的損耗程度。

（3）可實(shí)現(xiàn)非接觸。不會(huì)對(duì)剎車片造成損傷，并且對(duì)于保護(hù)光電傳感器本身也是非常有利的，能夠有效延長(zhǎng)其使用壽命，進(jìn)而減少整個(gè)裝置更新的頻率，節(jié)省了成本。

（4）便于調(diào)整。光電傳感器便于裝置的安裝和測(cè)量位置的選擇，提高裝置靈活性及靈敏高效性。同時(shí)，由于其各部分功能的靈活性與寬泛性，通過簡(jiǎn)單的拆解與組合，可以調(diào)整為生活中需要的功能小設(shè)備。

3.2 方案價(jià)值性分析

本方案的設(shè)計(jì)，能夠通過感溫、測(cè)溫裝置，以及一系列數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換裝置與最終制動(dòng)噴液系統(tǒng)的配合，從而來進(jìn)行對(duì)載重卡車剎車系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與降溫。相比于目前淋水降溫裝置，本設(shè)備可以對(duì)剎車片等進(jìn)行準(zhǔn)確靈敏的溫度感應(yīng)、測(cè)量，可以達(dá)到水資源最大化的利用，節(jié)約自然資源，延長(zhǎng)剎車系統(tǒng)的使用壽命，降低貨車在山地、高原等長(zhǎng)途、崎嶇路段的行車安全與隱患，較大程度減少剎車系統(tǒng)的熱負(fù)荷嚴(yán)重，以及由于水落地導(dǎo)致的路面濕滑、結(jié)冰等引起的交通事故與人財(cái)損失。

3.3 方案創(chuàng)新點(diǎn)與延展性

3.3.1 方案創(chuàng)新點(diǎn)

本方案設(shè)計(jì)的整體裝置，突破了現(xiàn)有傳統(tǒng)的淋水器的弊端，能夠?qū)x車系統(tǒng)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且自動(dòng)地啟動(dòng)控制冷卻水的開關(guān)。此外，由于設(shè)備采用光電檢測(cè)技術(shù)及單片機(jī)控制，因此其反應(yīng)迅速，且響應(yīng)時(shí)間非常短，可以達(dá)到微秒量級(jí)別。并且，對(duì)于保護(hù)光電傳感器本身也是非常有利的，能夠有效延長(zhǎng)其使用壽命，進(jìn)而減少整個(gè)裝置更新的頻率，節(jié)省了成本。光電傳感器的安裝與測(cè)量位置的選擇，提高了裝置整體靈活性與靈敏高效性?？梢哉f，此方案設(shè)計(jì)在某一程度上達(dá)到了一舉多得的效果。

3.3.2 方案延展性

（1）本設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)淋水器資源浪費(fèi)與潛在風(fēng)險(xiǎn)的問題。該裝置通過溫度實(shí)時(shí)測(cè)控進(jìn)而自動(dòng)控制水流量，針對(duì)不同溫度實(shí)現(xiàn)不同水量輸出，在達(dá)到傳統(tǒng)淋水器作用效果同時(shí)，減少資源浪費(fèi)，消除了過量水所造成的安全隱患。

（2）提高了運(yùn)輸車的經(jīng)濟(jì)效率。傳統(tǒng)的降溫淋水器由于在冬天無法使用，相關(guān)政策要求在冬天拆除淋水器；同時(shí)，由于傳統(tǒng)淋水器無法控制流量，導(dǎo)致了司機(jī)需要更頻繁地在服務(wù)區(qū)中添加水量，從而降低了運(yùn)輸效率。而該裝置的使用既可以避免頻繁拆除安裝，又可以控制流量，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效率。

（3）在生活生產(chǎn)方面亦可被得到應(yīng)用。該裝置將溫度測(cè)控與流量監(jiān)控巧妙結(jié)合，進(jìn)而促使該裝置不再局限于交通運(yùn)輸行業(yè)，亦可應(yīng)用于生活與生產(chǎn)的各個(gè)角落。例如，家用防火器、生產(chǎn)線機(jī)床降溫器等。

（4）填補(bǔ)相關(guān)技術(shù)空缺，或可得到國(guó)家大力扶持。近年來，大型運(yùn)輸車剎車相關(guān)問題造成不小社會(huì)困擾，此裝置的出現(xiàn)可一定程度解決這個(gè)問題，減小經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，國(guó)家可能會(huì)相應(yīng)地投入研發(fā)資金支持該項(xiàng)目的進(jìn)行。因此，該項(xiàng)目擁有十分廣闊的前景。

4 方案現(xiàn)實(shí)意義與展望

本方案設(shè)計(jì)便突破了現(xiàn)今相關(guān)淋水器制冷系統(tǒng)無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確感控溫度變化，以及無法設(shè)置針對(duì)性噴水量的弊端，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)感控溫度，分析數(shù)據(jù)與信號(hào)，及時(shí)輸送溫度變化，高效實(shí)現(xiàn)降溫的功能，很大程度上減少了各種因素導(dǎo)致的行駛安全與系統(tǒng)損耗問題。更重要的是，其功能的實(shí)現(xiàn)也減少了不必要的水資源浪費(fèi)。而且，本方案設(shè)計(jì)的裝置，在社會(huì)生活中的應(yīng)用范圍十分廣泛，可根據(jù)具體需求實(shí)現(xiàn)裝置的拆減，基本適用于大部分需要自動(dòng)感控、輸送溫度變化，以及完成自動(dòng)啟關(guān)降溫裝置的應(yīng)用，比如各種家電、房屋的溫度監(jiān)控與降溫等，降低危險(xiǎn)同時(shí)，減少資源浪費(fèi)以及其他產(chǎn)品污染物的排放；且價(jià)格親民，應(yīng)用價(jià)值很大。

因此，希望通過在目前載重卡車剎車降溫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成的本方案設(shè)計(jì)，能夠?qū)鉀Q剎車高溫所引起的安全、經(jīng)濟(jì)社會(huì)問題，對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)安全高效的溫度警示降溫功能有所幫助，并帶來其他產(chǎn)業(yè)的興起。

5 方案設(shè)計(jì)不足之處

本方案在設(shè)計(jì)的過程之中，其實(shí)還存在著很多不足之處，比如調(diào)查范圍的局限性，目前調(diào)查的地區(qū)范圍主要是集中在國(guó)內(nèi)北方地區(qū)，而沒有延拓到全國(guó)，甚至于國(guó)外，因此還存在著一定的調(diào)查結(jié)果不準(zhǔn)確性。此外，對(duì)器材的選擇還沒有做到最優(yōu)化的組合，由于研究者本人的認(rèn)知與能力局限，導(dǎo)致對(duì)元器件選擇的局限性，這一方面也有待提高。所以，本研究會(huì)在日后不斷地深入、不斷地延伸其研究范圍，并不斷地進(jìn)行方案優(yōu)化，以期本設(shè)計(jì)方案能夠切實(shí)符合當(dāng)今市場(chǎng)的需要和標(biāo)準(zhǔn)，為當(dāng)今載重卡車產(chǎn)業(yè)，以及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供真正具有價(jià)值和意義的思想和方案。