蔣開(kāi)正

(四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000)

前 言

經(jīng)統(tǒng)計(jì)：超載、剎車(chē)失靈是引起重型貨車(chē)事故的主要原因之一。重型貨車(chē)剎車(chē)失靈很容易造成重特大交通事故，目前載貨汽車(chē)的運(yùn)輸安全問(wèn)題已成為我國(guó)重大交通事故關(guān)注焦點(diǎn)之一，交通監(jiān)管部門(mén)已對(duì)癥下藥來(lái)盡量避免事故發(fā)生，如嚴(yán)格治理超載、車(chē)輛技術(shù)狀況不合格不準(zhǔn)上路行駛等措施；相應(yīng)的《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也制定了諸如：重型貨車(chē)裝備緩速器或其他輔助裝置等規(guī)定來(lái)提升車(chē)輛的主動(dòng)安全系數(shù)；但由于目前重型載貨汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)還存在不完善，如：缺少剎車(chē)失靈預(yù)警、剎車(chē)失靈電控應(yīng)急制動(dòng)裝置等，因此非常有必要對(duì)重型貨車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，有必要在重型貨車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置剎車(chē)失靈預(yù)警和電控應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)各部件存在工作異常導(dǎo)致車(chē)輛即將出現(xiàn)剎車(chē)失靈故障時(shí)即時(shí)報(bào)警，提醒駕駛員即時(shí)采取應(yīng)急措施對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制；當(dāng)車(chē)輛出現(xiàn)剎車(chē)失靈故障時(shí)，電控應(yīng)急制動(dòng)裝置即時(shí)進(jìn)行應(yīng)急制動(dòng)，保證車(chē)輛能夠在極短時(shí)間和極短距離范圍內(nèi)停車(chē)，防止出現(xiàn)車(chē)輛失控，保證行車(chē)安全，減少交通事故的發(fā)生。

1 重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警和應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

重型貨車(chē)通常采用氣壓制動(dòng)，制動(dòng)器一般為鼓式制動(dòng)器。在不考慮地面附著力的情況下，造成剎車(chē)失靈的原因是制動(dòng)器的制動(dòng)力或制動(dòng)器制動(dòng)力矩過(guò)小，根據(jù)分析，導(dǎo)致制動(dòng)器制動(dòng)力矩過(guò)小的原因有：①貯氣筒內(nèi)壓縮空氣氣壓過(guò)低；②制動(dòng)踏板的自由行程過(guò)大；③制動(dòng)管路及制動(dòng)氣室氣壓不足；④制動(dòng)氣室推桿行程不足或凸輪軸或制動(dòng)蹄片的支撐銷(xiāo)生銹卡滯；⑤制動(dòng)蹄片與制動(dòng)鼓之間的間隙太大；⑥制動(dòng)器溫度過(guò)高導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降；⑦制動(dòng)蹄摩擦片嚴(yán)重磨損等。

1.1 重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警和應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警和應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是：采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，由傳感器、控制器(其核心器件為單片機(jī))、執(zhí)行器組成，如圖1所示。

圖1 重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警及應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.2 控制系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行器的確定

根據(jù)前面重型貨車(chē)剎車(chē)失靈原因可知控制系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)有：貯氣筒氣壓、制動(dòng)踏板自由行程、制動(dòng)管路氣壓、制動(dòng)氣室推桿行程、制動(dòng)器溫度、摩擦片磨損程度、制動(dòng)蹄片與制動(dòng)鼓之間間隙等。由于載貨汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)上已經(jīng)裝有起步氣壓過(guò)低報(bào)警裝置，因此本設(shè)計(jì)中不需要再進(jìn)行貯氣筒氣壓過(guò)低監(jiān)測(cè)；對(duì)于制動(dòng)器間隙不容易實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以通過(guò)制動(dòng)氣室推桿行程間接測(cè)量，因此本論文所設(shè)計(jì)的重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警和應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)需要傳感器有：制動(dòng)踏板推桿位移傳感器(由于制動(dòng)踏板位移不便于直接測(cè)量，因此采用制動(dòng)踏板推桿位移來(lái)反應(yīng)制動(dòng)踏板位移)、制動(dòng)管路氣壓傳感器、制動(dòng)氣室推桿行程傳感器、制動(dòng)器溫度傳感器、摩擦片磨損傳感器，如圖2所示。

執(zhí)行器包括有報(bào)警裝置和應(yīng)急制動(dòng)裝置，報(bào)警裝置設(shè)有：制動(dòng)踏板自由行程不合格報(bào)警燈、制動(dòng)管路漏氣報(bào)警燈、制動(dòng)氣室推桿行程不符合報(bào)警燈、制動(dòng)摩擦片磨損極限報(bào)警燈、制動(dòng)器溫度過(guò)高報(bào)警燈；應(yīng)急制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)為ECU輸出信號(hào)控制繼電器，繼電器再控制應(yīng)急制動(dòng)裝置工作，因此控制系統(tǒng)應(yīng)急制動(dòng)執(zhí)行器為繼電器，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行器確定

1.3 控制系統(tǒng)傳感器的選擇及所測(cè)量參數(shù)異常辨識(shí)

1.3.1 制動(dòng)踏板推桿位移傳感器、制動(dòng)管路氣壓傳感器、制動(dòng)氣室推桿行程傳感器選擇及測(cè)量參數(shù)異常辨識(shí)

制動(dòng)踏板推桿行程傳感器、制動(dòng)氣室推桿行程傳感器選用可變電阻線性傳感器,傳感器輸出是與位移呈線性變化的電壓信號(hào)，分別安裝于制動(dòng)踏板推桿和制動(dòng)氣室推桿處；制動(dòng)管路氣壓傳感器選用供電電壓是DC24V、輸出是0-5V壓力變送器，安裝于前、后橋制動(dòng)管路上。

1.3.1.1 制動(dòng)踏板推桿自由行程過(guò)大辨識(shí)

制動(dòng)踏板推桿自由行程對(duì)應(yīng)制動(dòng)踏板的自由行程有一個(gè)規(guī)定的范圍，設(shè)最小值為L(zhǎng)0min，最大值為L(zhǎng)0max。踩制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)踏板推桿位移傳感器檢測(cè)制動(dòng)踏板推桿位移信號(hào)，氣壓傳感器檢測(cè)制動(dòng)管路氣壓信號(hào)，當(dāng)微機(jī)監(jiān)測(cè)到制動(dòng)管路開(kāi)始充氣記下此時(shí)制動(dòng)踏板推桿移動(dòng)的行程記為L(zhǎng)0，此位移即為制動(dòng)踏板推桿實(shí)際的自由行程，微機(jī)判定此行程是否處于規(guī)定的范圍內(nèi)(即L0min≤L0≤L0max)，如果處于規(guī)定范圍內(nèi)，表明制動(dòng)踏板推桿自由行程正常；如果L0max>L0max，制動(dòng)管路還未進(jìn)行充氣，則可能是由于制動(dòng)控制閥發(fā)卡或漏氣、制動(dòng)管路堵塞、制動(dòng)管路或制動(dòng)氣室漏氣等故障引起，會(huì)導(dǎo)致剎車(chē)失靈現(xiàn)象，此時(shí)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警。

1.3.1.2 制動(dòng)管路氣壓過(guò)低(漏氣)辨識(shí)

制動(dòng)時(shí)制動(dòng)管路氣壓P與制動(dòng)踏板推桿消除自由行程L0后有效行程(記為L(zhǎng)X)按一定的關(guān)系變化，有的是呈線性的，有的不呈線性，可以通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試獲得，建立起制動(dòng)踏板推桿有效行程LX與制動(dòng)管路氣壓關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。

制動(dòng)管路漏氣識(shí)別：制動(dòng)時(shí)踏板推桿位移傳感器和氣壓傳感器分別檢測(cè)制動(dòng)踏板推桿位移L和制動(dòng)管路氣壓P，微機(jī)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判定，如果制動(dòng)踏板推桿有效行程LX=L-L0已經(jīng)很大，但制動(dòng)管路氣壓P很低或者遠(yuǎn)低于規(guī)定值，則判定為制動(dòng)管路氣壓過(guò)低(漏氣)，進(jìn)行報(bào)警或應(yīng)急制動(dòng)。

1.3.1.3 制動(dòng)氣室推桿行程異常辨識(shí)

在制動(dòng)器制動(dòng)間隙一定(正常間隙之內(nèi))和制動(dòng)管路氣壓正常情況下，制動(dòng)器工作時(shí)，制動(dòng)氣室推桿行程(設(shè)為X0)是一個(gè)定值。由于制動(dòng)器制動(dòng)間隙有一個(gè)正常變化范圍，相應(yīng)的制動(dòng)氣室推桿行程X0就在一個(gè)正常范圍內(nèi)變動(dòng)，設(shè)最小值為X0min,最大值為X0max。進(jìn)行制動(dòng)操作時(shí)，微機(jī)首先判斷制動(dòng)管路氣壓是否正常，在制動(dòng)管路氣壓正常情況下，微機(jī)再判斷制動(dòng)氣室推桿行程X0是否處于最大行程和最小行程之間，即X0minX0X0max，如果是則表明制動(dòng)氣室推桿行程正常；如果檢測(cè)出制動(dòng)氣室推桿行程X0>X0max或X0

1.3.2 制動(dòng)器溫度傳感器選擇及溫度過(guò)高危險(xiǎn)閥值確定

制動(dòng)器摩擦片表面溫度選用熱電偶溫度傳感器間接測(cè)量。根據(jù)研究可知，制動(dòng)器的溫度保持在200℃以下時(shí)，制動(dòng)器和摩擦襯片的摩擦系數(shù)保持穩(wěn)定，制動(dòng)器的制動(dòng)力穩(wěn)定，車(chē)輛能夠?qū)崿F(xiàn)安全制動(dòng)；當(dāng)制動(dòng)器溫度處于200℃～250℃范圍內(nèi)時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)力出現(xiàn)下滑，制動(dòng)距離略大于規(guī)定的安全距離；當(dāng)制動(dòng)器溫度處于250℃～300℃范圍內(nèi)時(shí)，制動(dòng)距離已超出安全制動(dòng)距離的20%～40%，已超出了國(guó)標(biāo)GB12676-2014中關(guān)于汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)要求的規(guī)定，車(chē)輛若只依靠制動(dòng)器的制動(dòng)力，不能確保車(chē)輛安全停車(chē)；當(dāng)制動(dòng)器溫度超過(guò)300℃時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)力直線下降，剎車(chē)失靈。綜合國(guó)內(nèi)的研究結(jié)論，并參考國(guó)外的研究成果，本設(shè)計(jì)中把制動(dòng)器熱衰退報(bào)警設(shè)定為250℃，失靈閾值溫度設(shè)置為300℃。即當(dāng)檢測(cè)到制動(dòng)器溫度為250℃T≤300℃時(shí)，作為制動(dòng)熱衰退溫度，進(jìn)行報(bào)警，提醒駕駛員注意減速降檔，靠邊停車(chē)，同時(shí)所設(shè)計(jì)的應(yīng)急制造系統(tǒng)進(jìn)行中等強(qiáng)度應(yīng)急制動(dòng)；當(dāng)檢測(cè)到制動(dòng)器溫度T>300℃，進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)所設(shè)計(jì)的應(yīng)急制造系統(tǒng)進(jìn)行高強(qiáng)度應(yīng)急制動(dòng)。

1.3.3 摩擦片磨損傳感器選擇及磨損極限狀態(tài)辨識(shí)

摩擦片磨損到極限狀態(tài)采用圖3所示原理進(jìn)行檢測(cè)：用一個(gè)安裝在摩擦片中的U形金屬絲(金屬絲硬度遠(yuǎn)小于制動(dòng)蹄片摩擦副的硬度)，U形金屬絲的頂端就處在制動(dòng)器摩擦塊的磨損極限位置上，制動(dòng)器摩擦片沒(méi)有磨損到極限位置時(shí)，U形金屬絲沒(méi)有磨斷，輸出端電壓U0=0V，為低電平；當(dāng)摩擦片磨損到規(guī)定限度時(shí)，U形金屬絲部分被磨斷，電路斷開(kāi)，輸出端輸出電壓U0≈5V為高電平。車(chē)輛行駛過(guò)程中，控制系統(tǒng)的微機(jī)檢測(cè)到傳感器輸出端U0≈5V，就進(jìn)行報(bào)警，如車(chē)輛正在進(jìn)行制動(dòng)就進(jìn)行報(bào)警和應(yīng)急制動(dòng)。

圖3 摩擦片磨損到極限檢測(cè)傳感器工作電路

1.4 應(yīng)急制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

應(yīng)急制動(dòng)裝置包括應(yīng)急制動(dòng)器和應(yīng)急制動(dòng)控制裝置。應(yīng)急制動(dòng)器采用氣壓盤(pán)式制動(dòng)器(與制動(dòng)氣室和制動(dòng)促動(dòng)裝置制成一體)，安裝于汽車(chē)傳動(dòng)軸上，選用浙江隆中控股集團(tuán)股份有限公司制造的氣壓盤(pán)式制動(dòng)器(制動(dòng)器、制動(dòng)氣室、氣動(dòng)促動(dòng)機(jī)構(gòu)制成一體)經(jīng)改裝而成。應(yīng)急制動(dòng)電磁閥選用上海儒煒自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的SV8A02和SV8A33電磁閥，其工作狀態(tài)如圖4所示。

圖4 SV8A02二位二通和SV8A32二位三通電磁閥工作狀態(tài)

SV8A02二位二通電磁閥和SV8A32二位三通電磁閥連接、控制電路如圖5所示：SV8A02電磁閥進(jìn)口1通過(guò)管路與儲(chǔ)氣筒連接，出口2與SV8A32電磁閥的進(jìn)口1連接，SV8A32的2口通過(guò)管道接應(yīng)急制動(dòng)氣室，SV8A32電磁閥的第3口通大氣；SV8A02電磁閥和SV8A32電磁閥分別由繼電器1、繼電器2控制，兩個(gè)繼電器由ECU輸出控制?？刂破鬏敵黾皯?yīng)急制動(dòng)電磁閥工作狀態(tài)如表1所示。

圖5 應(yīng)急制動(dòng)裝置控制電路圖

表1 控制器輸出及應(yīng)急制動(dòng)電磁閥工作情況

2 所設(shè)計(jì)的重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警和應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)仿真演示

2.1 所設(shè)計(jì)的重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警和應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

以江淮格爾發(fā)K5W重卡為參照對(duì)像，所設(shè)計(jì)的重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警和應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

圖6 重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警和應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 所設(shè)計(jì)的重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警和應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)仿真演示

2.2.1 控制器主要硬件選配

單片機(jī)選用STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的STC15W4K56S4系列單片機(jī)，是寬電壓、高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代51內(nèi)核單片機(jī)，采用STC第九代加密技術(shù)，指令兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。熱電偶轉(zhuǎn)換器選配Maxim公司推出的具有冷端補(bǔ)償?shù)膯纹琄型熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675。高精度AD轉(zhuǎn)換器選配單電源、低功耗8位COMS型A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片PCF8591，其具有4路模擬量輸入通道、一路模擬量輸出通道和1個(gè)I2C總線接口。

2.2.2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

2.3 仿真演示結(jié)果

以江淮格爾發(fā)K5W重卡為參照對(duì)像，將實(shí)車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)正確參數(shù)通過(guò)編程輸入控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)存中作為參考值，在進(jìn)入仿真演示時(shí)，在控制系統(tǒng)中輸入實(shí)車(chē)制動(dòng)過(guò)程中的正常或異常的制動(dòng)參數(shù)，觀察報(bào)警裝置報(bào)警與否或應(yīng)急制動(dòng)繼電器工作與否來(lái)判斷仿真電路是否實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，如圖8所示。仿真演示結(jié)果：①當(dāng)制動(dòng)踏板推桿自由行程在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，“制動(dòng)踏板自由行程不合格報(bào)警燈”不亮；否則報(bào)警燈亮進(jìn)行報(bào)警。②當(dāng)前、后橋制動(dòng)管路不漏氣，“制動(dòng)管路漏氣報(bào)警燈”不亮；當(dāng)任何一處存在漏氣，報(bào)警燈亮進(jìn)行報(bào)警。③當(dāng)制動(dòng)氣室推桿行程在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，“制動(dòng)氣室器推桿行程不合格報(bào)警燈”不亮；否則，報(bào)警燈亮進(jìn)行報(bào)警。④當(dāng)所有制動(dòng)摩擦片不存在磨損到極限時(shí)，“摩擦片磨損極限報(bào)警燈”不亮；當(dāng)任何一車(chē)輪制動(dòng)器摩擦片磨損到極限，報(bào)警亮進(jìn)行報(bào)警，并且應(yīng)急制動(dòng)裝置進(jìn)行應(yīng)急制動(dòng)。⑤當(dāng)所有車(chē)輪制動(dòng)器溫度<250℃,“制動(dòng)器溫度過(guò)高報(bào)警燈”不亮；當(dāng)任何一個(gè)制動(dòng)器溫度存在250℃T≤300℃，其他的都<250℃，報(bào)警燈亮進(jìn)行報(bào)警；當(dāng)所有的制動(dòng)器溫度存在：250℃300℃，報(bào)警燈亮，并進(jìn)行高強(qiáng)度應(yīng)急制動(dòng)。結(jié)論：仿真演示實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

圖8 仿真演示

3 總結(jié)

論文根據(jù)重型貨車(chē)剎車(chē)失靈的實(shí)際原因設(shè)計(jì)了重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警和應(yīng)急制動(dòng)電控系統(tǒng)，并制作了仿真電路進(jìn)行仿真演示，實(shí)現(xiàn)所需目標(biāo)，因此所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)重型貨車(chē)剎車(chē)失靈預(yù)警和應(yīng)急制動(dòng)，具有實(shí)用性，能夠?yàn)樨涇?chē)制造企業(yè)關(guān)于重型貨車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)起到借鑒作用。