黃偉1，胡國(guó)兵2，龍禹1，石維1

　　（1.銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.宜春學(xué)院 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，江西 宜春 336000）

       摘要：設(shè)計(jì)了一種剎車片厚度探測(cè)方法。闡述了厚度探測(cè)的基本原理、探測(cè)裝置的組成及制作、剎車片探測(cè)尺寸范圍的劃分及電阻阻值的確定。該方法可用于對(duì)剎車片厚度范圍的探測(cè)，與汽車控制系統(tǒng)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車片厚度信息的反饋、預(yù)警或在剎車片厚度低于極限使用厚度的情況下對(duì)車輛的控制。采用該方法設(shè)計(jì)的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)小型化，嵌入式結(jié)構(gòu)，便于安裝，可增強(qiáng)汽車主動(dòng)安全性。該方法適合在各類制動(dòng)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：探測(cè)方法；厚度；剎車片；汽車安全

0引言

　　據(jù)公安部交管局統(tǒng)計(jì)，截至2014年底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.64億輛，其中汽車1.54億輛［1］；截至2015年底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.79億輛，其中汽車1.72億輛［2］。機(jī)動(dòng)車的普及，給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)便捷的同時(shí)，也帶來(lái)了安全隱患。為減少交通事故傷亡率、提高汽車乘員保護(hù)能力，汽車安全技術(shù)逐漸成為中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)最重要的研究方向之一［3］。

　　在各類公路交通事故中,因汽車剎車片過(guò)度磨損或高溫磨損等引起的汽車制動(dòng)效果減弱或失效的現(xiàn)象占相當(dāng)大比例,導(dǎo)致的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失十分嚴(yán)重。剎車片是各種裝配有鼓剎或碟剎的交通工具制動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分。由于摩擦作用，摩擦塊會(huì)被逐漸磨損，當(dāng)磨損到極限厚度時(shí)，必須更換，否則將降低制動(dòng)的效果，甚至造成安全事故［4］。為實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦片厚度的在線動(dòng)態(tài)測(cè)量，以便于構(gòu)建剎車片性能監(jiān)測(cè)和隱患預(yù)警系統(tǒng)，羅慶生等人設(shè)計(jì)了一種可變電阻厚度傳感器［5］，但由于電阻變化量較小且受溫度影響，難以獲得精確的厚度信息，因此該技術(shù)未能得到推廣應(yīng)用。黃偉等人發(fā)明了一種可探測(cè)剎車片厚度的裝置［6］，該裝置將電阻絲組成并聯(lián)電路用于探測(cè)剎車片厚度，由于電阻絲直接與剎車片摩擦而產(chǎn)生溫度變化，因此電阻變化較大。對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的方法是用導(dǎo)線和電阻取代電阻絲，將電阻置于遠(yuǎn)離剎車片的位置［7］，從而使電阻變化幅度減小，可以對(duì)剎車片厚度范圍進(jìn)行較為精確的判斷，并可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)信號(hào)的變化量，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。上述方法中，均通過(guò)一定的方式將剎車片厚度信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)而可通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制［8］，適應(yīng)于汽車向電子化、智能化發(fā)展的需要［9］。本文對(duì)通過(guò)并聯(lián)電路方式探測(cè)剎車片厚度范圍裝置的探測(cè)方法作進(jìn)一步討論。

1探測(cè)原理

　　對(duì)于多個(gè)電阻構(gòu)成的并聯(lián)電路，假設(shè)各電阻的電阻值分別為R1、R2，…，Rn，則由相關(guān)的物理學(xué)知識(shí)可知，其總的電阻值R總與各電阻值之間存在以下關(guān)系：

　　電路中，如果部分與電阻連接的導(dǎo)線斷開(kāi)，則總電阻將會(huì)增加；如果所有導(dǎo)線都斷開(kāi)，則總電阻將為∞。

　　將并聯(lián)電阻電路中與各個(gè)電阻相連接的導(dǎo)線與剎車片保持相對(duì)固定，并在剎車片一定厚度范圍內(nèi)與剎車片一起受到摩擦。當(dāng)導(dǎo)線因摩擦而斷開(kāi)時(shí)，將引起總電路電阻的變化，由此將剎車片的厚度與電路的電阻聯(lián)系起來(lái)。將導(dǎo)線與剎車片指定的厚度相對(duì)應(yīng)，便可通過(guò)電阻值反映剎車片的厚度范圍，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車片厚度的探測(cè)。

2探測(cè)裝置的制作

　　根據(jù)上述基本原理，設(shè)計(jì)制作了一種剎車片厚度范圍探測(cè)裝置，該裝置由支撐體、導(dǎo)線和電阻等組成。將部分導(dǎo)線按設(shè)計(jì)的并聯(lián)連接方式固定在支撐體上，再與相應(yīng)的電阻連接，然后將電阻連接起來(lái)構(gòu)成電路，示意圖如圖1所示。將支撐體與剎車片保持相對(duì)固定，并在一定的剎車片厚度范圍內(nèi)與剎車1.支撐體，2.導(dǎo)線，3.電阻片一起受到摩擦。那么在某一尺寸時(shí)就會(huì)有相應(yīng)的導(dǎo)線因摩擦而斷開(kāi)，由此引起電路的總電阻發(fā)生變化，且總電阻的每一次明顯變化都與剎車片相應(yīng)的厚度尺寸相對(duì)應(yīng)。將該電路與外電路或測(cè)試裝置連接，再將測(cè)試信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或汽車控制系統(tǒng)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車片厚度情況的監(jiān)測(cè)甚至是對(duì)汽車的控制。在此裝置中，支撐體的作用是使部分導(dǎo)線與剎車片保持相對(duì)固定并在剎車片一定厚度范圍內(nèi)與剎車片一起受到摩擦，因此，可以采用塑料、陶瓷等作為支撐體，甚至可以以剎車片本身作為支撐體。

3剎車片厚度尺寸范圍的劃分

　　一般情況下，新的剎車片厚度為14 mm左右，而更換的極限厚度是7 mm左右，其中包括大約3 mm的鐵襯板厚度和近4 mm的摩擦材料厚度。達(dá)到了使用極限的剎車片即使尚能使用一段時(shí)間，也會(huì)降低制動(dòng)效果，影響行車安全，因此必須更換。基于此，可將剎車片厚度尺寸劃分為3個(gè)區(qū)域：正常使用范圍、極限預(yù)警范圍和禁止使用范圍，并將相應(yīng)的信息通過(guò)汽車控制系統(tǒng)反映出來(lái)。正常使用情況下，前輪剎車片的使用壽命一般在45 000 km左右，后輪剎車片的使用壽命一般在85 000 km左右［10］。以設(shè)置三個(gè)探測(cè)點(diǎn)為例，假如在達(dá)到剎車片極限厚度前500 km左右預(yù)警，則可將第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)設(shè)置在剎車片厚度為7.5~8.0 mm之間，將第二個(gè)探測(cè)點(diǎn)設(shè)置在7.0 mm左右，將第三個(gè)探測(cè)點(diǎn)設(shè)置在6.5~7.0 mm之間。當(dāng)剎車片厚度大于第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的厚度時(shí)，電路處于完好狀態(tài)，總電阻基本保持不變，反映了剎車片在正常使用范圍；當(dāng)剎車片厚度介于第一和第二個(gè)探測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度之間時(shí)，處于第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的導(dǎo)線因摩擦而斷開(kāi)，引起電路總電阻增加，反映了剎車片將達(dá)到極限使用厚度，可通過(guò)汽車控制系統(tǒng)提醒使用者更換剎車片；當(dāng)剎車片厚度介于第二和第三個(gè)探測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度之間時(shí)，處于第二個(gè)探測(cè)點(diǎn)的導(dǎo)線也因摩擦而斷開(kāi)，引起電路總電阻再次增加，反映了剎車片達(dá)到極限使用厚度，可通過(guò)汽車控制系統(tǒng)提醒使用者更換剎車片；當(dāng)剎車片厚度低于第三個(gè)探測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度之間時(shí)，處于第三個(gè)探測(cè)點(diǎn)的導(dǎo)線因摩擦而斷開(kāi)，電路總電阻為無(wú)窮大，反映了剎車片已在極限使用厚度以下，可通過(guò)汽車控制系統(tǒng)禁止車輛行駛，從而保證行車安全。當(dāng)然，根據(jù)使用需求，可以設(shè)置更多的探測(cè)點(diǎn)或?qū)?yīng)于其他厚度尺寸。由于剎車時(shí)斷開(kāi)的導(dǎo)線可通過(guò)金屬剎車盤而連通，因此，僅在剎車片不與剎車盤接觸時(shí)測(cè)量的電路信號(hào)才能反映剎車片厚度信息。

4電阻阻值的確定

　　為方便計(jì)算，在確定總電阻變化范圍及間隔后，應(yīng)根據(jù)與電阻相連接的導(dǎo)線被摩擦的順序，先確定最后一個(gè)電阻的阻值，然后利用公式（1）計(jì)算出倒數(shù)第二個(gè)電阻的阻值，按此方式直至所有的電阻阻值被確定。例如圖2所示電阻連接中，依次斷開(kāi)順序?yàn)镵1、K2、K3，若要求初始總電阻為50 Ω，K1斷開(kāi)后電阻為100 Ω，K2斷開(kāi)后電阻為200 Ω，則應(yīng)先確定出R3的阻值為200 Ω，然后由R2、R3組成并聯(lián)電阻計(jì)算出R2的阻值為200 Ω，以同樣的方式再計(jì)算出R1的阻值為100 Ω。由于電阻阻值存在偏差以及受溫度等因素影響會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，因此電路阻值變化間隔不宜過(guò)小，以免因造成錯(cuò)誤判斷，同時(shí)，在一個(gè)電路中所并聯(lián)的電阻也不宜過(guò)多。

5結(jié)論

　　本方法探測(cè)原理簡(jiǎn)單，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)小型化、嵌入式結(jié)構(gòu)，便于安裝，用于剎車片厚度探測(cè)可增強(qiáng)汽車自主安全性，適合于各類機(jī)動(dòng)車輛及其他制動(dòng)系統(tǒng)推廣使用。

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