摘 要

随着载货汽车等商用车的数量迅速增加，由于商用车质量大，多行驶在长下坡这类对制动器要求较高的路段，商用车制动器制动性能的重要性日益凸显，本文针对商用车在长下坡上持续制动的工况，研究设计了一套鼓式制动器的制动效能监控系统。该系统主要是监控鼓式制动器的温度，通过分析制动过程的能量转化，推导出鼓式制动器摩擦衬片温度与制动距离的关系式，将温度监控系统补充为制动效能的监控系统。其中，为了确定温度传感器的安装位置，对鼓式制动器进行了简单设计，并对摩擦衬片的单位压力和径向变形规律进行了探索，进一步推演出摩擦衬片的温度分布，找出合适的温度传感器安装位置。本文在设计过程中忽略部分微小因素，研究出的系统具有一定的可行性。

关键词：商用车；鼓式制动器；温度监控；制动效能

Abstract

With the rapid increase in the number of commercial vehicles such as trucks, the importance of brake performance of commercial vehicle brakes is becoming more and more prominent due to the high quality of commercial vehicles and the long-term demand for brakes. The brake performance monitoring system of the drum brake was designed and designed for the continuous braking of the car on the long downhill. The system mainly monitors the temperature of the drum brake. By analyzing the energy conversion of the braking process, the relationship between the friction lining temperature of the drum brake and the braking distance is derived, and the temperature monitoring system is supplemented as the monitoring system of the braking performance. Among them, in order to determine the installation position of the temperature sensor, the drum brake is simply designed, and the unit pressure and radial deformation law of the friction lining are explored, and the temperature distribution of the friction lining is further derived to find a suitable one. Temperature sensor installation location. In this paper, some minor factors are neglected in the design process, and the researched system has certain feasibility.

Key Words：Commercial vehicle; Drum brake; Temperature monitoring; Braking efficiency

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 研究的主要内容及目标 2

第二章 制动过程能量守恒分析 4

2.1 鼓式制动器生热与散热研究 4

2.1.1 制动器生热与散热过程 4

2.1.2 制动器散热量计算 5

2.1.3 制动器摩擦热的确定 6

2.2 制动鼓温度与制动距离 7

2.2.1 制动过程行驶阻力能量损失 7

2.2.2 制动鼓温度与制动距离的关系 11

2.3 本章小结 13

第三章 鼓式制动器设计 14

3.1 鼓式制动器参数设计 14

3.1.1制动鼓内径 15

3.1.2 摩擦衬片包角β和宽度b 15

3.1.3 摩擦衬片起始角β₀ 17

3.1.4 制动器中心到张开力P作用线的距离a 18

3.1.5 制动蹄支撑点位置坐标k和c 18

3.1.6 摩擦衬片的摩擦系数f 18

3.2 制动器主要零件的结构设计 18

3.2.1 制动鼓 18

3.2.2 制动蹄 19

3.2.3 制动底板 20

3.2.4 制动蹄的支承 20

3.2.5 制动轮缸及轮缸直径 20

3.2.6 摩擦材料 22

3.2.7 制动器间隙 22

3.3 摩擦衬片的径向变形规律和压力分布 22

3.4 选取温度测量点 23

3.5 本章小结 25

第四章 鼓式制动器制动效能监控系统 26

4.1 系统概述 26

4.2 制动失效温度阈值的确定 27

4.3 系统结构设计 28

4.3.1 温度测量模块 28

4.3.2 无线数据收发模块 29

4.3.3 温度接收显示预警模块 29

4.3.4 温度采集发送模块电路 30

4.3.5 温度接收显示预警模块电路 30

4.4 本章小结 30

第五章 结论 32

5.1 全文总结 32

5.2 论文的不足与展望 32

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 目的及意义

我国拥有广袤的国土，在这广阔的大地上几乎什么地形你都能找到，但大多数还是山地、高原和丘陵等地形，在我国中西部大量存在由于这些地形造成的长大下坡路段，由于地处中西部，往来的也多为载货汽车，这类商用车在当地路段发生事故的概率很高。有数据显示，约有4%以上的交通事故是因为制动问题所引发，其中由制动器失效导致的事故的死亡人数占所有交通事故的死亡总人数约7%，受伤人数占事故受伤总人数约4%，直接财产损失占总数的约4%^[1]。追根揭底，探本朔源，我们发现事故多发车辆多为重型货车等商用车，而这些车辆发生事故的原因多为热衰退引起的制动失效，因为机械故障导致的制动失效只是很小一部分。针对这一现象，本文主旨在针对一些商用大型车辆的鼓式制动器，设计一种商用车制动器制动效能监控系统，通过该系统实时的监测制动器制动效能，并及时将制动鼓温度信息传递给驾驶员，将温度控制在安全行驶温度以下，保证当制动器出现危险工况时发出预警信息，让驾驶员及时采取措施，以减少热衰退现象的出现，从而降低交通事故发生率，提高商用货车的行驶安全性^[2]。

1.2国内外研究现状

制动器在汽车制动过程中扮演了关键角色，制动器的国家标准规定，摩擦衬片应能保证在温度为100—350℃范围内正常工作。但很多质量较差的摩擦衬片在温度上升到250℃时，其摩擦系数将会骤降，发生热衰退从而导致制动失效。因为制动鼓温度过高导致的交通事故数量越来越多，制动鼓的制动效能或温度无法实时反应给驾驶员的问题越来越凸显，近年来国内外关于制动器的制动效能、温度等监控系统的研究逐渐开始并深入探索。

1.2.1国内研究现状

国内对制动效能的监控系统的研究多种多样，有罗文发、郭建伟等人基于ABS的轮胎气压检测的功能拓展出汽车制动效能监控功能^[3]；也有金剑基于CAN总线研发出一套布线简单、运行可靠的制动系统温度监控系统^[4]。国内研究一般都是针对具体问题来展开的，针对不同的问题，研究成果也略有差别。比如周阳、刘云飞两人针对的是汽车制动性能检测周期长、自主检测能力差的问题研发出一套基于加速度传感器的机动车制动性能检测系统^[5]；针对山区公路交通的安全问题，史培龙、刘瑞等人研发了一种适用于重型货车的坡道运行安全监控系统^[6]；针对行车中制动鼓温度过高易导致破裂等的安全问题，李富明、吴继宗等人开发出一套基于单片机和热电偶的大型重载货车制动鼓温度实时监测和报警系统^[7]；针对半挂车制动器温度过高带来的制动热衰退性, 摩擦材料失效和爆胎等风险王丰元、钟健等人给出了一种基于STM32单片机的驾驶员辅助多路制动器温度无线监测系统^[8]；杨鹏飞、付锐等人针对鼓式制动器温度测量中存在的难点，设计了一种基于无线数据传输的制动鼓温度测量系统^[9]。

由于研究的深入，也有不少成果专利产生，比如郭长青公开了一种能实时监控汽车刹车系统温度并能采取喷水的手段主动降温的实用新型^[10]，秦梓华、斯显冲也研发了一种基于红外测温技术实时监测制动鼓温度的装置并申请了专利^[11]。

1.2.2 国外研究现状

国外主要研究方向集中在理论方面，比如Day通过有限元分析的方法对制动器二维建模，研究摩擦系数对制动性能的影响^[12]；A.F. Emery也是利用有限元分析的方法来预测和测量制动系统中制动液和制动盘的温度、压力以及其它量^[13]；Adrian Yoneda, á lvaro Costa 等人则是通过计算的手段模拟鼓式制动器上的冷却效果^[14]。