一種溫度可控的強制風冷型鼓式制動裝置

楚社民

（武警士官學校，浙江 杭州311400）

汽車制動性能的好壞直接影響到車輛行駛的安全性，當汽車行駛在各種復雜的道路上尤其是在高山地形時，路程遠、時間長、負載重，如車輛行駛在川藏線、秦嶺、新疆的達坂公路等，駕駛員需要連續多次使用制動減速或制動，容易造成制動轂發熱，制動蹄片燒蝕、冒煙等，制動轂過熱，會將熱量傳給輪轂軸承，造成輪轂軸承的潤滑脂變質，破壞潤滑，造成軸承的早期損壞。此類問題如不及時解決，直接影響人的生命安全。為防止制動器溫度過高，一些車輛在制動轂附近加裝了水箱淋水裝置，過熱時向制動轂噴水以降低溫度，能夠起到降溫的作用。但由于制動轂屬于金屬材料用水降溫后容易出現變形、裂縫等現象，制動蹄片為石棉壓制而成，受熱用水冷卻后容易老化、硬化、打滑，直接影響到車輛的安全性能。而且加裝淋水器，體積大，車重增加，慣性增大，需要更大的制動力。行駛一段時間后還需要補充冷卻水，且散熱后的水流到路面過程中冬季氣溫在0℃以下，會被車輪打起形成水霧，車隊行駛過程中會影響后車的駕駛視野，嚴重時會使路面結冰，直接影響后面車輛的正常行駛。為此，設計柴油運兵車溫度可控風冷制動裝置，用隨車24V電瓶帶動四個電機強力風扇向每個制動轂引入三根小管吹風，以降低制動轂和制動蹄片的溫度，不僅不會對制動轂和制動蹄片造成任何損壞，還可安裝溫度傳感器，在溫度超過150℃時，風機開始工作，向制動轂和制動蹄片間吹風降溫，當溫度降至規定溫度時風機停轉，實現自動控制。此裝置持續工作時間長，能夠達到冷卻、安全、高效的目的，保證車輛良好的制動效能。其特點是：風冷不受天氣限制，不用水源，可以無限制使用；從里往外散熱，剎車蹄片摩擦下來的粉末能往外排出，提高剎車制動系數；對每一個制動轂進行獨立風冷，避免浪費電源或磨損。

1 強制風冷制動轂結構和工作原理

為實現溫度可控，輪轂內安裝溫度傳感器，在駕駛室儀表盤上安裝顯示器。為達到良好的制動性能，在制動轂內側蓋板上沿圓周約120°處分別鉆3個直徑為10mm的孔。并從風機處分別引三根引風管，形狀前大后小呈喇叭狀結構，汽車制動時，當制動轂溫度超過150℃，電機起動，風機開始工作，向制動轂和制動蹄片間吹風降溫，當溫度降至規定溫度（60℃）以下（或用手摸制動轂其熱度應是手能承受的溫度），風機停轉，實現自動控制。柴油運兵車溫度可控風冷制動裝置主要由控制單元、工作單元、電源連接單元、液晶顯示單元四部分構成。

1.1 控制單元

控制單元為單片機，型號為STM8S105，載波通信PWM波，單片機控制STM32F103，主要管理和監控電流分多段輸出，以控制電機轉速。見圖1、圖2。

圖1 控制單元設計圖

圖2 控制單元結構圖

1.2 工作單元

工作單元為風冷制冷裝置，利用車載電瓶24V電壓，進行工作。電機功率60~160W，風量20~34m/h，風壓6~10kPa，負載電流2.8~6.8A，主要是對汽車輪轂進行風冷，將輪轂的溫度控制在設定范圍之內。

工作單元包括固定在輪轂1內側車輪軸2上的輪轂溫度傳感器3；輪轂1的內側還設有風機4，風機4上設有風機轉速控制電路14，風機4固定在汽車懸梁5上，風機4上連接有管口朝向輪轂1的排風管6；風機轉速控制電路14和輪轂溫度傳感器3均通過導線7連接有控制單元8，控制單元8連接有汽車電源9，汽車電源9上設有充電檢測傳感器10，充電檢測傳感器10與控制單元8相連，控制單元8連接有固定在駕駛室內的人機界面11，見圖3。

圖3 工作單元示意圖

在輪轂旁設一個風機來給輪轂降溫，風機的電力由汽車電源提供，輪轂內側設有輪轂溫度傳感器，能實時監測輪轂溫度，輪轂溫度傳感器連接控制單元，當輪轂溫度傳感器監測到輪轂溫度達到預定啟動溫度時，控制單元啟動風機，風機對輪轂側面吹風，對輪轂進行冷卻，當輪轂溫度傳感器檢測到的輪轂溫度繼續升高到警戒值時，控制單元就會提高風機的轉速；當輪轂溫度降低到預定啟動溫度以下時，控制單元則關閉風機停止工作；所述控制單元與車內的人機界面連接，在駕駛室能夠實時觀察輪轂的溫度和風機的轉速。

1.3 電源連接單元

電源連接單元為直接連接電瓶正、負極進行取電，額定輸出電壓24V。主要由自動斷電保護器、插座、電纜等組成。要求接通電源的線徑為5mm2圓體銅芯線，風機電線直徑2.5mm2圓體銅芯線，確保用電安全。

1.4 液晶顯示單元

液晶顯示器為觸摸屏式，由STM32F103單片機控制；屏上有設定開關可設定溫度參數；具備可視功能，要求可觀察溫度、風機的轉速數值及充電狀態。此溫度可控風冷制動裝置可以將制動輪轂溫度實時顯示在駕駛室的液晶屏上，當溫度超過150℃時，風機開始作業，降低輪轂的溫度，當溫度降至規定溫度時風機停轉，實現自動控制，在柴油運兵車上使用，也可在工程機械維修車、軍械維修車、野戰炊事車上廣泛應用。已獲得專利二項：車用輪轂風冷系統：專利號201720558933.1；車用輪轂風冷系統的電路結構：專利號201720559005.7。

該強制風冷型制動轂的結構見圖4。

圖4 強制風冷型制動轂結構示意圖

2 制動轂溫升試驗對比

為檢驗溫度可控強制風冷制動轂散熱性能，試驗時選用柴油EQ5118G運輸汽車，總質量11000kg（空車重量6000kg，載重5000kg）掛5擋以20~25km/h的速度，在坡度約為30°的坡道上行駛，當在液晶顯示器上看到制動轂溫度達到60℃時開始實驗，選擇坡長為1km的坡道采取行車制動。采用輪轂溫度傳感器、充電檢測傳感器、輪速傳感器、STM32F103單片機控制人機界面液晶顯示單元；工作單元為風冷制冷裝置，利用車載電瓶24V電壓進行工作。電機功率60~160W，風量20~34m/h，風壓6~10kPa，負載電流2.8~6.8A，用型號為STM8S105，載波通信PWM波的單片機控制，主要管理和監控電流分多段輸出，以控制電機轉速對汽車輪轂進行風冷，將輪轂的溫度控制在設定范圍之內。在相同試驗路段，對裝有強制風冷制動轂和原車制動轂相同型號的車輛分別進行了兩次下坡試驗[1]。

2.1 強制風冷型制動轂的溫度升降分析

第一次試驗時，強制風冷制動轂和原車制動轂溫度升降試驗曲線見圖5。第二次試驗，強制風冷制動轂和原車制動轂溫度升降試驗曲線見圖6。圖5和圖6中的X為車輛下坡過程中試驗對應點的位移，Y為制動轂對應點的溫度。

圖5 第一次強制風冷制動轂和原車制動轂溫度升降試驗曲線

由圖5和圖6可看出，第一次下坡時實驗時，原制動轂溫度由80.8℃升至150.72℃，強制風冷制動轂溫度由82.3℃升至148.52℃開始下降到133.50℃，強制風冷制動轂比原車制動轂的最高溫度降低約17.22℃。第二次下坡實驗時，原車制動轂溫度由86.22℃升至155.41℃，強制風冷制動轂溫度由87.1℃升至150.63℃開始下降到138.22℃，強制風冷制動轂比原車制動轂的最高溫度降低約17.19℃。由此可見，在同樣條件下，強制風冷制動轂比原車制動轂溫度的上升得到了很好的控制，散熱性能大大改善，兩次實驗平均溫度可降低17℃左右，提高了柴油運兵汽車長時間在連續下坡時車輛制動的安全性[2]。

圖6 第二次強制風冷制動轂和原車制動轂溫度升降試驗曲線

3 結論

在相同的條件下，通過對強制風冷式制動轂與原車制動轂溫度升降試驗對比表明，加裝引風管的強制風冷型制動轂在溫度接近150℃時，風機開始工作，降低輪轂的溫度，當溫度降至規定溫度時風機停轉，在顯示屏上可看到其溫度變化，實現自動控制，制動最高溫度比原車制度溫度平均降低約17℃ ，散熱功能提高很快；此新型制動轂結構和降溫原理簡單，在制動轂后蓋板上鉆孔不影響制動轂的強度和剛度，安全性能可充分保證，可在大型柴油運輸車上得到很好的推廣應用。