CN108583545A - 一种汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置及方法，不易制动失效，降温稳定，能耗低。冷却装置包括高压气体接入管、气路开关阀、三通、喷头、水路开关阀、水泵、水箱、控制器和温度测量元件；气路开关阀设置在高压气体接入管上，且高压气体接入管的输出端连通三通的一端，三通的第二端连通喷头，三通的第三端通过水路开关阀与水泵连通，水泵与水箱连通；气路开关阀和水路开关阀均与控制器连接，温度测量元件用于采集制动器的温度信号并将温度信号发送给控制器，控制器根据接收到的温度信号控制气路开关阀和水路开关阀的开关状态。首先计算制动器的温度临界阈值，当采集的温度信号到达温度临界阈值时，启动冷却装置进行制动器冷却降温。

Description

一种汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置及方法

技术领域

本发明属于汽车冷却领域，涉及一种汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置及方法。

背景技术

在重型商用汽车长时间的制动过程中，由于汽车制动器的制动鼓与制动器的相互摩擦作用，制动器会产生热衰退现象，这样会导致汽车制动器的失效，发生严重的交通事故。汽车如果下长坡的过程中，必然会长时间进行制动，所以制动器的热衰退现象必然不可避免，但是由于在冬天时，对制动器洒水会导致路面结冰，所以相关的法律便禁止汽车下坡过程中进行洒水降温。所以汽车制动器的降温是当前商用车制动器设计的一个重要的部分。

现有的冷却装置，湿式制动器、刹车喷雾冷却系统以及空调压缩机刹车冷却装置都有着缺点。湿式多盘制动器工作在封闭油浸的环境中，工作油压、摩擦因数均要比干式制动器低，常常会产生制动失效问题。刹车喷雾冷却装置的换热效果主要取决于冷却工质，降温效果不稳定。空调压缩机刹车冷却装置的空调压缩机成本高且工作能耗大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置及方法，不易制动失效，降温稳定，能耗低。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置，包括高压气体接入管、气路开关阀、三通、喷头、水路开关阀、水泵、水箱、控制器和温度测量元件；

气路开关阀设置在高压气体接入管上，且高压气体接入管的输出端连通三通的一端，三通的第二端连通喷头，三通的第三端通过水路开关阀与水泵连通，水泵与水箱连通；使用时水经喷头喷至制动器上；气路开关阀和水路开关阀均与控制器连接，温度测量元件用于采集制动器的温度信号并将温度信号发送给控制器，控制器根据接收到的温度信号控制气路开关阀和水路开关阀的开关状态。

优选的，温度测量元件与控制器通过无线连接。

优选的，还包括速度传感器和倾角传感器，速度传感器用于采集车速信号并将车速信号发送至控制器，倾角传感器用于采集道路坡度信号并将道路坡度信号发送至控制器。

优选的，所述气路开关阀和水路开关阀均为电磁阀。

优选的，所述温度测量元件为温度传感器。

优选的，温度测量元件安装在轮毂外圈。

优选的，控制器为STM32。

优选的，步骤1中温度临界阈值的计算方法如下：

根据最低制动性能要求，制动距离应该满足：

S≤S_max (1)

根据汽车系统动力学分析，汽车制动过程中制动距离满足：

根据车辆坡道运行动力学分析可得：

将公式(2)和(3)代入公式(1)中，则制动距离应该满足：

根据货车制动力分配系数为x，则轮毂制动力为：

F_μ前＝m(P_前左μ+P_前右μ) (5)

F_μ中后＝n(2P_中μ+2P_后μ) (6)

其中，m/n＝x (7)

根据制动器摩擦系数与制动器温度的函数关系：

μ＝f(T)＝-4.9×10^-9T³-3.8×10^-9T²+9.08^-4T+0.27 (8)

则汽车总制动力满足：

F_μ＝F_μ前+F_μ中后＝m(P_前左f(T)+P_前右f(T))+n(2P_中f(T)+2P_后f(T)) (9)

F_i＝Gsinα≈Gtanα＝Gi (10)

F_f＝Gfcosα (11)

其中：S表示制动距离，S_max表示最大制动距离，τ₂表示驾驶员反应时间与制动器响应时间的总和，u₀表示汽车制动初速度，a_max表示汽车下坡时最大加速度，F_μ表示汽车总制动力，F_i表示坡度阻力，F_f表示加速阻力，F_w表示空气阻力，x为汽车制动力分配系数，m为前轮毂制动力系数，n为中间轮毂和后轮毂制动力系数，F_μ前表示前轮毂制动力，P_前左表示前左侧轮毂制动气室气压，P_前右表示前右侧轮毂制动气室气压，如果汽车前轴为独立制动管路，则P_前左≠P_前右，如果前轴轮缸为同一管路，则两参数相等P_前左＝P_前右；F_μ中后表示中间轮毂和后轮毂的制动力，P_中表示中间轮毂制动气室气压，P_后表示后轮毂制动气室气压，μ表示制动器摩擦系数，T表示制动器温度，α表示道路坡度角，(h和s分别为道路的坡高和底长)为道路坡度，G表示汽车总重力，f表示汽车滚动阻力系数；C_D表示空气阻力系数，A表示迎风面积，u_a表示汽车行驶速度，因为理论上计算的时候把整个制动过程看做是a不变的匀减速惠城区，所以u_a取1/2×u₀，T_max汽车制动器的温度临界阈值；

采集制动初速度u₀、道路坡度i、各个制动器及制动气室压力P，将公式(9)、(10)、(11)、(12)带入公式(5)中，经计算得到汽车制动器的温度临界阈值T_max。

进一步的，货车制动力分配系数为40％，汽车总制动力满足：

F_μ＝0.0636(P_前左f(T)+P_前右f(T))+0.0954(2P_中f(T)+2P_后f(T))。

进一步的，或者

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明冷却装置通过温度测量元件采集制动器的温度信号并将温度信号发送给控制器，控制器根据接收到的温度信号控制气路开关阀和水路开关阀的开关状态，通过气路开关阀控制高压气体的通断，水路开关阀控制水流的通断。需要降温时，将气路开关阀和水路开关阀都打开，高压气体和水流在三通汇合后，通过喷头喷出水雾，水雾与制动器接触并降温。本发明中的喷雾是水经高压气体喷出，因此喷出后有很高的速度且体积迅速膨胀，与刹车片表面形成热对流，降温效果佳。通过温度测量元件采集温度信号，根据温度信号判断是否需要降温，需要降温时才开启降温操作，因此，不会盲目降温，造成资源浪费。通过水雾降温，不会降低制动器摩擦因数，也就不会产生因摩擦因数降低而导致制动失效的问题；本发明装置没有使用空调压缩机，所以降低空调压缩机的成本和工作能耗。

进一步地，温度测量元件与控制器通过无线传送信号，可以避免复杂的线路问题。

进一步地，本发明的气路开关阀和水路开关阀为电磁阀，电磁阀快捷灵敏，控制效果更好。

进一步地，本发明的温度测量元件为温度传感器，温度传感器测量准确，测量快捷。

进一步地，温度测量元件安装在轮毂外圈，可以避免对轮毂进行钻孔安装，同时也避免对轮毂的损伤。

本发明还提出了一种制动器冷却方法，针对汽车计算汽车制动器的温度临界阈值，当温度测量元件检测到制动器的温度达到温度临界阈值时，将高压气体和水混合后的水雾喷射到制动器上，冷却制动器，将制动器的温度控制在安全范围内。

进一步的，根据最低制动性能要求，经过一系列计算得到温度临界阈值时，计算得到的数据准确。

附图说明

图1为本发明冷却装置结构示意图；

图中：1为高压气体接入管；2为气路开关阀；3为水箱；4为水泵；5为三通；6为喷头；7为温度测量元件；8为水路开关阀；9为制动器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明所述汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置，包括高压气体接入管1、气路开关阀2、三通5、喷头6、水路开关阀8、水泵4、水箱3、控制器和温度测量元件7。

气路开关阀2设置在高压气体接入管1上，且高压气体接入管1的输出端连通三通5的一端，三通5的第二端连通喷头6，三通5的第三端通过水路开关阀8与水泵4连通，水泵4设置在水箱3内；使用时水经喷头6喷至制动器上；气路开关阀2和水路开关阀8均与控制器连接，温度测量元件7用于采集制动器的温度信号并将温度信号发送给控制器，控制器根据接收到的温度信号控制气路开关阀2和水路开关阀8的开关状态。为了避免复杂的线路，使温度测量元件7与控制器之间通过无线连接。本实例中，温度测量元件7安装在轮毂外圈，可以避免对轮毂进行钻孔安装，同时也避免对轮毂的损伤。

还包括速度传感器和倾角传感器，速度传感器用于采集车速信号并将车速信号发送至控制器，倾角传感器用于采集道路坡度信号并将道路坡度信号发送至控制器。在实际汽车制动过程中，可以使用汽车上原有的速度传感器得到车速，不需要另外单独设置速度传感器。

温度传感器通过螺栓连接在轮毂外圈监测轮毂温度，制动器的温度与轮毂温度基本相同，因此温度传感器检测到制动器的温度，并将这一温度通过无线收发装置传递给控制器。商用车在行驶的过程中，K型热电偶与轮毂一直保持接触，实时监控制动器温度，无线收发模块将温度信号传递给控制器，通过控制器控制气路开关阀2和水路开关阀8的开闭状态，从而控制喷头将高压水雾喷向轮毂外侧进行降温，且不对轮毂寿命产生负面影响。

本实例中，所述气路开关阀2为电磁阀，所述水路开关阀8为电磁阀，所述温度测量元件7为温度传感器，控制器为STM32，例如STM32F101R6。

一种汽车制动器热衰退的微量液体冷却方法，包括：

步骤一：计算汽车制动器的温度临界阈值；

步骤二：温度测量元件7检测到制动器的温度达到临界阈值时，高压气体从高压气体接入管1进入管路；同时，水路开关阀8打开，水泵4将水箱3中的水抽到管路内；当水充满管路后，气路开关阀2打开，将管路内的水高压喷射到汽车制动器上。

步骤一中计算汽车制动器的温度临界阈值的方法如下：

GB12676-1999《汽车制动机构、性能和试验方法》中规定了不同种类汽车的最低制动性能要求，如表1所示，根据汽车类型不同，最大制动距离也不同，或者本实例以额定载货质量为10t的N3类载货车陕汽德龙F2000为例，结合制动距离理论计算公式进行制动距离的危险状态预警，以此计算制动距离的临界阈值。

表1不同种类汽车的最低制动性能要求

根据最低制动性能要求，制动距离应该满足：

S≤S_max (1)

根据汽车系统动力学分析，汽车制动过程中制动距离满足：

根据车辆坡道运行动力学分析可得：

将公式(2)和(3)带入公式(1)中，则制动距离应该满足：

本实例中以额定载货质量为10t的N3类载货车陕汽德龙F2000为例，则，

货车制动力分配系数x一般为40％左右，根据研究，

F_μ前＝0.064pu,F_μ后＝0.095pu，制动力分配系数为40.25％。

本实例中选取陕汽德龙F2000六轴载重汽车的制动力分配系数x大约也为40％,即前轮毂和中后轮毂制动力分配系数m/n＝40％，根据汽车实际情况，前轴为独立管路制动，中间轴轮缸为同一管路，第三轴为同一管路，采集制动气室气压分别为P_前左、P_前右、P_中、P_后，则：

F_μ前＝m(P_前左μ+P_前右μ) (6)

F_μ中后＝0.0954(2P_中μ+2P_后μ) (7)

根据制动器摩擦系数与制动器温度的函数关系：

μ＝f(T)＝-4.9×10^-9T³-3.8×10^-9T²+9.08^-4T+0.27 (8)

则汽车总制动力满足：F_μ＝F_μ前+F_μ中后，即：

F_μ＝0.0636(P_前左f(T)+P_前右f(T))+0.095(2P_中f(T)+2P_后f(T)) (9)

F_i＝Gsinα≈Gtanα＝Gi (10)

F_f＝Gfcosα (11)

其中：S表示制动距离，S_max表示最大制动距离，τ₂表示驾驶员反应时间与制动器响应时间的总和，u₀表示汽车制动初速度，a_max表示汽车下坡时最大加速度，F_μ表示汽车总制动力，F_i表示坡度阻力，F_f表示加速阻力，F_w表示空气阻力，x为汽车制动力分配系数，m为前轮毂制动力系数，n为中间轮毂和后轮毂制动力系数，F_μ前表示前轮毂制动力，P_前左表示前左侧轮毂制动气室气压，P_前右表示前右侧轮毂制动气室气压，如果汽车前轴为独立制动管路，则P_前左≠P_前右，如果前轴轮缸为同一管路，则两参数相等P_前左＝P_前右；F_μ中后表示中间轮毂和后轮毂的制动力，P_中表示中间轮毂制动气室气压，P_后表示后轮毂制动气室气压，μ表示制动器摩擦系数，T表示制动器温度，α表示道路坡度角，(h和s分别为道路的坡高和底长)；G表示汽车总重力，f表示汽车滚动阻力系数；C_D表示空气阻力系数，A表示迎风面积，u_a表示汽车行驶速度，因为理论上计算的时候把整个制动过程看做是a不变的匀减速惠城区，所以u_a取1/2×u₀，T_max汽车制动器的温度临界阈值。

由此上面的公式可以看出，控制系统需要采集各制动器制动初速度u₀、道路坡度i、各个制动器及制动气室压力P。制动初速度u₀由电磁式传感器测得，道路坡度i由倾角传感器测得，制动气室压力P为车辆制动系统设计参数，将所有参数代入公式(9)、(10)、(11)、(12)，再将公式(10)、(11)、(12)代入公式(5)中，由主控制器计算得到汽车制动器的温度临界阈值T_max；然后制动过程中由温度测量元件实时采集各制动器温度T，经无线收发模块传送给控制器，控制器根据采集到的各制动器温度T与温度临界阈值T_max比较，判断是否启动降温组件。

本发明由于喷射出的为高压水雾，其汽化效果好，可以更好地进行降温；并且压缩后的气体经喷嘴喷出后，由于体积的突然膨胀，其内能降低，温度降低，使汽车周围空气温度降低，加强了对流热的散热；同时高压气体经喷嘴喷出后有很高的速度，加强了散热效果。喷射水雾于制动轮毂外侧不会对轮毂寿命产生负面影响。本发明由于喷出的是水雾，所以不存在水流在路面的现象，防止在气温较低时，路面结冰。本发明的高压喷射水雾，利用工质水的比热容大且廉价的同时还能形成热对流并且有效避免了洒水在冬天能够造成路面结冰的危险情况的发生。

本发明的倾角传感器、速度传感器、温度传感器实时监测轮毂的状态，是本装置适用于不同车型、环境、车速，即具有普遍适用性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置，其特征在于，包括高压气体接入管(1)、气路开关阀(2)、三通(5)、喷头(6)、水路开关阀(8)、水泵(4)、水箱(3)、控制器和温度测量元件(7)；

气路开关阀(2)设置在高压气体接入管(1)上，且高压气体接入管(1)的输出端连通三通(5)的一端，三通(5)的第二端连通喷头(6)，三通(5)的第三端通过水路开关阀(8)与水泵(4)连通，水泵(4)与水箱(3)连通；使用时水经喷头(6)喷至制动器上；气路开关阀(2)和水路开关阀(8)均与控制器连接，温度测量元件(7)用于采集制动器的温度信号并将温度信号发送给控制器，控制器根据接收到的温度信号控制气路开关阀(2)和水路开关阀(8)的开关状态。

2.根据权利要求1所述的汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置，其特征在于，温度测量元件(7)与控制器通过无线连接。

3.根据权利要求1所述的汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置，其特征在于，还包括速度传感器和倾角传感器，速度传感器用于采集车速信号并将车速信号发送至控制器，倾角传感器用于采集道路坡度信号并将道路坡度信号发送至控制器。

4.根据权利要求1所述的汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置，其特征在于，所述气路开关阀(2)和水路开关阀(8)均为电磁阀，所述温度测量元件(7)为温度传感器。

5.根据权利要求1所述的汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置，其特征在于，温度测量元件(7)安装在轮毂外圈。

6.根据权利要求1所述的汽车制动器热衰退的微量液体冷却装置，其特征在于，控制器为STM32。

7.一种汽车制动器热衰退的微量液体冷却方法，基于权利要求1所述的微量液体冷却装置，其特征在于，包括：

步骤1，计算汽车制动器的温度临界阈值T_max；

步骤2，温度测量元件(7)检测到制动器的温度达到温度临界阈值时，控制器控制气路开关阀(2)和水路开关阀(8)打开，高压气体经高压气体接入管(1)输送至三通，同时水泵(4)将水箱(3)中的水泵入三通，高压气体将水高压喷射到汽车制动器上，从而起到降温的作用。

8.根据权利要求7所述的汽车制动器热衰退的微量液体冷却方法，其特征在于，步骤1中温度临界阈值的计算方法如下：

根据最低制动性能要求，制动距离应该满足：

S≤S_max (1)

根据汽车系统动力学分析，汽车制动过程中制动距离满足：

根据车辆坡道运行动力学分析可得：

将公式(2)和(3)代入公式(1)中，则制动距离应该满足：

根据货车制动力分配系数为x，则轮毂制动力为：

F_μ前＝m(P_前左μ+P_前右μ) (5)

F_μ中后＝n(2P_中μ+2P_后μ) (6)

其中，m/n＝x (7)

根据制动器摩擦系数与制动器温度的函数关系：

μ＝f(T)＝-4.9×10^-9T³-3.8×10^-9T²+9.08^-4T+0.27 (8)

则汽车总制动力满足：

F_μ＝F_μ前+F_μ中后＝m(P_前左f(T)+P_前右f(T))+n(2P_中f(T)+2P_后f(T)) (9)

F_i＝Gsinα≈Gtanα＝Gi (10)

F_f＝Gfcosα (11)

其中：S表示制动距离，S_max表示最大制动距离，τ₂表示驾驶员反应时间与制动器响应时间的总和，u₀表示汽车制动初速度，a_max表示汽车下坡时最大加速度，F_μ表示汽车总制动力，F_i表示坡度阻力，F_f表示加速阻力，F_w表示空气阻力，x为汽车制动力分配系数，m为前轮毂制动力系数，n为中间轮毂和后轮毂制动力系数，F_μ前表示前轮毂制动力，P_前左表示前左侧轮毂制动气室气压，P_前右表示前右侧轮毂制动气室气压，如果汽车前轴为独立制动管路，则P_前左≠P_前右，如果前轴轮缸为同一管路，则两参数相等P_前左＝P_前右；F_μ中后表示中间轮毂和后轮毂的制动力，P_中表示中间轮毂制动气室气压，P_后表示后轮毂制动气室气压，μ表示制动器摩擦系数，T表示制动器温度，α表示道路坡度角，(h和s分别为道路的坡高和底长)为道路坡度，G表示汽车总重力，f表示汽车滚动阻力系数；C_D表示空气阻力系数，A表示迎风面积，u_a表示汽车行驶速度，因为理论上计算的时候把整个制动过程看做是a不变的匀减速惠城区，所以u_a取1/2×u₀，T_max汽车制动器的温度临界阈值；

采集制动初速度u₀、道路坡度i、各个制动器及制动气室压力P，将公式(9)、(10)、(11)、(12)带入公式(5)中，经计算得到汽车制动器的温度临界阈值T_max。

9.根据权利要求8所述的汽车制动器热衰退的微量液体冷却方法，其特征在于，货车制动力分配系数为40％，汽车总制动力满足：

F_μ＝0.0636(P_前左f(T)+P_前右f(T))+0.0954(2P_中f(T)+2P_后f(T))。

10.根据权利要求8所述的汽车制动器热衰退的微量液体冷却方法，其特征在于，或者