CN114838071B - 一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，根据车辆真实路况下的制动状态，考虑了刹车片在实际制动过程中受高温影响产生的化学反应，将化学反应速率常数与材料磨损定量计算公式相结合，通过监测刹车片的温度、推动刹车片的液压油油压、车辆实时车速、制动时间以及刹车片的实时磨损量，分析刹车片的磨损演变特性，从而预测刹车片的剩余寿命并及时提供温度和磨损预警。本发明方法简单且具有更高的监测精度与预测准确度，应用在刹车片剩余使用寿命的检测上，大大提高了车辆的驾驶安全性。

Description

一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法
技术领域
本发明属于工程机械刹车系统技术领域，具体涉及一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法。
背景技术
盘式制动器由于其优异的制动性能、简单的结构以及低廉的成本被广泛应用于工程机械领域。刹车片是盘式制动器中的重要部件，在制动过程起到极其重要的作用；然而刹车片在频繁制动的过程中，会与制动盘频繁的摩擦与冲击，极易产生高温与造成磨损。刹车片的磨损情况对制动器的制动性能起到直接影响，且制动器中刹车片的剩余寿命也与驾驶员的生命安全息息相关。随着工程机械对于安全可靠要求的进一步提升，对制动器中刹车片的磨损监测及寿命预估也提出了更为严苛的要求。因此，能够对制动器中刹车片进行在线监测及其剩余使用寿命进行有效评估成为解决问题的关键。
目前国内外针对刹车片的在线监测及刹车片寿命预测装置较少，如公开号“CN102774373B”的发明公开了一种汽车刹车片厚度实时检测系统，该系统通过两个涡流传感器用于实时检测刹车片的厚度，并将该信号反馈至驾驶系统；该方法提高了测量精度，相比接触式开关原理的刹车片磨损检测系统，能够提供更多的关键信息，而且实施方便，通用性高，增加了驾驶员的安全掌控能力。如公开号“CN105822706A”的发明公开了一种刹车片磨损情况报警方法及装置，其中，刹车片磨损情况报警方法包括：通过感应器检测刹车片与刹车盘之间的距离，得到测量距离；根据得到的测量距离，分析得到刹车片磨损程度，根据刹车片磨损程度，发送报警信号，用户无需对刹车片进行查看，即能方便地获知刹车片的磨损情况，以便及时对刹车片进行更换，提高了获取刹车片磨损情况的便利性，避免了因刹车片的厚度过薄而出现行车安全隐患。公开号“CN212447484U”的发明提供了一种刹车片磨损监测装置、刹车系统和工程车辆，其中，刹车片磨损监测装置用于监测刹车片是否磨损。刹车片磨损监测装置包括：控制器和检测电路，检测电路的数量与刹车片的数量一一相对应，控制器根据检测电路的状态确定发生磨损的刹车片。但上述专利技术均仅涉及对刹车片的厚度进行实时检测，并未涉及对刹车片剩余寿命的预测，而刹车片的剩余寿命与刹车片的实时温度、制动器油压、当前车速等数据均息息相关。对刹车片寿命的预测可提醒驾驶员养成良好的刹车行为，并且告知驾驶员提前更换刹车片，以免造成事故。因此，设计一种刹车片在线监测及刹车片寿命估算方法迫在眉睫。
发明内容
本发明针对当前车辆刹车片长时间高频率制动条件下，温度升高快、易磨损，无法对刹车片的寿命进行准确预测等问题，提出一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，能够根据刹车片实时磨损量、刹车片的温度、车速和推动刹车片的液压油油压数据，对刹车片的剩余寿命进行实时评估。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，具体如下：
制动器开始制动时，对称设置的两个活塞均被液压油推出，两个活塞分别推动一片刹车片，两片对称设置的刹车片将制动盘抱紧，并产生滑动摩擦；其中，刹车片在滑动摩擦的过程中产生磨损，且刹车片为复合材料，根据以聚合物为基体的复合材料磨损定量计算公式，得到如下计算式：
ΔW＝αPaVbtc
其中，α、a、b和c均为常数；ΔW为制动过程中刹车片产生的磨损量；t为刹车片与制动盘的摩擦时间；P为液压油油压；V为刹车片与制动盘滑动摩擦时的相对速度；
刹车片摩擦时摩擦面发生化学反应，化学反应速率常数k随温度变化的关系表示为阿伦尼乌斯公式的四参量修正方程：
k＝A(T/T0)ne-E/RT
其中，A为常数；E为刹车片材料摩擦产生损耗时的活化能；e为自然对数的底数；R是摩尔气体常数；T为刹车片的实时绝对温度；T0为刹车片初始的绝对温度；n为(-1,1)区间的常数；
将ΔW和k公式相结合，得到考虑化学反应时刹车片制动摩擦后的磨损量ΔWS计算公式：
ΔWS＝ΔW·k＝βPaVbtc(T/T0)ne-E/RT
其中，常数β为α与A的乘积；刹车片的磨损量为ΔWS时所用时间为t，同样，刹车片剩余可用厚度Wa与刹车片剩余寿命S之间的关系表示为：
Wa＝βPaVbSc(T/T0)ne-E/RT
将ΔWS与Wa结合得到下式：
进一步得到：
其中，W为刹车片的剩余厚度；Wη为刹车片最小许用厚度，为设定值。
优选地，公式(1)中，将车辆的车速传感器检测到的车辆车速作为刹车片与制动盘滑动摩擦时的相对速度V；刹车片与制动盘的摩擦时间t根据控制器接收的车辆制动信号反馈得到；通过温度传感器检测刹车片刹车前的初始温度和实时温度，并传给控制器转换为初始绝对温度T0以及实时绝对温度T；通过安装在液压油管道内的油压传感器检测车辆制动时推动刹车片的液压油油压P，并传给控制器；通过电阻式传感器的电流信号变化检测刹车片的剩余厚度W，并传给控制器。
优选地，对制动器的制动过程进行采样，获得七组ΔWS、P、V、T、T0和制动时间t数值，每组数值代入刹车片考虑化学反应时刹车片制动摩擦后的磨损量ΔWS的计算公式中得到一个方程，求解七个方程得到β、a、b、c、n、E和R；其中，ΔWS为刹车片制动过程中实际磨损量W′，W′＝W0-W。
更优选地，每组数值代入刹车片考虑化学反应时刹车片制动摩擦后的磨损量ΔWS的计算公式后，对公式ΔWS＝βPaVbtc(T/T0)ne-E/RT取Ln对数，得到对数形式的方程：
求解七个对数形式的方程得到β、a、b、c、n、E和R。
更优选地，对制动器的制动过程进行多次采样，每次采样获得七组ΔWS、P、V、T、T0和制动时间t数值，通过优化算法以β、a、b、c、n、E和R为优化变量，以相邻两次采样中ΔWS的差值最小为优化目标，得到优化后的β、a、b、c、n、E和R数值。
优选地，每次制动器制动后的刹车片剩余寿命显示在车载的显示屏上。
优选地，当刹车片的实时绝对温度超过预设值时，显示屏提示刹车片温度过高。
优选地，当刹车片的剩余寿命低于预设值时，显示屏亮起警示灯。
更优选地，每片刹车片背对制动盘的表面均固定有多个温度传感器，刹车片的初始温度或实时温度均取所有温度传感器测量值的均值。
更优选地，两个电阻式传感器正对设置，且两个电阻式传感器的外壳分别固定在对应一个制动钳壳体上；每个电阻式传感器的检测杆与一片刹车片背对制动盘的表面固定；电阻式传感器的检测杆、活塞和刹车片的中心轴线同轴设置；刹车片的剩余厚度取两个电阻式传感器测量值的均值。
本发明具有的有益效果是：
本发明根据车辆真实路况下的制动状态，考虑了刹车片在实际制动过程中受高温影响产生的化学反应，将化学反应速率常数k与材料磨损定量计算公式相结合，通过监测刹车片的温度、推动刹车片的液压油油压、车辆实时车速、制动时间以及刹车片的实时磨损量，分析刹车片的磨损演变特性，从而预测刹车片的剩余寿命并及时提供温度和磨损预警。本发明方法简单且具有更高的监测精度与预测准确度，应用在刹车片剩余使用寿命的检测上，大大提高了车辆的驾驶安全性。
附图说明
图1为本发明中温度传感器、油压传感器和电阻式传感器在制动器上的装配位置示意图；
图2为本发明中温度传感器在刹车片上的排布示意图；
图3为本发明中温度传感器、油压传感器和电阻式传感器与控制器的连接框图；
图4为本发明对刹车片剩余寿命的计算流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图4所示，本发明一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，具体如下：
如图1所示，制动器开始制动时，对称设置的两个活塞2均被液压油推出，两个活塞分别推动一片刹车片，两片对称设置的刹车片3将制动盘4抱紧，并产生滑动摩擦；其中，刹车片3在滑动摩擦的过程中产生磨损，且刹车片3为复合材料，根据以聚合物为基体的复合材料磨损定量计算公式，得到如下计算式：
ΔW＝αPaVbtc
其中，α、a、b和c均为常数；ΔW为制动过程中刹车片3产生的磨损量(单位：mm)；t为刹车片3与制动盘4的摩擦时间；P为液压油油压(单位：MPa)；V为刹车片3与制动盘4滑动摩擦时的相对速度(单位：m/s)；
由于刹车片3摩擦过程产生高温以及摩擦后摩擦面短时间内仍保持高温，刹车片3在高温下会发生化学反应，该反应速率随温度的变化而变化，且反应温度变化范围较大，此时化学反应速率常数k随温度变化的关系表示为阿伦尼乌斯公式的四参量修正方程：
k＝A(T/T0)ne-E/RT
其中，A为常数；E为刹车片材料摩擦产生损耗时的活化能(单位：kJ/mol)；e为自然对数的底数；R是摩尔气体常数(单位：J/(mol·K))；T为刹车片的实时绝对温度(单位：K)；T0为刹车片3初始的绝对温度(单位：K)；n为(-1,1)区间的常数；
因此，将ΔW和k公式相结合，得到考虑化学反应时刹车片3制动摩擦后的磨损量ΔWS计算公式：
ΔWS＝ΔW·k＝βPaVbtc(T/T0)ne-E/RT
其中，常数β为α与A的乘积；由上式可知，刹车片3的磨损量为ΔWS时所用时间为t，则刹车片3剩余可用厚度Wa与刹车片3剩余寿命S之间的关系表示为：
Wa＝βPaVbSc(T/T0)ne-E/RT
将ΔWS与Wa结合得到下式：
进一步得到：
其中，W为刹车片的剩余厚度；Wη为刹车片最小许用厚度，为设定值。
作为一个优选实施例，如图3所示，公式(1)中，将车辆的车速传感器8检测到的车辆车速作为刹车片3与制动盘4滑动摩擦时的相对速度V；刹车片3与制动盘4的摩擦时间t根据控制器9(直接采用车辆中控即可)接收的车辆制动信号反馈得到；通过温度传感器7检测刹车片3刹车前的初始温度和实时温度，并传给控制器9转换为初始绝对温度T0以及实时绝对温度T；通过安装在液压油管道内的油压传感器5检测车辆制动时推动刹车片的液压油油压P，并传给控制器9；通过电阻式传感器6的电流信号变化(电阻式传感器6的实时电流信号与刹车片3在初始厚度W0时的电流信号之间的信号差)检测刹车片3的剩余厚度W，并传给控制器9。
作为一个优选实施例，对制动器的制动过程进行采样，获得七组ΔWS、P、V、T、T0和制动时间t数值，每组数值代入刹车片3考虑化学反应时刹车片3制动摩擦后的磨损量ΔWS的计算公式中得到一个方程，求解七个方程得到β、a、b、c、n、E和R；其中，ΔWS为刹车片3制动过程中实际磨损量W′，W′＝W0-W。
作为一个更优选实施例，每组数值代入刹车片3考虑化学反应时刹车片3制动摩擦后的磨损量ΔWS的计算公式后，对公式ΔWS＝βPaVbtc(T/T0)ne-E/RT取Ln对数，得到对数形式的方程：
求解七个对数形式的方程得到β、a、b、c、n、E和R。
作为一个更优选实施例，对制动器的制动过程进行多次采样，每次采样获得七组ΔWS、P、V、T、T0和制动时间t数值，通过优化算法以β、a、b、c、n、E和R为优化变量，以相邻两次采样中ΔWS的差值最小为优化目标，得到优化后的β、a、b、c、n、E和R数值，以提高计算的准确性。
作为一个优选实施例，如图3所示，每次制动器制动后的刹车片3剩余寿命显示在车载的显示屏10上。
作为一个优选实施例，当刹车片3的实时绝对温度超过预设值时，显示屏10提示刹车片3温度过高，驾驶员应当检测刹车片情况，必要时将车辆送检。
作为一个优选实施例，当刹车片3的剩余寿命S低于预设值时，显示屏10亮起警示灯11，提示驾驶员需及时更换刹车片3。
作为一个优选实施例，如图2所示，每片刹车片3背对制动盘4的表面均固定有多个温度传感器7，刹车片3的初始温度或实时温度均取所有温度传感器7测量值的均值。
作为一个优选实施例，两个电阻式传感器6正对设置，且两个电阻式传感器6的外壳分别固定在对应一个制动钳壳体1上；每个电阻式传感器6的检测杆与一片刹车片3背对制动盘4的表面固定；更优选地，电阻式传感器6的检测杆、活塞2和刹车片3的中心轴线同轴设置。刹车片3的剩余厚度取两个电阻式传感器6测量值的均值。

Claims (10)

1.一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，其特征在于：该方法具体如下：
制动器开始制动时，对称设置的两个活塞均被液压油推出，两个活塞分别推动一片刹车片，两片对称设置的刹车片将制动盘抱紧，并产生滑动摩擦；其中，刹车片在滑动摩擦的过程中产生磨损，且刹车片为复合材料，根据以聚合物为基体的复合材料磨损定量计算公式，得到如下计算式：
ΔW＝αPaVbtc
其中，α、a、b和c均为常数；ΔW为制动过程中刹车片产生的磨损量；t为刹车片与制动盘的摩擦时间；P为液压油油压；V为刹车片与制动盘滑动摩擦时的相对速度；
刹车片摩擦时摩擦面发生化学反应，化学反应速率常数k随温度变化的关系表示为阿伦尼乌斯公式的四参量修正方程：
k＝A(T/T0)ne-E/RT
其中，A为常数；E为刹车片材料摩擦产生损耗时的活化能；e为自然对数的底数；R是摩尔气体常数；T为刹车片的实时绝对温度；T0为刹车片初始的绝对温度；n为(-1,1)区间的常数；
将ΔW和k公式相结合，得到考虑化学反应时刹车片制动摩擦后的磨损量ΔWS计算公式：
ΔWS＝ΔW·k＝βPaVbtc(T/T0)ne-E/RT
其中，常数β为α与A的乘积；刹车片的磨损量为ΔWS时所用时间为t，同样，刹车片剩余可用厚度Wa与刹车片剩余寿命S之间的关系表示为：
Wa＝βPaVbSc(T/T0)ne-E/RT
将ΔWS与Wa结合得到下式：
进一步得到：
其中，W为刹车片的剩余厚度；Wη为刹车片最小许用厚度，为设定值。
2.根据权利要求1所述的一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，其特征在于：公式(1)中，将车辆的车速传感器检测到的车辆车速作为刹车片与制动盘滑动摩擦时的相对速度V；刹车片与制动盘的摩擦时间t根据控制器接收的车辆制动信号反馈得到；通过温度传感器检测刹车片刹车前的初始温度和实时温度，并传给控制器转换为初始绝对温度T0以及实时绝对温度T；通过安装在液压油管道内的油压传感器检测车辆制动时推动刹车片的液压油油压P，并传给控制器；通过电阻式传感器的电流信号变化检测刹车片的剩余厚度W，并传给控制器。
3.根据权利要求1或2所述的一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，其特征在于：对制动器的制动过程进行采样，获得七组ΔWS、P、V、T、T0和制动时间t数值，每组数值代入刹车片考虑化学反应时刹车片制动摩擦后的磨损量ΔWS的计算公式中得到一个方程，求解七个方程得到β、a、b、c、n、E和R；其中，ΔWS为刹车片制动过程中实际磨损量W′，W′＝W0-W。
4.根据权利要求3所述的一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，其特征在于：每组数值代入刹车片考虑化学反应时刹车片制动摩擦后的磨损量ΔWS的计算公式后，对公式ΔWS＝βPaVbtc(T/T0)ne-E/RT取Ln对数，得到对数形式的方程：
求解七个对数形式的方程得到β、a、b、c、n、E和R。
5.根据权利要求4所述的一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，其特征在于：对制动器的制动过程进行多次采样，每次采样获得七组ΔWS、P、V、T、T0和制动时间t数值，通过优化算法以β、a、b、c、n、E和R为优化变量，以相邻两次采样中ΔWS的差值最小为优化目标，得到优化后的β、a、b、c、n、E和R数值。
6.根据权利要求1或2所述的一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，其特征在于：每次制动器制动后的刹车片剩余寿命显示在车载的显示屏上。
7.根据权利要求1或2所述的一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，其特征在于：当刹车片的实时绝对温度超过预设值时，显示屏提示刹车片温度过高。
8.根据权利要求1或2所述的一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，其特征在于：当刹车片的剩余寿命低于预设值时，显示屏亮起警示灯。
9.根据权利要求2所述的一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，其特征在于：每片刹车片背对制动盘的表面均固定有多个温度传感器，刹车片的初始温度或实时温度均取所有温度传感器测量值的均值。
10.根据权利要求2所述的一种刹车片磨损在线监测及刹车片寿命估算方法，其特征在于：两个电阻式传感器正对设置，且两个电阻式传感器的外壳分别固定在对应一个制动钳壳体上；每个电阻式传感器的检测杆与一片刹车片背对制动盘的表面固定；电阻式传感器的检测杆、活塞和刹车片的中心轴线同轴设置；刹车片的剩余厚度取两个电阻式传感器测量值的均值。
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