技术领域
[0001] 本
发明涉及一种车辆安全监控及降温设备，特别是关于一种车辆制动器温控装置。
背景技术
[0002] 公路货物运输是现代运输主要方式之一，货车作为公路货物运输的主要运输工具之一。目前，货车运输过程中仍存在着一些不稳定的车辆安全因素，比如：
离合器打滑、离合器发抖、制动器磨损以及制动器
温度过高，容易引起制动器失灵问题等，因此解决货车运输过程中的一些车辆安全问题尤为必要。
[0003] 近几年，在货车发生交通事故的原因分析中，制动器失灵占据了机械故障的90％以上。据调查，2014年，碰撞导致的较大及以上等级营运车辆行车事故起数和死亡人数，分别占全年总量的73.3％和70％，同比上升3.9％和3.2％。其中，由制动器这一安全因素造成的交通事故已达到3％，分析其原因主要在于：车辆在行驶过程中，制动器
过热导致制动器失灵。
[0004] 载货车辆在山区公路长下坡路段行驶时，因频繁制动或连续制动，使制动器负荷增大，十分容易出现热衰退现象，从而影响制动器性能，导致车辆的
制动距离大大增加，对
行车制动安全带来较大的影响。因此，研究制动器温升情况，对
制动蹄摩擦衬片温度信息进行实时监控，并及时将摩擦衬片温度信息传递给驾驶员，将摩擦衬片
温度控制在行驶安全温度以下，有效减少制动效能热衰退现象的出现，从而保证制动器在制动时具有足够的制动效能，对装有制动器的载货车辆具有重要意义。
[0005] 目前，关于制动器的温度的研究和计算是在试验的条件下或是在一定的应用条件下进行，而无法反映制动器的实际应用工作环境和条件。实质上，制动器工作在各种各样的环境和条件下，很难进行符合实际条件的模拟。而且，进行制动器的温度的研究和计算还会涉及到建立数学模型，建立数学模型时不可避免地在推导过程中对数学模型进行一定的简化，但所获得的结果却又需要重新累计为复杂的模型，这种方式也缺乏有效的实用性。进一步地，新改造的部分制动器还会存在安装不便、对车辆改造较大、成本高、可靠性低等诸多缺点难以推广应用。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种车辆制动器温控装置来克服或至少减轻
现有技术的上述
缺陷中的至少一个。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供一种车辆制动器温控装置，所述车辆制动器温控装置包括温度检测单元、控制单元、温控反馈单元和结果输出模
块，其中，所述温度检测单元用于检测车辆的制动器外表面温度信息，并输出；所述控制单元用于接收车辆和制动器的相关参数信息、道路环境参数信息以及所述制动器外表面温度信息，并获得制动器
工作温度信息以及车辆在制动过程中的温度变化量，并输出；所述温控反馈单元用于接收所述制动器工作温度信息，并在所述制动器工作温度信息达到设定温度
阈值的情形下对车辆的制动器进行冷却处理；所述结果输出模块接收所述温度变化量并进行显示。
[0008] 进一步地，所述控制单元包括参数输入模块和数据计算模块，其中，所述车辆和制动器的相关参数信息、道路环境参数信息以及所述制动器外表面温度信息经由所述参数输入模块输入到所述数据计算模块；所述数据计算模块内设有下面式(1)，根据所述式(1)，计算获得所述温度变化量：
[0009]
[0010] 式(1)中，Q1表示制动器摩擦产生的热量；Q2表示
制动鼓的
对流散热量； Q3表示制动鼓与
轮辋之间的
辐射散热量；m1表示制动器中的制动鼓的
质量； m2表示制动器中的制动蹄摩擦衬片的质量；c1表示动器中的制动鼓的
比热容； c2表示制动器中的制动蹄摩擦衬片的比
热容。
[0011] 进一步地，所述制动器摩擦产生的热量Q1的计算公式表示为式(2)：
[0012]
[0013] 式(2)中，M表示车辆的总质量；v1表示车辆制动过程的初速度；v2表示车辆制动过程的末速度；g表示重
力加速度；i表示道路纵坡坡度，下坡路段取“+”，上坡路段取“-”；f表示车辆的
车轮的
滚动阻力系数；XZ表示车辆的制动距离。
[0014] 进一步地，所述制动鼓的对流散热量Q2的计算公式表示为式(3)：
[0015] Q2＝hS(tw-tf) (3)
[0016] 式(3)中，h表示对流换热系数；S表示与外掠
流体直接
接触的制动鼓的外表面面积；tw表示制动鼓外表面的温度；tf表示外掠流体的温度。
[0017] 进一步地，制动鼓与轮辋之间的辐射散热量Q3的计算公式表示为式(4)：
[0018] Q3＝Ra1S1-θ1，2Ra2S2 (4)
[0019] 式(4)中，S1表示制动鼓的外表面面积；S2表示轮辋的内表面面积；Ra1表示制动鼓外表面的有效辐射；Ra2表示轮辋内表面的有效辐射；θ1，2表示辐射换热
角系数。
[0020] 进一步地，所述温度检测单元包括K型
热电偶和红外热成像设备；所述K 型热电偶在车辆正常行驶的情形下开启，由所述K型热电偶检测所述制动器外表面温度信息，所述制动器外表面温度信息作为所述制动器工作温度信息；所述红外热成像设备在车辆频繁制动或长时间处于制动状态的情形下开启，由所述红外热成像设备检测所述制动器外表面温度信息，并获得所述制动器工作温度信息。
[0021] 进一步地，所述温控反馈单元包括淋
水箱控制
阀、流水管组件和淋水喷头，所述流水管组件连接水箱和淋水喷头，所述淋水喷头布置在制动器的制动鼓上方，且开口朝所述制动鼓设置，所述淋水箱
控制阀设于所述流水管组件上；在所述制动器工作温度信息达到所述设定温度阈值的情形下，所述淋水箱控制阀控制所述水箱和淋水喷头的流体连通，使所述水箱中的液体经由所述淋水喷头淋洒在所述制动鼓的外表面。
[0022] 进一步地，所述车辆制动器温控装置还包括语音报警器，所述制动器工作温度信息和所述温度变化量经由所述温度检测单元传输给车载
控制器，再由所述车载控制器传输给所述语音报警器和车载显示屏，在所述制动器工作温度信息达到所述设定温度阈值的情形下所述语音报警器开启。
[0023] 本发明成本低、实用性与可行性高、实施效果好，能在车辆制动过程中实时监测温度并及时预警，
预防制动器温度过高，从而降低事故发生率的制动器温度智能监控及降温装置。本发明提供的车辆制动器温控装置可以广泛应用于货车运输过程中。
附图说明
[0024] 图1是本发明
实施例所提供的车辆制动器温控装置的结构原理示意图；
[0025] 图2是图1所示的参数输入模块、数据计算模块和结果输出模块的
数据处理流程示意图；
[0026] 图3是本发明实施例所提供的制动器经由简化后的物理模型的示意图；
[0027] 图4是图3所示的制动器的纵向剖面示意图；
[0028] 图5是本发明实施例所提供的制动器与外界换热方式示意图；
[0029] 图6是图1所示的车辆制动器温控装置的工作原理示意图；
[0030] 图7是图6所示的流水管组件的安装状态示意图；
[0031] 图8是本发明实施例所提供的制动器降温曲线图。
具体实施方式
[0032] 在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0033] 如图1所示，本实施例所提供的车辆制动器温控装置包括温度检测单元1、控制单元2、温控反馈单元3和结果输出模块4，其中，温度检测单元1用于检测车辆的制动器外表面温度信息T1，并输出。控制单元2用于接收车辆和制动器的相关参数信息、道路环境参数信息以及制动器外表面温度信息T1，并获得制动器工作温度信息T2以及车辆在制动过程中的温度变化量△T，并输出。温控反馈单元3用于接收所述制动器工作温度信息T2，并在制动器工作温度信息T2达到设定温度阈值的情形下对车辆的制动器进行冷却处理。结果输出模块4接收所述温度变化量△T，并将温度变化量△T对外进行显示。
[0034] 在车辆行驶过程中进行制动时，如图3所示，制动器中的制动鼓71的内表面与制动蹄摩擦衬片72和之间发生摩擦，产生大量的热量。热量一部分通过不同的途径消失，剩余的部分热量则积累于制动蹄和制动鼓的内部，这部分热量将会不断的增加，从而使制动鼓与制动蹄的温度逐渐升高。本实施例可以通过温度检测单元1对车辆的制动器外表面温度信息T1进行实时检测，从而获取制动器内表面的温度信息，即制动器工作温度信息T2，再在制动器工作温度信息T2达到设定温度阈值的情形下，通过温控反馈单元3对车辆的制动器进行冷却降温处理。驾驶员或其他远程监控人员可根据温度变化量△T，人为地控制车辆，比如停车或人工降温等。本实施例提供的车辆制动器温控装置能够避免制动器热过损，在制动器过热的时候及时为制动器降温，防止交通事故的发生，因此，本实施例提供的车辆制动器温控装置使用方便，实用性强。
[0035] 在一个实施例中，如图2所示，控制单元2包括参数输入模块21和数据计算模块22，其中，
[0036] 所述车辆和制动器的相关参数信息、道路环境参数信息以及制动器外表面温度信息T1输入到参数输入模块21。具体地，如图2所示，所述车辆和制动器的相关参数信息包括车辆物理参数和制动器参数。其中，车辆物理参数信息包括车辆类型、载重、尺寸等。制动器参数包括制动器的型号参数，本实施例以
鼓式制动器对车辆制动器温控装置进行说明，但不限于鼓式制动器。道路环境参数信息包括
环境温度和湿度等。温度、湿度可以采用温湿度仪，是一种用于测量瞬时温度湿度和平均温度湿度的仪器，具有温湿度测量、显示、记录、
实时时钟、数据通讯和超限报警等功能。坡度、
曲率等一般查该路段的通行手册，或通过车载道路坡度角测量系统测量(主要部分是
单片机，可通用)。
[0037] 如图3和图4所示，本实施例将鼓式制动器简化为如下(1)～(3)所描述的物理模型：
[0038] (1)假设主要的参与产生的热量和散热部分为基本呈规则空心圆柱的部分，忽略次要部分，将制动鼓71简化为一规则圆筒，内外半径沿轴向无变化，制动器内表面的温度信息T1实质上是制动鼓71的内表面的温度；
[0039] (2)假设制动
底板总成73与制动鼓71的侧面间隙没有直接接触，且二者之间没有热量传递；
[0040] (3)
轮毂与制动鼓71之间通过
螺栓连接，接触面积较小，且接触传导热阻很大，所以忽略此部分热量散失。
[0041] 本领域普通技术人员可以知晓的是：车辆的制动器开始工作时，制动鼓 71的内表面与制动蹄摩擦衬片72产生摩擦，这部分热量一部分通过各种途径散发出去，剩余部分在制动器和制动蹄摩擦衬片内部积累，使其所含热量增加，温度因此而升高。依据
热力学传递机理，结合上述物理模型，本实施例给出了制动器的散热过程中同时存在的三种热传递方式：热传导、热对流和热辐射。图5示意的是制动器在制动的过程中的产生的热量与散热方式的具体情况。因此，理论上，制动器的热量变化量在制动开始到制动结束过程中的计算公式可表示为式(5)：
[0042] ΔQ＝Q1-Q2-Q3-Q4 (5)
[0043] 式(5)中，Q1表示制动器摩擦产生的热量；Q2表示制动过程中制动器(主要是制动鼓)表面与周围空气之间热量的交换，文中简称为“制动鼓的对流散热量”；Q3表示制动鼓与轮辋之间的辐射散热量；Q4表示制动鼓与制动蹄
摩擦片之间的传导散热量，文中简称为“传导散热量”。在实际计算制动器的温度变化量△T过程忽略微小量传导散热量Q4。
[0044] 因此，制动器的温度变化量的计算公式可表示为式(1)：
[0045]
[0046] 式(1)中，m1表示制动器中的制动鼓的质量；m2表示制动器中的制动蹄摩擦衬片的质量；c1表示动器中的制动鼓的比热容；c2表示制动器中的制动蹄摩擦衬片的比热容。
[0047] 所述车辆和制动器的相关参数信息、道路环境参数信息以及制动器外表面温度信息T1经由参数输入模块21输入到数据计算模块22，式(1)预先设置在数据计算模块22内，根据式(1)，数据计算模块22计算获得制动器的温度变化量△T。
[0048] 结果输出模块4将由数据计算模块22获得的温度变化量△T进行输出，并以温度曲线的方式和/或
可视化界面图(制动器温度状况，当前温度值)的方式进行显示，以直观显示给驾驶员或其他远程监控人员。
[0049] 由于上述物理模型主要是根据车辆进行制动时，制动蹄摩擦衬片和制动鼓内表面之间发生摩擦，依据制动过程中的产生大量的热量与散热方式的具体情况所建立的物理模型，能够真实反映热量产生和散去的过程，更好实现主动、准确、及时提供货车制动器温度变化信息。
[0050] 在一个实施例中，根据摩擦生热原理，车轮鼓式制动器制动时的摩擦生热量计算公式为式(6)：
[0051] Q1＝FzX (6)
[0052] 式(6)中，Fz表示作用于车轮的制动力，单位是N；X表示车辆行驶的距离，单位是m。式(6)经过换算和推导得到，所述制动器摩擦产生的热量Q1的计算公式表示为式(2)：
[0053]
[0054] 式(2)中，M表示车辆的总质量，单位是Kg，M属于车辆物理参数；v1表示车辆制动过程的初速度，单位是m/s；v2表示车辆制动过程的末速度，单位是 m/s；g表示
重力加速度，单位是9.8m/s2；i表示道路纵坡坡度，下坡路段取“+”，上坡路段取“-”，i属于道路环境参数；f表示车辆的车轮的滚动阻力系数，f属于道路环境参数；XZ表示车辆的制动距离，单位是m，XZ属于车辆参数，试验可获取。
[0055] 在一个实施例中，根据
牛顿冷却公式，结合鼓式制动器对流散热环境，本实施例结合货车制动器实际情况，在为制动器制定合理的温度检测预警方案的同时，也明确地给出洒水降温的时间，一方面节约了货车行驶过程中的水，使得货车不需要经常停车添水，另一方面也降低了冬天由于淋水导致路面结
冰，容易发生交通事故的概率。进行分析时，需要进行量纲分析。量纲分析法确定了制动鼓外表面对流换热的三个相似准则数，并指明了各相似准则可以关联成一个函数表达式，但是其具体的函数式需要通过实验才能最终确定。一般形式准则方程式通常写成幂函数的形式，即：
[0056] Nu＝f(Re，Pr)＝CRenPrm
[0057] 因为货车的行驶环境是在空气中，所以外掠流体只考虑空气，即Pr的值是常数，上可以简化为：
[0058] Nu＝f(Re，Pr)＝CRen
[0059] 其中，C为常数，需要通过实验来确定；雷诺准则Re、努谢尔特准则Nu、普朗特准则Pr皆可通过已有定理中公式获得。
[0060] 由以上推理可以得到所述制动鼓的对流散热量Q2的计算公式表示为式(3)：
[0061] Q2＝hS(tw-tf) (3)
[0062] 式(3)中，h表示对流换热系数W/(m2·℃)，其意义是当外掠流体与制动鼓面之间的温差为1℃时，lm2的换热面积每秒钟所能传递的热量，对流换热系数可用经验公式计算，本发明进行查表获取；S表示与外掠流体(空气) 直接接触的制动鼓的外表面面积，单位是m2，S属于车辆的相关参数，可用经验公式计算，本发明进行查表获取；tw表示制动鼓外表面的温度，单位是℃， tw为温度检测单元1检测到的车辆的制动器外表面温度信息T1；tf表示外掠流体的温度，单位是℃，tf属于道路环境参数，其可由K型热电偶11实时采集到的气体介质以及固体的表面温度获得。
[0063] 在一个实施例中，制动鼓与轮辋之间的辐射散热量Q3的计算公式表示为式(4)：
[0064] Q3＝Ra1S1-θ1，2Ra2S2 (4)
[0065] 式(4)中，S1表示制动鼓的外表面面积，单位是m2；S2表示轮辋的内表面面积，单位是m2，S1属于制动器的相关参数；Ra1表示制动鼓外表面的有效辐射，单位是单位时间离开单位面积的总辐射
能量，包括表面本身的辐射和反射辐射两部分， S2属于车辆的物理参数；Ra2表示轮辋内表面的有效辐射，单位是单位时间离开单位面积的总辐射能量，包括表面本身的辐射和反射辐射两部分，W/m2；θ1，2表示辐射换热角系数，θ1，2代表离开制动鼓的外表面的总辐射能量到达轮辋的内表面的那部分能量所占的分率。
[0066] 由于上述实施例在制动器的温度变化量的计算公式中同时将坡度、坡长、大货车
载荷、制动方式均作为动态因素考虑；利用制动器热衰减的评价指标，得到各路段的制动器温度值，对于我国长大下坡的安全
风险分级、避险车道的设置、长直线+小半径、纵坡组合、平均纵坡和坡长的设计指标提出新的研究思路，更好地保障了道路运行安全。
[0067] 在一个实施例中，所述温度检测单元1包括K型热电偶11和红外热成像设备12。其中：
[0068] K型热电偶11安装在货车制动器上方
支架与轴连接处，该安装
位置不仅有利于转却获取制动器的温度信息，而且不会对制动器的强度和性能造成影响。 K型热电偶11用于实时采集车辆的制动器外表面的温度，还可以直接测量气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶11在车辆正常行驶的情形下开启，由K型热电偶11检测制动器外表面温度信息T1。制动器外表面温度信息T1 作为所述制动器工作温度信息T2。
[0069] 红外热成像设备12安装在货车制动器上方支架与轴连接处，在车辆频繁制动或长时间处于制动状态的情形下开启，由红外热成像设备12检测制动器外表面温度信息T1，并获得所述制动器工作温度信息T2。具体地，红外热成像设备12对长下坡路段的货车制动器进行扫描，获得制动器外表面的温度图像，并将制动器外表面的温度图像输出给红外热成像设备12内的热分析
软件。热分析软件用于根据制动器外表面的温度图像，获得制动器外表面的
指定点或面的温度数据，并计算得到车辆的制动器内表面的温度，制动器内表面的温度即可以理解为制动器工作温度T2。
[0070] 由于制动器的内表面温度难以直接测量，而本实施例将工况分为正常行驶情形和车辆频繁制动或长时间处于制动状态的情形，根据不同的情形获取制动器工作温度，而且，制动器工作温度是以制动器内表面的温度为标准，这为提高车辆行驶过程中速度变化监测准确度提供了有利条件。
[0071] 如图6和图7所示，在一个实施例中，温控反馈单元3包括淋水箱控制阀 31、流水管组件32和淋水喷头33，流水管组件32连接水箱和淋水喷头33，淋水喷头33布置在制动器的制动鼓71的上方，且开口朝所述制动鼓71设置。淋水箱控制阀31设于流水管组件32上，控制所述水箱与淋水喷头33的流体连通或关断。在制动器工作温度信息T2达到所述设定温度阈值的情形下，淋水箱控制阀31控制所述水箱和淋水喷头33的流体连通，使所述水箱中的液体经由淋水喷头33淋洒在所述制动鼓的外表面。
[0072] 如图7所示，在制动底板总成或制动器防尘罩73上
焊接一
凸焊螺栓34，凸焊螺栓34通过
弹簧垫圈35和
螺母36固定连接一安装板，该安装板上固定流水管组件32。流水管组件32的一端通过胶管与水箱(图中未示出)相连，另一端连接淋水喷头33，淋水喷头33布置在制动鼓71的上方。流水管组件 32只要对准制动鼓71能够浇水即可，最好倾斜，但不需要有特定角度约束，固定在制动底板总成或制动器防尘罩73的上端，通过安装的垫板孔穿过进行约束。流水管组件32可以直接从市面购买。
[0073] 本实施例工作时，K型热电偶11将制动器工作温度T2输送给淋水箱控制阀31，同时，通过无线通信方式(比如：ZigBee无线通信技术)将道路状况信息输送给车载控制器6，车载控制器6可以将制动器工作温度T2在本地通过车载显示屏进行显示，这样，驾驶者能够看到制动器温度的变化情况。车载控制器6中的单片机还对制动器工作温度T2的高低进行判断，在制动器工作温度信息T2达到设定温度阈值的情形下，控制淋水箱控制阀31打开，所述水箱和淋水喷头33的流体连通，使所述水箱中的液体经由淋水喷头33淋洒在所述制动鼓71的外表面，对制动鼓71进行冷却降温，确保制动性能的
稳定性和行车安全。在制动器工作温度信息T2低于设定温度阈值的情形下，控制淋水箱控制阀31关断，所述水箱和淋水喷头
33无法流体连通。本实施例不再使用手动淋水，且不再利用
缓速器，来减少制动磨损等，而是通过温控监测输入
信号至淋水
开关，在使用方便性，实用性方面都能够有效提高，及时降温，避免制动器热过损以及导致交通事故的发生。
[0074] 除了上述实施例给出的利用淋水方式对制动器进行降温之外，还可以在温控反馈单元的控制
电路上加入一个自动延时开关，使淋水器在制动结束后还可继续向制动鼓内吹风，可加快制动鼓散热降温速度，并可控制淋水器在制动结束后继续工作一段时间后自动停止工作，以减少货车供电系统的负荷，节约
能源，避免淋水系统的无效工作。
[0075] 在一个实施例中，所述车辆制动器温控装置还包括语音报警器5，比如蜂鸣器。制动器工作温度信息T2和所述温度变化量△T经由温度检测单元1传输给车载控制器6，再由车载控制器6传输给语音报警器5和车载显示屏，在所述制动器工作温度信息T2达到所述设定温度阈值的情形下语音报警器5开启，通过语音报警器5发出警报，提醒驾驶员制动器温度过高，达到预警的目的。
[0076] 如图8所示，为验证本发明提出的车辆制动器温控装置内置
算法和逻辑的正确性，通过设置试验来进行论证。试验主要包括鼓式制动器温降台架试验和道路试验，其试验目的分别为：
[0077] (1)为了获得制动鼓的降温曲线，进而对降温结果进行对比，分析产生误差的原因，互相验证。
[0078] (2)为研究车辆制动时制动鼓温度场的变化规律提供试验数据。
[0079] 试验选用EQ1208载货车辆后桥鼓式制动器作为研究对象，研究制动鼓在不同制动工况下的温降规律。试验设计思路就是在不同车速，不同环境温度下的试验初始条件下测得制动鼓的温降数据。车速对应的转速是不相同的，本次试验主要模拟以起始车速30km/h，40km/h，50km/h，60km/h匀速行驶在长大下坡路段制动过程间隙的降温情况。
发动机转速以在台架试验上的测得的实际转速为准，将试验测得制动鼓内外温度数据
整理，对数据进行处理，绘制制动鼓外表面降温过程的温度随制动时间的变化曲线，由于数据比较多，并且在不同制动工况结束后，鼓式制动器外表面的温度变化的趋势是相同的，在此以50km/h(原设计车速是45km/h)的车速为例，取一次制动鼓外表面试验数据，整理出该数据，其温度随时间的变化曲线。同理，做出在同一车速下其余次的制动鼓外表面的温降变化，然后根据数据处理的原则，和误差点剔出的方法，得到制动鼓红外线平均曲线，为了和制动鼓温降仿真模型作对比，以300℃为其最高起始温度截取，从而得到车50km/h、最高起始温度为300℃的制动鼓红外线平均曲线如图8所示。可以看出本发明温控算法监控下测出的温度随时间变化符合要求，并能准确预测。
[0080] 最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
