一种温度可控的强制风冷型鼓式制动装置

楚社民

（武警士官学校，浙江 杭州311400）

汽车制动性能的好坏直接影响到车辆行驶的安全性，当汽车行驶在各种复杂的道路上尤其是在高山地形时，路程远、时间长、负载重，如车辆行驶在川藏线、秦岭、新疆的达坂公路等，驾驶员需要连续多次使用制动减速或制动，容易造成制动毂发热，制动蹄片烧蚀、冒烟等，制动毂过热，会将热量传给轮毂轴承，造成轮毂轴承的润滑脂变质，破坏润滑，造成轴承的早期损坏。此类问题如不及时解决，直接影响人的生命安全。为防止制动器温度过高，一些车辆在制动毂附近加装了水箱淋水装置，过热时向制动毂喷水以降低温度，能够起到降温的作用。但由于制动毂属于金属材料用水降温后容易出现变形、裂缝等现象，制动蹄片为石棉压制而成，受热用水冷却后容易老化、硬化、打滑，直接影响到车辆的安全性能。而且加装淋水器，体积大，车重增加，惯性增大，需要更大的制动力。行驶一段时间后还需要补充冷却水，且散热后的水流到路面过程中冬季气温在0℃以下，会被车轮打起形成水雾，车队行驶过程中会影响后车的驾驶视野，严重时会使路面结冰，直接影响后面车辆的正常行驶。为此，设计柴油运兵车温度可控风冷制动装置，用随车24V电瓶带动四个电机强力风扇向每个制动毂引入三根小管吹风，以降低制动毂和制动蹄片的温度，不仅不会对制动毂和制动蹄片造成任何损坏，还可安装温度传感器，在温度超过150℃时，风机开始工作，向制动毂和制动蹄片间吹风降温，当温度降至规定温度时风机停转，实现自动控制。此装置持续工作时间长，能够达到冷却、安全、高效的目的，保证车辆良好的制动效能。其特点是：风冷不受天气限制，不用水源，可以无限制使用；从里往外散热，刹车蹄片摩擦下来的粉末能往外排出，提高刹车制动系数；对每一个制动毂进行独立风冷，避免浪费电源或磨损。

1 强制风冷制动毂结构和工作原理

为实现温度可控，轮毂内安装温度传感器，在驾驶室仪表盘上安装显示器。为达到良好的制动性能，在制动毂内侧盖板上沿圆周约120°处分别钻3个直径为10mm的孔。并从风机处分别引三根引风管，形状前大后小呈喇叭状结构，汽车制动时，当制动毂温度超过150℃，电机起动，风机开始工作，向制动毂和制动蹄片间吹风降温，当温度降至规定温度（60℃）以下（或用手摸制动毂其热度应是手能承受的温度），风机停转，实现自动控制。柴油运兵车温度可控风冷制动装置主要由控制单元、工作单元、电源连接单元、液晶显示单元四部分构成。

1.1 控制单元

控制单元为单片机，型号为STM8S105，载波通信PWM波，单片机控制STM32F103，主要管理和监控电流分多段输出，以控制电机转速。见图1、图2。

图1 控制单元设计图

图2 控制单元结构图

1.2 工作单元

工作单元为风冷制冷装置，利用车载电瓶24V电压，进行工作。电机功率60~160W，风量20~34m/h，风压6~10kPa，负载电流2.8~6.8A，主要是对汽车轮毂进行风冷，将轮毂的温度控制在设定范围之内。

工作单元包括固定在轮毂1内侧车轮轴2上的轮毂温度传感器3；轮毂1的内侧还设有风机4，风机4上设有风机转速控制电路14，风机4固定在汽车悬梁5上，风机4上连接有管口朝向轮毂1的排风管6；风机转速控制电路14和轮毂温度传感器3均通过导线7连接有控制单元8，控制单元8连接有汽车电源9，汽车电源9上设有充电检测传感器10，充电检测传感器10与控制单元8相连，控制单元8连接有固定在驾驶室内的人机界面11，见图3。

图3 工作单元示意图

在轮毂旁设一个风机来给轮毂降温，风机的电力由汽车电源提供，轮毂内侧设有轮毂温度传感器，能实时监测轮毂温度，轮毂温度传感器连接控制单元，当轮毂温度传感器监测到轮毂温度达到预定启动温度时，控制单元启动风机，风机对轮毂侧面吹风，对轮毂进行冷却，当轮毂温度传感器检测到的轮毂温度继续升高到警戒值时，控制单元就会提高风机的转速；当轮毂温度降低到预定启动温度以下时，控制单元则关闭风机停止工作；所述控制单元与车内的人机界面连接，在驾驶室能够实时观察轮毂的温度和风机的转速。

1.3 电源连接单元

电源连接单元为直接连接电瓶正、负极进行取电，额定输出电压24V。主要由自动断电保护器、插座、电缆等组成。要求接通电源的线径为5mm2圆体铜芯线，风机电线直径2.5mm2圆体铜芯线，确保用电安全。

1.4 液晶显示单元

液晶显示器为触摸屏式，由STM32F103单片机控制；屏上有设定开关可设定温度参数；具备可视功能，要求可观察温度、风机的转速数值及充电状态。此温度可控风冷制动装置可以将制动轮毂温度实时显示在驾驶室的液晶屏上，当温度超过150℃时，风机开始作业，降低轮毂的温度，当温度降至规定温度时风机停转，实现自动控制，在柴油运兵车上使用，也可在工程机械维修车、军械维修车、野战炊事车上广泛应用。已获得专利二项：车用轮毂风冷系统：专利号201720558933.1；车用轮毂风冷系统的电路结构：专利号201720559005.7。

该强制风冷型制动毂的结构见图4。

图4 强制风冷型制动毂结构示意图

2 制动毂温升试验对比

为检验温度可控强制风冷制动毂散热性能，试验时选用柴油EQ5118G运输汽车，总质量11000kg（空车重量6000kg，载重5000kg）挂5挡以20~25km/h的速度，在坡度约为30°的坡道上行驶，当在液晶显示器上看到制动毂温度达到60℃时开始实验，选择坡长为1km的坡道采取行车制动。采用轮毂温度传感器、充电检测传感器、轮速传感器、STM32F103单片机控制人机界面液晶显示单元；工作单元为风冷制冷装置，利用车载电瓶24V电压进行工作。电机功率60~160W，风量20~34m/h，风压6~10kPa，负载电流2.8~6.8A，用型号为STM8S105，载波通信PWM波的单片机控制，主要管理和监控电流分多段输出，以控制电机转速对汽车轮毂进行风冷，将轮毂的温度控制在设定范围之内。在相同试验路段，对装有强制风冷制动毂和原车制动毂相同型号的车辆分别进行了两次下坡试验[1]。

2.1 强制风冷型制动毂的温度升降分析

第一次试验时，强制风冷制动毂和原车制动毂温度升降试验曲线见图5。第二次试验，强制风冷制动毂和原车制动毂温度升降试验曲线见图6。图5和图6中的X为车辆下坡过程中试验对应点的位移，Y为制动毂对应点的温度。

图5 第一次强制风冷制动毂和原车制动毂温度升降试验曲线

由图5和图6可看出，第一次下坡时实验时，原制动毂温度由80.8℃升至150.72℃，强制风冷制动毂温度由82.3℃升至148.52℃开始下降到133.50℃，强制风冷制动毂比原车制动毂的最高温度降低约17.22℃。第二次下坡实验时，原车制动毂温度由86.22℃升至155.41℃，强制风冷制动毂温度由87.1℃升至150.63℃开始下降到138.22℃，强制风冷制动毂比原车制动毂的最高温度降低约17.19℃。由此可见，在同样条件下，强制风冷制动毂比原车制动毂温度的上升得到了很好的控制，散热性能大大改善，两次实验平均温度可降低17℃左右，提高了柴油运兵汽车长时间在连续下坡时车辆制动的安全性[2]。

图6 第二次强制风冷制动毂和原车制动毂温度升降试验曲线

3 结论

在相同的条件下，通过对强制风冷式制动毂与原车制动毂温度升降试验对比表明，加装引风管的强制风冷型制动毂在温度接近150℃时，风机开始工作，降低轮毂的温度，当温度降至规定温度时风机停转，在显示屏上可看到其温度变化，实现自动控制，制动最高温度比原车制度温度平均降低约17℃ ，散热功能提高很快；此新型制动毂结构和降温原理简单，在制动毂后盖板上钻孔不影响制动毂的强度和刚度，安全性能可充分保证，可在大型柴油运输车上得到很好的推广应用。