张明　高志彬　陈守佳　郝大亮　蒋红敏

摘 要：货车在长下坡和重载运输时频繁制动使制动器温度急剧升高，制动系统失效引发事故。根据对市场制动系统辅助装置的实际调研，兼顾经济性与实用性，设计一种以微控制器为控制单元，水冷与风冷相结合的智能辅助制动冷却系统。驾驶员控制台选择的运行工况和冷却装置及制动盘温度作为控制系统输入量，应用神经网络PID控制动态调整水流量、风速和工作时长，在保证制动效率和驾驶安全性的同时，延长制动盘的使用寿命。关键词：BP神经网络;制动器;PID温度控制;冷却系统;雾化喷水中图分类号：U462.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-114-03

Abstract： The high frequency brake increases the brake temperature sharply during the long downhill course of the truck， and the brake system is liable to fail and cause accidents.According to the actual demand of the market for the auxiliary device of the braking system， an intelligent water-jet cooling system for the brake is designed， which takes the microcont -roller as the control unit， the brake disc temperature as the input of the control system， and USES the neural network（NN） PID to control and dynamically adjust the water jet flow， so that the brake temperature tends to the critical value set by the system.Extend the service life of the brake disc， improve driving safety and braking efficiency.Keywords： BP NN; Brake; PID temperature control; Cooling system; Atomizing sprayCLC NO.： U462.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-114-03

1 引文

制动系统对货车特别是挂车型重载货车的安全运行发挥至关重要的作用，响应驾驶员的制动激励，通过反向摩擦力将动能转化为热能，以控制运动速度。货车在持续制动过程中产生的热量取决于车辆质量、减速率和制动操作频率，尤其是在车速过快或车辆重载使得车辆动能增大情况下，制动器在单位时间内产生巨大热能导致制动器温度升高。

实验表明[1]在制动接合的瞬间其温度迅速升高至150℃。当制动器的温度高于某一临界值，制动部件材料和制动结构的微观特性可能发生变化，材料的摩擦系数降低，摩擦力大幅下降;制动鼓和衬片之间逐渐形成一层润滑层，会使制动踏板在制动操作中感到松软;制动蹄片和轮鼓在高温影响下较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰退和振抖现象[2]，引起制动效率下降;制动系统中的高温也会导致热磨损问题，制动器衬片过热会引起一些化学反应，形成机械强度损失;此外，高温还会对制动鼓产生热应力，热应力和机械强度的损失将导致热磨损的逐渐增加，通常由表面点蚀、划痕演变为重度磨损，热磨损效应将导致制动部件过早失效。

通过自然对流進行传递可以散失部分热量，但在制动器高温且持续工作时，有必要采用更快的散热技术。目前货车驾驶员流行的制动策略存在以下问题：通过加大制动气路的过气量使制动鼓承受更大作用力，然而破坏其机械强度;强化挂车制动同时削弱主车制动，使挂车制动鼓负荷过大，同样容易导致制动器过早失效;采用无智能控制的普通水冷系统辅助制动装置，固定流量的持续淋水不仅造成水资源浪费，在冬季多余水分洒落路面结冰还会造成安全隐患，且加水后水箱自重大，降低载货量。因此有必要设计一种基于智能控制风冷与水冷结合的制动系统辅助装置来降低制动能量保证行车安全。

2 系统设计

2.1 总体设计

制动冷却系统主要组成硬件有STC89C52型微控制器[3]、红外温度传感器、液位传感器、继电器、电磁阀、高压水泵、水雾喷头、橡胶软管、水箱、直流风机和安装在驾驶室的显示屏、选择运行工况与冷却装置的控制台。驾驶员踩下制动踏板时触发制动冷却系统开关。

驾驶员可以通过控制台实时显示的系统工作状态和水箱水位及实际情况，合理选择风冷与水冷两套冷却装置。

为解决货车在下坡路段进行停车制动过程中因制动时间与距离过长及制动器的工作负荷而导致制动系统失效的问题，增强制动系统辅助装置的使用效能，针对长下坡和重载特殊行车工况，在控制台设置下坡与重载两个运行工况选择按键。驾驶员可以根据温度传感器持续反馈的温度信息，选择不同运行工况模式提高辅助制动系统效能。根据运行工况和冷却装置选择及红外温度传感器探测到的制动器温度，利用神经网络PID控制理论输出控制信号，动态调整喷水器水流量、风机风速和工作时长使制动器冷却降温。当检测到制动器温度过高超过系统调节能力可能造成制动系统失效时，冷却系统在保持工作的同时发出建议停车的安全提示信息。

图1  制动冷却系统控制电路

通过电磁阀和继电器控制喷水开关，采用微型电动高压水泵控制水箱出水，出水管口处加装滤芯，防止杂质堵塞淋水喷头，选用雾化喷头提高对水的利用率，合理布局喷头使其尽可能向整个制动鼓表面淋水，喷头的安装位置应避免影响换胎操作。

固然水冷具有很好的散热能力，但当水与制动鼓和制动衬片的摩擦面接触，水将起到润滑剂的作用，减少制动部件之间的摩擦力，部分地区限制使用喷水降温，因此制动冷却系统还包括风冷装置。货车的运行速度较低，因此通过空气动力学设计外形，加快制动鼓空气流速进行自然对流散热的方法并不能取得显著效果，选用经过特殊叶片和出风口设计的直流高压风机增加空气流速。风机出风口与制动鼓夹角的安装角度不超过15°以达到最好的风冷降温效能。

2.2 控制策略

由于外界环境温度和路面状况，以及制动频率和行驶状态的影响，无法准确建立制动器的温度调节的温度变化数学模型。PID控制是一种经过长期工程实践的控制策略，广泛应用于存在时变性和非线性的温度控制。神经网络模仿生物神经系统以多个神经元为节点组成拓扑结构网络，在非线性和不确定性控制系統设计中表现出良好的实时性和鲁棒性[4]。构建仅有一层隐含层的三层网络利用反向传播算法（BP算法）的神经网络，传感器采集的制动器温度经输入端传入控制器，检测温度高于临界值时，实际输出与期待输出的误差值[5]沿网络各层向输入层逆向传输，各层沿函数自变量下降最快的负梯度方向计算误差信息修改权值动态调整PID控制器的比例P、微分I、积分D参数，实输出控制信号的调节喷水量和喷水时间。

BP神经网络自主训练学习过程如下：

①初始化权值，制动器检测温度归一化处理，提供训练样本，即输入量与期望输出。

②前向传递计算隐含层和输出层神经元的输出[6]。定义神经元第p次迭代时当前层第j个神经元的净输入netpj与输入值yapi、权值wij与阈值θpj的关系式为：

⑤若神经网络训练误差值尚未满足误差容限，则重复迭代过程。

利用Matlab训练神经网络，将训练完成的神经网络权值和阈值通过“Fixed-point Tool”浮点数定点转换为整形数，“Code Generation”生成代码导入微控制器[8]。

3 结论

制动冷却系统基于运输工况和冷却装置选择的控制方式解决了货车在长下坡路段和大重载运输时制动器失效的

难题。

水冷与风冷相结合的方式使冷却系统的降温效果更加显著，适用性更强。雾化喷水提高了水资源利用率，避免冬季多余水流造成路面结冰为后车造成安全隐患，驾驶员实现温度和水位监测，掌握行车状态，特别是在制动器温度迅速升高时可以有效做出风险规避。

参考文献

[1] 佟廷友.基于ANSYS汽车鼓式制动器的有限元分析[J].装备制造技术，2016（11）：237-239.

[2] 孙蛟.车辆制动系统的研究与CAD[D].上海：同济大学，2006：63-65.

[3] 陈富坚，郑峰，徐培培.基于货车制动安全的公路长大下坡可靠性设计方法[J].北京工业大学学报，2017，43（07）：1100-1107.

[4] 夏阳，陆余良.基于人工神经网络的主机安全量化评估研究[J].计算机工程与设计，2005（06）：1478-1480.

[5] 冯玉婷. 基于云平台的胎儿体征信号数据挖掘的研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2018.

[6] 张宝堃，张宝一.基于BP神经网络的非线性函数拟合[J].电脑知识与技术，2012，8（27）：6579-6583.

[7] 江永红.深入浅出人工神经网络[M].北京：人民邮电出版社，2019.6： 108-113.

[8] 郑峰.基于货车制动安全的公路长大下坡可靠性设计方法研究[C].桂林：桂林电子科技大学，2016：52-53.