【正文】 動(dòng) 1520次，最后轎車制動(dòng)器溫度可升至 250270℃，重型貨車為 170200℃，前者是由于最高車速高，導(dǎo)致制動(dòng)器溫升相對(duì)較快。這里以轎車為例計(jì)算制動(dòng)鼓的溫升。某轎車的裝備質(zhì)量為 1470kg，其單個(gè)制動(dòng)鼓的質(zhì)量為 15 kg，初始溫度為 20℃，最高設(shè)計(jì)車速為150km/h，通過(guò)換算 V0==33 m/s， V1= Vmax=17 m/s，設(shè)定制動(dòng)間隔時(shí)間為 45s，制動(dòng)減速度為 3m/s2，計(jì)算制動(dòng)時(shí)間為： T=(V0V1)/a= 又由能量守恒定律： 176。 1/2Mv021/2Mv12=Q=588kJ 通過(guò)實(shí)例分析可以得出制動(dòng)器生熱量主要由制動(dòng)前車速和車輛總質(zhì)量決定，另外，制動(dòng)時(shí) 間也是重要因素 ,實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)間隔時(shí)間約為 20s。 第 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 動(dòng)生熱主要是摩擦片與制動(dòng)鼓摩擦引起的，然而直接冷卻摩擦片難以實(shí)現(xiàn)，所以在本課題的研究中，用采集摩擦片的表面溫度，并用冷卻制動(dòng)鼓外風(fēng)冷片的方式來(lái)間接冷卻摩擦片。冷卻系統(tǒng)原理：制動(dòng)踏板制動(dòng)信號(hào)采集器根據(jù)制動(dòng)踏板狀態(tài)對(duì)冷卻系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)， 半導(dǎo)體制冷片 接收電流并產(chǎn)生制冷效 應(yīng)，電動(dòng)機(jī) 帶動(dòng)風(fēng)扇鼓風(fēng)，冷卻氣流流經(jīng)制動(dòng)鼓 ，帶走制動(dòng)產(chǎn)生的熱量，為制動(dòng) 器產(chǎn)生冷卻效應(yīng)。 當(dāng)制動(dòng)踏板動(dòng)作傳感器接收到制動(dòng)踏板動(dòng)作信號(hào)，控制半導(dǎo)體制冷片電路通電。同時(shí)制動(dòng)器由于制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓摩擦，將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，釋放熱量，溫度產(chǎn)生變化。制動(dòng)器溫度傳感器檢測(cè)溫度變化，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)鼓風(fēng)產(chǎn)生氣流，流經(jīng)通電的半導(dǎo)體制冷片，氣流溫度下降。冷卻氣流在流經(jīng)制動(dòng)鼓外的風(fēng)冷翅片，發(fā)生熱交換，制動(dòng)鼓溫度下降。制動(dòng)器溫度傳感器再次感知制動(dòng)器溫度，從而達(dá)到閉環(huán)控制，直至制動(dòng)器溫度達(dá)到設(shè)定值。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 冷卻系統(tǒng)工作圖 熱電偶溫度傳感器把測(cè)得的制動(dòng) 鼓 的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)低噪音、低漂移、單電源放大運(yùn)算器將此電壓信號(hào)放大，然后，經(jīng)與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果設(shè)定值小于采集到的信號(hào)值， 則 發(fā)出命令，使 電動(dòng)機(jī) 動(dòng)作，對(duì)制動(dòng) 鼓鼓風(fēng) 降溫。當(dāng)制動(dòng) 鼓 溫度低于設(shè)定值 ， 不發(fā)出信號(hào) 電動(dòng)機(jī) 不動(dòng)作。 制動(dòng)鼓溫度 傳感器的選擇及安裝位置的確定針對(duì)制動(dòng)溫度變化范圍及制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇了熱電偶作為溫度檢測(cè)傳感器。由于在汽車行使過(guò)程中，制動(dòng) 鼓 是在轉(zhuǎn)動(dòng)的。故采集溫度信號(hào)的溫度傳感器（因熱電偶回路需接入導(dǎo)線和測(cè)量?jī)x表）不能直接 安裝在制動(dòng) 鼓 上。因此熱電偶只能安裝在既能夠較精確的檢測(cè)到制動(dòng) 鼓 的溫度變化，又不隨制動(dòng) 鼓 一起轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，經(jīng)過(guò)比較分析，將熱電偶溫度傳感器安裝在制動(dòng)輪缸上端，距離制動(dòng) 鼓 工作表面（即內(nèi)圓面）非常接近，但又不能與制動(dòng)轂接觸。因?yàn)楣氖街苿?dòng)器的內(nèi)部是封閉的，制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不能較快散逸，而熱電偶傳感器與制動(dòng) 鼓 工作表面非常接近，所以能夠較精確的檢測(cè)出制動(dòng) 鼓 上的溫度。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 傳感器信號(hào) 由 3． 2冷卻系統(tǒng)散熱定量分析 中得到的結(jié)論， 鼓式制動(dòng)器的溫度不宜超過(guò)250℃。而經(jīng)過(guò)數(shù)次制動(dòng)之后，制動(dòng)器平均溫度大致達(dá)到 300℃。 所以在制動(dòng)器達(dá)到 250℃ 之前， 冷卻系統(tǒng)就應(yīng)該進(jìn)行預(yù)冷卻。 將冷卻系工作溫度設(shè)定值設(shè)定為200℃ 。 在溫度信號(hào)輸入 CPU， CPU通過(guò)的信號(hào)及設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算，從而發(fā)出指令到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，控制轉(zhuǎn)速，改變鼓風(fēng)量。系統(tǒng) CPU由單片機(jī)充當(dāng)。 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一 個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 圖 單片機(jī) 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 單片機(jī)輸出電壓信號(hào)至電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是通過(guò) 調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方法容易實(shí)現(xiàn)平滑、無(wú)級(jí)、寬范圍、低損耗的要求 。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器將輸入的 電壓信號(hào)后根據(jù)調(diào)理電路和放大電路將其變成電阻值 ，改變流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流值，從而產(chǎn)生變頻調(diào)速作用。 適時(shí)適量的冷卻氣流流經(jīng)加裝在制動(dòng)器外壁的風(fēng)冷翅片。 采用 風(fēng)冷翅片 散熱器 ， 將制動(dòng)器發(fā)熱量直接傳導(dǎo)到更大面積的翅片上，然后借助 冷卻 空氣，將熱量散發(fā)至周圍環(huán)境的空氣中，散熱器上的散熱片 (翅片 )提供了換熱的擴(kuò)展表面。 第 制 冷材料性質(zhì)分析 在冷卻系統(tǒng)中，制冷部件主要依靠半導(dǎo)體制冷片。 半導(dǎo)體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱 泵 。它的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有滑動(dòng)部件，應(yīng)用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無(wú)制冷劑污染的場(chǎng)合。利用 半導(dǎo)體 材料的 Peltier 效應(yīng)，當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高。 半導(dǎo)體熱電偶由 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體組成。 N 型材料有多余的電子，有負(fù)溫差電勢(shì)。 P 型材料電子不足，有正溫差電勢(shì)；當(dāng)電子 從 P 型穿過(guò)結(jié)點(diǎn)至 N型時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量。相反，當(dāng)電子從 N 型流至 P 型材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度就會(huì)升高。直接接觸的熱電偶電路在實(shí)際應(yīng)用中不可用，所以用 另外的 連接方法來(lái)代替，實(shí)驗(yàn)證明，在溫差電路中引入第三種材料（銅連接片和導(dǎo)線）不會(huì)改變電路的特性。這樣，半導(dǎo)體元件可以用各種不同的連接方法來(lái)滿足使用者的要求。把一個(gè) P 型半導(dǎo)體元件和一個(gè) N 型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成一對(duì)熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在接頭處，電流方向是從 N 至 P，溫度下降并且吸熱，這就是 冷端；而在 另 一個(gè)接頭處，電流方向是從 P 至 N，溫度上升并且放熱，因此是熱端。 因此是半導(dǎo)體致冷片由許多 N型和 P 型半導(dǎo)體之顆?；ハ嗯帕卸?，而 N／ P 之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來(lái)，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好，外觀如 圖 所示 。 半導(dǎo)體制冷片作為特種冷源，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)： 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒(méi)有污染源沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒(méi)有滑動(dòng)部件是一種固體片件，工作時(shí)沒(méi)有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)，安裝容易。 半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠(yuǎn)大于 1。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。 半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過(guò)輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測(cè)和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。 半導(dǎo)體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差。 半導(dǎo)體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電，半導(dǎo)體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。 半導(dǎo)體制冷片的單個(gè)制冷元件對(duì)的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬(wàn)瓦的范圍。 半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍，從正溫 90℃到負(fù)溫度 130℃都可以實(shí)現(xiàn)。 圖 半導(dǎo)體制冷片 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 第 風(fēng)冷翅片性質(zhì)分析 冷卻系的主要功用是把受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證 零件 在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。 該 冷卻系冷卻介質(zhì)為 冷卻空氣 ， 是風(fēng)冷卻系。 在強(qiáng)制風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為增強(qiáng)風(fēng)冷效果，采取的措施是增加冷卻氣流 與熱源的接觸面積及時(shí)間。所以本系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)制動(dòng)鼓加裝風(fēng)冷翅片，使摩擦產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至風(fēng)冷翅片，冷卻氣流與風(fēng)冷翅片的接觸面積將比直接冷卻制動(dòng)鼓增加數(shù)倍。 采用 風(fēng)冷翅片 散熱器的目的在于將制動(dòng)器發(fā)熱量直接傳導(dǎo)到更大面積的翅片上，然后借助強(qiáng)迫空氣冷卻，將熱量散發(fā)至周圍環(huán)境的空氣中，散熱器上的散熱片 (翅片 )提供了換熱的擴(kuò)展表面。 雖然風(fēng)冷散熱器中“風(fēng)”起著至關(guān)重要的作用，但沒(méi)有優(yōu)秀的散熱片作為基礎(chǔ)，“風(fēng)力”則無(wú)從發(fā)揮?？梢哉f(shuō)，散熱片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、制作工藝對(duì)風(fēng)冷散熱器的性能起著決定性的作用，也是判斷風(fēng)冷散熱器性 能時(shí)需要注意的第一要素。 散熱片擔(dān)負(fù)著將發(fā)熱物體產(chǎn)生的熱量散失到周圍空氣中的使命，是風(fēng)冷散熱器中的熱量傳導(dǎo)通道。其主要作用有三： —— 吸收體積、面積較小的發(fā)熱物體的熱量，令其不致因熱量堆積而溫度急劇升高，導(dǎo)致各種不希望看到的后果； —— 將吸收的熱量在內(nèi)部傳導(dǎo)到散熱片的各個(gè)部分，充分利用較大的熱容量與表面積； —— 通過(guò)表面的各種熱交換途徑（主要是熱對(duì)流）將熱量散失到空氣之中（可配合風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流）； 此三種主要作用互相配合，形成一套完整的散熱途徑。其中任何一種作用無(wú)法發(fā)揮，或未完全發(fā) 揮，都可能導(dǎo)致散熱性能的大幅降低，甚至完全喪失。 吸熱設(shè)計(jì)： 散熱片的吸熱效果主要取決于散熱片與發(fā)熱物體接觸部分的吸熱底設(shè)計(jì)。性能優(yōu)秀的散熱片，其吸熱底應(yīng)滿足四個(gè)要求：吸熱快、儲(chǔ)熱多、熱阻小、去熱快。吸熱快，即吸熱底與發(fā)熱設(shè)備間熱阻小，可以迅速的吸收其產(chǎn)生的熱量。 為了達(dá)到這種效果，就要求吸熱底與發(fā)熱設(shè)備結(jié)合盡量緊密，令金屬材料與發(fā)熱設(shè)備直接接觸，最好能夠不留任何空隙。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 儲(chǔ)熱多，即在去熱不良的狀態(tài)下，可以吸收較多的熱量而自身溫度升高較少。 提出此要求的目的是為了應(yīng)付發(fā)熱設(shè)備功率突然提升，或風(fēng)扇停轉(zhuǎn)等散熱器性 能突然喪失的狀況。此類狀況中，如果散熱片吸熱底沒(méi)有一定的儲(chǔ)熱能力作為熱量的緩沖，散熱片與發(fā)熱設(shè)備本身的溫度都會(huì)迅速升高，輕則由于溫度的迅速變化加快設(shè)備老化，重則未能及時(shí)發(fā)動(dòng)過(guò)溫保護(hù)機(jī)制導(dǎo)致設(shè)備燒毀。因此，散熱片的儲(chǔ)熱能力就是其抑制發(fā)熱設(shè)備溫度激增的能力，對(duì)散熱效果并沒(méi)有直接的影響。 熱阻小，即傳導(dǎo)相同功率熱量時(shí)，吸熱底與發(fā)熱設(shè)備及鰭片兩個(gè)介面間的溫差小。 散熱片的整體熱阻就是由與發(fā)熱設(shè)備的接觸面開(kāi)始逐層累計(jì)而來(lái)，吸熱底內(nèi)部的熱傳導(dǎo)阻抗是其中不可忽視的一部分。由于計(jì)算機(jī)風(fēng)冷散熱器所針對(duì)的發(fā)熱設(shè)備通常體積較小， 為了將吸收的熱量有效地傳導(dǎo)到盡量多的鰭片上，因此還需要吸熱底有較好的橫向熱傳導(dǎo)能力。 去熱快，即能夠?qū)陌l(fā)熱設(shè)備吸收的熱量迅速的傳導(dǎo)到鰭片部分，進(jìn)而散失。 本系統(tǒng)風(fēng)冷翅片采用環(huán)形設(shè)計(jì)。翅 片套在 制動(dòng)鼓 外側(cè)的環(huán)形 結(jié)構(gòu) ，并通過(guò)熱管與吸熱底相連，就得到了這種獨(dú)特的環(huán)形片狀鰭片設(shè)計(jì)。 風(fēng)冷翅片 均勻分布，有效利用眾多 翅 片的較大表面積進(jìn)行熱交換。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 第四 章 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及圖紙 第 電動(dòng)機(jī)的選定 根據(jù)使用環(huán)境來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式 : ，由于工作環(huán)境粉塵較 多，所以采用封閉式電動(dòng)機(jī) 。 ,盡量采用濕熱帶型電動(dòng)機(jī) 。 ,應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度 ,選用相應(yīng)絕緣等級(jí)的電動(dòng)機(jī) ,并加強(qiáng)通風(fēng)改善電動(dòng)機(jī)工作條件 。 根據(jù)實(shí)際工況選擇電動(dòng)機(jī)類型 : 冷卻系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)需要恒功率調(diào)速 ,宜選用直流變頻電動(dòng)機(jī)。 變頻電動(dòng)機(jī)是變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的統(tǒng)稱。實(shí)際上為變頻器設(shè)計(jì)的電機(jī)為變頻專用電機(jī)，電機(jī)可以在變頻器的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速與扭矩，以適應(yīng)負(fù)載的需求變化。變頻電動(dòng)機(jī)由傳統(tǒng)的鼠籠式電動(dòng)機(jī)發(fā)展而來(lái)，把傳統(tǒng)的電機(jī)風(fēng)機(jī)改為獨(dú)立出來(lái)的風(fēng) 機(jī)，并且提高了電機(jī)繞組的絕緣性能。在要求不高的場(chǎng)合如小功率和頻率在額定工作頻率工作情況下，可