矿用车冷却系统电子风扇控制器设计和实现论文设计

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1、绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景矿车是采矿和运输必不可少的交通运输工具，具有方便、实用、经济的优点，它满足了矿产运输环境的特殊要求，结构简单，易于制造和维护。与私家车相比，矿山车的不同之处在于它们可以在恶劣的环境下工作并满足特殊的运输需求。私家车冷却系统可以自给自足，而矿车的冷却系统是冷却的，但是由于矿车的大量和频繁的运输，它不能适当地发挥冷却作用，因此我们分析了“矿车的冷却系统”。1.1.2 研究意义冷却系统能使加热部件的热量及时的散出去，使发动机能够正常的运行，燃烧时会有异常发生，机油会因机盖的热疲劳产生的裂纹等而劣化，燃烧或增加零件的摩擦与磨损，总的来说，可靠性和经济性也会

2、随之下降。在冬天温度很低的时候，需要很长一段时间对发动机进行预热才能启动发动机，从而把整车的燃油经济性都降低了。因此，本文选择一款电子风扇对其控制系统进行设计，从而增强此类车的冷却效果，提高工作效率。1.2 冷却系统的现状1.2.1 国内研究现状传统冷却系统在国内矿用自卸车的发动机上的应用最为广泛。只能通过冷却系统的设计来改变，而不会因为发动机自身的散热器而进行调节，如果发动机因为速度大负荷工作的时候，发动机就会为其而出现过热的情况；发动机速度过高或者负荷不是很大的时候工作，发动机的冷却能力可能就会因此而产生严重的过剩，会导致发动机的预热过慢，传热的时候损失将会增多，造成燃料过多的浪费。1.2

3、.2 国外研究现状近年来，在国外大部分类似的车辆发动机冷却系统采用的都是冷却闭环系统，随着科技的进步，有些车辆的发动机还配有冷却剂的温度测试以及液位监测仪等设备，这种监测仪器的装置是根据温度、氧传感器和信号转换的电路所组成的。在汽车发动机冷却系统中，世界上第二大汽车零部件制造商Weston提出了一种精密冷却系统的设计，这种系统可以代替传统的冷却风扇。电磁阀的出现替代了传统风扇， ECU通过冷却液温度的信号来控制电动风扇工作时候的速度，风扇速度的打开和关闭来控制发动机的温度，使发动机的温度一直保持在一定的范围内，以免发动机的水温太高或太低致使发动机因此损坏，与此同时减少燃油消耗。1.3 研究内容

4、本文主要研究的是改善矿用自卸车冷却风扇的问题，与此同时，选择一款新的电子风扇，设计它的控制系统，优化其冷却系统，使此类车在运输过程中，冷却系统的得明显的优化，大大的提高了矿车的工作效率，具体如下：（1）根据传统风扇的不足选择一款新的电子风扇，并且对所选的电子风扇进行研究和分析。（2）对矿用自卸车TL855的冷却系统电子风扇进行计算，根据冷却系统的相关公式计算出此电子风扇的转速，并为其选择一款合适的电机，并针对此电子风扇设计出一款控制装置。（3）并将设计出的电子风扇控制装置进行装车实验，将数据统计出来进行分析。1.4 创新点及不足本文的创新之处体现在根据所得到的数据，重新选择一款适用于此类矿用车

5、的电子风扇，将之前的传统风扇进行更换为电子风扇，为此提高矿用车在工作时冷却效果，达到相对稳定的工作效率。然而不足之处在于能力有限，好多最新的数据都找不出来，设计的东西也没那么全面，只能用所学的及所了解到的知识来完成此次的设计。2 冷却系统2.1 冷却系统定义及作用2.1.1 冷却系统的定义冷却系统是汽车中不可或缺的，冷却系统能使加热部件的热量及时的散出去，使发动机能够正常的运行，如果发动机的冷却系统出现问题，会导致发动机的工作状态受到影响，若处理不当，还可能会影响发动机的使用寿命。2.1.2 冷却系统的作用冷却系统的主要作用是把零件所吸收的热量放出去一部分，能让发动机在正常的温度下进行工作。冷

6、却系统根据所需的冷却介质不同，分为风冷和水冷，风冷是指发动机直接将所吸收零件中的部分热量直接排入大气中，然而水冷是指所吸收的热量通过冷却水的处理，然后再排出大气中的系统装置。因为水冷的效果比风冷的效果要好，噪音也比风冷的小，所以水冷几乎运用在所有的车辆上。2.2 电子风扇在冷却系统中的作用 在发动机工作的时候会产生很多的热量，热量过多将会导致发动机自身的温度过高，影响着发动机各个零件之间的匹配工况与啮合，导致零件工作状态过低，达不到所需要的要求，如果只是增加发动机的润滑油和所需燃料的温度，会使发动机工作时的工况受到严重的影响。润滑油和容易燃烧的易燃气体会导致发动机工况不稳定。如果发动机进气时所

7、产生的温度过高，进入发动机的空气可能会变的稀薄，这将会影响发动机的工作，发动机周围的组件温度也会升随之高并会因此影响运行特性。因此，需要提高发动机的散热功能，安装电子风扇，用来解决发动机冷却系统温度过高又不能很快散热的问题。所以在水箱内部安装了“冷却风扇”用来降低水温，以保证发动机的水温通常适宜的温度工作范围内。 3 发动机冷却系统中电子风扇的选择3.1 发动机冷却系统参数在设计或者选择冷却系统所使用的部件时，一般情况下都会把流入冷却系统的热量当作最原始的数据，并且根据所得到的数据进行计算，算出冷却系统所需要使用的循环水量以及冷却的空气流量，才能使风扇的设计没有那么麻烦，更加方便。3.1.1

8、散热量车辆在运行的过程中，燃料所燃烧的热量就会被释放出来。热量可分为:冷却剂散发时所产生的热量和通过热量转化为机械能时所产生的废气一起排放到大气中。发动机冷却系统应该散出去的热量即称为散热量(Qw/(kJ/s)，它受到发动机的结构型式、发动机的压缩比和工作时功率的大小等因素影响，很难进行精细的计算。所以此处使用基于统计数据的经验公式，使用同一系列发动机的实际情况参考及测量出的数据进行估算。发动机冷却液带走的热量是:才开始设计的时候，一般采用经验公式进行计算，如下式所示 （2-1）式中:冷却系统在燃烧时所占的百分比，一般情况下取值范围在0.180.25之间，本文取0.25；ge燃料时所消耗的功率

9、，； 发动机工作时的有效功率，kW；燃料最低的热量值，柴油发动机取41870。如果使用水冷式机油散热器，就要增加发动机的散热量，增大10%15%左右。根据公式(2-1)可算出。矿车在正常工作时，各项功能要符合发动机的使用要求，出水温度要在规定的范围内才能进行工作。允许出水口温度在98的时侯进行报警，冷却液最高温度在105的时候只能短时间进行工作。发动机在工作的时候，所散发出热量可能会，因此需要冷却液带走一部分的热量，能保证发动机在发热的状态下依旧能正常的进行工作。3.1.2 冷却水循环流量当计算出发动机的后，可以利用热平衡方程求出所需冷却水的循环量。实际冷却水的循环量为：(2-2) 根据冷却液

10、所带走的热量，用热传递公式(2-3)(热平衡方程) ，根据发动机不同工况下的转速计算出水循环量： (2-3)式中:冷却水循环可以升温的范围在10到15之间，此处温度的变化取值10;水的密度，1000；水的比热容，4.187。根据公式(2-3)求得。实际冷却水算出的循环量为：算出冷却液的循环量，还要考虑到它的密度问题，当冷却液负荷达到条件时，才能保证发动机的各组件才可以达到最佳的发热状态，方可确保发动机能够正常工作。3.2 风阻特性曲线风冷时散热器的冷却系统需要强制通风才能完全的实现冷却性能。一般情况下是根据空气压力与进、出口压力之间所产生的差值所绘制出的静压流量曲线。在同样的压差下空气阻力越小

11、，它的风量就会越大，压力所产生的差也就会越大。内部流场系统包括散热模块和风扇，以及管道和弯头，扩散或收集装置和过滤器等组件，每个物体都会阻挡空气的流通。它表现为静压的下降，出现的所有电阻之和称为系统电阻。在发动机冷却系统中，风扇所产生的冷却气流会受到风管中的冷凝器或者散热器的影响。所以，发动机冷却系统的阻力是冷却空气沿着风道流动时所产生的阻力之和。汽车的发动机冷却系统静压流量曲线如图2-1所示：流量/（m3/h）静压/Pa冷却系统风阻水箱+冷凝器+中冷器+风扇总成水箱+冷凝器+中冷器水箱冷凝器图2-1 汽车发动机冷却系统静压流量曲线3.3 风扇的选型对于不同车型，根据散热器芯的尺寸，结构类型以

12、及风速和通过芯的散热，噪音和效率不同，风扇在选择时种类就很多。之所以选择风扇，是因为风扇的风量能够直接影响空调系统冷凝器换热时的需求量。与此同时，还需尽可能提高风扇的效率，用来降低风扇所产生出的噪音。在优化过程中，知道空间大小和发动机的散热器并确定风扇外围的半径、转速与其他需要的参数以后，选择适合要求的风扇类型。不同风阻下的风扇选择曲线如下图所示。当系统阻力为风阻曲线1时，风扇1与风扇2工作点静压相比之下风扇较大。由于风扇1在该静压力下具有更大的流动性能和更高的效率，因此应选择风扇1。对于风阻曲线2，风扇2更好，应选择风扇2。在实际选择时，要综合考虑不同工作点对要求和噪音的选择。具体如图2-3

13、所示：静压/Pa风阻1风阻2风阻3风阻4流量/（m3/h）图2-3不同风阻下的风扇选型性能曲线图3.3.1 确定风扇与冷却系统的工作点在空气动力学性能测试中，每单位时间的进气量（排量）等于风扇的流量，也可理解为每单位时间内通过风道时所用的气体流量。当冷却风扇工作时，发动机在一定速度运行的运行性能(空气流量，静压)称为风扇的工作点。气体所克服的风管中各种各样阻力的能力用风扇的静压来表示。在性能测试中，进气口的静压力等于风管中各种阻力的总和。只有通过测试才能得出风扇的静压流量曲线，和风扇运行时风道阻力曲线的交点，重合点的地方就是冷却空气的流量。具体如图2-2所示图2-2 风扇与冷却系统工作点曲线图

14、3.3.2 风扇散热器的确定在冷却系统中，风扇在正常工作的时候，可以得到空气流量及其散热器需要匹配的流量。但是，散热器和风扇之间的空间也会因此受到各种限制的空间系数的影响。例如由于许多组件和较小的出风口而干扰前进气口以及车辆行驶时风扇的排气流，因此气流会通过散热器。要做。通常，考虑到前后冷却系统的布局以及整个系统的阻力，进气系数在0.6到0.75之间，其中u=0.65。3.3.3 风扇散热器匹配点确定及选型在风扇和散热器的匹配中，无法逐一分析发动机的各种工作状况，所以只用分析最恶劣的工作状况下风扇的工作点来确定，根据冷却系统的要求选择符合冷却条件的的风扇。发动机发热量会随着发动机工作时的功率而

15、增大，此刻散热器的散热量也会随发动机发热量的增大而随之变大，因此应该在这方面进行研究。除此之外，这也是当发动机扭矩最大时整个车辆的操作不足的地方，因此有必要研究这种以最大发动机功率和最大扭矩操作时的风扇匹配。3.3.4 确定冷却系统设计的有效性在设计冷却系统的时候，想要达到冷却系统的理想效率要求时，就必须正确选择冷却系统的设计和检查工作点Error! Reference source not found.。根据对冷却系统原理的分析，汽车和轻型卡车往往在发动机额定功率的工况下运行，这些条件必须用作冷却系统的设计工作点和这些车辆发动机的最大扭矩。采矿车辆通常以低速行驶，应将发动机的最大扭矩用作冷却

16、系统的设计工作点，并将发动机的额定功率用来检查发动机的工作点。3.4 风扇的气动性能参数数据在性能测试中，风扇的流量等于每单位时间的进气量或排量，即每单位时间通过风道的气体流量。风扇的静压的特征在于气体克服流道中各种阻力流的能力。在性能测试中，气体的入口静压等于风管的各种阻力之和。本文所参照的冷却风扇型号为612600060886_670ring_CW，风扇的结构参数如表4.2所示:风扇的结构参数静压/Pa流量/（m3/h）2200rpm2000rpm1800rpm1600rpm图2-4 风扇风速静压曲线综上所述，算得该风扇的转速每分钟为2200转，所选电机应为4 控制策略及设计4.1 确定控

17、制器的方案(1)热敏开关“唯一”控制。汽车风扇的高速和低速是由热敏开关“唯一”控制的，这种开关有两档，安装在水箱上面，用来检测水温Error! Reference source not found.。(2)水箱控制。汽车风扇是安装在水箱后面的，开启时是把风从水箱前放进来的;但也有部分的车型风扇是装在水箱的前面，开启时需要把风往水箱方向吹的。(3)发动机带动。电动风扇当发动机在低温时风扇不转动，待温度升高后风扇转动，它是由电动机来带动的。(4)传感器控制。电动风扇是用来控制发动机水温的，水温不能太高，只要一超过90°，传感器就会工作，电子风扇此时就会开启，让水温迅速降低，由于冬天气温本

18、身就很低，水温也会受到影响变的更低，所以电风扇一般不用工作。(5)风扇控制装置。机械式风扇为了减少发动机功率损失，节省燃料，发动机多采用风扇控制装置，以便控制冷却风扇与驱动带盘的接合与分离。(6)电脑控制。打开空调，两个风扇都应该转。 4.2 控制器硬件设计硬件是指其他的外围设备，它自身结构的合理性与可靠性，将会直接影响到整个系统工作时的性能。控制系统的硬件是由温度采集模块，主控单元部分以及驱动模块组成的(1)冷却水温度的设计氧传感器是设计控制系统中不可或缺的一部分。它的好坏直接影响着整个系统系统最终的好坏，温度采样元件一般由电流，控制器和氧传感器三部分组成，如下图所示:105 全速控制器氧传

19、感器80 中速电流输出40 不转图3-1 传感器组成框架图4.2.1 电源电路设计在此硬件设计中，电源电路的设计对系统能否正常的运行起着决定性的作用，设计这个系统要满足发动机的要求稳压性要好，效率要高，抗干的能力要强扰，功率要适应系统的需要，要有多个不同的电压输出端。图3-2冷却风扇的电源电路设计如图3-2所示，电源从+12-48V这个总的输入电源跟前输入，经过三个芯片的轮流转换，才能够构成一个多级的输出电源。输出电源的电压分别为+3.3V、+5V、+12V。电路中的电容所存在的意义在于对整个电源起到了滤波的作用，可以让整个电源系统更加可靠，更加安全;二极管D4的作用主要是保护电源电路能够安全

20、地工作，以免一不小心因为失误把电源的两端接反造成整个电路发生损坏无法避免的现象。内部还设计了害怕因为温度过高的过热保护，可以保证电路能够安全的工作，不会以为过载而损坏内部的设计。4.2.2 直流电机驱动电路直流电能转换成机械能的过程称为直流电机。这种电机能够实现直流电能和机械能之间的相互转换。把它当成电动机工作的时侯是直流电动机，工作过程是将电能转换为机械能的过程；把它当成发电机工作的时候是直流发电机，工作过程是将机械能转换为电能的过程。直流电机是由定子和转子两部分组成的，两者之间要留有一定的间隙。它的构造原理是一个带换向器的电枢。对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。1)输出电流

21、和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。2)效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。3)对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路。4)可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。4.3 软件设计程序总体设计主要是拟定设计方案、确定算法、绘制程序流程图等。在实际生活中，选择的设计方法一定要立足现实，因为一个单片机控制系统的功能复杂、信息量大、程序较长。模块化程序设计、自顶向下逐步求精程序设计和结构化程序设计都是通常程序设计的方法，本文的单片机控制系统软件设计运用了模块化程序设计这一

22、方法，主要是将一个复杂程序分解成多个独立的模块，再逐个进行分析编程，最后根据总体设计连接起来形成一个程序。此系统软件包括的程序模块有：主程序模块、数字滤波模块、冷却液温度采样与控制模块以及PID计算模块。目的是完成对发动机冷却水温度信号循环采样、数字滤波、PID运算处理、参数设置、驱动执行等功能。各设计模块和分析流程图的过程如下：4.3.1 主程序模块及其流程图主程序模块要达到的目标是：定义字节、系统初始化、协调微控单元各组成部分有效工作。其中指定堆栈指针（SP）初值、将内部RAM清0、设置T0中断方式、定时计数赋初值、打开中断、指定数据存储单元的初值等都是系统初始化完成的。如图4-1是主程序

23、流程图。图4-1 主程序流程图框4.3.2 数字滤波模块数字滤波是为了让收集到的数据更加可靠，主要是在编写程序过程中，利用算法加工采集到的数据，去除外界干扰因素。这在冷却风扇的控制系统中有利于清除混合在对水温模拟信号经循环采样后的数值中的干扰，但其实现的效果却不如硬件滤波。4.3.3 冷却液温度设计 DS18B20 的主要数据元件有：64位激光 Lasered ROM，温度灵敏元件和触发器TH和TL。DS18B20 的供电方式灵活，利用外接电源还可增加系统的稳定性和可靠性。水温采样控制程序流程框图如图4-2所示。发动机水温采样控制程序主要完成对水温信号的循环采样，调用滤波程序对采样值进行处理，

24、同时判断所检测水温是否超出设定的温度上下限。当测量发动机内冷却温度高于或者等于上限温度（93），水泵以最高速度工作；当测量冷却液温度小于下限温度（73），水泵关闭；当测量冷却液温度在上下限之间，水泵正常工作。在发动机水温控制模块中，单片机就根据所检测到的温度信号进行PID计算，然后输出相对应的PWM 脉冲对电风扇的转速进行自动调节Error! Reference source not found.。图4-2 水温控制程序流程4.3.4 PID控制电风扇转速的控制采用的是偏差控制法，利用PID进行控制。这种方法在工业控制中用的最多，具体的原理图如4-3所示，根据给定温度的数值与实际温度进行比较，

25、其差值为 (4-1)只要通过PID进行控制器的运算和处理后，才能调整PWM的脉冲信号占空比，才能改变水泵和电风扇两端之间的电压值，从而实现了对发动机冷却水循环流量的控制，进一步控制冷却水的温度Error! Reference source not found.。图4-3 PID控制原理图PID 控制器的控制规律为 (4-2)式（5.3）中：Kp比例系数；TI积分常数；TD为微分常数；u0为控制常量。这个控制系统采用的目标为发动机冷却水的温度，该温度的信号变化的十分迅速，因此T较小，经验值取T=2s。YN开始计算参数A、B、C设初值e(k-1)=e(k-2)=0温度采集值e（k）计算偏差值e(k

26、)=r(k)-e(k)计算、输出控制量更新e(k-1)=e(k-2)e(k)=e(k-1)采集时刻直流电机图4-4 PID算法流程5 控制系统的测试及其与分析5.1 实验目的实验的主要目的是将传统风扇改装成电子风扇，通过氧传感器和温度来控制电子风扇的工作条件，为了提高矿用自卸车的工作效率以及低温下冷却系统电子风扇的工作效率，故此设计出此控制器，用来提高矿用自卸车的工作效率。5.2 实验设备及方法5.2.1 实验设备实验设备：矿用自卸车TL855一辆，数字温度计一个等。(1)发动机:矿用自卸车TL855的WP12.375发动机一台。(2)数字温度计:用来测量发动机工作时冷却水的温度。5.2.2

27、实验方法实验时环境相同，气温不同，矿用车发动机冷却水温度高温或者低温的情况下，所测得的温度进行对比并分析。实验分为两部分进行，第一部分实在冷却水温度较低的情况下进行，第二部分是在高温的情况下进行实验：（1）低温下的工况：汽车装满货物的时候，在温度较低的时候（冬季），要先对发动机进行预热才能通过发动机的转速带动电子风扇工作，将所测得结果进行记录。（2）高温下的工况：矿车装满货物的时候，在温度过高的情况下，发动机可直接点火，不用对发动机进行预热，但是由于温度可能会过高，从而导致传统风扇无法进行很好的制冷效果，故此选择电子风扇进行冷却。5.3 两种风扇的温度记录5.3.1 传统风扇的温度记录当矿车的

28、传统冷却风扇满载的时候，发动机在正常的温度下工作，此时发动机的转速为680r/min，用温度计测出冷却水的温度并每五分钟记录一次，测出后将结果统计入下表中，实验时的最低温度为25，冷却水的初始温度也应为25。表5-1 传统风扇冷却温度时间（min）冷却水温度（）025224429636843104612501453165718592059226024602661286030605.3.2 电子风扇的温度记录第一次实验完成后，停车更换它的冷却水，使发动机进行降温，恢复到相同试验的条件，将原冷却系统更换成改进后的电子风扇冷却系统，再一次的测出冷却液温度、每5分钟记录一次冷却水温度，并分析和整理测得

29、的试验数据，并统计在表5-2中。试验时环境温度为25，冷却水初始温度为25。表5-2电子风扇冷却温度时间（min）冷却水温度（）021222424630842105912721480168618892090229024905.4 试验结果分析根据图中的曲线，很明显的看出传统风扇与电子风扇的温度变化的差距，使用传统风扇的时候冷却水的温度变化没有那么明显，最高温度也就60°，而使用的电子风扇时，允许的工作范围的温度为90°，发动机此时还能正常的运行。冷却水温度（）时间（min）传统风扇电子风扇图5-1 电子风扇与传统风扇冷却水温对比由上述所统计的数据与图可以看出，传统风扇与电子

30、风扇相比，前者的冷却系统温度达到60°时，水温的变化就没有那么明显，预热比较慢，而电子风扇用了半小时的时间，发动机的冷却液温度就超出了传统风扇的温度。因此，改进后的电子风扇与传统风扇相比，可以有效冷却系统发动机散热缓慢的问题。结 论本文主要研究的是改善矿用自卸车冷却风扇的问题，与此同时，选择一款新的电子风扇，设计它的控制系统，优化其冷却系统，使此类车在运输过程中，冷却系统的得明显的优化，大大的提高了矿车的工作效率，具体如下：（1）根据传统风扇的不足选择一款新的电子风扇，并且对所选的电子风扇进行研究和分析。（2）对矿用自卸车TL855的冷却系统电子风扇进行计算，根据冷却系统的相关公式计算出此电子风扇的转速，并为其选择一款合适的电机，并针对此电子风扇设计出一款控制装置。（3）并将设计出的电子风扇控制装置进行装车实验，将数据统计出来进行分析。实验结果表明：电子风扇的冷却效果要比传统冷却效果要好，当矿车处于高温或者低温时，电子风扇所达到的效果都要比传统风扇更佳。