工程車輛自動換擋規(guī)律與控制策略研究

于燕玲，宗望遠(yuǎn)

（1.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，湖北 十堰442000；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 引言

裝載機(jī)等重型機(jī)械作業(yè)過程中頻繁的換擋會使運(yùn)行效率、經(jīng)濟(jì)效益和整體穩(wěn)定性得不到很好的保證。在傳統(tǒng)的裝載機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，柴油機(jī)與變矩器的匹配并不能保證兩者始終在理想的匹配條件下工作，大大降低了裝載機(jī)的性能，油耗一直較高。

近年來，自動換擋技術(shù)的研究取得了一系列顯著的成果。文獻(xiàn)［1］提出了節(jié)能換擋策略，解決了液壓自動變速器效率低下的問題。文獻(xiàn)［2］對工程車輛模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的塊控制和移位策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)［3］提出用智能控制理論來控制工程車輛的自動移位。尤利鵬［4］通過改進(jìn)電液控制系統(tǒng)的換擋品質(zhì)控制策略避免換擋過程中產(chǎn)生動力中斷，并且減小了換擋滑磨功。文獻(xiàn)［5］提出了一種適應(yīng)裝載機(jī)多種工況的自動變速技術(shù)，保證發(fā)動機(jī)與變矩器的匹配總處于最佳的工作狀態(tài)。文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了合理的換擋規(guī)律和模糊換擋控制器，使液力變矩器效率最優(yōu)。文獻(xiàn)［7］采用動力換擋的方式控制速度擋位和脫橋機(jī)構(gòu)，提高了變速器換擋舒適性、換擋效率和傳動效率。

針對目前裝載機(jī)等工程車自動換擋技術(shù)的不足，基于傳動系統(tǒng)的換擋規(guī)律特性提出了一種能適應(yīng)裝載機(jī)各種工作條件的自動換擋方法。采用智能控制算法對自動換擋進(jìn)行控制，使重型車輛能夠快速準(zhǔn)確地完成自動換擋，具有重要的研究意義和使用價值。

2 自動換擋系統(tǒng)

2.1 數(shù)學(xué)模型

工作油泵轉(zhuǎn)矩和功率為［8］：

式中：Q-工作泵的排量；Mp-轉(zhuǎn)矩；p-壓力；q-油泵排量；Np-功率；ηm-機(jī)械效率。

發(fā)動機(jī)靜態(tài)調(diào)速特征為：

式中：Mem-最大轉(zhuǎn)矩；ne-轉(zhuǎn)速；α-油門開度。

根據(jù)公式（3）即可得到不同開度下柴油機(jī)的調(diào)速特性曲線，如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)調(diào)速特性Fig.1 Diesel engine speed regulation characteristics

液力變矩器與發(fā)動機(jī)匹配時泵輪轉(zhuǎn)矩［9］：

式中：MB-泵輪轉(zhuǎn)矩；ρ-油的密度；D為有效直徑。

由最小二乘法擬合得特征方程為：

根據(jù)公式（5）和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，即可求解出萬有特性的工作點(diǎn)，連接這些工作點(diǎn)得到了轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線，如圖2所示。

圖2 變矩器的輸入特性Fig.2 Input Characteristics of The Torque Converter

變速箱模型［10］：

式中：MT-輸出轉(zhuǎn)矩；M1、M2-輸入和輸出轉(zhuǎn)矩；n1、n2-輸入和輸出轉(zhuǎn)速；nT-渦輪轉(zhuǎn)速。

車輛驅(qū)動力［11］：

式中：Me-變矩器泵輪輸入轉(zhuǎn)矩；rk-車輪的滾動半徑；iz-總傳動比；ηz-總傳動效率。

道路阻力：

式中：m-質(zhì)量；θ-道路坡度角；f-滾動阻力系數(shù)。

空氣阻力：

式中：v-車速；vw-風(fēng)速；Kw-阻力系數(shù)。

車輛的加速阻力：

式中：v-車速；δ-旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)

2.2 仿真建模

根據(jù)傳動系統(tǒng)的動力學(xué)方程，建立了自動換擋系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示，仿真所需的輸入?yún)?shù)，如表1所示。

圖3 仿真系統(tǒng)總體模型Fig.3 Simulation System Overall Model

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation Parameters

3 自動換擋規(guī)律

發(fā)動機(jī)與變矩器的匹配萬有特性曲線如圖4所示。其中，虛線為轉(zhuǎn)矩曲線；實(shí)線為等油耗率曲線?？梢钥闯?，當(dāng)車輛剛啟動時，傳動系統(tǒng)（發(fā)動機(jī)和變矩器）的輸出轉(zhuǎn)矩全部要勇于驅(qū)動車輛前進(jìn)，因此傳動系統(tǒng)的工作點(diǎn)與發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，輸出動能利用率較低，所以啟動時的動力經(jīng)濟(jì)性不高，油耗率較大。

圖4 空載時輸入萬有特性Fig.4 Enter Universal Characteristics When Empty

工程機(jī)械作業(yè)時，工作泵需要給變矩器提供傳動油來驅(qū)動渦輪，會對發(fā)動機(jī)的輸出特性造成一定的影響，分析了工作泵壓力分別為6MPa、12MPa和18MPa時下傳動系統(tǒng)輸入萬有特性曲線，如圖5所示。

圖5 工作油泵壓力的影響Fig.5 Effect of Working Pump Pressure

在P=6MPa時，發(fā)動機(jī)工作在高油耗區(qū)；當(dāng)P=12MPa時，工作區(qū)已靠近低油耗區(qū)；當(dāng)油泵壓力達(dá)到18MPa時，動力系統(tǒng)的額定功率點(diǎn)落在了低油耗區(qū)。因此，當(dāng)工作壓力逐漸增大時，傳動系統(tǒng)的輸出扭矩點(diǎn)慢慢靠近發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，發(fā)動機(jī)功率點(diǎn)和低油耗區(qū)逐漸趨近并進(jìn)入重疊區(qū)，所以隨著工作油泵壓力的增大，發(fā)動機(jī)與變矩器的匹配性能得到了改善。當(dāng)油泵的壓力大于12MPa時，發(fā)動機(jī)與變矩器的匹配綜合性能最佳，整個傳動系統(tǒng)的燃油效率最高，最省油。

工作油泵壓力不僅直接影響到發(fā)動機(jī)與變矩器的工作區(qū)域和匹配合理性，也將影響到輸出萬有特性。研究工作油泵壓力為18MPa時的輸出萬有特性。將功率曲線與等油耗曲線的切點(diǎn)相連接得到了最佳換擋曲線，如圖6所示。

圖6 P=18MPa時的輸出萬有特性Fig.6 Output properties at P=18MPa

從傳動系統(tǒng)的輸出萬有特性可以看出，變速器從低擋變?yōu)楦邠鯐r，最佳的組合動力工作點(diǎn)從點(diǎn)a移動到b點(diǎn)。此時，組合功率的燃料消耗率將降低并且輸出功率將提高。如果保持組合動力的輸出功率不變，則在變速器擋位變?yōu)楦邠鯐r減小發(fā)動機(jī)的開度，工作點(diǎn)將沿著等功率曲線移動到最佳經(jīng)濟(jì)曲線上的c點(diǎn)，使其產(chǎn)生相等的功率輸出。隨著每個點(diǎn)油門和最佳換檔點(diǎn)的逐漸變大，傳動系統(tǒng)的燃油消耗率逐漸降低。

根據(jù)以上仿真結(jié)果，制定如下?lián)Q擋策略：

Ifv＞vup，then非最高擋時升1擋；

Ifv＜vdown，then非最低擋時降1擋；

Ifvdown≤v≤vup，then擋位不變。

控制方案，如圖7所示。

圖7 自動換擋控制方案Fig.7 Automatic Transmission System Control Scheme

4 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證換擋策略的有效性，試驗(yàn)臺以某工程車輛的液力機(jī)械傳動系統(tǒng)為基礎(chǔ)，試驗(yàn)臺原理圖如圖8所示。在發(fā)動機(jī)和變速箱輸出端安裝傳感器，進(jìn)行轉(zhuǎn)速和扭矩的采集。

圖8 工程車輛電控系統(tǒng)試驗(yàn)臺Fig.8 Test Bed for Electric Control System of Engineering Vehicle

如圖9所示，是在油門開度為50%，工作油泵壓力為6MPa，經(jīng)濟(jì)功率系數(shù)為50%的情況下，變速箱自動換擋臺架試驗(yàn)曲線。開機(jī)后，變速箱的擋位在ECU的控制下逐漸升高，然后又降低到一擋，最后又升高到四擋。在從四擋到一擋再到四擋的過程中，換擋前后的速度變化相對較慢，即加速度略有增加，換擋時間得到了提高，動態(tài)性能得到了進(jìn)一步改善。因此，為了提高工程車輛的經(jīng)濟(jì)性和能源效率，駕駛員可以在工作時間允許的情況下選擇最佳的經(jīng)濟(jì)換擋策略。試驗(yàn)結(jié)果表明，換擋前后變速箱的速度變化相對平緩，表明新的動態(tài)換擋策略可以縮短換擋時間，提高變速箱在工程車輛運(yùn)行過程中的動態(tài)性能。

圖9 最佳動力性換擋曲線Fig.9 Optimal Dynamic Shift Curve

如圖10所示，為發(fā)動機(jī)油門開度70%、工作油泵壓力18MPa工作條件下的最佳動力換擋曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果。變速器的輸出速度在整個過程中穩(wěn)定地變化，而發(fā)動機(jī)的速度變化很小。試驗(yàn)結(jié)果表明在油門開度相同時工作油泵壓力增加，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，但是燃油效率得到了提高，因此更省油。對比發(fā)現(xiàn)油門開度越大，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和變速器輸出轉(zhuǎn)速均有較大的增加，說明提高油門開度，能改善其動力性。在換擋時變矩器泵輪的轉(zhuǎn)速振動較大，而輸出轉(zhuǎn)速的變化是穩(wěn)定的，加速度幾乎是恒定的，換擋延時的影響較小，因此，最優(yōu)的換擋控制改善了傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖10 最佳動力性換擋曲線Fig.10 Optimal Dynamic Shift Curve

5 結(jié)束語

通過建立重型機(jī)械傳動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，模擬了重型機(jī)械工作時的換擋性能，得到了傳動系統(tǒng)的輸入和輸出萬有特性的變化規(guī)律，并基于仿真結(jié)果提出了考慮經(jīng)濟(jì)和動態(tài)特性的綜合智能換擋策略，開發(fā)了一種改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的自動換擋控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，組合動力的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)換擋策略可以大大提高工程車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低工作區(qū)域油耗率，從而提高了車輛的整體節(jié)能效果，驗(yàn)證了最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性和動態(tài)變換理論的正確性。