工程车辆自动变速控制系统仿真与试验

２００７年１月农业机械学报第３８卷第１期工程车辆自动变速控制系统仿真与试验唐新星赵丁选黄海东张红彦【摘要】对液力机械传动工程车辆遇到高强度载荷效率下降的问题进行了研究，推导了新的换挡规律。按照预先设定的经济型换挡规律，利用推导出的不同挡位下换挡点的通用公式，可将变矩器的效率限定在某一理想范围内。获取对换挡离合器执行机构的控制来达到对离合器油压的控制目的，仿真结果表明其跟踪效果良好。通过台架试验，取得了满意的效果。关键词：工程车辆自动变速换挡规律中图分类号：ＴＤ４２２３；Ｕ４６３２２文献标识码：Ａ┉┊┎┄┃﹢┊┉┄│┉┇┃┈│┈┈┄┃﹤┄┃┉┇┄━┎┈┉│┄┇﹤┄┃┈┉┇┊┉┄┃━ＴａｎｇＸｉｎｘｉｎｇＺｈａｏＤｉｎｇｘｕａｎＨｕａｎｇＨａｉｄｏｎｇＺｈａｎｇＨｏｎｇｙａｎ（爥牏牓牏牕爺牕牏牤牉牜牞牏牠牪）﹢┈┉┇┉Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｖｅｈｉｃｌｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｏｒｑｕｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｌｌｄｅｃｒｅａｓｅｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｌｏａｄ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｖｅｈｉｃｌｅｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ａｎｅｗｓｈｉｆｔｓｃｈｅｄｕｌｅｗａｓｄｅｄｕｃｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｓｈｉｆｔｓｃｈｅｄｕｌｅ，ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｔｏｒｑｕｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｃａｎｂｅｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｉｎａｎｏｐｔｉｍａｌｒａｎｇｅｂｙｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓａｌｆｏｒｍｕｌａｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｖｅｒｓｅｓｈｉｆｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｈａｓｅｓｏｆｏｉｌｃｏｎｔｒｏｌｃｕｒｖｅｆｏｒｔｈｅｓｈｉｆｔｃｏｕｒｓｅ，ｔｏｅｘｅｒｔｆｕｌｌｙｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌａｄｏｐｔｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｈｉｇｈｓｐｅｅｄｏｎｏｆｆｖａｌｖｅｃｏｕｌｄａｄａｐｔｔｏｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｄａｐｔｉｖｅｌｙａｄｊｕｓｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅｔｒａｃｋｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｓｖｅｒｙｇｏｏｄ，ａｎｄｉｔｃａｎａｃｈｉｅｖｅｔｈｅａｉｍｏｆｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｓｈｉｆｔｑｕａｌｉｔｙ．Ａｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙｒｅｓｕｌｔｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｅｓｔｂｅｎｃｈｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．┎┌┄┇┈Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｖｅｈｉｃｌｅ，Ａｕｔｏｍａｔｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｓｈｉｆｔｓｃｈｅｄｕｌｅ收稿日期：２００５０８０３高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（项目编号：２００２０１８３００３）和吉林大学９８５工程基金资助项目（项目编号：４５００２２１０２００２）唐新星吉林大学机械科学与工程学院博士生，１３００２５长春市赵丁选吉林大学机械科学与工程学院教授博士生导师黄海东吉林大学机械科学与工程学院副教授张红彦吉林大学机械科学与工程学院讲师博士生引言工程车辆主要在作业工况下运行，具有低速、重载、负载变化剧烈等特点，因此，多采用液力机械传动。在重载时，液力机械传动系输出转矩大，液力变矩器的效率大幅度下降，甚至降为零。为此，国内外的发展趋势是将结构简单、效率较高的三元件液力变矩器与多挡位变速器相结合，采用自动变速技术来提高整个传动系的动力性和经济性［１］。挡位决策是工程车辆自动变速技术的核心问题，直接影响工程车辆的经济性、动力性和舒适性。要提高传动系的动力性和经济性，首先应制订出合理的换挡规律，达到提高牵引力和传动效率的目的［２］。换挡规律一经确定，便可以进行电控系统设计和试验。本文将变矩器速比牏牅、油门开度犜作为控制参数，推导新的换挡规律，开发以单片机为核心的工程车辆自动换挡控制系统。挡位决策原理图１为ＺＬ５０Ｅ型轮式装载机４个挡位的效率和车辆行驶速度的关系图，相邻两条曲线的交点爛、爜、爞为最佳经济性换挡点。如果车辆行驶速度超过某换挡点而未及时换挡，则液力变矩器势必进入低效区。从图中可以发现，相邻两换挡点间的输出转速范围与效率曲线上该挡的高效区近似相对应［３］。图１ＺＬ５０Ｅ型各挡的效率曲线Ｆｉｇ．１ＺＬ５０Ｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｕｒｖｅ根据文献［４］的工程车辆传动系统模型，可得方程组牕爜＝牕牉牏牅＝牕爴燉牕爜牏牞＝牕爴燉牕牞犣＝爛１牏２牅＋爛２牏牅＋爛烅烄烆３（１）式中牕爜——液力变矩器的泵轮转速牕牉——发动机转速牏牅——液力变矩器速比牏牞——变速器传动比牕爴——液力变矩器的涡轮转速牕牞——变速器输出轴转速犣——液力变矩器效率爛１、爛２、爛３为液力变矩器效率曲线的系数，可通过最小二乘法拟合得到。假设变速器第牑挡的传动比为牏牞牑（牑＝１，２，３），第牑＋１挡的传动比为牏牞，牑＋１，并且牏牞牑＞牏牞，牑＋１。相邻两挡的经济换挡点为两挡位效率曲线的交点，即犣牑＝犣牑＋１（２）联解式（１）、（２）得各挡位液力变矩器变速比牏牅牏牅１＝－爛２爛１牏牞牑牏牞牑＋牏牞，牑＋１牏牅２＝－爛２爛１牏牞，牑＋１牏牞牑＋牏烅烄烆牞，牑＋１（３）式中牏牅１——相邻两挡位中换入高挡的速比牏牅２——相邻两挡位中换入低挡的速比其中负号隶属于液力变矩器拟合公式系数。显然，燏牏牅１燏＞燏牏牅２燏。经济换挡原理如图２所示。设变矩器当前速比为牏牅，若牏牅＜牏牅２，则降低一挡使用，若牏牅＞牏牅１，则升高一挡使用，若牏牅２＜牏牅＜牏牅１，则保持原挡位不变。图２液力变矩器效率曲线Ｆｉｇ．２Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｕｒｖｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｏｒｑｕｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ由于换挡时刻及挡位是根据变矩器的速比牏牅值确定的，各相邻挡位的升挡速比牏牅１、降挡速比牏牅２与油门开度犜通过试验有如下函数关系：牏牅１＝牊牅１（犜），牏牅２＝牊牅２（犜）［５］。控制系统构成为了适应软件模块化设计的需要，控制系统也力求模块化设计，单片机控制系统组成如图３所示。电源模块的作用是进行降压稳压；输入信号模块主要为传感器信号检测处理电路；输出模块即换挡电磁阀功放单元，用于直接驱动换挡电磁阀，实现对各挡位离合器的切换，完成换挡过程。试验用工程车辆电控系统试验台以柴油机为动力源，电涡流测功机为功率吸收装置，通过调节测功机来改变外界载荷，以此来模拟车辆的各种工况。图３单片机控制系统原理图Ｆｉｇ．３Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ７２第１期唐新星等：工程车辆自动变速控制系统仿真与试验控制系统仿真分析工程车辆换挡过程中，既要保证换挡及时准确，又要求换挡无冲击以提高工程车辆的自动换挡操纵的性能。通过对高速开关阀的控制获取对换挡离合器油压变化过程控制，即希望换挡过程平稳而无冲击地进行。常以冲击度作为换挡平顺性的评价指标，冲击度与变速器输出轴转矩的变化率成正比，有牐＝牜牆牏０爤牞ｄ爴牞ｄ牠（４）式中牐——冲击度牜牆——车轮半径牏０——驱动桥的传动比爤牞——与变速器输出轴相联的惯量爴牞——变速器输出轴扭矩根据经验，满意的换挡平顺性评价指标为［６］：低频时，即牊≤３Ｈｚ时，牐≤２５４８ｍ燉ｓ３；当牊＞３Ｈｚ时，用公式牐′＝牐［１－０１（牊－３）］修正。不满意的平顺性为：牐＞３１３６ｍ燉ｓ３。离合器油压控制曲线图４换挡过程油压控制曲线Ｆｉｇ．４Ｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｓｈｉｆｔｃｏｕｒｓｅ结合工程车辆换挡控制过程中油压控制规律，油压控制在牠∈［０，牠４］时间内大致可以分为初期充油、低压保持、调压与高压保持４个阶段，如图４所示。它反映了工程车辆由空挡到某一挡位，换挡离合器结合过程中油压变化情况［７～８］。在换挡初期，开关阀电磁铁通电，开关阀控制口和油源相连通，压力油快速充满离合器液压缸。为防止初期充油结束后产生峰值压力，关闭开关阀，把离合器油压保持在最低值，即０３～０４ＭＰａ。此后，开关阀按控制程序，使离合器液压缸油压逐渐增大，离合器平稳接合。换挡结束后，离合器主动部分和从动部分已完全接合，传递扭矩可满足机器工作要求。但为了防止换挡结束时产生尖峰载荷，造成换挡冲击，使开关阀关闭并保持一段时间。仿真分析由于离合器油压控制是快速跟踪控制，为提高其响应能力，采用模糊前馈控制方法进行控制，控制器结构如图５所示。以离合器实际油压与设定值之间偏差牉、偏差变化率ｄ牉燉ｄ牠为输入量，以ＰＷＭ信号牣为输出量，并利用ＰＤ前馈控制环节来消除偏差调整过程中存在的滞后。油压控制过程中针对不同阶段施以不同的控制形式，通过设置不同的参数值来跟踪设定控制油压曲线。前馈环节表达式为牣１＝牑牘牪０＋牑牆牪０（５）式中牑牘——比例系数牑牆——微分系数图５离合器油压模糊前馈控制原理图Ｆｉｇ．５Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｆｕｚｚｙｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｃｌｕｔｃｈ根据换挡离合器执行机构的数学模型进行仿真分析，并与ＰＩＤ控制进行比较。由图６可看出，ＰＩＤ则出现超调和振荡，跟踪效果差。由于模糊控制器能够适应系统结构的变化和自适应调整控制参数，其跟踪效果良好。图６离合器油压控制仿真曲线Ｆｉｇ．６Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃｌｕｔｃｈ（ａ）ＰＩＤ控制（ｂ）模糊前馈控制试验及结果分析空挡启动后，调整自动换挡试验台变速器在２挡；逐步增加测功机输入扭矩，按照效率换挡规律，在负载增加的过程中由高挡降至低挡；反之，则由低挡升至高挡。根据工程车辆的作业环境，设定换挡延迟的时间为２ｓ。此外，为了保证换挡过程中不会出现摩擦元件“重叠”不足或“重叠”过多现象，又设定了挡间延迟，经多次试验后选定为００２ｓ。试验结果如图７所示，由图７ａ、ｂ可见，控制系统能够通过自动换挡来适应工况的变化；由图７ｃ可见，不论外界负载如何变化，液力变矩器总是工作在高效区。换挡过程中加速度、冲击度和离合器油压随时间的变化曲线如图７ｄ、ｅ、ｆ所示，加速度、冲击度是变速器的速度对时间分别求１阶、２阶导数得到的（仅以前进２挡到前进１挡为例来说明）。由图７ｅ可见，冲击度并不大，主要是因为在换挡过程中执行机构的过渡过程中结合离合器油压增长过程比较合理。为了避免在前进２挡降为前进１挡时分离离合器油压降低过快，致使动力瞬间中断造成工程车辆的速度大幅度下降，则应该改变离合器调压系统，使分离离合器油压变化过程如图７ｆ中虚线所示。８２农业机械学报２００７年图７自动变速换挡控制系统试验结果Ｆｉｇ．７Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒａｕｔｏｍａｔｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（ａ）负载转矩（ｂ）挡位输出（ｃ）液力变矩器效率（ｄ）加速度（ｅ）冲击度（ｆ）离合器油压结论（１）从节能的角度出发，制订了新的换挡规律，推导出不同挡位下换挡点的通用公式。（２）试验结果表明，控制系统能够适应工况的变化，保证液力变矩器工作在高效区。（３）调整和控制离合器的油压系统，平缓离合器充油曲线与放油油压的下降速度，可减小换挡冲击。参考文献１赵丁选，马铸，杨力夫，等．工程车辆液力机械传动系统的动力性分析［Ｊ］．中国机械工程，２００１，１２（８）：９４８～９５０．２龚捷．以提高传动效率为目的的工程车辆自动变速换挡规律研究［Ｄ］．长春