工程車輛自動換擋規律與控制策略研究

于燕玲，宗望遠

（1.湖北工業職業技術學院汽車工程系，湖北 十堰442000；2.華中農業大學工學院，湖北 武漢430070）

1 引言

裝載機等重型機械作業過程中頻繁的換擋會使運行效率、經濟效益和整體穩定性得不到很好的保證。在傳統的裝載機驅動系統中，柴油機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，大大降低了裝載機的性能，油耗一直較高。

近年來，自動換擋技術的研究取得了一系列顯著的成果。文獻［1］提出了節能換擋策略，解決了液壓自動變速器效率低下的問題。文獻［2］對工程車輛模糊神經網絡的塊控制和移位策略進行了實驗研究。文獻［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］通過改進電液控制系統的換擋品質控制策略避免換擋過程中產生動力中斷，并且減小了換擋滑磨功。文獻［5］提出了一種適應裝載機多種工況的自動變速技術，保證發動機與變矩器的匹配總處于最佳的工作狀態。文獻［6］設計了合理的換擋規律和模糊換擋控制器，使液力變矩器效率最優。文獻［7］采用動力換擋的方式控制速度擋位和脫橋機構，提高了變速器換擋舒適性、換擋效率和傳動效率。

針對目前裝載機等工程車自動換擋技術的不足，基于傳動系統的換擋規律特性提出了一種能適應裝載機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行控制，使重型車輛能夠快速準確地完成自動換擋，具有重要的研究意義和使用價值。

2 自動換擋系統

2.1 數學模型

工作油泵轉矩和功率為［8］：

式中：Q-工作泵的排量；Mp-轉矩；p-壓力；q-油泵排量；Np-功率；ηm-機械效率。

發動機靜態調速特征為：

式中：Mem-最大轉矩；ne-轉速；α-油門開度。

根據公式（3）即可得到不同開度下柴油機的調速特性曲線，如圖1所示。

圖1 柴油機調速特性Fig.1 Diesel engine speed regulation characteristics

液力變矩器與發動機匹配時泵輪轉矩［9］：

式中：MB-泵輪轉矩；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：

根據公式（5）和經驗參數，即可求解出萬有特性的工作點，連接這些工作點得到了轉速-轉矩特性曲線，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-輸出轉矩；M1、M2-輸入和輸出轉矩；n1、n2-輸入和輸出轉速；nT-渦輪轉速。

車輛驅動力［11］：

式中：Me-變矩器泵輪輸入轉矩；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-質量；θ-道路坡度角；f-滾動阻力系數。

空氣阻力：

式中：v-車速；vw-風速；Kw-阻力系數。

車輛的加速阻力：

式中：v-車速；δ-旋轉質量轉換系數

2.2 仿真建模

根據傳動系統的動力學方程，建立了自動換擋系統的仿真模型，如圖3所示，仿真所需的輸入參數，如表1所示。

圖3 仿真系統總體模型Fig.3 Simulation System Overall Model

表1 仿真參數Tab.1 Simulation Parameters

3 自動換擋規律

發動機與變矩器的匹配萬有特性曲線如圖4所示。其中，虛線為轉矩曲線；實線為等油耗率曲線?？梢钥闯?，當車輛剛啟動時，傳動系統（發動機和變矩器）的輸出轉矩全部要勇于驅動車輛前進，因此傳動系統的工作點與發動機的最大轉矩點距離較遠，輸出動能利用率較低，所以啟動時的動力經濟性不高，油耗率較大。

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

工程機械作業時，工作泵需要給變矩器提供傳動油來驅動渦輪，會對發動機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，發動機工作在高油耗區；當P=12MPa時，工作區已靠近低油耗區；當油泵壓力達到18MPa時，動力系統的額定功率點落在了低油耗區。因此，當工作壓力逐漸增大時，傳動系統的輸出扭矩點慢慢靠近發動機的輸出轉矩點，發動機功率點和低油耗區逐漸趨近并進入重疊區，所以隨著工作油泵壓力的增大，發動機與變矩器的匹配性能得到了改善。當油泵的壓力大于12MPa時，發動機與變矩器的匹配綜合性能最佳，整個傳動系統的燃油效率最高，最省油。

工作油泵壓力不僅直接影響到發動機與變矩器的工作區域和匹配合理性，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

從傳動系統的輸出萬有特性可以看出，變速器從低擋變為高擋時，最佳的組合動力工作點從點a移動到b點。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，則在變速器擋位變為高擋時減小發動機的開度，工作點將沿著等功率曲線移動到最佳經濟曲線上的c點，使其產生相等的功率輸出。隨著每個點油門和最佳換檔點的逐漸變大，傳動系統的燃油消耗率逐漸降低。

根據以上仿真結果，制定如下換擋策略：

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 試驗研究

為了驗證換擋策略的有效性，試驗臺以某工程車輛的液力機械傳動系統為基礎，試驗臺原理圖如圖8所示。在發動機和變速箱輸出端安裝傳感器，進行轉速和扭矩的采集。

圖8 工程車輛電控系統試驗臺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，經濟功率系數為50%的情況下，變速箱自動換擋臺架試驗曲線。開機后，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，動態性能得到了進一步改善。因此，為了提高工程車輛的經濟性和能源效率，駕駛員可以在工作時間允許的情況下選擇最佳的經濟換擋策略。試驗結果表明，換擋前后變速箱的速度變化相對平緩，表明新的動態換擋策略可以縮短換擋時間，提高變速箱在工程車輛運行過程中的動態性能。

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

如圖10所示，為發動機油門開度70%、工作油泵壓力18MPa工作條件下的最佳動力換擋曲線實驗結果。變速器的輸出速度在整個過程中穩定地變化，而發動機的速度變化很小。試驗結果表明在油門開度相同時工作油泵壓力增加，發動機轉速降低，但是燃油效率得到了提高，因此更省油。對比發現油門開度越大，發動機轉速和變速器輸出轉速均有較大的增加，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速振動較大，而輸出轉速的變化是穩定的，加速度幾乎是恒定的，換擋延時的影響較小，因此，最優的換擋控制改善了傳動系統的動態性能。

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

5 結束語

通過建立重型機械傳動系統的動力學模型，模擬了重型機械工作時的換擋性能，得到了傳動系統的輸入和輸出萬有特性的變化規律，并基于仿真結果提出了考慮經濟和動態特性的綜合智能換擋策略，開發了一種改進BP神經網絡控制的自動換擋控制系統。試驗結果表明，組合動力的最優經濟換擋策略可以大大提高工程車輛的燃油經濟性，降低工作區域油耗率，從而提高了車輛的整體節能效果，驗證了最優經濟性和動態變換理論的正確性。