一种轮式推土机牵引力联合控制系统及控制方法与流程

本发明属于工程机械控制系统技术领域，适用于轮式推土机，具体涉及一种轮式推土机牵引力联合控制系统及控制方法。

背景技术：

当前轮式推土机的作业面通常为土壤，随着土壤含水量的增加，推土机轮胎的附着能力会随之降低，此时轮式推土机会出现轮胎大幅度滑转的现象，导致牵引能力急速下降，从而因牵引力不足造成作业效率低下，致使用户的对轮式推土机作业效率满意度不高。因此需要设置一套牵引力控制系统，对推土机的轮胎滑转率进行控制，使轮式推土机在低附着能力路面条件下的牵引能力得到提升。

现有的牵引力控制途径分别为：调节发动机输出转矩控制驱动力矩、控制防滑差速器实现驱动力矩变比例分配、制动介入对驱动车轮施加制动力矩、变速器档位控制和离合器结合程度控制等，在一般车辆应用中会选择使用上述控制途径中的一种或几种，但应用方式仅限于单纯的叠加控制或在不同时刻选择使用不同控制途径，且不能实现对任意车轮滑转率的实时控制。同时，传统牵引力控制方式并不适应推土机所特有的作业工况，控制效果存在局限性，难以满足轮式推土机在不同土壤条件及复杂作业环境下的牵引力控制需求。

由此可见，在本技术领域，轮式推土机牵引力控制系统需进行改进，尤其需要针对推土机的作业特点及复杂作业环境下的牵引力控制需求，以多系统联合控制为途径进行改进。

技术实现要素：

针对上述现有技术中所存在的不足，本发明针对推土机的作业特点及复杂作业环境，提供了一种轮式推土机牵引力联合控制系统及控制方法，以满足牵引力控制需求。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种轮式推土机牵引力联合控制系统，该系统由发动机1、变矩器2、变速器3、电控防滑差速器5，车轮6、惯性测量单元8、整车控制器9、工作装置10、电液比例阀组12、液压泵13和液压油箱14组成；

所述变矩器2安装在发动机1的曲轴输出端，变速器3通过传动轴与变矩器2连接；所述电控防滑差速器5共有两个，分别安装于轮式推土机的前驱动桥和后驱动桥中部，且通过传动轴与变速器3连接；所述车轮6分别通过传动轴与电控防滑差速器5连接；

发动机1、电控防滑差速器5和用于采集推土机行驶加速度的惯性测量单元8分别通过can总线连接于整车控制器9；

安装在变速器3动力输出端的变速器转速传感器4、安装在车轮6上轮速传感器7、安装在工作装置10上的压力传感器11以及电液比例阀组12均分别与整车控制器9电信号连接；

所述液压泵13由变速器取力，液压泵13出口与电液比例阀组12连接，所述液压油箱14与液压泵13的入口及电液比例阀组12连接。

一种轮式推土机牵引力联合控制系统，其中，所述工作装置10由铲刀15、顶推架16、第一液压油缸17和第二液压油缸18组成；

所述铲刀15安装在顶推架16的前方，第一液压油缸17连接于铲刀15的中部控制铲刀推土深度，第二液压油缸18连接于铲刀15的顶部控制铲刀姿态，工作装置10的整体安装在推土机机体正前方；

所述压力传感器11安装在第二液压油缸18无杆腔接口处；

所述电液比例阀组12分别与第一液压油缸17和第二液压油缸18连接，通过控制第一液压油缸17和第二液压油缸18的伸缩，进而控制铲刀15的推土深度和姿态。

一种轮式推土机牵引力联合控制系统的控制方法，推土机在作业过程中，通过惯性测量单元8、变速器转速传感器4及轮速传感器7采集推土机的运行状态，并将数据发送给整车控制器9，整车控制器9对车轮的轮胎滑转率进行识别，并判断推土机是否进入牵引力控制状态；当进入牵引力控制状态后，通过整车控制器9分别对发动机输出转矩/转速、电控防滑差速器锁止系数、工作装置作业角度进行联合控制，进而实现对轮胎滑转率的控制，直到满足预设的滑转率条件后退出牵引力控制状态。

一种轮式推土机牵引力联合控制系统的控制方法，其中，对车轮的轮胎滑转率识别过程如下：

采用变速器输出转速和推土机行驶速度相互校准的方式取得当前推土机行驶速度vv，其具体实现方法为：

通过惯性测量单元8采集当前推土机行驶的加速度αins，单位：m/s²，并将数据发送至整车控制器9，由整车控制器9对其进行积分处理，取得当前推土机行驶的速度vins，单位：m/s；

通过变速器转速传感器4采集当前变速器输出转速nt，单位：r/min，当nt＝0时，取当前推土机行驶速度vv＝0，当nt≠0时，取当前推土机行驶速度vv＝vins，即：

其中：t0为加速度积分开始时刻，单位：s，其具体数值与变速器输出转速大于零的起始时刻相同；t为当前推土机运行时刻，单位：s。

通过轮速传感器7分别采集推土机四个车轮6的轮速，分别为：左前轮轮速nfl，单位：r/min；右前轮轮速nfr，单位：r/min；左后轮轮速nrl，单位：r/min；右后轮轮速nrl，单位：r/min，由整车控制器9处理计算得出四个车轮6的滚动速度，其具体计算方法为：

其中：vw为车轮滚动速度，单位m/s，对应到四个车轮6分别为：左前轮滚动速度vfl，右前轮滚动速度vfr，左后轮滚动速度vrl，右后轮滚动速度vrl；rw为车轮滚动半径，单位：m；nw为车轮转速，单位：r/min，对应到四个车轮6分别为：左前轮轮速nfl，右前轮轮速nfr，左后轮轮速nrl，右后轮轮速nrl；

根据当前推土机行驶速度vv和四个车轮滚动速度vw，由整车控制器9计算得出当前轮式推土机四轮滑转率sw，其具体计算方法为：

四个车轮6对应的滑转率sw分别为：左前轮滑转率sfl，右前轮滑转率sfr，左后轮滑转率srl，右后轮滑转率srl。

一种轮式推土机牵引力联合控制系统的控制方法，其中，牵引力控制状态的进入/退出过程如下：

步骤1：对当前推土机轮胎滑转率进行判断，当轮胎滑转率的最低值smin＞slim时，执行步骤2；否则继续执行本步骤，其中，smin为推土机四个车轮中轮胎滑转率的最小值，slim为推土机进入牵引力控制状态的滑转率阈值；

步骤2：进入轮式推土机牵引力控制状态，由整车控制器9控制发动机执行输出转矩/转速控制过程、控制电控防滑差速器执行锁止系数控制过程或控制电液比例阀组执行工作装置作业角度控制过程；

步骤3：对当前推土机轮胎滑转率进行判断，当轮胎滑转率的最低值smin＜s0时，执行步骤4，否则继续执行本步骤，其中，s0为推土机退出牵引力控制状态的滑转率阈值，且slim＞s0；

步骤4：退出轮式推土机牵引力控制状态，返回继续执行步骤1。

一种轮式推土机牵引力联合控制系统的控制方法，其中，所述发动机执行输出转矩/转速控制过程如下：

a1、对当前推土机轮胎滑转率最低值smin进行判断，当smin＞slim时，进入发动机输出转矩/转速控制过程，执行步骤a2，否则继续执行本步骤；

a2、对当前变矩器状态进行判断；

a3、通过整车控制器9对发动机输出转速/转矩进行控制，直至轮胎滑转率最低值smin＜s0；

a4、发动机输出转矩/转速控制过程结束，返回继续执行步骤a1。

进一步地，所述步骤a2中，对当前变矩器状态进行判断，变矩器状态包括闭锁和开放两种情况：

如果变矩器2处于闭锁状态，则步骤a3中通过整车控制器9采用pid方法控制发动机1的转矩下降，直至轮胎滑转率最低值smin＜s0，然后执行步骤a4；

如果变矩器2处于开放状态，通过整车控制器9采用pid方法控制发动机1的转速下降，直至轮胎滑转率最低值smin＜s0，然后执行步骤a4。

一种轮式推土机牵引力联合控制系统的控制方法，其中，所述电控防滑差速器执行锁止系数控制过程如下：

b1、对当前推土机左右轮滑转率进行判断，当推土机的左右轮滑转率的差值大于slr_lim时，进入电控防滑差速器锁止系数控制过程，执行步骤b2，否则继续执行本步骤，其中slr_lim为推土机进入差速器锁止系数控制过程的左右轮滑转率差值阈值，；

b2、通过整车控制器9采用pid方法控制差速器锁止系数，直至推土机的左右轮滑转率的差值小于slr_0，执行步骤b3，其中，slr_0为推土机退出差速器锁止系数控制过程的左右轮滑转率差值阈值，且slr_lim＞slr_0；

b3、电控防滑差速器锁止系数控制过程结束，返回继续执行步骤b1。

一种轮式推土机牵引力联合控制系统的控制方法，其中，所述工作装置作业角度控制过程具体如下：

c1、对推土机当前作业状态进行判断，当压力传感器11检测到压力p大于p0时，则判定推土机当前处于作业状态，执行步骤c2，否则继续执行本步骤，其中，p为压力传感器11检测到的工作装置10内的压力，单位：mpa；p0为推土机处于作业状态时的压力传感器11的压力阈值，单位：mpa；

c2、对当前推土机轮胎滑转率进行判断，当推土机前驱动桥滑转率之和与后驱动桥滑转率之和的差值大于sfr_lim，即|(sfl+sfr)-(srl+srr)|＞sfr_lim时，进入工作装置作业角度控制过程，执行步骤c3，否则继续执行本步骤，其中，sfr_lim为推土机进入工作装置作业角度控制过程的前驱动桥滑转率之和与后驱动桥滑转率之和的差值阈值，且sfr_lim＞sfr_0；

c3、通过整车控制器9采用pid方法控制电液比例阀组12，对工作装置10中铲刀15的作业角度进行调节，直至推土机前驱动桥滑转率之和与后驱动桥滑转率之和的差值小于sfr_0，即|(sfl+sfr)-(srl+srr)|＜sfr_0，执行步骤c4，其中，sfr_0为推土机退出工作装置作业角度控制过程的前驱动桥滑转率之和与后驱动桥滑转率之和的差值阈值；

c4、工作装置作业角度控制过程结束，返回继续执行步骤c1。

进一步地，对工作装置10中铲刀15的作业角度进行调节的过程为：

当(sfl+sfr)-(srl+srr)＞0时，即前驱动桥滑转率之和大于后驱动桥滑转率之和时，减小铲刀15与顶推架16间的夹角，直至|(sfl+sfr)-(srl+srr)|＜sfr_0；当(sfl+sfr)-(srl+srr)＜0时，即前驱动桥滑转率之和小于后驱动桥滑转率之和时，增加铲刀15与顶推架16间的夹角，直至|(sfl+sfr)-(srl+srr)|＜sfr_0。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明采用惯性测量单元和轮速传感器获取轮胎滑转率，传感器成本较低适用于量产机型；

2.本发明区别于传统牵引力控制方式，可实现对推土机任意车轮滑转率的解耦，进一步通过对发动机输出转矩/转速、电控防滑差速器锁止系数、工作装置作业角度进行控制的方式对推土机任意车轮滑转率进行控制，可将推土机四轮滑转率同时控制在合理范围内，能够适应不同土壤条件及复杂作业环境下的推土机牵引力控制需求；

3.本发明采用对工作装置作业角度进行控制的方式调节推土机前后桥滑转率差异，充分适应轮式推土机作业工况特点；

4.本发明通过整车控制器采集传感器信号，对发动机、电控防滑差速器及电液比例阀组进行控制，自动化程度较高，可在一定程度上降低驾驶员劳动强度。

附图说明

图1是本发明所述一种轮式推土机牵引力联合控制系统的结构示意图。

图2是本发明所述一种轮式推土机牵引力联合控制系统中，工作装置的结构示意图。

图3是本发明所述一种轮式推土机牵引力联合控制方法中，牵引力控制状态的进入/退出过程流程框图。

图4是本发明所述一种轮式推土机牵引力联合控制方法中，发动机输出转矩/转速控制过程流程框图。

图5是本发明所述一种轮式推土机牵引力联合控制方法中，电控防滑差速器锁止系数控制过程流程框图。

图6是本发明所述一种轮式推土机牵引力联合控制方法中，工作装置作业角度控制过程流程图。

图7a是本发明所述一种轮式推土机牵引力联合控制方法中，工作装置a姿态示意图。

图7b是本发明所述一种轮式推土机牵引力联合控制方法中，工作装置b姿态示意图。

图中：

1.发动机，2.变矩器，3.变速器，4.变速器输出转速传感器，

5.电控防滑差速器，6.车轮，7.轮速传感器，8.惯性测量单元，

9.整车控制器，10.工作装置，11.压力传感器，12.电液比例阀组，

13.液压泵，14.液压油箱，15.铲刀，16.顶推架，

17.第一液压油缸，18.第二液压油缸。

机械连接；液压管路连接；电信号线路连接，总线信号线路连接。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

请参阅图1所示，本发明提供了一种轮式推土机牵引力联合控制系统，包括发动机1、变矩器2、变速器3、变速器输出转速传感器4、电控防滑差速器5，车轮6、轮速传感器7、惯性测量单元8、整车控制器9、工作装置10、压力传感器11、电液比例阀组12、液压泵13和液压油箱14。

所述发动机1通过can总线连接整车控制器9，由can总线接收整车控制器9发出的控制信号实现转速/转矩控制；

所述变矩器2安装在发动机1的曲轴输出端，可由驾驶员控制实现闭锁功能；

所述变速器3通过传动轴与变矩器2连接；所述变速器转速传感器4安装在变速器3的动力输出端，用于测量变速器3的输出转速；

所述电控防滑差速器5共有两个，分别安装于轮式推土机的前驱动桥和后驱动桥上，前、后两个电控防滑差速器5分别通过前、后纵向的传动轴与变速器3连接，所述电控防滑差速器通过can总线连接于整车控制器9，由can总线接收整车控制器9发出的控制信号实现锁止系数控制；

所述车轮6通过横向的传动轴与电控防滑差速器5连接；

所述轮速传感器7共有四个，用于测量对应的四个车轮6的输出转速，四个所述轮速传感器7分别与整车控制器9电信号连接，四个所述轮速传感器7将采集到的对应车轮6的输出转速信号传送至整车控制器9；

所述惯性测量单元8通过can总线连接于整车控制器9，用于采集推土机行驶加速度，并通过can总线将采集到的推土机行驶加速度数据信息发送至整车控制器9；

所述变速器输出转速传感器4与整车控制器9电信号连接；

电液比例阀组12与整车控制器9电信号连接；

所述整车控制器9用于接收各传感器的输出信号对轮胎滑转率进行识别，并通过发送控制信号实现对发动机1、电控防滑差速器5及电液比例阀组12的控制；

参阅图2所示，所述工作装置由铲刀15、顶推架16、第一液压油缸17、第二液压油缸18组成；所述铲刀15安装在顶推架16的前方，由第一液压油缸17的活塞杆端连接于铲刀15的中部，第一液压油缸17控制铲刀推土深度，由第二液压油缸18的活塞杆端连接于铲刀15的顶部，第二液压油缸18控制铲刀姿态，工作装置10的整体安装在推土机机体正前方；

所述压力传感器11安装在工作装置10的第二液压油缸18无杆腔接口处，用于测量第二液压油缸18无杆腔内的压力变化，且所述压力传感器11与整车控制器9电信号连接；

所述电液比例阀组12通过液压管路分别与工作装置10中的第一液压油缸17和第二液压油缸18连接，电液比例阀组12接收由整车控制器9发出的电信号并控制第一液压油缸17和第二液压油缸18的伸缩，进而对铲刀15姿态进行控制；

所述液压泵13安装在变速器2的箱体上，由变速器3取力，液压泵13的出口通过液压管路与电液比例阀组12连接；所述液压油箱14通过液压管路与液压泵13的入口及电液比例阀组12连接，用于储存液压工作系统所需液压油。

结合上述一种轮式推土机牵引力联合控制系统，本发明还提供了一种轮式推土机牵引力联合控制方法，所述控制方法为：当推土机在作业过程中时，对车轮的轮胎滑转率进行识别，并判断是否进入牵引力控制状态；当进入牵引力控制状态后，通过整车控制器9分别对发动机输出转矩/转速、电控防滑差速器锁止系数、工作装置作业角度进行联合控制，进一步实现对轮胎滑转率的控制，直到满足一定滑转率条件后退出牵引力控制状态。

对车轮的轮胎滑转率识别过程如下：

通过惯性测量单元8采集当前推土机行驶的加速度αins，单位：m/s²，并将数据发送至整车控制器9，由整车控制器9对其进行积分处理，取得当前推土机行驶的速度(惯性测量值)vins，单位：m/s。为了保证所取得的推土机行驶速度的准确性，故采用变速器输出转速和推土机行驶速度(惯性测量值)相互校准的方式取得当前推土机行驶速度vv，单位：m/s，其具体实现方法为：通过变速器转速传感器4采集当前变速器输出转速，记为nt，单位：r/min，当nt＝0时，取当前推土机行驶速度vv＝0，当nt≠0时，取当前推土机行驶速度vv＝vins，即：

其中：t0为加速度积分开始时刻，单位：s，其具体数值与变速器输出转速大于零的起始时刻相同；t为当前推土机运行时刻，单位：s。

通过四个轮速传感器7分别采集当前推土机对应四个车轮6的轮速，分别记为：左前轮轮速nfl，单位：r/min；右前轮轮速nfr，单位：r/min；左后轮轮速nrl，单位：r/min；右后轮轮速nrl，单位：r/min。由整车控制器9处理计算得出四个车轮6的滚动速度，其具体计算方法为：

其中：vw为车轮滚动速度，单位m/s，对应到四个车轮6分别为：左前轮滚动速度vfl，右前轮滚动速度vfr，左后轮滚动速度vrl，右后轮滚动速度vrl；rw为车轮滚动半径，单位：m；nw为车轮转速，单位：r/min，对应到四个车轮6分别为：左前轮轮速nfl，右前轮轮速nfr，左后轮轮速nrl，右后轮轮速nrl。

根据当前推土机行驶速度vv和四个车轮滚动速度vw，由整车控制器9计算得出当前轮式推土机四轮滑转率sw，单位：％,；其具体计算方法为：

其中：四个车轮6对应的滑转率sw分别为：左前轮滑转率sfl，右前轮滑转率sfr，左后轮滑转率srl，右后轮滑转率srl。

参阅图3所示，牵引力控制状态的进入/退出过程如下：

1、对当前推土机轮胎滑转率进行判断，当轮胎滑转率的最低值smin＞slim时，执行步骤2；否则继续执行本步骤。

在本步骤中：smin为推土机四个车轮轮胎滑转率的最小值，单位：％，其具体数值确定方法为：smin＝min{sfl,sfr,srl,srr}；slim为推土机进入牵引力控制状态的滑转率阈值，单位：％，其具体数值根据驾驶需求由实验方法离线确定。

2、进入轮式推土机牵引力控制状态，由整车控制器9控制发动机执行输出转矩/转速控制过程；控制电控防滑差速器执行锁止系数控制过程；控制电液比例阀组执行工作装置作业角度控制过程。

3、对当前推土机轮胎滑转率进行判断，当轮胎滑转率的最低值smin＜s0时，执行步骤4；否则继续执行本步骤。

在本步骤中：s0为推土机退出牵引力控制状态的滑转率阈值，单位：％，其具体数值根据驾驶需求由实验方法离线确定；且slim＞s0。

4、退出轮式推土机牵引力控制状态，返回继续执行步骤1。

参阅图4所示，所述发动机执行输出转矩/转速控制过程具体如下：

a1、对当前推土机轮胎滑转率最低值smin进行判断，当smin＞slim时，进入发动机输出转矩/转速控制过程，执行步骤a2。否则继续执行本步骤。

a2、对当前变矩器状态进行判断，当变矩器处于闭锁状态时，执行步骤a3a；否则，当变矩器处于开放状态时，执行步骤a3b。

a3、通过整车控制器9对发动机输出转速/转矩进行控制，直至轮胎滑转率最低值smin＜s0，具体包括如下两种情况：

a3a、如果变矩器2处于闭锁状态，通过整车控制器9采用pid(比例、积分、微分控制方法)方法控制发动机1的转矩下降，直至轮胎滑转率最低值smin＜s0，执行步骤a4；

a3b、如果变矩器2处于开放状态，通过整车控制器9采用pid方法控制发动机1的转速下降，直至轮胎滑转率最低值smin＜s0，执行步骤a4。

a4、发动机输出转矩/转速控制过程结束，返回继续执行步骤a1。

参阅图5所示，所述电控防滑差速器执行锁止系数控制过程具体如下：

b1、对当前推土机左右轮滑转率进行判断；对于前桥，当|sfl-sfr|＞slr_lim时；或对于后驱动桥，当|srl-srr|＞slr_lim时，进入电控防滑差速器锁止系数控制过程，执行步骤b2。否则继续执行本步骤。

在本步骤中：slr_lim为推土机进入差速器锁止系数控制过程的左右轮滑转率差值阈值，单位：％，其具体数值根据驾驶需求由实验方法离线确定。

b2、通过整车控制器9采用pid方法控制差速器锁止系数增加，直至左右轮滑转率差值|sfl-sfr|＜slr_0或|srl-srr|＜slr_0，执行步骤b3。

在本步骤中：slr_0为推土机退出差速器锁止系数控制过程的左右轮滑转率差值阈值，单位：％，其具体数值根据驾驶需求由实验方法离线确定；且slr_lim＞slr_0。

b3、电控防滑差速器锁止系数控制过程结束，返回继续执行步骤b1。

参阅图6所示，所述工作装置作业角度控制过程具体如下：

c1、对推土机当前作业状态进行判断，当压力传感器11检测到压力p大于p0时，则判定推土机当前处于作业状态，执行步骤c2；否则继续执行本步骤。

在本步骤中：p为工作装置10中的第二液压油缸18无杆腔内的压力，单位：mpa；p0为推土机处于作业状态时的压力传感器11的压力阈值，单位：mpa，其具体数值由实验方法离线确定。

c2、对当前推土机轮胎滑转率进行判断，当推土机前驱动桥滑转率之和与后驱动桥滑转率之和的差值增大到一定程度时，即|(sfl+sfr)-(srl+srr)|＞sfr_lim时，进入工作装置作业角度控制过程，执行步骤c3；否则继续执行本步骤。

在本步骤中：sfr_lim为推土机进入工作装置作业角度控制过程的前驱动桥滑转率之和与后驱动桥滑转率之和的差值阈值，单位：％，其具体数值根据驾驶需求由实验方法离线确定。

c3、通过整车控制器9采用pid方法控制电液比例阀组12，对工作装置10中铲刀15的作业角度进行调节，直至|(sfl+sfr)-(srl+srr)|＜sfr_0，执行步骤c4。

在本步骤中：sfr_0为推土机退出工作装置作业角度控制过程的前驱动桥滑转率之和与后驱动桥滑转率之和的差值阈值，单位：％，其具体数值根据驾驶需求由实验方法离线确定；

所述工作装置10中铲刀15的作业角度调节方法为：当(sfl+sfr)-(srl+srr)＞0时，即前驱动桥滑转率之和大于后驱动桥滑转率之和时，控制铲刀15的姿态由图7b中b姿态向图7a中a姿态转换，即减小铲刀15与顶推架16间的夹角，直至|(sfl+sfr)-(srl+srr)|＜sfr_0；当(sfl+sfr)-(srl+srr)＜0时，即前驱动桥滑转率之和小于后驱动桥滑转率之和时，控制铲刀15的姿态由图7a中a姿态向图7b中b姿态转换，即增加铲刀15与顶推架16间的夹角，直至|(sfl+sfr)-(srl+srr)|＜sfr_0；且sfr_lim＞sfr_0。

c4、工作装置作业角度控制过程结束，返回继续执行步骤c1。