专利名称：作业车辆三参数自动变速控制方法
技术领域：
本发明属工程机械技术领域，具体涉及一种作业车辆的三参数自动变速控制方 法。
背景技术：
作业车辆泛指一边工作一边行驶的车辆。操纵作业车辆的司机除了需要驾驶车辆 行驶以外，还需要操作众多的手柄完成作业任务，工作劳动强度大，易于疲劳。作业车辆实 现自动变速，不但可以减轻司机的劳动强度，更主要的是可以让司机把更多的注意力集中 在作业上，提高作业质量和作业效率。为此从上世纪80年代开始，世界各国便开始从事作 业车辆的自动变速技术研究，最先在作业车辆中使用的是VOLVO公司，紧接着，德国的ZF公 司，美国的卡特公司，日本的川崎公司、小松公司、TCM公司相继在作业车辆上使用了自动变 速器技术。目前在作业车辆领域自动变速技术已有较多的应用，但分析目前的作业车辆自 动变速技术可以看出，它们基本上是沿用了汽车二参数(油门、车速)自动变速技术，只不 过是将作业车辆的工况简单分为“作业”与“不作业”，并分别使用了不同的换挡曲线而已。事实上，作业车辆作业时其作业功率并不是非有即无，而是在连续变化的，并且变 化幅度较大，如装载机的作业功率变化幅度要占发动机功率的60%。很显然，将作业车辆的 工况简单分为“作业”与“不作业”是不合理的。应用实践也表明，使用了这种自动变速技 术与不使用相比，前者传动系载荷波动变大、燃油效率降低、主要零部件寿命缩短、动力性 与经济性变差、对环境污染也变大。
发明内容
本发明的目的是，综合考虑作业车辆作业载荷连续、大幅度变化的特点，提供一种 作业车辆三参数自动变速控制方，以克服目前作业车辆自动变速技术的不足。本发明包括下列步骤1)将油门开度α、车速ν和作业载荷系数、作为作业车辆自动变速的参数，其 中作业载荷系数Y由下列步骤获得由于作业装置通常使用液压传动，不同用途、不同压力的工作泵Ρη···Ρ1ω，P21-P2n 通过固定的齿轮组Gn··· Glm，(i21··· Gai从发动机飞轮取力，1. 1对于定量泵，只要用压力传感器SySlm检测出其出口压力，计算出定量泵工 作时占用的发动机飞轮力矩Mli = KliPli式中的系数Kli可通过试验标定获得，也可通过下列公式计算获得Ku = ^其中qn为定量泵的排量，Ili为飞轮轴到定量泵轴的传动比，为定量泵总传 动效率；
1.2对于变量泵，只需用压力传感器S21…Sai和转角传感器A21…Aai测量其出口压 力及变量角，计算出变量泵工作时占用的发动机飞轮力矩M2i = K2iP2itan β i式中的系数K2i可通过标定获得，也可通过下列公式计算获得K2i = 125i2id2RZ n2i其中i2i为从飞轮轴到变量泵轴的传动比，d为变量泵的柱塞直径，R为柱塞中心 分布圆直径，ζ为柱塞数目，n2i为变量泵总传动效率；1. 3作业载荷系数Y可通过下式计算式中ΜΠ为第i个定量泵工作时占用的发动机飞轮力矩；M2i为第i个变量泵占用 的发动机飞轮力矩；Mlimax与M2imax是各定量泵与各变量泵工作在最大载荷时所占用的发动 机飞轮力矩，k为一常数；2)针对不同油门开度α、车速ν和作业载荷系数Y所决定的工况，离线匹配，获 得全工况最优换挡分布表，包括下列步骤2. 1取11种作业载荷系数γ值，分别为0、0. 1、0. 2、…、1.0，用公式^= yMLmax 计算出作业载荷所占用的发动机飞轮力矩；2. 2取油门开度α分别为30%、40%、50%、…、100%，将每种油门开度α下的 发动机力矩特性曲线减去虬，获得各油门开度α下的发动机净力矩特性曲线；2. 3由净力矩特性与传动系匹配后获得具有4个前进挡和3个后退挡的牵引特性 曲线，并根据“自动变速获得最优动力性”的原则，从中得到最优I-II挡、II-III挡、III-IV 挡，和I’ -II’挡、II’ -III’挡换挡点；2. 4针对步骤2. 1中每一种作业载荷系数Y，将步骤2. 2和2. 3中不同油门开度 α下的最优换挡点连成线，获得该作业载荷系数Y下的最优变速特性曲线；对于步骤2.1 中所列的11种作业载荷系数Y值，分别有11组这样的最优变速特性曲线，并以全工况最 优换挡分布表的形式写入自动换挡控制器10中；3)在进行实际变速控制时，可根据步骤2. 4中所述的11组最优变速特性曲线，采 用插值的方法获得任意作业载荷系数Y和任意油门开度α时的最优换挡点；4)还可采用系统辨识的方法，根据最优变速特性曲线，直接拟合出最优换挡点速 度与作业载荷系数Y、油门开度α的函数关系，即全工况最优换挡函数，并将此函数写入 自动换挡控制器10中进行自动变速控制。在步骤4)所述的最优换挡点速度的基础上，增加一个速度增量Δν，作为升挡时 的速度槛值，并在理论最优换挡点速度的基础上减少速度增量△ V，作为降挡点速度槛值。采用本发明可使作业车辆的传动系载荷波动变小、燃油效率提高、主要零部件寿 命延长、动力性与经济性变好、并使环境污染减少，本发明可广泛适用于各种自行式工程车 辆、矿用车辆、农用车辆、军用车辆的自动变速。
图1是作业车辆三参数自动变系统结构示意图
图2是作业载荷系数Y、油门开度α时的发动机与变矩器共同输入特性曲线图3是作业载荷系数Y、油门开度α时的作业车辆的牵引特性曲线图4是作业载荷系数Y时的最优挡位特性曲线其中1.发动机2.油门踏板3.转角传感器4.飞轮5.液力变矩器6.变 速箱7.车速传感器8.中央差速器9.终传动10.自动变速控制器11.换挡控制阀P11…Plm—m个定量泵；Ρ21···Ρ2η—η个变量泵；GyGlm-定量泵从飞轮取力的齿 轮；GyG2n-变量泵从飞轮取力的齿轮；SySlm-测量定量泵出口压力的传感器；S21… S2n-测量变量泵出口压力的传感器；A21…A2n-测量变量泵变量角的转角传感器；Ln··· Llffl-由定量泵驱动的作业装置；LyL2n-由变量泵驱动的作业装置。
具体实施例方式下面结合
实施例(1)系统组建如图1中实线所示，假设某作业车辆的主传动系统由发动机1、液力变矩器5、变速 箱6，中央差速器8、终传动9构成，其中变速箱6具有4个前进挡(I、II、III、IV挡)，和3 个后退挡(I’、II’、III’挡)。作业装置的传动系统由1个齿轮定量泵Βη、1个柱塞变量泵 B21及其驱动的作业装置Ln、L21组成。自动变速系统需要安装的传感器包括与油门踏板2的转轴相连的转角传感器3， 车速传感器7，定量泵出口压力的传感器Sn、变量泵出口的压力传感器S21以及变量角传感
A2I ο各传感器测得的模拟信号与脉冲信号均输入到自动变速控制器10中，自动变速 控制器10发出的换挡控制信号传到换挡控制阀11完成换挡动作。(2)作业载荷系数测算方法①测算定量泵占用的发动机飞轮力矩。若测得定量泵的出口压力值为P11,则定量 泵工作时占用的发动机飞轮力矩可由下式计算M11 = K11P11其中系数K11可通过标定获得；也可以通过计算获得，其计算公式为夂η = ·，
其中Q11为定量泵的排量，I11为飞轮轴到定量泵轴的传动比，H11为定量泵总传动效率。②计算变量泵占用的发动机飞轮力矩。若测得的变量泵出口压力值为P21、变量角 为，则变量泵占用的发动机输出力矩可由下式计算M21 = K21P21tan β 丄其中系数K21可通过标定获得；也可以通过计算获得，其计算公式为K21 = 125i21d2RZ n21，其中i21为从飞轮轴到变量泵轴的传动比，d为变量泵的柱塞直径，R为柱塞 中心分布圆直径，Z为柱塞数目，Jl21为变量泵总传动效率。③作业载荷系数计算。定义作业载荷系数的计算如下公式，其取值处于0 1之间。
MtY =
其中ML_ = Mllmax+M21max为最大作业载荷时占用的发动机飞轮力矩；Ml = Mn+M21为当前作业载荷时占用的发动机飞轮力矩。(3)绘制自动变速特性曲线①取作业载荷系数Y分别为0，0.1，0.2，···，1.0，用公式礼=YMtax计算出作业 载荷所占用的发动机飞轮力矩。并分别做如下工作②。②取油门开度α分别为30% (设为怠速油门)、40%、50%、…、100%，如图2所 示，将每种油门开度α下的发动机力矩特性曲线减去虬，再进行传动系匹配，最后获得如图 3所示的具有4个前进挡和3个后退挡的牵引特性曲线，并根据“自动变速获得最优动力性” 的原则，从中得到最优I-II挡换挡点ΡΗΙ、最优II-III挡换挡点Ρ -ΠΙ、最优III-IV挡换 挡点ΡΙΠ_ιν，和最优I’ -II’挡换挡点Pm，、最优II，-III’挡换挡点Pn，-m，。③针对①中每一种作业载荷系数Y，将②中不同油门开度α下的最优换挡点连 成线，如图4中点划线所示，它是该作业载荷系数γ下的最优变速特性曲线。对于①中所 列的11种Y值，分别有11组这样的曲线。为了实际控制时的方便，必须能够求出任意Y 值下的最优变速特性曲线。在进行实际变速控制时，可以根据这11条曲线采用插值的方法 获得任意Y和任意油门开度α时的最优换挡点。除此之外，还可以采用系统辨识的方法 根据这11条曲线直接拟合出最优换挡点速度与Y，α的函数关系，并将该函数写入控制器 中进行自动变速控制。④为了防止换挡循环，从低挡升到高挡的速度与从高挡降低挡的速度通常采用不 同的数值。在实际自动变速控制过程中，可以在上步③计算出的理论最换挡点速度的基础 上增加一个速度增量Δν，作为升挡时的速度槛值，和在理论最换挡点速度的基础上减少 Δν，作为降挡点速度槛值，来避免换挡循环。由理论换挡点曲线做出的作业载荷系数Y时 的升挡特性曲线、降挡特性曲线如图4中的粗实线和虚线所示。(4)自动变速工作过程描述采用数字控制器进行自动变速控制时，首先在每个采样周期到来时，分别测量油 门开度α，车速ν及作业载荷系数Y的数值。然后依照测得的作业载荷系数Y与油门开 度α值，根据前面(3)中介绍的方法求出当前挡位的升挡车速与降挡车速，如果当前车速 大于升挡车速且当前挡不是最高挡则升一档，如果当前车速小于降挡车速且当前挡不是最 低挡，则降一挡，除此之外，则不必换挡。本发明所提供的三参数自动变速技术，因充分考虑了作业载荷连续、大幅度变化 对最优挡位特性的影响，与现有作业车辆自动变速技术相比，可有效降低传动系统的载荷 波动，提高燃油效率和主要零部件寿命、较好地改善车辆的动力性与经济性、并有效减少对 环境污染。本发明包括下列步骤1)将车速V、油门开度α和作业载荷系数、作为作业车辆自动变速的参数；其 中车速ν可以通过车速传感器7来测量，它装于变速箱6上，多为脉冲信号；油门开度α 的测量，可以用转角度感器3通过测量门踏板2的转角得到。作业载荷系数Y是一个能衡 量作业载荷大小的参数，由下列步骤获得由于作业装置通常使用液压传动，不同用途、不同压力的工作泵Ρη···Ρ1ω，P21-P2n 通过固定的齿轮组Gn··· Glm，(i21··· Gai从发动机飞轮取力，
1. 1对于定量泵，只要用压力传感器SySlm检测出其出口压力，计算出定量泵工 作时占用的发动机飞轮力矩Mli = KliPli式中的系数Kli可通过试验标定获得，也可通过下列公式计算获得
权利要求
1. 一种作业车辆三参数自动变速控制方法，其特征在于包括下列步骤 1)将油门开度(α)、车速(ν)和作业载荷系数(Y)作为作业车辆自动变速的参数，其 中作业载荷系数(Y)由下列步骤获得由于作业装置通常使用液压传动，不同用途、不同压力的工作泵(Ρη···Ρ1π1，Ρ21···Ρ2η)通 过固定的齿轮组(GyGlm，G21…G2n)从发动机飞轮取力，1.1对于定量泵，只要用压力传感器(SySlm)检测出其出口压力，计算出定量泵工作 时占用的发动机飞轮力矩 Mli = KliPli式中的系数Kli可通过试验标定获得，也可通过下列公式计算获得其中q 为定量泵的排量，Ili为飞轮轴到定量泵轴的传动比，Hli为定量泵总传动效率；1.2对于变量泵，只需用压力传感器(SyS2n)和转角传感器(AyA2n)测量其出口压 力及变量角，计算出变量泵工作时占用的发动机飞轮力矩
2.1取11种作业载荷系数(γ)值，分别为0、0. 1、0.2、…、1.0，用公式Ml= 计 算出作业载荷所占用的发动机飞轮力矩；2. 2取油门开度(α)分别为30^^40^^50%,…、100%，将每种油门开度(α)下的 发动机力矩特性曲线减去礼，获得各油门开度(α)下的发动机净力矩特性曲线；2. 3由净力矩特性与传动系匹配后获得具有4个前进挡和3个后退挡的牵引特性曲线， 并根据“自动变速获得最优动力性”的原则，从中得到最优I-II挡、II-III挡、III-IV挡， 和I’ -II’挡、II’-III’挡换挡点；2. 4针对步骤2. 1中每一种作业载荷系数(Y)，将步骤2. 2和2. 3中不同油门开度(α ) 下的最优换挡点连成线，获得该作业载荷系数(Y)下的最优变速特性曲线；对于步骤2. 1 中所列的11种作业载荷系数(Y)值，分别有11组这样的最优变速特性曲线，并以全工况 最优换挡分布表的形式写入自动换挡控制器(10)中；3)在进行实际变速控制时，可根据步骤2.4中所述的11组最优变速特性曲线，采用插 值的方法获得任意作业载荷系数(Y)和任意油门开度(α)时的最优换挡点；4)还可采用系统辨识的方法，根据最优变速特性曲线，直接拟合出最优换挡点速度与 作业载荷系数(Y)、油门开度(α)的函数关系，即全工况最优换挡函数，并将此函数写入 自动换挡控制器(10)中进行自动变速控制。2.按权利要求1所述的作业车辆三参数自动变速控制方法，其特征在于在步骤4)所述 的最优换挡点速度的基础上，增加一个速度增量(△ ν)，作为升挡时的速度槛值，并在理论 最优换挡点速度的基础上减少速度增量(△ ν)，作为降挡点速度槛值。
全文摘要
作业车辆三参数自动变速控制方法属工程机械技术领域，本发明包括将油门开度、车速和作业载荷系数作为作业车辆自动变速的参数；针对不同三参数决定的工况离线匹配，获得全工况最优换挡分布表；进行实际变速控制时，可根据11组最优变速特性曲线，采用插值法获得任意作业载荷系数和任意油门开度时的最优换挡点；还可根据最优变速特性曲线，直接拟合出最优换挡点速度与作业载荷系数、油门开度的函数关系，并将函数写入自动换挡控制器中进行自动变速控制。采用本发明可使作业车辆的传动系载荷波动变小、燃油效率提高、主要零部件寿命延长、动力性经济性变好、环境污染减少，可广泛适用于自行式工程车辆、矿用车辆、农用车辆、军用车辆的自动变速。
文档编号F16H61/04GK102141144SQ20111007570
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者张红彦, 赵丁选, 龚捷 申请人:吉林大学