一种大马力拖拉机恒扭矩动力的降挡控制方法与流程

本发明属于拖拉机动力换挡控制领域，具体来说是一种针对多离合器式大马力拖拉机恒扭矩动力的降挡控制方法。

技术背景

拖拉机工作有以下特点：(1)受农艺和机具承载能力影响，一般匀速运动；(2)为了提高生产率，油门开度一般在80％以上；(3)工作阻力会波动，传统的手动变速器难以适应工作阻力的变化，需停车换挡；针对拖拉机的作业特点，国外提出了‘powershift’(动力换挡)传动系统，配置这种传动系统的拖拉机成本也比较高。该传动系统有效扩大了拖拉机持续工作的工作阻力范围，避免了传统手动变速器因工作阻力变化引起的频繁停车换挡，提高了拖拉机的生产效率。拖拉机作业换挡一般在很大负载条件下，若采用非动力换挡控制方法，由于车速低，拖拉机很容易停车，从而影响生产率。如何避免拖拉机在自动变速过程中因动力中断而停车是拖拉机动力换挡控制系统研发过程中需要解决的关键问题之一。

所谓动力换挡，又称“带载换挡”，是在满足一定换挡品质要求的前提下，保证换挡过程中动力不中断的换挡。动力降挡属于动力换挡技术的一部分，在多离合器式动力传动系统中，通过两个或多个离合器实现换挡过程动力持续输出，当分离离合器还未完全分离时接合接合离合器，以保证动力不中断。但在降挡过程中，若接合离合器主动盘转速小于从动盘转速，则接合离合器反向传递扭矩而产生寄生功率。寄生功率也被称之为循环功率，该功率除了造成不必要的能量损失外，还会对传动系统零部件造成很大损害。拖拉机作业有牵引、旋耕和收割多种形式，当作业时，动力降挡还需保证拖拉机作业质量和效率，若在降挡过程中拖拉机的输出扭矩变化过大，则无法保证作业质量，容易对机具造成损害，同时且伴随会出现升档顿挫，影响降档平顺性，而仅仅通过对大马力拖拉机的换挡离合器进行控制无法很难实现动力降档过程中始终恒扭矩输出。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术存在的不足之处，提出一种大马力拖拉机恒扭矩动力的降挡控制方法，以期通过对分离、接合离合器压力以及柴油发动机输出功率进行控制，实现动力降挡过程中变速传动系统始终保持恒扭矩输出的目的，从而使得拖拉机动力换挡平顺、无冲击。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种大马力拖拉机恒扭矩动力的降挡控制方法的特点是将拖拉机恒扭矩动力降挡控制的过程分为：换挡准备阶段、转速同步阶段、档位重叠阶段和接合强化阶段，并按如下步骤进行：

步骤1、在所述换挡准备阶段，增大接合离合器的作动压力至所述接合离合器维持的压力p准，使接合离合器处于扭矩传递临界状态，以消除接合离合器的空行程；

步骤2、在所述转速同步阶段的开始时刻，将柴油发动机的输出功率增大加速功率δp加1，然后逐步增大柴油发动机的输出功率以补偿分离离合器的滑摩损失功率δp损；同时减小分离离合器的作动压力至分离离合器的负载扭矩压力p分并维持不变；

步骤3、在所述档位重叠阶段的开始时刻，将柴油发动机的输出功率减小加速功率δp加2，然后逐步减小柴油发动机的输出功率以补偿分离离合器的滑摩损失功率δp损；同时逐步增大接合离合器的作动压力至所述接合离合器的负载扭矩压力p合为止，并逐步减小所述分离离合器的作动压力，且所述分离离合器与接合离合器的作动压力满足档位重叠阶段的压力增量关系；

步骤4、在所述接合强化阶段，保持柴油发动机的输出功率不变，同时增大所述接合离合器的作动压力至接合离合器扭矩传递的压力上限p终。

本发明所述的大马力拖拉机恒扭矩动力的降挡控制方法的特点也在于：

利用式(1)计算所述接合离合器在准备阶段维持的压力p准：

式(1)中，fpre为所述接合离合器的复位弹簧的预压缩弹簧力，ff为活塞摩擦力，ah为活塞有效作用面积。

利用式(2)计算柴油发动机在转速同步阶段开始时刻增大的加速功率δp加1：

δp加1＝jeαωe(2)

式(2)中，je为输入轴转动惯量，α为输入轴加速度；ωe为输入轴转速。

利用式(3)计算所述分离离合器在转速同步阶段的滑摩损失功率δp损：

δp损＝kp分δω分(3)

式(3)中，δω分为分离离合器主从动盘的转速差；所述分离离合器负载扭矩压力p分利用式(4)计算：

式(4)中，tl为所述分离离合器传递的扭矩，k为摩擦特性系数，由摩擦片片数、摩擦接触面内外径和摩擦片材料决定；

利用式(5)计算柴油发动机在档位重叠阶段开始时刻减小的加速功率δp加2：

δp加2＝jeαωe2(5)

式(5)中，ωe2为档位重叠阶段开始时刻输入轴的转速。

利用式(6)计算所述接合离合器的负载扭矩压力p合：

式(6)中，q为相邻两挡传动比比值。

利用式(7)得到档位重叠阶段的压力增量关系：

|δp分|＝|qδp合|(7)

式(7)中，δp分为所述分离离合器的压力增量，δp合为所述接合离合器的压力增量；

利用式(8)计算所述接合离合器扭矩传递的压力上限p终：

p终＝ηp合(8)

式(8)中，η为大于1的系数。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明通过采取动力降档过程中接合离合器在其主、从动盘转速同步后才开始接合的控制方法，使离合器始终正向传递扭矩，避免了寄生功率的产生；

2、本发明根据在降挡过程中的功率平衡关系，在转速同步阶段通过提高柴油发动机的输出功率，提高了输入轴转速以补偿在档位重叠阶段的滑摩功损失，从而实现了输出扭矩恒定；

3、本发明通过建立档位重叠阶段接合、分离离合器作动压力增量关系，再结合对柴油发动机的输出功率控制，完成了档位重叠阶段的动力交接，保证了降档过程中无寄生功率，且输出扭矩恒定。

附图说明

图1为本发明动力换挡变速器的动力传递路线示意图；

图2为本发明柴油发动机输出功率变化曲线图；

图3为本发明分离接合离合器作动压力变化曲线图；

图4为本发明换挡过程中输出扭矩变化曲线图；

图5为本发明换挡过程中输入输出转速变化曲线图。

具体实施方式

本实施例中，一种大马力拖拉机恒扭矩动力的降挡控制方法，是将拖拉机恒扭矩动力升挡控制的过程分为：换挡准备阶段、转速同步阶段、档位重叠阶段和接合强化阶段，通过对接合离合器、分离离合器和发动机的协调控制实现恒扭矩升档，参阅图1-图5，具体的说，是按如下步骤进行：

步骤1、在换挡准备阶段，即t1～t2阶段，增大接合离合器的作动压力至接合离合器维持的压力p准，使接合离合器处于扭矩传递临界状态，以消除接合离合器的空行程；

接合离合器在准备阶段维持的压力p准利用式(1)计算：

式(1)中，fpre为所述接合离合器的复位弹簧的预压缩弹簧力；ff为活塞摩擦力；ah为活塞有效作用面积。

步骤2、在转速同步阶段，即t2～t3阶段，在该阶段t2时刻，接合离合器的从动盘转速大于主动盘转速，为了避免产生寄生功率，接合离合器在该阶段不动作直至其主从动盘转速同步；为了使接合离合器得主从动盘转速快速同步，将柴油发动机的输出功率增大加速功率δp加1，即将柴油发动机的输出功率增大量为加速功率δp加1，以提高输入轴输入扭矩和输入轴转速；然后逐步增大柴油发动机的输出功率以补偿分离离合器的滑摩损失功率δp损；同时减小分离离合器的作动压力至分离离合器的负载扭矩压力p分并维持不变；在转速同步阶段结束时刻，分离离合器从接合状态变为滑摩状态，而输出扭矩不变；

柴油发动机在转速同步阶段t2时刻增大的加速功率δp加1利用式(2)计算：

δp加1＝jeαωe(2)

式(2)中，je为输入轴转动惯量，α为输入轴加速度；ωe为输入轴转速；

分离离合器的滑摩损失功率δp损利用式(3)计算：

δp损＝kp分δω分(3)

式(3)中，δω分为分离离合器主从动盘转速差；

分离离合器在转速同步阶段的负载扭矩压力p分利用式(4)计算：

式(4)中，tl为分离离合器传递的扭矩，k为摩擦特性系数，由摩擦片片数、摩擦接触面内外径和摩擦片材料决定；其中，摩擦特性系数k的计算按照以下方法进行：

1、当离合器为干式离合器时，摩擦特性系数k利用式(5)计算：

式(5)中，μ、s、z、r0、r1分别为离合器摩擦系数、接触面积、摩擦片片数、摩擦片外径和内径。

2、当离合器为湿式离合器时，摩擦特性系数k可通过台架实验得到，具体按照以下实验方法进行：

将湿式离合器接入离合器试验台，试验台的输出端接入负载，离合器的作动压力fsend和负载扭矩tload通过电动液压油泵提供，定义离合器作动压力调节步距为δfsend、负载扭矩调节步距为δtload。

(1)施加离合器作动压力fsend＝δfsend，并保持不变，同时施加负载扭矩为δtload，并不断调整负载扭矩大小直至离合器开始滑摩且离合器的从动端匀速运动，记录当下施加的负载扭矩大小δtload1，保存离合器作动压力fsend＝δfsend和负载扭矩tload＝δtload1；

(2)以离合器作动压力调节步距δfsend增大加离合器的作动压力fsend＝2δfsend，并保持不变，同时施加负载扭矩为δtload，并不断调整负载扭矩大小直至离合器开始滑摩且离合器的从动端匀速运动，记录当下施加的负载扭矩大小δtload2，保存离合器作动压力fsend＝2δfsend和负载扭矩tload＝δtload1。

步骤3、在档位重叠阶段，即t3～t4阶段，在该阶段t3时刻，为了保持接合离合器得主从动盘转速，将柴油发动机的输出功率减小加速功率δp加2，即将柴油发动机的输出功率减小量为加速功率δp加2，以降低输入轴输入扭矩和输入轴转速；然后逐步减小柴油发动机的输出功率以补偿分离离合器的滑摩损失功率δp损；同时逐步增大接合离合器的作动压力至所述接合离合器的负载扭矩压力p合为止，并逐步减小所述分离离合器的作动压力，且分离离合器与接合离合器的作动压力满足档位重叠阶段的压力增量关系，从而使得在档位重叠阶段输出扭矩维持不变；

柴油发动机在档位重叠阶段开始时刻减小的加速功率δp加2利用式(6)计算：

δp加2＝jeαωe2(6)

式(6)中，ωe2为档位重叠阶段开始时刻输入轴的转速；

接合离合器的负载扭矩压力p合利用式(7)计算：

式(7)中，q为相邻两挡传动比比值；

档位重叠阶段的压力增量关系满足式(8)：

|δp分|＝|qδp合|(8)

式(8)，δp分为分离离合器的压力增量，δp合为接合离合器的压力增量；

步骤4、在接合强化阶段，即t4～t5阶段，保持柴油发动机的输出功率不变，同时增大接合离合器的作动压力至接合离合器扭矩传递的压力上限p终。

接合离合器扭矩传递的压力上限p终利用式(8)计算：

p终＝ηp合(9)

式(9)中，η为大于1的系数；η的取值根据离合器传递扭矩大小的波动范围而定，其取值范围为[1.1,1.5]，若η的取值过大，则容易造成液压管路泄漏；反之，则容易引起接合离合器打滑。

经过以上步骤对换挡离合器的压力控制和柴油机的输出功率控制，实现了大马力拖拉机的恒扭矩动力降挡控制，从而实现了输出扭矩恒定、换挡无冲击。

实施例：本实施例使用本发明的拖拉机降档控制方法对某型号大马力拖拉机动力换挡变速器进行4档降3档控制。

参阅图1，c1、c2、c3和c4分别为换挡离合器，当离合器c1、c2分离，离合器c3、c4接合时，动力换挡变速器档位为4档；当离合器c1、c4接合，离合器c2、c3分离时，动力换挡变速器档位为3档；当变速器档位从4档降3档时，离合器c1从分离状态变为接合状态，离合器c3从接合状态变为分离状态，功率流逐步从离合器c3过渡到离合器c1；

某型号大马力拖拉机动力系统参数如下：分离离合器传递的负载扭矩tl为380n.m；活塞缸预压缩弹簧力fpre为20n；活塞摩擦力ff为10n；活塞有效作用面积ah为0.01m²；k为0.098n.m/pa；q为1.2；η为1.3；输入轴转动惯量je为0.5kg.m²，转速同步阶段开始时刻输入轴转速ωe1为180rad/s，档位重叠阶段开始时刻输入轴转速ωe2为216rad/s，输入轴角加速度为90rad/s²，档位重叠时间t合为0.4s；输出轴转速ωv为150rad/s；

根据式(1)计算接合离合器在准备阶段维持的压力p准＝300pa；根据式(2)计算转速同步阶段增加的加速功率δp加1＝8.1kw；根据式(3)计算转速同步阶段摩损失补偿功率δp损＝kp分δω分＝tlαt＝13.7kw；根据式(4)计算分离离合器负载扭矩压力转速同步阶段输入轴转速ωe＝180+αt＝216rad/s；根据式(7)计算接合离合器负载扭矩压力由于档位重叠时间为0.4s，因此分离离合器压力下降速率为11600pa/s，接合离合器压力上升速率为9717pa/s；根据式(6)计算档位重叠阶段开始时刻减小的加速功率δp加2＝9.72kw；根据式(3)计算档位重叠阶段的滑摩损失补偿功率δp损＝kp分δω分＝-34.2t＝-13.7kw；根据式(9)计算接合离合器扭矩传递的压力上限p终＝ηp合＝5053pa；

参阅图2，pe为柴油发动机的输出功率，在t2～t3阶段，柴油机在转速同步阶段t2时刻增大的加速功率δp加1＝8.1kw，以提高输入轴输入扭矩和输入轴转速；然后逐步增大柴油发动机的输出功率以补偿分离离合器的滑摩损失功率δp损＝13.7kw，以补偿接合离合器的滑摩功损失；在t3～t4阶段，在该阶段t3时刻，为了保持接合离合器得主从动盘转速，柴油发动机的输出功率减小加速功率δp加2＝9.72kw，以降低输入轴输入扭矩和输入轴转速；然后逐步减小柴油发动机的输出功率以补偿分离离合器的滑摩损失功率δp损＝-13.7kw；在t4～t5阶段，保持柴油发动机的输出功率57kw不变。

参阅图3，pc1为接合离合器的作动压力，pc3为分离离合器的作动压力，在t1～t2阶段，增大接合离合器的作动压力pc1至接合离合器维持的压力p准＝300pa，使接合离合器处于扭矩传递临界状态，以消除接合离合器的空行程；在t2～t3阶段，减小分离离合器的作动压力pc3至分离离合器负载扭矩压力并维持不变；即t3～t4阶段，档位重叠时间t合＝0.4s，pc1与pc3满足式(8)的压力增量关系，且接合离合器作动压力pc1上升速率为9717pa/s，分离离合器作动压力pc3下降速率为11600pa/s；在t4～t5阶段，增大接合离合器的作动压力pc1至接合离合器扭矩传递的压力上限p终＝ηp合＝5053pa。

参阅图4，其中tc1为离合器c1传递的扭矩，tc3为离合器c3传递的扭矩，tout为输出扭矩；按照大马力拖拉机恒扭矩动力降挡控制的过程，通过对接合离合器、分离离合器和发动机的协调控制，在档位重叠t2～t3阶段，tc3逐步减小，tc1逐步增大，tout不变，实现了该型号大马力拖拉机动力换挡变速器在4档降3档的过程中动力传动系统始终保持恒扭矩动力输出；

参阅图5，其中ωe为输入轴转速，ωv为输出轴转速，ωe在转速同步t2～t3阶段转速上升，而ωv在整个换挡过程中都维持不变，实现了平顺换挡，保证了拖拉机持续作业。

至此，通过对接合离合器、分离离合器和发动机的协调控制，实现了该型号大马力拖拉机动力换挡变速器在4档降3档的过程中动力传动系统始终保持恒扭矩动力输出，实现了平顺降挡，保证了拖拉机持续作业，离合器c3从接合状态逐步变为分离状态，离合器c1从分离状态逐步变为接合状态，整个恒扭矩动力降挡过程完成。