CN103144630A

CN103144630A - 非道路车辆换挡规律曲线测定方法及相应的换挡控制方法

Info

Publication number: CN103144630A
Application number: CN2013100439673A
Authority: CN
Inventors: 周志立; 刘宗剑; 徐立友; 赵剡水; 席志强; 曹付义; 闫祥海; 张静云; 张敏
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103144630B

Abstract

本发明涉及非道路车辆换挡规律曲线测定方法及相应的换挡控制方法，属于非道路车辆自动变速控制技术领域。本发明首先计算非道路车辆AMT的换挡规律曲线方程，绘制出相应的换挡规律曲线，采集当前的实际车速、滑转率和油门开度，确定其所对应的目标档位，通过逻辑运算输出对各个执行机构电磁阀的控制信号，从而使各个执行机构电磁阀进行相应动作，实现自动换挡。本发明能够使非道路的AMT车辆的牵引效率和燃油经济效率得到保证，并且降低了驾驶员的工作强度，使车辆运行更加平稳，同时，改进了换挡执行机构，省掉了选挡的过程，直接换挡缩短了换挡时间，提高了换挡效率，本发明可用于非道路的工程车辆、农用车辆和军用车辆的AMT。

Description

非道路车辆换挡规律曲线测定方法及相应的换挡控制方法

技术领域

本发明涉及非道路车辆换挡规律曲线测定方法及相应的换挡控制方法，属于非道路车辆自动变速控制技术领域。

背景技术

非道路车辆操作复杂，驾驶员不但要考虑作业质量和作业效率，还要兼顾驾驶过程的安全性、车辆牵引效率、燃油经济性等，易使驾驶员疲劳。对道路车辆换挡过程的自动操作控制无疑减小了驾驶员的操作负担，把驾驶员从车辆驾驶的繁琐任务中解放出来，提高了非道路的车辆作业质量和作业效率的同时提高了驾驶员的安全性。AMT是对机械式手动变速器的改装，增加了电液执行机构、液压回路系统和电子控制单元，通过采集油门踏板信号、驱动轮转速信号、非驱动转速信号和液压回路系统中各电磁阀脉冲信号以及执行机构位移信号，经过电子控制单元中的换挡控制逻辑实时输出对执行机构的控制信号，从而完成换挡过程的自动操作。

现有的换挡控制方法通常采用油门开度和车速的二参数控制技术，对与道路车辆能够实现较好的控制结果，但对于非道路车辆的复杂工况却很难达到理想的结果，致使非道路车辆自动变速系统动力性和经济性得不到保证，牵引效率和燃油效率低下。

发明内容

本发明的目的是提供非道路车辆换挡规律曲线测定方法及相应的换挡控制方法，以解决目前的换挡控制对于非道路车辆的复杂工况难达到理想的结果，导致非道路车辆自动变速系统动力性和经济性得不到保证的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供非道路车辆换挡规律曲线测定方法，该测定方法的步骤如下：

1）根据车辆驱动力和发动机动态输出转矩的关系将发动机动态输出转矩拟合成不同油门开度下发动机转速的3次多项式，并根据车辆与地面的实际车速与发动机转速之间的关系对上述关系式整理得到车辆驱动力与行驶速度之间的曲线方程；

2）根据得到的车辆驱动力与行驶速度之间的曲线方程，在固定滑转率的条件下，做出车辆驱动力与行驶速度之间在不同油门开度下的关系曲线；

3）连接不同油门开度下相邻挡位的车辆驱动力与行驶速度之间的关系曲线的交点，转化为在该滑转率条件下该非道路车辆所对应的各相邻挡位变换的换挡曲线；

4）分别取不同的滑转率，重复步骤2）和3），得到各个滑转率条件下相邻挡位的换挡曲线，利用插值法得到各个工况条件下的换挡规律曲线。

所述步骤1）中得到的车辆驱动力与行驶速度之间的曲线方程为：

F_{q} = η_{n} \cdot (\begin{matrix} \frac{a_{4} \cdot i_{g}^{4} \cdot i_{o}^{4}}{{0.37699}^{3} \cdot {(1 - δ)}^{3} \cdot r_{r}^{4}} \cdot v_{f}^{3} + \frac{a_{3} \cdot i_{g}^{3} \cdot i_{o}^{3}}{{0.37699}^{2} \cdot {(1 - δ)}^{2} \cdot r_{r}^{3}} v_{f}^{2} + \\ \frac{a_{2} \cdot i_{g}^{2} \cdot i_{o}^{2}}{0.37669 \cdot (1 - δ) \cdot r_{r}^{2}} \cdot v_{f} + \frac{a_{1} \cdot i_{g} \cdot i_{o}}{r_{r}} \end{matrix})

其中F_q为车辆驱动力，η_n为传动系机械效率，i_g为变速器传动比，i_o为主减速器传动比，r_r为驱动轮滚动半径，v_f为车辆相对地面的实际车速，即非驱动轮转速对应的车速，δ为滑转率，a₁、a₂、a₃、a₄为拟合系数，对于不同的油门开度，拟合系数各不相同。

所述车辆驱动力与行驶速度之间的曲线方程中滑转率的计算公式如下：

v_{f} = \frac{2 π \cdot n_{f}}{60} \cdot r_{f}

v_{r} = \frac{2 π \cdot n_{r}}{60} \cdot r_{r}

δ = \frac{v_{r} - v_{f}}{v_{r}} \times 100 %

其中v_f为车辆相对地面的实际车速，即非驱动轮转速对应的车速，v_r为理论车速，即驱动轮转速对应的车速，r_f为非驱动轮滚动半径，r_r为驱动轮滚动半径，n_f为非驱动轮转速，由非驱动轮转速传感器测得，n_r为驱动轮转速，由驱动轮转速传感器测得。

所述步骤4）绘制出的换挡曲线为升挡曲线，将升挡曲线速度降低Δv作为降挡曲线，以防止换挡循环。

本发明为解决上述技术问题还提供了非道路车辆AMT换挡控制方法，该换档方法的步骤如下：

4）分别取不同的滑转率，重复步骤2）和3），得到各个滑转率条件下相邻挡位的换挡曲线，利用插值法得到各个工况条件下的换挡规律曲线；

5）将离线得到最佳换挡规律写入AMT控制器TCU中；

6）AMT控制器TCU采集换挡杆位置信息，判断换挡杆的位置是否处于自动换挡位置；

7）如果是，采集当前的实际车速、滑转率和油门开度，确定其所对应的目标档位；判断当前挡位是否为目标挡位，如果是，则返回步骤6），如果不是，则进行换挡操作；

8）根据目标挡位的换挡规律曲线，通过逻辑运算输出对各个执行机构电磁阀的控制信号，从而使各个执行机构电磁阀进行相应动作，实现自动换挡。

F_{q} = η_{n} \cdot (\begin{matrix} \frac{a_{4} \cdot i_{g}^{4} \cdot i_{o}^{4}}{{0.37699}^{3} \cdot {(1 - δ)}^{3} \cdot r_{r}^{4}} \cdot v_{f}^{3} + \frac{a_{3} \cdot i_{g}^{3} \cdot i_{o}^{3}}{{0.37699}^{2} \cdot {(1 - δ)}^{2} \cdot r_{r}^{3}} \cdot r_{f}^{2} \cdot v_{f}^{2} + \\ \frac{a_{2} \cdot i_{g}^{2} \cdot i_{o}^{2}}{0.37669 \cdot (1 - δ) \cdot r_{r}^{2}} \cdot v_{f} + \frac{a_{1} \cdot i_{g} \cdot i_{o}}{r_{r}} \end{matrix})

v_{f} = \frac{2 π \cdot n_{f}}{60} \cdot r_{f}

v_{r} = \frac{2 π \cdot n_{r}}{60} \cdot r_{r}

δ = \frac{v_{r} - v_{f}}{v_{r}} \times 100 %

本发明的有益效果是:本发明首先计算非道路车辆AMT的换挡规律曲线方程，绘制出相应的换挡规律曲线，采集当前的实际车速、滑转率和油门开度，确定其所对应的目标档位，通过逻辑运算输出对各个执行机构电磁阀的控制信号，从而使各个执行机构电磁阀进行相应动作，实现自动换挡。本发明能够使非道路的AMT车辆的牵引效率和燃油经济效率得到保证，并且降低了驾驶员的工作强度，使车辆运行更加平稳，同时，改进了换挡执行机构，省掉了选挡的过程，直接换挡缩短了换挡时间，提高了换挡效率，本发明可用于非道路的工程车辆、农用车辆和军用车辆的AMT。

附图说明

图1是本发明非道路车辆AMT系统结构图；

图2是滑转率为1%条件下的换挡规律曲线图；

图3是滑转率为12%条件下的换挡规律曲线图；

图4是本发明换挡自动控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

非道路车辆换挡规律曲线测定方法的实施例

1换挡规律曲线方程的计算

由车辆驱动力F_q和发动机动态输出转矩M_e的关系逐步推得：

F_{q} = \frac{M_{e} \cdot i_{g} \cdot i_{o} \cdot η_{n}}{r_{r}}

式中i_g为变速器传动比；i_o为主减速器传动比；η_n为传动系机械效率；把发动机动态输出转矩拟M_e合成不同油门开度下发动机转速n_e的3次多项式：

M_{e} = a_{4} \cdot n_{e}^{3} + a_{3} \cdot n_{e}^{2} + a_{2} \cdot n_{e} + a_{1}

式中，a₁、a₂、a₃、a₄为拟合系数，对于不同的油门开度，对应的值是不同的，分别包括油门为30%、40%、…100%，8组不同数据，其它油门开度所对应的拟合系数由这8组数据插值得到；发动机转速n_e与车辆相对地面的实际车速v_f之间的关系由下式表示：

v_{f} = v_{f} \cdot (1 - δ) = 0.37699 \cdot (1 - δ) \cdot \frac{r_{r} \cdot n_{e}}{i_{g} \cdot i_{o}}

即：

n_{e} = \frac{i_{g} \cdot i_{o}}{0.37699 \cdot (1 - δ) \cdot r_{r}} v_{f}

合并上述3个式子得：

F_{q} = η_{n} \cdot (\begin{matrix} \frac{a_{4} \cdot i_{g}^{4} \cdot i_{o}^{4}}{{0.37699}^{3} \cdot {(1 - δ)}^{3} \cdot r_{r}^{4}} \cdot v_{f}^{3} + \frac{a_{3} \cdot i_{g}^{3} \cdot i_{o}^{3}}{{0.37699}^{2} \cdot {(1 - δ)}^{2} \cdot r_{r}^{3}} \cdot v_{f}^{2} + \\ \frac{a_{2} \cdot i_{g}^{2} \cdot i_{o}^{2}}{0.37669 \cdot (1 - δ) \cdot r_{r}^{2}} \cdot v_{f} + \frac{a_{1} \cdot i_{g} \cdot i_{o}}{r_{r}} \end{matrix})

2.根据1所计算出的曲线方程，在滑转率为1%的条件下，取油门开度为30%、40%、…、100%，做出车辆驱动力与行驶速度之间的关系曲线，做出该驱动轮滑转率下，不同油门开度对应的F_q-v曲线，变换不同的挡位，重复1），分别做出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个挡位的F_q-v曲线。

3 连接不同油门开度下相邻两挡位的F_q-v曲线的交点，转化为在该滑转率条件下Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ-Ⅳ、Ⅳ-Ⅴ四种挡位变换的换挡曲线。

4 分别取滑转率为2%、3%、…、12%，重复2）和3），从而获得各个滑转率条件下相邻挡位的换挡曲线，共得到不同滑转率条件下的换挡曲线12组，然后利用插值的方法得到全工况下的所有换挡曲线，所绘制出的换挡曲线作为升挡曲线，把升挡曲线速度降低Δv作为降挡曲线，以防止换挡循环，从而离线得到基于动力性的最佳换挡规律。图2、图3分别为滑转率是1%和12%条件下的换挡规律曲线，其中实线为升挡曲线，升挡曲线速度降低Δv后的虚线为降挡曲线。

本发明的非道路车辆AMT换挡控制方法的实施例

本发明所使用的车辆AMT系统的结构如图1所示，该系统包括电子控制单元TCU、电控液压执行机构、液压系统回路和各个信号传感器。电子控制单元TCU包括控制器硬件、控制软件以及接口程序，电控液压执行机构是由一个自动离合器执行机构液压分离轴承和三个自动换挡执行机构定制液压缸组成，分别控制离合器的结合与断开和挡位的切换，液压系统回路包括各种液压系统基本元件，核心元件是液压分离轴承的进油与出油电磁阀以及三个自动换挡液压缸的六个进出油控制电磁阀，所述的的传感器包括液压分离轴承位置传感器、自动换挡液压缸活塞位置传感器、油门开度的角位移传感器、驱动轮转速传感器、非驱动轮转速传感器和换挡杆位置传感器，液压分离轴承位移传感器PS1、I挡II挡换挡拨叉位移传感器PS2、III挡R挡换挡拨叉位移传感器PS3、IV挡V档换挡拨叉位移传感器Ps4、油门开度的角位移传感器、驱动轮转速传感器、非驱动轮转速传感器和换挡杆位置传感器的输出端都与电子控制单元TCU的输入端相连。图1中虚线表示信号线，实线表示液压回路，α为油门开度传感器测得的油门开度信号，v_f为非驱动轮传感器测得的实际车速信号，v_r为驱动轮传感器测得的理论车速信号，SLP为换挡杆位置传感器采集的信号。

该车辆AMT系统的工作过程如下：电子控制单元TCU根据液压分离轴承位移传感器Ps1采集到的离合器位置信号通过运算得到离合器的接合速度，根据自动换挡液压缸活塞位置传感器采集到的换挡拨叉位置通过逻辑运算得到的当前挡位信息以及执行自动换挡是否完成的信息，根据油门开度的角位移传感器测得的油门开度信号判断出驾驶员的操作意图，根据驱动轮转速传感器测得的驱动轮转速计算出车辆的理论速度，根据非驱动轮转速传感器获得的非驱动轮转速计算出车辆的实际速度，并根据车辆的理论速度和实际速度计算出车辆滑转率，根据换挡杆位置传感器采集到的换挡杆位置信号判断出系统是否进入自动档程序并根据结果对换挡杆进行相应的控制。如果进入自动换挡，电子控制单元TCU根据车辆的换挡规律和采集到的车辆信息，确定其所对应的目标档位，通过逻辑运算输出对各个执行机构电磁阀的控制信号，从而使各个执行机构电磁阀进行相应动作，实现自动换挡。

自动换挡的具体控制过程如下：

1.确定换挡规律

1）换挡规律曲线方程的计算

由车辆驱动力F_q和发动机动态输出转矩M_e的关系逐步推得：

F_{q} = \frac{M_{e} \cdot i_{g} \cdot i_{o} \cdot η_{n}}{r_{r}}

M_e＝a₄·n_e ³+a₃·n_e ²+a₂·n_e+a₁

v_{f} = v_{r} \cdot (1 - δ) = 0.37699 \cdot (1 - δ) \cdot \frac{r_{r} \cdot n_{e}}{i_{g} \cdot i_{o}}

即：

n_{e} = \frac{i_{g} \cdot i_{o}}{0.37699 \cdot (1 - δ) \cdot r_{r}} v_{f}

合并上述3个式子得：

F_{q} = η_{n} \cdot (\begin{matrix} \frac{a_{4} \cdot i_{g}^{4} \cdot i_{o}^{4}}{{0.37699}^{3} \cdot {(1 - δ)}^{3} \cdot r_{r}^{4}} \cdot v_{f}^{3} + \frac{a_{3} \cdot i_{g}^{3} \cdot i_{o}^{3}}{{0.37699}^{2} \cdot {(1 - δ)}^{2} \cdot r_{r}^{3}} \cdot v_{f}^{2} + \\ \frac{a_{2} \cdot i_{g}^{2} \cdot i_{o}^{2}}{0.37669 \cdot (1 - δ) \cdot r_{r}^{2}} \cdot v_{f} + \frac{a_{1} \cdot i_{g} \cdot i_{o}}{r_{r}} \end{matrix})

2）.换挡规律曲线的绘制

a）根据1）所计算出的曲线方程，在滑转率为1%的条件下，取油门开度为30%、40%、…、100%，做出车辆驱动力与行驶速度之间的关系曲线，做出该驱动轮滑转率下，不同油门开度对应的F_q-v曲线，变换不同的挡位，重复1），分别做出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个挡位的F_q-v曲线。

b）连接不同油门开度下相邻两挡位的F_q-v曲线的交点，转化为在该滑转率条件下Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ-Ⅳ、Ⅳ-Ⅴ四种挡位变换的换挡曲线。

c）分别取滑转率为2%、3%、…、12%，重复2）和3），从而获得各个滑转率条件下相邻挡位的换挡曲线，共得到不同滑转率条件下的换挡曲线12组，然后利用插值的方法得到全工况下的所有换挡曲线，所绘制出的换挡曲线作为升挡曲线，把升挡曲线速度降低Δv作为降挡曲线，以防止换挡循环，从而离线得到基于动力性的最佳换挡规律。图2、图3分别为滑转率是1%和12%条件下的换挡规律曲线，其中实线为升挡曲线，升挡曲线速度降低Δv后的虚线为降挡曲线。

2.把离线得到的最佳换挡规律写入AMT控制器TCU中，根据车速和发动机转速判断车辆各运行指标是否正常，如果正常，非道路车辆一般有P、R、N、D四个挡位，其中P表示驻挡、R表示倒挡，N表示零挡，D表示前进挡，判断换挡杆位置是否处于“D”。

3．如果不是，则车辆不在自动前进挡运行，其挡位控制转入电子控制单元TCU主程序。

4．采集非道路车辆的油门开度、驱动轮转速和非驱动转速，计算滑转率、实际车速和理论车速。

5．根据当前实际车速、滑转率和油门开度确定其所对应的目标档位，判断当前挡位是否为目标挡位，如果是，则返回步骤2，如果不是，则进行换挡操作。

6．依次分离离合器，换入目标挡位，接合离合器，实现自动换挡，完成后返回步骤2）重新检测换挡杆位置。

在换挡过程中，不同的挡位变换对电磁阀有不同的控制，当从Ⅰ挡换入Ⅱ挡时，换挡电磁阀3、4、5、6、7、8的控制信号序列为010000，当从Ⅱ挡换入Ⅲ挡时，换挡电磁阀3、4、5、6、7、8的控制信号序列为111000，当从Ⅲ挡换入Ⅳ挡时，换挡电磁阀3、4、5、6、7、8的控制信号序列为001110，当从Ⅳ挡换入Ⅴ挡时，换挡电磁阀3、4、5、6、7、8的控制信号序列为000001。

本发明能够使非道路的AMT车辆的牵引效率和燃油经济效率得到保证，并且降低了驾驶员的工作强度，使车辆运行更加平稳，同时，改进了换挡执行机构，省掉了选挡的过程，直接换挡缩短了换挡时间，提高了换挡效率，本发明可用于非道路的工程车辆、农用车辆和军用车辆的AMT。

Claims

1.非道路车辆换挡规律曲线测定方法，其特征在于：该测定方法的步骤如下：

2.根据权利要求1所述的非道路车辆换挡规律曲线测定方法，其特征在于：所述步骤1）中得到的车辆驱动力与行驶速度之间的曲线方程为：

F_{q} = η_{n} \cdot \{\begin{matrix} \frac{a_{4} \cdot i_{g}^{4} \cdot i_{o}^{4}}{{0.37699}^{3} \cdot {(1 - δ)}^{3} \cdot r_{r}^{4}} \cdot v_{f}^{3} + \frac{a_{3} \cdot i_{g}^{3} \cdot i_{o}^{3}}{{0.37699}^{2} \cdot {(1 - δ)}^{2} \cdot r_{r}^{3}} · v_{f}^{2} \\ \frac{a_{2} \cdot i_{g}^{2} \cdot i_{o}^{2}}{0.37669 \cdot (1 - δ) \cdot r_{r}^{2}} \cdot v_{f} + \frac{a_{1} \cdot i_{g} \cdot i_{o}}{r_{r}} \end{matrix}\}

3.根据权利要求2所述的非道路车辆换挡规律曲线测定方法，其特征在于：所述车辆驱动力与行驶速度之间的曲线方程中滑转率的计算公式如下：

v_{f} = \frac{2 π \cdot n_{f}}{60} \cdot r_{f}

v_{r} = \frac{2 π \cdot n_{f}}{60} \cdot r_{r}

δ = \frac{v_{r} - v_{f}}{v_{r}} \times 100 %

4.根据权利要求2所述的非道路车辆换挡规律曲线测定方法，其特征在于：所述步骤4）绘制出的换挡曲线为升挡曲线，将升挡曲线速度降低Δv作为降挡曲线，以防止换挡循环。

5.一种非道路车辆AMT换挡控制方法，其特征在于：该换档方法的步骤如下：

5）将离线得到最佳换挡规律写入AMT控制器TCU中；

6.根据权利要求5所述的非道路车辆AMT换挡控制方法，其特征在于：所述步骤1）中得到的车辆驱动力与行驶速度之间的曲线方程为：

F_{q} = η_{n} \cdot (\begin{matrix} \frac{a_{4} \cdot i_{g}^{4} \cdot i_{o}^{4}}{{0.37699}^{3} \cdot {(1 - δ)}^{3} \cdot r_{r}^{4}} \cdot v_{f}^{3} + \frac{a_{3} \cdot i_{g}^{3} \cdot i_{o}^{3}}{{0.37699}^{2} \cdot {(1 - δ)}^{2} \cdot r_{r}^{3}} \cdot v_{f}^{2} + \\ \frac{a_{2} \cdot i_{g}^{2} \cdot i_{o}^{2}}{0.37669 \cdot (1 - δ) \cdot r_{r}^{2}} \cdot v_{f} + \frac{a_{1} \cdot i_{g} \cdot i_{o}}{r_{r}} \end{matrix})

7.根据权利要求6所述的非道路车辆AMT换挡控制方法，其特征在于：所述车辆驱动力与行驶速度之间的曲线方程中滑转率的计算公式如下：

v_{f} = \frac{2 π \cdot n_{f}}{60} \cdot r_{f}

v_{r} = \frac{2 π \cdot n_{r}}{60} \cdot r_{r}

δ = \frac{v_{r} - v_{f}}{v_{r}} \times 100 %

8.根据权利要求6所述的非道路车辆AMT换挡控制方法，其特征在于：所述步骤4）绘制出的换挡曲线为升挡曲线，将升挡曲线速度降低Δv作为降挡曲线，以防止换挡循环。