CN103144636A

CN103144636A - 一种非道路车辆自动变速器经济性换挡控制方法

Info

Publication number: CN103144636A
Application number: CN2013100703623A
Authority: CN
Inventors: 徐立友; 张静云; 周志立; 郭志强; 曹付义; 闫祥海; 张敏; 刘宗剑; 时辉
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-03-05
Also published as: CN103144636B

Abstract

本发明涉及一种非道路车辆自动变速器经济性换挡控制方法,根据发动机台架试验数据和发动机的动态特性，将车速、油门开度和驱动轮滑转率作为自动换挡的控制参数，建立非道路车辆自动变速器经济性换挡规律数学模型，根据该数学模型，计算车辆的经济性换挡速度，根据计算出的最佳经济性换挡速度理论值，通过将该理论值与车辆实际行驶过程中各档位的最高行驶速度和最低行驶速度处的小时燃油消耗量进行比较，得到车辆在不同驱动轮滑转率下的最佳经济性换挡速度。解决了由于非道路车辆操作员频繁换挡导致的劳动强度大、作业效率低的问题。

Description

一种非道路车辆自动变速器经济性换挡控制方法

技术领域

本发明涉及一种非道路车辆自动变速器经济性换挡控制方法。

背景技术

大多数非道路车辆的作业环境与条件比较恶劣，驾驶员在操纵作业装置的同时，还要手动频繁换挡以满足非道路车辆的动力性能与作业性能。频繁换挡提高了操作者的劳动强度，分散了注意力，降低了作用效率。所以实现非道路车辆自动变速具有实际意义。

目前汽车常用的自动变速技术主要是二参数或者三参数换挡。二参数换挡是以车速和油门开度为控制参数，三参数换挡是以车速、油门开度和加速度为控制参数。中国机械工程期刊中一篇名称为《最佳燃油经济性换挡规律理论及其应用研究》的论文中公开了一种汽车的最佳经济性换挡规律，该换挡规律是以车速、油门开度和加速度为控制参数，根据相邻两档位间的小时燃油消耗量相等为最佳换挡速度的原则，建立数学模型，并对建立的数学模型进行求解，做出车辆在不同加速度下的经济性换挡规律曲线。

非道路车辆不同于汽车，它一般以作业为目的，而不以行驶为目的，并且非道路车辆行驶的道路附着条件差，如果完全按照汽车的自动换挡方法进行换挡，就难以获得较好的作业效果和换挡效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种非道路车辆自动变速器经济性换挡控制方法，用以解决由于非道路车辆操作员频繁换挡导致的劳动强度大、作业效率低的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种非道路车辆自动变速器经济性换挡控制方法，步骤如下：

（1）根据发动机台架试验数据和发动机的动态特性，将车速、油门开度和驱动轮滑转率作为自动换挡的控制参数，得出车辆小时燃油量和车速的函数关系：

G_{h} = \frac{a_{2} b_{2} {i_{g}}^{4} {i_{0}}^{4} {v_{f}}^{4}}{{0.377}^{4} {(1 - δ)}^{4} {r_{r}}^{4}} + \frac{(a_{1} b_{2} + a_{2} b_{1}) {i_{g}}^{3} {i_{0}}^{3} {v_{f}}^{3}}{{0.377}^{3} {(1 - δ)}^{3} {r_{r}}^{3}} + \frac{(a_{0} b_{0} + a_{1} b_{1} + a_{2} b_{0}) {i_{g}}^{2} {i_{0}}^{2} {v_{f}}^{2}}{{0.377}^{2} {(1 - δ)}^{2} {r_{r}}^{2}}

+ \frac{(a_{0} b_{1} + a_{1} b_{0}) i_{g} i_{0} v_{f}}{0.377 (1 - δ) r_{r}} + a_{0} b_{0}

其中，a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂为拟合系数，由油门开度的值决定，i_g为变速器的传动比，δ为驱动轮滑转率，r_r为驱动轮滚动半径，i₀为主减速器的传动比，v_f为车辆的实际行驶速度；

（2）根据车辆相邻两档位发动机小时燃油消耗量相等，即G_h(n)=G_h(n+1)时，车辆的行驶速度为相邻两挡位间的最佳经济性换挡速度，建立非道路车辆自动变速器经济性换挡规律数学模型：

a_{0} b_{0} + \frac{(a_{1} b_{1} + a_{1} b_{0}) (i_{gn} - i_{g (n + 1)}) i_{0}}{0.377 (1 - δ) r_{r}} v_{f} + \frac{(a_{0} b_{2} + a_{1} b_{1} + a_{2} b_{0}) ({i_{gn}}^{2} - {i_{g (n + 1)}}^{2}) {i_{0}}^{2}}{{0.377}^{2} {(1 - δ)}^{2} {r_{r}}^{2}} {v_{f}}^{2}

+ \frac{(a_{1} b_{2} + a_{2} b_{1}) ({i_{gn}}^{3} - {i_{g (n + 1)}}^{3}) {i_{0}}^{3}}{{0.377}^{3} {(1 - δ)}^{3} {r_{r}}^{3}} {v_{f}}^{3} + \frac{a_{2} b_{2} ({i_{gn}}^{4} - {i_{g (n + 1)}}^{4}) {i_{0}}^{4}}{{0.377}^{4} {(1 - δ)}^{4} {r_{r}}^{4}} {v_{f}}^{4} = 0

其中，G_h(n)为n挡时的小时燃油消耗量，G_h(n+1)为n+1挡时的小时燃油消耗量，i_gn为n挡时变速器的传动比，i_g（n+1）为n+1挡时变速器的传动比；

（3）将驱动轮滑转率设定为一个定值，并设定一组油门开度的值，在该设定的驱动轮滑转率下，根据步骤（2）中的数学模型，计算非道路车辆的每两个相邻挡位进行换挡时，油门开度与最佳经济性换挡速度之间对应的数值关系，并根据实际作业需要，分别设定其他的驱动轮滑转率，依次求解在各设定的驱动轮滑转率下，每两个相邻挡位换挡时，油门开度与最佳经济性换挡速度之间对应的数值关系，其中每两个相邻挡位间的最佳经济性换挡速度均按下列方式确定：

若根据步骤（2）中的数学模型，计算出的经济性换挡速度v_n小于当前挡的最高行驶速度，且大于下一挡的最低行驶速度，则v_n即为最佳经济性换速度；若v_n大于当前挡的最高行驶速度，且当前挡的最高行驶速度处的小时燃油消耗量小于v_n车速下的小时燃油消耗量，则当前挡的最高行驶速度为最佳经济性换挡速度；若v_n小于下一挡的最低行驶速度，且下一挡的最低行驶速度处的小时燃油消耗量小于v_n车速下的小时燃油消耗量，则下一挡的最低行驶速度为最佳经济性换挡速度；

（4）以步骤（3）中求出的各油门开度与最佳经济性换挡速度之间对应的数值关系，作为非道路车辆在实际作业过程中进行经济性换挡的控制依据。

若步骤（3）中求出的最佳经济性换挡速度为低挡向高挡的换挡速度，那么将相应的最佳经济性换挡速度降低一个设定的值，即为由高挡向低挡换挡时的最佳经济性换挡速度，从而得到每两个相邻档位降档时，最佳经济性换挡速度与各油门开度的对应数值关系。

若步骤（3）中求出的最佳经济性换挡速度为高挡向低挡的换挡速度，那么将相应的最佳经济性换挡速度升高一个设定的值，即为由低挡向高挡换挡时的最佳经济性换挡速度，从而得到每两个相邻档位升档时，最佳经济性换挡速度与各油门开度对应的数值关系。

本发明达到的有益效果：由于非道路车辆作业环境比较恶劣，车辆驱动轮与地面之间附着力较差，驱动轮与地面之间容易产生滑转，因此，在对非道路车辆进行自动换挡控制时，需要考虑滑转率，而不能采用现有的汽车三参数（车速、油门开度和加速度）换挡控制方法，本发明将车速、油门开度和滑转率作为控制参数对非道路车辆进行自动换挡控制，建立关于油门开度、车速和滑转率的数学模型，通过求解数学模型得到车辆在不同滑转率下的最佳经济性换挡速度，制定自动换挡规律，实现非道路车辆自动换挡控制，能够保证非道路车辆在工作时有较高的燃油效率，降低了操作者的劳动强度，提高了作业效率。

附图说明

图1是车辆行驶速度与小时燃油消耗量的关系图；

图2是滑转率为1%时的经济性换挡规律曲线；

图3是滑转率为12%时的经济性换挡规律曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

1.根据非驱动轮滚动半径、驱动轮滚动半径、非驱动轮转速和驱动轮转速，得到驱动轮滑转率：

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

其中，

δ为驱动轮的滑转率；v_f为车辆的实际行驶速度，即非驱动轮转速对应的车速；v_r为车辆的理论行驶速度，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为非驱动轮的转速；n_r为驱动轮的转速。

通过台架试验获得发动机特性参数，包括油门开度分别为30%、40%、…、100%条件

G_{h} = \frac{a_{2} b_{2} {i_{g}}^{4} {i_{0}}^{4} {v_{f}}^{4}}{{0.377}^{4} {(1 - δ)}^{4} {r_{r}}^{4}} + \frac{(a_{1} b_{2} + a_{2} b_{1}) {i_{g}}^{3} {i_{0}}^{3} {v_{f}}^{3}}{{0.377}^{3} {(1 - δ)}^{3} {r_{r}}^{3}} + \frac{(a_{0} b_{0} + a_{1} b_{1} + a_{2} b_{0}) {i_{g}}^{2} {i_{0}}^{2} {v_{f}}^{2}}{{0.377}^{2} {(1 - δ)}^{2} {r_{r}}^{2}}

+ \frac{(a_{0} b_{1} + a_{1} b_{0}) i_{g} i_{0} v_{f}}{0.377 (1 - δ) r_{r}} + a_{0} b_{0}

4）非道路车辆进行经济性换挡时，相邻两挡位n挡和n+1挡的小时燃油消耗量相等时对应的车速即为非道路车辆在该作业工况下的最佳经济性换挡点，则有：

G_h(n)=G_h(n+1)

由3)可得：

a_{0} b_{0} + \frac{(a_{1} b_{1} + a_{1} b_{0}) (i_{gn} - i_{g (n + 1)}) i_{0}}{0.377 (1 - δ) r_{r}} v_{f} + \frac{(a_{0} b_{2} + a_{1} b_{1} + a_{2} b_{0}) ({i_{gn}}^{2} - {i_{g (n + 1)}}^{2}) {i_{0}}^{2}}{{0.377}^{2} {(1 - δ)}^{2} {r_{r}}^{2}} {v_{f}}^{2}

+ \frac{(a_{1} b_{2} + a_{2} b_{1}) ({i_{gn}}^{3} - {i_{g (n + 1)}}^{3}) {i_{0}}^{3}}{{0.377}^{3} {(1 - δ)}^{3} {r_{r}}^{3}} {v_{f}}^{3} + \frac{a_{2} b_{2} ({i_{gn}}^{4} - {i_{g (n + 1)}}^{4}) {i_{0}}^{4}}{{0.377}^{4} {(1 - δ)}^{4} {r_{r}}^{4}} {v_{f}}^{4} = 0

3.对建立的非道路车辆自动变速器经济性换挡规律数学模型进行求解：

将数学模型化简得：

A_nv_n ⁴+B_nv_n ³+C_nv_n ²+D_nv_n+E_n=0

其中，A_n、B_n、C_n、D_n、E_n均为发动机试验数据和车辆结构参数的函数。将挡位、滑转率和油门开度分别给定值，利用计算机求解该方程，可以得到车辆经济性换挡速度v_n,具体过程如下：

用v_n(n+1)min表示n+1挡最低行驶车速，v_n(n)max表示n挡最高行驶车速，如果求出的换挡速度v_n满足v_n(n+1)min<v_n<v_n(n)max，则v_n即为该挡位的经济性换挡点，因为，此时求出的v_n满足G_h(n)=G_h(n+1)，如图1中的C点；

非道路车辆实际作业过程中，每两个相邻挡位的小时燃油消耗量G_h并不能达到理论上的相等，根据上述模型求出的换挡速度，只是一个理想情况，实际的挡位有时并不能达到理想情况下的换挡速度，此时，按下列两种情况处理：

1）如果求出的换挡速度v_n小于n+1挡最低行驶车速v_n(n+1)min，且此时n+1挡最低行驶车速v_n(n+1)min处的燃油消耗量G_h(n+1)小于此车速下n挡的小时燃油消耗量G_h(n)，则v_n(n+1)min为最佳经济性换挡速度，如图1中的A点；

2）如果求出的换挡速度v_n大于n挡最高行驶车速v_n(n)max，则换挡速度为v_n(n)max，且此时n挡最高行驶车速v_n(n)max处的燃油消耗量G_h(n)小于此车速下n+1挡的小时燃油消耗量G_h(n+1)，则v_n(n)max为最佳经济性换挡速度，如图1中的B点。

4.确定在不同滑转率下，每两个相邻挡位换挡时，油门开度与最佳经济性换挡速度的对应数值关系：

根据3确定的各相邻两档位间的最佳经济性换挡速度，设定驱动轮滑转率为1%，取油门开度为30%、40%、…、100%，分别得出在驱动轮滑转率为1%的条件下，非道路车辆由Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ-Ⅳ、Ⅳ-Ⅴ挡位变换时，各油门开度与相应的最佳经济性换挡速度的对应数值关系，表现为曲线图的形式如图2所示。

依次取滑转率为2%、…、12%，同样取油门开度为30%、40%、…、100%，可得出在不同驱动轮滑转率条件下，各油门开度与相应的最佳经济性换挡速度的对应数值关系，如图3为驱动轮滑转率为12%的条件下，得出的油门开度与相应的最佳经济性换挡速度的对应数值关系。非道路车辆在实际作业过程中，以求出的油门开度与最佳经济性换挡速度对应的数值关系作为依据，进行换挡。

把用上述方法所得出的最佳经济性换挡速度作为升档时的换挡速度，具体表现为曲线的形式如图2、图3中实线所示；为防止换挡循环，把升挡时的换挡速度降低Δv作为降挡时的换挡速度，具体表现为曲线的形式如图2、图3中虚线所示。

Claims

1.一种非道路车辆自动变速器经济性换挡控制方法，其特征在于，步骤如下：

G_{h} = \frac{a_{2} b_{2} {i_{g}}^{4} {i_{0}}^{4} {v_{f}}^{4}}{{0.377}^{4} {(1 - δ)}^{4} {r_{r}}^{4}} + \frac{(a_{1} b_{2} + a_{2} b_{1}) {i_{g}}^{3} {i_{0}}^{3} {v_{f}}^{3}}{{0.377}^{3} {(1 - δ)}^{3} {r_{r}}^{3}} + \frac{(a_{0} b_{0} + a_{1} b_{1} + a_{2} b_{0}) {i_{g}}^{2} {i_{0}}^{2} {v_{f}}^{2}}{{0.377}^{2} {(1 - δ)}^{2} {r_{r}}^{2}}

+ \frac{(a_{0} b_{1} + a_{1} b_{0}) i_{g} i_{0} v_{f}}{0.377 (1 - δ) r_{r}} + a_{0} b_{0}

a_{0} b_{0} + \frac{(a_{1} b_{1} + a_{1} b_{0}) (i_{gn} - i_{g (n + 1)}) i_{0}}{0.377 (1 - δ) r_{r}} v_{f} + \frac{(a_{0} b_{2} + a_{1} b_{1} + a_{2} b_{0}) ({i_{gn}}^{2} - {i_{g (n + 1)}}^{2}) {i_{0}}^{2}}{{0.377}^{2} {(1 - δ)}^{2} {r_{r}}^{2}} {v_{f}}^{2}

+ \frac{(a_{1} b_{2} + a_{2} b_{1}) ({i_{gn}}^{3} - {i_{g (n + 1)}}^{3}) {i_{0}}^{3}}{{0.377}^{3} {(1 - δ)}^{3} {r_{r}}^{3}} {v_{f}}^{3} + \frac{a_{2} b_{2} ({i_{gn}}^{4} - {i_{g (n + 1)}}^{4}) {i_{0}}^{4}}{{0.377}^{4} {(1 - δ)}^{4} {r_{r}}^{4}} {v_{f}}^{4} = 0

2.根据权利要求1所述的非道路车辆自动变速器经济性换挡控制方法，其特征在于，若步骤（3）中求出的最佳经济性换挡速度为低挡向高挡的换挡速度，那么将相应的最佳经济性换挡速度降低一个设定的值，即为由高挡向低挡换挡时的最佳经济性换挡速度，从而得到每两个相邻档位降档时，最佳经济性换挡速度与各油门开度的对应数值关系。

3.根据权利要求1所述的非道路车辆自动变速器经济性换挡控制方法，其特征在于，若步骤（3）中求出的最佳经济性换挡速度为高挡向低挡的换挡速度，那么将相应的最佳经济性换挡速度升高一个设定的值，即为由低挡向高挡换挡时的最佳经济性换挡速度，从而得到每两个相邻档位升档时，最佳经济性换挡速度与各油门开度对应的数值关系。