CN107152524B - 一种大马力拖拉机恒扭矩动力的升挡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大马力拖拉机恒扭矩动力的升挡控制方法，将拖拉机动力升挡控制过程分为换挡准备阶段、档位重叠阶段、转速同步阶段和档位强化阶段，通过对接合离合器、分离离合器和发动机的协调控制，实现动力升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。

Description

一种大马力拖拉机恒扭矩动力的升挡控制方法

技术领域

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升挡控制方法。

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。动力升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。但在升挡过程中，当接合离合器完全接合时，若分离离合器仍然未分离，则产生寄生功率，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，动力升挡还需保证拖拉机作业质量和效率，若在升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，影响升档平顺性，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升档过程中始终恒扭矩输出。

发明内容

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升挡控制方法，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，实现动力升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升挡控制方法的特点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、档位重叠阶段、转速同步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、在所述档位重叠阶段，逐步增大所述接合离合器的作动压力至接合离合器负载扭矩压力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，同时提高柴油发动机的输出功率ΔP_e以补偿接合离合器的滑摩功损失；

在档位重叠阶段结束时刻，保持所述接合离合器的作动压力为所述接合离合器的负载扭矩压力p_合，并减小所述分离离合器的作动压力至0；

步骤3、在所述转速同步阶段，保持接合离合器的作动压力，同时降低柴油发动机输出功率至负载功率P_L并维持不变，直至所述接合离合器主从动盘的转速同步为止；

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升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，F_pre为所述接合离合器的复位弹簧的预压缩弹簧力；F_f为活塞摩擦力；A_h为活塞有效作用面积。

利用式(2)计算所述接合离合器的负载扭矩压力p_合：

式(2)中，q为相邻两挡传动比比值；T_L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；

档位重叠阶段的接合与分离离合器压力增量关系满足式(3)：

式(3)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，q为相邻两挡传动比比值。

在档位重叠阶段提高的柴油发动机的输出功率ΔP_e满足式(4)：

ΔP_e＝kΔp_合Δω_合 (4)

式(4)中，Δω_合为接合离合器主从动盘的转速差。

转速同步阶段的负载功率P_L按式(5)计算：

P_L＝T_Lω_v (5)

式(5)中，ω_v为输出轴转速。

利用式(6)计算所述接合离合器扭矩传递的压力上限P_终：

p_终＝ηp_合 (6)

式(6)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、本发明通过建立换挡过程中档位重叠阶段的分离与接合离合器作动压力的增量关系，使得接合离合器在档位重叠阶段始终处于结合状态，减少了不必要的滑摩功损失。

2、本发明根据在换挡过程中的功率平衡关系，在升挡过程中通过提高柴油发动机的输出功率弥补了在档位重叠阶段的滑摩功损失，从而实现了输出扭矩恒定、换挡无冲击。

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升挡控制方法，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、档位重叠阶段、转速同步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，F_pre为所述接合离合器的复位弹簧的预压缩弹簧力；F_f为活塞摩擦力；A_h为活塞有效作用面积。

步骤2、在档位重叠阶段，即t₂～t₃阶段，逐步增大接合离合器的作动压力至接合离合器负载扭矩压力p_合为止，并逐步减小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，同时提高柴油发动机的输出功率ΔP_e以补偿接合离合器的滑摩功损失，分离离合器传递扭矩逐步减小，接合离合器传递扭矩逐步增大，动力逐步从分离离合器过渡到接合离合器，同时输出扭矩恒定；

在档位重叠阶段结束时刻，保持接合离合器的作动压力为接合离合器的负载扭矩压力p_合，接合离合器传递了所有负载扭矩，减小分离离合器的作动压力至0，接合离合器传递的扭矩为0，变速器的输出扭矩等于负载扭矩；

接合离合器的接合离合器负载扭矩压力p_合利用式(2)计算：

式(2)中，q为相邻两挡传动比比值；T_L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。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(3)计算：

式(3)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F_send和负载扭矩T_load通过电动液压油泵提供，定义离合器作动压力调节步距为ΔF_send、负载扭矩调节步距为ΔT_load。

(1)施加离合器作动压力F_send＝ΔF_send，并保持不变，同时施加负载扭矩为ΔT_load，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ΔT_load1，保存离合器作动压力F_send＝ΔF_send和负载扭矩T_load＝ΔT_load1；

(2)以离合器作动压力调节步距ΔF_send增大加离合器的作动压力F_send＝2ΔF_send，并保持不变，同时施加负载扭矩为ΔT_load，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ΔT_load2，保存离合器作动压力F_send＝2ΔF_send和负载扭矩T_load＝ΔT_load1；

(3)重复上述试验步骤，得到离合器的作动压力与其传递扭矩的散点图，然后采用线性拟合方法拟合离合器的作动压力与其传递扭矩曲线，即可得到摩擦特性系数k。

档位重叠阶段的接合与分离离合器压力增量关系满足式(4)：

式(4)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。

接合与分离离合器压力增量关系满足式(4)可保证在档位重叠阶段分离离合器处于接合状态，以减少不必要的滑摩功损失，而接合离合器与分离离合器传递扭矩的增量关系满足式(5)：

当分离离合器处于接合状态时，分离离合器的压力增量和其传递的扭矩增量并不成线性关系；而当接合离合器处于滑摩状态时，接合离合器的压力增量和其传递的扭矩增量存在线性关系。

为保证在换挡过程中输出功率和输出扭矩恒定，需要提高发动机输出功率以补偿滑摩损失功率，在档位重叠阶段提高的柴油发动机的输出功率ΔP_e满足式(6)：

ΔP_e＝kΔp_合Δω_合 (6)

式(6)中，Δω_合为接合离合器主从动盘的转速差。

步骤3、在转速同步阶段，即t₃～t₄阶段，保持接合离合器的作动压力，同时降低柴油发动机输出功率至负载功率P_L并维持不变，直至接合离合器主从动盘转速同步为止；

转速同步阶段的负载功率P_L按式(7)计算：

P_L＝T_Lω_v (7)

式(7)中，ω_v为输出轴转速。

在转速同步阶段阶段，接合离合器已传递所有负载扭矩，但其主动盘转速大于从动盘转速，仍处于滑摩状态；由于从动盘受力平衡，接合离合器的从动盘转速不变或匀速运动，需要降低，接合离合器的主动盘转速来实现其主从动盘转速同步。

由于发动机的输出功率需等于负载功率，在转速同步阶段阶段保持发动机的输出功率等于负载功率即可，则降低柴油发动机输出功率至负载功率；对于整个传动系统，发动机的输出功率为系统输入功率，负载功率为系统输出功率，则输入功率等于输出功率，而接合离合器滑摩消耗能量，根据能量守恒原理，整个传动系统机械能减少，由发动机在转速同步阶段的输出功率补偿，由于输出轴转速不变，因此输入轴转速下降，即接合离合器主动盘转速下降，最终实现接合离合器主从动盘的转速同步；在转速同步阶段分离离合器传递的扭矩为0，接合离合器传递的扭矩等于负载扭矩，输出扭矩等于负载扭矩。

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(5)计算：

p_终＝ηp_合 (5)

式(5)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。

通过以上步骤对柴油机的协调反馈控制，以及对换挡离合器的控制实现大马力拖拉机的恒扭矩动力升挡控制，能够实现输出扭矩恒定、换挡无冲击。

实施例：本实施例使用本发明的拖拉机升档控制方法对某型号大马力拖拉机动力换挡变速器进行3档升4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、C₄接合，离合器C₂、C₃分离时，动力换挡变速器档位为3档；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；3当变速器档位从3档升4档时，离合器C₁从接合状态变为分离状态，离合器C₃从分离变状态为接合状态，功率流逐步从离合器C₁过渡到离合器C₃。

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T_L为380N.m；活塞缸预压缩弹簧力F_pre为20N；活塞摩擦力F_f为10N；活塞有效作用面积A_h为0.01m²；k为0.098N.m/pa；q为1.2；η为1.12；档位重叠时间t_合为0.4s；接合离合器主从动盘转速差为40rad/s；输出轴转速ω_v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)计算接合离合器负载扭矩压力由于档位重叠时间t_合为0.4s，因此接合离合器压力上升速率根据式(3)计算分离离合器压力下降速率可取8000pa/s；根据式(4)计算档位重叠阶段的发动机补偿功率根据式(5)计算接合离合器扭矩传递的压力上限p_终＝ηp_合＝5211pa；根据式(7)计算负载功率P_L＝T_Lω_v＝57kW。

参阅图2，p_e为柴油发动机的输出功率，在t₂～t₃阶段，提高的柴油发动机输出功率为以补偿接合离合器的滑摩功损失；在t₃～t₄阶段，降低柴油发动机输出功率至负载功率P_L＝T_Lω_v＝57kW并维持不变；在t₄～t₅阶段，保持柴油发动机的输出功率57kW不变。

参阅图3，P_c1为分离离合器的作动压力，P_c3为接合离合器的作动压力，在t₁～t₂阶段，增大接合离合器的作动压力P_c3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，档位重叠时间t_合＝0.4s，P_c1与P_c3满足式(4)的压力增量关系，且接合离合器作动压力P_c1上升速率分离离合器作动压力P_c3下降速率可取8000pa/s；在t₃～t₄阶段，接合离合器作动压力P_c1为0，保持分离离合器作动压力P_c3＝p_合＝4653pa直至接合离合器主从动盘转速同步为止；在t₄～t₅阶段，增大接合离合器的作动压力P_c3至接合离合器扭矩传递的压力上限p_终＝ηp_合＝5211pa。

参阅图4，其中T_c1为离合器C₁传递的扭矩，T_c3为离合器C₃传递的扭矩，T_out为输出扭矩；按照大马力拖拉机恒扭矩动力升挡控制的过程，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，T_c1逐步减小，T_c3逐步增大，T_out不变，实现了该型号大马力拖拉机动力换挡变速器在3档升入4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ω_e为输入轴转速，ω_v为输出轴转速，ω_e在转速同步t₃～t₄阶段转速下降，而ω_v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3档升4档的过程中动力传动系统始终保持恒扭矩动力输出，实现了平顺升挡，保证了拖拉机持续作业，离合器C1从接合状态逐步变为分离状态，离合器C3从分离状态逐步变为接合状态，整个恒扭矩动力升挡过程完成。

Claims (1)

1.一种大马力拖拉机恒扭矩动力的升挡控制方法，其特征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、档位重叠阶段、转速同步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；

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，F_pre为所述接合离合器的复位弹簧的预压缩弹簧力；F_f为活塞摩擦力；A_h为活塞有效作用面积；

步骤2、在所述档位重叠阶段，逐步增大所述接合离合器的作动压力至接合离合器负载扭矩压力p_合为止，并逐步减小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，同时提高柴油发动机的输出功率ΔP_e以补偿接合离合器的滑摩功损失；

在档位重叠阶段结束时刻，保持所述接合离合器的作动压力为所述接合离合器的负载扭矩压力p_合，并减小所述分离离合器的作动压力至0；

利用式(2)计算所述接合离合器的负载扭矩压力p_合：

式(2)中，q为相邻两挡传动比比值；T_L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；

档位重叠阶段的接合与分离离合器压力增量关系满足式(3)：

式(3)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，q为相邻两挡传动比比值；

在档位重叠阶段提高的柴油发动机的输出功率ΔP_e满足式(4)：

ΔP_e＝kΔp_合Δω_合 (4)

式(4)中，Δω_合为接合离合器主从动盘的转速差；

步骤3、在所述转速同步阶段，保持接合离合器的作动压力，同时降低柴油发动机输出功率至负载功率P_L并维持不变，直至所述接合离合器主从动盘的转速同步为止；

转速同步阶段的负载功率P_L按式(5)计算：

P_L＝T_Lω_v (5)

式(5)中，ω_v为输出轴转速；

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；

利用式(6)计算所述接合离合器扭矩传递的压力上限P_终：

p_终＝ηp_合 (6)

式(6)中，η为大于1的系数。