CN107152526B - 一种考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法，包括：1、确定拖拉机动力降档控制参数；2、将拖拉机动力降挡控制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，以实现动力降挡过程中变速传动系统始终保持较大的输出扭矩的目的，同时保证柴油发动机不熄火，从而使得拖拉机可适应工作阻力变化持续作业，保障作业效率。

Description

一种考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法

技术领域

本发明属于大马力拖拉机动力传动系统控制领域，具体来说是一种针对多离合器式大马力拖拉机动力传动系统的降挡控制方法。

背景技术

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‘Power Shift’(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。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，国内目前对大马力拖拉机动力换挡技术及其产品研发尚处于起步阶段。

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，保证换挡过程动力不中断的换挡。在动力降挡过程中，需要对分离、接合离合器作动压力合理控制，由于柴油机一般工作在调速区域，当由负载变大导致柴油机转速下降时，柴油机转矩增大，当柴油机转矩增大，柴油机转速回升，如果换挡控制不合理，会导致动力损失过大或柴油发动机熄火。

在离合器压力控制过程中，尤其需要避免产生寄生功率，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。

因此，大马力拖拉机动力降挡需要在负载状态下完成，以保证拖拉机在降挡过程中不会因动力损失过大而停车或因接合离合器作动压力过大而导致柴油机超负荷熄火，需要对换挡离合器进行精确控制。

发明内容

本发明从工程应用角度考虑，提出一种考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法，以期能满足拖拉机动力降挡要求，同时降低控制的复杂程度，从而使得拖拉机能够持续作业，提高生产率和作业质量。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法的特点在于：

步骤1、确定拖拉机动力降挡的控制参数，包括：接合离合器在准备阶段维持的压力p_准、分离离合器在转速同步阶段维持的压力p_分、接合离合器的作动压力上限p_合、挡位重叠阶段的压力增量关系和离合器扭矩传递的压力上限p_终；

步骤2、将拖拉机动力降挡控制的过程分为：换挡准备阶段、转速同步阶段、挡位重叠阶段和接合强化阶段；

在所述换挡准备阶段，增大所述接合离合器的作动压力至所述接合离合器在准备阶段维持的压力p_准，使得所述接合离合器处于扭矩传递临界状态，以消除所述接合离合器的空行程；

在所述转速同步阶段，减小所述分离离合器的作动压力至所述分离离合器在转速同步阶段维持的压力p_分并保持至所述接合离合器的主、从动盘转速同步时刻为止；同时保持所述接合离合器的作动压力不变；

在所述挡位重叠阶段，增大所述接合离合器的作动压力至所述接合离合器的作动压力上限p_合，同时减小所述分离离合器的作动压力至0，使得分离离合器和接合离合器的作动压力满足挡位重叠阶段的压力增量关系；

在所述接合强化阶段，继续增大接合离合器的作动压力至离合器扭矩传递压力上限P_终为止。

本发明所述的考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力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，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)计算所述分离离合器在转速同步阶段维持的压力p_分：

式(2)中，T_L为所述分离离合器传递的扭矩，k为一系数，由摩擦片片数、摩擦接触面内外径和摩擦片材料决定，a为小于1的系数。

所述接合离合器的作动压力开始上升时刻为所述接合离合器主、从动盘转速同步时刻，利用式(3)计算接合离合器的作动压力上限p_合：

式(3)中，q为相邻两挡传动比比值；b为大于1的系数；

利用式(4)得到挡位重叠阶段的压力增量关系：

|Δp_分|＝|qΔp_合| (4)

式(4)，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(5)计算所述接合离合器扭矩传递的压力上限p_终：

p_终＝ηp_合 (5)

式(5)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挡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、本发明根据动力降挡过程中接合离合器传递的扭矩大小确定接合离合器的作动压力上限，充分考虑了柴油发动机的调速特性，避免了因接合离合器作动压力过大而导致柴油发动机超负荷，以致熄火，保证了作业质量；

3、本发明通过设定动力降挡过程中接合离合器作动压力上限比其传递扭矩对应离合器压力的大，以减少换挡时间，降低了滑磨功损失，提高了发动机的功率利用率；

4、本发明通过建立动力降挡过程中动力交接接合、分离离合器作动压力按挡位重叠压力增量关系，完成了挡位重叠阶段的动力交接问题，既保证了降挡过程中始终有较大的动力输出，同时避免了寄生功率的产生。

5、本发明提出的动力降挡控制方法不考虑发动机的协调控制，控制相对简单，同时能够满足拖拉机动力换挡要求，避免了拖拉机停车降挡，使得拖拉机能够持续作业，提高了拖拉机的生产率和作业质量。

附图说明

图1为本发明的动力换挡变速器的动力传递路线示意图；

图2为本发明的接合分离离合器作动压力示意图；

图3为本发明的降挡过程中输出扭矩变化曲线；

图4为本发明的降挡过程中输入输出转速变化曲线；

图5为本发明的离合器状态变化曲线。

具体实施方式

本实施例中，一种考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法，可不通过对柴油机的协调反馈控制，仅通过对换挡离合器的控制实现大马力拖拉机的动力降挡控制，且能满足拖拉机动力降挡的作业要求，使得拖拉机能够持续作业，提高作业质量和生产率，同时降低控制的复杂程度，工程应用性更强。

由于柴油机一般工作在调速区域，当由负载变大导致柴油机转速下降时，柴油机转矩增大，当柴油机转矩增大，柴油机转速回升。因此，柴油机可在调速区域能稳定工作。在非调速区域，当负载增大时，柴油机转速下降，柴油机转速下降又进一步导致柴油机输出转矩下降，最终导致柴油机熄火，因此柴油机要避免在非调速区域。本发明的一种考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法，在动力降挡过程中通过对离合器作动压力的控制实现动力不中断，且避免了柴油机在动力降挡过程中熄火。

参阅图1-图5，具体的说，是按如下步骤进行：

步骤1、当动力降挡开始时，首先确定动力降挡的控制参数，根据控制参数确定接合、分离离合器的作动压力变化曲线，然后完成动力降挡。拖拉机动力降挡的控制参数包括：接合离合器在准备阶段维持的压力p_准、分离离合器在转速同步阶段维持的压力p_分、接合离合器的作动压力上限p_合、挡位重叠阶段的压力增量关系和离合器扭矩传递的压力上限p_终；

下面对拖拉机动力降挡的控制参数的计算依据进行说明，如下：

由于接合离合器消除空行程需要克服复位弹簧的预压缩力以及活塞摩擦力，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。

动力降挡开始时，接合离合器从动盘转速大于主动盘转速，此时若对接合离合器施加作动压力，则接合离合器反向传递扭矩产生寄生功率。为了避免产生寄生功率，则需要通过降低分离离合器压力降低输出轴转速，即接合离合器从动盘转速，使得接合离合器主从动盘转速同步，分离离合器在转速同步阶段维持的压力p_分利用式(2)计算：

式(2)中，T_L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，a为小于1的系数；a的取值范围为[0.6,0.9]，若a的取值过大，则分离离合器不会滑摩或者滑摩时间很长；反之，则动力损失过大。

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。

为了避免柴油发动机因超负荷而熄火，同时尽快地完成换挡，接合离合器的作动压力上限p_合利用式(4)计算：

式(4)中，q为相邻两挡传动比比值；b为大于1的系数；b取值可为1.1～1.2，该值若取过大，容易导致柴油发动机超负荷，若取过小，则换挡时间越长。

为了避免动力中断，挡位重叠阶段的接合、分离离合器的压力增量关系满足式(5)：

|Δp_分|＝|qΔp_合| (5)

式(5)，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。

接合离合器扭矩传递的压力上限p_终利用式(6)计算：

p_终＝ηp_合 (6)

式(6)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。

步骤2、将拖拉机动力降挡控制的过程分为：换挡准备阶段、转速同步阶段、挡位重叠阶段和接合强化阶段，参阅图1，具体地说：

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在换挡准备阶段维持的压力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_准可利用式(1)计算，在该阶段分离离合器保持压力不变，处于接合状态。

在转速同步阶段，即t₂～t₃阶段，减小分离离合器的作动压力至分离离合器在转速同步阶段维持的压力p_分并保持至接合离合器的主、从动盘转速同步时刻为止，分离离合器在转速同步阶段维持的压力p_分按式(2)计算，p_分不能过小，否则动力损失很大；p_分也不能过大，否则转速同步时间过长，导致滑摩损失过大；同时接合离合器的作动压力不变，仍旧处于扭矩传递临界状态。

在挡位重叠阶段，即t₃～t₅阶段，在t₃～t₄阶段增大接合离合器的作动压力至接合离合器的作动压力上限p_合，同时减小分离离合器的作动压力，使得分离离合器和接合离合器的作动压力满足挡位重叠阶段的压力增量关系，接合离合器与分离离合器的压力增量关系需要满足式(5)，以避免产生动力中断和寄生功率；在挡位重叠阶段，接合离合器的作动压力逐步上升，使得传递的扭矩逐步从分离离合器过渡到接合离合器；在t₄时刻分离离合器压力降至0，在t₄～t₅阶段接合离合器压力继续上升至接合离合器的作动压力上限p_合后保持，直至接合离合器再次转速同步，以避免柴油发动机因超负荷熄火。

在接合强化阶段，即t₅～t₆阶段，当接合离合器的主从动盘转速同步时，继续增大接合离合器作动压力至离合器扭矩传递的压力p_终为止，离合器扭矩传递的压力p_终按照式(6)计算，以使其保持结合状态有一定的裕度，避免由于传递扭矩波动而引起其滑摩。

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

参阅图2，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，动力换挡变速器挡位为4挡；当离合器C₁、C₄接合，离合器C₂、C₃分离时，动力换挡变速器挡位为3挡；当变速器挡位从4挡降3挡时，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；

大马力拖拉机动力系统参数如下：离合器传递的最大扭矩为380N.m；发动机为柴油发动机，额定功率100kw，油门开度为80％；k为0.098N.m/pa，q为1.2；a为0.8；b为1.1；离合器C₁作动压力上升时间为0.5s。

参阅图3-图5，大马力拖拉机动力换挡变速器在4挡降为3挡的过程中动力传动系统始终保持较大的动力输出，在降挡过程中输出转速稍微有所下降后回升，没有因动力中断而降为0，实现了顺利换挡，保证了拖拉机持续作业，离合器C3从结合状态逐步变为分离状态，离合器C1从分离状态逐步变为结合状态。至此，整个动力降挡过程完成。

图3为离合器状态变化曲线，其中1表示离合器C₁结合、离合器C₃滑摩；2表示离合器C₁滑摩、离合器C₃滑摩；3表示离合器C₁滑摩、离合器C₃结合；图4为输出扭矩变化曲线；图5为输入输出轴转速变化曲线，其中，ω_e为输入轴转速，ω_v为输出轴转速。

参阅图3，在10～10.3s为转速同步阶段，在该阶段分离离合器处于滑摩状态，接合离合器不传递扭矩，参阅图4的输出扭矩和图5的输出转速ω_v曲线，该阶段输出扭矩和输出轴转速有所下降；在10.3～10.6s为挡位重叠阶段，在该阶段离合器C₁滑摩、离合器C₃滑摩，参阅图4的输出扭矩曲线，该阶段输出扭矩维持不变；参阅图5的输出转速ω_v曲线，由于动力输出有所损失，输出转速ω_v转速下降，但没有降至0；在10.6～11.8s，离合器C₃滑摩，离合器C₁分离，离合器C₃传递扭矩大于其传递的负载扭矩，有利于缩短换挡时间；在11.8s离合器C₃结合，其传递的扭矩等于负载扭矩，至此整个动力降挡完成，大马力拖拉机动力换挡变速器在4挡降为3挡的过程中动力传动系统始终保持较大的动力输出，在降挡过程中输出转速稍微有所下降后回升，没有因动力中断而降为0，实现了顺利换挡，保证了拖拉机持续作业。

Claims (6)

1.一种考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法，其特征在于：

步骤1、确定拖拉机动力降挡的控制参数，包括：接合离合器在准备阶段维持的压力p_准、分离离合器在转速同步阶段维持的压力p_分、接合离合器的作动压力上限p_合、挡位重叠阶段的压力增量关系和离合器扭矩传递的压力上限p_终；

步骤2、将拖拉机动力降挡控制的过程分为：换挡准备阶段、转速同步阶段、挡位重叠阶段和接合强化阶段；

在所述换挡准备阶段，增大所述接合离合器的作动压力至所述接合离合器在准备阶段维持的压力p_准，使得所述接合离合器处于扭矩传递临界状态，以消除所述接合离合器的空行程；

在所述转速同步阶段，减小所述分离离合器的作动压力至所述分离离合器在转速同步阶段维持的压力p_分并保持至所述接合离合器的主、从动盘转速同步时刻为止；同时保持所述接合离合器的作动压力不变；

在所述挡位重叠阶段，增大所述接合离合器的作动压力至所述接合离合器的作动压力上限p_合，同时减小所述分离离合器的作动压力至0，使得分离离合器和接合离合器的作动压力满足挡位重叠阶段的压力增量关系；

在所述接合强化阶段，继续增大接合离合器的作动压力至离合器扭矩传递压力上限P_终为止。

2.根据权利要求1所述的考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法，其特征在于：利用式(2)计算所述分离离合器在转速同步阶段维持的压力p_分：

式(2)中，T_L为所述分离离合器传递的扭矩，k为一系数，由摩擦片片数、摩擦接触面内外径和摩擦片材料决定，a为小于1的系数。

4.根据权利要求1所述的考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法，其特征在于：所述接合离合器的作动压力开始上升时刻为所述接合离合器主、从动盘转速同步时刻，利用式(3)计算接合离合器的作动压力上限p_合：

式(3)中，q为相邻两挡传动比比值；b为大于1的系数。

5.根据权利要求1所述的考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法，其特征在于：利用式(4)得到挡位重叠阶段的压力增量关系：

|Δp_分|＝|qΔp_合| (4)

式(4)，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。

6.根据权利要求1所述的考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力降挡控制方法，其特征在于：利用式(5)计算所述接合离合器扭矩传递的压力上限p_终：

p_终＝ηp_合 (5)

式(5)中，η为大于1的系数。