CN111572525B - 一种基于换挡品质优化的动力换挡变速器降挡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于换挡品质优化的动力换挡变速器降挡控制方法，是通过对换挡离合器作动时序进行合理控制，同时采用粒子群遗传算法对换挡品质进行优化，从而在降挡过程中不出现功率循环现象并能有效提高动力换挡变速器品质，进而提高动力换挡变速器性能，并保证拖拉机作业质量。

Description

一种基于换挡品质优化的动力换挡变速器降挡控制方法

技术领域

本发明涉及拖拉机动力传动控制领域，具体来说是一种基于换挡品质优化的拖拉机动力换挡变速器的降挡控制方法。

背景技术

拖拉机在执行田间作业时，为保证其作业质量，对其行驶速度有着很高的要求，不同的作业形式下都有严格的速度区间规定，若在换挡过程中会出现动力中断的现象，由于拖拉机作业阻力大，换挡时出现动力中断会使拖拉机作业速度急速降低，严重影响作业质量，甚至拖拉机会出现熄火停车的状况，需重新起步，严重影响工作效率，采用动力换挡变速器可以使换挡过程中动力不中断。动力换挡变速器在换挡时常出现功率循环的问题，且换挡品质不佳，因此导致换挡前后速度波动较大、降低变速器使用寿命、驾驶员易疲劳等不良后果。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足之处，提出一种基于换挡品质优化的动力换挡变速器降挡控制方法，以期能有效提高动力换挡变速器品质，从而提高动力换挡变速器性能，并保证拖拉机作业质量。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于换挡品质优化的动力换挡变速器降挡控制方法的特点在于，是按如下步骤进行：

步骤1、在t_d1时刻使高挡离合器油压从锁止油压p_lock突降至降挡临界油压p_d2；

在时间段t_d1～t_d2内，使低挡离合器油压保持为降挡起始油压p_d0，且高挡离合器油压继续降低；其中，t_d1，t_d2为第一、第二时间节点，且t_d2>t_d1；所述锁止油压p_lock为使得离合器不发生意外滑摩的油压；所述降挡临界油压p_d2为使高挡离合器处于结合与滑摩临界状态的油压；

步骤2、在时间段t_d2～t_d3内，使低挡离合器油压从降挡起始油压p_d0上升至降挡接触油压p_d1，且高挡离合器油压继续降低；其中，t_d3为第三时间节点，且t_d3>t_d2；

步骤3、在时间段t_d3～t_d4内，使低挡离合器油压继续上升，且高挡离合器油压在t_d4时刻降低至降挡起始油压p_d0；其中，t_d4为第四时间节点，且t_d4>t_d3；

步骤4、在时间段t_d4～t_d5内，使低挡离合器油压上升至降挡终端油压p_d3，且高挡离合器保持为降挡起始油压p_d0不变；

在t_d5时刻，使低挡离合器油压由降挡终端油压p_d3跃升至锁止油压p_lock；其中，t_d5为第五时间节点，且t_d5>t_d4；

步骤5、将时间段t_d1～t_d4所需第一时间间隔Δt_d1、时间段t_d3～t_d5所需第二时间间隔Δt_d2、以及降挡终端油压p_d3共同作为降挡优化变量；

步骤6、设置降挡优化变量约束条件为：Δt_d1∈(a₁,a₂)；Δt_d2∈(b₁,b₂)；p_d3∈(p_d5,p_lock)；其中，a₁，a₂为所述第一时间间隔Δt_d1的寻优边界；b₁，b₂为所述第二时间间隔Δt_d2的寻优边界；p_d5为降挡过渡油压，表示使降挡低挡离合器传递的滑摩转矩等于变速器负载转矩T_L时所需的离合器油压；

步骤7、选取换挡冲击度j、滑摩功损失W、变速器输出转矩振荡幅度T_z共同作为换挡品质的评价指标，从而利用式(1)建立综合优化目标函数：

式(1)中，J(x)_max为寻优过程中最大的冲击度；W(x)_max为寻优过程中最大的滑摩功；T_z(x)_max为寻优过程中最大的转矩振荡幅度；α₁，α₂，α₃为每个评价指标的权重系数；

步骤8、利用粒子群遗传算法对所述降挡优化变量进行寻优，得到最佳降挡离合器控制油压曲线，从而利用变速器控制器使得实际降挡离合器的控制油压能按照所述最佳降挡离合器控制油压曲线进行变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过对动力换挡变速器降挡过程中离合器作动时序进行合理控制，使离合器在滑摩时主动盘转速始终大于从动盘转速，有效避免了降挡过程中出现功率循环现象。

2、本发明充分考虑了换挡品质影响因素，选取了合理的优化变量；充分考虑了换挡时间、变速器负载转矩、离合器结合裕度等限制，设定优化变量约束条件；针对拖拉机作业需求，设置了优化目标函数；利用粒子群遗传算法对优化变量进行寻优，得到最佳降挡离合器控制油压曲线，从而控制实际降挡离合器的控制油压能按照最佳降挡离合器控制油压曲线进行变化，有效降低了动力换挡变速器降挡过程中的滑摩功损失和冲击度，使降挡过程中的变速器输出转矩变化更加平稳，从而改善了动力换挡变速器降挡品质，提高了拖拉机作业质量。

附图说明

图1为本发明动力换挡变速器结构简图；

图2为本发明动力降挡高低挡离合器油压控制规律图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于换挡品质优化的动力换挡变速器降挡控制方法，在降挡过程中对离合器作动时序进行合理控制，使离合器滑摩时主动盘转速始终大于从动盘转速，可有效避免降挡过程中出现功率循环现象；并选取合理的优化变量，设定优化变量约束条件，设置优化目标函数，利用粒子群遗传算法对优化变量进行寻优，得到最佳降挡离合器控制油压曲线，控制实际降挡离合器的控制油压能按照最佳降挡离合器控制油压曲线进行变化，可以有效改善动力换挡变速器降挡品质，提高拖拉机作业质量。

具体的来说，参阅图1，以H挡降L挡为例，结合图2，该方法是按照以下步骤进行：

步骤1、在t_d1时刻，为缩短换挡时间，使高挡离合器D油压从锁止油压p_lock突降至降挡临界油压p_d2，使离合器D由结合状态切转换为滑摩状态；

由于降挡初始时，低挡离合器C从动盘转速ω_C2大于主动盘转速ω_C1，为防止低挡离合器C从动盘带动主动盘旋转，产生功率循环，因此在时间段t_d1～t_d2内，低挡离合器C油压保持为降挡起始油压p_d0，使低挡离合器C保持为分离状态；为了使低挡离合器C的主动盘转速上升，从动盘转速下降，高挡离合器D油压继续降低，随着离合器D传递的滑摩转矩已不能克服负载转矩，变速器输出转速ω_v开始下降，低挡离合器C从动盘转速ω_C2随之降低；发动机转速ω_e逐渐增大，低挡离合器C主动盘转速ω_C1随之增大，在t_d2时刻ω_C1＝ω_C2，进入步骤2。其中，t_d1，t_d2为第一、第二时间节点，且t_d2>t_d1；锁止油压p_lock为使得离合器不发生意外滑摩的油压；降挡临界油压p_d2为使高挡离合器处于结合与滑摩临界状态的油压；

步骤2、由于在t_d2时刻低挡离合器C主从盘转速同步，因此此时离合器C开始接触不会产生功率循环，在时间段t_d2～t_d3内，使低挡离合器C油压从降挡起始油压p_d0上升至降挡接触油压p_d1，由于此时低挡离合器C油压较低，虽然此时低挡离合器C主从盘转速同步，但离合器C不能转换为结合状态，因此此阶段低挡离合器C由分离状态转换为滑摩状态，且高挡离合器油压D继续降低；其中，t_d3为第三时间节点，且t_d3>t_d2；

步骤3、在时间段t_d3～t_d4内，由于此阶段初期低挡离合器C上的油液压力较低，低挡离合器C与高挡离合器D所传递的滑摩转矩之和不能克服负载力矩，因此低挡离合器C主动盘转速ω_C1继续增加，从动盘转速ω_C2继续减小，ω_C1＞ω_C2，为了使低挡离合器C能够顺利接合，使低挡离合器C油压继续上升，低挡离合器C所传递的滑摩转矩越来越大，当低挡离合器C与高挡离合器D所传递的滑摩转矩之和超过变速器负载转矩时，离合器C主动盘转速ω_C1开始减小，从动盘转速ω_C2开始增大，低挡离合器C主从动盘转速差逐渐减小，且高挡离合器油压在t_d4时刻降低至降挡起始油压p_d0，高挡离合器D由滑摩状态转换为分离状态，在高挡离合器D分离前，低挡离合器C已经开始传递动力，因此换挡过程中变速器动力不中断；其中，t_d4为第四时间节点，且t_d4>t_d3；

步骤4、在时间段t_d4～t_d5内，随着低挡离合器C油压的增大，低挡离合器C主从动盘转速差越来越小，当低挡离合器油压上升至降挡终端油压p_d3时，低挡离合器C主从动盘转速同步，低挡离合器C由滑摩状态转换为结合状态，且高挡离合器保持为降挡起始油压p_d0不变，以使高挡离合器D保持为分离状态；

在t_d5时刻，为防止发动机转矩突变导致的离合器意外滑摩，使低挡离合器油压由降挡终端油压p_d3跃升至锁止油压p_lock；其中，t_d5为第五时间节点，且t_d5>t_d4；

步骤5、通过步骤1-4与图2可知，高挡离合器D在时间段t_d1～t_d4内处于滑摩状态，其控制油压由临界油压p_d2逐渐降至起始油压p_d0，临界油压p_d2与发动机转矩和离合器结构参数有关，起始油压p_d0与回位弹簧结构参数有关，因此p_d2与p_d0均可视为定值，故高挡离合器D控制油压的优化变量应为时间段t_d1～t_d4所需第一时间间隔Δt_d1。通过步骤1-4与图2可知，低挡离合器C在时间段t_d3～t_d5内处于滑摩状态，其控制油压由接触油压p_d1逐渐上升至终端油压p_d3，其中接触油压p_d1与回位弹簧结构参数和离合器摩擦片间隙有关，可视为定值。由于离合器控制油压的变化速率和结合时的终端油压大小对于换挡品质有决定性影响，时间段t_d3～t_d5所需第二时间间隔Δt_d2和降挡终端油压p_d3共同影响低挡离合器C油压变化速率，因此低挡离合器C控制油压的优化变量应为时间段t_d3～t_d5所需第二时间间隔Δt_d2、以及降挡终端油压p_d3。综上所述，将时间段t_d1～t_d4所需第一时间间隔Δt_d1、时间段t_d3～t_d5所需第二时间间隔Δt_d2、以及降挡终端油压p_d3共同作为降挡优化变量；

步骤6、设置降挡优化变量约束条件为：Δt_d1∈(a₁,a₂)；Δt_d2∈(b₁,b₂)；p_d3∈(p_d5,p_lock)；其中，a₁，a₂为第一时间间隔Δt_d1的寻优边界；b₁，b₂为第二时间间隔Δt_d2的寻优边界；p_d5为降挡过渡油压，表示使降挡低挡离合器传递的滑摩转矩等于变速器负载转矩T_L时所需的离合器油压；

由于降挡时间不应超过1秒，因此时间段t_d1～t_d5的时间间隔不应超过1秒，Δt_d1为时间段t_d1～t_d4的第一时间间隔，由于t_d4<t_d5，Δt_d1的最大值也不得超过1秒，考虑到搜索范围应尽量大，因此Δt_d1的寻优边界a₂的取值范围可设置为[0.9秒，1秒)；同时若高挡离合器D过快分离，则会出现离合器C尚未作动而离合器D已经分离的现象，造成动力中断，因此Δt_d1的寻优边界a₁不宜设置过小，为保证换挡过程中变速器动力不中断，可设置Δt_d1的寻优边界a₁的取值范围为[0.4秒，0.5秒]。对于第二时间间隔Δt_d2，由于低挡离合器C在降挡开始初未作动，直到低挡离合器C主从动盘转速相同时才开始作动，考虑到应使换挡时间在1秒之内，因此将Δt_d2的寻优边界b₂的取值范围设置为[0.5秒，0.6秒]；为使Δt_d2搜索范围尽量大，第二时间间隔Δt_d2的寻优边界b₁取值应尽量小，可设置为[0秒，0.1秒]。对于低挡离合器C的终端油压p_d3的约束条件，其下限应能满足克服变速器负载转矩，否则离合器C不能顺利结合，因此设置终端油压p_d3的约束条件下限为过渡油压p_d5；由于离合器锁止油压p_lock是保证离合器不会意外滑摩的油压，其值通常较大，因此设置终端油压p_d3的约束条件上限为锁止油压p_lock。

步骤7、换挡时冲击度过大会导致驾驶员容易疲劳，影响作业质量，并且会缩短变速器零件的使用寿命；滑摩功过大，不仅会使拖拉机功率损失过大，还会使离合器摩擦片温度过高从而影响离合器的控制精度以及承载力，加剧离合器的摩损；变速器输出转矩波动过大，会导致拖拉机加速度变化剧烈，相应的可能会导致冲击度过高。因此选取换挡冲击度j、滑摩功损失W、变速器输出转矩振荡幅度T_z共同作为换挡品质的评价指标，从而利用式(1)建立综合优化目标函数：

式(1)中，J(x)_max为寻优过程中最大的冲击度；W(x)_max为寻优过程中最大的滑摩功；T_z(x)_max为寻优过程中最大的转矩振荡幅度；α₁，α₂，α₃为每个评价指标的权重系数；

由于冲击度、滑摩功和转矩振荡幅度的表达式和量纲不同，首先需要将评价指标的量纲转化为一个数量级，接着把评价指标根据重要程度以一定的权重系数组合起来，即可获得综合优化目标函数。α₁，α₂，α₃的取值根据拖拉机工作时的实际情况确定：若换挡过程滑摩功损失过大会导致拖拉机动力损失过多，影响拖拉机作业质量；变速器输出转矩振荡幅度较大同样会使作业速度产生波动，影响作业质量，且会导致换挡冲击度较大；换挡冲击度较大会使驾驶员容易感到疲劳且对拖拉机传动系统的寿命有害。拖拉机作业时应保证作业质量，对于动力换挡变速器：首要目标为保证作业时动力损失小；其次要使换挡前后作业速度波动尽可能小；再次由于拖拉机作业环境恶劣，对冲击度要求不高。因此各权重系数分别取为0.2，0.5，0.3。

步骤8、由于粒子群遗传算法具有收敛速度快、全局搜索能力强、易收敛于全局最优解的优点，因此利用粒子群遗传算法对降挡优化变量进行寻优，能够在所设定的优化变量约束条件中搜索到使目标函数式(1)最小的优化变量具体值，故可以得到最佳降挡离合器控制油压曲线，从而利用变速器控制器使得实际降挡离合器的控制油压能按照最佳降挡离合器控制油压曲线进行变化。

Claims (1)

1.一种基于换挡品质优化的动力换挡变速器降挡控制方法，其特征在于，是按如下步骤进行：

步骤1、在t_d1时刻使高挡离合器油压从锁止油压p_lock突降至降挡临界油压p_d2；

在时间段t_d1～t_d2内，使低挡离合器油压保持为降挡起始油压p_d0，且高挡离合器油压继续降低；其中，t_d1，t_d2为第一、第二时间节点，且t_d2>t_d1；所述锁止油压p_lock为使得离合器不发生意外滑摩的油压；所述降挡临界油压p_d2为使高挡离合器处于结合与滑摩临界状态的油压；

步骤2、在时间段t_d2～t_d3内，使低挡离合器油压从降挡起始油压p_d0上升至降挡接触油压p_d1，且高挡离合器油压继续降低；其中，t_d3为第三时间节点，且t_d3>t_d2；

步骤3、在时间段t_d3～t_d4内，使低挡离合器油压继续上升，且高挡离合器油压在t_d4时刻降低至降挡起始油压p_d0；其中，t_d4为第四时间节点，且t_d4>t_d3；

步骤4、在时间段t_d4～t_d5内，使低挡离合器油压上升至降挡终端油压p_d3，且高挡离合器保持为降挡起始油压p_d0不变；

在t_d5时刻，使低挡离合器油压由降挡终端油压p_d3跃升至锁止油压p_lock；其中，t_d5为第五时间节点，且t_d5>t_d4；

步骤5、将时间段t_d1～t_d4所需第一时间间隔Δt_d1、时间段t_d3～t_d5所需第二时间间隔Δt_d2、以及降挡终端油压p_d3共同作为降挡优化变量；

步骤6、设置降挡优化变量约束条件为：Δt_d1∈(a₁,a₂)；Δt_d2∈(b₁,b₂)；p_d3∈(p_d5,p_lock)；其中，a₁，a₂为所述第一时间间隔Δt_d1的寻优边界；b₁，b₂为所述第二时间间隔Δt_d2的寻优边界；p_d5为降挡过渡油压，表示使降挡低挡离合器传递的滑摩转矩等于变速器负载转矩T_L时所需的离合器油压；

步骤7、选取换挡冲击度j、滑摩功损失W、变速器输出转矩振荡幅度T_z共同作为换挡品质的评价指标，从而利用式(1)建立综合优化目标函数：

式(1)中，J(x)_max为寻优过程中最大的冲击度；W(x)_max为寻优过程中最大的滑摩功；T_z(x)_max为寻优过程中最大的转矩振荡幅度；α₁，α₂，α₃为每个评价指标的权重系数；

步骤8、利用粒子群遗传算法对所述降挡优化变量进行寻优，得到最佳降挡离合器控制油压曲线，从而利用变速器控制器使得实际降挡离合器的控制油压能按照所述最佳降挡离合器控制油压曲线进行变化。

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