CN114018329A - 一种装载机载荷谱的获取方法和系统 - Google Patents

一种装载机载荷谱的获取方法和系统 Download PDF

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吕昌
赵文祥
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Abstract

本发明公开了一种装载机载荷谱的获取方法和系统，装载机包括变速箱控制单元、发动机、动力换挡变速箱、传动轴和轮胎；动力换挡变速箱内部包括液力变矩器和湿式离合器，湿式离合器包括方向离合器和挡位离合器；液力变矩器包括泵轮和涡轮；泵轮与发动机连接，涡轮与方向离合器输入连接，挡位离合器输出与传动轴和轮胎连接；变速箱控制单元与动力换挡变速箱通过信号电缆连接，输出离合器电磁阀控制信号进行行驶方向和行驶挡位切换；通过变速箱控制单元采集原始信号，根据原始信号获取装载机载荷谱数据。本发明可以准确获取动力换挡变速箱的实际动态载荷数据，构建动力换挡变速箱载荷谱。

Description

一种装载机载荷谱的获取方法和系统
技术领域
该发明涉及工程机械领域，具体涉及到一种装载机载荷谱的获取方法和系统。
背景技术
装载机具有作业机动性好、速度快、效率高等优点，被广泛应用于道路、铁路、水电、港口等场所的土石方施工机械。动力换档变速箱作为装载机的传动系统核心零部件为整机提供行驶动力，在整机频繁的换档和换向过程中，可以保证整机换挡过程动力不中断以及行驶状态下直接换向控制，工作过程中动力换挡变速箱设计的可靠性，直接决定着整机的品质。
然而装载机作业工况复杂，作业环境恶劣，在铲掘物料过程与换挡换向过程中外部负载冲击剧烈，复杂多变。因此，准确获取动力换挡变速箱的实际动态载荷数据，构建动力换挡变速箱载荷谱，对动力换挡变速箱的动态设计和可靠性计算校核有重大意义。
现有技术多采用在变速箱输出轴加装扭矩传感器的方案获取扭矩信号，测试过程需要对传感器进行校准和标定，测试结果受测试环境变化和传感器精度影响大，测试流程复杂且不便于长期实际作业工况载荷谱测试。
对于具有液力变矩器的动力换档变速箱载荷谱的计算方法，现有技术依赖于发动机实际扭矩和转速信息，且缺少变速箱转速输入信息。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的以上不足，提出了一种装载机载荷谱的获取方法和系统，实现获取装载机动力换挡变速箱实际作业过程载荷谱数据。
一方面为实现上述技术目的，本发明提供了一种装载机载荷谱的获取方法，所述装载机包括变速箱控制单元、发动机、动力换挡变速箱、传动轴和轮胎；
所述动力换挡变速箱内部包括液力变矩器和湿式离合器，湿式离合器包括方向离合器和挡位离合器；
所述液力变矩器包括泵轮和涡轮；
所述泵轮与发动机连接，所述涡轮与方向离合器输入连接，挡位离合器输出与传动轴和轮胎连接；
变速箱控制单元与动力换挡变速箱通过信号电缆连接，输出离合器电磁阀控制信号进行行驶方向和行驶挡位切换；
通过变速箱控制单元采集原始信号，根据原始信号获取装载机载荷谱数据。
进一步地，变速箱控制单元采集的原始信号包括：动力换挡变速箱的挡位、液力变矩器泵轮转速、液力变矩器涡轮转速和液力变矩器扭矩。
进一步地，通过变速箱控制单元采集原始信号之后还包括判断各数据点的有效性，具体包括：若原始信号中的泵轮转速小于限值，则判断此时发动机为停机状态，该数据点为无效数据；若泵轮转速大于等于限值，则判断此时发动机为启动状态，该数据点为有效数据，根据原始信号中的有效数据获取装载机载荷谱数据。针对目前载荷谱获取方法仅考虑固定扭矩分段中的时间占比信息，缺少载荷谱转速信息的采集于统计方案，在以上技术方案的基础上，再进一步地，根据原始信号获取装载机载荷谱数据包括对判断为有效数据的载荷谱数据进行挡位数据分类和统计处理，包括：
（1）判断变速箱挡位是否为空挡，如果为空挡，则进行空挡时间占比统计，然后进行下一个信号数据点判断，否则进行步骤（2）判断；
（2）信号数据点按执行挡位进行分类，根据信号数据点的变速箱挡位值进行数据分类，直至判断至挡位n；
（3）各挡位信号数据按扭矩等级段进行分类，预设涡轮扭矩分段值，将涡轮扭矩分成m段，根据信号数据点扭矩值，将相同挡位信号数据分类至各扭矩段；
（4）各级扭矩段等效扭矩计算，查找各挡位中相同扭矩段内数据点的最大扭矩值，作为该各挡位对应扭矩段的等效扭矩；
（5）各级扭矩段等效转速计算，统计各挡位中相同扭矩段内数据点的涡轮转速平均值，作为各挡位对应扭矩段的等效转速；
（6）各级扭矩段时间占比计算，统计各挡位中相同扭矩段内数据点对应的时间长度，计算该时间长度占总有效数据点时间长度的占比值；
（7）重复上述步骤，直至完成所有装载机动力换档变速箱载荷谱原始数据处理；
再进一步地，完成所有装载机动力换档变速箱载荷谱原始数据处理之后将所有有效数据对应的空挡时间占比和各挡位下不同扭矩段的分段上限值、等效转速和时间占比进行编制汇总，输出装载机动力换档变速箱载荷谱结果。
进一步地，获取转矩信号的方法包括：采集获取液力变矩器的泵轮转速n Pum 和涡轮转速n Tur ，根据液力变矩器速比i与变矩比系数k、变矩特性参数M b1000 关系，实时计算获得液力变矩器涡轮转矩，计算表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 560954DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为变矩特性参数M b1000 与速比i的关系，
Figure 900799DEST_PATH_IMAGE004
为变矩比系数k与速比i的关系，均由查表计算获取。
第二方面，本发明还提供了一种装载机载荷谱的获取系统，所述装载机包括变速箱控制单元、发动机、动力换挡变速箱、传动轴和轮胎；
所述动力换挡变速箱内部包括液力变矩器和湿式离合器，湿式离合器包括方向离合器和挡位离合器；
所述液力变矩器包括泵轮和涡轮；
所述泵轮与发动机连接，所述涡轮与方向离合器输入连接，挡位离合器输出与传动轴和轮胎连接；
变速箱控制单元与动力换挡变速箱通过信号电缆连接，输出离合器电磁阀控制信号进行行驶方向和行驶挡位切换；所述变速箱控制单元用于采集原始信号；
所述获取系统还包括：数据采集与处理单元，所述数据采集与处理单元通过总线网络与变速箱控制单元连接，接收变速箱控制单元采集的变速箱状态信息；所述数据采集与处理单元用于：通过变速箱控制单元采集的原始信号获取装载机载荷谱数据。
进一步地，数据采集与处理单元通过CAN总线网络与变速箱控制单元连接。
进一步地，所述数据采集与处理单元包括数据点有效性判断单元，所述数据点有效性判断单元，用于执行步骤：若原始信号中的泵轮转速小于限值，则判断此时发动机为停机状态，该数据点为无效数据；若泵轮转速大于等于限值，则判断此时发动机为启动状态，该数据点为有效数据，根据原始信号中的有效数据获取装载机载荷谱数据。
进一步地，所述数据采集与处理单元还包括分类和统计处理模块，用于执行包括：
（1）判断变速箱挡位是否为空挡，如果为空挡，则进行空挡时间占比统计，然后进行下一个信号数据点判断，否则进行步骤（3-2）判断；
（2）信号数据点按执行挡位进行分类，根据信号数据点的变速箱挡位值进行数据分类，直至判断至挡位n；
（3）各挡位信号数据按扭矩等级段进行分类，预设涡轮扭矩分段值，将涡轮扭矩分成m段，根据信号数据点扭矩值，将相同挡位信号数据分类至各扭矩段；
（4）各级扭矩段等效扭矩计算，查找各挡位中相同扭矩段内数据点的最大扭矩值，作为该各挡位对应扭矩段的等效扭矩；
（5）各级扭矩段等效转速计算，统计各挡位中相同扭矩段内数据点的涡轮转速平均值，作为各挡位对应扭矩段的等效转速；
（6）各级扭矩段时间占比计算，统计各挡位中相同扭矩段内数据点对应的时间长度，计算该时间长度占总有效数据点时间长度的占比值；
（7）重复上述步骤，直至完成所有装载机动力换档变速箱载荷谱原始数据处理。
本发明所取得的有益技术效果：本发明提出了一种装载机载荷谱的获取方法和系统，准确获取动力换挡变速箱的实际动态载荷数据，构建动力换挡变速箱载荷谱，可以方便、准确地获取装载机作业复杂动态工况下变速箱的载荷谱，解决变速箱动态设计过程中，缺少载荷谱进行可靠性设计和校核的问题。
基于装载机动力换档变速箱液力变矩器速比与变矩比系数、变矩特性参数关系，载荷谱测试过程仅需采集变速箱控制单元以CAN通信形式发出的泵轮转速、涡轮转矩和变速箱挡位信息，大大提高装载机动力换档变速箱载荷谱测试的便捷性。
为装载机动力换档变速箱载荷获取与数据处理提供流程和方法，从而详细准确的进行载荷谱数据处理，输出载荷谱结果。
附图说明
图1为本发明实施例中动力换挡变速箱载荷谱采集系统；
图2 为本发明实施例中动力换挡变速箱载荷谱获取流程；
图3为本发明实施例中动力换挡变速箱载荷谱数据处理详细流程。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：提出了一种装载机载荷谱的获取方法。如图1所示，该装载机用动力换挡变速箱载荷谱获取系统中装载机包括变速箱控制单元、发动机、动力换挡变速箱、传动轴和轮胎组成；所述动力换挡变速箱载荷谱获取系统还包括数据采集与处理单元。
动力换挡变速箱内部有液力变矩器和湿式离合器，湿式离合器可以分为方向离合器和挡位离合器，不同的方向离合器与挡位离合器结合，可以形成不同的变速箱挡位。
变速箱液力变矩器泵轮与发动机连接，液力变矩器涡轮与方向离合器输入部分连接，挡位离合器输出部分与传动轴和轮胎连接。
当方向离合器和挡位离合器结合后，可将发动机的动力经液力变矩器传输至传动轴和车轮，驱动车轮行驶。
变速箱控制单元与变速箱通过信号电缆连接，输出离合器电磁阀控制信号进行行驶方向和行驶挡位切换。
变速箱控制单元根据方向离合器和挡位离合器的状态组合，计算变速箱当前挡位信息。变速箱控制单元通过CAN通信形式，将泵轮转速、涡轮扭矩和变速箱挡位信息发送至CAN网络。
数据采集与处理单元通过CAN总线网络与变速箱控制单元连接，接收变速箱控制单元采集的变速箱状态信息。
动力换挡变速箱载荷谱数据获取与详细处理流程如图2、图3所示。具体步骤如下：
（1）获取装载机动力换档变速箱载荷谱原始数据，在配置动力换档变速箱的装载机产品安装数据采集与处理单元，连续记录变速箱挡位、液力变矩器泵轮转速、涡轮转速和转矩信号；通过变速箱控制单元采集原始信号，根据原始信号获取装载机载荷谱数据。
本实施例中，变速箱控制单元实时采集获取液力变矩器的泵轮转速和涡轮转速，根据液力变矩器速比与变矩比系数、变矩特性参数关系，实时计算获得液力变矩器涡轮转矩，计算公式如下：
本实施例中采用涡轮转速计算各级扭矩段等效转速，可以采用变速箱输出轴转速和挡位速比替代。
实施例2：在实施例1的基础上，本实施例中在获取原始信号之后还包括（2）数据有效性判断，包括：
如果信号数据点的泵轮转速小于限值n lim ，则此时发动机为停机状态，该数据点为无效数据，直接进行下一个信号数据点判断；
如果该数据点的泵轮转速大于等于限值n lim ，则此时发动机为启动状态，该数据点为有效数据。
本实施例在通过液力变矩器泵轮转速进行数据点有效性判断，可以选择发动机转速替代。
实施例3：在以上实施例的基础上，本实施例中还包括：根据原始信号获取装载机载荷谱数据包括:
（3）对判断为有效数据的载荷谱数据进行挡位数据分类与统计处理，详细步骤如下：
（3-1）判断变速箱挡位是否为空挡，如果为空挡，则进行空挡时间占比统计，然后进行下一个信号数据点判断，否则进行步骤（3-2）判断。
（3-2）信号数据点按执行挡位进行分类，根据信号数据点的变速箱挡位值进行数据分类，直至判断值挡位n；
（3-3）各挡位信号数据按扭矩等级段进行分类，预设涡轮扭矩分段值，将涡轮扭矩分成m段，根据信号数据点扭矩值，将相同挡位信号数据分类至各扭矩段；
（3-4）各级扭矩段等效扭矩计算，查找各挡位中相同扭矩段内数据点的最大扭矩值，作为该各挡位对应扭矩段的等效扭矩；
（3-5）各级扭矩段等效转速计算，统计各挡位中相同扭矩段内数据点的涡轮转速平均值，作为各挡位对应扭矩段的等效转速；
（3-6）各级扭矩段时间占比计算，统计各挡位中相同扭矩段内数据点对应的时间长度，计算该时间长度占总有效数据点时间长度的占比值；
（3-7）重复上述步骤（2）至步骤（3），直至完成所有装载机动力换档变速箱载荷谱原始数据处理。
（4）输出载荷谱结果，将上述所有有效数据对应的空挡时间占比和各挡位下不同扭矩段的分段上限值、等效转速和时间占比进行编制汇总，输出装载机动力换档变速箱载荷谱结果。
与以上实施例提供的一种装载机载荷谱的获取方法相对应地，本发明还提供了一种装载机载荷谱的获取系统，所述装载机包括变速箱控制单元、发动机、动力换挡变速箱、传动轴和轮胎；
所述动力换挡变速箱内部包括液力变矩器和湿式离合器，湿式离合器包括方向离合器和挡位离合器；
所述液力变矩器包括泵轮和涡轮；
所述泵轮与发动机连接，所述涡轮与方向离合器输入连接，挡位离合器输出与传动轴和轮胎连接；
变速箱控制单元与动力换挡变速箱通过信号电缆连接，输出离合器电磁阀控制信号进行行驶方向和行驶挡位切换；
所述变速箱控制单元用于采集原始信号；
所述获取系统还包括：数据采集与处理单元，所述数据采集与处理单元通过总线网络与变速箱控制单元连接，接收变速箱控制单元采集的变速箱状态信息；所述数据采集与处理单元用于通过变速箱控制单元采集的原始信号获取装载机载荷谱数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，
装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
通过上述系统及方法，可以方便、准确地获取实际作业循环过程中，装载机动力换挡变速箱的载荷谱，解决动力换挡变速箱动态设计过程中，可靠性准确设计和校核的问题。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种装载机载荷谱的获取方法，其特征在于，所述装载机包括变速箱控制单元、发动机、动力换挡变速箱、传动轴和轮胎；
所述动力换挡变速箱内部包括液力变矩器和湿式离合器，湿式离合器包括方向离合器和挡位离合器；
所述液力变矩器包括泵轮和涡轮；
所述泵轮与发动机连接，所述涡轮与方向离合器输入连接，挡位离合器输出与传动轴和轮胎连接；
变速箱控制单元与动力换挡变速箱通过信号电缆连接，输出离合器电磁阀控制信号进行行驶方向和行驶挡位切换；
通过变速箱控制单元采集原始信号，根据原始信号获取装载机载荷谱数据。
2.根据权利要求1所述的一种装载机载荷谱的获取方法，其特征在于，变速箱控制单元采集的原始信号包括：动力换挡变速箱的挡位、液力变矩器泵轮转速、液力变矩器涡轮转速和液力变矩器扭矩。
3.根据权利要求1所述的一种装载机载荷谱的获取方法，其特征在于，通过变速箱控制单元采集原始信号之后还包括判断各数据点的有效性，具体包括：若原始信号中的泵轮转速小于限值，则判断此时发动机为停机状态，该数据点为无效数据；若泵轮转速大于等于限值，则判断此时发动机为启动状态，该数据点为有效数据，根据原始信号中的有效数据获取装载机载荷谱数据。
4.根据权利要求3所述的一种装载机载荷谱的获取方法，其特征在于，根据原始信号获取装载机载荷谱数据包括对判断为有效数据的载荷谱数据进行挡位数据分类和统计处理，包括：
（1）判断变速箱挡位是否为空挡，如果为空挡，则进行空挡时间占比统计，然后进行下一个信号数据点判断，否则进行步骤（2）判断；
（2）信号数据点按执行挡位进行分类，根据信号数据点的变速箱挡位值进行数据分类，直至判断至挡位n；
（3）各挡位信号数据按扭矩等级段进行分类，预设涡轮扭矩分段值，将涡轮扭矩分成m段，根据信号数据点扭矩值，将相同挡位信号数据分类至各扭矩段；
（4）各级扭矩段等效扭矩计算，查找各挡位中相同扭矩段内数据点的最大扭矩值，作为该各挡位对应扭矩段的等效扭矩；
（5）各级扭矩段等效转速计算，统计各挡位中相同扭矩段内数据点的涡轮转速平均值，作为各挡位对应扭矩段的等效转速；
（6）各级扭矩段时间占比计算，统计各挡位中相同扭矩段内数据点对应的时间长度，计算该时间长度占总有效数据点时间长度的占比值；
（7）重复上述步骤，直至完成所有装载机动力换档变速箱载荷谱原始数据处理。
5.根据权利要求4所述的一种装载机载荷谱的获取方法，其特征在于，完成所有装载机动力换档变速箱载荷谱原始数据处理之后将所有有效数据对应的空挡时间占比和各挡位下不同扭矩段的分段上限值、等效转速和时间占比进行编制汇总，输出装载机动力换档变速箱载荷谱结果。
6.根据权利要求1所述的一种装载机载荷谱的获取方法，其特征在于，获取转矩信号的方法包括：采集获取液力变矩器的泵轮转速n Pum 和涡轮转速n Tur ，根据液力变矩器速比i与变矩比系数k、变矩特性参数M b1000 关系，实时计算获得液力变矩器涡轮转矩，计算表达式如下：
Figure 515812DEST_PATH_IMAGE001
Figure 721665DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 230005DEST_PATH_IMAGE003
为变矩特性参数M b1000 与速比i的关系，
Figure 331953DEST_PATH_IMAGE004
为变矩比系数k与速比i的关系，均由查表计算获取。
7.一种装载机载荷谱的获取系统，其特征在于，所述装载机包括变速箱控制单元、发动机、动力换挡变速箱、传动轴和轮胎；
所述动力换挡变速箱内部包括液力变矩器和湿式离合器，湿式离合器包括方向离合器和挡位离合器；
所述液力变矩器包括泵轮和涡轮；
所述泵轮与发动机连接，所述涡轮与方向离合器输入连接，挡位离合器输出与传动轴和轮胎连接；
变速箱控制单元与动力换挡变速箱通过信号电缆连接，输出离合器电磁阀控制信号进行行驶方向和行驶挡位切换；
所述变速箱控制单元用于采集原始信号；
所述获取系统还包括：数据采集与处理单元，所述数据采集与处理单元通过总线网络与变速箱控制单元连接，接收变速箱控制单元采集的变速箱状态信息；所述数据采集与处理单元用于通过变速箱控制单元采集的原始信号获取装载机载荷谱数据。
8.根据权利要求7所述的一种装载机载荷谱的获取系统，其特征在于，数据采集与处理单元通过CAN总线网络与变速箱控制单元连接。
9.根据权利要求7所述的一种装载机载荷谱的获取系统，其特征在于，所述数据采集与处理单元包括数据点有效性判断单元，所述数据点有效性判断单元用于执行步骤：若原始信号中的泵轮转速小于限值，则判断此时发动机为停机状态，该数据点为无效数据；若泵轮转速大于等于限值，则判断此时发动机为启动状态，该数据点为有效数据，根据原始信号中的有效数据获取装载机载荷谱数据。
10.根据权利要求9所述的一种装载机载荷谱的获取系统，其特征在于，所述数据采集与处理单元还包括分类和统计处理模块，用于执行包括：
（1）判断变速箱挡位是否为空挡，如果为空挡，则进行空挡时间占比统计，然后进行下一个信号数据点判断，否则进行步骤（2）判断；
（2）信号数据点按执行挡位进行分类，根据信号数据点的变速箱挡位值进行数据分类，直至判断至挡位n；
（3）各挡位信号数据按扭矩等级段进行分类，预设涡轮扭矩分段值，将涡轮扭矩分成m段，根据信号数据点扭矩值，将相同挡位信号数据分类至各扭矩段；
（4）各级扭矩段等效扭矩计算，查找各挡位中相同扭矩段内数据点的最大扭矩值，作为该各挡位对应扭矩段的等效扭矩；
（5）各级扭矩段等效转速计算，统计各挡位中相同扭矩段内数据点的涡轮转速平均值，作为各挡位对应扭矩段的等效转速；
（6）各级扭矩段时间占比计算，统计各挡位中相同扭矩段内数据点对应的时间长度，计算该时间长度占总有效数据点时间长度的占比值；
（7）重复上述步骤，直至完成所有装载机动力换档变速箱载荷谱原始数据处理。
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