考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力升挡控制方法

摘要

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升挡控制方法，包括：1、确定拖拉机动力升挡控制参数；2、将拖拉机动力升挡控制过程分为换挡准备阶段、挡位重叠阶段、转速同步阶段和挡位强化阶段，以实现动力升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。

权利要求

1.一种考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力升挡控制方法，其特征在于按如下步骤进行：步骤1、确定拖拉机动力升挡的控制参数，包括：接合离合器在换挡准备阶段维持的压力p准、接合离合器的作动压力上限p合、挡位重叠阶段的接合与分离离合器压力增量关系、挡位重叠时间t分与接合离合器的压力上升时间t合关系、接合离合器扭矩传递的压力上限p终；

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

利用式(2)计算所述接合离合器的作动压力上限p合：

式(2)中，q为相邻两挡传动比比值；TL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；a为大于1的系数；

挡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；

所述挡位重叠时间t分与接合离合器的压力上升时间t合关系满足式(4)：t分＝ct合                                 (4)式(4)中，c为小于1的系数，且c＜1/a，a为大于1的系数；

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；

步骤2、将拖拉机动力升挡控制的过程分为：换挡准备阶段、挡位重叠阶段、转速同步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；

在所述挡位重叠阶段，减小所述分离离合器的作动压力至挡位重叠阶段结束时刻所对应的离合器压力；同时增大所述接合离合器的作动压力至所述分离离合器在挡位重叠结束时刻所对应的接合离合器的作动压力，使得所述分离离合器和所述接合离合器的作动压力满足挡位重叠的接合与分离离合器压力增量关系；

在所述转速同步阶段，继续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，并保持所述接合离合器的作动压力直至接合离合器的主、从动盘转速同步为止，所述分离离合器的压力在转速同步阶段开始时刻降为0，并保持不变，所述分离离合器在复位弹簧作用下分离；

在所述接合强化阶段，继续增大所述接合离合器的作动压力至所述接合离合器扭矩传递的压力上限p终为止。

说明书

考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力升挡控制方法

技术领域

[0001] 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动力升挡控制方法。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。动力升挡属于动力换挡技术的一部分，在动力升挡过程中，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。

[0004] 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。

[0005] 因此，大马力拖拉机动力升挡需要在负载状态下完成，以保证拖拉机在升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

[0006] 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升挡控制方法，以期能满足拖拉机动力升挡要求，同时降低控制的复杂程度，从而使得拖拉机能够持续作业，提高了生产率和作业质量。

[0007] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

[0008] 本发明一种考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力升挡控制方法的特点是按如下步骤进行：

[0009] 步骤1、确定拖拉机动力升挡的控制参数，包括：接合离合器在换挡准备阶段维持的压力p准、接合离合器的作动压力上限p合、挡位重叠阶段的接合与分离离合器压力增量关系、挡位重叠时间t分与接合离合器的压力上升时间t合关系、接合离合器扭矩传递的压力上限p终；

[0010] 步骤2、将拖拉机动力升挡控制的过程分为：换挡准备阶段、挡位重叠阶段、转速同步阶段和接合强化阶段；

[0011] 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；

[0012] 在所述挡位重叠阶段，减小所述分离离合器的作动压力至挡位重叠阶段结束时刻所对应的离合器压力；同时增大所述接合离合器的作动压力至所述分离离合器在挡位重叠结束时刻所对应的接合离合器的作动压力，使得所述分离离合器和所述接合离合器的作动压力满足挡位重叠的接合与分离离合器压力增量关系；

[0013] 在所述转速同步阶段，继续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，并保持所述接合离合器的作动压力直至接合离合器的主、从动盘转速同步为止，所述分离离合器的压力在转速同步阶段开始时刻降为0，并保持不变，所述分离离合器在复位弹簧作用下分离；

[0014] 在所述接合强化阶段，继续增大所述接合离合器的作动压力至所述接合离合器扭矩传递的压力上限p终为止。

[0015] 本发明所述的考虑柴油机调速特性的大马力拖拉机动力升挡控制方法的特点也在于：

[0016] 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：

[0017]

[0018] 式(1)中，Fpre为所述接合离合器的复位弹簧的预压缩弹簧力，Ff为活塞摩擦力，Ah为活塞有效作用面积。

[0019] 利用式(2)计算所述接合离合器的作动压力上限p合：

[0020]

[0021] 式(2)中，q为相邻两挡传动比比值；TL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；a为大于1的系数。

[0022] 挡位重叠阶段的接合与分离离合器压力增量关系满足式(3)：

[0023]

[0024] 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。

[0025] 所述挡位重叠时间t分与接合离合器的压力上升时间t合关系满足式(4)：

[0026] t分＝ct合   (4)

[0027] 式(4)中，c为小于1的系数，且c＜1/a，a为大于1的系数；

[0028] 利用式(5)计算所述接合离合器扭矩传递的压力上限P终：

[0029] p终＝ηp合   (5)

[0030] 式(5)中，η为大于1的系数。

[0031] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

[0032] 1、本发明通过建立动力升挡过程中挡位重叠阶段的分离与接合离合器作动压力的增量关系，使挡位重叠时间与接合离合器压力上升时间满足一定的关系，并且分离、接合离合器作动压力满足一定的压力增量关系，使得离合器始终正向传递扭矩，避免了在升挡过程中的产生寄生功率；

[0033] 2、本发明根据动力升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；

[0034] 3、本发明通过设定动力升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；

[0035] 4、本发明的动力升挡控制方法不需要进行发动机的协调控制，控制相对简单，同时能够满足拖拉机动力换挡要求，避免了拖拉机停车升挡，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

[0036] 图1为本发明的分离与接合离合器作动压力示意图；

[0037] 图2为本发明的动力换挡变速器的动力传递路线示意图；

[0038] 图3为本发明的升挡过程中输出扭矩变化曲线；

[0039] 图4为本发明的升挡过程中输入输出转速变化曲线；

[0040] 图5为本发明的离合器状态变化曲线。

具体实施方式

[0041] 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升挡控制方法，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升挡控制，且能满足拖拉机动力升挡的作业要求，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。

[0042] 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升挡控制方法，在动力升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升挡过程中熄火。

[0043] 参阅图1-图5，具体的说，是按如下步骤进行：

[0044] 步骤1、当动力升挡开始时，首先确定动力升挡的控制参数，根据控制参数确定接合、分离离合器的作动压力变化曲线，然后完成动力升挡，需要确定拖拉机动力升挡的控制参数包括：接合离合器在换挡准备阶段维持的压力p准、接合离合器的作动压力上限p合、挡位重叠阶段的接合与分离离合器压力增量关系、挡位重叠时间t分与接合离合器的压力上升时间t合关系、接合离合器扭矩传递的压力上限p终；

[0045] 下面对拖拉机动力升挡的控制参数的计算依据进行说明，如下：

[0046] 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：

[0047]

[0048] 式(1)中，Fpre为所述接合离合器的复位弹簧的预压缩弹簧力，Ff为活塞摩擦力，Ah为活塞有效作用面积。

[0049] 当离合器处于滑摩状态时，离合器传递扭矩大小与其作动压力成正比，为了避免接合离合器作动压力过大导致柴油机超负荷，接合离合器的作动压力上限p合利用式(2)计算：

[0050]

[0051] 式(2)中，q为相邻两挡传动比比值；TL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；a为大于1的系数，a的取值范围为[1.1,1.2]，若a的取值过大，则容易造成柴油机超负荷工作；反之，则换挡时间越长，离合器磨损严重，功率损失过大。

[0052] 摩擦特性系数k的计算按照以下方法进行：

[0053] 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：

[0054]

[0055] 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。

[0056] 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：

[0057] 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Fsend和负载扭矩Tload通过电动液压油泵提供，定义离合器作动压力调节步距为ΔFsend、负载扭矩调节步距为ΔTload。

[0058] (1)施加离合器作动压力Fsend＝ΔFsend，并保持不变，同时施加负载扭矩为ΔTload，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ΔTload1，保存离合器作动压力Fsend＝ΔFsend和负载扭矩Tload＝ΔTload1；

[0059] (2)以离合器作动压力调节步距ΔFsend增大加离合器的作动压力Fsend＝2ΔFsend，并保持不变，同时施加负载扭矩为ΔTload，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ΔTload2，保存离合器作动压力Fsend＝2ΔFsend和负载扭矩Tload＝ΔTload1；

[0060] (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。

[0061] 为了减少不必要的滑摩损失，分离离合器在挡位重叠阶段保持结合状态，虽然分离合器仍旧处于接合状态，但因接合离合器开始传递扭矩，若总的输出扭矩大致不变，则分离离合器传递扭矩逐步减小，动力从分离离合器逐步过渡到接合离合器，则挡位重叠阶段的接合与分离离合器压力增量关系满足式(4)：

[0062]

[0063] 式(4)中，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。。

[0064] 为了避免寄生功率的产生，挡位重叠时间t分与接合离合器的压力上升时间t合关系满足式(5)：

[0065] t分＝ct合   (5)

[0066] 式(5)中，c为小于1的系数，且c＜1/a，a为大于1的系数；

[0067] c的取值范围为[0.6,0.9]，若c的取值太小，则动力损失过大；反之，则容易产生寄生功率。

[0068] 接合离合器扭矩传递的压力上限p终；

[0069] p终＝ηp合   (6)

[0070] 式(6)中，η为大于1的系数。

[0071] 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。

[0072] 步骤2、将拖拉机动力升挡控制的过程分为：换挡准备阶段、挡位重叠阶段、转速同步阶段和接合强化阶段，参阅图1，具体地说：

[0073] 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；

[0074] 在挡位重叠阶段，即t2～t分阶段，减小分离离合器的作动压力至挡位重叠阶段结束时刻所对应的离合器压力；同时增大接合离合器的作动压力至分离离合器在挡位重叠结束时刻所对应的接合离合器的作动压力，使得分离离合器和接合离合器的作动压力满足挡位重叠的接合与分离离合器压力增量关系，接合离合器与分离离合器的压力增量关系按式(4)计算，该阶段分离离合器的扭矩容量大于其传递的扭矩，处于结合状态，以减小不必要的滑摩损失，在该阶段接合离合器压力逐步上升，使得传递的扭矩逐步从分离离合器过渡到接合离合器，在挡位重叠阶段完成时刻，完全释放分离离合器压力p分1至0，以避免产生寄生功率，此时接合离合器的作动压力为p分3。

[0075] 在转速同步阶段，即t分～t终阶段，在t分～t合阶段继续增大接合离合器的作动压力p分3至接合离合器的作动压力上限p合，并在t合～t终阶段保持接合离合器的作动压力直至接合离合器的主、从动盘转速同步为止，分离离合器的压力在转速同步阶段开始时刻降为0，并保持不变，分离离合器在复位弹簧作用下分离。

[0076] 在转速同步阶段，接合离合器作动压力上限根据传递扭矩的大小确定；接合离合器作动压力上限越大，转速同步所需时间越短，滑摩损失越少，但如果过大，容易导致柴油发动机因超负荷而熄火，接合离合器作动压力上限按式(2)计算。

[0077] 在接合强化阶段，即t终～t3阶段，继续增大所述接合离合器的作动压力至所述接合离合器扭矩传递的压力上限p终为止，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。

[0078] 实施例：本实施例使用本发明的拖拉机升挡控制方法对某型号大马力拖拉机动力换挡变速器进行3挡升4挡控制。

[0079] 参阅图2，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，动力换挡变速器挡位为3挡；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；当变速器挡位从3挡升4挡时，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；

[0080] 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1.1；离合器C3作动压力上升时间为0.5s，离合器C1压力下降速率为6400pa/s，动力交接阶段时间为为0.4s。

[0081] 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，ωe为输入轴转速，ωv为输出轴转速。

[0082] 参阅图3，在10～10.4s为挡位重叠阶段，在该阶段分离离合器保持结合状态，接合离合器滑摩消耗部分功率，参阅图4的输出扭矩和图5的输出转速ωv曲线，该阶段输出扭矩和输出轴转速有所下降；在10.4～10.8s为转速同步阶段，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，该阶段输出扭矩比离合器传递的负载扭矩大，有利于缩短转速同步时间；参阅图5上午输入转速ωe曲线，由于柴油机负载比较大，在该阶段柴油发动机转速下降比较快，但没有超出柴油柴油发动机的调速范围；在10.8s后离合器C3结合，离合器C1分离，至此，整个动力升挡过程完成，大马力拖拉机动力换挡变速器在3挡升入4挡的过程中动力传动系统始终保持较大的动力输出，车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。