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作业车辆三参数自动变速控制方法

阅读：540发布：2021-02-26

IPRDB可以提供作业车辆三参数自动变速控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且作业车辆三参数自动变速控制方法属工程机械技术领域，本发明包括：将油门开度、车速和作业载荷系数作为作业车辆自动变速的参数；针对不同三参数决定的工况离线匹配，获得全工况最优换挡分布表；进行实际变速控制时，可根据11组最优变速特性曲线，采用插值法获得任意作业载荷系数和任意油门开度时的最优换挡点；还可根据最优变速特性曲线，直接拟合出最优换挡点速度与作业载荷系数、油门开度的函数关系，并将函数写入自动换挡控制器中进行自动变速控制。采用本发明可使作业车辆的传动系载荷波动变小、燃油效率提高、主要零部件寿命延长、动力性经济性变好、环境污染减少，可广泛适用于自行式工程车辆、矿用车辆、农用车辆、军用车辆的自动变速。，下面是作业车辆三参数自动变速控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种作业车辆三参数自动变速控制方法，其特征在于包括下列步骤：

1)将油门开度(α)、车速(v)和作业载荷系数(γ)作为作业车辆自动变速的参数，其中：作业载荷系数(γ)由下列步骤获得：由于作业装置通常使用液压传动，不同用途、不同压力的工作泵(P11…P1m,P21…P2n)通过固定的齿轮组(G11…G1m,G21…G2n)从发动机飞轮取力，

1.1对于定量泵，只要用压力传感器(S11…S1m)检测出其出口压力，计算出定量泵工作时占用的发动机飞轮力矩：M1i＝K1iP1i

式中P1i为定量泵的出口压力；系数K1i通过试验标定获得，或通过下列公式计算获得：其中：q1i为定量泵的排量，i1i为飞轮轴到定量泵轴的传动比，η1i为定量泵总传动效率；

1.2对于变量泵，只需用压力传感器(S21…S2n)和转角传感器(A21…A2n)测量其出口压力及变量角，计算出变量泵工作时占用的发动机飞轮力矩：M2i＝K2iP2itanβi

式中P2i为变量泵出口压力；βi为变量角；系数K2i通过标定获得，或通过下列公式计算获得：K2i＝125i2id2RZη2i

其中：i2i为从飞轮轴到变量泵轴的传动比，d为变量泵的柱塞直径，R为柱塞中心分布圆直径，Z为柱塞数目，η2i为变量泵总传动效率；

1.3作业载荷系数(γ)通过下式计算：

式中：M1i为第i个定量泵工作时占用的发动机飞轮力矩；M2i为第i个变量泵占用的发动机飞轮力矩；M1imax与M2imax是各定量泵与各变量泵工作在最大载荷时所占用的发动机飞轮力矩，k为一常数；

2)针对不同油门开度(α)、车速(v)和作业载荷系数(γ)所决定的工况，离线匹配，获得全工况最优换挡分布表，包括下列步骤：

2.1取11种作业载荷系数(γ)值，分别为0、0.1、0.2、…、1.0,用公式ML=γMLmax计算出作业载荷所占用的发动机飞轮力矩；式中MLmax为最大作业载荷时所占用的发动机飞轮力矩；

2.2取油门开度(α)分别为30%、40%、50%、…、100%，将每种油门开度(α)下的发动机力矩特性曲线减去ML，获得各油门开度(α)下的发动机净力矩特性曲线；

2.3由净力矩特性与传动系匹配后获得具有4个前进挡和3个后退挡的牵引特性曲线，并根据“自动变速获得最优动力性”的原则，从中得到最优I-II挡、II-III挡、III-IV挡，和I'-II'挡、II'-III'挡换挡点；

2.4针对步骤2.1中每一种作业载荷系数(γ)，将步骤2.2和2.3中不同油门开度(α)下的最优换挡点连成线，获得该作业载荷系数(γ)下的最优变速特性曲线；对于步骤2.1中所列的11种作业载荷系数(γ)值，分别有11组这样的最优变速特性曲线，并以全工况最优换挡分布表的形式写入自动换挡控制器（10）中；

3)在进行实际变速控制时，根据步骤2.4中所述的11组最优变速特性曲线，采用插值的方法获得任意作业载荷系数(γ)和任意油门开度(α)时的最优换挡点；

4)采用系统辨识的方法，根据最优变速特性曲线，直接拟合出最优换挡点速度与作业载荷系数(γ)、油门开度(α)的函数关系，即全工况最优换挡函数，并将此函数写入自动换挡控制器（10）中进行自动变速控制。

2.按权利要求1所述的作业车辆三参数自动变速控制方法，其特征在于在步骤4)所述的最优换挡点速度的基础上，增加一个速度增量(Δv)，作为升挡时的速度槛值，并在理论最优换挡点速度的基础上减少速度增量(Δv)，作为降挡点速度槛值。

说明书全文

作业车辆三参数自动变速控制方法

技术领域

[0001] 本发明属工程机械技术领域，具体涉及一种作业车辆的三参数自动变速控制方法。

背景技术

[0002] 作业车辆泛指一边工作一边行驶的车辆。操纵作业车辆的司机除了需要驾驶车辆行驶以外,还需要操作众多的手柄完成作业任务,工作劳动强度大,易于疲劳。作业车辆实现自动变速,不但可以减轻司机的劳动强度,更主要的是可以让司机把更多的注意力集中在作业上,提高作业质量和作业效率。为此从上世纪80年代开始，世界各国便开始从事作业车辆的自动变速技术研究，最先在作业车辆中使用的是VOLVO公司，紧接着，德国的ZF公司，美国的卡特公司，日本的川崎公司、小松公司、TCM公司相继在作业车辆上使用了自动变速器技术。目前在作业车辆领域自动变速技术已有较多的应用，但分析目前的作业车辆自动变速技术可以看出，它们基本上是沿用了汽车二参数（油门、车速）自动变速技术，只不过是将作业车辆的工况简单分为“作业”与“不作业”，并分别使用了不同的换挡曲线而已。

[0003] 事实上，作业车辆作业时其作业功率并不是非有即无，而是在连续变化的，并且变化幅度较大，如装载机的作业功率变化幅度要占发动机功率的60%。很显然，将作业车辆的工况简单分为“作业”与“不作业”是不合理的。应用实践也表明，使用了这种自动变速技术与不使用相比，前者传动系载荷波动变大、燃油效率降低、主要零部件寿命缩短、动力性与经济性变差、对环境污染也变大。

发明内容

[0004] 本发明的目的是，综合考虑作业车辆作业载荷连续、大幅度变化的特点，提供一种作业车辆三参数自动变速控制方，以克服目前作业车辆自动变速技术的不足。

[0005] 本发明包括下列步骤：

[0006] 1)将油门开度α、车速v和作业载荷系数γ作为作业车辆自动变速的参数，其中：作业载荷系数γ由下列步骤获得：

[0007] 由于作业装置通常使用液压传动，不同用途、不同压力的工作泵P11…P1m,P21…P2n通过固定的齿轮组G11…G1m,G21…G2n从发动机飞轮取力，

[0008] 1.1对于定量泵，只要用压力传感器S11…S1m检测出其出口压力，计算出定量泵工作时占用的发动机飞轮力矩：

[0009] M1i＝K1iP1i

[0010] 式中P1i为定量泵的出口压力；系数K1i通过试验标定获得，或通过下列公式计算获得：

[0011]

[0012] 其中：q1i为定量泵的排量，i1i为飞轮轴到定量泵轴的传动比，η1i为定量泵总传动效率；

[0013] 1.2对于变量泵，只需用压力传感器S21…S2n和转角传感器A21…A2n测量其出口压力及变量角，计算出变量泵工作时占用的发动机飞轮力矩：

[0014] M2i＝K2iP2itanβi

[0015] 式中P2i为变量泵出口压力；βi为变量角；系数K2i通过标定获得，或通过下列公式计算获得：

[0016] K2i＝125i2id2RZη2i

[0017] 其中：i2i为从飞轮轴到变量泵轴的传动比，d为变量泵的柱塞直径，R为柱塞中心分布圆直径，Z为柱塞数目，η2i为变量泵总传动效率；

[0018] 1.3作业载荷系数γ通过下式计算：

[0019]

[0020] 式中：M1i为第i个定量泵工作时占用的发动机飞轮力矩；M2i为第i个变量泵占用的发动机飞轮力矩；M1imax与M2imax是各定量泵与各变量泵工作在最大载荷时所占用的发动机飞轮力矩，k为一常数；

[0021] 2)针对不同油门开度α、车速v和作业载荷系数γ所决定的工况，离线匹配，获得全工况最优换挡分布表，包括下列步骤：

[0022] 2.1取11种作业载荷系数γ值，分别为0、0.1、0.2、…、1.0,用公式ML=γMLmax计算出作业载荷所占用的发动机飞轮力矩；式中MLmax为各定量泵与各变量泵工作在最大载荷时所占用的发动机飞轮力矩的总值；

[0023] 2.2取油门开度α分别为30%、40%、50%、…、100%，将每种油门开度α下的发动机力矩特性曲线减去ML，获得各油门开度α下的发动机净力矩特性曲线；

[0024] 2.3由净力矩特性与传动系匹配后获得具有4个前进挡和3个后退挡的牵引特性曲线，并根据“自动变速获得最优动力性”的原则，从中得到最优I-II挡、II-III挡、III-IV挡，和I'-II'挡、II'-III'挡换挡点；

[0025] 2.4针对步骤2.1中每一种作业载荷系数γ，将步骤2.2和2.3中不同油门开度α下的最优换挡点连成线，获得该作业载荷系数γ下的最优变速特性曲线；对于步骤2.1中所列的11种作业载荷系数γ值，分别有11组这样的最优变速特性曲线，并以全工况最优换挡分布表的形式写入自动换挡控制器10中；

[0026] 3)在进行实际变速控制时，根据步骤2.4中所述的11组最优变速特性曲线，采用插值的方法获得任意作业载荷系数γ和任意油门开度α时的最优换挡点；

[0027] 4)采用系统辨识的方法，根据最优变速特性曲线，直接拟合出最优换挡点速度与作业载荷系数γ、油门开度α的函数关系，即全工况最优换挡函数，并将此函数写入自动换挡控制器10中进行自动变速控制。

[0028] 在步骤4)所述的最优换挡点速度的基础上，增加一个速度增量Δv，作为升挡时的速度槛值，并在理论最优换挡点速度的基础上减少速度增量Δv，作为降挡点速度槛值。

[0029] 采用本发明可使作业车辆的传动系载荷波动变小、燃油效率提高、主要零部件寿命延长、动力性与经济性变好、并使环境污染减少，本发明可广泛适用于各种自行式工程车辆、矿用车辆、农用车辆、军用车辆的自动变速。

附图说明

[0030] 图1是作业车辆三参数自动变系统结构示意图

[0031] 图2是作业载荷系数γ、油门开度α时的发动机与变矩器共同输入特性曲线[0032] 图3是作业载荷系数γ、油门开度α时的作业车辆的牵引特性曲线[0033] 图4是作业载荷系数γ时的最优挡位特性曲线

[0034] 其中：1.发动机2.油门踏板3.转角传感器4.飞轮5.液力变矩器6.变速箱7.车速传感器8.中央差速器9.终传动10.自动变速控制器11.换挡控制阀

[0035] P11…P1m--m个定量泵；P21…P2n--n个变量泵；G11…G1m--定量泵从飞轮取力的齿轮；G21…G2n--变量泵从飞轮取力的齿轮；S11…S1m--测量定量泵出口压力的传感器；S21…S2n--测量变量泵出口压力的传感器；A21…A2n--测量变量泵变量角的转角传感器；L11…L1m--由定量泵驱动的作业装置；L21…L2n--由变量泵驱动的作业装置。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图说明实施例

[0037] （1）系统组建

[0038] 如图1中实线所示，假设某作业车辆的主传动系统由发动机1、液力变矩器5、变速箱6，中央差速器8、终传动9构成，其中变速箱6具有4个前进挡（I、II、III、IV挡），和3个后退挡（I'、II'、III'挡）。作业装置的传动系统由1个齿轮定量泵B11、1个柱塞变量泵B21及其驱动的作业装置L11、L21组成。

[0039] 自动变速系统需要安装的传感器包括：与油门踏板2的转轴相连的转角传感器3，车速传感器7，定量泵出口压力的传感器S11、变量泵出口的压力传感器S21以及变量角传感器A21。

[0040] 各传感器测得的模拟信号与脉冲信号均输入到自动变速控制器10中，自动变速控制器10发出的换挡控制信号传到换挡控制阀11完成换挡动作。

[0041] （2）作业载荷系数测算方法

[0042] ①测算定量泵占用的发动机飞轮力矩。若测得定量泵的出口压力值为P11，则定量泵工作时占用的发动机飞轮力矩由下式计算：

[0043] M11＝K11P11

[0044] 其中：系数K11通过标定获得；或通过计算获得，其计算公式为其中q11为定量泵的排量，i11为飞轮轴到定量泵轴的传动比，η11为定量泵总传动效率。

[0045] ②计算变量泵占用的发动机飞轮力矩。若测得的变量泵出口压力值为P21、变量角为β1，则变量泵占用的发动机输出力矩可由下式计算：

[0046] M21＝K21P21tanβ1

[0047] 其中：系数K21通过标定获得；或通过计算获得，其计算公式为K21＝125i21d2RZη21，其中i21为从飞轮轴到变量泵轴的传动比，d为变量泵的柱塞直径，R为柱塞中心分布圆直径，Z为柱塞数目，η21为变量泵总传动效率。

[0048] ③作业载荷系数计算。

[0049] 定义作业载荷系数的计算如下公式，其取值处于0～1之间。

[0050]

[0051] 其中：MLmax＝M11max+M21max为最大作业载荷时占用的发动机飞轮力矩；

[0052] ML＝M11+M21为当前作业载荷时占用的发动机飞轮力矩。

[0053] （3）绘制自动变速特性曲线

[0054] ①取作业载荷系数γ分别为0,0.1,0.2,…,1.0,用公式ML=γMLmax计算出作业载荷所占用的发动机飞轮力矩。并分别做如下工作②。

[0055] ②取油门开度α分别为30%（设为怠速油门）、40%、50%、…、100%，如图2所示，将每种油门开度α下的发动机力矩特性曲线减去ML，再进行传动系匹配，最后获得如图3所示的具有4个前进挡和3个后退挡的牵引特性曲线，并根据“自动变速获得最优动力性”的原则，从中得到最优I-II挡换挡点PI-II、最优II-III挡换挡点PII-III、最优III-IV挡换挡点PIII-IV，和最优I'-II'挡换挡点PI'-II'、最优II'-III'挡换挡点PII'-III'。

[0056] ③针对①中每一种作业载荷系数γ，将②中不同油门开度α下的最优换挡点连成线，如图4中点划线所示，它是该作业载荷系数γ下的最优变速特性曲线。对于①中所列的11种γ值，分别有11组这样的曲线。为了实际控制时的方便，必须能够求出任意γ值下的最优变速特性曲线。在进行实际变速控制时，可以根据这11条曲线采用插值的方法获得任意γ和任意油门开度α时的最优换挡点。除此之外，还可以采用系统辨识的方法根据这11条曲线直接拟合出最优换挡点速度与γ，α的函数关系，并将该函数写入控制器中进行自动变速控制。

[0057] ④为了防止换挡循环，从低挡升到高挡的速度与从高挡降低挡的速度通常采用不同的数值。在实际自动变速控制过程中，可以在上步③计算出的理论最换挡点速度的基础上增加一个速度增量Δv，作为升挡时的速度槛值，和在理论最换挡点速度的基础上减少Δv，作为降挡点速度槛值，来避免换挡循环。由理论换挡点曲线做出的作业载荷系数γ时的升挡特性曲线、降挡特性曲线如图4中的粗实线和虚线所示。

[0058] （4）自动变速工作过程描述

[0059] 采用数字控制器进行自动变速控制时，首先在每个采样周期到来时，分别测量油门开度α，车速v及作业载荷系数γ的数值。然后依照测得的作业载荷系数γ与油门开度α值，根据前面（3）中介绍的方法求出当前挡位的升挡车速与降挡车速，如果当前车速大于升挡车速且当前挡不是最高挡则升一档，如果当前车速小于降挡车速且当前挡不是最低挡，则降一挡，除此之外，则不必换挡。

[0060] 本发明所提供的三参数自动变速技术，因充分考虑了作业载荷连续、大幅度变化对最优挡位特性的影响，与现有作业车辆自动变速技术相比，可有效降低传动系统的载荷波动，提高燃油效率和主要零部件寿命、较好地改善车辆的动力性与经济性、并有效减少对环境污染。

[0061] 本发明包括下列步骤：

[0062] 1)将车速v、油门开度α和作业载荷系数γ作为作业车辆自动变速的参数；其中：车速v可以通过车速传感器7来测量，它装于变速箱6上，多为脉冲信号；油门开度α的测量，可以用转角度感器3通过测量门踏板2的转角得到。作业载荷系数γ是一个能衡量作业载荷大小的参数，由下列步骤获得：

[0063] 由于作业装置通常使用液压传动，不同用途、不同压力的工作泵P11…P1m,P21…P2n通过固定的齿轮组G11…G1m,G21…G2n从发动机飞轮取力，

[0064] 1.1对于定量泵，只要用压力传感器S11…S1m检测出其出口压力，计算出定量泵工作时占用的发动机飞轮力矩：

[0065] M1i＝K1iP1i

[0066] 式中的系数K1i通过试验标定获得，或通过下列公式计算获得：

[0067]

[0068] 其中：i=1,2,…，m，为定量泵的个数，q1i为定量泵的排量，i1i为飞轮轴到定量泵轴的传动比，η1i为定量泵总传动效率；

[0069] 1.2对于变量泵，只需要用压力传感器S21…S2n和转角传感器A21…A2n测量出其口压力及变量角，计算出变量泵工作时占用的发动机飞轮力矩：

[0070] M2i＝K2iP2itanβi

[0071] 式中的系数K2i通过标定获得，或通过下列公式计算获得：

[0072] K2i＝125i2id2RZη2i

[0073] 其中：i=1,2,……n，为变量泵的个数，i2i为从飞轮轴到变量泵轴的传动比，d为变量泵的柱塞直径，R为柱塞中心分布圆直径，Z为柱塞数目，η2i为变量泵总传动效率；

[0074] 1.3作业载荷系数γ通过下式计算：

[0075]

[0076] 式中：M1i为第i个定量泵工作时占用的发动机飞轮力矩；M2i为第i个变量泵占用的发动机飞轮力矩；M1imax与M2imax是各定量泵与各变量泵工作在最大载荷时所占用的发动机飞轮力矩，k为一常数；

[0077] 2)针对不同油门开度α、车速v和作业载荷系数γ所决定的工况，离线匹配，获得全工况最优换挡分布表，包括下列步骤：

[0078] 2.1取11种作业载荷系数γ值，分别为0、0.1、0.2、…、1.0,用公式ML=γMLmax计算出发动机克服作业载荷所消耗的飞轮力矩；

[0079] 2.2取油门开度α分别为30%、40%、50%、…、100%，将每种油门开度α下的发动机力矩特性曲线减去ML，获得各油门开度α下发动机用于行驶的净力矩特性曲线；

[0080] 2.3由净力矩特性与传动系匹配后获得具有4个前进挡和3个后退挡的牵引特性曲线，并根据“自动变速获得最优动力性”的原则，从中得到最优I-II挡、II-III挡、III-IV挡，和I'-II'挡、II'-III'挡换挡点；

[0081] 2.4针对步骤2.1中每一种作业载荷系数γ，将步骤2.2和2.3中不同油门开度α下的最优换挡点连成线，获得该作业载荷系数γ下的最优变速特性曲线；对于步骤2.1中所列的11种作业载荷系数γ值，分别有11组这样的最优变速特性曲线，因使用微处理器在线进行匹配计算确定最优换挡点比较困难，我们可以针对不同油门、车速及“作业载荷系数”所决定的工况，离线匹配获得全工况最优档位分布表，写入自动换挡控制10器中；

[0082] 3)在进行实际变速控制时，根据步骤2.4中所述的11组最优变速特性曲线，采用插值的方法获得任意作业载荷系数γ和任意油门开度α时的最优换挡点；

[0083] 4)采用系统辨识的方法，根据最优变速特性曲线，离线拟合出最优换挡点速度与作业载荷系数γ，油门开度α的函数关系，并将此函数写入自动换挡控制器10中进行自动变速控制。

[0084] 为了防止换挡循环，从低挡升到高挡的速度与从高挡降低挡的速度通常采用不同的数值。作业车辆三参数自动变速控制方法，在最优换挡点速度的基础上，增加一个速度增量Δv，作为升挡时的速度槛值，并在理论最优换挡点速度的基础上减少速度增量Δv，作为降挡点速度槛值。

[0085] 本发明所提供的三参数自动变速技术，因充分考虑了作业载荷连续、大幅度变化对最优挡位特性的影响，与现有作业车辆自动变速技术相比，可有效降低传动系统的载荷波动，提高燃油效率和主要零部件寿命、较好地改善车辆的动力性与经济性、并有效减少对环境污染。

标题	发布/更新时间	阅读量
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