提高燃油经济性的拖拉机变速控制策略

张明柱，王界中，王建华，郭占正，郭富强，席志强，许家俊

提高燃油经济性的拖拉机变速控制策略

张明柱1,3，王界中1，王建华4，郭占正2，郭富强4，席志强2，许家俊1

（1. 河南科技大学机电工程学院，洛阳 471003； 2. 河南科技大学车辆与交通工程学院，洛阳 471003；3. 机械装备先进制造河南省协同创新中心，洛阳 471003； 4. 拖拉机动力系统国家重点实验室，洛阳 471039）

为实现对液压机械无级变速拖拉机的最佳燃油经济性控制，分析发动机及液压机械无级变速器（hydro-mechanical continuously variable transmission, HMCVT）对拖拉机燃油经济性的影响，研究拖拉机最佳燃油经济性无级变速控制策略，该文针对发动机和HMCVT二元调节无级变速拖拉机，分析了发动机燃油消耗率和变速器的效率变化特性，提出了以发动机有效燃油消耗率g与HMCVT传动效率η的比值g/η为指标的最佳燃油经济性无级变速控制策略及拖拉机负载反馈控制原理。采用参数循环算法，求算出拖拉机在负载特性场内任意工作点下的最佳发动机转速、转矩、HMCVT的最佳变速比，保证了二元协同调节下拖拉机最佳燃油经济性变速控制策略的工程实现。计算结果显示：最佳变速比的分布呈现梯田状，平台部分的最佳变速比对应HMCVT纯机械传动时的工作状态，此时HMCVT处于传动效率最高点，并且在变速器传动效率高于0.92的工作区，最佳变速比的分布比例高达72.84%。相比较一元调节下分别以g、g/η为指标、二元调节下以g为指标的3种变速控制策略，明显降低了拖拉机燃油消耗率。牵引功率范围内，当拖拉机在某一目标车速下稳定工作时，在基于g/η最小化的二元调节变速控制策略调控下，拖拉机更可能在较低油耗状态下工作。表明以g/η为指标的二元调节拖拉机最佳燃油经济性变速控制策略能够提高拖拉机在任意工况下的燃油经济性。

拖拉机；传动；燃油经济性；液压机械无级变速器；无级变速控制策略

0 引 言

液压机械无级变速器（hydro-mechanical continuously variable transmission，HMCVT）具备传递功率大、无级调速范围宽等优点，在农业机械、工程机械和军工设备上获得了广泛的应用[1-3]。伴随着农业机械化进程的加快，农业机械的保有量越来越大，农业机械的燃油经济性成为人们关注的热点[4-5]。

保障拖拉机燃油经济性是拖拉机作业的基本要求，燃油经济性作为主要的控制目标，在车辆传动控制系统的研究中，常用于变速控制策略的制定。郝允志等以金属带式无级变速器为研究对象，提出以无级变速传动系统整体效率最佳为优化目标的最佳燃油经济性变速控制策略[6]。倪向东等调控HMCVT使发动机工作在同功率下最小燃油消耗率点，提高燃油经济性[7]。何仁等在变速控制策略中引入驾驶员意图指数，使发动机沿着燃油经济性或动力性曲线工作，兼顾多种不同模式，体现驾驶意图[8]。Ahn等基于试验得到了具有较高传动系统总效率的发动机—HMCVT最优工作线，提高整机效率[9]。Caterpillar公司提出发动机与HMCVT协同调控无级变速控制策略，当发动机在限定的转速区间内工作时，调控马达转速为零，保证HMCVT传动效率最高。当发动机转速超出限定区间时，调控马达转速使发动机转速回归限定范围，协同优化了整机效率[10]。目前，国内对燃油经济性无级变速控制策略的研究多针对金属带式无级变速器，且多以发动机作为主要优化目标，对变速器传动效率变化的影响考虑较少；国外对HMCVT变速控制策略研究相对成熟，但公开的资料较少。完善HMCVT燃油经济性变速控制策略理论研究，对提高中国液压机械无级调速的研究水平具有重要意义。

HMCVT的传动效率在不同变速比下、在发动机的不同工作点下，存在较大差异[11-13]。本文以发动机、HMCVT二元协同调节无级变速拖拉机为研究对象，结合发动机有效燃油消耗率及HMCVT传动效率存在较大差异的特点，确定以发动机燃油消耗率g与HMCVT传动效率η之比g/η为最佳燃油经济性指标，研究拖拉机动力传动系统整体燃油经济性最佳的变速控制策略及负载反馈控制原理；开发参数循环算法，求算拖拉机任意工作点下的最佳发动机转速、转矩、HMCVT的最佳变速比。保证拖拉机能够在最大功率范围内，在任意目标车速下稳定行驶，提高燃油经济性。

1 二元调节的燃油经济性指标

拖拉机燃油经济性指标主要包括小时油耗量和拖拉机燃油消耗率g[13]，其中g体现拖拉机有效输出功率与燃油消耗率的关系。在任意牵引工况下，拖拉机实际燃油消耗率为

式中g为发动机有效燃油消耗率，g/(kW·h)；η为拖拉机传动系统总效率。

当拖拉机作业时，希望得到最小的发动机有效燃油消耗率和最大的传动效率，从而得到最小的拖拉机燃油消耗率，达到最佳燃油经济性的要求。

1.1 传动系统效率

液压机械无级变速拖拉机传动系统主要由HMCVT、中央传动系统、行走机构、负载系统组成。动力由发动机输出后，经拖拉机传动系统，最终作用于地面牵引负载[14-15]。传动过程中，功率损耗出现在传动系统的每一部分，拖拉机传动系统效率为

式中η为拖拉机传动系统总效率；η为HMCVT传动效率；η为中央传动和最终传动总效率；η为履带式拖拉机履带驱动区段的传动效率（轮式拖拉机不存在该部分损失）；η为拖拉机行驶滚动效率；η为滑转效率。

故g可以表示为

式中η、η通常认为是常数；η、η主要与牵引力P有关[16-18]，取决于地面属性和牵引负载。针对发动机、HMCVT二元调节拖拉机，确定工况下，地面属性和牵引负载不能改变，无法通过调节变速比和发动机工作点改变η、η。而HMCVT传动效率η随着变速比的不同有较大的变化。因此，在研究拖拉机燃油经济性变速控制策略时，主要考虑HMCVT传动效率η的变化，使g/η最小化，g也能最小化，从而提高拖拉机的燃油经济性。

1.2 发动机燃油消耗率

以LR6105ZT10型柴油发动机为例，发动机额定功率为110kW，文献[19]对该发动机有效燃油消耗率数值模型进行了详细描述，如图1所示。

图1 发动机有效燃油消耗率变化曲面

Fig1 Variable surface of brake specific fuel consumption

图示表明发动机有效燃油消耗率g在发动机输出特性场中的变化较大，在研究拖拉机燃油经济性时，需要定量分析和计算g。

1.3 HMCVT传动效率

HMCVT传动效率的影响因素很多，当传递的功率和速度变化范围较大时，结构性功率循环和液压路效率是影响HMCVT传动效率的主要因素。本文采用啮合功率法计算HMCVT传动效率η[2,20-24]，并以图2所示HMCVT为例[25]。

注：C1~C8为离合器编号；i1~i9为外啮合齿轮副传动比；ωe为发动机转速，r·min-1；ωb为HMCVT输出轴转速，r·min-1；Ⅰ~Ⅴ为轴编号。

计算可知，HMCVT传动效率η与HMCVT变速比i、发动机转速ω、转矩T具有函数关系，简记为

发动机的工作点在不同区域时，HMCVT的传动效率变化如图3所示。

图3a中，将发动机特性场均分为9个区域，以每个区域的中心点表示该区域发动机转速转矩的均值，求得的HMCVT传动效率如图3b所示。观察可知发动机、HMCVT在不同的工作点下，η存在较大差异。

综上所述，当拖拉机的牵引工况改变时，发动机、HMCVT的工作点发生改变。此时，g、η变化较大。针对发动机和变速器二元调节拖拉机，调节发动机工作点和变速比使g/η最小，可实现拖拉机整机燃油经济性最佳，因此以g/η作为燃油经济性指标制定变速控制策略是合理的。

2 以ge/ηb为指标的无级变速控制策略及控制原理

使用变速控制策略调控拖拉机时，需要可靠的控制参数及合理的控制原理[26-28]。发动机、变速器二元协同调节的最佳燃油经济性变速控制策略，是在最大牵引功率范围内，拖拉机在任意牵引负载和车速下，调节发动机工作点、变速器变速比，使g/η最小，实现拖拉机燃油经济性最佳，稳定拖拉机行驶速度。

2.1 变速控制策略

要求拖拉机在最大功率范围内，在任意目标车速下稳定行驶，保证拖拉机在最佳燃油经济性条件下工作。在确定HMCVT无级变速控制策略时，应实现：1）g/η最小；2）车速稳定，变速控制策略中特性场转化关系如图4所示。

注：Tb为HMCVT输出轴转矩，N·m；v为目标车速，km·h-1；vl为理论车速，km·h-1；PT为牵引力，kN；Pq为驱动力，kN；ibtop为最佳变速比；ge为发动机有效燃油消耗率，ηb为HMCVT传动效率。

拖拉机作业时，在负载特性场（-P）内，由拖拉机的目标车速和牵引力P，确定拖拉机实际工作点（，P）；结合滑转率计算拖拉机的理论行驶速度v[29]，进而在变速器输出特性场内确定HMCVT工作点（ω，T）；根据该点，求解使g/η最小的HMCVT最佳变速比i和发动机转速ω、转矩T。据此调控变速器与发动机，实现二元调节下的拖拉机最佳燃油经济性无级变速。

依据g/η最小化原则及拖拉机燃油经济性的综合影响因素，提出目标函数，如式（5）所示。

目标函数约束条件为

式中ωmin、ωmax分别为发动机怠速和最高空载转速，r/min；Tlim为发动机限定转矩，N·m。取转矩储备系数为1.2，即Tlim=Tmax/1.2，Tmax为发动机最大转矩，N·m；imin、imax为HMCVT的变速比上下限；Nmax为发动机最大功率，kW。

当目标车速确定后，在拖拉机最大功率范围内，牵引工况变化时，由目标函数，求解最佳变速比i、发动机最佳转速ω、转矩T，调控HMCVT变速比与发动机工作点，使拖拉机工作在g/η最小的位置，保证拖拉机燃油经济性。这种以g/η作为指标，调控发动机工作点、HMCVT变速比的原则，构成了以g/η为指标的无级变速控制策略。

2.2 负载反馈控制原理

最佳燃油经济性变速控制策略在工程应用中的控制原理如图5所示，以发动机实际转矩T、HMCVT实际变速比i作为输入信号计算牵引力P；以目标车速、滑转率作为输入信号计算拖拉机理论车速v，确定拖拉机负载特性场工作点（v，P）；由g/η最小，确定拖拉机在该负载下的发动机指令转速ωaim、指令转矩Taim、变速器最佳变速比i，并作为控制信号调控发动机及HMCVT。保证拖拉机的燃油经济性的同时，使拖拉机能够按照给定的目标车速稳定行驶。

目标车速由驾驶员通过手油门或脚油门给定。对于悬挂部分安装有牵引力传感器的拖拉机，也可以直接测量牵引力P，并计算实际滑转率；反之，变速控制器可从拖拉机总线获取发动机ECU提供的实际转速、转矩，再计算出牵引力和滑转率。

按照这种变速控制策略和负载反馈控制原理控制发动机和变速器时，需要依据发动机有效燃油消耗率g与HMCVT传动效率η因素，在负载特性场的每一点求解一组最佳控制参数：发动机转速和转矩、HMCVT变速比。在实际变速控制中，基于拖拉机牵引负载的变化进行实时调节。在闭环控制中从前一工作点（发动机转速转矩、变速器变速比）到新的工作点转移，包括了g与η变化产生的影响。因此g与η各自无需作为独立反馈控制变量参与控制，从而减少了控制变量数，也降低了控制复杂性。

图5 控制原理

3 最佳发动机工作点及变速比求算

拖拉机工作在负载特性场内任意点时，以g/η为指标均可计算得到一组最佳发动机工作点及最佳变速比i，满足g/η最小的要求，实现燃油经济性最佳。

3.1 控制参数的循环求算法

以牵引负载、目标车速、变速器变速比作为输入变量，以发动机最佳工作点对应的转速转矩（ω，T）及变速器的最佳变速比i为控制参数，采用循环求算法计算控制参数。计算步骤如下：

1）离散处理目标车速、牵引力、变速比i

2）当=1，=1时，将式（9）带入下式求解发动机转速ω、转矩T。

式中为地面摩擦系数；r为拖拉机驱动轮半径，m；i为拖拉机中央传动和最终传动总传动比；为地面滑转率。

3）由式（4）可知，HMCVT传动效率η可离散为式（12）所示对角矩阵。

4）由目标函数式（5）知，g/η可由式（13）计算

运算结果中，在满足输出功率要求的前提下，最小非零元素所对应的发动机转速、转矩及变速比，即为该负载（1，1）下拖拉机的最佳控制参数。

式（11）中为地面滑转率，与牵引力P有关。滑转率采用以下模型表达[13]

式中max为最大牵引系数，牵引系数定义为=P/Y，Y为驱动轮垂直反力，kN；为无因系数，可由表1选取。

表1 jTmax、A、B值

注：max为最大牵引系数；为无因系数。

Note:maxis the maximum traction coefficient;andare coefficients.

文献[30]提出带噪声观测器的变结构并行自适应数据融合算法，并进行了试验验证。实现了拖拉机驱动轮滑转率的在线精确估计。

3.2 负载特性场下的最佳控制参数

以东方红1302R拖拉机为应用对象，搭载图2所示HMCVT，前进方向包含6段液压机械无级调速，动力源为LR6105ZT10型柴油发动机。拖拉机标定最大牵引力56 kN，行驶速度−10～35 km/h。

在负载特性场中计算得出的最佳速比、发动机转速转矩控制参数如图6所示。

由图6a可知，最佳变速比i的分布呈现梯田状，平台部分的最佳变速比i对应HMCVT纯机械传动时的工作状态，此时HMCVT处于效率最高点。根据图6所示的计算结果，结合工程应用控制原理，即可实现拖拉机燃油经济性最佳。

图6 最佳控制参数计算结果

4 以ge/ηb为指标的无级变速控制策略调控效果

分析在该变速控制策略调控下HMCVT传动效率分布；对比其他变速控制策略，验证以g/η为指标的无级变速控制策略的燃油经济性。

4.1 HMCVT实际工作点的传动效率分布

在以g/η为指标的二元调节无级变速控制策略调控下，由图6a的最佳变速比分布，统计HMCVT在不同调速段、不同传动效率区间内最佳变速比i的分布率如图7所示。S1、S2调速段传动链较长，HMCVT传动效率相对较低，故以0.92为界划分高低效率区；其他调速段传动效率较高，以0.94为界划分高低效率区。

注：S1~S6代表HMCVT的不同调速段。折线表示发动机在额定点工作时，在整个调速区间内HMCVT的传动效率变化。填充部分表示HMCVT高、低效率区间内最佳变速比的分布率。

图7表明，在HMCVT传动效率大于0.94的高效率区段，i的分布比例为54.16%；全部变速区段，在变速器高效工作区，i的分布比例为72.84%；综上，在该变速控制策略调控下HMCVT主要集中在高效率区工作。

4.2 变速控制策略的燃油经济性比较

为了验证以g/η为指标的二元调节无级变速控制策略的燃油经济性。如表2所示，列举4种变速控制策略对比燃油经济性，其中变速控制策略4即为本文所主要描述的以g/η为指标的二元调节无级变速控制策略，变速控制策略1、2为一元调节下分别以g、g/η为指标的无级变速控制策略，变速控制策略3为二元调节下以g为指标的无级变速控制策略。

表2 4种变速控制策略

拖拉机燃油经济性指标g作为主要燃油经济性指标，与g/η成正比。为了方便比较，以g/η作为衡量燃油经济性的比较指标，比较各个变速控制策略的燃油经济性差异。所有变速控制策略均以本文指定的发动机和变速器为控制对象，并在拖拉机负载特性场中的每一点工作。

4.2.1 变速控制策略调控下g/η的比较

图8给出了4种变速控制策略调控下，在负载特性场中的燃油经济性指标g/η的数据分布。由图8可知，在变速控制策略4的调控下，g/η在负载特性场中整体对比较低，而且变化最平缓。说明拖拉机在不同工作点燃油经济性差异最小，更加适合拖拉机负载波动大的工作环境，有利于保证拖拉机燃油经济性。

定量计算变速控制策略1～3与4调控下g/η的差值，如图9所示。

图8 不同变速控制策略下ge/ηb的分布

图9 不同变速控制策略的ge/ηb差值分布

图9a和9b中，几乎在负载特性场内的每一点，g/η差值均大于0，表明变速控制策略4的二元调节具有更好的燃油经济性。图9c中，在负载特性场内90.04%的工作区g/η差值大于0；在牵引负载大于50.37 kN，目标车速小于2.39 km/h内的非主要工作区域g/η差值等于0，表明以g/η作为指标的二元调节有更好的燃油经济性。综上，变速控制策略4能够实现燃油经济性最佳。

4.2.2 不同变速控制策略调控下g/η的分布比例

在不同变速控制策略调控下，不同区间的g/η值在负载特性场中的分布比例如图10所示。为方便比较，将g/η划分为g/η≤260 g/(kW·h)的低油耗区，g/η>260 g/(kW·h)的高油耗区。

图10 不同变速控制策略下ge/ηb的分布比例对比

由图10可知，变速控制策略3、4的g/η值主要分布于220～280 g/(kW·h)的区域，但变速控制策略4更集中分布于低油耗区；变速控制策略1、2为一元调节，在高油耗区内g/η的分布比例相对较大，燃油经济性差。

变速控制策略4的调节下，低油耗区g/η分布比例，分别为变速控制策略1、2、3调节下同区分布比例的3.17、1.32、1.24倍。综上，牵引功率范围内，当拖拉机在某一目标车速下稳定工作时，在变速控制策略4调控下，拖拉机更可能在较低油耗状态下工作，保证拖拉机燃油经济性。

5 结论与讨论

根据拖拉机复杂的工作环境、发动机有效燃油消耗率和HMCVT传动效率差异大的特征，提出基于g/η最小化的液压机械无级变速控制策略，实现拖拉机整机燃油经济性最佳。阐述了拖拉机在任意牵引工况下，调节发动机转速、转矩及HMCVT变速比，控制拖拉机在燃油经济性指标下工作的控制原理。计算了负载特性场内每个工作点的最佳控制参数，保证了二元协同调节下拖拉机最佳燃油经济性变速控制策略工程实现。相比较一元调节下以g、g/η为指标及二元调节下以g为指标的变速控制策略，以g/η为指标的二元调节变速控制策略燃油经济性更佳。结合文中提出的负载反馈控制原理，保证拖拉机可在给定的目标车速下稳定行驶。

本文的研究内容为拖拉机工程控制策略的制定和实现奠定了基础。现有的大功率HMCVT试验台架，采用了电动机作动力源，不能直接测量燃油消耗量。实际燃油消耗量和变速控制策略执行效果，还有待完善拖拉机控制系统后，进行田间作业验证。

[1]张明柱，周志立，徐立友，等．农业拖拉机用多段液压机械无级变速器设计[J]. 农业工程学报，2003，19(6)：118－121.

Zhang Mingzhu, Zhou Zhili, Xu Liyou, et al. Design of a multi-range hydrostatic mechanical transmission for farm tractors[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(6): 118－121. (in Chinese with English abstract)

[2]张明柱. 拖拉机多段液压机械无级变速器控制策略研究[D]. 西安：西安理工大学，2007.

Zhang Mingzhu. Control Strategy Development for Multirange Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission Tractors [D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2007. (in Chinese with English abstract)

[3]Xia Yu, Sun Dongye. Characteristic analysis on a new hydro- mechanical continuously variable transmission system[J]. Mechanism and Machine Theory, 2018, 126: 457－467.

[4]Li Baogang, Sun Dongye, Hu Minghui, et al. Research on economic comprehensive control strategies of tractor-planter combinations in planting, including gear-shift and cruise control[J]. Energies, 2018, 11(3): 686－707.

[5]葛蕴珊，刘红坤，丁焰. 联合收割机排放和油耗特性的试验研究[J]. 农业工程学报，2013，29(19)：41－47.

Ge Yunshan, Liu Hongkun, Ding Yan, et al. Experimental study on characteristics of emissions and fuel consumption for combines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(19): 41－47. (in Chinese with English abstract)

[6]郝允志，孙冬野. 无级变速传动系统整体优化控制策略[J]. 机械工程学报，2013，49(12)：84－91.

Hao Yunzhi, Sun Dongye. Overall optimization control strategy of continuously variable transmission system[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(12): 84－91. (in Chinese with English abstract)

[7]倪向东，朱思洪，欧阳大业，等. 拖拉机液压机械无级变速器速比匹配设计与实验[J]. 农业机械学报，2013，44(4)：16－20.

Ni Xiangdong, Zhu Sihong, Ouyang Daye, et al. Design and experiment of hydro-mechanical CVT speed ratio for tractor[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(4): 16－20. (in Chinese with English abstract)

[8]何仁，马承广，张涌，等. 基于驾驶意图的无级变速器目标速比确定方法[J]. 农业机械学报，2013，40(5)：16－20.

He Ren, Ma Chengguang, Zhang Yong, et al. Method to determine target speed ratio of CVT based on driving intention[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery , 2013, 40(5): 16－20. (in Chinese with English abstract)

[9]Ahn S, Choi J, Kim S. Development of an integrated engine-hydro-mechanical transmission control algorithm for a tractor[J], Advances in Mechanical Engineering, 2015, 7(7): 1－18.

[10]Caterpiller Inc. Control strategy for optimizing multi-range hydro-mechanical transmission: 6056657[P]. 2000-05-02.

[11]张迎军. 拖拉机液压机械无级变速传动系统控制策略研[D]. 武汉：武汉理工大学，2007.

Zhang Yingjun. Study on the Control Strategy of Hydro mechanical Continuously Variable Transmission of Tractor[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2007. (in Chinese with English abstract)

[12]张明柱，王全胜，白东洋，等. 基于拖拉机整机效率最大化的液压机械无级变速规律[J]. 农业工程学报，2016，32(21)：74－78.

Zhang Mingzhu, Wang Quansheng, Bai Dongyang, et al. Speed changing law of hydro-mechanical CVT based on maximum efficiency of tractors[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2016, 32(21): 74－78. (in Chinese with English abstract)

[13]翁家昌，赵铨. 拖拉机理论[M]. 北京：农业机械出版社，1981.

[14]Zoz F M, Grisso R D. Traction and tractor performance[C]// 2003 Agricultural Equipment Technology Conference. Louisville: ASAE, 2003.

[15]刘修骥. 车辆传动系统分析[M]. 北京：国防工业出版社，1988.

[16]徐锐良，罗跃辉，徐立友，等. 基于松软路面的滑转率对拖拉机性能的影响[J]. 农机化研究，2014(1)：230－233.

Xu Ruiliang, Luo Yuehui, Xu Liyou, et al. Analysis of wheel slip rate impact on tractor performance base on soft soil[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014(1): 230－233.

[17]罗跃辉. 车辆牵引力、速度与滑转率相关性研究[D]. 洛阳：河南科技大学，2013.

Luo Yuehui. Research on the Relation Between the Vehicle Traction Force, Speed and Slip Ratio[D]. Luoyang: Henan University of Science and Technology, 2013. (in Chinese with English abstract)

[18]Pranav P K, Tewari V K. Automatic wheel slip control system in field operations for 2WD tractors[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2012, 84(6): 1－6.

[19]徐立友. 拖拉机液压机械无级变速器特性研究[D]. 西安：西安理工大学，2007.

Xu Liyou. Study on Characteristics of Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission of Tractor[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2007. (in Chinese with English abstract)

[20]祝昌洪. 液压机械无级变速器的设计与仿真研究[D]. 成都：西南交通大学，2011.

Zhu Changhong. Design and Simulation of Hydro- mechanical Continuously Variable Transmission[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[21]马从谦，陈自修，张文照. 渐开线行星齿轮传动设计[M].北京：机械工业出版社，1987.

[22]周志立，张明柱. 多段液压械无级变速器开发传动方案论证报告[R]. 洛阳：河南科技大学，2002：20－28.

[23]王光明，朱思洪. 拖拉机液压机械无级变速箱效率特性的仿真与实验[J]. 农业工程学报，2013，29(15)：42－48.

Wang Guangming, Zhu Sihong. Simulation and experiment on efficiency characteristics of hydraulic mechanical continuously variable transmission for tractor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE)，2013, 29(15): 42－48. (in Chinese with English abstract)

[24]杨树军，鲍永，范程远. 液压机械全功率换段方法及功率过渡特性[J]. 农业工程学报，2018，34(5)：63－72.

Yang Shujun, Bao Yong, Fan Chengyuan. Full power shift method of hydro-mechanical transmission and powertransition characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2018, 34(5): 63－72. (in Chinese with English abstract)

[25]徐立友，周志立，张明柱，等. 拖拉机液压机械无级变速器设计[J]. 农业机械学报，2006，37(7)：5－8.

Xu Liyou, Zhou Zhili, Zhang Mingzhu, et al. Design of hydro-mechanical continuously variable transmission of tractor[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(7): 5－8.

[26]孔德刚，赵永超，刘立意，等. 大功率农机作业效率与机组合理运用模式的研究[J]. 农业工程学报，2008，24(8)：143－146.

Kong Degang, Zhao Yongchao, Liu Liyi, et al. Investigation of work efficiency of high-power agricultural machinery and reasonable application pattern of tractor-implement units[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2008, 24(8): 143－146. (in Chinese with English abstract)

[27]罗勇. 金属带式无级变速传动系统匹配控制策略研究[D]. 重庆：重庆大学，2010.

Luo Yong. Study on Maching and Controlling of Powertrain System Equipped with Metal Belt Continuously Variable Transmission[D]. Chongqing: Chongqing University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[28]Karbaschian M A, Söffker D. Review and comparison of power management approaches for hybrid vehicles with focus on hydraulic drives[J]. Energies, 2014, 7(6): 3512－3536.

[29]Dwyer M J. The tractive performance of wheeled vehicles[J]. Journal of Terramechanics, 1984, 21: 19－34.

[30]曹青梅，周志立，张明柱. 拖拉机驱动轮滑转率估算法与验证[J]. 农业工程学报，2015，31(23)：35－41.

Cao Qingmei, Zhou Zhili, Zhang Mingzhu, et al. Algorithm and verification for estimating tractor driving wheel slip rate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(23): 35－41. (in Chinese with English abstract)

Speed changing control strategy for improving tractor fuel economy

Zhang Mingzhu1,3, Wang Jiezhong1, Wang Jianhua4, Guo Zhanzheng2, Guo Fuqiang4, Xi Zhiqiang2, Xu Jiajun1

(1.471003,; 2471003,; 3471003,; 4.471003,)

In order to realize the optimal fuel economy of tractors equipped with hydro-mechanical continuously variable transmission (HMCVT), the speed changing control strategy of tractors was studied based on the analysis of the influence of the engine and HMCVT on the tractor’s fuel economy. For the tractors binary adjusted by engine and HMCVT, brake specific fuel consumption and HMCVT transmission efficiency have great changes at different work points. Based on the characteristic, the paper put forward a kind of control strategy of optimal fuel economy which take the ratio of brake specific fuel consumptiongto HMCVT transmission efficiencyηas the index. A load feedback control principle of tractors was designed to ensure stable driving of tractors under any target speed and improve operational quality. The optimal engine speed, torque and HMCVT speed ratio of tractors at any working point in the load characteristic field were calculated by using the parameter cycle algorithm, which ensured the engineering realization of the optimal fuel economic control strategy of tractors under the dual coordinated regulation. The results showed that the distribution of the optimal speed ratio appeared in the form of terraced field. The optimal speed ratio of the platform part corresponded to the working state of the pure mechanical drive of HMCVT. At this time, HMCVT was at the highest efficiency point. The distribution percentage of optimal speed ratio reached 72.84% when transmission efficiency of HMCVT was higher than 0.92, and reached 54.16% when transmission efficiency was higher than 0.94. This meant that HMCVT mainly worked at high-efficiency area under the control strategy of optimal fuel economy. Compared with unary regulation which tookgorg/ηas the index and the binary regulation which takegas the index, the tractor fuel consumption was obviously reduced. The surface ofg/ηwas smoother, which was more suitable for the complex working environment of tractors. Under the control of the optimal strategy of fuel economy, the working point proportion of the low fuel consumption area in the whole load characteristic field was 3.03, 1.27 and 1.20 times as great as the other three speed changing control strategies; while the proportion of high fuel consumption area was 0.183, 0.299 and 0.439 times as few as the other three control strategies. It showed that tractor was more likely to work in lower fuel consumption state, when it worked stably at a certain target speed. The research suggested that the optimal fuel economic speed changing control strategy of tractors withg/ηas the index can improve the fuel economy of tractors under any working condition. The results lay a foundation for the realization of the control strategy of the follow-up engineering and the test verification.

tractor; transmission; fuel economy; hydro-mechanical continuously variable transmission; speed changing control strategy

张明柱，王界中，王建华，郭占正，郭富强，席志强，许家俊. 提高燃油经济性的拖拉机变速控制策略[J]. 农业工程学报，2020，36(1)：82－89.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.010 http://www.tcsae.org

Zhang Mingzhu, Wang Jiezhong, Wang Jianhua, Guo Zhanzheng, Guo Fuqiang, Xi Zhiqiang, Xu Jiajun. Speed changing control strategy for improving tractor fuel economy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 82－89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.010 http://www.tcsae.org

2019-06-12

2019-09-20

国家自然科学基金项目（51375145）；拖拉机动力系统国家重点实验室开放课题（AKT2019001）；河南省高等学校重点科研项目计划资助（18A460002）。

张明柱，教授，博士生导师，研究方向为车辆传动与控制技术。Email：mingzhu@haust.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.010

S219.0

A

1002-6819(2020)-01-0082-08