工程车辆自动换挡规律与控制策略研究

于燕玲，宗望远

（1.湖北工业职业技术学院汽车工程系，湖北 十堰442000；2.华中农业大学工学院，湖北 武汉430070）

1 引言

装载机等重型机械作业过程中频繁的换挡会使运行效率、经济效益和整体稳定性得不到很好的保证。在传统的装载机驱动系统中，柴油机与变矩器的匹配并不能保证两者始终在理想的匹配条件下工作，大大降低了装载机的性能，油耗一直较高。

近年来，自动换挡技术的研究取得了一系列显著的成果。文献［1］提出了节能换挡策略，解决了液压自动变速器效率低下的问题。文献［2］对工程车辆模糊神经网络的块控制和移位策略进行了实验研究。文献［3］提出用智能控制理论来控制工程车辆的自动移位。尤利鹏［4］通过改进电液控制系统的换挡品质控制策略避免换挡过程中产生动力中断，并且减小了换挡滑磨功。文献［5］提出了一种适应装载机多种工况的自动变速技术，保证发动机与变矩器的匹配总处于最佳的工作状态。文献［6］设计了合理的换挡规律和模糊换挡控制器，使液力变矩器效率最优。文献［7］采用动力换挡的方式控制速度挡位和脱桥机构，提高了变速器换挡舒适性、换挡效率和传动效率。

针对目前装载机等工程车自动换挡技术的不足，基于传动系统的换挡规律特性提出了一种能适应装载机各种工作条件的自动换挡方法。采用智能控制算法对自动换挡进行控制，使重型车辆能够快速准确地完成自动换挡，具有重要的研究意义和使用价值。

2 自动换挡系统

2.1 数学模型

工作油泵转矩和功率为［8］：

式中：Q-工作泵的排量；Mp-转矩；p-压力；q-油泵排量；Np-功率；ηm-机械效率。

发动机静态调速特征为：

式中：Mem-最大转矩；ne-转速；α-油门开度。

根据公式（3）即可得到不同开度下柴油机的调速特性曲线，如图1所示。

图1 柴油机调速特性Fig.1 Diesel engine speed regulation characteristics

液力变矩器与发动机匹配时泵轮转矩［9］：

式中：MB-泵轮转矩；ρ-油的密度；D为有效直径。

由最小二乘法拟合得特征方程为：

根据公式（5）和经验参数，即可求解出万有特性的工作点，连接这些工作点得到了转速-转矩特性曲线，如图2所示。

图2 变矩器的输入特性Fig.2 Input Characteristics of The Torque Converter

变速箱模型［10］：

式中：MT-输出转矩；M1、M2-输入和输出转矩；n1、n2-输入和输出转速；nT-涡轮转速。

车辆驱动力［11］：

式中：Me-变矩器泵轮输入转矩；rk-车轮的滚动半径；iz-总传动比；ηz-总传动效率。

道路阻力：

式中：m-质量；θ-道路坡度角；f-滚动阻力系数。

空气阻力：

式中：v-车速；vw-风速；Kw-阻力系数。

车辆的加速阻力：

式中：v-车速；δ-旋转质量转换系数

2.2 仿真建模

根据传动系统的动力学方程，建立了自动换挡系统的仿真模型，如图3所示，仿真所需的输入参数，如表1所示。

图3 仿真系统总体模型Fig.3 Simulation System Overall Model

表1 仿真参数Tab.1 Simulation Parameters

3 自动换挡规律

发动机与变矩器的匹配万有特性曲线如图4所示。其中，虚线为转矩曲线；实线为等油耗率曲线。可以看出，当车辆刚启动时，传动系统（发动机和变矩器）的输出转矩全部要勇于驱动车辆前进，因此传动系统的工作点与发动机的最大转矩点距离较远，输出动能利用率较低，所以启动时的动力经济性不高，油耗率较大。

图4 空载时输入万有特性Fig.4 Enter Universal Characteristics When Empty

工程机械作业时，工作泵需要给变矩器提供传动油来驱动涡轮，会对发动机的输出特性造成一定的影响，分析了工作泵压力分别为6MPa、12MPa和18MPa时下传动系统输入万有特性曲线，如图5所示。

图5 工作油泵压力的影响Fig.5 Effect of Working Pump Pressure

在P=6MPa时，发动机工作在高油耗区；当P=12MPa时，工作区已靠近低油耗区；当油泵压力达到18MPa时，动力系统的额定功率点落在了低油耗区。因此，当工作压力逐渐增大时，传动系统的输出扭矩点慢慢靠近发动机的输出转矩点，发动机功率点和低油耗区逐渐趋近并进入重叠区，所以随着工作油泵压力的增大，发动机与变矩器的匹配性能得到了改善。当油泵的压力大于12MPa时，发动机与变矩器的匹配综合性能最佳，整个传动系统的燃油效率最高，最省油。

工作油泵压力不仅直接影响到发动机与变矩器的工作区域和匹配合理性，也将影响到输出万有特性。研究工作油泵压力为18MPa时的输出万有特性。将功率曲线与等油耗曲线的切点相连接得到了最佳换挡曲线，如图6所示。

图6 P=18MPa时的输出万有特性Fig.6 Output properties at P=18MPa

从传动系统的输出万有特性可以看出，变速器从低挡变为高挡时，最佳的组合动力工作点从点a移动到b点。此时，组合功率的燃料消耗率将降低并且输出功率将提高。如果保持组合动力的输出功率不变，则在变速器挡位变为高挡时减小发动机的开度，工作点将沿着等功率曲线移动到最佳经济曲线上的c点，使其产生相等的功率输出。随着每个点油门和最佳换档点的逐渐变大，传动系统的燃油消耗率逐渐降低。

根据以上仿真结果，制定如下换挡策略：

Ifv＞vup，then非最高挡时升1挡；

Ifv＜vdown，then非最低挡时降1挡；

Ifvdown≤v≤vup，then挡位不变。

控制方案，如图7所示。

图7 自动换挡控制方案Fig.7 Automatic Transmission System Control Scheme

4 试验研究

为了验证换挡策略的有效性，试验台以某工程车辆的液力机械传动系统为基础，试验台原理图如图8所示。在发动机和变速箱输出端安装传感器，进行转速和扭矩的采集。

图8 工程车辆电控系统试验台Fig.8 Test Bed for Electric Control System of Engineering Vehicle

如图9所示，是在油门开度为50%，工作油泵压力为6MPa，经济功率系数为50%的情况下，变速箱自动换挡台架试验曲线。开机后，变速箱的挡位在ECU的控制下逐渐升高，然后又降低到一挡，最后又升高到四挡。在从四挡到一挡再到四挡的过程中，换挡前后的速度变化相对较慢，即加速度略有增加，换挡时间得到了提高，动态性能得到了进一步改善。因此，为了提高工程车辆的经济性和能源效率，驾驶员可以在工作时间允许的情况下选择最佳的经济换挡策略。试验结果表明，换挡前后变速箱的速度变化相对平缓，表明新的动态换挡策略可以缩短换挡时间，提高变速箱在工程车辆运行过程中的动态性能。

图9 最佳动力性换挡曲线Fig.9 Optimal Dynamic Shift Curve

如图10所示，为发动机油门开度70%、工作油泵压力18MPa工作条件下的最佳动力换挡曲线实验结果。变速器的输出速度在整个过程中稳定地变化，而发动机的速度变化很小。试验结果表明在油门开度相同时工作油泵压力增加，发动机转速降低，但是燃油效率得到了提高，因此更省油。对比发现油门开度越大，发动机转速和变速器输出转速均有较大的增加，说明提高油门开度，能改善其动力性。在换挡时变矩器泵轮的转速振动较大，而输出转速的变化是稳定的，加速度几乎是恒定的，换挡延时的影响较小，因此，最优的换挡控制改善了传动系统的动态性能。

图10 最佳动力性换挡曲线Fig.10 Optimal Dynamic Shift Curve

5 结束语

通过建立重型机械传动系统的动力学模型，模拟了重型机械工作时的换挡性能，得到了传动系统的输入和输出万有特性的变化规律，并基于仿真结果提出了考虑经济和动态特性的综合智能换挡策略，开发了一种改进BP神经网络控制的自动换挡控制系统。试验结果表明，组合动力的最优经济换挡策略可以大大提高工程车辆的燃油经济性，降低工作区域油耗率，从而提高了车辆的整体节能效果，验证了最优经济性和动态变换理论的正确性。