（机械电子工程专业论文）基于rbf神经网络控制的工程车辆自动变速系统实验研究.pdf

摘要 工程机械在运行过程中工作条件恶劣，载荷变化大而频繁，驾驶员的工作强度较大， 采用自动变速器可以降低劳动强度，提高工作效率。本文基于d s p 技术以z l 5 0 轮式装 载机为例研究工程车辆自动变速控制理论，设计电子控制实验系统，采用三参数节能换 档规律，兼顾工程车辆的动力性和经济性，用m a t l a b 神经网络工具箱建立r b f 神经网 络模型实现换档规律，采用大量数据训练神经网络模型，通过实验验证自动变速控制实 验系统的可行性。 论文第一章概述工程车辆自动变速技术的主要特点、关键技术及国内外发展现状。 第二章介绍工程车辆动力传动系统的组成，并以z l 5 0 轮式装载机为例介绍各主要部件 的组成、原理及特性。第三章研究工程车辆自动变速系统的换档规律，介绍三参数节能 换档理论及r b f 神经网络的模型原理，提出自动变速控制系统的控制方案。第四章介 绍z l 5 0 轮式装载机电子控制单元的开发，介绍了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片的主要性 能和内部资源，设计了自动变速控制实验电路板，可用于后续的自动变速控制实验。第 五章介绍系统的软件设计，提出了软件设计方案，用模块化设计方式，设计自动变速控 制实验板的软件部分。第六章通过实验检验工程车辆自动变速控制系统的换档规律可行 性，对节能换档规律的r b f 神经网络模型进行训练获得换档策略，在自动变速控制实 验板中以软件形式实现换档规律，对不同的输入条件进行档位决策并进行结论分析。最 后，对本文研究的不足及数据分析误差进行总结。 实验结果表明自动变速实验系统可以根据实时参数及时正确切换档位，验证了使用 r b f 神经网络建立换档规律模型的可行性。 关键词：工程车辆，节能换档规律，d s p ，神经网络 a b s t r a c t a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yc a ni m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y , r e d u c el a b o ri n t e n s i t y d u r i n gt h eh a r s hw o r k i n gc o n d i t i o n sw h e nl o a d i n gc h a n g e sf r e q u e n t l y b a s e do nt h ed s p t e c h n o l o g ya n dz l 5 0s e ta st h ee x a m p l e ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n p r i n c i p l e a n de l e c t r o n i c c o n t r o l l i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m a p p l y i n g t h r e e p a r a m e t e r s a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nr u l e sm a t l a bn e u r a ln e t w o r k sm e t h o di su s e dt oc r e a t eam o d e lo ft h e a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi nr e a l i t i e su n d e rt h ec o n d i t i o no fv e h i c l e s p o w e rp e r f o r m a n c e a n de c o n o m i c a lp e r f o r m a n c e a n dal o to fd a t aa g ea p p l i e dt ot r a i nt h i sm o d e ls ot h a tt h e f e a s i b i l i t yo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nc o n t r o l l i n gs y s t e mc a l lb et e s t e d i nc h a p t e ro n e t h ed e v e l o p m e n tt r e n d so fo v e r s e a s a n di n l a n dv e h i c l e sa u t o m a t i c t r a n s m i s s i o na r ei n t r o d u c e da c c o r d i n gt op h y l o g e n yo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n d t h ea p p l i c a t i o np r o d u c t i o n si nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y i nc h a p t e rt w o ，t h ec o n f i g u r a t i o no f e n g i n e e r i n gv e h i c l e s d r i v i n g t r a n s m i s s i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d i nt h em e a n t i m et h e c o m p o n e n t s ，p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r so fz l 5 0a r ee m p h a s i z e d i nc h a p t e rt h r e e ，t h e s h i f t s c h e d u l ei ss t u d i e d ，a n dt h r e ep a r a m e t e r se n e r g ys a v i n gt r a n s m i s s i o np r i n c i p l ea n dr b f n e u r a ln e t w o r km o d e la r ea p p l i e di na u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m i nc h a p t e rf o u r , z l 5 0 e l e c t r o n i cc o n t r o l l i n gu n i ti sd e v e l o p e d w h e r e i n ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc h i p sa r eu s e dt o d e s i g nt h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mc i r c u i t i nc h a p t e rf i v e ，t h es o f t w a r ed e s i g nt h o u g h t s a r ed i s c u s s e d ，w h i c hi n c l u d e s o f t w a r ed e s i g ns c h e m e s ，u n i td e s i g nm o d e sa n ds oo i l i n c h a p t e rs i x ，a l lt h ed e s i g nm e t h o d si nt h et h e s i sa r ea p p l i e dt ot h ep r a c t i c ef o rt h e i rc h a r a c t e r s t e s t i n g a tl a s t ，t h e e r r o ri nt h ee x p e r i m e n ti ss t u d i e da n dt h ei m p r o v i n gm e t h o d sa l ep u t f o r w a r d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mc a ns h i f tc o r r e c t l ya n dd u l y a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r s ，s ot h a tr b f n e u r a ln e t w o r k sc a l lb ea p p l i e dt oc r e a t et h es h i f t i n g m o d e l k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gv e h i c l e ，e n e r g ys a v i n gs h i f ts c h e d u l e ，d s p , n e u r a ln e t w o r k 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 要亏荔泖7 年a 月髟日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 敝作者繇羡号西泖7 年& 月乒日 导师签名： 弦认孓 - ? 口一 年f c 2 月 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工程车辆自动变速理论的发展及现状 1 1 1 自动变速技术的发展 自动变速器是随着车辆技术及其相关技术的发展而产生的【1 1 。在以往车辆技术近百 年的发展中，大部分汽车使用的是具有多个档位可变换的手动定轴式机械变速器，当路 况或工作情况复杂时，手动换档操作比较频繁。自动变速器的出现减轻了驾驶员的操作 强度，更好的发挥了车辆的性能，汽车的操控性能进入了新的阶段。自动变速器的发展 历史大体上可以分为四个阶段：自动变速前期、液力自动变速阶段、电控自动变速阶段 和智能变速阶段。 1 自动变速前期 1 9 0 4 年出现了离合器和制动器等摩擦元件操纵变速的行星齿轮机构，该机构首先用 于英国w i l s o np i c h e r 汽车上。1 9 0 7 年福特汽车上开始大量使用行星齿轮变速器，它的 出现实现了不切断动力进行的动力换档，并解决了了固定轴式变速器中的同步问题。而 液力耦合器的出现为自动操纵的实现提供了可能，1 9 3 8 年至1 9 4 1 年美国g e n e r a lm o t o r s 和c h r y s l e r 公司采用液力耦合器代替离合器，省去了驾驶时的离合器踏板操作。随后出 现了液力自动变速器的前身，进入了根据双参数( 车速和油门) 信号，用液压逻辑油路 控制的液力自动变速时代【2 1 。 2 液力自动变速阶段 1 9 3 8 年的通用o l d s m o b i l e 车采用了由液力变矩器和行星齿轮变速器组成的液力自 动变速器，控制系统是通过液压系统来实现的，控制信号的产生主要是通过反应油门开 度大小的节气门阀和反应车速高低的速控阀实现，其控制系统是由若干个复杂的液压阀 和油路构成的逻辑控制系统，按照设定的换档规律，控制换档执行机构的动作，从而实 现自动换档。其中代表性的产品有：丰田的a 4 0 系列自动变速器、通用的4 t 6 0 e 、e f 、 c h p e 9 等系列产品。但这种液压系统的控制精度较低，难以适应车辆行驶状况的变化。 3 电控自动变速阶段 1 9 6 9 年法国的雷诺r 1 6 t a 轿车首先使用了电子控制自动变速器，这种自动变速器 第一章绪论 与全液压自动变速器的区别在于自动换档的控制系统是由电脑来实现的，但当时电子技 术不成熟，应用范围较窄，到2 0 世纪8 0 年代末，电子控制逐步实用化，越来越多的自 动变速器采用了电子控制。自动变速器的控制系统包括电控和液控两部分，电控系统由 电脑、各种传感器、电磁阀及控制电路等组成，它将控制换档的参数( 如车速和油门开 度等) 通过传感器转换为电信号输送给电脑，电脑通过处理将换档的信号作用于换档电 磁阀，从而利用液压换档执行机构实现自动换档。由于电脑能存贮和处理多种换档规律， 在改善换档品质控制方面，有明显的优越性，并且与整车的其他控制系统兼容性好，最 终可以实现车辆电子控制系统一体化。 4 智能自动变速阶段 从1 9 9 2 年起，德国的宝马公司陆续推出用于四档和五档自动变速器的自适应控制 系统，能够自动识别驾驶员的类型、环境条件和行驶状况，并对换档规律作出适当调整。 尼桑的e 4 n 7 1 b 自动变速器，采用模糊推理对高速公路坡道进行识别，采取禁止升档 的措施消除循环换档，三菱新型四档自动变速器，将各种输入信息和驾驶员的换档通过 神经网络建立联系，利用神经网络的学习功能，使得车辆能够按照驾驶员意图自动换档。 1 1 2 自动变速器的分类 自动变速器的种类很多，目前主要有液力自动变速器( a t ) 、电控机械式自动变速 器( a m t ) 、无级自动变速器( c v t ) 3 种类型【3 j 。 1 液力自动变速器 液力自动变速器( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，简称a t ) 是将发动机的机械能平稳地传 给车轮的一种液力机械装置【4 1 。它的基本形式是液力变矩器和行星齿轮变速器串联，特 点是结构紧凑、传动平稳、换档冲击小。1 9 4 0 年美国奥兹莫比尔汽车上装上了第一台现 代意义的自动变速器h y d r a m a t i g ，这是一种串联式行星齿轮机构的液力自动变速 器【5 1 。液力变矩器从根本上简化了操纵，它既具有离合器的功能，又使发动机与传动系 之间实现柔性连接，可以在一定的范围内实现无级变速，对外负载有良好的自动调节和 适应性。可与行星齿轮变速器串联，除传递全部发动机功率外，还可与行星齿轮变速器 进行多种方式并联，实现内分流、外分流、混合分流等多向自动变速。1 9 4 8 年到1 9 5 0 年期间，汽车液力传动进入了一个新阶段，出现了可根据车速和油门位置进行自动换档 的自动变速器【6 1 。2 0 世纪9 0 年代以来，大量电子技术的应用，使液力自动变速器电控 2 长安大学硕士学位论文 系统的结构和控制方法日臻完善，控制精度越来越高，控制范围日益扩大，正朝着综合 控制和智能控制的方向发展。首先在自动变速操纵系统上可以根据需要提供不同的控制 模式，选择合理的换档规律；控制系统具有自学习功能：增加了手动换档模式等。其次， 增加档位数能使车辆具有更大的速比范围和更细密的档间速比分配，可以改善车辆动力 性、经济性和排放指标，降低噪声，获得更加平稳的加速能力，减少换档冲击。 2 机械式自动变速器 机械式自动变速器( a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，简称a m t ) 是一种由普通 齿轮式机械变速器组成的有级式机械自动变速器。这种自动变速器主要有三个部分：自 动离合器、齿轮式机械变速器和电子控制系统。机械式变速器的自动控制研究始于2 0 世纪7 0 年代，像早期瑞典s c a n i a 的c a g 系统、美国e a t o n 的s a m t 系统均采用了机 械变速器的半自动操纵方式，其实质是辅助换档系统，即由电子控制系统实现换档，而 换档时刻由驾驶员踩离合器踏板来确定，电子显示器可提示驾驶员何时为最佳的换档时 刻，但他们仍然不能取消离合器踏板，实现传动系的全自动操作。1 9 8 4 年日本i s u z u 公司将名为n a v i 5 的电控机械自动变速器投放市场，这是世界上第一种实用的全自动 机械变速器。继日本之后，美国的f o r d 公司、e a t o n 公司，德国的z f 公司，意大利的 f i a n t 公司相继实现了机械变速器的自动化。研究的重点是自动离合器、换档控制和换 档策略。在日本采用扭矩反馈控制系统后，换档同步控制已臻完美，但离合器的起步控 制和换档规律仍是困扰着a m t 发展的难点，造成离合器磨损加剧、坡道和弯道意外换 档等不良现象。由于离合器的起步和换档操作受到环境因素、车辆运行状态、驾驶者的 意愿等多种因素影响，是一个复杂、多变、开放系统，传统控制理论和方法不能满足要 求，人们开始采用模糊推理的智能方法进行离合器接合、换档策略的模糊控制研究。由 于机械式自动变速器不仅保留了原手动变速器传动效率高、成本低的优点，而且还具有 液力自动变速器自动换档所带来的全部优点，a m t 成为各国研究开发的热点【7 o l 。 3 机械无级式自动变速器 上述两种自动变速器都是有级或分段无级自动变速，机械无级传动变速器 ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，简称c v t ) ，即常称的机械自动无级变速器，它克 服了前面两种自动变速器固有的齿轮传动比不连续和零件数量过多的缺点，具有传动比 连续、传递动力平稳、操纵方便等特点，真正实现了无级变速，早期的机械无级变速器 是通过两个锥体改变接触半径而实现传动比连续变化，但由于接触部分挤压应力太高， 难以进入实用化。后发展成为采用橡胶材料的带传动，又受传动带寿命的影响，无法满 3 第一章绪论 足汽车行驶的需要，德国的p 公司从1 9 5 6 年起，开始研究链传动的c v t ，德国大众 等公司也曾在轿车上装用过这种变速器。到8 0 年代，出现了技术上的突破，橡胶带被 由许多薄钢片穿成的钢带代替，使其与两个锥轮的槽在不同半径上啮合来改变速比。 1 9 8 7 年，福特公司首次在市场上推出装用这种钢带的c v t ，日本富士重工、菲亚特等 公司也已批量投产。从理论上说c v t 可以使发动机始终在其经济转速区域内运行，从 而大幅度改善燃油经济性。但由于c v t 是摩擦传动，与齿轮传动相比效率并不高，从 目前的情况来看，节省燃油1 0 2 0 是可能实现的。此外，c v t 在加速时不需切断动 力，因此，装备c v t 的汽车乘坐舒适，超车加速性能好【1 1 1 5 】。 从最早的电子点火系统到后来的电控燃油喷射系统、电控自动变速器、车辆巡航控 制、电控制动防抱死系统、电控悬架等，随着控制技术的发展，对车辆性能要求的不断 提高，在控制方法和策略中，越来越多的应用了模糊控制技术和神经网络技术。使得换 档控制系统对车辆负载状态、车辆使用参数和使用环境变化的适应更具智能化特征，自 动变速系统也将朝着控制系统智能化和车辆电子一体化的方向发展。 1 1 3 工程车辆自动变速理论的发展 自动变速技术在汽车上的不断发展推动了它在工程车辆上的发展应用。由于工程车 辆的使用条件与使用目的与普通汽车不同，其作业条件与工况环境复杂、多变，驾驶员 需频繁换挡以满足整机动力性要求，同时还要对作业装置进行操纵，劳动强度较大，驾 驶员极易疲劳，且车辆行驶经济性难以保证，实现工程车辆的自动换挡对改善车辆性能、 提高作业效率和减轻驾驶员劳动强度具有重要意义。 1 9 4 5 年，美国通用汽车公司成功推出全世界第一台用于卡车和公共汽车的全自动变 速器，它的出现推动了自动变速技术在工程车辆上的应用【1 6 】。8 0 年代初，工程车辆上 开始采用自动变速技术，主要用于装载机、平地机、叉车和自卸车上1 1 ”。自动变速器在 国外工程车辆上虽早已广泛应用，但我国直到二十世纪九十年代才在一些重大工程车辆 装备上采用了自动变速器，并未自主开发自动变速器，基本上都是使用进口产品。柳州 工程车辆股份有限公司生产的z l 5 0 d 轮式装载机采用和德国z f 公司合资生产的自动变 速器，不仅价格昂贵，而且核心的电控技术仍由德国控制【1 8 】。 此外，由于国产工程车辆的技术性能和国外产品相比差距较大，长期以来我国在能 源、交通、水利等方面的重要工程，如三峡工程中，主要使用进口的工程车辆。随着 4 长安人学硕士学位论文 w t o 的加入，为了提高国产工程车辆的竞争能力，使我国的工程车辆技术在国际上占 有一席之地，必须加强自主研究开发能力的培养，瞄准世界工程车辆的发展趋势，迅速 发展自己的高新技术。由此可见，工程车辆自动变速技术是目前亟待开发与推广的核心 技术，对工程车辆的发展具有深远的历史意义和现实意义【1 9 。2 5 1 。 1 2 工程车辆自动变速的主要特点 工程车辆与汽车相比，作业条件和作业状况复杂，外界负载的变化较大，故工程车 辆自动变速系统多采用液力自动变速器，由于液力变矩器具有良好的适应能力，能减缓 冲击，提高车辆的稳定性和舒适性，实现发动机和传动系之间的柔性连接，所以能较好 的满足工程车辆的工作要求。 但是液力变矩器也存在它自身的缺点，由于采用液力传动，有一定的能量损失；工 作效率低于机械传动机构，燃料消耗较大，所以在工程车辆自动变速系统的研究方面， 应重视提高液力变矩器的效率，综合考虑工程车辆的经济性和动力性。 1 3 工程车辆自动变速的关键技术 工程车辆自动变速系统是一个以换档规律为核心，以换档过程控制与系统可靠性技 术为支撑，通过电子控制系统与换档执行机构的有机的协调配合，高品质地实现车辆换。 档过程自动化，实现方便驾驶的同时保证车辆性能的车辆传动系控制系统【2 6 】。工程车辆 的作业环境和自身原理不同于汽车，自动变速系统的开发有其自身的特点，主要关键技 术有以下几种： 1 换档规律的确定 换档规律就是根据车辆的工作状况和驾驶员意图，根据测得的控制参数按照一定的 原则确定当前所需最佳档位。换档规律可分为两种，一种是传统的根据理论求解方法代 入控制参数即时测得值，通过计算确定当前最佳档位，这种换档规律较简单并容易实现， 但若实际工作环境与理论求解条件差别较大，确定的档位就不能很好的达到目的。另一 种是基于专家系统的换档规律，采用智能控制方法如神经网络控制，智能控制等，通过 对实际工作状态的不断学习，完善自身的换档规律，但在软件实现方面要求较高。 2 换档品质控制 换档品质是指换档过程的平稳程度，评价指标主要是纵向加速度对时间的一阶导数 5 第一章绪论 即冲击度，对车辆零部件的寿命及车辆的工作性能有较大影响，故换档品质的好坏也是 换档规律的一个重要评价指标。 3 仿真技术 自动变速系统开发过程中，影响自动变速系统品质的因素较多，设计过程比较复杂， 采用计算机仿真技术，可以节省开发时间，降低开发成本，提前验证自动变速系统的可 行性，提高实验的精度，及时发现解决问题，避免在实验中出现重大问题而延长产品的 开发周期。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究工程车辆自动变速理论，以z l 5 0 轮式装载机为例选择工程车辆自动变速 的换档策略，设计工程车辆自动变速电子控制单元软硬件，通过实验验证控制算法的可 行性并检验电子控制单元的性能。 6 长安大学硕士学位论文 第二章工程车辆动力传动系统 2 1 工程车辆动力传动系统概述 工程车辆动力传动系统主要分为简单的机械传动系统和液力机械传动系统两大类。 工程车辆工作环境恶劣，简单的机械传动系统中零部件受到的冲击载荷变化大，容易造 成零部件损坏1 2 6 1 。液力机械传动系统在过去的机械传动系统中加入了液力变矩器，液力 变矩器能有效缓冲冲击载荷，在一定范围内有很好的自动变速功能，故目前在工程车辆 上主要采用的是液力机械传动系统。 但液力机械传动系统也有其自身的缺点，即由于液力变矩器存在机械能到热能的能 量损耗，传动效率相对于机械传动系统较低，降低了工作效率。针对此问题应依靠合理 的换档规律提高液力变矩器的效率，从而提高整个动力传动系统的工作效率。 工程车辆的动力传动系统主要由发动机、液力变矩器、变速器、传动轴、驱动桥五 个部分组成。z l 5 0 轮式装载机动力传动系统组成如下图： 5432 1 发动机2 液力变矩器3 变速器4 传动轴5 前驱动桥6 后驱动桥 图2 1z l 5 0 轮式装载机动力传动系统组成示意图 驾驶员通过控制油门开度控制发动机的进气门开度输出不同的转矩，动力进入液力 变矩器和变速箱改变传动比并改变转速和转矩，最终传递给传动轴，带动驱动桥驱动车 轮克服负载，最终实现车辆行驶，下面以z l 5 0 轮式装载机为例分别介绍动力传动系统 的各主要部件的作用及特点。 7 第二章工程车辆动力传动系统 2 2 发动机 发动机的作用是输出动力，大功率发动机能明显提高车辆的动力性。发动机主要分 为汽油发动机和柴油发动机两种。和汽油机相比，柴油发动机动力性和经济性较好，并 且燃油经济性随负载的变化比较平缓，力矩储备大，工程机械大多采用柴油发动机。 2 2 1 发动机的主要特性 发动机的主要特性有速度特性、外特性和调速特性。 ( 1 ) 速度特性是指各项性能指标在各固定油门开度条件下随速度的变化关系；外特 性是指发动机的供油量最大时的速度特性，也称作全负荷特性。 ( 2 ) 外特性能够反映发动机的最大动力性能，即在油门开度最大时发动机输出的动 力性能。 ( 3 ) 调速特性即当调速手柄位置一定时发动机的性能指标随转速或负载变化的关 系。调速器能够根据外界载荷的变化调节供油量使发动机的转速保持稳定。工程车辆发 动机大多采用全程式调速器，故调速特性是工程车辆发动机的主要特性2 7 。们。 2 2 26 3 1 5 型柴油发动机 z l 5 0 轮式装载机采用6 1 3 5 型柴油发动机【3 1 1 ，燃油消耗低，易启动，功率大，为六 缸单列立式四冲程直接喷射式，缸径1 3 5 m m ，动力性良好，力矩储备较大。其外特性及 调速特性如下图：8 叩 彻 ，、咖 如 弓卿 壤3 撕 篓2 0 1 1 簿 1 口 外特性曲线 调速特性曲线 l 咖1 2 0 01 4 0 口1 6 0 01 2 叩2 02 2 0 0 2 4 0 0 发动机转速( r m i n ) 图2 26 1 3 5 k - 9 a 柴油发动机外特性及调速特性图 图中最上方的曲线为发动机的全负荷曲线即外特性曲线，下方接近于直线的是不同 8 长宣戈学焉士拳位曲宣 油门开度下的调速特性曲线。由图可见6 1 3 5 k - g a 柴油发动机的外特性曲线较为平缓。 2 3 液力变矩器 渡力变矩器是一种以液体为工作介质，通过液体的动量矩的变化来传递力矩的传动 装置。液力变矩器可咀提高起步和加速性能，能够随外载荷的变他自动改变其输出的力 矩和转速。碱理工作戴荷冲击，防止车辆过载熄火。延长传动系统霉部件的寿命。提高 工程车辆驾驶的舒适性口。 渡力变矩器输出轴的转速可大于或小于输入轴的转速，两轴的转速比随传递扭矩的 大小而不同能在一定范围内实现无缀变速。当工作载荷增大时输出转速自动下降工 作载葡减小时自动上升，保证发动机的稳定工作。 变矩嚣主要由泵轮、涡轮和导轮三个工作轮组成。液体在工作腔内循环漉动，其中 泵轮与输入轴连接是主动元件；游轮悬浮在变矩嚣内与输出轴相连，是从动元件 导 轮悬浮在泵轮和涡轮之间，通过单向离合器厦导轮轴套固定在变速嚣外壳上。镀力变矩 器结构见下图： 输入轴2 泵轮3 涡转4 导转5 齿轮台6 输出轴 7 液压起动装置8 工作油供应9 工作油返回 田2 3 藏力囊艇螬构圈 发动机启动后，曲轴带动泵轮旋转，因旋转产生的离心力使泵轮叶片间的工作液沿 叶片从内缘向外缭甩出；这部分工作擅既具有随累轮一起转动的四周方向的分速度，又 有冲向涡轮的轴向分速度。这些工作藏冲击涡轮叶片推动涡轮与泵轮同方向转动。输 第二章工程车辆动力传动系统 入轴传来的机械能自动连续地传递给工作腔内的液体，液体流动推动涡轮旋转，将能量 传给输出轴。液力变矩器靠液体与叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩，比机械 变速器效率低，不同于液力耦合器的是它具有固定的导轮，导轮对液体的导流作用使液 力变矩器的输出扭矩可以高于或低于输入扭矩，因而称为液力变矩器p 弘矧。 变矩器除了上述三个主要元件外，有的还装有锁止离合器。锁止离合器位于涡轮前 端，由锁止活塞、减振盘和涡轮传动板等组成。锁止离合器在液压自动操纵系统的控制 下，能在适当的时机进行锁止切换，可以在高速工况下将泵轮与涡轮锁在一起，实现动 力直接传递，提高变矩器的传动效率。 液力变矩器工作时输出扭矩与输入扭矩的比值称为液力变矩器的变矩系数，输出转 速为零时的零速变矩系数通常约为2 - - 6 。 2 3 2y j 3 5 5 型液力变矩器 液力变矩器的特性主要采用以下几种来描述：原始特性，输入特性和外特性。目前 大多数使用原始特性，原始特性反映的是变矩系数k 、泵轮力矩系数锄和液力变矩器 工作效率r 随转速比l 的变化关系。z l 5 0 轮式装载机采用的是v j 3 5 5 型单极单向液力变 矩器。它的原始特性曲线如下图： 铂 3 0 刍 公 一t l o 0 k 图2 4y j a r 5 型液力变矩器原始特性图 由图可知，变矩系数k 随着转速比i 的增大逐渐减小，通常将r 7 5 的部分称做液 力变矩器工作的高效区，其余称为低效区，第三章介绍的节能换档规律，即为以保持液 力变矩器在高效区工作为原则的自动换档规律，通过切换档位改变涡轮的转速，控制泵 1 0 长安大学硕十学位论文 轮和涡轮的转速比，使之保持在与之之间，从而保证液力变矩器的工作点始终在高效 区，提高整个动力传动系统的效率。 2 4 定轴式齿轮变速器 液力变矩器能够传递和增大发动机转矩，但变矩比不大，变速范围不宽，不能满足 工程车辆工作的需要，为了进一步增大扭矩，扩大其变速范围，提高工程车辆的动力性 能，在液力变矩器后面必须有级式齿轮变速器。 变速器的作用是改变转速比，改变液力变矩器输出的转速和转矩。按照传动方式通 常将变速器分为行星齿轮式变速器和定轴式齿轮变速器两大类【3 7 】。其中定轴式齿轮结构 简单、成本较低、维修方便，中小型装载机大多数采用定轴式齿轮变速器。 定轴式齿轮变速器由固定轴线的传动轴、外啮合圆柱齿轮，换档离合器和液压控制 系统等组成，通过换档杆且换档位，不同档位对应于不同齿轮组的啮合，从而改变输出 轴和输入轴的传动比。 z l 5 0 轮式装载机采用4 d 1 8 0 型定轴式齿轮变速器，其传动原理如下图所示： 输入 图2 54 d 1 8 0 型定轴式齿轮变速器传动原理图 口2 口1 出 第二章工程车辆动力传动系统 表： 4 d 1 8 0 型定轴式齿轮变速器有4 个前进档位和4 个后退档位，各档位的传动比如下 表2 14 0 1 8 0 型定轴式齿轮变速器各档位传动比 档位传动比档位传动比 前进1 档4 2 8 7倒退l 档4 1 6 9 前进2 档 2 2 6 3 倒退2 档 2 2 0 1 前进3 档 1 2 3 0 倒退3 档 1 1 9 7 前进4 档0 6 5 l倒退4 档o 6 3 l 2 5 本章小结 本章简要介绍工程车辆动力传动系统的组成及各部分的功能特点，简述发动机的主 要特性、液力变矩器的工作原理和原始特性以及定轴式齿轮变速器的工作原理，介绍了 z l 5 0 轮式装载机采用的发动机、液力变矩器和变速器的型号及主要技术指标。 1 2 长安大学硕上学位论文 第三章工程车辆自动变速系统的换档规律 换档规律是指自动变速器档位随控制参数变化的规律，也就是换档时刻档位与控制 参数之间的关系。换档规律的选择直接影响工程车辆运行的动力性、经济性、工作效率 及对工作环境的适应能力，是自动变速技术中的核心问题。 确定换档规律的方法一般是从车辆作业状况参数( 如车速、牵引力、发动机油门开 度、发动机转速、涡轮转速、泵轮转速、制动力等) 中找到影响档位变化的主要参数， 建立一个包含各主要参数的数学模型，根据数学模型及实时测得的主要参数值确定最佳 换档点。 换档规律的研究主要有以下两个问题： ( 1 ) 控制参数的选择 确定换档规律首先要选择控制参数，控制参数的个数越多越能接近实际的工作状 态，但是也会增加控制系统的复杂性，控制参数的个数过少，则达不到控制系统的要求。 应尽量选择合适的控制参数，如车速、泵轮转速、涡轮转速、油门开度、工作油泵压力、 发动机转速等。 ( 2 ) 最佳换档点的确定 自动变速系统的任务就是根据一定的换档原则及测得的实时控制参数值选择合适 的换档点，换档点的选取方式直接决定了换档规律的优劣，最佳换档点的确定一般先进 行理论分析，再根据实际实验取得的数据进行验证。 3 1 工程车辆自动变速系统的换档规律概述 换档规律是指车辆根据控制参数的变化及工作状态的变化，确定从某一档位自动切 换到另一档位的时刻，完成自动换档的规律。 对于装有自动变速器的车辆，换档时刻的控制是由计算机通过对车辆行驶状态和驾 驶员操作意图的判断来完成的。显然，不同类型的车辆需要不同的换档规律与之配合才 能发挥车辆的性能，换档规律的好坏对车辆性能有着直接的影响。因此，换档规律是研 究开发自动变速控制系统的核心内容。 自动变速技术中关键技术之一是根据预定的某种策略，按照某些目标最优的原则来 确定变速器当前的档位，即档位决策。档位决策是换档规律作用的结果，换档规律是指 1 3 第三章工程车辆自动变速系统的换档规律 车辆各排档间自动换档时刻随控制参数变化的规律，它是自动换档的理论基础，主要研 究选择什么样的控制换档参数，在什么时刻进行换档，它的好坏将直接影响工程车辆的 燃油经济性、动力性和乘坐舒适性的优劣。 工程车辆作为车辆家族中的特殊群体，为了适应低速重载的需要，其主传动系一般 都采用包含液力变矩器的液力机械传动，采用液力机械传动能在一定范围内实现自动无 级变速，使发动机经常在额定的工况下工作，并能防止过载熄火，提高柴油机的功率利 用率。 由于汽车换档注重的是路面加速性能而不是越野牵引性能，而工程车辆主要是在作 业工况下运行，具有低速、重载和载荷急剧变化等特点。所以，如果将汽车的自动变速 技术照抄照搬到工程车辆上，往往无法解决液力变矩器传动效率低的问题，因此还要寻 求新的换档方法。 工程车辆的换档规律一般按照控制参数的个数来划分，目前有单参数换档规律，两 参数换档规律，三参数换档规律和四参数换档规律。 1 单参数换档规律 单参数换档规律一般采用车速作为控制参数，当车速到达固定值时进行升降档位操 作。每个档位有一个换档范围n 。一) n ：，当车速降到n 。时降档，当车速升到n ：时升档， 这是为了保证避免循环换档，产生换档延迟，不会因为在换档临界点时由于油门的小范 围波动或车速的小范围波动而切换回原档位。 由于单参数换档规律的档位决策不受油门开度影响，驾驶员无法根据工作状况干预 换档，现在已经很少采用。 2 两参数换档规律 两参数换档规律通常采用液力变矩器的涡轮转速和泵轮转速作为控制参数，由于液 力变矩器的效率比较低，本着提高液力变矩器的效率为原则，通过测得涡轮转速和泵轮 转速计算转速比，根据液力变矩器的原始特性，计算出液力变矩器在当前工作状态下的 效率，令其效率保持在7 5 以上，若低于此效率则自动切换档位，使液力变矩器保持高 效工作。 两参数换档规律同样不考虑油门开度的变化，驾驶员无法干预换档，仍然不能满足 工程车辆工作状况的需要。 3 三参数换档规律 三参数换档规律采用液力变矩器的涡轮转速、泵轮转速和油门开度作为控制参数， 1 4 长安人学硕士学位论文 在不同的油门开度下计算液力变矩器在高效区工作需要的控制涡轮转速和泵轮转速的 比值即转速比，通过切换档位改变涡轮转速从而改变转速比，保持液力变矩器在高效区 工作，提高工程车辆的工作效率，加入油门开度作为控制参数，实现驾驶员的操作意图。 4 四参数换档规律 四参数换档规律通常采用液力变矩器的涡轮转速、泵轮转速、油门开度和工作油泵 压力作为控制参数，将液力变矩器的效率和工作油泵的效率综合考虑，工程车辆实际运 行中工作油泵的功率是变化的，相对于三参数换档规律而言，引入工作油泵压力参数可 以减少将工作油泵的功率视为定值所产生的误差，很好的满足了工程车辆工作中的动力 性要求，提高了自动变速系统的精度，但同时也增加了控制及软件实现的复杂程度。 此外，换档规律还可以根据侧重点不同，分为最佳动力性换档规律，最佳经济性换 档规律以及节能换档规律三种，最佳动力性换档从动力性角度出发考虑车辆在最佳动力 性能前提下的换档规律，通常不考虑经济性能：最佳经济性换档规律从车辆节能的角度 确定最佳换档规律，但动力性能不是最佳；而节能换档规律通过使液力变矩器保持在高 效区工作确定档位，兼顾了动力性能和车辆的经济性，本文主要研究节能换档规律。 3 2 节能换档规律 3 2 1 节能换档规律的提出 节能换档规律的主要目的是通过提高主传动系的传动效率实现节能。由于工程车辆 大多在传动系统中采用液力变矩器，液力变矩器的涡轮转矩随着涡轮转速的增大而逐渐 减小，但是当涡轮转矩增大到某一程度时，涡轮转速降为零，此时发动机不熄火，仍旧 从泵轮输出能量，此时输出的能量全部转化为热能，造成能量的严重浪费。 若采用更多参数则控制程序较为复杂，运算量增大必须以更高要求的硬件为条件， 提高成本，否则无法满足自动变速控制的实时性。本文采用三参数换档规律。 工程车辆的换档规律，不宜直接采用汽车自动变速的三个参数：车速、油门开度和 加速度。以装载机为例，装载机在作业过程当中一般负载变化较大，长时间处于低速工 作状态，速度变化不明显，故不宜采用车速作为控制参数；装载机采用的液力变矩器在 一定程度上具有减缓冲击、小范围内自动变速等作用，并且装载机在作业过程当中一般 处于低速且行程较短的状态，若以加速度作为参数，在实践中很难准确测定，使换档时 1 5 第三章- t 程车辆自动变速系统的换档规律 刻出现误差，无法准确实时切换档位，因而加速度也不宜作为控制参数。 由于以上原因，根据效率换档规律的控制目标及工程车辆自动变速的特点，本文选 择以下参数作为自动变速系统的控制参数： 1 涡轮转速 在车辆的动力传动系统中，涡轮转速是对外界负载变化反应最为敏感的参数，外界 负载的变化直接导致涡轮转速的变化，测得涡轮转速的变化量则可计算出工作载荷的变 化量，为了控制液力变矩器的工作效率，必须通过切换档位改变涡轮的转速从而改变液 力变矩器的传动比，使其工作点保持在高效区。因此，首先要选取涡轮转速作为换档控 制参数。 2 泵轮转速 液力变矩器的效率曲线是工作效率与转速比之间的函数关系，为了控制液力变矩器 的工作效率，除了涡轮转速外还应测知泵轮转速以求得转速比。 3 油门开度 工程车辆在运行时要引入驾驶员的干预，而油门开度在控制车辆的行驶速度方面反 应最为灵敏，油门开度变化则泵轮转速相应变化，驾驶员可以通过调节油门来干预换档， 实现操控目的。 综上所述，本文换档规律采用泵轮转速、涡轮转速、油门开度三个参数作为自动换 档控制系统的控制参数，实时测量控制参数通过计算得出最佳换档点并切换档位，调整 液力变矩器的转速比以保持液力变矩器在高效区工作，实现工程车辆的节能换档控制。 3 2 2 节能换档理论 节能换档规律的目的是通过控制参数的测得计算寻找最佳换档点，系统及时准确切 换档位改变涡轮与负载之间的传动比，调整涡轮转速以保证液力变矩器在高效区工作 ( 通常取n 7 5 ) ，使发动机输出的功率与克服负载所需的功率相一致，从而提高主 传动系的传动效率。 液力变矩器的效率为涡轮输出功率与泵轮输入功率的比值： r l ：旦：塑( 3 1 ) p b m b 其中p t 为涡轮输出功率；p b 为泵轮输入功率；m 。为涡轮输出转矩；m 。为泵轮输入转矩； 1 6 长安大学硕士学位论文 为涡轮转速；为泵轮转速【2 6 】； 液力变矩器的转速比为涡轮转速与泵轮转速的比值，即输出转速与输入转速的比值 f ：生 ( 3 2 ) 液力变矩器的变矩系数为涡轮转矩与泵轮转矩的比值，即输出转矩和输入转矩的比 值 ( 3 3 ) 随转速比的变化而变化，即k = f ( i ) r l = k i = ( 班 ( 3 4 ) 由上述公式可知，若能实时测得涡轮转速惕和泵轮转速的值即可算出液力变矩器 的转速比f ，液力变矩器的效率曲线中工作效率是转速比的函数，由图2 4 可知，变矩 系数k 随着转速比的增大而减小，有了这一函数关系，即可由式( 3 4 ) 得知液力变矩 器当前的工作效率，换档控制应使转速比的实时值落在效率曲线中的高效区。 此外，由于不同油门开度下，装载机的牵引力特性会发生变化，所以还应该考虑油 门开度的变化。当油门开度变化时，发动机的工作点发生变化，传动系效率和工程车辆 的动力特性也发生变化，下图是某一油门开度下的z l s 0 装载机前进档的牵引特性一效率 曲线图。 - iil 仍仉 仍仉 一 。、厂y 飞d 01 0 鲫5 0 图3 1z l 5 0 装载机前进档的牵引特性一效率曲线图 图中t l 。一t 1 。为某一油门开度下前进1 档一4 档的效率曲线，各曲线的交点a 、b 、 1 7 数函m 一心啪 = 董 如 髓是数系矩变的器矩变力 液有 而 则 第三章工程车辆自动变速系统的换档规律 c 、d 即为理论换档点，本文采用r b f 神经网络来实现处理器中的效率曲线及换档点， 建立不同档位不同油门开度条件下效率曲线的数学模型，根据实时测得的参数值计算应 该保持原档位或升降档，即可得到z l 5 0 轮式装载机的换档规律【2 6 】。 3 3r b f ( 径向基函数) 神经网络 包含液力变矩器的动力传动系统是非线性系统，使用传统的方法进行数学建模有一 定的困难，而智能控制方法能够解决复杂的非线性不确定系统的控制问题，目前智能控 制方法主要包括模糊控制、神经网络控制和模糊