（机械设计及理论专业论文）工程机械自动变速理论与控制系统研究.pdf

摘要 摘要 由于工程机械作业环境恶劣、作业工况复杂，驾驶员在操纵过程中需要频 繁的换挡以满足车辆对动力的要求，这大大提高了驾驶员的劳动强度。由于驾 驶员除了换挡操作还需要操纵工作装置，高强度的换挡操纵导致了作业效率的 降低。采用自动变速技术是解决这一问题的途径。 本文结合实际项目开发，以目前装载机使用的液力变矩器串接机械变速箱 的传动方案为基础，在前人研究成果基础上进行理论和工程实践研究，研制 z l m 5 0 装载机自动变速控制系统，包括控制系统硬件和软件设计、换挡控制理论 的研究。全文共七章，以下做简单介绍： 第一章绪论。简要介绍了车辆自动变速技术的发展历程和工程机械应用自 动变速技术的现状，介绍了自动变速技术的原理和系统组成，分析了工程机械 实现自动变速的意义，进而确定了本文的研究内容。 第二章建立“人一车一环境”仿真模型。首先就装载机传动系各组成部分 进行了系统的分析，建立了包括发动机、变矩器、变速箱、工作阻力等传动系 统各部分的数学模型。 第三章通过分析装载机操作特点，建立了装载机驾驶员的模型。在分析装 载机作业过程和作业环境特点基础上，建立了作业环境模型。作业环境模型用 于驱动整体模型的仿真。以上三个模型构成了完整的“人一车一环境”仿真模 型。在分析汽车燃油经济性指标基础上，结合现有装载机经济性评价方法，提 出了多工况燃油消耗率和组合工况完成时间作为新的经济性和动力性指标。 第四章换挡品质研究。在自动变速系统开发过程中对提高换挡品质的方法 进行了研究，提出了优化的动力换挡变速箱换挡过程离合器油压控制曲线，并 且通过平稳结合阀的试验进行了验证。良好的换挡品质不仅可以提高车辆传动 部件的使用寿命，而且通过改善驾驶员操纵的舒适性可以更好的发挥自动变速 技术的性能。 第五章在分析国内外自动变速技术的研究和使用现状基础上制定了自动 变速控制系统的总体设计方案，拟定了自动变速控制系统采用的换挡策略。 第六章为控制系统硬件和软件设计以及系统的试验。遵循国际标准，以功 能性、安全性和可靠性为目标，完成了以变速器换挡控制单元( t c u ) 的设计。 设计了基于实时操作系统的控制软件架构，完成了基本软件模块的设计和调试。 在自行设计和制作的模拟试验平台上对自动变速控制系统进行了基本功能试 验，结果表明，t c u 硬件电路和软件工作正常，所开发自动换挡控制系统已达到 摘要 预计的设计目标。 第七章为全文的总结，阐述了论文主要研究工作的结论并对后续的研究工作 作了展望。 关键词：工程机械装载机自动变速器液力机械传动电子控制换挡品 质换挡策略 玎 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew o r k i n gc o n d i t i o no fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r i e si sa l w a y sb a d , a n dt h ed r i v e r m u s ts h i f tt h eg e a rf r e q u e n t l y t h es h i f to p e r a t i o nm a k e st h ed r i v e rt i r e da n dr e d u c e s t h ew o r k i n ge f f i c i e n c y t h ea 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 yi saw a yt op r o m o t e t h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r i e s r e f e r st ot h ea c h i e v e m e n t st h ep r e d e c e s s o r sh a v ea t t a i n e d ，t h ep u r p o s eo ft h i s p h dd i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h et h e o r ya n de n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yo fa u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n , a n di m p l e m e n tt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft h eh y d r o d y n a m i ct r a n s m i s s i o n o fz l m 5 0w h e e ll o a d e li n c l u d i n gt h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ec o n t r o l t e c h n i q u ea n d t h es i m u l a t i o nt e c h n i q u e t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e ss e v e nc h a p t e r s ： i nc h a p t e ro n e ，t h eh i s t o r yo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na n di t sa p p l i c a t i o no n c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r i e sa r ei n t r o d u c e d t h eg e n e r a ls t r u c t u r ea n df u n c t i o no f a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na r ei l l u s t r a t e d a n dt h ea i mo fi t sa p p l i c a t i o no nc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r i e si sa n a l y z e di nd e t a i l i nc h a p t e rt w o ，t h ed r i v e r - l o a d e r - e n v i r o n m e n tm o d e li se s t a b l i s h e d t h ep o w e r t r a i n s y s t e mo fw h e e ll o a d e ra n dt h ep a r t s c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d t h em o d e l o fd i e s e l ， t o r q u ec o n v e r t o r , t h eg e a r b o xm o d e la n de n v i r o n m e n tr e s i s t a n c ea r ee s t a b l i s h e d i nc h a p t e rt h r e e ，b a s eo i lt h ea n a l y s i so fw h e e ll o a d e r so p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， t h ed r i v e rm o d e li se s t a b l i s h e d b a s eo nt h ea n a l y s i so fw h e e ll o a d e r sw o r k i n g c o n d i t i o n s ，t h ee n v i r o n m e n tm o d e li se s t a b l i s h e d t h ed r i v e r - l o a d e r - e n v i r o n m e n t m o d e li st h ef o u n d a t i o no ft h es h i f ts t r a t e g yt e s t ，f u e le c o n o m i ce s t i m a t e t h ef u e l c o n s u m p t i o no fm u l t i - o p e r a t i n g - m o d e - d r i v i n g - c y c l ei sd e f i n e da sa n e wi n d e xo ff u e l e c o n o m i c ，a n dt h et i m ec o n s u m p t i o no fm u l t i o p e r a t i n g - m o d e d r i v i n g - c y c l e i s d e f i n e da san e wi n d e xo fw o r k i n ge f f i c i e n c ya n dp o w e rc h a r a c t e r i s t i c s i nc h a p t e rf o u r , t h er e a s o no fs h i f t i n gi m p a c ti sa n a l y z e d f o ri m p r o v i n gt h e s h i f t i n gq u a l i t y , a no p t i m i z e dp r e s s u r ec u v eo fw e tc l u t c hi se s t a b l i s h e d t h ec u r v e h a sb e e nv a l i d a t e db yt e s t i nc h a p t e rf i v e ，t h es c h e m eo ft h ec o n t r o ls y s t e mo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni s i i i a b s t r a c t e s t a b l i s h e d , a n dt h es h i f t i n gs t r a t e g yi sa l s oe s t a b l i s h e d i nc h a p t e rs i x ，t h eh a r d w a r eo ft h et c ui sd e v e l o p e da n dt e s t e d t h er e l i a b i l i t ya n d s a f e t yi sc o n s i d e r e dd u r i n gt h ew h o l ed e s i g np r o c e s so ft c u t h es o f t w a r es t r u c t u r e o ft h et c ui sd e s i g n e db a s e d0 1 1r e a l - - t i m e - o p e r a t i n g s y s t e m , a n dc o d i n go fb a s i c s o f t w a r em o d u l ei sf m i s h e d t h ef u n c t i o nt e s to fw h o l ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n c o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e do u to nt e s tb e d t h er e s u l to fe x p e r i m e n ts h o w st h ed e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e mi ss u c c e s s f u l c h a p t e rs e v e ni st h es u m m a r yo ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s a r es h o w e d ，t h ep r o b l e m sr e q u i t i n gf u r t h e r s t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , w h e e ll o a d e r , a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n , h y d r o d y n a m i ct r a n s m i s s i o n ，e l e c t r o n i cc o n t r o l ，s h i f t i n gq u l i t y , s h i f ts t r a t e g y i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 碍年弓月上2 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 岁花诲 少碑年岁月) - 2e lo - 年弓只 第1 章绪论 第1 章绪论 随着科学技术的发展，计算机技术、信息技术和人工智能技术等高科技大 量应用于现代车辆，极大地提高车辆的综合性能n 】【2 】【。这种以高科技为基础的 车辆电子技术成为现代车辆产品开发中的关键技术。动力传动系统是车辆的核 心部件，实现车辆传动系统自动控制对提高车辆的综合性能有着重要作用。因 此，车辆传动系统的自动控制成为车辆电子技术所研究的核心内容之一。自动 变速技术经过数十年的发展，已经日渐成熟，自动变速器在车辆上获得了广泛 的应用1 3 蚴喳力刚。 工程机械是一类特殊的非公路车辆，主要用于工程施工建设，是车辆的一 个重要分支类型。工程机械的作业条件恶劣、作业工况复杂，实现工程机械的 自动变速可以改善车辆性能、提高作业效率并减轻驾驶员劳动强度。因此，掌 握并实现工程机械自动变速技术成为提高工程机械综合性能和提升厂商产品竞 争力的重要手段。 由于工程机械的作业环境和工作目的与普通汽车不同，它的自动变速系统 必须实现比普通汽车自动变速系统更强的环境适应性能。因此，在理论上开发 工程机械的自动变速技术比普通汽车的自动变速技术具有更高的难度。欧美发 达国家的厂商在工程车辆上研制、应用自动变速技术已经有十几年，技术有了 很大的进步。我国目前还未研制出产品化的工程机械的自动变速系统，但是有 关部门和单位已经认识到研究与开发工程机械自动变速技术对提高我国工程机 械产品技术水平的重要性，非常重视工程车辆自动变速系统的研究开发，目前 已经有多个院校、单位开展了工程机械自动变速系统的研发帅7 m 8 m 朝。 一 本文是基于与某工程机械厂商合作开发装载机自动变速系统项目进行的基 础理论及工程应用研究。论文针对装载机动力传动系统采用自动变速控制技术 后的动力性经济性的问题、换挡品质问题，以改善动力系统经济性和减少换挡 冲击为目的，展开自动变速系统的理论和试验研究。 第1 章绪论 1 1 自动变速技术概述 1 1 1 自动变速技术发展历程 车辆自动变速技术是机械、电子、液压、计算机、自动控制等技术的综合， 车辆自动变速技术的发展依赖于这些相关技术的发展与进步。根据车辆自动变 速系统控制技术的发展，可以将自动变速技术的发展分成三个阶段：机械式自 动变速、液压控制自动变速和电子控制自动变速阶段。各个阶段并不完全独立， 在时间上有所重叠。 机械式自动变速阶段 这是自动变速技术发展的初级阶段。该阶段自动变速技术的主要特点是： 换挡机构、执行机构简单，一般采用离合器、制动器等机械摩擦元件操纵行星 齿轮机构实现换挡操作。这一时期的主要代表成果有：美国s t u r t e v a n t 兄弟于 1 9 0 4 年发明的自动变速器，它是根据发动机转速的变化，利用离心机构使换挡 齿轮副啮合或分离实现换挡操作，由于技术缺陷未能正式应用。同年，英国的 w i l s o np i c h e r 公司利用离合器和制动器等机械元件实现了行星齿轮机构的变速 控制钔。 在后续2 0 多年里，新的技术不断出现，机械式自动变速器技术逐渐完善。 如1 9 0 7 年f o r d 汽车的实现了行星变速器不切断动力的“动力换挡 ；1 9 2 8 年， 美国c a d i l l a c 公司开始在变速器中广泛使用同步器，改善了换挡品质。1 9 3 7 年， b u i c k 和o l d s m o b i l e 汽车的自动变速器使用液压系统来控制行星机构的自动变 速。1 9 3 8 年，美国的g e n e r a lm o t o r s 公司和c h r y s l e r 公司在自动变速器中引 入了液力偶合器，标志着自动变速技术进入了新阶段h 1 。 液压控制液力自动变速阶段 该阶段从1 9 3 8 年到6 0 年代末，这个阶段自动变速技术的特点是广泛使用 液力元件，如液力变矩器和液力耦合器，换挡控制采用液压系统实现。 液力自动变速器主要由液力变矩器和行星变速箱组成，操纵机构和控制系 统都是通过液压系统实现的。利用速度调压阀和油门调压阀产生代表速度和油 门开度的压力信号，压力信号传递给变速控制阀块，变速控制阀块按照设定的 控制规律控制换挡执行机构动作，通过变速箱内部离合器和制动器的分离和结 合实现自动换挡h 】【引。 2 第l 章绪论 由于液压系统设计制造的复杂性，只能在换挡阀块上实现少量的换挡规律， 且由于液压控制系统控制精度低，无法自动适应车辆行驶工况的变化，自动变 速系统的性能不如人意。另外，当时的液压换挡控制系统无法实现精确的挡位 品质控制，影响了驾驶的舒适性。尽管技术不断进步，但是这些是液压控制自 动变速系统固有的缺点，在此阶段并未克服。 这一阶段的代表产品有：1 9 3 8 年的0 1 d s m o b i l e 车型；1 9 5 0 年福特公司的 装备液力变矩器的3 速自动变速器；1 9 6 1 年奔驰装备液力偶合器的4 速自动变 速器；7 0 年代的丰田a 4 0 系列自动变速器；通用4 t 6 0 e 系列自动变速器。而且 在这个时期，涌现出许多专业生产液力自动变速器的专业厂家。如a 1 l i s o n ( 美 国) 、z f ( 德国) 和j a t c o ( 日本) 等，车辆自动变速技术已经进入成熟发展阶段。 电子控制自动变速阶段 7 0 年代以来，电子技术快速发展，大规模集成电路和计算机技术发展迅速， 电子技术和计算机技术应用到车辆自动变速技术中，车辆自动变速技术进入电 子控制阶段。这一时期自动变速技术的主要特点是：采用微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 作为换挡控制处理器，利用传感器采集相关信 号，使用电磁阀作为换挡控制元件。 电子技术的应用给自动变速技术带来了很多的好处： 采用微控制器作为换挡处理器使换挡控制过程完全由软件实现，系统的 扩展性和可维护性非常好。 控制器的存储容量很大，可以存储所有需要使用的换挡规律；驾驶员根 据自身的需求可以自由选择换挡模式，如运动型模式、经济型模式、动 力性和经济性兼顾的通用模式，控制器将根据驾驶员的选择使用相关的 换挡规律。 由于控制器的计算速度和精度很高，可以实现换挡元件搭接时序的精确 控制，大大减小了换挡冲击、改善了换挡品质和车辆的驾驶舒适性。 电子技术使自动变速系统能够和车辆的其它控制系统，如发动机控制系 统( e m s ) 、牵引力控制系统( t c s ) 和制动防抱死系统( a b s ) 等相互通 讯，实现车辆控制系统一体化，优化整车性能。 进入9 0 年代后，车辆电子技术又进一步发展，车载电子设备的微处理器和 其他电子元件趋于专用化和集成化，性能不断地提高。在控制方法和理论方面， 人工智能技术，如模糊控制、神经网络控制等，逐渐在车辆控制系统中被采用。 3 第1 章绪论 由于人工智能技术在自动变速控制中的运用，自动变速控制系统识别环境、车 辆状态参数变化的准确性提高了，而且系统具备了根据不同的驾驶员、不同的 运行环境自适应地选择、修正原有的换挡策略的能力。 这一阶段的代表产品如下：1 9 6 9 年，法国雷诺r 1 6 t a 轿车自动变速器首先 装备了电液控制系统；1 9 7 0 年，丰田公司的c o r o n a 轿车装备了电子控制的三档 自动变速箱，采用了由日本电装( d e n s o ) 开发的模拟型电子控制单元( e c u ) ； 1 9 8 1 年，丰田公司的c r o w n 轿车装备了带有电子控制变矩器闭锁离合器的四档 自动变速箱，采用了日本电装开发的微处理器型电子控制单元；1 9 8 2 年，德国 z f 公司推出的自动变速箱4 h p 一2 2 e h 也采用了微处理器型的电液控制系统，具备 了换挡模式选择功能晦7 1 。 具备智能控制技术的自动变速系统典型产品有：德国宝马公司( b 潮) 的a t 自适应控制系统( a g s ) ；日本三菱的智能创新车辆电子控制系统i n v e c s ( i n t e l l i g e n ta n di n n o v a t i v ev e h i c l ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ) ；日本 丰田e c 卜i ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ) 系统等旧1 。 1 1 2 自动变速器分类 如自动变速器的发展历程一节所述，在自动变速技术发展过程中，出现了 多种形式的自动变速器，按照变速系统组成的区别，可以归纳为图1 1 所示的 分类。其中，目前最常用的自动变速器主要分为三大类：液力机械自动变速器 ( h y d r a u l i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 、电控机械自动变速器( a m t ) 和无级 自动变速器( c v t ) 啪。 自动变速器 液力传动 机械传动 液压传动 电传动 液力变矩器+ 行星齿轮变速器( a t ) 液力变矩器+ 定轴式变速器( a t ) ! 竺苎皇翌茎兰! ! ! ! 叫圭兰皇兰：三翌竺竺奎量兰 磊赢蓊翮 液压泵+ 液压马达 发电机+ 电动机 图1 - 1 自动变速器的类型 4 第1 章绪论 液力机械自动变速器( h y d r a u l i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 简称h m t 。 由于这是技术最成熟、应用最广泛的自动变速器类型，占有绝大部分的市场份 额，因此被直接称为自动变速器a t ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) 。它由液力变矩 器和行星齿轮变速器或定轴式齿轮变速器组成。由于变矩器的特性，a t 可以实 现局部范围内的无极变速。 电控机械式自动变速器( a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m is s i o n ) 简称a m t 。 它是在普通机械变速器的基础上改进而来，通过实现离合器和换挡机构的自动 操作实现自动变速。a m t 保持了手动机械式变速器的优点，又具备自动变速箱自 动换挡的功能。这项技术主要在重型车辆上应用较多。美国伊顿( e a t o n ) 、德 国z f 、瑞典斯堪尼亚( s c a n i a ) 、日本五十铃等公司都开发成功了相关的产品。 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 。 它通过两个锥轮改变接触半径实现传动比连续变化达到变速的目的。初期采用 橡胶带传动，由于传动能力低、寿命短未实用化。1 9 8 2 年，荷兰的v d t 公司( y o n d o o r n e s t r a n s m i s s i o n ) 在技术上突破，将原来皮带改为由许多薄钢片穿成的 钢带，解决了传动能力和寿命的问题。1 9 8 7 年，美国福特公司推出实用型的钢 带式c v t 。1 9 9 9 年，德国大众在奥迪a u d i 轿车上装备了m u l t i t r o n i cc v t 自 动变速器，目前已成为奥迪公司的主流自动变速器。 c v t 具有无动力中断、燃油经济性好、操纵方便、行驶舒适的特点，是自动 变速技术的一个重点发展方向。 1 1 3 自动变速技术原理 目前应用最广泛的是电子控制液力自动变速器，图1 2 为其系统组成。从 虚线框内可以看到，典型的电子控制液力自动变速系统由四部分组成：传动部 件包括液力变矩器和机械变速器；液压换挡执行系统；信号采集系统，即传感 器系统和换挡模式选择器( 换挡手柄) ；换挡决策部件，即e c u 。 在手动换挡车辆中，驾驶员根据油门开度、相应发动机油门下的车速、路况 和自己的驾驶意愿切换变速器的挡位。在自动变速车辆上，换挡控制器e c u 代 替驾驶员来执行换挡操作。传感器系统采集转速、车速和油门等信号输入到e c u ， e c u 以换挡模式选择器给定的换挡模式和换挡操作范围为前提，处理各种输入信 号决策换挡挡位和换挡的时机，输出换挡控制信号到换挡电磁阀，换挡电磁阀 5 第1 章绪论 接通或者断开相应的液压回路来结合或者分离对应的换挡离合器* 0 动器实现 换挡操作。e c u 还将根据车辆的运行状况实施变矩器的闭锁和解锁控制。 图卜2 电子控制自动变速系统组成图 从图1 - 2 中也可以看出，e c u 是自动变速控制系统的核心。e c u 是一个微型 的计算机控制系统。e c u 是基础理论、软件技术和硬件技术的结合，开发高可靠 性和高性能的e c u 具有很高的难度，需要投入大量的人力和资金嗍。图1 - 3 是 e c u 的基本结构。在此将e c u 划分为几个基本的模块，实际的情况要比图中所示 复杂得多。输入和输出信号都包含多种类型，在控制系统设计一章中将给出详 细信息。 图卜3e c u 基本结构 6 第1 章绪论 1 2 工程机械自动变速技术 1 2 1 工程机械应用自动变速技术的意义 工程机械是非公路的作业车辆，其作业环境和条件与普通车辆不同，工作载 荷变化剧烈，而且经常处于低速重载的工作状态，为了提高其对工作载荷的适 应能力，大多采用液力机械动力换挡变速器。液力机械传动兼有了液力传动和 机械传动的优点，既避免了机械传动载荷剧变引起的发动机“熄火”问题，又 提高了低速克服重载的能力。 但是液力机械传动方式也有自己的缺点。由于液力变矩器的效率不高，最高 仅8 5 左右，而且液力变矩器还经常工作在效率低于7 5 的低效区域，即这种 传动方式的好处是以牺牲传动效率换来的。如在车辆重载、变矩器“失速 工 况下工作一分钟，液力变矩器的工作介质由于机械能全部转化为热能将引起“过 热 ；同样，在高速轻载下，如不及时换入高挡工作，由于变矩器效率降低造成 发动机功率损耗和燃油的浪费。 通过提高驾驶员的操作技能可以减少变矩器在低效率区域的工作几率，改善 车辆的传动效率，提高车辆运行的动力性和燃油经济性。但是由于工程机械的 作业条件复杂、作业环境恶劣，驾驶员的劳动强度非常大，以装载机为例，装 载机一小时平均换挡操作近1 0 0 0 次，即不到4 秒钟要换一次挡，要通过驾驶员 的操作提高车辆的传动效率和燃油经济性必然导致劳动强度的进一步增加和作 业生产率的下降。 在工程机械上实现自动换挡控制，一方面可以尽可能的提高液力变矩器在高 效区工作的几率，从而提高传动系统的传动效率，另一方面，自动换挡减少了 驾驶员对挡位的操作、降低了劳动强度，使驾驶员可以更多的关注作业操作， 提高工程机械的作业生产率。 另外，从燃油经济性角度来看，由于我国对进口能源的依赖程度很高，受全 球石油价格不断上涨趋势的影响，国内燃油价格也一路走高，工程机械的燃油 经济性直接影响用户的使用成本。使用自动变速技术可以减小驾驶员驾驶水平 对燃油经济性的影响，有资料表明：熟练驾驶员与非熟练驾驶员之间的平均燃 油消耗水平相差达1 0 以上。改善工程机械的燃油经济性不仅能够降低使用成 本，也是节约能源的一个有效的手段。 7 第1 章绪论 从环境保护方面来看，目前各国不仅对普通车用柴油机废气排放的排放标准 也越来越严格，而且也制定了非道路工程车辆用柴油机的排放标准，如美国环 保署制定的t i e r4 标准。t i e r4 标准适用于大多数建筑工地、农业、和工业使 用的柴油机，标准要求这些柴油机比现在的柴油机排放减少9 0 以上。该标准 将于2 0 0 8 年开始对新车实施，并于2 0 1 4 年全面实施。国内的非道路车辆柴油 机排放国家标准目前正在制定中，北京已经出台了地方性的非道路车辆柴油机 排放法规。按照目前国家对于机动车排放环保的推广力度来看，工程机械柴油 机的技术水平需要提高一个台阶才能够满足以后出台的排放国家标准。柴油机 采用电控技术将能够实现更高的排放标准，如上海柴油机股份有限公司已经与 日本电装、日野合作生产高压共轨电控柴油机。电子控制自动变速系统通过与 柴油机电子控制系统的通讯实现协同工作，可以改善柴油机的工作、降低废气 排放。 从我们国内的工程机械行业发展来看，自8 0 年代以来，我国经济进入快速 发展的时期，如公路、水电、矿山和建筑等基础建设行业发展迅猛，这些行业 对工程机械的总需求量快速增长，国内的工程机械行业因此也获得了长足的进 步。特别是从“十五 计划起，随着西部开发战略的实施，国家加大力度投资 基础设施建设，这给工程机械行业带来新的机遇。但是我们也应该看到，虽然 工程机械行业在量上获得了大的发展，在质上并未取得跨越式的进步。随着对 外开放的深入，国外工程机械巨头凭借雄厚的资金和技术实力对国内工程机械 市场的影响逐步加强，行业的竞争也越来越激烈。面对机遇与挑战，国内工程 机械厂商要提高产品的市场竞争力必须提高自身的技术实力，特别是科技含量 高的自动化设备的研发能力。 1 2 2 工程机械自动变速技术应用与研究现状 公路车辆自动变速技术的进步和成功推动了自动变速技术在工程车辆上的 应用。自动变速技术在工程车辆上的应用是在8 0 年代开始的，9 0 年代初期应用 于装载机。目前自动变速技术主要应用在装载机、平地机、推土机、叉车和自卸 车上。到9 0 年代中期，美国7 0 以上的工程车辆装备了自动变速器，日本达到 了6 0 ，欧洲一些发达国家也达到3 0 n 刀乜7 1 。以装载机为例，已经有多家国外公 司在装载机上成功开发应用了自动变速系统，如美国的卡特彼勒c a t 、克拉克赫 8 第l 章绪论 斯c l a r k - - h u r t h ，瑞典的v o l v o 、日本的小松、川崎等等。 我国在工程机械的自动变速技术领域进入较晚。自动变速技术在虽然在国外 工程车辆上早已广泛应用，但在我国在工程车辆上应用自动变速技术还是近几年 来的事，目前有些厂家己着手自动变速箱的引进和开发。“九五期间，柳工机 械股份有限公司在z l 5 0 e 轮式装载机上装备了与德国z f 公司合资生产的自动变 速系统，虽然价格昂贵，但是由于率先开始了产品技术的更新换代，已引起国内 同行业厂家的关注。大连叉车总厂在f d 4 2 0 叉车上引进了美国c l a r k 公司的 a p c i 0 0 自动变速系统，山东工程机械集团有限公司也已开始在引进的日本小松 d 1 5 5 推土机上进行自动变速系统的开发。 目前我国对自动变速技术主要是引进产品直接应用。尽管广西柳工股份与德 国z f 公司合资生产工程机械的自动变速器，但是并未掌握控制系统的核心技术。 开发自动变速器不仅包括开发具有高技术含量的变速器，还包括掌握和开发传动 系统的自动变速控制技术。要提高产品性能性能、降低成本，提高国产工程机械 的市场竞争力，必须开发具有自主知识产权的自动变速箱。 在工程机械自动变速技术的研究方面，国外对采用液力机械传动的工程机械 的自动变速系统的研究已经相当成熟，并且已经推广应用了2 0 多年了。目前， 国外对工程机械自动变速技术的研究主要集中如何提高系统的性能方面，如换挡 策略的开发和换挡品质的改善，即主要关注控制方法的研究。九十年代初，日本 学者h i r o s h iy a m a g u c h i 和y a s u s h in a r it a 等利用模糊控制技术对液力机械传 动车辆进行了变速箱选挡控制研究旧1 。k o h eik u s a k a 和y a s u n o r io h k u r a 通过 改造换挡液压控制阀控制换挡离合器的接合力实现了换挡品质的改善。1 9 9 9 年，q u a r tz h e n g 和k r js h n a s w a m ys r i n i v a s a n 等建立了换挡过程的动态模型用 于开发能够改进换挡品质的换挡控制器嗍。2 0 0 1 年，a h a j - f r a j 和f p f e i f f e r 建立了换挡过程的模型，通过换挡搭接时序和压力控制改善换挡品质旧3 。 国内的研究工作主要是由相关的院校进行的，研究的方向也主要集中在换挡 决策方法的研究上。如吉林工业大学的卢新田博士采用了模糊控制技术对t y 3 2 0 履带推土机进行了自动换挡控制，并且通过台架试验验证了这项技术的可行性 n 钥。而后，张勇博士在此基础上进行了进一步的研究，将自适应理论与模糊技 术结合应用于t y 3 2 0 推土机的自动变速控制，并且通过实验证明变速系统可以 对变质量工况具有模糊自适应能力射。 在控制系统开发方面，国内也开始进行了。北京交通大学的刘溧和耿聪对 9 第1 章绪论 z l s o 装载机的自动变速控制系统进行了试验研究，获得良好的效果1 。 1 3 装载机自动变速技术的研究开发 1 3 i 开发装载机自动变速技术的意义 如前文所述，工程机械传动系的自动变速是工程机械发展的趋势，也是亟待 开发与推广的重要技术。采用自动变速器，实现自动换挡变速，是提高工程车 辆使用性能的有效措施。在国内开发推广工程机械的自动变速技术首先必须要 找到一个切入点，作者认为这个切入点应该是装载机。 首先，装载机是目前我国产量最大的工程机械产品，也是保有量最大的工程 机械。实现装载机的自动变速不仅对国民经济建设可以带来巨大的经济效益， 对整个工程机械行业推广自动变速技术也可以产生很大的激励作用。 其次，由于技术开发需要大量的资金和人力物力的投入，如果装载机的自动 变速系统开发成功并推广，装载机的巨大的产量可以使开发成本快速回收。 另外，国内装载机生产厂家众多，竞争非常激烈，各个厂家都希望提高产品 的竞争力。根据作者的调查，对多数厂家来说，如果自动变速系统的可靠性能 够达到目前非自动变速产品的可靠性水平，而且成本能够控制在进口产品的一 半，他们都愿意在装载机上采用自动变速系统。即自动变速技术在国内具有很 好的市场前景。 最后，国外厂商正在大举进入中国市场，依靠他们的资金技术实力，经过几 年的相互竞争，完全可能垄断中国工程机械高端技术，全部占领中国工程机械 自动化设备的市场，在国外巨头立足未稳、成本居高不下的情况下，开发推广 自主的自动变速技术是保障中国工程机械行业未来竞争力的必须手段。 1 3 2 装载机自动变速系统的关键技术 前面已经提到，国外对工程机械自动变速系统的研究已经成熟并推广应用了 2 0 多年了，目前对工程机械自动变速技术的研究主要集中提高系统性能方面。 对于我们来说，我们还没有真正开发成功过工程机械的自动变速系统。虽然 有单位、院校开发了装载机、推土机的自动变速系统，但是基本上是都用于理 1 0 第l 章绪论 论验证的试验性系统。根据我们与厂家合作开发装载机电操纵半自动换挡系统 的经验，抛开控制理论研究的内容，仅仅控制系统本身就是一项非常关键的技 术研究内容。 根据作者的研究开发经历，装载机自动变速系统开发的关键技术应该包括以 下几方面翻【3 5 】【7 i 】嘲： 1 ) 自动变速系统方案、系统组成的研究 2 ) 各种现代控制理论、方法在装载机自动变速换挡策略中的应用研究 3 ) e c u 开发技术的研究开发 4 ) 传感器系统的开发 5 ) 换挡执行系统的开发 6 ) 换挡品质控制方法的研究 7 ) 传动系统匹配和装载机动力性经济性的研究 8 ) 动力传动系统的一体化联合控制技术研究 其中1 - 5 是控制系统开发的关键技术。在广泛收集资料和深入分析的基础上 确定控制系统方案是整个工作的基础。2 、3 、4 、5 是在1 确定的方案基础上展 开各个子系统的研发。 从原理图中自动变速系统并不复杂，为什么说控制系统开发是关键技术呢? 由于装载机是作业机械，工作条件恶劣，换挡电子控制系统要在高温、低温、 振动、潮湿、灰尘、雨水等环境因素影响下长时间工作，这对换挡系统的可靠 性提出了非常高的要求，甚至超过了对普通汽车自动变速控制系统可靠性的要 求。国内虽然有人研制了试验性质的自动变速系统，但是却没有进入实用化， 很重要的一点就是可靠性问题。对于国外厂家来说，开发车载电子控制产品有 两个要点：正确性和可靠性。国内厂家一直未能进入关键车载电子控制系统领 域一方面是技术原因，另一方面也是因为可靠性原因。开发出高可靠性的控制 系统是进一步开发应用现代控制技术的基础。 应用智能控制理论、开发智能化换挡策略对于提高自动变速系统性能有很好 的作用，是目前自动变速技术理论研究的主要内容，也是体现厂商技术实力的 表现。 装载机整机的动力性和燃油经济性是也自动变速技术的一个重要部分。整机 动力系统的正确选择和匹配对于发挥自动变速系统性能有重要作用。 不论自动变速与否，换挡品质都是装载机的一个重要研究内容。在自动变速 第1 章绪论 系统中，微处理器的运用为进一步改善换挡品质提供了便利条件旧1 。提高换挡 品质也能够更好的体现自动变速系统的优越性。 动力传动系统的一体化联合控制技术是未来的技术发展方向。虽然在轿车上 已经开始广泛应用这一技术了，国外工程机械也以及推广使用，但是在国内，工 程机械上这一技术刚刚开始研究，推广应用还需时日。 1 3 3 装载机自动变速系统开发的目标 考虑到装载机驾驶换挡操纵区别于普通车辆换挡操纵，具有自身特点，在进 行装载机自动变速系统设计时，除了保留普通车辆自动变速系统的特点，还必 须满足装载机的操纵对自动变速系统的要求。 1 ) 设置装载机特有的换挡操纵机构，简化换挡操作。简化换挡操作对于装 载机的意义高于汽车的自动变速，它可以大大减轻驾驶员的劳动强度， 提高生产率。装载机的换挡操纵机构和普通车辆是不同的，必须以提高 效率为目的进行设计。 2 ) 准确的换挡时机和挡位，保证装载机具有良好的动力性能。装载机作为 工程机械，动力性是最重要的性能。其次，要使变矩器经常工作在高效区， 提高传动效率和燃油经济性。 3 ) 换挡迅速、换挡冲击小。在装载机的每小时1 0 0 0 次的换挡频率下，降低 换挡冲击可以大大改善驾驶员操纵的舒适性，提高作业效率。 1 3 4 自动变速系统的开发手段 伴随汽车电子技术的进步和广泛应用，汽车电子控制系统的开发手段也越来 越多样化，在不同的开发阶段往往采用不同的方法。比较典型的开发手段有以 下几类： m a t l a b s i m u l i n k 系统动力学仿真 首先通过对车辆系统的分析建立车辆的动力学模型，然后在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下根据动力学模型建立s i m u l i n k 仿真模型，使用计算机 进行车辆系统的动力学仿真。可以在s i m u l i n k 中使用m a t l a b 提供的模糊工具 箱、神经网络工具箱建立控制策略，并且可以通过仿真验证控制策略。 在m a t l a b s i m u l i n k 下还有第三方的商用软件可以用于车辆动力学建模和 1 2 第l 章绪论 仿真，如奥地利的a v l 公司a d v i s o r 2 0 0 4 和c r u i s e 。这种方法一般在开发初期 使用，用于车辆性能预测。 硬件在环仿真技术( h a r d w a r e - i n - t h e - l o o ps i m u l a t i o n ) 硬件在环仿真是为了验证控制器在实际系统中的性能，使用计算机虚拟控制 器的运行环境，将控制器接入到虚拟环境中测试。硬件在环仿真具有试验费用 低、周期短的特点口 。 比较典型硬件在环仿真系统如德国的d b a c e 。它也是运行在m a t l a b 环境下 的。 台架试验 台架试验是对车辆电子控制系统的综合检验。检验的内容不仅包括控制系统 e c u 、控制软件、各种输入输出信号，还包括执行机构如电磁阀、液压换挡阀块 等。 实车试验 生产用于测试的试验车辆，在完成功能试验基础上，选择合适的试车