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同济大学硕士学位论文工程机械自动变速控制系统的研究与开发 摘要 工程机械普遍存在着作业场所和工况的不确定性，其输出扭矩与车速变化范围大，就其 行走系采用液力变矩器+ 多挡位机械变速箱的传动方案可有效解决车辆的适应性问题，但操 作者在操纵工作装置的同时还需进行频繁、及时的换挡操作，劳动强度很高。本文通过研究 工程车辆在常见工况下的智能换挡策略，开发出适用于工程机械的自动换挡控制系统，利用 自动变速技术减轻操作者的劳动强度，同时改善换挡品质不仅提高作业舒适性，还可延 长传动系的有效寿命，从总体上提高工程机械整机性能。 首先就装载机传动系各组成部分进行了系统的分析，在m a t l a b 环境下建立了发动机 与变矩器的部件数学模型，分析了发动机与变矩器的匹配过程并建立了匹配数学模型，在此 基础上开发了柴油机与变矩器匹配通用计算程序，利用该程序可由任意给出的发动机、变矩 器和变速箱特性得到发动机、变矩器和变速箱的联合工作特性。 系统地分析了不同换挡特性对工程机械换挡过程的影响，以装载机为例，深入探讨了最 佳动力性与最佳经济性换挡特性，提出了针对工程机械的基本二参数换挡规律，利用前面求 得的数字模型( 牵引特性曲线簇和油耗特性曲面) 详细分析了装载机换挡过程的整机动力性 与燃油经济性，在对装载机作业方式与操作特点进行全面研究后，提出了适合装载机工况的 换挡策略，完成了常林股份z l m 5 0 系列轮式装载机换挡规律的制订。 根据前面制订的半智能化装载机专用复合换挡规律确定了自动变速控制系统的总体设 计方案，采用多项可提高系统可靠性的技术对输入输出装置接1 3 电路进行设计，完成了以 e c u 为核心的换挡控制盒设计，以及基于光电开关的多自由度挡位选择器设计，并完成了 基于实时操作系统的控制软件的开发与在环调试。 在自行设计和制作的模拟试验台上对所开发换挡控制系统进行了基本功能试验，模拟试 验结果表明，所开发自动换挡控制系统已达到设计目标，硬件电路的可靠性非常高，软件的 开发路线也比较正确可行。 【关键词】工程机械自动换挡 电子控制换挡规律 同济大学硕士学位论文工程机械自动变速控制系统的研究与开发 a b s t r a c t m a n yc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r i e sm a ym e e td i f f e r e n th e a v yd u t i e s ，a n dv a r i o u se n v i r o n m e n t sa s w e l l h y d r o d y n a m i c - t o r q u ec o n v e r t o rp l u sm u l t i - g e a r i n gm a c h i n ep o w e r t r a i ns y s t e mo f t e n e m p l o y e dt om e e tt h ea d a p t i v eo ft o r q u e ，b u ti tn e e d so np o i n ts h i f to p e r a t i o nf r e q u e n t l y , a n dt h u s m a k et h eo p e r m i o nb e c o m ev e r yh e a v y t h i sd i s s e r t a t i o nw i l lw o r ko v e rt h ei n t e l l i g e n ts h i f t i n g s t r a t e g yo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , a n dd e v e l o p i n ga na u t o m a t i cs h i r i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e m w h i c hs u i t a b l ef o rc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , t h u sc a nn o to n l yr e l e a s et h eo p e r a t o r , b u ta l s or e d u c e t h es h i f t i n gi m p i n g e m e n t , t h u sc a ni m p r o v et h et r a n s m i s s i o ns y s t e m sl i f ea n dt o t a lp e r f o r m a n c e t h ep o w e r t r a i ns 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 df i r s t l yi nt h e d i s s e r t a t i o n t h ed i g i t a lm o d e lo fd i e s e la n dh y d r o d y n a m i c - t o r q u ec o n v e r t o ri se s t a b l i s h e di n m a t l a bs o f t w a r ee n v i r o n m e n t , a n dt h em a t c hb e t w e e nd i e s e l & t o r q u ec o n v e r t o ri sa l s o a n a l y z e ds u b s e q u e n t l y b a s e do nt h e s ed i g i t a lm o d e l s ，ag e n e r a lm a t c h i n gp r o g r a m ，w h i c hc a n s u i t a b l ef o ra n yc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yd i e s e l & t o r q u ec o n v e r t o r , i sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y h o wv a r i o u ss h i f t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa f f e c tt h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ss h i f t i n gc o u r s ei sa l s o a n a l y z e d a sac a s ei np o i n t ，t h ew h e e ll o a d e r ss h i f t i n gc o u r s e ，i n c l u d ek i n e t i c sa n de c o n o m i c c h a r a c t e r i s t i c sa r et h o r o u g h l yp r o b e d , t h u sd e v e l o p e dab a s i ct w op a r a m e t e rs h i f t i n gs t r a t e g i e s a i m e dt oc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y w ea l s oa n a l y z e dw h e e ll o a d e r ss h i f t i n gc h a r a c t e r i s t i c si nd e t a i l b yu t i l i z i n gf o r m e rd i g i t a lm o d e l ，d e v e l o p e das p e c i a ls h i f t i n gs t r a t e g ya n dw o r k i n go u to p t i m a l s h i f t i n gr u l e ss u i t i n gt oz l m 5 0w h e e ll o a d e r , w h i c hm a n u f a c t u r e db yc h a n g l i nc o 1 t d a c c o r d i n gt os e m i i n t e l l i g e n ts h i f t i n gr u l e s ，a n dt h ew h e e ll o a d e r so p e r a t i n ge n v i r o n m e n ta l s o i n c l u d e d ，w ee s t a b l i s hab l u ep r i n tc o n c e n t r a t e do na u t o m a t i cs h i f t i n gc o n t r o ls y s t e m i nt h i sf r a m e , l o t so fa n t i i n t e r f e r em e a s u r e sa r ee m p l o y e dt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo fi oi n t e r f a c ec i r c u i t , a n d f u l f i l lt h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ms u c c e s s f u l l y , a n dam u l t i - f r e e d o md e g r e e ss h i f t i n gh a n d l e w h i c hb a s e do np h o t o - e l e c t r i c i t yt e c h n o l o g yi sa l s oi m p r o v e d o u rs o f t w a r ee m p l o y e dar t o s a r c h i t e c t u r e ，w h i c hc a l lb em a i n t e n a n c ea n dr e b u i l dc o n v e n i e n t l y t h el a t e rd e b u g g i n gi n d i c a t e d t h a tt h es o f t w a r eh a sp e r f e c tr e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i ca n de x c e l l e n tm a i n t e n a n c e t h ef o r m e re l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi st e s t e da n da n a l y z e df i n a l l yi nas i m u l a t i o nt e s t - b e d ， w h i c hd e s i g n e d & m a n u f a c t u r e db yu so u r s e l v e s t h er e s u l ti n d i c t e dt h a tt h i sa u t o m a t i cs h i f t i n g c o n t r o ls y s t e mh a v ea c h i e v et h ed e s i g ng o a l ，t h eh a r d w a r eh a sp e r f e c tr e l i a b i l i t y , a n dt h er o u t ef o r s o r w a r ed e v e l o p m e n ti sa l s oc o n t a i ng r e a tf e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , a u t o m a t 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 ts t r a t e g y 同济大学硕士学位论文工程机械自动变速控制系统的研究与开发 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，经整理后 撰写成硕士学位论文“工程机械自动变速控制系统的研究与开发”。论文中除已经注明引用 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或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：a 遮 2 0 0 4 年3 月5 日 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 目前工程机械上大多采用柴油机作为动力装置。柴油机具有结构紧凑、燃油经济性较高 和机动性较好等优点，但它的扭矩适应性系数较小，因而超载能力较低1 7 1 【8 】。为了提高车辆重 载条件下的适应性，几乎所有主传动采用机械传动方式的工程车辆都在其传动系中装备了液 力变矩器一即采用液力机械传动方案| 6 1 i ”l 。实践证明，通过在发动机和变速箱之间增加液 力变矩器，不仅使工程车辆具有了很强的自适应性，柴油机能够满足各种恶劣环境下车辆牵 引工况和运输工况的要求，而且减小了驾驶员的操纵难度与工作强度。 液力变矩器虽然具有无级自动变速的显著优点，但其传动效率却是随着负载情况的变化 而不断改变的，如果仅仅依赖变矩器来适应外界环境的话，传动系在大部分时间里将工作在 低效率区圳9 】嗍尤其是当变矩器工作在高速比区时，其传动效率将大幅度下降。这在一 方面会造成发动机功率的浪费，降低车辆的经济性和动力性；另一方面浪费的功率转化为热 量将使变矩器油温升高，造成机器内部工作环境恶化，致使机器故障率上升。 针对上述问题有效的解决方案是：增加变速箱的挡位数量，同时降低液力变矩器的变矩 范围 2 2 1 1 2 3 l p 们。其思路是当车辆负荷逐渐增加，液力变矩器的传动效率降低到高效区以外时， 只需将变速器降低一个挡位，在保证牵引力不降低的情况下，可将变矩器重新拉回到高效区 工作。该方案既利用到了变速箱的高传动效率，又保留了变矩器的隔离特性，可使车辆在不 损失自适应优点的同时，有效提高传动效率，从而解决了工程车辆的自适应性与经济性之间 的矛盾。但是，由于工程机械工作条件恶劣，载荷变化急剧，增加变速箱的挡位数后，车辆 的变速操纵过程会变得很复杂，这将大大增加驾驶员的劳动强度。因此，有必要采用自动换 挡控制技术，以减轻驾驶员的劳动强度，并从总体上提高整机的动力性与经济性。 1 1 工程机械自动变速技术概述 工程机械发展至今，现代液力机械传动已全面替代了早期的机械传动，当前的液力机械 传动方式也不是传统意义上“液力传动+ 机械传动”的组合，有越来越多的电子技术正在融 入液力机械传动的控$ l l i t 程当中酬博1 1 2 1 1 。近年来微电子技术的飞速发展，带来了车辆电子技 术的长足进步，车辆控制理论也逐步在实际工程中得到应用，许多成熟的电控技术目前已在 汽车工业上得到普遍应用【1 1 1 4 1 1 1 5 0 1 。工程机械自动变速技术正是建立在此基础上的。 1 1 1 工程机械常用传动类型 工程机械最初是为了减轻劳动强度而诞生的，早期的工程机械产品采用机械传动，在以 后多年的发展历程中，曾经出现了多种传动方式t 6 1 1 9 1 t , j t u j ( 参见表1 1 ) 。各种传动方式适用 于不同的应用场合，诸如装载机、平地机、推土机等非路面工程机械，当前普遍采用的是传 动形式是液力传动+ 机械传动，即通过液力变矩器或液力偶合器连接发动机与变速箱，通过 隔离发动机和变速箱来提高发动机的扭矩适应能力，以提高整机在重载条件下的适应性。 同济大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 传动类型调速性能 齿轮传动 行星齿轮变速箱 机械传动 定轴齿轮变速箱 可有级变速，需离合器 带传动 定传动比，不可调速 链传动 液力变矩器动液压无级变速 液力传动 液力偶合器作为自动离合器，本身无变速 液压传动液压泵一液压马达 静液压无级调速 电传动 发电机( 蓄电池) - 电动机直流调压、交流变频无级调速 根据换挡操纵形式的不同，齿轮变速箱有两大类：动力换挡和非动力换挡。上述非路面 工程机械目前已基本采用动力换挡变速器【6 】【1 9 1 4 4 1 1 5 ，即利用离合器、制动器取代原机械变速 箱的滑动齿套和同步器，通过液力换挡控制阀取代手动连杆操纵机构等。本文研究的自动变 速控制系统仅针对采用动力换挡的“液力变矩器+ 齿轮变速箱”传动结构。 1 1 2 自动变速技术的发展历史1 1 】【2 】【”l 4 0 j 自动变速技术首先出现在轿车上。自1 9 4 0 年美国通用汽车( g m ) 公司首先将液力机械 式自动变速器装车应用以来，各主要工业国均在这方面投入了大量的研发力量，2 0 世纪末， 液力机械自动变速器的生产即已形成系列化和专业化。目前，轿车上的自动变速器普遍采用 的是三元件单级液力变矩器加上具3 4 个前进挡和倒退挡的齿轮传动装置( 变速箱) ，因在 通常应用情况下两组成部分不分离，故直接命名其为“自动变速器” 3 1 。 自动变速器是在动力换挡变速箱的基础上发展而来的。2 0 世纪6 0 年代以前的自动变速 器是全液压式的，其控制信号由速度调压阀和油门调压阀产生，何时换挡取决于液压系统设 定的换挡规律例。由于全液压自动变速器换挡规律固定，无法适应复杂多变的外部环境，因 此此类自动变速器存在着很大的应用局限性。此外，由于液压逻辑元件的制造精度高、结构 比较复杂，全液压自动变速器还存在着故障难于排查，故要求可靠的密封与滤清装置p 1 【4 1 。 电控自动变速器的问世，迅速改变了以上状况。电控液压换挡技术与全液压换挡技术的 不同之处在于：其自动换挡的控制系统是由计算机或微处理机来完成的，控制换挡的输入信 号也相应地变为电信号，仅换挡执行机构是液动的，故称之为“电控液动自动操纵系统”。 电控液压换挡系统在车辆上的应用，以1 9 6 9 年法国雷诺公司的t 1 6 t a 为里程碑。 电控技术开始用于车辆以后，控制系统的各种限制陆续得到突破【3 6 l 。随着大规模集成电 路的发展，美国g m 公司从1 9 7 6 年开始将微机用于发动机的控制系统，从而彻底地扫清控 制系统在车辆自动化方面的障碍。上世纪8 0 年代以来，国外汽车制造商陆续在汽车上装备电 控自动变速器，汽车工业由此进入新的发展时期，并进一步促进了自动变速技术的发展。 2 同济大学硕士学位论文第一章绪论 自动变速技术在汽车上的飞速发展，也推动了它在工程车辆上的应用。国外自动变速技 术在工程车辆上的应用是从2 0 世纪8 0 年代开始的，到2 0 世纪9 0 年代中期，美国7 0 以上 的工程车辆都已装备了自动变速器，日本达到了6 0 ，欧洲许多国家也达到了3 0 t 1 1 1 1 2 。自 动变速技术的采用大大地提高了工程机械产品的市场竞争能力，因而发展非常迅速，目前主 要应用范围包括装载机、平地机、叉车和自卸车等。 1 1 3 工程机械自动变速技术的应用背景 自动变速相比手动操纵具有以下优点【1 9 】【3 0 “1 1 5 1 1 ： 团 减轻驾驶员劳动强度并提高作业效率操纵工程车辆的主要任务在于根据不断 变化的作业条件，对车辆的行驶与速度情况进行机动灵活的控制。如果驾驶员必须 连续不断地进行频繁的换挡操作，则其注意力将处于高度紧张状态：自动换挡控制 系统可使驾驶员从中解放出来，从而可专注于工作装置的操纵，集中精力完成作业 任务，在减轻劳动强度的同时提高车辆的作业效率。 团 减少驾驶员操纵技术差异对作业的影响工程车辆的作业性能除与其自身的结 构特点相关外，还有赖于正确的控制和操纵。自动变速控制系统通过微计算机系统 执行自动换挡操纵，可根据外部环境选择换挡时机，因此可不依赖驾驶员的操纵水 平，而使发动机功率高效率地转换成作业牵引功率，提高整车的经济性与动力性。 团 改善换挡过渡特性并提高传动系寿命自动变速控制系统还可按不同外部工况 条件设定相应的换挡过渡，保证换挡过程的连续性与平稳性，从而不仅能有效改善 换挡品质，提高驾乘舒适性，而且在减小换挡冲击的同时可延长传动系的寿命。 团 减少车辆排放降低环境污染发动机尾气是当今主要公害之一，而车辆废气的构 成与发动机的使用条件密切有关：柴油机在稳定工作时排放量小，在非稳定工作状 态时排放量大，在接近怠速或接近最高转速时排放量大。自动换挡技术能把发动机 调整在污染较小的转速范围内工作。在不牺牲动力性的同时降低环境污染。 正是因为具备以上这些优点，电控自动变速器从2 0 世纪8 0 年代就开始在工程机械上的 初步应用【1 】【2 1 1 。现代自动变速技术是电子控制技术与车辆技术结合后的产物近年来车辆 电子技术随着微电子工业的发展得到了极大的发展【4 1 】m ，也为工程机械传动系采用现代电子 控制技术提供了产业化条件。自动变速器已成为当今高档工程机械产品的标准配置。 现代自动变速技术也是人类社会进步与可持续发展的现实要求。随着社会不断发展进步， 用户对车辆的行驶性能、燃油经济性、废气排放和操作性能等方面的要求也越来越高，通过 电控系统实现变速器的自适应换挡，不仅可降低燃料消耗，同时还能改善换挡品质，并可在 减小换挡冲击的同时延长传动系的寿命，从总体上提高整机的动力性与经济性瞄j 。工程机械 作业范围广、任务复杂且环境恶劣，自动换挡还可使驾驶员从频繁换挡动作中解脱出来，使 其更加能集中精力完成作业任务。自动换挡技术在工程机械上的应用极具现实意义。 3 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 自动变速控制系统的结构原理与应用分析 1 2 1 自动变速系统的结构原理 自动变速系统的基本组成如图1 - 1 所示。 辅助信息车况信息操纵信息 图1 1 电控自动变速系统组成框图 目前工程车辆应用最广泛的自动变速器是“电液控自动变速系统”。其核心是电子控制 单元 e c u ) ，该系统可捕捉司机意图，根据输入的车况信号( 发动机油门开度、变矩器涡 轮与导轮转速、变矩器油温等信息) 和其他辅助信号，按软件设定的模式选择挡位，并实时 输出换挡控制信号和其他附加信号。大部分换挡控制系统还备有监控与诊断接口等。 图1 - 2 给出的例子可基本反映电子控制单元与输入输出信号问的关系。 发动机转速信号 涡轮转速信号 挡位选择信号 油门开度 变矩器油温 制动信号 模式选择开关 k i c kd o w n 开关 ：n 咖： l 旷 ；吐一 - 匕n- 输控车 塞 输 in - 旷 !门 。 ：7 制 曩 电 iu 霉据路 出 j i ： ：卜 ，r i 入 i ! 吐 ，r u f l l卜 u 娩i 乏 信 i夕 信 r l 弋：(7弋7弋夕 7 iu 焱k i f l -i j 、一!( 号 jj 号 ic l ：、r - 叫 微处理器 - - v ： u ；、 i ，r - 图l - 2 换挡控制器e c u 与输入，输出信号的关系 一4 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 上述自动变速控制系统一方面利用了微电子元件和微处理器的传递信号快、消耗功率 小、便于模块化等特点，实现变速控制的信号检测、数据处理和传输控制；另一方面也利用 了液压传动装置能量密度高、便于控制和工作可靠等特点，通过电磁阀驱动液力换挡阀完成 挡位选择，使换挡控制输出得以执行，有的还使用了缓冲阀完成换挡过程中的品质控制。 1 2 2 装载机的作业特点与传动系结构形式 装载机是工程机械中的一个重要机种，在我国有多年的发展历史，目前在工程建设中的 应用非常普遍，适用于建筑、矿山、铁道、公路、水电等国民经济各个部f - j m 。本文讨论的 工程机械自动变速控制系统将以轮式装载机为应用对象。 首先研究装载机的作业特点。轮式装载机属于多用途设备，它在不同使用工况下的作业 特点可以归纳为： 专 行走运输工况：主要是前进方向的载货或空载行驶。机器负荷与一般路面车辆相同。 循环作业工况：装载作业是轮式装载机的主要用途，其作业方式有多种，但无论哪 一种作业方式都要有快速接近物料、低速插入物料、低速离开物料、快速到达卸料 点等多个复合动作。机器负荷变化急剧。 争 重载牵引工况：作为非路面牵引车，或替代推土机使用。机器长时间处于低速重载。 装载机的上述作业特点决定了其传动系的基本结构形式：为了保证机器作业时有足够的 插入力，轮式装载机大多采用“液力变矩器+ 动力换挡变速箱”p 】1 6 l 一即前述的液力机械 传动方案，以提高车辆铲装作业时的自适应能力，从而兼有了液力传动和机械传动的优点。 采用液力机械传动可提高车辆克服低速重载的能力，但这是以牺牲效率达到的。国产装 载机目前普遍采用的“双涡轮液力变矩器+ 二前一后动力换挡变速箱”传动方案是从2 0 世纪 6 0 年代起沿用至今的 2 3 1 ，由于其作业时完全依靠变矩器来适应负载变化，在重载作业时传动 效率极低，故该方案仅适宜于短时间内克服重载。 实际作业时，除行走运输工况外，装载机会频繁出现低速重载工况，由于不允许变矩器 长期在低效区工作，通过增加变速箱挡位，同时降低液力变矩器变矩比并提高变矩效率的传 动方案是更合理的。近年来已经有部分国产装载机开始采用了“多挡位动力换挡变速箱+ 高 效三元件液力变矩器”的传动方式，以通过适时的换挡操作来适应负载，减少传动系对变矩 器的依赖，提高机器在重载作业时的传动效率。 对于多挡位液力机械传动方案，当装载机处于循环作业工况时，驾驶员能否正确及时地 换挡就变得非常重要了。多挡位液力机械传动方案要求驾驶员能够换挡及时，这不但是保证 工作装置插入力的需要，也是降低燃料消耗，减少环境污染，提高生产率的需要。如果实际 使用时需要不停地操纵换挡手柄，非但不能提高效率，反而将延误了作业时问，增加了操作 者的劳动强度。因此，采用多挡位变速箱以后，必须使用自动变速技术。 5 同济大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 工程机械自动变速控制系统的设计要求 工程机械作业范围广、任务复杂且环境恶劣，自动变速控制系统应该能适应各种不同的 工况条件，考虑到自动变速系统的功能特点，一般要达到以下要求1 1 9 ) 1 2 1 i f 3 1 】： 操作性要求要能简化换挡操纵，保证作业时的驾驶性能。驾驶员只须控制车辆的 前进与后退，无需根据路面与工况条件频繁进行换挡操纵，以便集中精力进行作业， 这是自动变速控制系统的主要任务。 动力性要求 在简化驾驶员操纵的同时不应该降低作业效率。这是工程机械产品本 身功能的要求，必要时可牺牲一定的经济性来保证整机的最佳动力性。 经济性要求在保证动力性的同时，必须考虑发动机的油耗特性。及时的换挡可避 免发动机液力变矩器工作在低效区，整机大部分时候应有良好的经济性。 舒适性要求 改善换挡品质，即要求换挡决策快速正确，换挡过程平顺柔和。选择 适合的微处理器与接口电路完成换挡操作，换挡品质主要通过来软件调整。 1 2 4 关于工程机械的挡位决策问题【2 i 2 8 1 1 3 4 工程机械传动系的自动操纵问题涉及“入期环境工程”，工程车辆的自动变速受到 驾驶员的主观操纵、复杂多变的外部工作环境、车辆的运行状况以及作业工况等多方面因素 的共同影响，因此自动变速的控制问题十分复杂，若想获得理想的控制效果也十分困难。 传统的挡位决策方法，一般来说都是针对某特定的条件，选择对应的控制指标进行优 化后得到的。这样，当车辆实际运行条件与这一特定条件不一致时，或者驾驶员追求的驾驶 目标和优化的指标不一致时，这个规律给出的挡位是不能令人满意的。近年来针对运输车辆 提出的模糊换挡策略等理论，虽然可以较好地修正“两参数换挡策略”，但对于工程机械的自 动换挡，有关的研究成果还不多见。此外，由于汽车一不论是载重车还是轿车，都只有一 种工况，即运输工况，而对于象装载机这样的工程机械来说，有两种典型的工况：作业工况 和运输工况，而且其作业工况要比运输工况复杂得多，工程机械的换挡策略与汽车的换挡策 略有很大的不同。因此，需要我们深入研究适合于工程机械的换挡策略。 1 3 国内外工程机械自动变速技术现状与发展趋势 1 3 1 国外应用与研究现状【1 4 1 1 2 1 1 瞄】【5 3 1 国外有关工程机械自动变速技术领域的研究文献较少，但从其应用来看，相关的理论研 究已很深入，自动变速已得到推广应用，目前正普遍装备于各类新型工程机械。当前国外最 前沿的技术是“发动机i - 变矩器整机集成控制，即除了自动变速之外，还可控制发动机 的转矩、油耗，以及变矩器的油液高度等。目前国外研究的重点是如何提高电子控制系统的 集成化程度，通过与空间技术、通信技术、地球地理信息系统等资源相结合，扩大联合控制 的范围。工程机械信息化程度已成为反映制造商技术水平的重要指标之一。 一6 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 国外工程机械自动变速的关键技术仅掌握在少数几家大公司手中，主要有：美国卡特彼 勒公司，欧洲v m e 集团的v o l v o 公司，日本的小松制作所、川崎重工等业界臣头，融入信 息技术的自动控制系统正越来越成为这些工程机械巨头们最重要的利润来源。 1 3 2 国内研究与应用现状【1 9 l 【2 3 1 1 2 6 与国外企业相比，国内企业在自动控制领域的应用研究几近空白，而有关科研机构与高 等院校虽然从上世纪8 0 年代即开始研究，但直到本世纪初，大部分有关自动变速控制的研究 都仅仅停留在实验室阶段，没有成功应用的实例。 与此同时，为了提升产品档次与开拓国际市场，国内近年来已有工程机械企业开始引进 自动变速箱装备其高档产品，例如：柳州工程机械股份有限公司于1 9 9 9 年开始推出的z l 5 0 g 轮式装载机，装备了德国z f 公司生产的整套全自动变速器系统。与此同时，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，山东工程机械集团也开始 引进日本小松d 1 5 5 推土机的自动变速系统。国内工程机械制造业已给出了明显的产品更新 与技术升级信号。 1 3 3 工程机械自动变速技术发展趋势 电子技术、现代控制理论、智能控制技术、计算机技术的发展都对自动变速技术的发展 起着十分重要的作用【1 1 1 3 6 1 1 4 9 1 。随着微电子技术的飞速发展，新近发展起来的控制理论能够迅 速得到应用，动力换挡自动变速器的设计目前已经达到了相当高的水平。如何进一步提高车 辆动力性、燃油经济性，改善安全性和舒适性是目前工程机械自动变速技术研究的主题。 当前工程车辆自动换挡技术的研究重点主要放在以下几个方耐1 6 1 1 2 9 1 3 4 1 1 4 2 】【5 3 1 ： 换挡策略和换挡品质的控制 闭锁离合器与液力变矩器控制 动力传动系统的联合控制 1 4 自主开发工程机械自动变速控制系统的应用前景 1 4 1 自主开发自动变速控制系统的可行性 首先从企业需求考虑：如前所述，面对产品升级换代的压力，国内工程机械制造企业已 开始陆续进口自动换挡变速器，以装备其部分高档次产品。国外工程机械采用的自动换挡变 速器，其控制系统虽然成本不高，但技术含量高且保密性好，且是产品的重要利润来源，为 维持其商业利益与产品竞争力，国外企业转让该技术的可能性也不大。 如果我们能够利用自己的技术，将现有产品的传动系升级为自动换挡系统，则可通过相 对低廉的成本有效提升国产工程机械的档次，这对于提高国产工程机械的传动效率和作业生 产率，增强我国工程机械产品的国际竞争力是都非常有益的。 同济大学硕士学位论文第一章绪论 其次从技术上分析：国内现有工程机械广泛采用液力机械传动，而自动变速器就是采用 液力变矩器+ 行星齿轮腱轴式变速箱组成。因此我们并不需要对现有的机械部件做太大的改 动，只需实现当前已有变速箱的自动换挡控制问题的关键在于控制系统的开发。 最后分析控制系统的硬件构成：系统需要的关键器件，包括工业级单片计算机、微机外 围接口电路以及高性能传感器等，目前国内市场上都有成熟产品可供选用。我们只要选择合 适的控制信号，制定正确的自动控制策略，就一定能够开发出高水平的具有自主知识产权的 工程机械自动变速控制系统。 1 4 2 自动变速控制系统的开发难点 工程机械为适应不同的作业环境，产品构成具有小批量、多品种的特点不同产品系 列的交速器都是不通用的。因此自动控制系统虽然硬件电路的差异性不大，但需要针对不同 的“发动机一变矩器一变速箱”分别进行输入输出匹配及相应的程序编制工作，整个开发与 试验过程比较繁杂。本文将针对某具体型号轮式装载机，研究适合其传动元件特性的自动变 速控制系统，待掌握核心技术后，再推广应用到其他工程机械控制系统上。 开发过程中需要解决的关键技术包括【l7 l 【2 6 j ( 3 习： 0换挡规律的制订及其在具体变速箱上的实现 口恶劣环境下系统电路与接口的抗干扰性( 电磁兼容性) 口控制系统软件的容错性设计与可靠性设计 1 4 3 自主开发控制系统的应用前景 目前国内工程机械的产销量非常大，但长期以来，我国在能源、交通、水利等方面的重 要工程中主要使用进dt 程机械。近年来国内有部分企业为了提升产品档次，在其部分高档 产品上装备了自动变速器，但无一例外都只能采用整套进口变速器组件，不仅进口部分成本 非常高，而且累及主机传动系整体构架的受制于人，因此极大地影响了整机的市场竞争力。 如果我们能够掌握自动变速器的核心技术，逐渐开发具有自主知识产权、各种适合国内 工程机械的自动变速器控制系统，必将大大提升国产工程机械的产品档次，迅速增强国产工 程机械产品的市场竞争力。自动变速控制系统在国内有非常良好的应用前景。 1 5 本文的主要研究内容 本文将以某型号轮式装载机为例，进行工程机械自动变速控制系统的研究开发。 建立装载机传动系的数学模型； 研究典型工况下的换挡控制策略； 进行控制系统的硬件设计及软件开发： 对所开发的自动换挡控制系统进行试验研究。 8 同济大学硕士学位论文第二章装载机传动系数学模型分析 第二章装载机传动系数学模型分析 2 1 装载机传动系的组成 轮式装载机基本上都采用液力机械传动，主要由发动机、变矩器、变速箱和驱动桥等部件 组成【5 1 1 6 1 ，我们在研究装载机传动系的动态性能时，对这些组成部件不能简单分开孤立地分析， 而应置于车辆传动的具体环境中，把它们作为子系统进行分析和综合。图2 1 为常林股份有限 公司生产的z l m 5 0 装载机的传动简图，本文所述的自动变速控制系统将应用于该产品上。 如图2 1 所示，柴油机输出的动力通过液力变矩器，经传动轴传至变速箱，再经传动轴传 至前后驱动桥，驱动桥中的主传动器实现降低转速、增大转矩，并经差速器将动力分别传至左 右驱动轮使左右驱动轮在车辆转弯时获得转速差，驱动桥中的轮边减速器则进一步增大传 给驱动轮的转矩并降低转速。在上述液力机械传动中，鉴于液力变矩器油路系统中的泵、过滤 器、冷却器等元件已构成完整的液压系统，可利用其油压实现变速箱的动力换挡操纵【5 1 1 6 1 ，因 此绝大多数变速箱都采用动力换挡。另外，由于液力变矩器的隔离作用，装载机的液力机械传 动系中不采用主离合器，所有主离合器的功能，诸如防止柴油机过载熄火、平稳换挡和起步、 中断动力传递、实现微动等功能均由液力变矩器直接完成 9 1 。 以上简单介绍了装载机传动系的总体构成，下面将结合装载机的常见工况，分析传动系及 其各子系统在各种环境下工作状态与过渡过程的数学模型。 1 变速箱2 变矩器 3 柴油机4 驱动桥( 后)5 驱动桥( 前) 图2 - 1 装载机传动系工作简图 9 同济大学硕士学位论文第二章装载机传动系数学模型分析 2 2 柴油机特性及模型 柴油机的工作过程是一个比较复杂的过程，因此很难用一个精确的数学表达式来表示，但 由于装载机在正常行驶时，发动机基本处于稳态一发动机的宏观动态特性与其稳态特性相差 不大，因而可近似采用稳态模型作为其计算模型5 1 1 8 1 1 1 0 】。本文将首先讨论柴油机的常用特性， 并对其进行数字化处理，为后面进一步与变矩器匹配计算做准备。 柴油机的特性是指其性能指标随工况变化情况的关系 7 1 ，制造商一般通过台架试验获得相 应型号柴油机在不同工况下的性能指标，在试验数据的基础上采用拟合公式来描述柴油机 常用特性一般以曲线形式提供给用户。与工程机械应用有关的柴油机特性包括：速度特性、负 荷特性、万有特性以及调速特性 s l ，下面对这些特性分别进行讨论。 2 2 1 柴油机的速度特性 柴油机的速度特性是指当供油量调节机构位置 一定时，柴油机的功率、扭矩、燃油消耗率等指标 随转速变化的关系7 1 ( 如图2 - 2 所示) ，由于装载机 在变矩器与柴油机匹配时最有用的是扭矩与转速的 变化规律【9 l 【1 0 1 一即柴油机的输出特性： 脱= 尥俐 ( 2 1 ) 因此，下面将重点讨论柴油机的转矩随速度而 变化的关系。 首先讨论柴油机对外界负荷的适应能力。当柴 油机供油量调节机构位置固定时，外界负荷变化将 引起柴油机转速的变化( 如图2 - 3 所示) ，由于柴油 膨 机扭矩曲线较平坦，所以即使阻力矩变化a m 很微 小，也要引起很大的转速变化【s 1 ，即柴油机对外界负 荷适应性差。适应性的大小可通过扭矩适应性系数 局，来衡量【7 】： “= 瓦m e ：= m a x ( 2 2 ) 式中：睨朋，一最大有效扭矩 尥物耐一最大功率时的扭矩 图2 - 2 柴油机的速度特性 图2 3 外界负荷与柴油机转速 从扭矩适应性系数的定义可知：蜀，越大，意味着必狮戗和从帕黼的差值越大，即扭矩曲 线越陡则柴油机对外界负载变化的适应性越好。柴油机不校正时，其蔚，= 1 0 5 1 1 ，采取校正 措施后 有所增加，工程机械用柴油机要求 新大于1 1 s l 。 1 0 - 同济大学硕士学位论文 第二章装载机传动系数学模型分析 除扭矩适应性系数 新外，柴油机的扭矩储备系数也是影响其对外界负载适应能力的重 要参数 7 1 。 =丝竺二丝1 0 0 ( 2 3 ) m g 式中：比广一标定功率时的扭矩 显然，扭矩储备系数越大，意味着柴油机克服外界阻力的潜力越大。当柴油机最大功率 时的扭矩和标定功率的扭矩相等时，则蔚，和的含义一致，即凰，越大，则也越大；当柴 油机最大功率和标定功率不相同时，和墨，的含义就不一致。由于装载机的外界负荷变化非 常大，应保证柴油机有较大的扭矩储备系数，一般不小于1 5 一, 2 0 8 1 。 其次讨论柴油机的转速适应性。除要求较大的局f 及值外，工程机械用柴油机还要求最 大扭矩时的转速和标定功率时的转速有较大的差值i s 。一般通过转速适应性系数墨来衡量忉： 刀 k，=一(2-4) r i m e m “ 式中：m 缸榭广最大扭矩时的转速 当外界负荷增大而供油量调节机构位置不变时，柴油机转速将会下降川，若转速下降到最 大扭矩时仍不足以克服外界阻力矩时，则司机就要“换挡”，否则柴油机将闷车。因此，工程 机械用柴油机的转速适应性系数最好不小于1 3 1 4 嘲。 通过校正柴油机的供油量调节机