一種大馬力拖拉機恆扭矩動力的升擋控制方法與流程

2023-10-08 04:58:29

本發明屬於拖拉機動力換擋控制領域，具體來說是一種針對多離合器式大馬力拖拉機恆扭矩動力的升擋控制方法。

技術背景

拖拉機工作有以下特點：(1)受農藝和機具承載能力影響，一般勻速運動；(2)為了提高生產率，油門開度一般在80％以上；(3)工作阻力會波動，傳統的手動變速器難以適應工作阻力的變化，需停車換擋；針對拖拉機的作業特點，國外提出了『powershift』(動力換擋)傳動系統，配置這種傳動系統的拖拉機成本也比較高。該傳動系統有效擴大了拖拉機持續工作的工作阻力範圍，避免了傳統手動變速器因工作阻力變化引起的頻繁停車換擋，提高了拖拉機的生產效率。拖拉機作業換擋一般在很大負載條件下，若採用非動力換擋控制方法，由於車速低，拖拉機很容易停車，從而影響生產率。如何避免拖拉機在自動變速過程中因動力中斷而停車是拖拉機動力換擋控制系統研發過程中需要解決的關鍵問題之一。

所謂動力換擋，又稱「帶載換擋」，是在滿足一定換擋品質要求的前提下，保證換擋過程中動力不中斷的換擋。動力升擋屬於動力換擋技術的一部分，在多離合器式動力傳動系統中，通過兩個或多個離合器實現換擋過程動力持續輸出，當分離離合器還未完全分離時接合接合離合器，以保證動力不中斷。但在升擋過程中，當接合離合器完全接合時，若分離離合器仍然未分離，則產生寄生功率，寄生功率也被稱之為循環功率，該功率除了造成不必要的能量損失外，還會對傳動系統零部件造成很大損害。拖拉機作業有牽引、旋耕和收割多種形式，當作業時，動力升擋還需保證拖拉機作業質量和效率，若在升擋過程中拖拉機的輸出扭矩變化過大，則無法保證作業質量，容易對機具造成損害，同時且伴隨會出現升檔頓挫，影響升檔平順性，而僅僅通過對大馬力拖拉機的換擋離合器進行控制無法很難實現動力升檔過程中始終恆扭矩輸出。

技術實現要素：

本發明為克服現有技術存在的不足之處，提出一種大馬力拖拉機恆扭矩動力的升擋控制方法，以期通過對分離、接合離合器壓力以及柴油發動機輸出功率進行控制，實現動力升擋過程中變速傳動系統始終保持恆扭矩輸出的目的，從而使得拖拉機動力換擋平順、無衝擊。

本發明為解決技術問題採用如下技術方案：

本發明一種大馬力拖拉機恆扭矩動力的升擋控制方法的特點是將拖拉機恆扭矩動力升擋控制的過程分為：換擋準備階段、檔位重疊階段、轉速同步階段和接合強化階段，並按如下步驟進行：

步驟1、在所述換擋準備階段，增大接合離合器的作動壓力至所述接合離合器維持的壓力p準，使接合離合器處於扭矩傳遞臨界狀態，以消除接合離合器的空行程；

步驟2、在所述檔位重疊階段，逐步增大所述接合離合器的作動壓力至接合離合器負載扭矩壓力p合為止，並逐步減小所述分離離合器的作動壓力，且分離離合器與接合離合器的作動壓力滿足檔位重疊階段的壓力增量關係，同時提高柴油發動機的輸出功率δpe以補償接合離合器的滑摩功損失；

在檔位重疊階段結束時刻，保持所述接合離合器的作動壓力為所述接合離合器的負載扭矩壓力p合，並減小所述分離離合器的作動壓力至0；

步驟3、在所述轉速同步階段，保持接合離合器的作動壓力，同時降低柴油發動機輸出功率至負載功率pl並維持不變，直至所述接合離合器主從動盤的轉速同步為止；

步驟4、在所述接合強化階段，保持柴油發動機的輸出功率不變，同時增大所述接合離合器的作動壓力至接合離合器扭矩傳遞的壓力上限p終。

本發明所述的大馬力拖拉機恆扭矩動力的升擋控制方法的特點也在於：

利用式(1)計算所述接合離合器在準備階段維持的壓力p準：

式(1)中，fpre為所述接合離合器的復位彈簧的預壓縮彈簧力；ff為活塞摩擦力；ah為活塞有效作用面積。

利用式(2)計算所述接合離合器的負載扭矩壓力p合：

式(2)中，q為相鄰兩擋傳動比比值；tl為所述分離離合器傳遞的扭矩；k為摩擦特性係數，由摩擦片片數、摩擦接觸面內外徑和摩擦片材料決定；

檔位重疊階段的接合與分離離合器壓力增量關係滿足式(3)：

式(3)中，δp分為所述分離離合器的壓力增量；δp合為所述接合離合器的壓力增量，q為相鄰兩擋傳動比比值。

在檔位重疊階段提高的柴油發動機的輸出功率δpe滿足式(4)：

δpe＝kδp合δω合(4)

式(4)中，δω合為接合離合器主從動盤的轉速差。

轉速同步階段的負載功率pl按式(5)計算：

pl＝tlωv(5)

式(5)中，ωv為輸出軸轉速。

利用式(6)計算所述接合離合器扭矩傳遞的壓力上限p終：

p終＝ηp合(6)

式(6)中，η為大於1的係數。

與已有技術相比，本發明的有益效果體現在：

1、本發明通過建立換擋過程中檔位重疊階段的分離與接合離合器作動壓力的增量關係，使得接合離合器在檔位重疊階段始終處於結合狀態，減少了不必要的滑摩功損失。

2、本發明根據在換擋過程中的功率平衡關係，在升擋過程中通過提高柴油發動機的輸出功率彌補了在檔位重疊階段的滑摩功損失，從而實現了輸出扭矩恆定、換擋無衝擊。

附圖說明

圖1為本發明動力換擋變速器的動力傳遞路線示意圖；

圖2為本發明柴油發動機輸出功率變化曲線圖；

圖3為本發明分離接合離合器作動壓力變化曲線圖。

圖4為本發明換擋過程中輸出扭矩變化曲線圖；

圖5為本發明換擋過程中輸入輸出轉速變化曲線圖。

具體實施方式

本實施例中，一種大馬力拖拉機恆扭矩動力的升擋控制方法，是將拖拉機恆扭矩動力升擋控制的過程分為：換擋準備階段、檔位重疊階段、轉速同步階段和接合強化階段，通過對接合離合器、分離離合器和發動機的協調控制實現恆扭矩升檔，參閱圖1-圖5，具體的說，是按如下步驟進行：

步驟1、在換擋準備階段，即t1～t2階段，增大接合離合器的作動壓力至接合離合器維持的壓力p準，使接合離合器處於扭矩傳遞臨界狀態，以消除接合離合器的空行程；

接合離合器在準備階段維持的壓力p準利用式(1)計算：

式(1)中，fpre為所述接合離合器的復位彈簧的預壓縮彈簧力；ff為活塞摩擦力；ah為活塞有效作用面積。

步驟2、在檔位重疊階段，即t2～t3階段，逐步增大接合離合器的作動壓力至接合離合器負載扭矩壓力p合為止，並逐步減小分離離合器的作動壓力，且分離離合器與接合離合器的作動壓力滿足檔位重疊階段的壓力增量關係，同時提高柴油發動機的輸出功率δpe以補償接合離合器的滑摩功損失，分離離合器傳遞扭矩逐步減小，接合離合器傳遞扭矩逐步增大，動力逐步從分離離合器過渡到接合離合器，同時輸出扭矩恆定；

在檔位重疊階段結束時刻，保持接合離合器的作動壓力為接合離合器的負載扭矩壓力p合，接合離合器傳遞了所有負載扭矩，減小分離離合器的作動壓力至0，接合離合器傳遞的扭矩為0，變速器的輸出扭矩等於負載扭矩；

接合離合器的接合離合器負載扭矩壓力p合利用式(2)計算：

式(2)中，q為相鄰兩擋傳動比比值；tl為所述分離離合器傳遞的扭矩；k為摩擦特性係數，由摩擦片片數、摩擦接觸面內外徑和摩擦片材料決定。其中，摩擦特性係數k的計算按照以下方法進行：

1、當離合器為乾式離合器時，摩擦特性係數k利用式(3)計算：

式(3)中，μ、s、z、r0、r1分別為離合器摩擦係數、接觸面積、摩擦片片數、摩擦片外徑和內徑。

2、當離合器為溼式離合器時，摩擦特性係數k可通過臺架實驗得到，具體按照以下實驗方法進行：

將溼式離合器接入離合器試驗臺，試驗臺的輸出端接入負載，離合器的作動壓力fsend和負載扭矩tload通過電動液壓油泵提供，定義離合器作動壓力調節步距為δfsend、負載扭矩調節步距為δtload。

(1)施加離合器作動壓力fsend＝δfsend，並保持不變，同時施加負載扭矩為δtload，並不斷調整負載扭矩大小直至離合器開始滑摩且離合器的從動端勻速運動，記錄當下施加的負載扭矩大小δtload1，保存離合器作動壓力fsend＝δfsend和負載扭矩tload＝δtload1；

(2)以離合器作動壓力調節步距δfsend增大加離合器的作動壓力fsend＝2δfsend，並保持不變，同時施加負載扭矩為δtload，並不斷調整負載扭矩大小直至離合器開始滑摩且離合器的從動端勻速運動，記錄當下施加的負載扭矩大小δtload2，保存離合器作動壓力fsend＝2δfsend和負載扭矩tload＝δtload1；

(3)重複上述試驗步驟，得到離合器的作動壓力與其傳遞扭矩的散點圖，然後採用線性擬合方法擬合離合器的作動壓力與其傳遞扭矩曲線，即可得到摩擦特性係數k。

檔位重疊階段的接合與分離離合器壓力增量關係滿足式(4)：

式(4)中，δp分為所述分離離合器的壓力增量；δp合為所述接合離合器的壓力增量。

接合與分離離合器壓力增量關係滿足式(4)可保證在檔位重疊階段分離離合器處於接合狀態，以減少不必要的滑摩功損失，而接合離合器與分離離合器傳遞扭矩的增量關係滿足式(5)：

當分離離合器處於接合狀態時，分離離合器的壓力增量和其傳遞的扭矩增量並不成線性關係；而當接合離合器處於滑摩狀態時，接合離合器的壓力增量和其傳遞的扭矩增量存在線性關係。

為保證在換擋過程中輸出功率和輸出扭矩恆定，需要提高發動機輸出功率以補償滑摩損失功率，在檔位重疊階段提高的柴油發動機的輸出功率δpe滿足式(6)：

δpe＝kδp合δω合(6)

式(6)中，δω合為接合離合器主從動盤的轉速差。

步驟3、在轉速同步階段，即t3～t4階段，保持接合離合器的作動壓力，同時降低柴油發動機輸出功率至負載功率pl並維持不變，直至接合離合器主從動盤轉速同步為止；

轉速同步階段的負載功率pl按式(7)計算：

pl＝tlωv(7)

式(7)中，ωv為輸出軸轉速。

在轉速同步階段階段，接合離合器已傳遞所有負載扭矩，但其主動盤轉速大於從動盤轉速，仍處於滑摩狀態；由於從動盤受力平衡，接合離合器的從動盤轉速不變或勻速運動，需要降低，接合離合器的主動盤轉速來實現其主從動盤轉速同步。

由於發動機的輸出功率需等於負載功率，在轉速同步階段階段保持發動機的輸出功率等於負載功率即可，則降低柴油發動機輸出功率至負載功率；對於整個傳動系統，發動機的輸出功率為系統輸入功率，負載功率為系統輸出功率，則輸入功率等於輸出功率，而接合離合器滑摩消耗能量，根據能量守恆原理，整個傳動系統機械能減少，由發動機在轉速同步階段的輸出功率補償，由於輸出軸轉速不變，因此輸入軸轉速下降，即接合離合器主動盤轉速下降，最終實現接合離合器主從動盤的轉速同步；在轉速同步階段分離離合器傳遞的扭矩為0，接合離合器傳遞的扭矩等於負載扭矩，輸出扭矩等於負載扭矩。

步驟4、在接合強化階段，即t4～t5階段，保持柴油發動機的輸出功率不變，同時增大接合離合器的作動壓力至接合離合器扭矩傳遞的壓力上限p終。

接合離合器扭矩傳遞的壓力上限p終利用式(5)計算：

p終＝ηp合(5)

式(5)中，η為大於1的係數。η的取值根據離合器傳遞扭矩大小的波動範圍而定，其取值範圍為[1.1,1.5]，若η的取值過大，則容易造成液壓管路洩漏；反之，則容易引起接合離合器打滑。

通過以上步驟對柴油機的協調反饋控制，以及對換擋離合器的控制實現大馬力拖拉機的恆扭矩動力升擋控制，能夠實現輸出扭矩恆定、換擋無衝擊。

實施例：本實施例使用本發明的拖拉機升檔控制方法對某型號大馬力拖拉機動力換擋變速器進行3檔升4檔控制。

參閱圖1，c1、c2、c3和c4分別為換擋離合器，當離合器c1、c4接合，離合器c2、c3分離時，動力換擋變速器檔位為3檔；當離合器c1、c2分離，離合器c3、c4接合時，動力換擋變速器檔位為4檔；3當變速器檔位從3檔升4檔時，離合器c1從接合狀態變為分離狀態，離合器c3從分離變狀態為接合狀態，功率流逐步從離合器c1過渡到離合器c3。

某型號大馬力拖拉機動力系統參數如下：分離離合器傳遞的負載扭矩tl為380n.m；活塞缸預壓縮彈簧力fpre為20n；活塞摩擦力ff為10n；活塞有效作用面積ah為0.01m2；k為0.098n.m/pa；q為1.2；η為1.12；檔位重疊時間t合為0.4s；接合離合器主從動盤轉速差為40rad/s；輸出軸轉速ωv為150rad/s。

根據式(1)計算接合離合器在準備階段維持的壓力p準＝300pa；根據式(2)計算接合離合器負載扭矩壓力由於檔位重疊時間t合為0.4s，因此接合離合器壓力上升速率根據式(3)計算分離離合器壓力下降速率可取8000pa/s；根據式(4)計算檔位重疊階段的發動機補償功率根據式(5)計算接合離合器扭矩傳遞的壓力上限p終＝ηp合＝5211pa；根據式(7)計算負載功率pl＝tlωv＝57kw。

參閱圖2，pe為柴油發動機的輸出功率，在t2～t3階段，提高的柴油發動機輸出功率為以補償接合離合器的滑摩功損失；在t3～t4階段，降低柴油發動機輸出功率至負載功率pl＝tlωv＝57kw並維持不變；在t4～t5階段，保持柴油發動機的輸出功率57kw不變。

參閱圖3，pc1為分離離合器的作動壓力，pc3為接合離合器的作動壓力，在t1～t2階段，增大接合離合器的作動壓力pc3至接合離合器維持的壓力p準＝300pa，使接合離合器處於扭矩傳遞臨界狀態，以消除接合離合器的空行程；在t2～t3階段，檔位重疊時間t合＝0.4s，pc1與pc3滿足式(4)的壓力增量關係，且接合離合器作動壓力pc1上升速率分離離合器作動壓力pc3下降速率可取8000pa/s；在t3～t4階段，接合離合器作動壓力pc1為0，保持分離離合器作動壓力pc3＝p合＝4653pa直至接合離合器主從動盤轉速同步為止；在t4～t5階段，增大接合離合器的作動壓力pc3至接合離合器扭矩傳遞的壓力上限p終＝ηp合＝5211pa。

參閱圖4，其中tc1為離合器c1傳遞的扭矩，tc3為離合器c3傳遞的扭矩，tout為輸出扭矩；按照大馬力拖拉機恆扭矩動力升擋控制的過程，通過對接合離合器、分離離合器和發動機的協調控制，在檔位重疊t2～t3階段，tc1逐步減小，tc3逐步增大，tout不變，實現了該型號大馬力拖拉機動力換擋變速器在3檔升入4檔的過程中動力傳動系統始終保持恆扭矩動力輸出；

參閱圖5，其中ωe為輸入軸轉速，ωv為輸出軸轉速，ωe在轉速同步t3～t4階段轉速下降，而ωv在整個換擋過程中都維持不變，實現了平順換擋，保證了拖拉機持續作業。

至此，通過對接合離合器、分離離合器和發動機的協調控制，實現了該型號大馬力拖拉機動力換擋變速器在3檔升4檔的過程中動力傳動系統始終保持恆扭矩動力輸出，實現了平順升擋，保證了拖拉機持續作業，離合器c1從接合狀態逐步變為分離狀態，離合器c3從分離狀態逐步變為接合狀態，整個恆扭矩動力升擋過程完成。