Study on ramp shifting control strategies of AMT forklift

郭永明，陸靜平，許　波

GUO Yong-ming, LU Jing-ping, XU Bo

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

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AMT叉車(chē)坡道換擋控制策略研究

Study on ramp shifting control strategies of AMT forklift

郭永明，陸靜平，許波

GUO Yong-ming, LU Jing-ping, XU Bo

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

摘 要：傳統(tǒng)機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）叉車(chē)上坡時(shí)發(fā)生頻繁的換擋，下坡時(shí)不能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的牽阻力使叉車(chē)減速。針對(duì)叉車(chē)坡道換擋特殊的作業(yè)工況，建立了坡道行駛綜合載荷模型，研究了坡道行駛時(shí)離合器接合規(guī)律，提出一種基于模糊控制的綜合載荷下坡道判別的方法，并借助于MATLAB工具箱設(shè)計(jì)圖形用戶(hù)界面對(duì)所制定的模糊控制策略建立仿真模型，對(duì)不同載荷和不同坡度行駛條件下的坡道判別和檔位更換進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明模糊控制策略能夠?qū)C合載荷下的叉車(chē)行駛進(jìn)行坡道判別，叉車(chē)能對(duì)綜合載荷的變化及時(shí)調(diào)整最佳換擋策略，避免了坡道行駛頻繁換擋的現(xiàn)象，確保叉車(chē)坡道物流作業(yè)安全。

關(guān)鍵詞：AMT叉車(chē)；頻繁換擋；模糊控制；坡道判別

0 引言

機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）是由齒輪變速器改進(jìn)而來(lái)，保留了原有的離合器和變速器，取消了離合器踏板，離合器的接合與分離依靠電子控制單元（ECU）驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成。AMT叉車(chē)既有傳統(tǒng)齒輪變速器節(jié)能環(huán)保、傳動(dòng)效率高、動(dòng)力性好的優(yōu)點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了離合器操縱的自動(dòng)化，減輕駕駛員疲勞、減少對(duì)駕駛員駕駛經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)，因此在車(chē)輛的傳動(dòng)方案中得到廣泛研究[1,2]。坡道作業(yè)是叉車(chē)的一種特殊作業(yè)工況，進(jìn)行坡道判別是叉車(chē)坡道換擋規(guī)律研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)AMT車(chē)輛基于油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速的最佳換擋規(guī)律，當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入坡道后慣性較大，車(chē)速不能及時(shí)的響應(yīng)油門(mén)的變化[3]。即車(chē)速的改變相對(duì)于油門(mén)的突變存在滯后性，這樣就導(dǎo)致叉車(chē)坡道行駛時(shí)發(fā)生頻繁的升檔降檔的循環(huán)過(guò)程，換擋時(shí)動(dòng)力的中斷不但對(duì)貨物及人員的安全帶來(lái)隱患，而且也不利于叉車(chē)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的發(fā)揮，加劇了傳動(dòng)系統(tǒng)特別是離合器的磨損，同時(shí)也影響了駕駛舒適性。在對(duì)叉車(chē)坡道行駛動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)之上，提出一種基于叉車(chē)動(dòng)態(tài)載荷下的坡道判別方法。根據(jù)叉車(chē)負(fù)載和坡道大小用模糊控制算法計(jì)算出動(dòng)態(tài)載荷，確定是否需要換擋，并制定相應(yīng)的換擋策略，從而解決坡道行駛時(shí)頻繁的換擋和動(dòng)力中斷問(wèn)題。這種方法不需要附加額外的硬件系統(tǒng)，只需要在原有的ECU植入相應(yīng)的坡道行駛換擋時(shí)的控制策略即可。

1 坡道行駛動(dòng)力學(xué)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩經(jīng)過(guò)離合器的傳遞，變速箱、主減速器、車(chē)輪的減速增矩作用將動(dòng)力輸送至驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力克服叉車(chē)的行駛阻力時(shí)叉車(chē)開(kāi)始運(yùn)行。車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中的行駛阻力包括滾動(dòng)阻力、坡道阻力、空氣阻力和加速阻力。項(xiàng)目中叉車(chē)的最大行駛速度為18km/h，運(yùn)行速度低，故空氣阻力可以近似忽略。叉車(chē)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)力和各阻力之間的關(guān)系如式(1)所示：

其中：Fq為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)g為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)p為坡道阻力，F(xiàn)c為加速阻力。

圖1　叉車(chē)坡道動(dòng)態(tài)載荷分析

圖1為叉車(chē)行駛在坡度為θ時(shí)的滾動(dòng)阻力和坡道阻力示圖，由圖可知叉車(chē)行駛在路面時(shí)會(huì)受到一個(gè)與輪胎滾動(dòng)方向相反的力即為滾動(dòng)阻力。滾動(dòng)阻力的大小除了受載重和車(chē)輛自重的影響外還與道路狀況、車(chē)輪的材料以及充氣飽滿(mǎn)度有關(guān)。為計(jì)算簡(jiǎn)便滾動(dòng)阻力的大小可表示為：

其中：λ為車(chē)輪滾動(dòng)摩擦系數(shù)；m為叉車(chē)自重和載重之和，單位是kg，g為重力加速度，可取值9.8m/s2；θ為坡道角度的大小。

叉車(chē)爬坡時(shí)車(chē)輛的重力沿著道路方向的一個(gè)分力稱(chēng)為坡道阻力，坡道阻力的大小受車(chē)輛自重、載重和坡道角度大小的影響。坡道阻力的大小可表示為：

叉車(chē)加速時(shí)需要克服行駛過(guò)程中的慣性力，也被稱(chēng)為加速阻力，加速阻力的大小取決于叉車(chē)的平移質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量和加速度的大小。車(chē)輛的加速阻力可表示為[4]：

綜合式(1)～式(4)得：

由式(5)可知在坡道大小、叉車(chē)自身結(jié)構(gòu)性能和行駛條件一定的情況下叉車(chē)的載重對(duì)牽引力產(chǎn)生重要影響，即使是同一坡道，叉車(chē)在不同的載荷下的綜合負(fù)載也不相同。把坡道大小和載重相結(jié)合作為叉車(chē)的綜合負(fù)載，可以反映出叉車(chē)坡道作業(yè)實(shí)際牽引力的需求。

2 叉車(chē)換擋規(guī)律分析

項(xiàng)目組采用型號(hào)為CPC(30)的平衡重式叉車(chē)，具有前進(jìn)、后退各2個(gè)檔位，最大爬坡度為8%。圖2為叉車(chē)降檔時(shí)離合器扭矩變化示意圖，0-t1為叉車(chē)正常行駛階段，叉車(chē)在t1時(shí)刻根據(jù)內(nèi)外部運(yùn)行條件的變化發(fā)出換擋信號(hào)；t1-t2為離合器快速分離階段，到t2時(shí)刻離合器徹底分離，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞被切斷；t2-t5分別是摘擋、選檔和掛檔階段，這一階段沒(méi)有動(dòng)力傳遞，為了確保叉車(chē)駕駛安全，應(yīng)盡快的完成；t5-t6為掛入新檔位后離合器主從動(dòng)盤(pán)接合階段，這一階段離合器接合過(guò)快會(huì)給叉車(chē)帶來(lái)頓挫感，接合過(guò)慢則會(huì)加速離合器主從動(dòng)盤(pán)的磨損，從而降低離合器的使用壽命，為了確保離合器的接合質(zhì)量，這一階段應(yīng)該在叉車(chē)的沖擊度和滑磨功之間取得平衡[5]；t6-t7階段完成了換擋作業(yè)，叉車(chē)開(kāi)始正常運(yùn)行。

圖2 叉車(chē)換擋過(guò)程離合器傳遞扭矩的變化

叉車(chē)作為一種短距離裝卸搬運(yùn)載重機(jī)械，其載荷占滿(mǎn)載比重大，坡道換擋時(shí)不考慮綜合負(fù)載因素，滿(mǎn)載叉車(chē)在坡道頻繁換擋，很可能因?yàn)閯?dòng)力的中斷而后溜，容易導(dǎo)致駕駛安全事故的發(fā)生。

按照傳統(tǒng)的AMT換擋規(guī)律，叉車(chē)開(kāi)始進(jìn)入坡道時(shí)由于慣性的作用，車(chē)速變化小，叉車(chē)保持原來(lái)的檔位，當(dāng)二檔牽引力小于爬坡阻力時(shí)，叉車(chē)減速降入一檔；然后由于油門(mén)作用使得牽引力大于爬坡阻力，又出現(xiàn)升檔，這樣上坡時(shí)形成頻繁的換擋過(guò)程。而叉車(chē)下坡時(shí)隨著速度的增加，會(huì)發(fā)生升檔現(xiàn)象，駕駛員會(huì)通過(guò)不斷的制動(dòng)來(lái)限制車(chē)速，車(chē)速的下降過(guò)程中可能就出現(xiàn)一個(gè)降檔過(guò)程；這種頻繁的升檔降檔過(guò)程，對(duì)叉車(chē)運(yùn)行和駕駛安全性帶來(lái)威脅。

叉車(chē)前進(jìn)、后退各2個(gè)檔位，在檔位選擇上相對(duì)簡(jiǎn)單，項(xiàng)目中擬采用的換擋策略為：進(jìn)入坡道后，叉車(chē)ECU根據(jù)綜合載荷的變化發(fā)出坡道指令時(shí)，降入一檔，叉車(chē)保持一檔直至完成坡道行駛；當(dāng)平道換擋策略與坡道換擋策略發(fā)生沖突時(shí)，ECU優(yōu)先執(zhí)行坡道換擋策略，這種換擋策略解決了坡道作業(yè)頻繁換擋問(wèn)題，也保證了叉車(chē)坡道行駛的動(dòng)力性，同時(shí)這一策略對(duì)于只有前進(jìn)、倒退各兩個(gè)檔位的叉車(chē)來(lái)說(shuō)具有可行性。

3 坡道換擋模糊控制策略與仿真

模糊控制的目標(biāo)是叉車(chē)根據(jù)載重和坡道大小對(duì)坡道與平道進(jìn)行判別，AMT叉車(chē)的檔位和離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)坡道指令將檔位掛入一檔，直至完成叉車(chē)的爬坡作業(yè)ECU發(fā)出平道指令，檔位換入二檔。

3.1 坡道換擋控制器模型

空載時(shí)，叉車(chē)二檔可以完成18%坡度的爬坡作業(yè)，但是隨著負(fù)載的增加，牽引力增大，需要降檔。叉車(chē)負(fù)載和坡度大小決定的綜合負(fù)載是時(shí)變、非線性的，難以用數(shù)學(xué)建模的方式進(jìn)行精確表達(dá)，因此采用模糊控制策略來(lái)進(jìn)行坡道的判別。坡道換擋模糊控制模型各由兩個(gè)輸入輸出參數(shù)構(gòu)成，如圖3所示。由圖可知模糊邏輯控制器由三個(gè)核心部分組成，分別是模糊化模塊、近似推理模塊和清晰化模塊[6]，其輸入因素分別是坡道大小和叉車(chē)負(fù)載，控制器根據(jù)模糊化處理之后的綜合負(fù)載發(fā)出坡道（掛入一檔）或平道（掛入二檔）指令。

圖3　模糊控制器參數(shù)模型

3.2 模糊邏輯算法

設(shè)計(jì)時(shí)使用Mamdani型控制器，模糊控制器采集到的的坡道大小和叉車(chē)負(fù)載信息都是物理值，不能直接被控制器識(shí)別，需要經(jīng)過(guò)量化因子和隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊化處理。控制器輸入輸出論域設(shè)置為[0 10]，每個(gè)輸入輸出參數(shù)的模糊集合為7，由此可制定49條模糊規(guī)則。其中叉車(chē)負(fù)載和坡道判別命令選擇梯形隸屬函數(shù)，坡道大小為三角形隸屬函數(shù)。叉車(chē)負(fù)載和坡道大小的隸屬函數(shù)圖像如圖4所示，其中坡道大小隸屬函數(shù)中NBig和Neg為叉車(chē)下坡行駛，Zero為平道作業(yè)，其余兩種情況為叉車(chē)爬坡作業(yè)工況。

圖4　叉車(chē)負(fù)載和坡道大小隸屬函數(shù)示意圖

模糊規(guī)則是控制器的核心，每條模糊規(guī)則可分為前提和結(jié)論兩部分，前提部分描述原因，結(jié)論部分描述與控制行為相關(guān)的結(jié)果[7,8]。根據(jù)熟練駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)和實(shí)車(chē)測(cè)試得出叉車(chē)綜合載荷模糊規(guī)則的三視圖如圖5所示，其中X軸的輸入為坡道大小，Y軸輸入為叉車(chē)負(fù)載，Z軸為輸出的坡道、平道命令。叉車(chē)自重4300kg，額定載荷為3000kg，坡度大小區(qū)間為[0 20%]。

圖5　模糊規(guī)則三視圖

3.3 Matlab仿真分析

完成模糊控制器的設(shè)計(jì)之后借助于MATLAB工具箱設(shè)計(jì)GUI，對(duì)動(dòng)態(tài)載荷下所制定的模糊控制策略進(jìn)行仿真分析。首先新建一個(gè)GUI，完成所需控件的布局并進(jìn)行相應(yīng)的屬性設(shè)置，然后把模糊控制器生成的fis文件導(dǎo)入到編輯器界面和完成控件等相應(yīng)的程序編寫(xiě)。在仿真時(shí)拖動(dòng)相應(yīng)的滑動(dòng)條，坡度大小和載重發(fā)生相應(yīng)的變化，其滑動(dòng)條的值顯示在相應(yīng)的空白文本框中，輸出控件根據(jù)動(dòng)態(tài)載荷的變化實(shí)時(shí)顯示平道或者坡道命令。其動(dòng)態(tài)載荷下坡道判別仿真結(jié)果如表1所示。

表1　坡道判別仿真運(yùn)行結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，空載情況下，即使是行駛在最大可通過(guò)坡度，控制器也是發(fā)出平道指令，現(xiàn)實(shí)中，空載叉車(chē)在二檔的情況下也可以順利的通過(guò)坡度為18%的坡道；通過(guò)第二次和第三次結(jié)果對(duì)比可知，當(dāng)坡度很小，載重量比較大時(shí)，叉車(chē)可以二檔順利完成坡道行駛，即使坡度大小一樣，載重量達(dá)到一定臨界值時(shí)，也是發(fā)出坡道指令，換入二檔；第二和第四次仿真結(jié)果可知載重量相同的情況下，隨著坡道增大至臨界值，輸出命令為坡道指令；第五和第六次仿真是叉車(chē)在最大可通過(guò)坡道上作業(yè)的特殊情況，即使載重量較小，輸出的也是坡道指令。由全部仿真結(jié)果可知，把模糊控制算法和叉車(chē)的綜合載荷結(jié)合起來(lái)進(jìn)行坡道的判別是可行的，叉車(chē)對(duì)坡道大小和負(fù)載情況的變化具有實(shí)時(shí)的反應(yīng)能力，這一方法能滿(mǎn)足坡道判別的要求和實(shí)現(xiàn)所制定的叉車(chē)坡道換擋策略，叉車(chē)可以根據(jù)坡道或者平道指令進(jìn)行相應(yīng)的檔位更換，避免了叉車(chē)行駛與坡道而發(fā)生頻繁的換擋現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章在分析叉車(chē)坡道行駛動(dòng)力學(xué)和換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊控制算法綜合載荷下的坡道判別方法，并根據(jù)坡道或者平道指令掛入相應(yīng)的檔位，這一算法避免了基于車(chē)速和油門(mén)開(kāi)度而發(fā)生頻繁換擋的現(xiàn)象，也不需要復(fù)雜的建模過(guò)程。在坡道判別時(shí)對(duì)載重和坡道大小進(jìn)行綜合考慮符合載重車(chē)輛的實(shí)際作業(yè)情況，這一換擋策略避免了傳統(tǒng)AMT叉車(chē)坡道頻繁的換擋過(guò)程，確保叉車(chē)駕駛和物流作業(yè)安全。

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示。通過(guò)Miner線性疲勞損傷累積理論，取臨界疲勞損傷系數(shù)為1，鋼絲繩1的疲勞壽命為12020個(gè)升降工作循環(huán)。

圖9　鋼絲繩1載荷譜

圖10　鋼絲繩1的S—N曲線

4 結(jié)論

1）針對(duì)車(chē)窗—導(dǎo)槽密封滑動(dòng)接觸狀態(tài)，建立其摩擦阻力模型；針對(duì)車(chē)窗—水切密封動(dòng)態(tài)接觸距離，建立非線性約束阻力分段函數(shù)，確定了車(chē)窗密封非線性摩擦阻力模型。

2）基于Adams/Cable模塊，實(shí)現(xiàn)了非剛體鋼絲繩兩段建模，通過(guò)等長(zhǎng)釋放與纏繞，模擬車(chē)窗升降?；贏dams/Motor模塊，計(jì)入輸出端減速機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)等效驅(qū)動(dòng)電機(jī)建模。

3）獲取鋼絲繩在車(chē)窗加速、恒定及電機(jī)堵轉(zhuǎn)階段的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，結(jié)合三點(diǎn)雨流計(jì)數(shù)法及Miner疲勞損傷累積理論，計(jì)算得到鋼絲繩最大升降循環(huán)，支持車(chē)窗升降疲勞預(yù)測(cè)。

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作者簡(jiǎn)介：郭永明（1989 -），男，江西吉安人，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锪鞴こ涛锪餮b備和供應(yīng)鏈。

基金項(xiàng)目：2011年廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題：多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)綜合運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)和應(yīng)用研究（11-031-12S03）

收稿日期：2015-08-24

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0075-03