李　昊　劉建霞,2

1.燕山大學(xué)，秦皇島，066004　　2.河北美術(shù)學(xué)院，石家莊，050000

基于車輛負荷系數(shù)的礦用車AT動力換擋策略

李昊1劉建霞1,2

1.燕山大學(xué)，秦皇島，0660042.河北美術(shù)學(xué)院，石家莊，050000

摘要：針對重型礦用車自動換擋車速需要時刻適應(yīng)不同環(huán)境路況的需求，提出了基于車輛負荷系數(shù)的換擋控制策略，對目前常用的以車速和油門開度為參數(shù)的動力性自動換擋控制策略進行了修正。以某32 t礦用自卸車為研究對象，建立該車動力傳動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用圖解法求解出不同油門開度和車輛負荷系數(shù)下的最佳換擋車速點。采用MATLAB/Simulink建立了整車的仿真模型，并進行了仿真分析。結(jié)果表明修正后的換擋控制策略能自動適應(yīng)車輛運行的多種工況，并可減少車輛自動擋位模式的設(shè)置。

關(guān)鍵詞：重型礦用車；車輛負荷系數(shù)；動力換擋策略；自動變速器

0引言

重型礦用汽車主要以礦區(qū)短途運輸為主要任務(wù)，為適應(yīng)礦山坡度多變的道路和車輛空滿載交替運行的要求，礦用汽車往往需要頻繁進行換擋操作。為了適應(yīng)這一工況，許多礦用汽車裝備了自動變速器。目前，礦用車自動變速器換擋策略常以車速、油門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等作為控制參數(shù)，并將發(fā)動機性能參數(shù)和影響車輛行駛狀態(tài)的因素設(shè)為定值。基于這種方法制訂出的換擋策略難以準確、真實地反映車輛的行駛狀態(tài)，且在實車運行時會出現(xiàn)一些如動力不足和循環(huán)換擋的問題[1]。針對這一問題，很多學(xué)者進行了研究，驗證了車載質(zhì)量和道路坡度等因素對換擋車速存在一定的影響，但這些研究大都是針對車輛輕載下坡和重載上坡的典型工況進行的，且制訂的換擋策略引用的參數(shù)較多，很多參數(shù)在實際運行過程中難以測量，對換擋策略的應(yīng)用造成了一定的局限性[2-3]。本文以某32 t礦用車為對象，針對礦用自卸汽車的使用特點，提出“車輛負荷系數(shù)”這一參量，綜合表征車輛當(dāng)前的行駛道路條件和載荷狀況，并將其計入換擋參數(shù)中，同時結(jié)合“相鄰擋位換擋前后的加速度相等”這一計算條件[4]，對以往的兩參數(shù)或三參數(shù)換擋策略進行修正，以得出最佳的動力換擋點。

1傳動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.1發(fā)動機模型

通過函數(shù)疊加法建立M11-C350全程式柴油發(fā)動機的全范圍連續(xù)調(diào)速特性數(shù)學(xué)模型，形式如下：

(1)

nemax=α(nH-nL)+nL

(2)

式中，ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；α為油門開度；nemax為發(fā)動機最高空載轉(zhuǎn)速；Tem、Te0分別為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩；nem、ne0分別為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速；nL、nH分別為發(fā)動機最低怠速和最高怠速；b為調(diào)速階段曲線的斜率修正量，數(shù)值在1～10范圍內(nèi)。

將發(fā)動機的相關(guān)參數(shù)代入式(1)、式(2)即可得到其數(shù)學(xué)模型，再用MATLAB進行曲線擬合，最后得到M11-C350柴油發(fā)動機穩(wěn)態(tài)的連續(xù)調(diào)速數(shù)學(xué)模型，如圖1所示。

1.α=50%　2.α=60%　3.α=70%4.α=80%　5.α=90%　6.α=100%圖1　M11-C350發(fā)動機調(diào)速特性曲線

1.2液力變矩器數(shù)學(xué)模型

首先通過試驗得到一組關(guān)于變矩器泵輪和渦輪轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)(nb、Tb、nt、Tt)，然后通過下式處理：

(3)

式中，nb、nt分別為泵輪和渦輪轉(zhuǎn)速，r/min；Tb、Tt分別為泵輪和渦輪轉(zhuǎn)矩，N·m；i為變矩器速比；K為變矩比；η為變矩器效率；D為變矩器有效直徑，m；g為重力加速度，m/s2；ρ為傳動液密度，kg/m3；λb為泵輪力矩系數(shù)，min2/(m·r2)。

得到關(guān)于變矩器速比、效率、變矩比及泵輪力矩系數(shù)的一組數(shù)據(jù)(i、ρλb、K、η)，通過擬合得到液力變矩器的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

圖2　液力變矩器原始特性曲線

在液力變矩器的原始特性曲線上，可選取幾個典型的工況點，主要包括零速工況點、最高效率工況點、耦合器工況點以及高效區(qū)(ηp≥0.75)工況點等。

1.3發(fā)動機與液力變矩器的共同工作特性

1.3.1共同工作的輸入特性

根據(jù)式(3)和得到的變矩器原始特性，可推導(dǎo)出其輸入特性，形如下式：

Tb=f(i,nb)

(4)

將該變矩器幾個典型工況下的輸入特性曲線繪出，如圖3虛線所示，其中，i0表示零速工況，ih表示耦合器工況，ip1表示高效區(qū)的左端點工況，ip2表示高效區(qū)的右端點工況，它與最高效率工況重合。

1.α=50%　2.α=60%　3.α=70%4.α=80%　5.α=90%　6.α=100%圖3　共同工作的輸入特性曲線

當(dāng)發(fā)動機的凈輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速與液力變矩器的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速相同時，二者就可以穩(wěn)定地共同工作[5]。以相同的坐標比例把發(fā)動機凈特性和液力變矩器輸入特性畫在一起，它們的交點就是二者的共同工作點，一系列交點構(gòu)成的扇形面積就是其共同工作的范圍。

1.3.2共同工作的輸出特性

共同工作的輸出特性主要是指發(fā)動機與變矩器共同工作時，液力變矩器渦輪軸上輸出的轉(zhuǎn)矩和油耗等與渦輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系[6]。首先在液力變矩器原始特性曲線上查出對應(yīng)于所選轉(zhuǎn)速比下的變矩系數(shù)K，并在共同輸入特性圖中查出所選轉(zhuǎn)速比下共同工作的轉(zhuǎn)矩Tb和轉(zhuǎn)速nb。然后按照式(3)計算出對應(yīng)的nt和Tt。最后以nt為橫坐標，Tt為縱坐標繪制出共同工作的輸出特性曲線，見圖4。

1.α=50%　2.α=60%　3.α=70%4.α=80%　5.α=90%　6.α=100%圖4　共同工作的輸出特性曲線

2動力換擋策略的制訂

2.1車輛負荷系數(shù)

將車輛負荷度Δa定義為汽車空載在平坦、良好瀝青混凝土路面上直線行駛(標準工況)的加速度ak與汽車實際加速度au之差[7-8]，即

Δa=ak-au

(5)

最終可將式(5)化簡為以下形式：

(6)

式中，Δa為車輛負荷度，m/s2；ak、au分別為汽車在標準工況下的加速度和汽車實際加速度，m/s2；f、f0分別為實際路面和標準路面滾動阻力系數(shù)；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；θ為道路坡度角；β定義為車輛的裝載質(zhì)量與空車質(zhì)量的比值，稱為載荷率。

根據(jù)車輛負荷度的概念，可知汽車空載在標準路面上直線行駛時車輛負荷度為0。依據(jù)重型礦用自卸車可能工作的最惡劣環(huán)境，規(guī)定其滿載在坡度pmax=0.35，滾動阻力系數(shù)fmax=0.2的道路上爬坡行駛時的車輛負荷度為最大，記為Δamax。在此前提下，定義“車輛負荷系數(shù)”為當(dāng)前行駛工況下的車輛負荷度Δa除以該車型在最惡劣行駛工況下的車輛負荷度Δamax得到的比值，其值在 0～1 之間，即

ξ=Δa/Δamax

(7)

由式(6)可知：在其他條件相同的情況下，車輛負荷度能夠在一定程度上反映載荷率β、滾動阻力系數(shù)f、坡度角θ等的變化情況。對于重型汽車來說，根據(jù)以上定義，其最惡劣行駛工況下的車輛負荷度是個定值，只要知道了車輛負荷系數(shù)，就意味著知道了當(dāng)前行駛工況下的車輛負荷度。所以，車輛負荷系數(shù)可以對車輛負荷度進行量化，并能表現(xiàn)它描述車輛行駛工況的意義，且由式(5)和式(7)可以看出，車輛負荷系數(shù)只需要檢測或計算當(dāng)前加速度再經(jīng)過計算就可得到，無需檢測載荷率和道路坡度等，這給實車測量帶來了方便，故可以將車輛負荷系數(shù)作為一個修正指標，來對車輛行駛過程中遇到的各種復(fù)雜工況進行整體的描述。

2.2動力換擋策略的求解

用圖解法求解重型礦用汽車動力換擋策略的步驟如下。

(1)當(dāng)前車速：

(8)

式中，rd為驅(qū)動輪半徑，m；iz為傳動系統(tǒng)總傳動比。

由發(fā)動機與液力變矩器的共同輸出特性得到確定油門開度α下變矩器渦輪扭矩和渦輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系Tt=f(nt)，再將式(8)代入該式就可得到渦輪轉(zhuǎn)矩與車速的關(guān)系Tt=f(u)。

(2)加速度：

(9)

(10)

式中，m為車輛質(zhì)量；ηz為傳動系統(tǒng)變矩器效率；Fd、Fw、Fθ、Ff分別為驅(qū)動力、空氣阻力、坡度阻力和滾動阻力。

根據(jù)式(9)計算確定油門開度α下，車輛負荷系數(shù)ξ分別為0和1時各個擋位的加速度與速度的關(guān)系。

(3)根據(jù)式(7)以及步驟(2)得到的車輛負荷系數(shù)為0和1時各油門開度α下的加速度與車速的關(guān)系計算其他車輛負荷系數(shù)時的加速度與車速的關(guān)系。

以車輛負荷系數(shù)ξ=0.3為例，已知車輛負荷系數(shù)為0時的加速度ak和車輛負荷系數(shù)為1時的加速度as，根據(jù)式(5)和式(7)可知當(dāng)前的加速度為

au=(1-ξ)ak+ξas=0.7ak+0.3as

(11)

由此可得到車輛負荷系數(shù)為0.3時的加速度特性曲線如圖5所示。同理可得到其他車輛負荷系數(shù)下的加速度特性。

圖5　車輛負荷系數(shù)為0.3時的加速度特性曲線

(4)將同一油門開度α和同一車輛負荷系數(shù)ξ下的各擋位加速度特性曲線繪制在同一個坐標系中，則相鄰擋位的加速度特性曲線的交點即為此時的最佳換擋點，如圖5中圓點所示。

分別取油門開度α為50%，60%，70%，80%，90%和100%，車輛負荷系數(shù)ξ為0，0.15，0.3，0.45，0.6，0.85和1，在對應(yīng)的加速度特性曲線中找到相鄰擋位的曲線交點值，可以得到相應(yīng)的最佳換擋車速。對于相鄰兩擋的加速度特性曲線沒有交點的情況，則取當(dāng)前擋位的最大車速作為換擋車速[9]。

通過以上幾步，可得到各工況下的最佳動力換擋車速。在MATLAB環(huán)境下，可將得到的最佳動力換擋曲面繪出，見圖6。

圖6　三維換擋曲面圖

將圖6的三維換擋曲面向二維坐標投影，可得到不同車輛負荷系數(shù)和不同油門開度下的換擋曲線，如圖7和圖8所示。圖中，Ⅰ～Ⅴ分別表示1～5擋。

圖7　不同車輛負荷系數(shù)下的換擋曲線

圖8　不同油門開度下的換擋曲線

從圖7中可以看出，隨著車輛負荷系數(shù)的增大，最佳換擋車速不斷增大，在高擋位時表現(xiàn)得更加明顯。對于同一油門開度，車輛負荷系數(shù)達到0.8后，換擋車速均為當(dāng)前擋位的最大車速。從車輛負荷系數(shù)的定義可知，車輛負荷系數(shù)越大，車輛的載重越大或車輛行駛的路面狀況越惡劣，此時需要輸出更大的扭矩來保證車輛的運行，而換擋車速的增大保證了這一點，可以使車輛在較大負荷系數(shù)時未達到換擋車速前一直保持低擋位運行，以輸出更大的扭矩。從圖8中可以看出，隨著油門開度的增大，最佳換擋車速不斷增大，在油門開度為50%～90%時，對于同一車輛負荷系數(shù)，換擋車速基本上表現(xiàn)為等間隔增大。從圖8中還可以看出，車輛負荷系數(shù)為0.8～1時，不同油門開度下的換擋車速穩(wěn)定在當(dāng)前擋位的最大車速。

3仿真分析

3.1工況設(shè)置

在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下建立了自動變速仿真系統(tǒng)的總模型。其中，換擋邏輯模塊為仿真的中心模塊，該模塊采用stateflow工具箱建立[10]，它的主要任務(wù)是將當(dāng)前車速u與最佳換擋車速u*進行比較，從而得出升擋、降擋或保持擋位不變的判斷，最終輸出合適的擋位。 本文根據(jù)礦用自卸車經(jīng)常工作的環(huán)境和路況設(shè)定了復(fù)合仿真工況，包括空載平路、滿載平路、滿載上坡以及空載下坡等工況，模擬了車輛自啟動→行駛到裝車點→裝載后行駛一段平路后上坡到卸貨點→空載下坡→空載返回裝車點的全過程。具體的仿真工況體現(xiàn)在對信號的設(shè)置上，如圖9所示。

圖9　仿真工況信號

仿真總時間設(shè)置為60 s，仿真過程中油門開度定為70%，路面滾動阻力系數(shù)選為0.04，風(fēng)速忽略不計。

3.2結(jié)果分析

依照上述設(shè)置，對整個系統(tǒng)進行了仿真，部分仿真結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10　加速度曲線

圖11　車速曲線

圖12　車輛負荷系數(shù)曲線

圖13　擋位曲線

由仿真結(jié)果可以看出，0～15 s內(nèi)系統(tǒng)由靜止迅速達到一定的平衡，由于處于空載平路運行階段，系統(tǒng)自啟動后便迅速上升到5擋并穩(wěn)定在5擋運行，以提高車速和動力性，減少空車運行時間。15～30 s，由于加了載荷，加速度和車速均有所下降，車輛負荷系數(shù)有所增大，但從擋位曲線上可觀察到擋位仍處于5擋，說明加載后車輛仍可在高擋位行駛，車速和動力性仍可得到保證，可縮短運往卸貨點的時間。30～45 s內(nèi)車輛開始滿載爬坡行駛，加速度和車速陡然下降后達到穩(wěn)定，車輛負荷系數(shù)陡然增大后也達到穩(wěn)定，擋位迅速由5擋降為1擋并穩(wěn)定在1擋運行，1擋輸出的扭矩最大，可保證車輛爬坡時的動力性，符合實際運行狀況。45～50 s內(nèi)由于突然卸去載荷，加速度、車速以及車輛負荷系數(shù)都有一個突然的變化，之后又趨于穩(wěn)定，從擋位曲線也可以看出，在突然卸去載荷后，擋位短暫上升后又回到1擋并穩(wěn)定運行。實際車輛下坡運行中有液力緩行器輔助制動，可達到更好的減速效果。50～60 s內(nèi)車輛又回到平路行駛階段，擋位由1擋迅速升到5擋后穩(wěn)定運行。

由以上分析可以看出，用車輛負荷系數(shù)修正后的換擋策略能夠自動適應(yīng)車輛載荷和路面狀況的變化，通過擋位決策自動改變變速器的擋位。而且應(yīng)用該換擋策略的車輛可減少自動擋位模式的設(shè)置，駕駛員只需選擇這一種模式，便可適應(yīng)各種工況的換擋要求，從而減輕駕駛員勞動強度，提高工作效率。

4結(jié)語

重型礦用汽車的自動變速技術(shù)是車輛自動變速理論的重要組成部分，本文提出“車輛負荷系數(shù)”對以“車速和油門開度”為控制參數(shù)的兩參數(shù)換擋策略進行了修正。通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型求解了最佳的換擋車速，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下進行了仿真。

結(jié)果表明修正后的換擋策略能適應(yīng)車輛行駛的不同工況，滿足車輛在不同工況時的動力要求，并能減少車輛自動擋位模式的設(shè)置，減輕駕駛員勞動強度。

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(編輯王艷麗)

Power Shift Control Stratage for Heavy Mining Vehicles’ AT Based on Vehicle Load Coefficient

Li Hao1Liu Jianxia1,2

1.Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Hebei Academy of Fine Arts,Shijiazhuang,050000

Abstract:Automatic shift speed for heavy mining vehicles needed to meet different road condition demands at any time. A new shift control strategy was proposed in view of this situation based on the vehicle load coefficient, aiming at modifying the automatic shift strategy which commonly used speed and throttle opening as control parameters. A mathematical model of vehicle transmission system of a 32 tons mining tripper was built and the best shift speed point at different throttle openings and vehicle load coefficients was solved by graphic method. A simulation model of vehicle transmission system was established with MATLAB/Simulink and simulations were conducted. The results show that the revised shift strategy may adapt to a variety of working conditions and reduce the automatic gear patterns settings.

Key words:heavy mining vehicle; vehicle load coefficient; power shift strategy；automatic transmission(AT)

收稿日期：2015-10-12

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51375422)；燕山大學(xué)博士基金資助項目(B796)

中圖分類號：U463.22

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.11.020

作者簡介：李昊，男，1977年生。燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院副教授。主要研究方向為流體傳動及控制。獲河北省科技進步三等獎2項。發(fā)表論文20余篇。劉建霞，女，1988年生。燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院碩士研究生，河北美術(shù)學(xué)院動畫學(xué)院助教。