本發(fā)明屬于拖拉機(jī)動(dòng)力換擋控制領(lǐng)域，具體來說是一種針對(duì)多離合器式大馬力拖拉機(jī)恒扭矩動(dòng)力的升擋控制方法。

技術(shù)背景

拖拉機(jī)工作有以下特點(diǎn)：(1)受農(nóng)藝和機(jī)具承載能力影響，一般勻速運(yùn)動(dòng)；(2)為了提高生產(chǎn)率，油門開度一般在80％以上；(3)工作阻力會(huì)波動(dòng)，傳統(tǒng)的手動(dòng)變速器難以適應(yīng)工作阻力的變化，需停車換擋；針對(duì)拖拉機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，國(guó)外提出了‘powershift’(動(dòng)力換擋)傳動(dòng)系統(tǒng)，配置這種傳動(dòng)系統(tǒng)的拖拉機(jī)成本也比較高。該傳動(dòng)系統(tǒng)有效擴(kuò)大了拖拉機(jī)持續(xù)工作的工作阻力范圍，避免了傳統(tǒng)手動(dòng)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(jī)的生產(chǎn)效率。拖拉機(jī)作業(yè)換擋一般在很大負(fù)載條件下，若采用非動(dòng)力換擋控制方法，由于車速低，拖拉機(jī)很容易停車，從而影響生產(chǎn)率。如何避免拖拉機(jī)在自動(dòng)變速過程中因動(dòng)力中斷而停車是拖拉機(jī)動(dòng)力換擋控制系統(tǒng)研發(fā)過程中需要解決的關(guān)鍵問題之一。

所謂動(dòng)力換擋，又稱“帶載換擋”，是在滿足一定換擋品質(zhì)要求的前提下，保證換擋過程中動(dòng)力不中斷的換擋。動(dòng)力升擋屬于動(dòng)力換擋技術(shù)的一部分，在多離合器式動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，通過兩個(gè)或多個(gè)離合器實(shí)現(xiàn)換擋過程動(dòng)力持續(xù)輸出，當(dāng)分離離合器還未完全分離時(shí)接合接合離合器，以保證動(dòng)力不中斷。但在升擋過程中，當(dāng)接合離合器完全接合時(shí)，若分離離合器仍然未分離，則產(chǎn)生寄生功率，寄生功率也被稱之為循環(huán)功率，該功率除了造成不必要的能量損失外，還會(huì)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)零部件造成很大損害。拖拉機(jī)作業(yè)有牽引、旋耕和收割多種形式，當(dāng)作業(yè)時(shí)，動(dòng)力升擋還需保證拖拉機(jī)作業(yè)質(zhì)量和效率，若在升擋過程中拖拉機(jī)的輸出扭矩變化過大，則無法保證作業(yè)質(zhì)量，容易對(duì)機(jī)具造成損害，同時(shí)且伴隨會(huì)出現(xiàn)升檔頓挫，影響升檔平順性，而僅僅通過對(duì)大馬力拖拉機(jī)的換擋離合器進(jìn)行控制無法很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)力升檔過程中始終恒扭矩輸出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種大馬力拖拉機(jī)恒扭矩動(dòng)力的升擋控制方法，以期通過對(duì)分離、接合離合器壓力以及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力升擋過程中變速傳動(dòng)系統(tǒng)始終保持恒扭矩輸出的目的，從而使得拖拉機(jī)動(dòng)力換擋平順、無沖擊。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種大馬力拖拉機(jī)恒扭矩動(dòng)力的升擋控制方法的特點(diǎn)是將拖拉機(jī)恒扭矩動(dòng)力升擋控制的過程分為：換擋準(zhǔn)備階段、檔位重疊階段、轉(zhuǎn)速同步階段和接合強(qiáng)化階段，并按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、在所述換擋準(zhǔn)備階段，增大接合離合器的作動(dòng)壓力至所述接合離合器維持的壓力p準(zhǔn)，使接合離合器處于扭矩傳遞臨界狀態(tài)，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(dòng)壓力至接合離合器負(fù)載扭矩壓力p合為止，并逐步減小所述分離離合器的作動(dòng)壓力，且分離離合器與接合離合器的作動(dòng)壓力滿足檔位重疊階段的壓力增量關(guān)系，同時(shí)提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率δpe以補(bǔ)償接合離合器的滑摩功損失；

在檔位重疊階段結(jié)束時(shí)刻，保持所述接合離合器的作動(dòng)壓力為所述接合離合器的負(fù)載扭矩壓力p合，并減小所述分離離合器的作動(dòng)壓力至0；

步驟3、在所述轉(zhuǎn)速同步階段，保持接合離合器的作動(dòng)壓力，同時(shí)降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率至負(fù)載功率pl并維持不變，直至所述接合離合器主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速同步為止；

步驟4、在所述接合強(qiáng)化階段，保持柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率不變，同時(shí)增大所述接合離合器的作動(dòng)壓力至接合離合器扭矩傳遞的壓力上限p終。

本發(fā)明所述的大馬力拖拉機(jī)恒扭矩動(dòng)力的升擋控制方法的特點(diǎn)也在于：

利用式(1)計(jì)算所述接合離合器在準(zhǔn)備階段維持的壓力p準(zhǔn)：

式(1)中，fpre為所述接合離合器的復(fù)位彈簧的預(yù)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(jì)算所述接合離合器的負(fù)載扭矩壓力p合：

式(2)中，q為相鄰兩擋傳動(dòng)比比值；tl為所述分離離合器傳遞的扭矩；k為摩擦特性系數(shù)，由摩擦片片數(shù)、摩擦接觸面內(nèi)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(guān)系滿足式(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(dòng)比比值。

在檔位重疊階段提高的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)盤的轉(zhuǎn)速差。

轉(zhuǎn)速同步階段的負(fù)載功率pl按式(5)計(jì)算：

pl＝tlωv(5)

式(5)中，ωv為輸出軸轉(zhuǎn)速。

利用式(6)計(jì)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為大于1的系數(shù)。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)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(dòng)壓力的增量關(guān)系，使得接合離合器在檔位重疊階段始終處于結(jié)合狀態(tài)，減少了不必要的滑摩功損失。

2、本發(fā)明根據(jù)在換擋過程中的功率平衡關(guān)系，在升擋過程中通過提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率彌補(bǔ)了在檔位重疊階段的滑摩功損失，從而實(shí)現(xiàn)了輸出扭矩恒定、換擋無沖擊。

附圖說明

圖1為本發(fā)明動(dòng)力換擋變速器的動(dòng)力傳遞路線示意圖；

圖2為本發(fā)明柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率變化曲線圖；

圖3為本發(fā)明分離接合離合器作動(dòng)壓力變化曲線圖。

圖4為本發(fā)明換擋過程中輸出扭矩變化曲線圖；

圖5為本發(fā)明換擋過程中輸入輸出轉(zhuǎn)速變化曲線圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中，一種大馬力拖拉機(jī)恒扭矩動(dòng)力的升擋控制方法，是將拖拉機(jī)恒扭矩動(dòng)力升擋控制的過程分為：換擋準(zhǔn)備階段、檔位重疊階段、轉(zhuǎn)速同步階段和接合強(qiáng)化階段，通過對(duì)接合離合器、分離離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)恒扭矩升檔，參閱圖1-圖5，具體的說，是按如下步驟進(jìn)行：

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

接合離合器在準(zhǔn)備階段維持的壓力p準(zhǔn)利用式(1)計(jì)算：

式(1)中，fpre為所述接合離合器的復(fù)位彈簧的預(yù)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(dòng)壓力至接合離合器負(fù)載扭矩壓力p合為止，并逐步減小分離離合器的作動(dòng)壓力，且分離離合器與接合離合器的作動(dòng)壓力滿足檔位重疊階段的壓力增量關(guān)系，同時(shí)提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率δpe以補(bǔ)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(dòng)力逐步從分離離合器過渡到接合離合器，同時(shí)輸出扭矩恒定；

在檔位重疊階段結(jié)束時(shí)刻，保持接合離合器的作動(dòng)壓力為接合離合器的負(fù)載扭矩壓力p合，接合離合器傳遞了所有負(fù)載扭矩，減小分離離合器的作動(dòng)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于負(fù)載扭矩；

接合離合器的接合離合器負(fù)載扭矩壓力p合利用式(2)計(jì)算：

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

1、當(dāng)離合器為干式離合器時(shí)，摩擦特性系數(shù)k利用式(3)計(jì)算：

式(3)中，μ、s、z、r0、r1分別為離合器摩擦系數(shù)、接觸面積、摩擦片片數(shù)、摩擦片外徑和內(nèi)徑。

2、當(dāng)離合器為濕式離合器時(shí)，摩擦特性系數(shù)k可通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)得到，具體按照以下實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行：

將濕式離合器接入離合器試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)的輸出端接入負(fù)載，離合器的作動(dòng)壓力fsend和負(fù)載扭矩tload通過電動(dòng)液壓油泵提供，定義離合器作動(dòng)壓力調(diào)節(jié)步距為δfsend、負(fù)載扭矩調(diào)節(jié)步距為δtload。

(1)施加離合器作動(dòng)壓力fsend＝δfsend，并保持不變，同時(shí)施加負(fù)載扭矩為δtload，并不斷調(diào)整負(fù)載扭矩大小直至離合器開始滑摩且離合器的從動(dòng)端勻速運(yùn)動(dòng)，記錄當(dāng)下施加的負(fù)載扭矩大小δtload1，保存離合器作動(dòng)壓力fsend＝δfsend和負(fù)載扭矩tload＝δtload1；

(2)以離合器作動(dòng)壓力調(diào)節(jié)步距δfsend增大加離合器的作動(dòng)壓力fsend＝2δfsend，并保持不變，同時(shí)施加負(fù)載扭矩為δtload，并不斷調(diào)整負(fù)載扭矩大小直至離合器開始滑摩且離合器的從動(dòng)端勻速運(yùn)動(dòng)，記錄當(dāng)下施加的負(fù)載扭矩大小δtload2，保存離合器作動(dòng)壓力fsend＝2δfsend和負(fù)載扭矩tload＝δtload1；

(3)重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，得到離合器的作動(dòng)壓力與其傳遞扭矩的散點(diǎn)圖，然后采用線性擬合方法擬合離合器的作動(dòng)壓力與其傳遞扭矩曲線，即可得到摩擦特性系數(shù)k。

檔位重疊階段的接合與分離離合器壓力增量關(guān)系滿足式(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(guān)系滿足式(4)可保證在檔位重疊階段分離離合器處于接合狀態(tài)，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(guān)系滿足式(5)：

當(dāng)分離離合器處于接合狀態(tài)時(shí)，分離離合器的壓力增量和其傳遞的扭矩增量并不成線性關(guān)系；而當(dāng)接合離合器處于滑摩狀態(tài)時(shí)，接合離合器的壓力增量和其傳遞的扭矩增量存在線性關(guān)系。

為保證在換擋過程中輸出功率和輸出扭矩恒定，需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率以補(bǔ)償滑摩損失功率，在檔位重疊階段提高的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)盤的轉(zhuǎn)速差。

步驟3、在轉(zhuǎn)速同步階段，即t3～t4階段，保持接合離合器的作動(dòng)壓力，同時(shí)降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率至負(fù)載功率pl并維持不變，直至接合離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速同步為止；

轉(zhuǎn)速同步階段的負(fù)載功率pl按式(7)計(jì)算：

pl＝tlωv(7)

式(7)中，ωv為輸出軸轉(zhuǎn)速。

在轉(zhuǎn)速同步階段階段，接合離合器已傳遞所有負(fù)載扭矩，但其主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速大于從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速，仍處于滑摩狀態(tài)；由于從動(dòng)盤受力平衡，接合離合器的從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速不變或勻速運(yùn)動(dòng)，需要降低，接合離合器的主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)其主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速同步。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率需等于負(fù)載功率，在轉(zhuǎn)速同步階段階段保持發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率等于負(fù)載功率即可，則降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率至負(fù)載功率；對(duì)于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率為系統(tǒng)輸入功率，負(fù)載功率為系統(tǒng)輸出功率，則輸入功率等于輸出功率，而接合離合器滑摩消耗能量，根據(jù)能量守恒原理，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械能減少，由發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速同步階段的輸出功率補(bǔ)償，由于輸出軸轉(zhuǎn)速不變，因此輸入軸轉(zhuǎn)速下降，即接合離合器主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速下降，最終實(shí)現(xiàn)接合離合器主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速同步；在轉(zhuǎn)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于負(fù)載扭矩，輸出扭矩等于負(fù)載扭矩。

步驟4、在接合強(qiáng)化階段，即t4～t5階段，保持柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率不變，同時(shí)增大接合離合器的作動(dòng)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(jì)算：

p終＝ηp合(5)

式(5)中，η為大于1的系數(shù)。η的取值根據(jù)離合器傳遞扭矩大小的波動(dòng)范圍而定，其取值范圍為[1.1,1.5]，若η的取值過大，則容易造成液壓管路泄漏；反之，則容易引起接合離合器打滑。

通過以上步驟對(duì)柴油機(jī)的協(xié)調(diào)反饋控制，以及對(duì)換擋離合器的控制實(shí)現(xiàn)大馬力拖拉機(jī)的恒扭矩動(dòng)力升擋控制，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出扭矩恒定、換擋無沖擊。

實(shí)施例：本實(shí)施例使用本發(fā)明的拖拉機(jī)升檔控制方法對(duì)某型號(hào)大馬力拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速器進(jìn)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(dāng)離合器c1、c4接合，離合器c2、c3分離時(shí)，動(dòng)力換擋變速器檔位為3檔；當(dāng)離合器c1、c2分離，離合器c3、c4接合時(shí)，動(dòng)力換擋變速器檔位為4檔；3當(dāng)變速器檔位從3檔升4檔時(shí)，離合器c1從接合狀態(tài)變?yōu)榉蛛x狀態(tài)，離合器c3從分離變狀態(tài)為接合狀態(tài)，功率流逐步從離合器c1過渡到離合器c3。

某型號(hào)大馬力拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)如下：分離離合器傳遞的負(fù)載扭矩tl為380n.m；活塞缸預(yù)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(shí)間t合為0.4s；接合離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差為40rad/s；輸出軸轉(zhuǎn)速ωv為150rad/s。

根據(jù)式(1)計(jì)算接合離合器在準(zhǔn)備階段維持的壓力p準(zhǔn)＝300pa；根據(jù)式(2)計(jì)算接合離合器負(fù)載扭矩壓力由于檔位重疊時(shí)間t合為0.4s，因此接合離合器壓力上升速率根據(jù)式(3)計(jì)算分離離合器壓力下降速率可取8000pa/s；根據(jù)式(4)計(jì)算檔位重疊階段的發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)償功率根據(jù)式(5)計(jì)算接合離合器扭矩傳遞的壓力上限p終＝ηp合＝5211pa；根據(jù)式(7)計(jì)算負(fù)載功率pl＝tlωv＝57kw。

參閱圖2，pe為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，在t2～t3階段，提高的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為以補(bǔ)償接合離合器的滑摩功損失；在t3～t4階段，降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率至負(fù)載功率pl＝tlωv＝57kw并維持不變；在t4～t5階段，保持柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率57kw不變。

參閱圖3，pc1為分離離合器的作動(dòng)壓力，pc3為接合離合器的作動(dòng)壓力，在t1～t2階段，增大接合離合器的作動(dòng)壓力pc3至接合離合器維持的壓力p準(zhǔn)＝300pa，使接合離合器處于扭矩傳遞臨界狀態(tài)，以消除接合離合器的空行程；在t2～t3階段，檔位重疊時(shí)間t合＝0.4s，pc1與pc3滿足式(4)的壓力增量關(guān)系，且接合離合器作動(dòng)壓力pc1上升速率分離離合器作動(dòng)壓力pc3下降速率可取8000pa/s；在t3～t4階段，接合離合器作動(dòng)壓力pc1為0，保持分離離合器作動(dòng)壓力pc3＝p合＝4653pa直至接合離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速同步為止；在t4～t5階段，增大接合離合器的作動(dòng)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(jī)恒扭矩動(dòng)力升擋控制的過程，通過對(duì)接合離合器、分離離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)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(shí)現(xiàn)了該型號(hào)大馬力拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速器在3檔升入4檔的過程中動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)始終保持恒扭矩動(dòng)力輸出；

參閱圖5，其中ωe為輸入軸轉(zhuǎn)速，ωv為輸出軸轉(zhuǎn)速，ωe在轉(zhuǎn)速同步t3～t4階段轉(zhuǎn)速下降，而ωv在整個(gè)換擋過程中都維持不變，實(shí)現(xiàn)了平順換擋，保證了拖拉機(jī)持續(xù)作業(yè)。

至此，通過對(duì)接合離合器、分離離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)了該型號(hào)大馬力拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速器在3檔升4檔的過程中動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)始終保持恒扭矩動(dòng)力輸出，實(shí)現(xiàn)了平順升擋，保證了拖拉機(jī)持續(xù)作業(yè)，離合器c1從接合狀態(tài)逐步變?yōu)榉蛛x狀態(tài)，離合器c3從分離狀態(tài)逐步變?yōu)榻雍蠣顟B(tài)，整個(gè)恒扭矩動(dòng)力升擋過程完成。