工程车辆三参数动力节能换挡规律研究

【摘要】：工程车辆（如装载机、推土机等）作业环境和工作条件复杂多变。为了适应外荷载的急剧变化，提高低速下克服重载的能力，其传动系统多采用液力变矩器串接机械变速箱的形式，但传动效率也因此而下降。采用多挡位变速箱能有效提高传动系统效率，然而频繁地换挡增加了驾驶员的劳动强度，使驾驶员容易疲劳，导致工作效率降低。另外，人工换挡具有很大的主观性和随意性，不同的驾驶技术水平对车辆的动力性、燃料经济性、乘坐舒适性影响极大。提高工程车辆作业效率、充分利用能源一直是其传动系统控制的目标。基于这种背景，产生了工程车辆的自动变速控制。 目前，国际上各大著名的工程机械公司，包括沃尔沃、卡特彼勒、川崎、小松和采埃孚等公司已在在工程车辆上应用了各自的自动变速技术。这些公司大多采用的都是汽车常用的2参数（车速与油门）自动变速策略。然而工程车辆的工作特点与汽车有很大区别。工程车辆边作业边行驶，在一些典型工况（如土方作业等）下，用于作业的功率要占到发动机总输出功率的40%~60%，并且随着作业载荷的变化，发动机输出的功率一直处于波动状态。当前应用的换挡控制原理均未考虑作业载荷变化对换挡的影响（或简单地将作业载荷设为定值），因此无法获得最佳换挡效果。 本文结合高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（200801830028）“工程车辆新型3参数自动变速技术研究”，以提高工程车辆的经济性和动力性为目的，围绕自动变速技术的理论与试验进行了深入的研究。主要包括以下研究内容： 1.本文以“作业载荷系数”来描述工程车辆作业载荷的大小，以工程车辆牵引力输出最大和液力变矩器效率最优为控制目标，以油门开度、车速和作业载荷系数为换挡控制参数，分别制定出工程车辆的动力性换挡规律、节能换挡规律和综合换挡规律。深入系统地研究了作业载荷系数对最佳换挡点的影响。应用该3参数换挡规律可进一步提高和改善工程车辆的经济性和动力性。 2.本文以ZL50型轮式装载机为样机，根据其传动系统的组成，建立了工程车辆传动系统的动力学模型，具体包括柴油发动机、液压油泵组、液力变矩器和变速箱等数学模型。用多元多项式回归的方法求解出了所提出换挡规律相对应的换挡函数关系式，并根据换挡函数绘制了3参数节能、动力性及综合换挡的挡位决策图。在动力学模型及已求得的换挡规律的基础上，以MATLAB/Simulink软件为开发平台，根据工程车辆传动系统各部件的性能参数，建立了工程车辆自动变速系统的计算机仿真模型，并使用该模型对本文所提出的换挡规律进行仿真试验分析。 3.开发了工程车辆自动变速控制器，并在传动试验台上进行了验证性试验。试验结果表明，应用3参数节能换挡规律可使车辆传动系统的效率经常保持在较高范围（η≥0.75）内，动力换挡规律可使车辆得到连续平稳的动力输出，综合换挡规律的动力性和经济性指标均介于动力性与节能换挡规律之间。试验过程中换挡控制系统稳定可靠且换挡准确，没出现频繁换挡、循环换挡及错误换挡等现象，验证了本文所开发的自动换挡控制器的可靠性及可行性。 本文所做工作可为工程车辆更加高效节能地完成作业任务提供一定的理论依据和实践经验。 【关键词】：工程车辆 自动变速器 换挡规律 作业载荷系数 动力性 经济性
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U463.212
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题研究的背景11-12
• 1.2 自动变速技术在工程车辆上的应用12-13
• 1.2.1 自动变速技术在国外的发展现状12-13
• 1.2.2 自动变速技术在国内的发展现状13
• 1.3 工程车辆自动换挡规律13-21
• 1.3.1 经典换挡规律14-18
• 1.3.2 智能换挡规律18-20
• 1.3.3 工程车辆换挡规律的分析总结20-21
• 1.4 本文主要研究内容21-22
• 1.5 本章小结22-23
• 第2章 工程车辆传动系统模型23-33
• 2.1 传动系统动力学模型23-24
• 2.2 柴油发动机数学模型24-25
• 2.3 液压泵组数学模型及作业载荷系数的确定25
• 2.4 液力变矩器数学模型25-27
• 2.5 变速箱数学模型27
• 2.6 发动机与液力变矩器共同工作性能研究27-29
• 2.6.1 共同工作的输入特性27-29
• 2.6.2 共同工作的输出特性29
• 2.7 工程车辆牵引力学分析29-31
• 2.7.1 车辆驱动力29-30
• 2.7.2 作业阻力30
• 2.7.3 车辆行驶阻力30-31
• 2.8 本章小结31-33
• 第3章 自动变速换挡规律研究33-39
• 3.1 现有换挡规律存在的不足33
• 3.2 节能换挡规律的原理33-34
• 3.3 动力性换挡规律的原理34-35
• 3.4 换挡规律的求解35-36
• 3.5 挡位决策36-38
• 3.6 作业载荷系数对换挡点的影响38
• 3.7 本章小结38-39
• 第4章 自动变速系统仿真研究39-47
• 4.1 自动变速系统仿真模型39-41
• 4.2 节能及动力性换挡规律仿真试验41-43
• 4.2.1 仿真试验41-43
• 4.2.2 仿真结果分析43
• 4.3 三参数与二参数换挡规律对比仿真试验43-45
• 4.3.1 仿真试验43-45
• 4.3.2 仿真结果分析45
• 4.4 本章小结45-47
• 第5章 工程车辆自动变速控制器开发47-55
• 5.1 方案设计47-48
• 5.2 硬件系统设计48-53
• 5.2.1 CPU 及 A/D 转换模块49-50
• 5.2.2 车速信号采集模块50
• 5.2.3 油门开度信号采集模块50-51
• 5.2.4 液压泵出口压力信号采集模块51
• 5.2.5 串行通信模块51-52
• 5.2.6 挡位控制模块52
• 5.2.7 电源模块52-53
• 5.3 控制程序设计53-54
• 5.4 本章小结54-55
• 第6章 试验研究55-65
• 6.1 工程车辆传动系统电控试验台的组成及工作原理55-56
• 6.2 台架试验56-63
• 6.2.1 节能换挡规律试验56-60
• 6.2.2 动力性换挡规律试验60
• 6.2.3 综合换挡规律试验60-63
• 6.3 本章小结63-65
• 第7章 结论和展望65-67
• 7.1 主要研究成果65-66
• 7.2 对今后工作的展望66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果71-73
• 后记和致谢73

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