基于燃油經濟性的采棉機變速箱速比匹配控制策略

魏曉朝，倪向東

(1.新疆大學工程訓練中心，新疆烏魯木齊 830017；2.石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832003)

0 前言

液壓機械無級變速箱(Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission，HMCVT)是一種新型傳動裝置[1]，它將機械有級傳動和液壓無級傳動有機地結合[2]，因而具有較高的傳動效率和較強的抗動載沖擊能力[3-4]，可以傳遞較大功率和實現速比連續無級變化[5-6]，適合應用于具有復雜工作情況的采棉機。

為使采棉機具有較優的燃油經濟性，需要將發動機與HMCVT進行速比匹配。黃薛凱等[7]提出一種基于最佳燃油經濟性的拖拉機HMCVT速比控制策略，該控制策略以發動機轉速與HMCVT速比為控制參數，能有效提高拖拉機在田間作業時的燃油經濟性。張明柱等[8]提出一種基于拖拉機最佳燃油經濟性、發動機有效燃油消耗率和HMCVT傳動效率的HMCVT速比控制策略，該控制策略可以提高拖拉機在任意工況下的燃油經濟性。于今等人[9]為提高HMCVT速比跟蹤效果，設計出一種基于量化因子和決策因子伸縮變化的變論域模糊PID控制器。

目前，學者針對發動機與HMCVT速比匹配的研究主要集中在拖拉機上[10-11]，針對采棉機的研究較少。且目前作者所在實驗室自主設計的HMCVT的速比調節依然為手動模式，無法充分發揮其優勢。與普通非道路車輛相比，采棉機要適應更為復雜的路況以及更加苛刻的工作條件。因此，為實現該HMCVT的優勢并提高裝有該HMCVT的采棉機的燃油經濟性，提出一種基于燃油經濟性的發動機-變速箱速比匹配控制策略，對采棉機HMCVT速比進行調節，使發動機轉速在調速特性作用下穩定于目標燃油經濟性轉速，為后續開展采棉機HMCVT田間試驗提供一定支持。

1 HMCVT傳動方案

采用“分矩匯速”型等差式HMCVT，其傳動方案[12-13]如圖1所示。圖1中，ni和no為HMCVT的輸入和輸出轉速；C1和C2為離合器；B為制動器；g1～g3為齒輪副；P1和P2為行星排；P和M為變量泵和定量馬達。

圖1 HMCVT傳動方案

在前進方向上，HMCVT有3個工作段，分別為純液壓段、液壓機械低速段和液壓機械高速段，分別用H、HM1和HM2表示。各工作段中離合器和制動器的接合狀態如表1所示。

2 基于燃油經濟性的發動機-變速箱速比匹配控制策略

采棉機發動機油門踏板開度由駕駛員控制，基于燃油經濟性的發動機-變速箱速比匹配控制策略如圖2所示：采棉機燃油經濟性要求其在運輸或采摘時，需要根據作業環境以及負載轉矩，使發動機轉速穩定于最佳燃油經濟性轉速，實現采棉機在允許速度范圍內勻速行駛，以保證采棉機的燃油消耗率最小；當駕駛員控制油門踏板至某一開度時，速比匹配控制模塊采集該發動機油門踏板開度信號，并計算此發動機油門踏板開度下的發動機最佳燃油經濟性轉速，然后向變量泵排量比控制模塊和換段控制模塊發出控制信號，達到調節HMCVT速比的目的，從而使發動機轉速在調速特性作用下穩定于目標燃油經濟性轉速。該控制策略能使駕駛員更多地關注采摘、運輸等作業，提高工作效率。

圖2 基于燃油經濟性的發動機-變速箱速比匹配控制策略框圖

由于研究側重點為HMCVT在HM1段和HM2段之間的速比匹配控制，故在后期仿真模型建立和分析中以HMCVT處于HM1段為初始狀態。

3 仿真模型建立

如圖3所示，基于HMCVT傳動方案以及提出的基于燃油經濟性的發動機-變速箱速比匹配控制策略框圖，在AMESim中建立發動機-HMCVT仿真模型。

圖3 發動機-HMCVT仿真模型

在速比匹配控制模塊中，輸入信號為發動機轉速以及油門踏板開度，通過發動機最佳燃油經濟性轉速調節特性曲線，計算出發動機目標轉速。將發動機當前轉速與目標轉速之差輸入PID控制器，輸出速比調節值，大小限定在[0，4]，再將其分別輸入給變量泵排量比控制模塊和換段控制模塊。

在變量泵排量比控制模塊中，首先由電液比例閥接收由速比匹配控制模塊發出的速比調節信號，并根據速比調節信號調整進出雙作用液壓缸的流量，從而控制雙作用液壓缸活塞的位移，雙作用液壓缸活塞桿再推動變量泵斜盤，進行傾角的調整，進而調節變量泵的排量比[14-15]。

在換段控制模塊中，首先接收由速比匹配控制模塊輸出的速比調節信號，并通過離散延遲函數和積分函數，將信號傳遞給兩位兩通電磁閥，再通過液壓缸進油或出油來模擬離合器接合或脫開，最后向離合器C1和C2輸出換段控制信號。

考慮到與所研制的HMCVT相匹配，選擇約翰迪爾4045HYC11柴油發動機作為采棉機的動力源，該發動機的最佳燃油經濟性轉速調節特性曲線如圖4所示。變量泵排量比、速比調節值與離合器接合狀態的對應關系如圖5所示：當速比調節值在[0，2]連續變化時，HMCVT處于HM1段，此時變量泵排量比在[-1，1]變化，離合器C1保持接合；當速比調節值在[2，4]連續變化時，HMCVT處于HM2段，此時變量泵排量比在[-1，1]變化，離合器C2保持接合。

圖4 發動機最佳燃油經濟性轉速調節特性曲線

圖5 對應關系

4 仿真分析

采棉機在運輸和采摘時分別存在兩種典型的工作情況：(1)負載轉矩固定、發動機油門踏板開度變化；(2)發動機油門踏板開度固定、負載轉矩變化。針對此兩種工況進行仿真分析。

4.1 第一種工況仿真分析

采棉機在運輸時，負載變化較慢，可以選用大油門工作，最高行駛速度限制在25 km/h。保持負載轉矩不變，以HM1段起步，使發動機油門踏板開度在5 s內由0增大至0.5，25 s后使發動機油門踏板開度在5 s內由0.5增大至1，再25 s后使發動機油門踏板開度在20 s內由1減小至0.4。仿真時間設置為120 s，結果如圖6—8所示。

圖6 速比調節值(工況一)

圖7 發動機轉速(工況一)

圖8 采棉機行駛速度(工況一)

由圖4—8可知，在給定的負載轉矩以及發動機油門踏板開度下，速比匹配控制模塊能夠自動調節HMCVT的速比，從而使發動機實際轉速能夠在目標燃油經濟性轉速附近穩定；在第0～1.1 s內，由于發動機的實際轉速比小于目標燃油經濟性轉速，故速比調節值保持為0，離合器C1在第1.1 s開始接合，HMCVT將工作于HM1段；從第1.2 s開始，發動機的實際轉速大于目標燃油經濟性轉速，速比匹配控制模塊開始工作，向外輸出速比調節值；在第9 s，速比調節值達到2，此時離合器C1將會脫開，離合器C2開始接合，HMCVT將工作于HM2段；當發動機油門踏板開度在第0～5 s內由0增大至0.5后，發動機轉速隨油門踏板開度的增大而增大，并逐漸穩定于最佳燃油經濟性轉速1 421 r/min；當發動機油門踏板開度在第30～35 s內由0.5增大至1后，發動機轉速隨油門踏板開度的增大而增大，并逐漸穩定于最佳燃油經濟性轉速2 200 r/min，采棉機行駛速度穩定于25 km/h；當發動機油門踏板開度在第60～80 s內由1減小至0.4后，發動機轉速隨油門踏板開度的減小而減小，并逐漸穩定于最佳燃油經濟性轉速1 265 r/min，采棉機行駛速度穩定于15 km/h。

4.2 第二種工況仿真分析

采棉機在采摘時，負載變化較快，一般選用小油門工作，最高行駛速度限制在15 km/h。保持發動機油門踏板開度為0.3，以HM1段起步，起步30 s后增大負載轉矩，再30 s后使負載轉矩恢復至起步時水平。仿真時間設置為90 s，結果如圖9—11所示。

圖9 速比調節值(工況二)

圖10 發動機轉速(工況二)

圖11 采棉機行駛速度(工況二)

由圖4、圖5、圖9—11可知：在給定的負載轉矩以及發動機油門踏板開度下，速比匹配控制模塊能夠自動調節HMCVT的速比，從而使發動機實際轉速能夠在目標燃油經濟性轉速附近穩定；在第0～0.4 s內，由于發動機的實際轉速小于目標燃油經濟性轉速，故速比調節值保持為0，離合器C1在第0.4 s開始接合，HMCVT將工作于HM1段；從第0.5 s開始，發動機的實際轉速大于目標燃油經濟性轉速，速比匹配控制模塊開始工作，向外輸出速比調節值；在第8.5 s，速比調節值達到2，此時離合器C1將會脫開，離合器C2開始接合，HMCVT將工作于HM2段；在第0～30 s內保持負載轉矩不變，發動機轉速一直穩定于最佳燃油經濟性轉速1 241 r/min，采棉機行駛速度穩定于13 km/h；在第30～60 s內增大負載轉矩，發動機實際轉速增大，采棉機加速行駛；在第60～90 s內使負載轉矩恢復至起步時水平，采棉機開始減速，發動機轉速重新逐漸穩定于最佳燃油經濟性轉速1 241 r/min，采棉機行駛速度重新穩定于13 km/h。

5 結論

(1)為提高裝有自主設計的HMCVT的采棉機的燃油經濟性，提出一種基于燃油經濟性的發動機-變速箱速比匹配控制策略；

(2)利用AMESim建立發動機-HMCVT仿真模型，對基于燃油經濟性的發動機-變速箱速比匹配控制策略展開仿真研究；

(3)仿真結果表明此控制策略在采棉機負載轉矩固定、發動機油門踏板開度變化和發動機油門踏板開度固定、負載轉矩變化的情況下皆具有可行性。