HMCVT拖拉機主動防熄火控制方法研究*

郝功凱 ，孫曉鵬 ，任憲豐 ，劉興義 ，王國棟

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

拖拉機在作業(yè)過程中經(jīng)常遇到負載波動劇烈、負載突增的工況，如平地作業(yè)、犁地作業(yè)等，負載的劇烈波動會直接影響發(fā)動機轉(zhuǎn)速，過大的負載會直接將發(fā)動機轉(zhuǎn)速拉低甚至熄火，嚴重時還會出現(xiàn)變速箱離合器磨損等情況，對整車造成不可逆的損害。因此，對拖拉機而言，防熄火是一個非常重要的功能，為了在大負載作業(yè)下既保證駕駛員的駕駛需求，同時又實現(xiàn)對發(fā)動機、變速箱的保護，需要制定合理有效的防熄火保護策略。目前廣泛使用的防熄火保護是基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速過低時，觸發(fā)防熄火保護，斷開發(fā)動機與負載的連接[1-3]。但是由于拖拉機作業(yè)工況惡劣，負載突增導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速會在短時間內(nèi)快速降低，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于閾值時再觸發(fā)防熄火，發(fā)動機由于轉(zhuǎn)速過低已無法提供足夠的扭矩，很可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)速進一步降低直至熄火；同時由于轉(zhuǎn)速過低，發(fā)動機無法提供足夠的扭矩，離合器兩端存在較大的扭矩偏差，離合器如果無法快速脫開，可能會對離合器造成磨損[4-7]。針對傳統(tǒng)防熄火存在的弊端，本研究提出以發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速箱輸出扭矩為主要判斷依據(jù)，采用預(yù)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速來替代實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速被拉低至危險閾值前，提前觸發(fā)防熄火，在保護發(fā)動機的同時，實現(xiàn)對變速箱的保護。

1 控制策略開發(fā)

本研究提出的拖拉機防熄火控制方法能夠在保證作業(yè)效率的同時，實現(xiàn)對發(fā)動機、變速箱的保護，具有原創(chuàng)性，能夠有效改善傳統(tǒng)防熄火保護功能單純依靠轉(zhuǎn)速判斷的弊端，實現(xiàn)對發(fā)動機更合理、更安全的保護。具有如下優(yōu)勢：立足于HMCVT變速箱機械結(jié)構(gòu)特性，適用于各類配套HMCVT變速箱的工程機械和農(nóng)用機械，具有極強的普適性及通用性。與傳統(tǒng)利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速作為判斷依據(jù)的防熄火功能相比[8-10]，本研究提出的方法增加了對變速箱輸出軸負載扭矩的判斷，防止低負載時由于駕駛員人為操作導(dǎo)致防熄火保護誤觸發(fā)，在滿足駕駛員駕駛需求的前提下保證了作業(yè)效率。基于實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行預(yù)測，確保發(fā)動機不會長時間處于異常工作的狀態(tài)；計算預(yù)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速時考慮離合器脫開的時間，當(dāng)觸發(fā)防熄火時能夠有足夠的時間保證離合器正常脫開。本研究提出的HMCVT拖拉機主動防熄火控制方法的主要控制思路如下：

1）實時計算發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化率。在變速箱模式下實時計算實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化率。通過轉(zhuǎn)速傳感器獲取當(dāng)前發(fā)動機輸出實際轉(zhuǎn)速，利用單位時間內(nèi)發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化差值計算發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化率，并將計算得到的發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化率用于計算預(yù)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

2）利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化率與離合器脫開時間計算預(yù)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速。防熄火轉(zhuǎn)速判斷閾值計算公式如下：

其中，n為防熄火轉(zhuǎn)速判斷閾值；n0為防熄火轉(zhuǎn)速判斷基礎(chǔ)值；dn為發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化率；tclt為離合器脫開所需時間。

利用計算出的發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化率，取離合器脫開所需最長時間作為計算因子，兩者乘積即為離合器脫開期間發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化值。此閾值與防熄火轉(zhuǎn)速判斷基礎(chǔ)值之和即為最終進行防熄火判斷的轉(zhuǎn)速閾值。

離合器脫開時間根據(jù)使用離合器類型的不同而不同，為保證使能防熄火功能時有足夠的時間供離合器脫開，此處使用的時間為離合器脫開所需最長時間。以濕式離合器為例，不同溫度下油液黏稠度不同，溫度越低離合器油腔泄油所需的時間也越長，因此離合器脫開的時間需要選取保證整機正常作業(yè)時最低溫度下離合器脫開所需要的時間。若實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于防熄火轉(zhuǎn)速判斷閾值，則需要使能防熄火功能，脫開變速箱離合器，保證發(fā)動機能夠正常工作。

3）利用變速箱輸出扭矩與預(yù)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速判斷是否使能防熄火保護功能。單純采用發(fā)動機轉(zhuǎn)速判斷是否使能防熄火功能，無法覆蓋所有工況。當(dāng)發(fā)動機怠速控制較差時，駕駛員的人為操作也可能導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動較大，實際轉(zhuǎn)速低于低怠速閾值。若此時變速箱輸出軸傳遞扭矩較大，觸發(fā)防熄火則能夠有效保證發(fā)動機的正常運行。但若此時變速箱輸出軸處于空載，即使實際轉(zhuǎn)速低于低怠速閾值，發(fā)動機依舊有能力實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制，維持正常運行；此時觸發(fā)發(fā)動機防熄火則與駕駛員意圖不符，需要重新結(jié)合變速箱離合器，影響駕駛體驗及作業(yè)效果。因此，為避免受發(fā)動機轉(zhuǎn)速影響所引起的防熄火功能的錯誤觸發(fā)，本研究提出在發(fā)動機轉(zhuǎn)速預(yù)測的基礎(chǔ)上增加變速箱輸出軸扭矩判斷的條件，實現(xiàn)對發(fā)動機防熄火使用工況的準(zhǔn)確判斷，保證發(fā)動機正常運行的同時，提高作業(yè)效率。HMCVT拖拉機主動防熄火控制流程圖如圖1所示。

圖1 HMCVT拖拉機主動防熄火控制流程圖

利用扭矩傳感器對變速箱輸出軸扭矩進行實時采集，并根據(jù)預(yù)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸出軸扭矩判斷是否使能防熄火功能。①當(dāng)輸出軸扭矩過大時（利用速比計算發(fā)動機端需傳遞扭矩并判斷是否已超過發(fā)動機最大扭矩），不再判斷發(fā)動機轉(zhuǎn)速，直接使能發(fā)動機防熄火功能，斷開變速箱離合器。②當(dāng)輸出軸扭矩處于正常范圍時（處于發(fā)動機維持空載運行所需最小扭矩與最大扭矩之間），通過比較實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速與預(yù)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速判斷是否使能發(fā)動機防熄火功能。③當(dāng)輸出軸扭矩小于扭矩判斷閾值時（發(fā)動機最大扭矩30%，發(fā)動機維持風(fēng)扇等部件所需的最小扭矩），認為整機當(dāng)前處于空載作業(yè)，不再將發(fā)動機預(yù)測轉(zhuǎn)速作為判斷條件，只有實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于發(fā)動機最低可控轉(zhuǎn)速時（發(fā)動機能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速控制的最低轉(zhuǎn)速），說明當(dāng)前發(fā)動機已無法提供動力，為避免變速箱離合器磨損，使能發(fā)動機防熄火功能，斷開變速箱離合器。

4）根據(jù)防熄火保護邏輯判斷結(jié)果，選擇是否斷開變速箱離合器。根據(jù)防熄火使能情況，對變速箱離合器實現(xiàn)控制。未使能發(fā)動機防熄火功能時，變速箱離合器正常結(jié)合，保證動力及扭矩傳遞；使能發(fā)動機防熄火功能時，斷開變速箱離合器，實現(xiàn)對發(fā)動機和變速箱離合器的保護。

2 仿真驗證

為驗證本研究提出的HMCVT拖拉機主動防熄火控制方法，利用Simscape搭建動力總成物理模型，并基于Simulink搭建相應(yīng)的控制策略，實現(xiàn)控制軟件閉環(huán)仿真。對發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制、正常結(jié)合/斷開變速箱離合器進行了仿真測試，從結(jié)果來看，當(dāng)前物理模型及控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機和變速箱離合器的準(zhǔn)確控制，滿足發(fā)動機防熄火功能仿真測試的要求，動力總成物理模型示意圖如圖2所示。

圖2 動力總成物理模型

基于搭建的物理模型，通過對輸出軸扭矩、實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制，對各種工況下動力總成的表現(xiàn)進行了模擬，驗證發(fā)動機防熄火控制邏輯的表現(xiàn)，具體仿真結(jié)果如下。

1）輸出扭矩過大時，直接斷開變速箱離合器，不再進行發(fā)動機轉(zhuǎn)速判斷。變速箱正常結(jié)合的情況下，模擬負載突增工況，觀察變速箱輸出軸扭矩超過判斷閾值時，發(fā)動機防熄火功能是否觸發(fā)，變速箱離合器是否斷開，具體結(jié)果如圖3所示。

圖3 輸出扭矩超最大扭矩

2）輸出扭矩處于發(fā)動機可控范圍時，不斷增加變速箱輸出軸扭矩，觀察發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與變速箱輸出軸扭矩滿足置位條件時，發(fā)動機防熄火功能是否觸發(fā)，能否快速斷開變速箱離合器，具體仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 輸出扭矩處于可控范圍

3）輸出扭矩小于扭矩判斷閾值時（發(fā)動機最大扭矩30%），不斷控制發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速降低，觀察發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于最低可控轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機防熄火功能是否使能，變速箱離合器能否正常斷開，具體仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 輸出扭矩小于30%

3 仿真結(jié)果

通過應(yīng)用軟件仿真，模擬整機利用變速箱模式作業(yè)，測試不同變速箱輸出軸扭矩、不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速時發(fā)動機防熄火功能的使能狀態(tài)，對本研究提出的HMCVT拖拉機主動防熄火控制方法 進行了可靠性及實用性測試。通過對不同輸出扭矩、不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下發(fā)動機防熄火功能的測試驗證，結(jié)合仿真測試結(jié)果，本研究所提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)對變速箱作業(yè)模式下的全工況覆蓋，當(dāng)輸出扭矩或發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，能夠及時判斷并使能發(fā)動機防熄火功能，實現(xiàn)對發(fā)動機與變速箱離合器的保護，能夠取代現(xiàn)有的防熄火保護策略。

1）正常掛擋起車后，離合器結(jié)合1擋，隨著輸出軸扭矩的增加，發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸增加，并逐漸換擋為2擋。當(dāng)輸出軸扭矩過大時，發(fā)動機防熄火功能迅速使能，變速箱離合器在短時間內(nèi)快速斷開，與預(yù)期結(jié)果一致，能夠?qū)崿F(xiàn)對變速箱離合器和發(fā)動機的保護；防熄火使能后，隨著離合器的斷開，發(fā)動機轉(zhuǎn)速緩慢減小至怠速，輸出軸扭矩不再檢測。

2）正常掛擋起車后，離合器結(jié)合1擋，隨著輸出軸扭矩的增加，發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸增加，并逐漸換擋為2擋。隨著輸出軸扭矩的增加，發(fā)動機轉(zhuǎn)速被不斷拉低，當(dāng)發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速低于預(yù)測轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機防熄火功能觸發(fā)，變速箱離合器斷開，仿真結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致，能夠?qū)崿F(xiàn)對變速箱離合器和發(fā)動機的保護。

3）正常掛擋起車后，由于輸出軸扭矩較小且未發(fā)生波動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持設(shè)定轉(zhuǎn)速，變速箱維持1擋；當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速受外界影響小于最低可控轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機防熄火功能觸發(fā)，變速箱離合器斷開，與預(yù)期結(jié)果一致。

4 結(jié)語

通過對HMCVT變速箱在作業(yè)過程中負載對發(fā)動機轉(zhuǎn)速影響的理論分析，提出了一種區(qū)別于傳統(tǒng)防熄火控制的方法，結(jié)合發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化率與負載，利用發(fā)動機預(yù)測轉(zhuǎn)速與實際輸出負載進行判斷，實現(xiàn)了對不同作業(yè)工況下發(fā)動機防熄火的控制，在保護發(fā)動機的同時，能夠有效保護變速箱硬件。利用Simscape搭建動力總成物理模型，并基于Simulink搭建相應(yīng)的控制策略，實現(xiàn)控制軟件閉環(huán)仿真。基于動力總成物理模型，對發(fā)動機防熄火控制方法在各種負載工況進行了仿真驗證。驗證結(jié)果表明，能夠在不同作業(yè)工況下實現(xiàn)對發(fā)動機與變速箱的保護。從仿真結(jié)果分析，本方法能夠有效根據(jù)當(dāng)前作業(yè)工況判斷是否觸發(fā)防熄火，并采取保護措施，符合預(yù)期目標(biāo)。由此，基于上述理論分析及仿真驗證，得出以下結(jié)論：本研究提出的一種HMCVT拖拉機發(fā)動機防熄火控制方法，在實現(xiàn)發(fā)動機保護的同時，考慮變速箱離合器脫開所用的時間，也實現(xiàn)了對變速箱離合器的保護。本研究所提出的方法適用于各類HMCVT工程機械和農(nóng)用機械，對被控對象適應(yīng)性高，不需要針對特定機型和工況進行開發(fā)，具有很強的實用性及普遍性。本研究提出的防熄火保護功能能夠有效消除傳統(tǒng)防熄火保護策略的弊端，能實時監(jiān)測負載變化情況并實現(xiàn)對發(fā)動機和變速箱的保護，能夠有效延長整車的使用壽命。