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2010智能計(jì)算技術(shù)與自動化國際會議
研究匹配策略和模擬連續(xù)可變傳輸系統(tǒng)的拖拉機(jī)
徐里有 周之禮 曹青梅 張明珠
河南科技大學(xué)，洛陽，河南省，中國
加我qq：1985639755要英文原文
摘要——本文根據(jù)發(fā)動機(jī)測試結(jié)果,建立了發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩模型和油耗模型。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速特性是在當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)模式和滿負(fù)荷的工況下，表示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)流之間的關(guān)系?；谝陨瞎ぷ?提出了連續(xù)變量傳輸(HMCVT)系統(tǒng)的匹配策略。根據(jù)在不同的野外環(huán)境工況,以仿真方法研究了HMCVT系統(tǒng)匹配的策略。這個(gè)研究為測定HMCVT系統(tǒng)提供了理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和控制方法。
關(guān)鍵詞——拖拉機(jī);振動連續(xù)變量傳輸;匹配策略;仿真
1. 介紹
無級變速傳輸系統(tǒng)(HMCVT)是一種新型的一個(gè)機(jī)械傳動(MT)聯(lián)合一個(gè)具有一對液壓單元液壓傳動(HST)組成的傳動裝置。HMCVT通過組合MT和HST有一個(gè)連續(xù)的變量轉(zhuǎn)移率并在在M[1,2]狀態(tài)下達(dá)到高的效率。只有當(dāng)合理匹配HMCVT系統(tǒng)和發(fā)動機(jī),HMCVT系統(tǒng)可以發(fā)揮其優(yōu)勢。匹配的關(guān)鍵是根據(jù)實(shí)際的工作條件和發(fā)動機(jī)特性,發(fā)動機(jī)通過HMCVT系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度比工作在最佳狀態(tài),。拖拉機(jī)HMCVT系統(tǒng)速度比的調(diào)節(jié)可以通過控制位移比的變量液壓泵(PV)和固定液壓馬達(dá)(MF)來實(shí)現(xiàn)。
目前,國內(nèi)外的連續(xù)變量傳輸系統(tǒng)的研究匹配主要集中在汽車[3、4、5),并且這個(gè)關(guān)于拖拉機(jī)研究還沒有被報(bào)道。拖拉機(jī)不僅與汽車在結(jié)構(gòu)有區(qū)別,其惡劣的工作條件和頻繁的外載荷波動也是與汽車的區(qū)別。這些所有的要求速度比改變都是為了以及時(shí)適應(yīng)拖拉機(jī)變化的負(fù)載和運(yùn)動阻力,確保動態(tài)性能和經(jīng)濟(jì)性。本文的目的是為拖拉機(jī)解決匹配策略和HMCVT系統(tǒng)的模擬問題,為了拖拉機(jī)的控制方法提供理論依據(jù)。
2. 發(fā)動機(jī)輸出特性
A. 發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩
發(fā)動機(jī)是一個(gè)更復(fù)雜的系統(tǒng),其輸出轉(zhuǎn)矩是通過節(jié)流閥開放和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變?；诎l(fā)動機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果,發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩和節(jié)氣門打開和旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系可以使用多項(xiàng)式擬合來建立。發(fā)動機(jī)輸出扭矩和油門開啟和旋轉(zhuǎn)速度之間表面關(guān)系用多項(xiàng)式擬合能得到圖.1。
圖1發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與節(jié)氣門打開和旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系
b .發(fā)動機(jī)的通用特性
發(fā)動機(jī)功率和燃料消耗之間的關(guān)系,可以根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)載的每個(gè)轉(zhuǎn)速特性曲線被實(shí)現(xiàn)。然后發(fā)動機(jī)有效燃料消耗和旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)矩之間的曲面關(guān)系可以通過利用曲線插值擬合獲得。普遍發(fā)動機(jī)特性曲線(圖2)可以使用發(fā)動機(jī)的數(shù)值模型得到。
在圖2中,曲線ABC是外部特征曲線;曲線BFS和CGT是速度調(diào)節(jié)特性曲線,A、B和C三點(diǎn)分別是最大輸出功率點(diǎn)。在不同的油門位置，盡管引擎可以工作最大輸出功率點(diǎn),在一些最大輸出功率點(diǎn)如點(diǎn)B和C發(fā)動機(jī)有純淬裝載能力,這很容易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的熄火。因此,在不同的油門位置,發(fā)動機(jī)的最大輸出功率點(diǎn)應(yīng)設(shè)置為圖2的點(diǎn)A,F和G。因此,通常,曲線AFG被稱為最佳動力性工作曲線,即D曲線。
如果有相同功率的燃油消耗最小點(diǎn)(圖2)是相連的,發(fā)動機(jī)的最優(yōu)燃料經(jīng)濟(jì)性能工作曲線隨著圖2中的曲線AST的實(shí)現(xiàn),即E曲線。
圖2引擎通用特性曲線
c .調(diào)節(jié)功能的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速
發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)功能是當(dāng)負(fù)載的輸出軸改變,車輛傳動裝置速度比率是為了維護(hù)發(fā)動機(jī)功率的相對價(jià)值進(jìn)行獨(dú)立煩的控制。如果發(fā)動機(jī)工作在每個(gè)相對功率之間最低燃料消耗的轉(zhuǎn)速，油門開啟和轉(zhuǎn)速的關(guān)系是轉(zhuǎn)速的最優(yōu)燃料經(jīng)濟(jì)性能。如果發(fā)動機(jī)的每個(gè)相對節(jié)流開放工作在最大轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)速度，,油門的打開和轉(zhuǎn)速的關(guān)系是轉(zhuǎn)速的最佳動力性能。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)功能可以擬定為圖3。在圖3,曲線D和E分別是發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)特性曲線的優(yōu)化功率和最佳燃油經(jīng)濟(jì)性能。
圖3發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性
III.匹配策略的HMCVT系統(tǒng)
HMCVT系統(tǒng)的匹配策略如圖.4。發(fā)動機(jī)可以通過HMCVT系統(tǒng)控制發(fā)動機(jī)油門打開和調(diào)節(jié)速度比使其工作在最優(yōu)功率性能工作曲線D或最好的燃料經(jīng)濟(jì)性能工作曲線E。在實(shí)際的工作，工作重點(diǎn)應(yīng)該是落在發(fā)動機(jī)的速度特性曲由最低穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)速度曲線l,外特性曲線w和監(jiān)管線t的區(qū)域。對于HMCVT系統(tǒng)的拖拉機(jī),每點(diǎn)發(fā)動機(jī)的有效工作范圍有一個(gè)和拖拉機(jī)的駕駛速度相對應(yīng)的驅(qū)動力,其具體表達(dá)式給出了公式如下
圖4匹配的HMCVT系統(tǒng)示意圖
這里，F(xiàn)q是拖拉機(jī)的動力,kN;Me是發(fā)動機(jī)嗎轉(zhuǎn)矩,N·m;ne是轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī),r / min;rd是駕駛的動態(tài)半徑wheel,m;i是HMCVT系統(tǒng)的傳動比,是HMCVT的系統(tǒng)效率;v是拖拉機(jī)速度,km/h;是練習(xí)場的跟蹤效率，輪式拖拉機(jī)=1.
通過引用文中的計(jì)算方法[6],每個(gè)發(fā)動機(jī)的點(diǎn)的有效工作范圍都對應(yīng)拖拉機(jī)驅(qū)動特性圖的(圖。4)。圖4中,曲線l’,‘w’和t”是分別相對應(yīng)的發(fā)動機(jī)理想的工作邊界曲線l,w和t,h線是拖拉機(jī)受地面膠粘劑力的影響可以提供最大驅(qū)動力。
可以從圖4看出,在穩(wěn)定和優(yōu)化電力和燃料經(jīng)濟(jì)性能條件下,當(dāng)拖拉機(jī)工作在一定的速度,有一個(gè)獨(dú)特的理想的發(fā)動機(jī)工作曲線對應(yīng)的拖拉機(jī)的工作狀態(tài)。在發(fā)動機(jī)的通用特性曲線，每個(gè)點(diǎn)工作條件都是明確的。發(fā)動機(jī)節(jié)氣門打開,理想的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有一一對應(yīng)的HMCVT系統(tǒng)的速度比。 發(fā)動機(jī)可以通過控制油門打開發(fā)動機(jī)和調(diào)節(jié)HMCVT系統(tǒng)的速度比工作在最優(yōu)功率性能工作曲線D或最好的燃油經(jīng)濟(jì)性性能工作曲線E。根據(jù)事先確定發(fā)動機(jī)的節(jié)流開放和輸出功率的對應(yīng)關(guān)系,發(fā)動機(jī)可以通過控制發(fā)動機(jī)節(jié)氣門打開和HMCVT系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度比工作在特定的工作點(diǎn)。
可以從圖2和圖3看出,不管最佳動力性和最佳燃油經(jīng)濟(jì)性性能,發(fā)動機(jī)節(jié)氣門打開、旋轉(zhuǎn)速度和輸出功率有一一對應(yīng)的關(guān)系。在每個(gè)發(fā)動機(jī)節(jié)氣門打開時(shí),確保拖拉機(jī)可以工作用不同的速度，HMCVT系統(tǒng)必須有相對速度比,以保證發(fā)動機(jī)工作最優(yōu)工作點(diǎn)。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在最優(yōu)動力性能的傳輸目標(biāo)速度比率如圖5。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在最佳的燃料經(jīng)濟(jì)性能時(shí)的傳輸目標(biāo)速度比率如圖6。目標(biāo)速度比率可以存儲在內(nèi)存單元的控制器內(nèi)。根據(jù)拖拉機(jī)實(shí)際的工作條件,發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)可以通過控制HMCVT系統(tǒng)的速度比率調(diào)節(jié)。這樣拖拉機(jī)可以在這樣工作的條件下提供最佳動力性和最佳燃油經(jīng)濟(jì)性性能。
圖5。目標(biāo)速度比率的發(fā)動機(jī)最優(yōu)功率 圖6。目標(biāo)速度比率的發(fā)動機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性
四。仿真分析
在拖拉機(jī)實(shí)際操作中,通常存在兩個(gè)典型工作條件:一是工作在恒定的拖拉機(jī)牽引阻力和發(fā)動機(jī)可變節(jié)流打開條件,另一個(gè)是工作動機(jī)油門打開發(fā)和的拖拉機(jī)變量牽引電阻條件。在此基礎(chǔ)上,以采取最好的燃料經(jīng)濟(jì)性能的發(fā)動機(jī)為例,仿真系統(tǒng)進(jìn)行了對HMCVT兩個(gè)條件的分析:一是拖拉機(jī)的牽引阻力是常數(shù)和發(fā)動機(jī)節(jié)流閥打開變量,另一個(gè)是發(fā)動機(jī)節(jié)流閥打開是常數(shù)和拖拉機(jī)牽的引阻力是可變的。在這種情況下,發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以工作目標(biāo)工作點(diǎn),調(diào)節(jié)HMCVT系統(tǒng)速度的比率。
a .常數(shù)牽引阻力和可變節(jié)流
仿真工作條件,拖拉機(jī)牽引阻力Ft=40 kn并保持不變,發(fā)動機(jī)起始節(jié)流閥打開?a=50%;經(jīng)過十年,發(fā)動機(jī)節(jié)流閥打開增加到100%;當(dāng)拖拉機(jī)跑到30年，發(fā)動機(jī)節(jié)氣門打開減少到70%。仿真結(jié)果表現(xiàn)為圖7。
圖7仿真結(jié)果曲線恒牽引阻力和
可變節(jié)流工況
可以從圖7看出,在t = 10年,發(fā)動機(jī)節(jié)流閥打開突然從50%增加100%,拖拉機(jī)是在加速開車期間,發(fā)動機(jī)可以工作在HMCVT系統(tǒng)新目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)速度比。然后，發(fā)動機(jī)油門打開保持在100%,拖拉機(jī)是在穩(wěn)定的駕駛周期。在t = 30年,發(fā)動機(jī)油門打開突然從100%降低到70%,拖拉機(jī)是在減速駕駛期間,和發(fā)動機(jī)也可以工作調(diào)節(jié)MHCVT系統(tǒng)速度比新目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度。在加速度和減速駕駛期間,HMCVT系統(tǒng)有一些時(shí)間延遲效應(yīng)、發(fā)動機(jī)實(shí)際輸出扭矩波動的發(fā)生?？梢詮姆抡娼Y(jié)果曲線看出,當(dāng)拖拉機(jī)牽引阻力的常數(shù)和發(fā)動機(jī)節(jié)流閥打開是可變的時(shí),發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩基本上可以通過調(diào)節(jié)HMCVT系統(tǒng)的速度比穩(wěn)定在最佳的燃料經(jīng)濟(jì)性能的工作曲線。
b常數(shù)節(jié)流和變量牽引阻力
仿真的工作條件是發(fā)動機(jī)油門打開a=70%,保持不變,拖拉機(jī)牽引阻力Ft等于60 kn;開始之后十年,拖拉機(jī)牽引阻力減少到30 kn;當(dāng)拖拉機(jī)跑到30年,拖拉機(jī)的牽引阻力增加到60 kn。仿真結(jié)果表現(xiàn)為圖8。
圖8。仿真結(jié)果曲線恒節(jié)流和變量牽引
可以從圖8看出,在t = 10年前,發(fā)動機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩之間和拖拉機(jī)的牽引抵抗扭矩的平衡可以保持,拖拉機(jī)是在穩(wěn)定的駕駛狀態(tài)。在t = 10年,拖拉機(jī)的牽引抵抗扭矩突然從60kn的減少到30 kn,發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速有增加的趨勢。為了保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在目標(biāo)速度旋轉(zhuǎn),需要增加HMCVT系統(tǒng)的速度比。拖拉機(jī)是在加速期,直到開車新的力量平衡點(diǎn)出現(xiàn)。這樣,拖拉機(jī)在穩(wěn)定的駕駛周期。在t = 30年代拖拉機(jī)牽引阻力突然從30 kn增加到60 kn,拖拉機(jī)是在減速駕駛期。在穩(wěn)定的駕駛期間,隨著HMCVT系統(tǒng)速度的比率變化速率是不夠的,有一個(gè)發(fā)動機(jī)和目標(biāo)工作點(diǎn)之間的某些錯誤的工作點(diǎn)。
五結(jié)論
基于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩模型和燃料消耗模型被建立,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的特點(diǎn)被確定。在上述工作的基礎(chǔ)上,研究了匹配HMCVT系統(tǒng)的策略。對這個(gè)拖拉機(jī)兩個(gè)典型的工作條件進(jìn)行了分析法。結(jié)果表明,匹配策略確定本文是正確的和可行的,合理的匹配引擎和HMCVT系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)。
致謝
本文的一部分是通過格蘭特2010 b460009支持醫(yī)生科學(xué)研究河南省教育部門基金科學(xué)和河南大學(xué)基金的自然科學(xué)與技術(shù)的內(nèi)容。
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