任好玲, 蔡少樂, 陳其懷, 林添良, 郎 彬
(1. 華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 廈門 361021; 2. 廈門廈工機(jī)械股份有限公司, 福建 廈門 361021)
近年來,隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、燃煤和機(jī)動(dòng)車污染防治力度的加大,非道路移動(dòng)源排放逐漸凸顯[1].此外,各國對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格,我國也相繼出臺(tái)了一系列與非道路移動(dòng)源相關(guān)的節(jié)能減排政策[2-4].在2018年發(fā)布的《非道路移動(dòng)機(jī)械污染防治技術(shù)政策》[5]中,提出以柴油機(jī)等壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的非道路移動(dòng)機(jī)械,至2020年要求達(dá)到國四的排放標(biāo)準(zhǔn),至2025年達(dá)到國際先進(jìn)排放標(biāo)準(zhǔn).工程機(jī)械作為一種高作業(yè)效率的非道路車輛,被廣泛應(yīng)用于基建、礦山、港口以及道路等建設(shè)與運(yùn)輸中.生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)(2019)》公布了工程機(jī)械占非道路移動(dòng)源排放總量的35%[6].因此,工程機(jī)械對(duì)環(huán)境的污染也不容小覷,節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與技術(shù)革新勢(shì)在必行.
鑒于純電驅(qū)動(dòng)和傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)在傳動(dòng)及驅(qū)動(dòng)方案上具有較大的差異,現(xiàn)有的換擋控制策略無法很好地應(yīng)用于純電驅(qū)動(dòng)重型工程機(jī)械.傳統(tǒng)裝載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)需兼顧行走驅(qū)動(dòng)、液壓系統(tǒng)等工作裝置,不能有效主動(dòng)地調(diào)節(jié)換擋過程中驅(qū)動(dòng)單元的輸出.雖能采用液力變矩器發(fā)揮其自動(dòng)適應(yīng)性等特點(diǎn),在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速,但也使控制更為復(fù)雜且存在效率較低、高效范圍窄等問題.而電機(jī)以其過載能力強(qiáng)、調(diào)速調(diào)矩優(yōu)良等特性能夠較好地對(duì)整車的動(dòng)力輸出進(jìn)行主動(dòng)控制,取消傳統(tǒng)機(jī)型上的自適應(yīng)變矩器,由電機(jī)主動(dòng)控制匹配離合器工作,能夠在實(shí)現(xiàn)整車高效率、低噪聲和零排放目標(biāo)的基礎(chǔ)上,提高換擋品質(zhì)[7].且裝載機(jī)在非結(jié)構(gòu)路面上作業(yè)和行駛時(shí)振動(dòng)劇烈、穩(wěn)定性差,需要頻繁切換擋位來保證動(dòng)力需求,據(jù)統(tǒng)計(jì)每小時(shí)可達(dá)千次,平均3.6 s完成一次換擋[8].如果換擋過程沖擊度大,長時(shí)間和重復(fù)性的工況極易對(duì)駕駛員造成嚴(yán)重的駕駛疲勞并增加作業(yè)事故的風(fēng)險(xiǎn).因此,合理設(shè)計(jì)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)行走系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)較快的平順換擋具有重要意義.
針對(duì)上述問題,在整車方案上提出雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案,由液壓工作電機(jī)和行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī),解耦后利用電機(jī)的優(yōu)良特性及主動(dòng)控制的優(yōu)勢(shì)取消傳統(tǒng)液力傳動(dòng)中的變矩器,根據(jù)裝載機(jī)作業(yè)負(fù)載大、操縱頻繁的特點(diǎn),采用濕式多片離合器.在換擋控制上,針對(duì)新的系統(tǒng)方案,為了發(fā)揮電傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì),提出一種基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與濕式離合器壓力復(fù)合控制的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)換擋控制策略,采用電液換擋控制系統(tǒng)對(duì)濕式離合器充、泄油過程進(jìn)行控制,同時(shí)分析濕式離合器及純電驅(qū)動(dòng)整車動(dòng)力單元等工作特性,對(duì)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)控制,使其工作在不同模式下匹配濕式離合器充、泄油過程中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速.最后,基于整車完成對(duì)該系統(tǒng)及控制策略的試驗(yàn).
圖1所示為純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)系統(tǒng)方案,包括電氣部分和機(jī)械傳動(dòng)部分.電氣部分由控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN總線)完成各個(gè)控制單元之間的通訊,包括電池管理系統(tǒng)(BMS)、電機(jī)控制單元(MCU)、變速箱控制單元(TCU)等.由動(dòng)力鋰電池通過BMS對(duì)電機(jī)等供電,并由TCU接收來自駕駛室的擋位、油門和制動(dòng)等信號(hào),以及接收和處理各個(gè)控制單元信號(hào)并對(duì)其發(fā)出控制指令.最后通過電液控制換擋系統(tǒng)對(duì)變速箱的各個(gè)離合器進(jìn)行控制,并將壓力和轉(zhuǎn)速信號(hào)采集反饋給TCU以完成相應(yīng)的閉環(huán)控制.該系統(tǒng)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案,實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)與行走系統(tǒng)的解耦,發(fā)揮純電驅(qū)動(dòng)操作性與節(jié)能的優(yōu)勢(shì).此處僅針對(duì)行走系統(tǒng)展開研究,對(duì)液壓系統(tǒng)不做詳細(xì)闡述.
圖1 純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)系統(tǒng)方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of pure electric drive loader system
機(jī)械傳動(dòng)部分采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)變速箱的方案,由變速箱內(nèi)部的濕式離合器實(shí)現(xiàn)齒輪逐級(jí)傳遞,再由萬向傳動(dòng)軸、前后驅(qū)動(dòng)橋(主傳動(dòng)、差速器、半軸)、輪邊、輪胎輪輞總成實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng).針對(duì)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī),取消了變速箱集成的液力變矩器;利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)特性實(shí)現(xiàn)整車前進(jìn)、倒車,取消了傳統(tǒng)的倒擋齒輪和方向離合器,將前進(jìn)擋定義為動(dòng)力擋.該機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):① 提高了整車傳動(dòng)的效率;② 減小了外油路及變速箱的安裝空間;③ 簡(jiǎn)化了電氣控制和機(jī)械結(jié)構(gòu),提高了整車的可靠性.
圖2所示為純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)電液控制換擋系統(tǒng)原理圖,由換擋電機(jī)-泵為系統(tǒng)提供壓力油;由電磁換向閥、液控?fù)Q向閥實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力離合器、一擋離合器和二擋離合器供油,同時(shí)保證一擋、二擋離合器不存在掛雙擋的情況;由電磁換向閥對(duì)烏龜兔子模式油缸供油,完成變速箱嚙合套的烏龜兔子模式切換;并由傳感器對(duì)離合器當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行反饋.
1—換擋電機(jī), 2—液壓泵, 3—過濾器, 4—安全閥, 5—單向閥, 6,14,17,18—壓力傳感器, 7,8,9,10,11,12—兩位三通電磁換向閥, 13—三位五通換向閥, 15—?jiǎng)恿蹼x合器, 16—烏龜兔子模式油缸, 19—一擋離合器, 20—二擋離合器圖2 純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)電液控制換擋系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of electro hydraulic control shift system for pure electric drive loader
由前文分析可知,采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)變速箱的方案充分發(fā)揮了純電驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì),同時(shí)是解決傳統(tǒng)整車效率低及提高續(xù)航等問題的重要途徑之一,但是換擋品質(zhì)的優(yōu)劣將直接影響整車的操縱性和安全性[9].因此,開發(fā)合理的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)換擋控制策略具有必要性.
圖3所示為濕式離合器換擋過程理想壓力曲線,圖中:t為換擋時(shí)間;p為壓力.傳統(tǒng)裝載機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)通過液力變矩器與變速箱連接,基于液力傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)變速箱工作.只能通過控制濕式離合器壓力提供整車動(dòng)力及優(yōu)化換擋品質(zhì).通常分為① 快速充油階段(OAB);② 離合器快速升壓階段(BC′);③ 緩沖升壓階段(C′D′);④ 階躍升壓階段(D′D)[10-12].而所提出的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)方案將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變速箱解耦,對(duì)變速箱輸出轉(zhuǎn)矩的控制不再完全基于對(duì)結(jié)合油壓的控制,而是離合器壓力與驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)控制相結(jié)合,利用電傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì),精確快速地控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速較好地匹配離合器工作.提出的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)離合器換擋過程理想壓力曲線主要分為兩個(gè)階段:① 快速充油階段(OAB);② 離合器升壓階段(BC).C點(diǎn)以后離合器維持在系統(tǒng)設(shè)定壓力,至此離合器結(jié)合動(dòng)作完成.換擋過程發(fā)揮驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)控制輸出,簡(jiǎn)化了對(duì)油壓的控制,很大程度上減小了換擋所需的時(shí)間.
圖3 濕式離合器換擋過程理想壓力曲線Fig.3 Ideal pressure curve of wet clutch during shifting process
換擋時(shí),有平穩(wěn)性良好和離合器壽命長兩項(xiàng)基本要求.優(yōu)化換擋品質(zhì)的目的在于提高換擋平穩(wěn)性、減小整車沖擊,使駕駛更加舒適;減少摩擦產(chǎn)生的熱量及能量損失,并提高離合器工作的可靠性,保證其壽命.其指標(biāo)有沖擊度、滑摩功和換擋時(shí)間等.
2.1.1沖擊度分析 對(duì)整車縱向加速度關(guān)于時(shí)間求導(dǎo),沖擊度j由傳遞轉(zhuǎn)矩的變化率近似表示為
(1)
式中:a為車輛縱向加速度;R為車輪半徑;i為總傳動(dòng)比;ω為變速箱輸出軸旋轉(zhuǎn)角速度;Iv為輸入軸等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;T為傳遞轉(zhuǎn)矩.
濕式離合器結(jié)合特性分為擠壓、壓緊和全粗糙接觸3個(gè)階段[13-14].其中,擠壓階段的摩擦轉(zhuǎn)矩是由摩擦片中的油膜剪切產(chǎn)生的黏性轉(zhuǎn)矩;全粗糙接觸階段的摩擦轉(zhuǎn)矩是由微凸臺(tái)體接觸產(chǎn)生的粗糙轉(zhuǎn)矩;壓緊階段則是處于兩種狀態(tài)之間,摩擦轉(zhuǎn)矩由黏性轉(zhuǎn)矩和粗糙轉(zhuǎn)矩共同構(gòu)成.
濕式離合器傳遞的黏性轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為
(2)
式中:n為離合器摩擦面數(shù);φ為摩擦表面流體因數(shù);ωslip為摩擦表面滑摩角速度差;An為摩擦接觸面積;λ(v′)為潤滑油絕對(duì)黏度,v′為摩擦表面滑摩線速度差;r為dAn中微分面積到旋轉(zhuǎn)軸的半徑;h為油膜厚度.
濕式離合器傳遞的粗糙轉(zhuǎn)矩Ta近似表達(dá)為
Ta=nμ(v′)AcRmpc
(3)
v′=rωslip
(4)
式中:μ(v′)為粗糙接觸摩擦因數(shù);Ac為粗糙接觸面積;Rm為摩擦片平均有效半徑;pc為離合器結(jié)合油壓;r為dAc中微分面積到旋轉(zhuǎn)軸的半徑.
根據(jù)式(1)可知整車沖擊度與傳遞轉(zhuǎn)矩的變化率成正比關(guān)系,而根據(jù)式(3)可知離合器傳遞轉(zhuǎn)矩變化率與離合器結(jié)合油壓變化率成正比關(guān)系,傳統(tǒng)裝載機(jī)正是基于此來控制離合器結(jié)合油壓變化率減小整車換擋沖擊.而純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)發(fā)揮驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)控制的優(yōu)勢(shì),工作在轉(zhuǎn)速模式下對(duì)離合器主動(dòng)端轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整.由式(2)~(4)可以得出濕式離合器傳遞轉(zhuǎn)矩與摩擦表面滑摩角速度差有關(guān),即與主、從動(dòng)端轉(zhuǎn)速差有關(guān).當(dāng)摩擦角速度差近似為0時(shí),傳遞轉(zhuǎn)矩為0,離合器升壓階段(BC),壓力的變化率不影響整車沖擊度.因此,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速差可以使整車換擋時(shí)更加平穩(wěn),同時(shí)離合器結(jié)合油壓也可快速升高以減少換擋時(shí)間.
當(dāng)濕式離合器處于滑摩狀態(tài),實(shí)際傳遞轉(zhuǎn)矩為摩擦轉(zhuǎn)矩.而當(dāng)濕式離合器處于完全結(jié)合狀態(tài),其實(shí)際傳遞轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為
T=min{Tm,Tc}
(5)
式中:Tm為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;Tc為離合器可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩.
換擋結(jié)束后,根據(jù)式(5)可以得出結(jié)合完成后傳遞轉(zhuǎn)矩取決于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的較小值.通常在離合器最大轉(zhuǎn)矩的選型上留有余量.因此,在離合器結(jié)合完成后整車沖擊度取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩.
2.1.2滑摩功分析 換擋過程中,主、從動(dòng)摩擦片相互滑動(dòng)摩擦,滑摩功為滑動(dòng)摩擦力矩所做功,其數(shù)學(xué)表達(dá)式近似為
(6)
根據(jù)式(6)可以得出滑動(dòng)摩擦過程時(shí)的離合器摩擦功與主從動(dòng)摩擦片轉(zhuǎn)速差成正比,對(duì)其轉(zhuǎn)速差精確地控制,可以大幅減少離合器結(jié)合摩擦片相互滑動(dòng)摩擦所做的滑摩功.
2.1.3換擋時(shí)間分析 換擋時(shí)間是能夠反映換擋品質(zhì)的綜合性指標(biāo),在保證平順換擋的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡可能縮短換擋時(shí)間,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
t=t1+t2+t3+t4+t5
(7)
式中:t1為驅(qū)動(dòng)電機(jī)卸扭時(shí)間;t2為摘擋離合器分離時(shí)間;t3為驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速時(shí)間;t4為結(jié)合離合器結(jié)合時(shí)間;t5為動(dòng)力恢復(fù)時(shí)間.
由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)卸扭時(shí)間很短,相對(duì)整個(gè)換擋過程所需的時(shí)間很短,t1可近似為0.忽略油路及離合器油缸的漏損,假定換擋過程中油溫不變,在換擋電機(jī)轉(zhuǎn)速固定的情況下,離合器快速充油所需時(shí)間是確定的,即壓力油克服回位彈簧預(yù)緊力向活塞缸容腔充油.該過程離合器所傳遞的黏性轉(zhuǎn)矩較小,對(duì)重型工程機(jī)械整車的沖擊在可接受的范圍內(nèi),且該過程持續(xù)時(shí)間在整個(gè)換擋過程時(shí)間占比較大,因此,該過程可同步進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),t3、t4具有重疊部分.在保證整車沖擊度在可接受的范圍內(nèi),根據(jù)整車每次換擋時(shí)不同工況所需恢復(fù)的轉(zhuǎn)矩不同,制定驅(qū)動(dòng)電機(jī)恢復(fù)策略.與傳統(tǒng)油壓特性固定的緩沖式換擋閥相比,該方式更具有靈活性,且在輕載工況能極大縮短該過程所需的時(shí)間.綜上,換擋時(shí)間數(shù)學(xué)表達(dá)式修正為
t≤t2+t3+t4+t5
(8)
由TCU識(shí)別當(dāng)前擋位、油門信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)等,根據(jù)整車車速判斷是否進(jìn)行擋位切換,發(fā)出換擋指令,執(zhí)行換擋.本研究針對(duì)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)提出一種基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與離合器壓力復(fù)合控制的換擋控制策略.通過壓力變送器采集離合器壓力,對(duì)離合器狀態(tài)進(jìn)行判斷,從而判斷是否執(zhí)行下一階段控制策略.采用變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制.綜合考慮整車性能與沖擊度指標(biāo),利用電傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)優(yōu)化換擋過程中的換擋品質(zhì).圖4所示為控制系統(tǒng)原理圖.下面結(jié)合圖5所示的換擋系統(tǒng)流程圖進(jìn)行詳細(xì)分析.
圖5 換擋系統(tǒng)控制流程Fig.5 Control process of shift system
2.2.1換擋前 當(dāng)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)行走時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩模式以保持傳統(tǒng)機(jī)型駕駛員的操作習(xí)慣,由電子油門信號(hào)及擋位決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出.
2.2.2摘擋階段 當(dāng)發(fā)出換擋指令后,驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在自由模式,輸出轉(zhuǎn)矩為0,防止離合器分離過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩溢出對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸和整車產(chǎn)生擾動(dòng),不利于換擋和影響整車平順性.驅(qū)動(dòng)電機(jī)卸扭完成后,執(zhí)行當(dāng)前擋位離合器摘擋指令,并通過壓力變送器判斷分離是否完成.
2.2.3轉(zhuǎn)速同步階段 驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在轉(zhuǎn)速模式,由于裝載機(jī)工況較為惡劣,外負(fù)載的多變性將很大程度上影響整車換擋過程車速的變化,通過變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器反饋當(dāng)前整車車速,采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)擋位電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)校正,保證換擋的平順性.驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速階段,驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)表達(dá)式為
(9)
式中:no為變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速;it為變速箱目標(biāo)擋位傳動(dòng)比;ic為變速箱當(dāng)前擋位傳動(dòng)比.
為了使離合器主動(dòng)端阻力矩與摩擦力矩方向一致,利于目標(biāo)離合器主、從動(dòng)轉(zhuǎn)速同步,驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速應(yīng)略高于理論目標(biāo)轉(zhuǎn)速[15].因此,目標(biāo)轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)表達(dá)式修正為
(10)
式中:nc為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速修正量.
雖然離合器在調(diào)速階段時(shí)處于完全分離狀態(tài),但由于其摩擦副間的潤滑油膜剪切作用,產(chǎn)生了帶排轉(zhuǎn)矩.且由于離合器外徑潤滑液的流速大于內(nèi)徑流速,在質(zhì)量守恒的條件下,油膜靠近外徑處出現(xiàn)收縮現(xiàn)象.該階段的帶排轉(zhuǎn)矩傳遞的轉(zhuǎn)矩將給整車的換擋平穩(wěn)性帶來影響,圖6所示為等效外徑Re及帶排轉(zhuǎn)矩T′隨角速度差ωslip的變化規(guī)律[16].因此,轉(zhuǎn)速同步階段角速度差的變化率將影響轉(zhuǎn)矩變化率,從而影響整車的沖擊度.
圖6 等效外徑及帶排轉(zhuǎn)矩隨角速度差變化規(guī)律Fig.6 Re and T versus ωslip
該階段根據(jù)換擋點(diǎn)及工況的不同,驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速所需調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速差情況不同,所產(chǎn)生的帶排轉(zhuǎn)矩將對(duì)整車沖擊度造成不同程度的影響.由于帶排轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生,驅(qū)動(dòng)電機(jī)克服不同的阻力調(diào)速的同時(shí),需要考慮其自身以及動(dòng)力電池當(dāng)前可輸出最大能力,二者均對(duì)轉(zhuǎn)速同步的時(shí)間造成較大的影響,而離合器快速充油階段的時(shí)間取決于換擋電機(jī)及其液壓系統(tǒng).因此,利用目標(biāo)離合器快速充油階段進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)縮短換擋時(shí)間時(shí),需要對(duì)轉(zhuǎn)速同步剩余所需的時(shí)間進(jìn)行判斷,通過控制離合器動(dòng)作時(shí)序,確保在離合器升壓階段前完成轉(zhuǎn)速同步.當(dāng)同步轉(zhuǎn)速剩余所需的時(shí)間小于離合器快速充油所需的時(shí)間時(shí),對(duì)目標(biāo)擋位離合器發(fā)出結(jié)合指令.
因此,為減小轉(zhuǎn)速同步階段帶排轉(zhuǎn)矩對(duì)整車沖擊度的影響及考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池所允許的調(diào)速能力與離合器作用所需時(shí)間的關(guān)系,采用PID控制器對(duì)該階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理的閉環(huán)控制,防止由于過電流硬件造成損壞或動(dòng)力不足對(duì)整車能量流管理造成影響等問題,增加調(diào)速階段系統(tǒng)穩(wěn)健性,有效地實(shí)現(xiàn)較好的換擋品質(zhì).
2.2.4掛擋階段 轉(zhuǎn)速同步完成后,結(jié)合油壓快速上升,為保證該過程的平順性,驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在自由模式,對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩為0.
2.2.5動(dòng)力恢復(fù)階段 根據(jù)加速踏板開度、車速、參考輸出轉(zhuǎn)矩及當(dāng)前裝載機(jī)的行駛狀態(tài)計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)矩輸出值,使驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩模式并進(jìn)行動(dòng)力恢復(fù),至此換擋完成.
為了驗(yàn)證所提出的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)行走系統(tǒng)方案及其基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與離合器壓力復(fù)合控制的換擋控制策略的可行性,搭建試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行整車試驗(yàn).圖7所示為某50型純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)整車試驗(yàn)平臺(tái).
圖7 某50純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)整車試驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 A complete vehicle test platform of 50-type pure electric drive loader
試驗(yàn)對(duì)象的行走系統(tǒng)方案如圖1所示,電液控制換擋系統(tǒng)如圖2所示,換擋控制流程如圖5所示.整車換擋試驗(yàn)主要技術(shù)參數(shù)如表1~3所示.
表1 濕式離合器主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of wet clutch
表2 各擋位傳動(dòng)比參數(shù)Tab.2 Transmission ratio parameters of each gear
表3 ZL50裝載機(jī)整車主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of ZL50 loader
試驗(yàn)時(shí),將所需采集的信號(hào)通過TCU處理后發(fā)送至CAN總線上,采用PCAN-USB(CAN轉(zhuǎn)USB接口)實(shí)現(xiàn) CAN網(wǎng)絡(luò)與PC端的交互,對(duì)總線上所需的信號(hào)進(jìn)行采集.由于1擋升2擋與2擋退1擋具有相似性,本文主要對(duì)1擋升2擋進(jìn)行分析[17].試驗(yàn)在手動(dòng)換擋模式下進(jìn)行,正常啟動(dòng)整車,通過程序檢測(cè)窗口對(duì)所有的傳感器進(jìn)行校正,檢查無誤后進(jìn)行換擋試驗(yàn).駕駛員將換擋撥桿從空擋撥至1擋,通過電子油門踏板使整車工作在前進(jìn)1擋,行駛一段時(shí)間后,駕駛員將換擋撥桿從1擋撥至2擋,當(dāng)2擋離合器完全結(jié)合且動(dòng)力恢復(fù)完成后,換擋完成.圖8所示為整車試驗(yàn)1擋升2擋的壓力、轉(zhuǎn)速(n)曲線.可以看出18 s開始執(zhí)行換擋,1擋離合器壓力快速下降.0.5 s后2擋離合器開始結(jié)合,該期間驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成卸扭、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速模式切換、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié).19 s驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本跟隨輸出軸轉(zhuǎn)速,調(diào)速完成,由轉(zhuǎn)速模式切換至自由模式,同時(shí)2擋離合器快速充油階段基本完成,進(jìn)入快速升壓階段.該期間驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成轉(zhuǎn)速模式切換至自由模式,待2擋離合器結(jié)合完成后,驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成動(dòng)力恢復(fù),至此換擋完成,換擋時(shí)間為1.25 s.圖中曲線與前文換擋過程分析及所提出的控制策略基本吻合.且不同的車輛類型,對(duì)于換擋時(shí)間的要求也不同,重型車輛、工程車輛等換擋時(shí)間通常為2.0~3.5 s左右[18],故所提出的換擋控制策略縮短了約50%的換擋時(shí)間.
圖8 整車試驗(yàn)1擋升2擋的壓力、轉(zhuǎn)速曲線Fig.8 Pressure and speed curves from first gear up to second gear in vehicle test
圖9所示為整車試驗(yàn)1擋升2擋的沖擊度、加速度(a)和車速(v)曲線.結(jié)果表明:換擋過程車速幾乎沒有明顯的變化.加速度變化主要出現(xiàn)在離合器壓力變化率較大的位置,最大值在1.23 m/s2以內(nèi).沖擊度主要出現(xiàn)在1擋離合器分離、驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速、快速充油初始階段3個(gè)位置.離合器分離時(shí),壓力快速下降,傳遞轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化.驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速時(shí),引起較大的帶排轉(zhuǎn)矩.快速充油階段,處于滑摩階段,仍存在一定轉(zhuǎn)速差,傳遞轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化.但我國車輛沖擊度的推薦限定值為17.64 m/s3,德國推薦限定值為10 m/s3[19].換擋沖擊度最大值為14.08 m/s3,該數(shù)據(jù)在可接受的范圍內(nèi).
圖9 整車試驗(yàn)1擋升2擋的沖擊度、減速度和車速曲線Fig.9 Impact degree, deceleration and speed curves from first gear up to second gear in vehicle test
(1) 針對(duì)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)提出了行走系統(tǒng)方案上的創(chuàng)新.利用電機(jī)過載能力強(qiáng)、調(diào)速調(diào)矩優(yōu)良等特性,取消液力變矩器,采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)變速箱的方案,對(duì)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行了解耦.驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)控制,發(fā)揮其操縱性與節(jié)能性的優(yōu)勢(shì),同時(shí)很大程度上提升了傳動(dòng)效率.
(2) 利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)特性,對(duì)變速箱結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行調(diào)整,取消傳統(tǒng)的倒擋齒輪和方向離合器,提升了整車傳動(dòng)效率、增大了可利用空間、簡(jiǎn)化了控制、提高了可靠性.
(3) 通過在某50裝載機(jī)整車上試驗(yàn),驗(yàn)證了針對(duì)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)的一種基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與離合器壓力復(fù)合控制的換擋控制策略的可行性.該控制策略能較好地控制離合器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)配合工作,大幅降低了換擋時(shí)間,同時(shí)改善了換擋沖擊度和滑摩功.為純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)行走系統(tǒng)及換擋時(shí)的離合器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制提供了參考.
(4) 本文僅從換擋時(shí)的離合器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的配合方面進(jìn)行了研究,尤其是沖擊度方面仍低于德國推薦值,后續(xù)將繼續(xù)優(yōu)化控制算法,提高換擋過程的綜合性能.且本文缺少針對(duì)整車不同負(fù)載特性下,控制策略調(diào)整對(duì)換擋品質(zhì)影響地試驗(yàn)與分析,該部分研究?jī)?nèi)容也將是進(jìn)一步的研究重點(diǎn)之一.