基于模糊控制的工程车辆四参数换挡控制器研究

基于模糊控制的工程车辆四参数换挡控制器研究 分类号:岱.争 单位代码: 学 号: 昕郴’ 密级:么再 ?‖菇办孚 硕士学位论文 论文题目:些于棂糊才鏖剃彩歹秽季和四参数旅拶摇纠若斫宄 ‰咖?.口斜阿坝协?弘机班坩幻八饥竹 口 ‘胁一 肌.毙谯洌 刁?几州厶勖 名 作者 姓 重丕 学院名 称 扭拯整益随专业名 称 挫越也圣兰翟 指导 教师 盘豳丕 筮煎 导 合作 师 驴年,月冲曰口 ? ’口 :: :. 口, ’ 口 口原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明 口 的法律责任由本人承担。 日期:盈吐埠皿砷仞 论文作者签名:幺%一 关于学位论文使用授权的声明 口 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ,同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允 许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定 口 论文作者签名:鲁阻导师签考多匕幽期:三竺?鏊帅黪 戳:。乞 靛甜 赫.、 ‖。? :一 ,: .’ “。~ ,卜., ? : .。二: ,【? “ 蕾 . ? 姆 ?目录 目录 摘要?.?..??.??..??..??... 第章绪论. 自动变速器的类型与特点??一 一 一 .自动变速器的发展过程与研究现状?一 .. 国外自动变速器的发展过程与研究现状? .. 国内自动变速器的发展过程与研究现状? .. 自动变速器的发展趋势.研究工程车辆自动变速的目的和意义一 .工程车辆液力自动变速系统的组成?. .本课题研究的主要内容一 第章工程车辆动力传动系统 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ? 口 .工程车辆动力传动方式的分类一 .工程车辆动力传动系统的组成 .工程车辆动力传动系统各部件的性能分析?. .. 发动机的性能分析.. ..液力变矩器的性能分析?. ..液力变矩器与发动机的匹配关系. ..机械变速箱的传动分析?. .行星齿轮机构的接触应力分析 口 .. 有限元模型的建立 .. 网格划分?. ..边界约束条件与载荷??. ..仿真及结果分析?. ,气本帝小结山东大学硕士学位论文 第章工程车辆换挡规律的研究?. .工程车辆换挡规律的发展过程与趋势 .. 工程车辆与汽车在作业与行驶工况下的区别与联系?. ..汽车换挡规律的发展状况. ..换挡循环与换挡延迟??. ..工程车辆换挡规律的发展状况?. ? 一 .液力变矩器传动效率的分析? .. 液力变矩器传动效率低下的原因. ..提高液力变矩器传动效率的措施. ..液力自动变速器换挡原理. .工程车辆四参数换挡规律的理论分析 .模糊控制在工程车辆四参数换挡规律中的应用.. 换挡模糊控制器的基本结构??. ..换挡模糊控制的实现过程. .本章小结. 口 第章自动变速控制系统硬件设计 . 自动变速器控制系统总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计? .单片机选型.电源模块设计? .. 电源电路?: ..复位电路?. .. 时钟电路?. 口 . 信号采集与处理模块设计.. 转速信号的采集与处理?. ..油门开度信号的采集与处理??. ..工作油泵压力信号的采集与处理. .输出控制模块设计.挡位显示模块设计目录 .挡位选择模块设计.自动变速控制系统可靠性研究 .. 系统干扰的来源?. ..系统干扰源带来的危害?. .. 硬件电路抗干扰设计??. . 自动变速控制系统硬件原理总图设计 .本章小结??一 第章 自动变速控制系统软件设计. . 自动变速控制系统软件总体方案设计 .自动变速控制系统主程序设计 .转速信号采集子程序设计.模拟信号采集子程序设计.模糊控制算法子程序 设计.档位输出控制子程序设计.档位显示控制子程序设计口山东人学硕士学位 论文 口 口. ?.?.??..??.??....?.....?..??.??..??. .?..??.??.?....??.?.??.??... . ..?.?...??.. .?......??.. .....?.??.. ....?... . . ?...?...?.. .??. .................... 口 .. ..................... ...................................... ..??..?.. .. ...?..??....?...?..??.. ..?.?.... ? ..? .. .??..??.?...??..??..? .....?. ,’ 、,’. ”,,,’呵 一一“??““,?。?。?‘?。??’一。山东大学硕士学位论 文....................................... .??... ..? ... .. ? . ..??. ..?.. .. .?.?...??.?.?..................................?. ... 口................ . .???.??.??.. . ?.?.. ...??.....??..?.. ...... ...................................... .... ..?. ..?.. ... . .?.?.?.?.?. . .?......?.?.?..?.?.??.?.?.?.??.... ...?.??.?..?..?.?..?.??.?........??.... ............................?.................................. . ........... ...........??....?............................................... ....................... .................. .. ............... . .............................................................. ...... ;.?...?.?.??.?... ....??.??.?...??.?.?.??.?... . ...................?.......................................... ..... ;. ?.?....?.?....??.??..... 口 ./ .......................................... .......?................................................................ .. ? ................................................................ .......................................................................... ....................?....?..................................................................................................................................................................?. ? ’..........................................................................................................山东大学硕士学位论文 口 口 摘要 摘要 自动变速控制技术问世以来,主要被应用于汽车及军用车辆,技术日渐成熟。 而其在工程车辆中的应用却存在一定程度的滞后,尤其是在国内工程车辆领 域, 能够拥有自主知识产权的自动变速控制产品还较少,大多数厂家正在由单纯 的仿 制向自主开发过渡。所以,进行工程车辆自动变速技术的研究具有重要的意 义。 口 本文通过对国内外工程车辆自动变速控制系统换挡规律研究现状和发展趋势 的全面分析,在工程车辆“三参数”和“四参数”换挡规律的基础上,提出并设 计了基于模糊控制的工程车辆四参数换挡控制器。主要包括以下内容: . 通过广泛查阅国内外相关文献,充分了解自动变速箱的种类与自动变速 技术的发展趋势,并通过对各种类型的自动变速箱优缺点及其适用对象进行研究, 选用了液力自动变速箱作为本论文的研究对象。 . 以装载机为例,研究了工程车辆动力传动系统,对液力变矩器的性 能参数、行星齿轮的传动以及发动机的调速特性等自动变速控制相关的基础理论 口 知识进行了详细的研究,为研究车辆换挡规律做了理论上的铺垫。全面分析了液 力变矩器的传动效率,针对传动效率的两个低效区,提出了使其快速进入高效区 的方法,并运用三维绘图软件/和有限元分析软件对齿轮啮合接触应 力进行了仿真分析。 . 充分研究了工程车辆二参数、动态三参数以及四参数换挡规律的优缺点, 在三参数模糊控制换挡和四参数换挡理论研究的基础上提出了基于模糊控制的工 程车辆四参数换挡规律。以泵轮转速和涡轮转速作为模糊控制器的输入量,以油 门开度和工作油泵的压力作为模糊控制规则库的制定原则设计了自动换挡模糊控 口 制器。 .根据工程车辆四参数模糊控制换挡规律的理论研究,设计了基于 单片机的自动变速控制系统,采用模块化理论将自动变速控制系统硬件原理图分 为五大模块来进行设计,并采用了光电隔离、整形滤波以及稳压电路等技术对自 动交述控韦系统进了了霞什抗扰设。最后采用了” 。;一?.”绘图软汁对系统口 口. , .,. . . ,. ?, ., , . ., , , ./ . ., , ? ? ’ ’ ? ’ ? ?? ‘ ? ’ 一 ;..: 儿 ‘ 上儿山东大学硕士学位论文 . , ,. . 。? . . ,, . . . . . , 口., ,. ; : ; ; ; 口 第章绪论 第章绪论 几在矿山施工、路面建设、起重装卸作业和各种建筑工程所需的机械装备, 统称为工程机械,其中能够实现流动式作业的工程机械称为工程车辆,如装载机, 挖掘机,推土机,压路机,打桩机等。对于加快工程建设的速度,提高工程建设 ? 的质量,降低工程成本,降低工人的劳动强度等方面都发挥着十分重要的作用, 是现代机械化施工中不可缺少的装备,是我国装备制造工业的主要组成部分。 当前我国对工程车辆的需求量越来越大,从“九五”到“十一五”期间国家 大力投资基础设施建设,实施西部大开发,给工程车辆的发展带来了一个很好的 发展机会。当前国内的大部分工程车辆均采用手动变速器,对驾驶员的驾驶技术 要求非常高,并且由于需要频繁的换挡容易使驾驶员疲劳,降低工作效率,因而 实现工程车辆的自动化换挡对改善工程车辆的动力性,燃油经济性,提高工作效 率,改善驾驶员的劳动强度等具有十分重要的意义?。 ? ’ . 自动变速器的类型与特点 自动变速器发展到现在,出现了多种不同类型的产品。目前在世界上广泛使 用的自动变速器主要有三类:一类是液力自动变速器;一类是无级自动变速器 ;一类是电控机械式自动变速器。它们都有各自的优缺点和相应的应 用范围【】【。 .液力自动变速器 液力自动变速器是一种能将发动机的机械能平稳的传给车轮的机电液一体化 口 式的装置。主要由液力变矩器、齿轮变速器、油泵、液压控制系统、电子控制系 统以及油液冷却系统等几部分组成【。液力自动变速器可以有效的提高行车舒适 性、延长机件使用寿命,改善汽车动力性和燃油经济性等优点,但是也同样存在 传动效率低、结构和制造工艺复杂、成本高、维护保养困难等缺剧。 .无级自动变速器 无级自动变速器克服了齿轮传动比不连续和零件数量多的缺点,采用了带传 山东大学硕士学位论文 动来进行变速传动,是靠带与带轮之间的摩擦来传动的,其变速器的主要零部件 是带有型槽的主动轮、从动轮和金属带‘】【】。 无级变速器采用摩擦传动来传递动力的,传动效率低、传动部件加工精度高 制造困难,但也具有传动比连续、传递动力平稳、操作方便、重量轻等优点,还 可以实现无级变速,不会产生换档冲击,车速运行平稳,舒适性能好,所以仍被 视为自动变速器的主要发展方向之一【引。 ? .电控机械式自动变速器 电控机械式自动变速器是在手动机械变速器的基本结构不变的前提下,通过 添加了微型控制系统和自动换挡操作机构,替代了需要由驾驶员人工完成换档操 作,最终实现换档过程的操纵自动化【】【。 电控机械式自动变速器由于保持了原有的机械传动结构基本不变,所以生产 继承性好,投入的改装费用低;依然采用齿轮传动,故传动效率高、制造简单。 由于电控机械式自动变速器是非动力换档,换档过程中变速器的输出转矩和转速 变化较大,极易造成局部冲击过大和动力的中断,对汽车的平顺性、舒适性、动 ? 力性和经济性产生影响。 . 自动变速器的发展过程与研究现状 近几十年来,随着科学技术的不断发展,特别是计算机控制技术,传感器检 测技术,通信技术等领域的高速发展,自动变速技术也得到了长足的进步。自 动 变速技术从以往只在少数轿车上应用,发展到现在已经广泛应用于各种轿车, 城 市公交,大客车,越野车,军用汽车,大型货车,工程车辆等,极大地推动了世 界汽车工业的发展。 口 .. 国外自动变速器的发展过程与研究现状 国外对于自动变速器的研究起步较早,距今已有一百多年的历史,本文将针 对不同类型的自动变速器来分别介绍其各自的发展过程。 .液力自动变速器 世界上第一台用于大规模生产的全自动变速器是通用公司世纪年代生第章 绪论 产的.,这台自动变速器使用液力耦合器和三排行星齿轮提供四个前进 挡和一个倒档。年,美国通用汽车公司率先将命名为的自动变速器 应用于别克轿车上并大规模生产。年代末到年代初,逐步出现了根据节气门 开度和车速为参数进行自动换挡的液力自动变速器,使汽车液力传动装置进入了 一个新的发展阶段【?。年法国雷诺公司率先在自动变速器上使用了电子元件, 使液力机械传动装置迈向了机电液一体化的自动变速器。近年来,美国、德国、 英国、意大利、日本等国家,已经形成了一批液力自动变速器的专业化研发和生 ? 产公司,例如美国的、德国的、英国的.、意大利的和 日本的丰田等。 液力自动变速器的迅猛发展使其在汽车上的利用率逐年增加,年代,美国 以及西欧等国家的全部商用车中已经有%以上使用了液力自动变速器,大型客 车当中美国基本是%的使用了液力自动变速器,西欧为%。工程车辆当中液 力自动变速器的使用率也相当的高,在美国是%左右,西欧是%左右【】。 .无级自动变速器 无级自动变速器利用钢环与两个锥轮的槽在不同的半径上啮合来改变传动 比,实现无级变速】。最早研究无级变速技术的公司是德国的奔驰汽车公司,早 在 年他们就已经将自行研制的型橡胶带式无级变速器安装在汽车上。 年,荷兰的公司研制出双形橡胶带式,并装备于其制造 的轿车上。但由于橡胶带式无级自动变速器存在功率过低、离合器工作不 稳定、能量损失大等缺点在早期没有得到汽车行业的认可。 世纪年代以来,随着科学技术的不断发展,汽车界对技术的研究 开发日益重视,将新的汽车电子技术与计算机智能控制技术不断的应用到中。 使无级变速技术得到了极大的改善。在此期间,曰本的日产公司、三菱公司、富 口 士重工、美国的福特公司、德国的公司等应用最新的科学技术针对早期 技术的缺点做了相应的改进,提高了的输出功率、加速性能,改善了燃油经 济性和传动效率【】。 .电控机械式自动变速器 毛控祝械式自动支速昙吕足种苞普通齿轮式机械变边嚣的茔础土通过。.,、、微山东大学硕士学位论文 机控制系统和自动换挡机构改进而来的【】【 。纵观其发展历程,可以将其分为三 个阶段: 起步阶段:此阶段属于半自动变速技术阶段,其实质是半自动辅助换挡系统, 车辆的换挡时刻由驾驶员根据当时所处的环境来决定,计算机控制系统主要完成 的工作是换挡操作。在此期间,瑞典的的系统、德国的 的系统、美国的系统采用的都是半自动变速器【】。 发展阶段:此阶段是全自动电控机械式变速器发展阶段,研究的重点是自动 离合器、换挡控制和换挡策略,其显著标志是年日本五十铃公司生产的 .电控机械式自动变速器,并将其安装于轿车上投放市场。与此同时, 日本的富士公司、公司、瑞典的公司、公司、美国的公 司、意大利的公司、德国的公司均在进行此方面的研究【】。 智能控制阶段:随着模糊控制、神经网络控制、模糊.神经网络模型控制技术 的不断完善,它们被广泛的应用到各个领域,其中对实现电控机械式自动变速器 这种非线性时变系统的智能控制做出了理论研究上的准备。 口 .. 国内自动变速器的发展过程与研究现状 我国是从二十世纪五十年代末期才开始对自动变速器进行研究的,起步较晚。 最早是在一汽集团生产的红旗轿车上装备了具有个前进挡的液力自动变 速器,年又研制了具有个前进档的液力自动变速器。自上世纪九十年代以 来,随着国家对自动变速技术研究的重视,并在“九五’’期间将自动变速技术列 为“九五”科技攻关项目,国内部分高校和科研单位相继对自动变速技术做了深 入的研究,为我国自动变速技术的发展做出了突出贡献。目前,已开展此项技术 ? 研究的有吉林大学、北京理工大学、上海交通大学、潍坊盛瑞传动股份有限公司 等。由于国内对于此项研究的起步较晚,与国外相关技术相比还存在着相当大的 差距,但在理论上的研究也取得了很大的成功。其中文献中吉林大学的葛安林 教授首次提出了汽车动态三参数油门开度、车速和加速度自动换挡规律理论, 文献~】中吉林大学的赵丁选教授针对工程车辆的作业特点首次提出了工程车 辆四参数泵轮转速、涡轮转速、油门开度和工作泵压力换挡规律的研究,并 ?...一第章绪论 进行了台架试验,取得了初步成功。年山东盛瑞传动股份有限公司与德国开 姆尼兹工业大学开始研发世界上首款前置前驱档自动变速器,该变速器具有结 构紧凑、节能环保等优点,比市场上使用的节油%。近几十年来我国虽然 加快了自主研制自动变速器的进度,但至今未能实现自主品牌的产业化,大部分 汽车装载的自动变速器需要依靠进口,大大的增加了汽车的生产成本。 .. 自动变速器的发展趋势 口 .有级自动变速器档位增多。 通过实践证明,发动机与传动系统之间只有实现无级变速调节才能使汽车在 行驶过程中达到理想的动力性和燃油经济性。对于有级式自动变速器要想提高其 性能,必然要增加其档位【】。 .智能化水平不断提高。 近几十年来,随着科学技术的不断发展,汽车自动变速技术也相应的得到了 很大的进步。通过采用多个控制参数以及模糊控制、神经网络控制、模糊.神经网 络控制等技术对其进行改进,车辆便能根据其行驶的工况,随时调节变速器的档 ? 位。 .整车各个系统之间的一体化。 目前,在汽车技术领域先后涌现出总线技术、以太网总线技术等,可实 现汽车的各个子系统间的有机结合和实时通信,并对其进行系统化的控制,从而 提高整车的综合性能。 .研究工程车辆自动变速的目的和意义 工程车辆相对于普通的汽车而言,其在作业工况和行驶工况方面有很大的区 别,首先,工程车辆大部分时间都是短距离的循环作业,换挡操作十分频繁, 加 大了驾驶员的劳动强度,使其容易产生疲劳,导致工作效率下降,并且工程车辆 在作业工况时其所受的外载荷变化急剧,加快了工程车辆的损坏。因此,采用多 档位的液力自动变速器可以提高驾驶员的操作舒适性,减轻其劳动强度,提高劳 动生产率和工程车辆的动力性和燃油经济性,减少环境污染。山东大学硕士学位论文 目前,国外的大部分工程机械中已装载了自动变速器,其相关的技术研究也 取得了不错成果, 和 等人通过采用多参数控制 的平滑换挡技术取得了相当满意的效果; 利用自学习控制策略研究 了自动换挡控制技术; 和 等人通过改进换挡控制 机构,使换挡过程更加平顺。此外,随着智能控制技术的不断发展,将模糊控制, 神经网络控制应用到自动换挡当中也将成为一种必然趋势【。但国内相关技术的 , 研究还处在起步阶段,大部分工程机械采用的是手动换档,采用自动变速器的只 占很少一部分,而且采用的也都是进口的或者引进国外技术生产的,增加了工程 车辆的生产成本,降低了我国工程车辆的国际竞争力。“九五”计划到“十一五” 计划期间国家大力投资加强基础设施建设,这必将加大对工程车辆的需求,工程 车辆装载自动变速器也将成为一种必然的趋势,因此,为提高我国工程车辆的国 际竞争力和减少其生产成本,发展具有自主知识产权并且适合中国国情的自动变 速器是一项迫切的任务。 .工程车辆液力自动变速系统的组成 对于工程车辆而言,其大部分的运行时间为作业工况,需要经常的换挡,所 受外载荷变化急剧,为了提高工程车辆的动力性和燃油经济性,缓解由于外负载 急剧变化引起的冲击载荷,工程车辆自动变速器多采用带有液力变矩器的液力自 动变速器。 工程车辆液力自动变速系统主要由动力传动子系统和自动变速控制子系统两 部分组成,如图.是工程车辆自动变速系统的组成与原理图。其中虚线框内为自 动变速控制子系统,上半部分是动力传动子系统。 动力传动子系统主要包括发动机、液力变矩器、机械变速器、驱动桥以及车 轮等部分【】。其各部分的性能分析将在第二章详细介绍,此处不再详述。 自动变速控制子系统主要由电子控制单元、换挡执行机构、档位选择器和信 号采集系统组成。各部分的主要原理将在第四章详细介绍,此处不再详述。 第章绪论 口 口 图.工程车辆液力自动变速系统的原理与组成 .本课题研究的主要内容 液力自动变速器包括动力传动部分和自动变速控制两部分,其内容涉及机械 传动、计算机控制、传感器、通信、液压传动等机电液一体化技术,涉及面 广泛。 本论文的主要工作是以工程车辆中典型例子装载机为例,研究工程车辆 自动换挡规律。主要工作包括: .广泛查阅资料,研究国内外自动变速技术的发展现状与趋势; .建立工程车辆动力传动子系统模型,分析各个部分的性能和匹配关系,分 析影响液力变矩器传动效率的因素,提出解决办法,运用/三维绘图软件和 , ,?刈 ?,, , , ,”广 ,, . ? ?,,’? ’一 一,一?, 生凼干匕『,々刎幽。廿坎础胜//; .伺瞅儿川:斗人什川『口 ?第章工程车辆动力传动系统分析 第章工程车辆动力传动系统分析 . 工程车辆动力传动方式的分类 工程车辆的传动过程是指将发动机输出的动力传递给轮胎而驱动车辆行走, 并同时能够保证车辆在行驶或作业过程中具有良好的动力性、燃油经济性和乘坐 口 舒适性。目前,车辆上采用的动力传动方式按照结构和传动介质,可以分为机械 传动、静压传动全液压传动和电力传动、液力机械传动等。 .机械传动 机械传动是一种采用离合器和变速器来传递动力的传动方式,使用的历史最 长,早期的车辆都采用此类传动方式。机械传动需要人力换挡,属于非动力换挡, 换挡时需要动力中断,对于需要经常换挡、工作工况和环境复杂的工程车辆而言, 增加了驾驶员的劳动强度,故在工程车辆动力传动中采用较少。 .静压传动全液压传动 ? 静压传动是一种通过液体传动介质的静压力能来传递动力的传动方式,即采 用液压马达和液压泵连接的回路来传递动力。此项技术早在世纪初就被提出了, 由于其成本高,可靠性和动力性能方面的问题,一直没有被广泛应用。近年来 随 着液压技术的不断完善,世界各国又开始重新研究此项技术,取得了不错的效果。 .电力传动 电力传动是一种利用发电机驱动车轮运动的传动方式,由于此类传动方式具 有价格高,输出功率小等缺点,所以很少在工程车辆上采用,一般用于小型轿车。 .液力机械传动 口 液力机械传动是一种由液力传动与机械传动组合而来的传动方式,它综合了 液力传动和机械传动的优点。液力变矩器能够根据载荷的变化自动调节输出转矩, 并能在一定的范围内实现无级变速,与机械变速箱组合后可以加大变速的范围, 达到汽车传动的变速要求,使车辆起步和加速平稳,增强了车辆适应环境的能力。 采用液体作为传涕动力的介质.章硼了输入圭由与输小铀方闸的够连接 曼太程度 山东大学硕士学位论文 上降低了发动机和传动系统零部件之间的冲击载荷,从而提高了零部件的使用寿 命,鉴于液力机械传动具有以上诸多优点,目前,大部分的工程车辆都采用液 力 机械传动来传递动力,并配合一定的换挡规律控制实现机电液一体化控制。 .工程车辆动力传动系统的组成 工程车辆作为一种特殊形式的车辆在车辆这个大家族中占有很大的比重, . , 其种类繁多,如装载机,挖掘机,推土机,压路机,打桩机等。对于大部分轮式 工程车辆其动力传动系统的组成大体相同,本论文以工程车辆中比较常用的 轮式装载机为例,结合动力学的相关理论来分析研究其动力传动系统的动力学特 性,动力传动方式采用液力机械传动。 装载机的动力传动系统主要包括发动机、液力变矩器、全程式调速器、 机械变速器、工作油泵、驱动桥、传动轴掣】如图.所示: ? 口 图 轮式装载机动力传动系统简图 由图.的动力传动系统简图知,由发动机输出的原始动力首先要经过全程式 调速器的调速以后,将输出的原动力分为两个部分,一部分传递给液力变矩器和 机械变速箱来驱动车轮,另一部分传递给工作油泵用来驱动各个执行机构进行作 业。其中机械变速器将发动机的动力经传动轴传到驱动桥,并由驱动桥中的 减速 第章工程车辆动力传动系统分析 器和差动器实现降速增拒的作用,然后将动力传递给两侧的驱动轮,驱动装载机 行驶。 .工程车辆动力传动系统各部件的性能分析 ..发动机的性能分析 口 .发动机概况 发动机是一种将某种燃料的化学能转化为机械能的机器,按其所使用的燃料 可将发动机主要分为汽油发动机和柴油发动机两种【】,由于柴油机具有热效率高、 输出功率大等优点,在工程车辆上得到了广泛的使用。 对于装载在工程车辆上的柴油机而言,除了具有一般车用柴油机的普遍要求 外,由于其工作环境的特殊性,还有一些新的要求:要有高的刚度和强度; 足够的转矩储备系数;良好的调速特性九,其中最主要的是调度特性。 柴油机的速度特性是指柴油机的输出功率、扭矩、油耗等参数随着转速变化 的趋势? 。根据供油的不同,将柴油机的速度特性分为外特性和部分特性,其中, ? 在最大供油情况下所得到的速度特性叫做外特性;在部分供油的情况下得到的速 度特性叫部分特性。 由于工程车辆本身的工作特点,其在工作的过程中受到的冲击振动大、外负 载变化急剧,例如,当装载机铲斗插入作业时,其外负载急剧增加,如果供油量 不能及时的增加,严重时会导致发动机熄火,给生产造成巨大的损失;相反,当 装载机在铲斗卸载时,其外载荷急剧减少,若供油量不能及时降低,将会导致柴 油机内燃料燃烧不充分,排成大量有害气体,严重时会发生“飞车”的现象‘。 因此柴油机必须备有调速装置。调速器能根据外载荷的变化,自动调节供油量, 一 使柴油机的转速在载荷变化时变化不大。 目前,柴油机调速器主要有全程式调速器和两级式调速器,全程式调速器是 指在柴油机的转速从零到最大值范围内,都能起到调速作用。本文研究的柴油机 采用的是全程式调速器,故不详细介绍两级式调速器。 ?,、。 、???? 厶.忙山 土屑?上纠叫氏寸 ? ? 图柴油机稳态外特性曲线 由于动力传动系统安装了全程式调速器,在调速器起作用的过程中,柴油机 第章工程车辆动力传动系统分析 的转速刀。和油门开度成线性 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数的关系,且有调速特性公式如下【: / 一 门。 玎? 刀上 ? 其中:%??柴油机的最高怠速转速?一; 胛,??柴油机的最低怠速转速?‘; 将式.代入?中,得到柴油机的全程式调速拟合公式如下所示【】: 口 。一. 聆。 由此公式,采用.绘出稳态下柴油机在不同的油门开度下的全程 式调速特性曲线如图.所示,由于全程式调速器的作用,柴油机的稳态外特性曲 线得到明显的改善,当油门开度一定时,在柴油机的某一转速范围内,当输出转 矩从零增加到额定转矩时,其转速的变化很小,从而使柴油机能够基本保持稳定 的工作状态,适应工程车辆路况复杂多变,载荷变化急剧等作业特点。在工程车 辆行驶工况或者工作工况时,驾驶员可以根据实时的工作需要,改变油门开 度, 从而得到理想的调速特性。 ? 口 图.柴油机稳态外特性和全程调速特性曲线山东大学硕士学位论文 ..液力变矩器的性能分析 . 液力变矩器的构造与基本原理 液力变矩器主要由泵轮、涡轮和导轮等组成,其中泵轮与液力变矩器的壳连 在一起,固定于发动机曲轴后端的凸缘或飞轮上,其作用是使发动机的机械能转 换为工作油的能量;涡轮通过从动轴与机械变速箱的其他部件相连,其作用是将 工作油的能量转换为涡轮轴上的机械能。导轮位于泵轮和涡轮之间,通过导轮座 口 与变速箱的壳体连在一起,其作用是通过改变工作油的方向而起到变矩的功能【】。 发动机启动后,将带动泵轮与变速器壳体一起旋转,泵轮里的工作油在离心 力的作用下被甩到泵轮的外缘,当转速逐渐增大后,工作油将由泵轮的叶片外缘 冲向涡轮,带动涡轮以相同的方向转动,工作油在旋转的过程中沿着涡轮的叶片 冲向导轮,导轮给涡轮一个反作用力矩,使涡轮输出的力矩,不同于泵轮的 输入力矩,从而达到液力变矩器的变矩功能:当发动机刚刚启动时,此时 涡轮处于静止状态,转速为零,其输出转矩等于泵轮的输入转矩与导轮反作用转 口 矩之和,即有:鸠%大小关系,此处用标量表示;随着发动机的 转速增加涡轮转速也逐渐增大,此时涡轮输出转矩逐渐减少,当涡轮转速达到某 一值时,从涡轮流出的工作油直接冲向导轮出口,工作油不改变流向,此时涡轮 的输出力矩等于泵轮的输入力矩,即有:;当涡轮的转速进一步增大 时,从涡轮流出的工作油冲击导轮的背面,此时,涡轮的输出力矩小于泵轮的输 入力矩,其值等于泵轮输入力矩与导轮的反作用力矩之差,即有: ? . 液力变矩器的特性 评定液力变矩器的特性有多种形式,如采用特性参数、外特性曲线、通用特 性曲线和原始特性曲线等,其中最常用的是用特性参数或原始特性曲线来评定。 转速比 转速比为液力变矩器的涡轮转速与泵轮转速的比值,其中涡轮转速为输出转 速,泵轮转速为输入转速,分别用仰和疗。来表示。通常用转速比来表示液力 变矩 第章工程车辆动力传动系统分析 器的工况: . 胛 ?上 即日 . 其中,当涡轮转速为零时,即的工况,称为零速工况,通常用乇表示。以 此来表征液力变矩器的启动性能。 泵轮扭矩系数 根据相似理论,同一系列的液力变矩器在转速比相同的情况下,其泵轮力矩 与液体重度的一次方、转速的平方和循环圆直径的五次方成正比,用公式表 示如 下: . 以占/ 从而得到: ‘ / ??靠 妒嘉 ,‘‖。 其中 ??液体的重度; ??循环圆直径。 对于同系列的液力变矩器,其泵轮扭矩系数在相同工况下,其值相等,一般 . 变矩系山东大学硕士学位论文 传动效率叩 传动效率为涡轮轴上的输出功率与泵轮轴上的输入功率之比: :??:??: . ?? ?? 其中 坼??输出功率;虬??输入功率。 ..液力变矩器与发动机的匹配关系 工程车辆动力性和燃油经济性的好坏,很大程度上取决于液力变矩器与发动 机共同工作时的匹配关系,只有做到两者间的合理匹配,才能是液力变矩器 和发 动机的性能充分的发挥出来,提高传动效率。 . 液力变矩器的输入特性曲线 液力变矩器的输入特性是指泵轮力矩随发动机转速的变化规律,由上节式 .可知: 九。 当选定了液力变矩器的型号后,循环圆直径和工作油重度’,为定值,在任一 固定的工况下具有确定的转速比。为定值,故有九,其中为常数, 考虑实际工作中引起的微小误差,引入修正常数’,将式.化简为: ? 占曰 由表达式可知,液力变矩器的输入特性曲线是一条对称轴为纵轴的抛物线, ? 在不同的转速比的情况下,表达式中的和不同。根据不同的和可以画出 液力变矩器的输入特性曲线。 . 液力变矩器与发动机的匹配关系曲线 由图.可知,发动机输出功率一部分传递给液力变矩器,另一部分则传递给 工作油泵。所以发动机与液力变矩器进行匹配时,应将分配给工作油泵的那 部分 功率扣除。液力变矩器的泵轮与发动机相连,当其共同工作时,有,其中% 第章工程车辆动力传动系统分析 为发动机转速,‰为泵轮转速。由以上所述画出发动机与液力变矩器共同工 作时 的匹配曲线,如下图。此图中假设工作油泵消耗的转矩始终为额定转矩保持 不变 目 乏 富 嫂 瑙茫 转速。/ 图?发动机与液力变矩器的匹配关系 ..机械变速箱的传动分析 目前,机械齿轮变速箱最常用的主要有两种形式:固定轴式齿轮变速箱和行 星式齿轮变速箱。固定轴式变速器采用定轴外啮合齿轮系,其结构简单,只有片 。 式离合器和单向离合器,没有制动器,操作件的数目较少,但其换挡操作麻烦【 行星式齿轮变速箱采用几排行星齿轮系进行组合以此来达到变速的要求。具有结 构紧凑、传动效率高、齿间负荷小、结构刚性好以及便于实现动力换挡等优点。 口 。 所以在自动变速箱中得到了广泛的应用【 . 行星齿轮排的基本结构 行星齿轮组的基本结构是由一个太阳轮、一个内齿圈、一个行星架和支撑在 行星架上的若干个行星齿轮组成的,在行星齿轮排中太阳轮、行星架和内齿圈有 典不?崮疋轴线,/、 笙齿托口口、与瓜日轮利内齿幽啮台,开苘芭绕固疋仕仃星梨口 一一,,??内齿圈齿数; ? ??太阳轮齿数。 在行星齿轮排组中,内齿圈齿数。与太阳轮齿数,的比值称为行星齿轮 排组的特性参数,用表示。将代入式.并化简,得到单行星齿轮排的 一般运动规律的特性方程如下所示: . 圪口, 从式.可以看出,在太阳轮、内齿圈和行星架这三个基本组件中,可任意 选择其中两个分别作为主动件和从动件,只要确定第三个组件的运动情况,即可 得到整个轮系的传动比。通过对不同情况的分析,得出表.,一般情况下,车辆 的自动变速器的行星齿轮机构都是由到个单行星齿轮排组成的,上述单行星 齿轮排的传动比计算方法同样适用于多行星齿轮排机构:将齿轮机构的组件加以 约束,使整个机构的自由度等于,整个齿轮机构的传动比可以通过解由各个单行 星齿轮排的运动特性方程式联立的方程式组而得到。 表? 单排行星齿轮机构传动比各种可能的情况【】 固定组件 主动组件 被动组件 传动比 传动方式 日 内齿圈 太阳轮 行星架 减速增矩传动 太阳轮 内齿圈 行星架 减速增矩传动 / 一以 行星架 太阳轮 内齿圈 减速增矩倒档传动 太阳轮 行星架 内齿圈 加速减矩传动 ‖口 内齿圈 行星架 太阳轮 加速减矩传动 / 行星架 内齿圈 太阳轮 加速减矩倒档传动 一/口 基本组件都没有被同定,即无任一 各个基本 自由转动,空挡状态 组件被动也无任一组件连成一体 组件都可以自 由转动 仟意两个基本细件日‘相许棒 育棒传动山东大学硕士学位论文 .行星齿轮机构的接触应力分析 工程车辆经常在环境恶劣的条件下工作,变速箱行星齿轮机构常常会发生轮 齿折断,齿面接触疲劳磨损点蚀以及塑性变形等问题,导致传动中断失效。 由于齿面接触应力是交变的,应力经过多次反复后会使啮合齿面产生小裂纹,润 滑油在挤压作用下使裂纹扩大,最后导致表层小片状剥落而形成麻点,这种现象 ? 称为点蚀川。根据以往的生产实践结果可知,行星齿轮机构中太阳轮是最容易发 生点蚀失效的部件,通过对其进行接触应力分析,掌握齿轮啮合过程中的接触应 力的大小,为如何预防齿面点蚀和进行齿轮结构优化设计提供依据。由于四个行 星轮对称分布在太阳轮四周,故本文只对其中一个齿轮啮合对进行分析。 .. 有限元模型的建立第章工程车辆动力传动系统分析 细化,如图.为啮合区网格划分的放大图。 ..边界约束条件与载荷 在有限元分析中边界条件是根据所分析的模型实际工作情况确定的, 是指在有限元分析以及计算模型时在边界节点上施加必要的初始约束。边界约束 条件的准确性对有限元计算结果和计算时间将会产生很大影响,所以在确定边界 ? 约束条件时在保证基本满足实际工作情况的前提下,应该尽量使其简单直观, 减 小仿真计算的收敛时间。对于本文研究的变速箱行星齿轮机构而言,首先为 太阳 轮和行星轮分别设置一个参考点,并在各自参考点与物理模型之间建立耦合 约束, 然后在初始分析步当中约束这两个参考点,使其在,,方向上的位移量为零, 在,方向上的旋转量为零,方向旋转不做约束。在分析步当中给予行星轮 在旋转方向上一个初始旋转弧度。 以装载机为例,其发动机的输出功率一般为,根据功率与转矩的 转换公式.: 口 口:丝 口?? . 一 式中??柴油机的最大输出功率; ??最大输入转矩; 船??最大功率下的发动机转速。 可知,在不考虑能量损失等因素的情况下变速箱的输入转矩最大为: :??:??:.,”、。 玎 将上述扭矩值在分析步中施加在太阳轮的参考点上。 ? ..仿真及结果分析 通过有限元软件进行接触分析后,所得齿轮啮合传动总体 应力分布如图.所示。 对啮合接触区进行放大处理后可以详细看到太阳轮和行星轮在转动啮合过程 中啮合接触区的接触应力分布情况,如图所示。