張明柱，王界中，王建華，郭占正，郭富強(qiáng)，席志強(qiáng)，許家俊

提高燃油經(jīng)濟(jì)性的拖拉機(jī)變速控制策略

張明柱1,3，王界中1，王建華4，郭占正2，郭富強(qiáng)4，席志強(qiáng)2，許家俊1

（1. 河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，洛陽 471003； 2. 河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，洛陽 471003；3. 機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽 471003； 4. 拖拉機(jī)動力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，洛陽 471039）

為實(shí)現(xiàn)對液壓機(jī)械無級變速拖拉機(jī)的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性控制，分析發(fā)動機(jī)及液壓機(jī)械無級變速器（hydro-mechanical continuously variable transmission, HMCVT）對拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，研究拖拉機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性無級變速控制策略，該文針對發(fā)動機(jī)和HMCVT二元調(diào)節(jié)無級變速拖拉機(jī)，分析了發(fā)動機(jī)燃油消耗率和變速器的效率變化特性，提出了以發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率g與HMCVT傳動效率η的比值g/η為指標(biāo)的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性無級變速控制策略及拖拉機(jī)負(fù)載反饋控制原理。采用參數(shù)循環(huán)算法，求算出拖拉機(jī)在負(fù)載特性場內(nèi)任意工作點(diǎn)下的最佳發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、HMCVT的最佳變速比，保證了二元協(xié)同調(diào)節(jié)下拖拉機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性變速控制策略的工程實(shí)現(xiàn)。計算結(jié)果顯示：最佳變速比的分布呈現(xiàn)梯田狀，平臺部分的最佳變速比對應(yīng)HMCVT純機(jī)械傳動時的工作狀態(tài)，此時HMCVT處于傳動效率最高點(diǎn)，并且在變速器傳動效率高于0.92的工作區(qū)，最佳變速比的分布比例高達(dá)72.84%。相比較一元調(diào)節(jié)下分別以g、g/η為指標(biāo)、二元調(diào)節(jié)下以g為指標(biāo)的3種變速控制策略，明顯降低了拖拉機(jī)燃油消耗率。牽引功率范圍內(nèi)，當(dāng)拖拉機(jī)在某一目標(biāo)車速下穩(wěn)定工作時，在基于g/η最小化的二元調(diào)節(jié)變速控制策略調(diào)控下，拖拉機(jī)更可能在較低油耗狀態(tài)下工作。表明以g/η為指標(biāo)的二元調(diào)節(jié)拖拉機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性變速控制策略能夠提高拖拉機(jī)在任意工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性。

拖拉機(jī)；傳動；燃油經(jīng)濟(jì)性；液壓機(jī)械無級變速器；無級變速控制策略

0 引 言

液壓機(jī)械無級變速器（hydro-mechanical continuously variable transmission，HMCVT）具備傳遞功率大、無級調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械和軍工設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。伴隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的加快，農(nóng)業(yè)機(jī)械的保有量越來越大，農(nóng)業(yè)機(jī)械的燃油經(jīng)濟(jì)性成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[4-5]。

保障拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性是拖拉機(jī)作業(yè)的基本要求，燃油經(jīng)濟(jì)性作為主要的控制目標(biāo)，在車輛傳動控制系統(tǒng)的研究中，常用于變速控制策略的制定。郝允志等以金屬帶式無級變速器為研究對象，提出以無級變速傳動系統(tǒng)整體效率最佳為優(yōu)化目標(biāo)的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性變速控制策略[6]。倪向東等調(diào)控HMCVT使發(fā)動機(jī)工作在同功率下最小燃油消耗率點(diǎn)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性[7]。何仁等在變速控制策略中引入駕駛員意圖指數(shù)，使發(fā)動機(jī)沿著燃油經(jīng)濟(jì)性或動力性曲線工作，兼顧多種不同模式，體現(xiàn)駕駛意圖[8]。Ahn等基于試驗(yàn)得到了具有較高傳動系統(tǒng)總效率的發(fā)動機(jī)—HMCVT最優(yōu)工作線，提高整機(jī)效率[9]。Caterpillar公司提出發(fā)動機(jī)與HMCVT協(xié)同調(diào)控?zé)o級變速控制策略，當(dāng)發(fā)動機(jī)在限定的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)工作時，調(diào)控馬達(dá)轉(zhuǎn)速為零，保證HMCVT傳動效率最高。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超出限定區(qū)間時，調(diào)控馬達(dá)轉(zhuǎn)速使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速回歸限定范圍，協(xié)同優(yōu)化了整機(jī)效率[10]。目前，國內(nèi)對燃油經(jīng)濟(jì)性無級變速控制策略的研究多針對金屬帶式無級變速器，且多以發(fā)動機(jī)作為主要優(yōu)化目標(biāo)，對變速器傳動效率變化的影響考慮較少；國外對HMCVT變速控制策略研究相對成熟，但公開的資料較少。完善HMCVT燃油經(jīng)濟(jì)性變速控制策略理論研究，對提高中國液壓機(jī)械無級調(diào)速的研究水平具有重要意義。

HMCVT的傳動效率在不同變速比下、在發(fā)動機(jī)的不同工作點(diǎn)下，存在較大差異[11-13]。本文以發(fā)動機(jī)、HMCVT二元協(xié)同調(diào)節(jié)無級變速拖拉機(jī)為研究對象，結(jié)合發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率及HMCVT傳動效率存在較大差異的特點(diǎn)，確定以發(fā)動機(jī)燃油消耗率g與HMCVT傳動效率η之比g/η為最佳燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，研究拖拉機(jī)動力傳動系統(tǒng)整體燃油經(jīng)濟(jì)性最佳的變速控制策略及負(fù)載反饋控制原理；開發(fā)參數(shù)循環(huán)算法，求算拖拉機(jī)任意工作點(diǎn)下的最佳發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、HMCVT的最佳變速比。保證拖拉機(jī)能夠在最大功率范圍內(nèi)，在任意目標(biāo)車速下穩(wěn)定行駛，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 二元調(diào)節(jié)的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要包括小時油耗量和拖拉機(jī)燃油消耗率g[13]，其中g體現(xiàn)拖拉機(jī)有效輸出功率與燃油消耗率的關(guān)系。在任意牽引工況下，拖拉機(jī)實(shí)際燃油消耗率為

式中g為發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率，g/(kW·h)；η為拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)總效率。

當(dāng)拖拉機(jī)作業(yè)時，希望得到最小的發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率和最大的傳動效率，從而得到最小的拖拉機(jī)燃油消耗率，達(dá)到最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的要求。

1.1 傳動系統(tǒng)效率

液壓機(jī)械無級變速拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)主要由HMCVT、中央傳動系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)、負(fù)載系統(tǒng)組成。動力由發(fā)動機(jī)輸出后，經(jīng)拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)，最終作用于地面牽引負(fù)載[14-15]。傳動過程中，功率損耗出現(xiàn)在傳動系統(tǒng)的每一部分，拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)效率為

式中η為拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)總效率；η為HMCVT傳動效率；η為中央傳動和最終傳動總效率；η為履帶式拖拉機(jī)履帶驅(qū)動區(qū)段的傳動效率（輪式拖拉機(jī)不存在該部分損失）；η為拖拉機(jī)行駛滾動效率；η為滑轉(zhuǎn)效率。

故g可以表示為

式中η、η通常認(rèn)為是常數(shù)；η、η主要與牽引力P有關(guān)[16-18]，取決于地面屬性和牽引負(fù)載。針對發(fā)動機(jī)、HMCVT二元調(diào)節(jié)拖拉機(jī)，確定工況下，地面屬性和牽引負(fù)載不能改變，無法通過調(diào)節(jié)變速比和發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)改變η、η。而HMCVT傳動效率η隨著變速比的不同有較大的變化。因此，在研究拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性變速控制策略時，主要考慮HMCVT傳動效率η的變化，使g/η最小化，g也能最小化，從而提高拖拉機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1.2 發(fā)動機(jī)燃油消耗率

以LR6105ZT10型柴油發(fā)動機(jī)為例，發(fā)動機(jī)額定功率為110kW，文獻(xiàn)[19]對該發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率數(shù)值模型進(jìn)行了詳細(xì)描述，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率變化曲面

Fig1 Variable surface of brake specific fuel consumption

圖示表明發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率g在發(fā)動機(jī)輸出特性場中的變化較大，在研究拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性時，需要定量分析和計算g。

1.3 HMCVT傳動效率

HMCVT傳動效率的影響因素很多，當(dāng)傳遞的功率和速度變化范圍較大時，結(jié)構(gòu)性功率循環(huán)和液壓路效率是影響HMCVT傳動效率的主要因素。本文采用嚙合功率法計算HMCVT傳動效率η[2,20-24]，并以圖2所示HMCVT為例[25]。

注：C1~C8為離合器編號；i1~i9為外嚙合齒輪副傳動比；ωe為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；ωb為HMCVT輸出軸轉(zhuǎn)速，r·min-1；Ⅰ~Ⅴ為軸編號。

計算可知，HMCVT傳動效率η與HMCVT變速比i、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ω、轉(zhuǎn)矩T具有函數(shù)關(guān)系，簡記為

發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)在不同區(qū)域時，HMCVT的傳動效率變化如圖3所示。

圖3a中，將發(fā)動機(jī)特性場均分為9個區(qū)域，以每個區(qū)域的中心點(diǎn)表示該區(qū)域發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的均值，求得的HMCVT傳動效率如圖3b所示。觀察可知發(fā)動機(jī)、HMCVT在不同的工作點(diǎn)下，η存在較大差異。

綜上所述，當(dāng)拖拉機(jī)的牽引工況改變時，發(fā)動機(jī)、HMCVT的工作點(diǎn)發(fā)生改變。此時，g、η變化較大。針對發(fā)動機(jī)和變速器二元調(diào)節(jié)拖拉機(jī)，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)和變速比使g/η最小，可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳，因此以g/η作為燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)制定變速控制策略是合理的。

2 以ge/ηb為指標(biāo)的無級變速控制策略及控制原理

使用變速控制策略調(diào)控拖拉機(jī)時，需要可靠的控制參數(shù)及合理的控制原理[26-28]。發(fā)動機(jī)、變速器二元協(xié)同調(diào)節(jié)的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性變速控制策略，是在最大牽引功率范圍內(nèi)，拖拉機(jī)在任意牽引負(fù)載和車速下，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)、變速器變速比，使g/η最小，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳，穩(wěn)定拖拉機(jī)行駛速度。

2.1 變速控制策略

要求拖拉機(jī)在最大功率范圍內(nèi)，在任意目標(biāo)車速下穩(wěn)定行駛，保證拖拉機(jī)在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性條件下工作。在確定HMCVT無級變速控制策略時，應(yīng)實(shí)現(xiàn)：1）g/η最小；2）車速穩(wěn)定，變速控制策略中特性場轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖4所示。

注：Tb為HMCVT輸出軸轉(zhuǎn)矩，N·m；v為目標(biāo)車速，km·h-1；vl為理論車速，km·h-1；PT為牽引力，kN；Pq為驅(qū)動力，kN；ibtop為最佳變速比；ge為發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率，ηb為HMCVT傳動效率。

拖拉機(jī)作業(yè)時，在負(fù)載特性場（-P）內(nèi)，由拖拉機(jī)的目標(biāo)車速和牽引力P，確定拖拉機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)（，P）；結(jié)合滑轉(zhuǎn)率計算拖拉機(jī)的理論行駛速度v[29]，進(jìn)而在變速器輸出特性場內(nèi)確定HMCVT工作點(diǎn)（ω，T）；根據(jù)該點(diǎn)，求解使g/η最小的HMCVT最佳變速比i和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ω、轉(zhuǎn)矩T。據(jù)此調(diào)控變速器與發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)二元調(diào)節(jié)下的拖拉機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性無級變速。

依據(jù)g/η最小化原則及拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的綜合影響因素，提出目標(biāo)函數(shù)，如式（5）所示。

目標(biāo)函數(shù)約束條件為

式中ωmin、ωmax分別為發(fā)動機(jī)怠速和最高空載轉(zhuǎn)速，r/min；Tlim為發(fā)動機(jī)限定轉(zhuǎn)矩，N·m。取轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)為1.2，即Tlim=Tmax/1.2，Tmax為發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·m；imin、imax為HMCVT的變速比上下限；Nmax為發(fā)動機(jī)最大功率，kW。

當(dāng)目標(biāo)車速確定后，在拖拉機(jī)最大功率范圍內(nèi)，牽引工況變化時，由目標(biāo)函數(shù)，求解最佳變速比i、發(fā)動機(jī)最佳轉(zhuǎn)速ω、轉(zhuǎn)矩T，調(diào)控HMCVT變速比與發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，使拖拉機(jī)工作在g/η最小的位置，保證拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。這種以g/η作為指標(biāo)，調(diào)控發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)、HMCVT變速比的原則，構(gòu)成了以g/η為指標(biāo)的無級變速控制策略。

2.2 負(fù)載反饋控制原理

最佳燃油經(jīng)濟(jì)性變速控制策略在工程應(yīng)用中的控制原理如圖5所示，以發(fā)動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩T、HMCVT實(shí)際變速比i作為輸入信號計算牽引力P；以目標(biāo)車速、滑轉(zhuǎn)率作為輸入信號計算拖拉機(jī)理論車速v，確定拖拉機(jī)負(fù)載特性場工作點(diǎn)（v，P）；由g/η最小，確定拖拉機(jī)在該負(fù)載下的發(fā)動機(jī)指令轉(zhuǎn)速ωaim、指令轉(zhuǎn)矩Taim、變速器最佳變速比i，并作為控制信號調(diào)控發(fā)動機(jī)及HMCVT。保證拖拉機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性的同時，使拖拉機(jī)能夠按照給定的目標(biāo)車速穩(wěn)定行駛。

目標(biāo)車速由駕駛員通過手油門或腳油門給定。對于懸掛部分安裝有牽引力傳感器的拖拉機(jī)，也可以直接測量牽引力P，并計算實(shí)際滑轉(zhuǎn)率；反之，變速控制器可從拖拉機(jī)總線獲取發(fā)動機(jī)ECU提供的實(shí)際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，再計算出牽引力和滑轉(zhuǎn)率。

按照這種變速控制策略和負(fù)載反饋控制原理控制發(fā)動機(jī)和變速器時，需要依據(jù)發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率g與HMCVT傳動效率η因素，在負(fù)載特性場的每一點(diǎn)求解一組最佳控制參數(shù)：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、HMCVT變速比。在實(shí)際變速控制中，基于拖拉機(jī)牽引負(fù)載的變化進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)。在閉環(huán)控制中從前一工作點(diǎn)（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、變速器變速比）到新的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移，包括了g與η變化產(chǎn)生的影響。因此g與η各自無需作為獨(dú)立反饋控制變量參與控制，從而減少了控制變量數(shù)，也降低了控制復(fù)雜性。

圖5 控制原理

3 最佳發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)及變速比求算

拖拉機(jī)工作在負(fù)載特性場內(nèi)任意點(diǎn)時，以g/η為指標(biāo)均可計算得到一組最佳發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)及最佳變速比i，滿足g/η最小的要求，實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳。

3.1 控制參數(shù)的循環(huán)求算法

以牽引負(fù)載、目標(biāo)車速、變速器變速比作為輸入變量，以發(fā)動機(jī)最佳工作點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩（ω，T）及變速器的最佳變速比i為控制參數(shù)，采用循環(huán)求算法計算控制參數(shù)。計算步驟如下：

1）離散處理目標(biāo)車速、牽引力、變速比i

2）當(dāng)=1，=1時，將式（9）帶入下式求解發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ω、轉(zhuǎn)矩T。

式中為地面摩擦系數(shù)；r為拖拉機(jī)驅(qū)動輪半徑，m；i為拖拉機(jī)中央傳動和最終傳動總傳動比；為地面滑轉(zhuǎn)率。

3）由式（4）可知，HMCVT傳動效率η可離散為式（12）所示對角矩陣。

4）由目標(biāo)函數(shù)式（5）知，g/η可由式（13）計算

運(yùn)算結(jié)果中，在滿足輸出功率要求的前提下，最小非零元素所對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及變速比，即為該負(fù)載（1，1）下拖拉機(jī)的最佳控制參數(shù)。

式（11）中為地面滑轉(zhuǎn)率，與牽引力P有關(guān)?；D(zhuǎn)率采用以下模型表達(dá)[13]

式中max為最大牽引系數(shù)，牽引系數(shù)定義為=P/Y，Y為驅(qū)動輪垂直反力，kN；為無因系數(shù)，可由表1選取。

表1 jTmax、A、B值

注：max為最大牽引系數(shù)；為無因系數(shù)。

Note:maxis the maximum traction coefficient;andare coefficients.

文獻(xiàn)[30]提出帶噪聲觀測器的變結(jié)構(gòu)并行自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合算法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率的在線精確估計。

3.2 負(fù)載特性場下的最佳控制參數(shù)

以東方紅1302R拖拉機(jī)為應(yīng)用對象，搭載圖2所示HMCVT，前進(jìn)方向包含6段液壓機(jī)械無級調(diào)速，動力源為LR6105ZT10型柴油發(fā)動機(jī)。拖拉機(jī)標(biāo)定最大牽引力56 kN，行駛速度?10～35 km/h。

在負(fù)載特性場中計算得出的最佳速比、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制參數(shù)如圖6所示。

由圖6a可知，最佳變速比i的分布呈現(xiàn)梯田狀，平臺部分的最佳變速比i對應(yīng)HMCVT純機(jī)械傳動時的工作狀態(tài)，此時HMCVT處于效率最高點(diǎn)。根據(jù)圖6所示的計算結(jié)果，結(jié)合工程應(yīng)用控制原理，即可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳。

圖6 最佳控制參數(shù)計算結(jié)果

4 以ge/ηb為指標(biāo)的無級變速控制策略調(diào)控效果

分析在該變速控制策略調(diào)控下HMCVT傳動效率分布；對比其他變速控制策略，驗(yàn)證以g/η為指標(biāo)的無級變速控制策略的燃油經(jīng)濟(jì)性。

4.1 HMCVT實(shí)際工作點(diǎn)的傳動效率分布

在以g/η為指標(biāo)的二元調(diào)節(jié)無級變速控制策略調(diào)控下，由圖6a的最佳變速比分布，統(tǒng)計HMCVT在不同調(diào)速段、不同傳動效率區(qū)間內(nèi)最佳變速比i的分布率如圖7所示。S1、S2調(diào)速段傳動鏈較長，HMCVT傳動效率相對較低，故以0.92為界劃分高低效率區(qū)；其他調(diào)速段傳動效率較高，以0.94為界劃分高低效率區(qū)。

注：S1~S6代表HMCVT的不同調(diào)速段。折線表示發(fā)動機(jī)在額定點(diǎn)工作時，在整個調(diào)速區(qū)間內(nèi)HMCVT的傳動效率變化。填充部分表示HMCVT高、低效率區(qū)間內(nèi)最佳變速比的分布率。

圖7表明，在HMCVT傳動效率大于0.94的高效率區(qū)段，i的分布比例為54.16%；全部變速區(qū)段，在變速器高效工作區(qū)，i的分布比例為72.84%；綜上，在該變速控制策略調(diào)控下HMCVT主要集中在高效率區(qū)工作。

4.2 變速控制策略的燃油經(jīng)濟(jì)性比較

為了驗(yàn)證以g/η為指標(biāo)的二元調(diào)節(jié)無級變速控制策略的燃油經(jīng)濟(jì)性。如表2所示，列舉4種變速控制策略對比燃油經(jīng)濟(jì)性，其中變速控制策略4即為本文所主要描述的以g/η為指標(biāo)的二元調(diào)節(jié)無級變速控制策略，變速控制策略1、2為一元調(diào)節(jié)下分別以g、g/η為指標(biāo)的無級變速控制策略，變速控制策略3為二元調(diào)節(jié)下以g為指標(biāo)的無級變速控制策略。

表2 4種變速控制策略

拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)g作為主要燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，與g/η成正比。為了方便比較，以g/η作為衡量燃油經(jīng)濟(jì)性的比較指標(biāo)，比較各個變速控制策略的燃油經(jīng)濟(jì)性差異。所有變速控制策略均以本文指定的發(fā)動機(jī)和變速器為控制對象，并在拖拉機(jī)負(fù)載特性場中的每一點(diǎn)工作。

4.2.1 變速控制策略調(diào)控下g/η的比較

圖8給出了4種變速控制策略調(diào)控下，在負(fù)載特性場中的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)g/η的數(shù)據(jù)分布。由圖8可知，在變速控制策略4的調(diào)控下，g/η在負(fù)載特性場中整體對比較低，而且變化最平緩。說明拖拉機(jī)在不同工作點(diǎn)燃油經(jīng)濟(jì)性差異最小，更加適合拖拉機(jī)負(fù)載波動大的工作環(huán)境，有利于保證拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

定量計算變速控制策略1～3與4調(diào)控下g/η的差值，如圖9所示。

圖8 不同變速控制策略下ge/ηb的分布

圖9 不同變速控制策略的ge/ηb差值分布

圖9a和9b中，幾乎在負(fù)載特性場內(nèi)的每一點(diǎn)，g/η差值均大于0，表明變速控制策略4的二元調(diào)節(jié)具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。圖9c中，在負(fù)載特性場內(nèi)90.04%的工作區(qū)g/η差值大于0；在牽引負(fù)載大于50.37 kN，目標(biāo)車速小于2.39 km/h內(nèi)的非主要工作區(qū)域g/η差值等于0，表明以g/η作為指標(biāo)的二元調(diào)節(jié)有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。綜上，變速控制策略4能夠?qū)崿F(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳。

4.2.2 不同變速控制策略調(diào)控下g/η的分布比例

在不同變速控制策略調(diào)控下，不同區(qū)間的g/η值在負(fù)載特性場中的分布比例如圖10所示。為方便比較，將g/η劃分為g/η≤260 g/(kW·h)的低油耗區(qū)，g/η>260 g/(kW·h)的高油耗區(qū)。

圖10 不同變速控制策略下ge/ηb的分布比例對比

由圖10可知，變速控制策略3、4的g/η值主要分布于220～280 g/(kW·h)的區(qū)域，但變速控制策略4更集中分布于低油耗區(qū)；變速控制策略1、2為一元調(diào)節(jié)，在高油耗區(qū)內(nèi)g/η的分布比例相對較大，燃油經(jīng)濟(jì)性差。

變速控制策略4的調(diào)節(jié)下，低油耗區(qū)g/η分布比例，分別為變速控制策略1、2、3調(diào)節(jié)下同區(qū)分布比例的3.17、1.32、1.24倍。綜上，牽引功率范圍內(nèi)，當(dāng)拖拉機(jī)在某一目標(biāo)車速下穩(wěn)定工作時，在變速控制策略4調(diào)控下，拖拉機(jī)更可能在較低油耗狀態(tài)下工作，保證拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論與討論

根據(jù)拖拉機(jī)復(fù)雜的工作環(huán)境、發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率和HMCVT傳動效率差異大的特征，提出基于g/η最小化的液壓機(jī)械無級變速控制策略，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳。闡述了拖拉機(jī)在任意牽引工況下，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及HMCVT變速比，控制拖拉機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)下工作的控制原理。計算了負(fù)載特性場內(nèi)每個工作點(diǎn)的最佳控制參數(shù)，保證了二元協(xié)同調(diào)節(jié)下拖拉機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性變速控制策略工程實(shí)現(xiàn)。相比較一元調(diào)節(jié)下以g、g/η為指標(biāo)及二元調(diào)節(jié)下以g為指標(biāo)的變速控制策略，以g/η為指標(biāo)的二元調(diào)節(jié)變速控制策略燃油經(jīng)濟(jì)性更佳。結(jié)合文中提出的負(fù)載反饋控制原理，保證拖拉機(jī)可在給定的目標(biāo)車速下穩(wěn)定行駛。

本文的研究內(nèi)容為拖拉機(jī)工程控制策略的制定和實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的大功率HMCVT試驗(yàn)臺架，采用了電動機(jī)作動力源，不能直接測量燃油消耗量。實(shí)際燃油消耗量和變速控制策略執(zhí)行效果，還有待完善拖拉機(jī)控制系統(tǒng)后，進(jìn)行田間作業(yè)驗(yàn)證。

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Speed changing control strategy for improving tractor fuel economy

Zhang Mingzhu1,3, Wang Jiezhong1, Wang Jianhua4, Guo Zhanzheng2, Guo Fuqiang4, Xi Zhiqiang2, Xu Jiajun1

(1.471003,; 2471003,; 3471003,; 4.471003,)

In order to realize the optimal fuel economy of tractors equipped with hydro-mechanical continuously variable transmission (HMCVT), the speed changing control strategy of tractors was studied based on the analysis of the influence of the engine and HMCVT on the tractor’s fuel economy. For the tractors binary adjusted by engine and HMCVT, brake specific fuel consumption and HMCVT transmission efficiency have great changes at different work points. Based on the characteristic, the paper put forward a kind of control strategy of optimal fuel economy which take the ratio of brake specific fuel consumptiongto HMCVT transmission efficiencyηas the index. A load feedback control principle of tractors was designed to ensure stable driving of tractors under any target speed and improve operational quality. The optimal engine speed, torque and HMCVT speed ratio of tractors at any working point in the load characteristic field were calculated by using the parameter cycle algorithm, which ensured the engineering realization of the optimal fuel economic control strategy of tractors under the dual coordinated regulation. The results showed that the distribution of the optimal speed ratio appeared in the form of terraced field. The optimal speed ratio of the platform part corresponded to the working state of the pure mechanical drive of HMCVT. At this time, HMCVT was at the highest efficiency point. The distribution percentage of optimal speed ratio reached 72.84% when transmission efficiency of HMCVT was higher than 0.92, and reached 54.16% when transmission efficiency was higher than 0.94. This meant that HMCVT mainly worked at high-efficiency area under the control strategy of optimal fuel economy. Compared with unary regulation which tookgorg/ηas the index and the binary regulation which takegas the index, the tractor fuel consumption was obviously reduced. The surface ofg/ηwas smoother, which was more suitable for the complex working environment of tractors. Under the control of the optimal strategy of fuel economy, the working point proportion of the low fuel consumption area in the whole load characteristic field was 3.03, 1.27 and 1.20 times as great as the other three speed changing control strategies; while the proportion of high fuel consumption area was 0.183, 0.299 and 0.439 times as few as the other three control strategies. It showed that tractor was more likely to work in lower fuel consumption state, when it worked stably at a certain target speed. The research suggested that the optimal fuel economic speed changing control strategy of tractors withg/ηas the index can improve the fuel economy of tractors under any working condition. The results lay a foundation for the realization of the control strategy of the follow-up engineering and the test verification.

tractor; transmission; fuel economy; hydro-mechanical continuously variable transmission; speed changing control strategy

張明柱，王界中，王建華，郭占正，郭富強(qiáng)，席志強(qiáng)，許家俊. 提高燃油經(jīng)濟(jì)性的拖拉機(jī)變速控制策略[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(1)：82－89.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.010 http://www.tcsae.org

Zhang Mingzhu, Wang Jiezhong, Wang Jianhua, Guo Zhanzheng, Guo Fuqiang, Xi Zhiqiang, Xu Jiajun. Speed changing control strategy for improving tractor fuel economy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 82－89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.010 http://www.tcsae.org

2019-06-12

2019-09-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51375145）；拖拉機(jī)動力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（AKT2019001）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計劃資助（18A460002）。

張明柱，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檐囕v傳動與控制技術(shù)。Email：mingzhu@haust.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.010

S219.0

A

1002-6819(2020)-01-0082-08