一种多段液压机械无级变速器换段控制系统及其换段方法

摘要

一种多段液压机械无级变速器换段控制系统及其换段方法，包括对拖拉机提供动力的发动机、无级变速器、用于控制发动机的发动机控制单元、变速器电控单元、变速器输入速度传感器和变速器输出速度传感器，所述变速器输入速度传感器设置在无级变速器的输入轴上，所述变速器输出速度传感器设置在无级变速器的输出轴上，所述发动机控制单元、变速器电控单元、变速器输入速度传感器和变速器输出速度传感器通过一封闭的CAN总线连接；本发明能够有效地消除无级变速器换段过程中的循环换段现象，并且能够保证在换段点时，优先工作于低速工作段，实现降速优先的原则，有效地提高了车辆行驶过程中的动力性以及安全可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及拖拉机多段液压机械无级变速器技术领域，尤其是涉及一种多段液压机械无级变速器换段控制系统及其换段方法。

背景技术

多段液压机械无级变速器(HMCVT)具有变速范围广、操作简便、传动效率高、燃油经济性高和排放污染低等优点，在现代大功率农业拖拉机上得到了广泛应用。但是由于其段与段之间的效率差异，在换段过程中会不可避免的出现循环换段现象，严重影响整车平顺性以及动力性。制定合理的换段方法可以避免换段循环，还有利于提高整车的动力性、燃油经济性以及对恶劣环境的适应能力。

目前关于拖拉机多段液压机械无级变速器换段的研究主要是通过减小离合器结合时间或控制换段油压达到减少换段冲击并且保证车辆平稳性的目的，但是并未解决车辆行驶过程中所遇到的循环换段问题。

发明内容

本发明的目的是为解决车辆行驶过程中存在的循环换段问题，提供一种多段液压机械无级变速器换段控制系统及其换段方法。

本发明所采用的技术方案是：一种多段液压机械无级变速器换段控制系统，包括对拖拉机提供动力的发动机、无级变速器、用于控制发动机的发动机控制单元、变速器电控单元、变速器输入速度传感器和变速器输出速度传感器，所述变速器输入速度传感器设置在无级变速器的输入轴上，所述变速器输出速度传感器设置在无级变速器的输出轴上，所述发动机控制单元、变速器电控单元、变速器输入速度传感器和变速器输出速度传感器通过一封闭的CAN总线连接；

所述变速器电控单元包括微处理器DSP、电源模块、输入信号处理模块和输出信号处理模块，所述输入信号处理模块包括分别与微处理器DSP连接的两个光耦隔离模块和滤波处理模块，所述输出信号处理模块包括分别与微处理器DSP连接的驱动模块、SPI串口以及两个光耦隔离模块，所述微处理器DSP和电源模块之间设有DC-DC电源转换模块，所述输入信号处理模块中的其中一个光耦隔离模块连接无级变速器，所述驱动模块与CAN总线连接。

所述无级变速器包括多档变速机构、闭式变量泵-定量马达传动系统和双排行星排的动力分流机构及动力汇流机构组成。

所述发动机采用电子调速器自动控制转速。

所述变速器输入速度传感器和变速器输出速度传感器均采用磁电式传感器。

所述DC-DC电源转换模块上还连接有应急电路。

一种利用多段液压机械无级变速器换段控制系统的换段方法，包括以下步骤：步骤1、首先根据无级变速器的状态确定工作段号R，计算出无级变速器R段与R+1段换段点输出速度、R段与R-1段换段点输出速度、R段与R+1段换段点输入速度和当前输出速度；

步骤2、确定无级变速器的输出速度的变化趋势并对数据进行以下对比分析；

（1）若无级变速器输出速度呈逐渐增加趋势，且无级变速器输出速度，则无级变速器处于段内加速状态，无级变速器段位不需要发生变化，离合器不需要改变其接合状态，拖拉机变速器电控单元TCU控制变速器继续按照设定的变速规律工作；

（2）若无级变速器输出速度呈逐渐增加趋势，且变速器输出速度，输入速度，则离合器处于预备换段状态，则拖拉机变速器电控单元TCU输出指令，保持变速器输出速度不变，增大变速器输入速度，而变速器段位不需要发生变化，离合器不需要改变其接合状态；

（3）若无级变速器输出速度呈逐渐增加趋势，且输出速度，输入速度，则离合器处于升段状态，则变速器要从低段位升入高段位，拖拉机变速器电控单元TCU通过控制相应的电磁阀更改离合器的接合状态，完成换段；

（4）若无级变速器输出速度呈逐渐减小趋势，且输出速度，则离合器处于段内减速状态，拖拉机变速器电控单元TCU控制变速器按照设定的变速规律工作，段位不需要发生变化，离合器其接合状态不需要改变；

（5）若无级变速器输出速度呈逐渐减小趋势，且输出速度，则离合器处于降段状态，则变速器要从高段位降入低段位，拖拉机变速器电控单元TCU也通过控制相应的电磁阀更改离合器的接合状态，完成段位变化。

所述的无级变速器R段与R+1段换段点输出速度、R段与R-1段换段点速度、R段与R+1段换段点输入速度，根据公式

，

，

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，

；

其中为发动机输出转速，、为变速器变速比在对应工作段R的上、下限制，、为变速器传动比在对应工作段R的上、下限制。

本发明的有益效果：本发明的拖拉机多段液压机械无级变速器换段的控制方法以及系统，换段时以无级变速器的输入输出轴速度作为换段时的比较对象，测量方便简单，能够有效地消除无级变速器换段过程中的循环换段现象，并且能够保证在换段点时，优先工作于低速工作段，实现降速优先的原则，有效地提高了车辆行驶过程中的动力性以及安全可靠性。

附图说明

图1是本发明消除循环换段原理图；

图2是本发明控制系统组成图；

图3是本发明控制系统中TCU整体结构图；

图4是本发明多段液压无级变速器的传动简图；

图5是自动模式下多段液压无级变速器的状态转移流程图。

图中标记：1、发动机，2、无级变速器，3、发动机控制单元，4、变速器控制单元，5、变速器输入速度传感器，6、变速器输出速度传感器，7、CAN总线，8、变速机构，9、闭式变量泵-定量马达传动系统，10、动力分流机构，11、动力汇流机构。

具体实施方式

如图所示，一种多段液压机械无级变速器换段控制系统，包括对拖拉机提供动力的发动机、无级变速器、用于控制发动机的发动机控制单元、变速器电控单元、变速器输入速度传感器和变速器输出速度传感器，所述变速器输入速度传感器设置在无级变速器的输入轴上，所述变速器输出速度传感器设置在无级变速器的输出轴上，所述发动机控制单元、变速器电控单元、变速器输入速度传感器和变速器输出速度传感器通过一封闭的CAN总线连接；

所述变速器电控单元包括微处理器DSP、电源模块、输入信号处理模块和输出信号处理模块，所述输入信号处理模块包括分别与微处理器DSP连接的两个光耦隔离模块和滤波处理模块，所述输出信号处理模块包括分别与微处理器DSP连接的驱动模块、SPI串口以及两个光耦隔离模块，所述微处理器DSP和电源模块之间设有DC-DC电源转换模块，所述输入信号处理模块中的其中一个光耦隔离模块连接无级变速器，所述驱动模块与CAN总线连接。

所述无级变速器包括多档变速机构、闭式变量泵-定量马达传动系统和双排行星排的动力分流机构及动力汇流机构组成。

所述发动机采用电子调速器自动控制转速。

所述变速器输入速度传感器和变速器输出速度传感器均采用磁电式传感器。

所述DC-DC电源转换模块上还连接有应急电路。

一种多段液压机械无级变速器换段控制方法，包括以下步骤：步骤1、首先根据无级变速器的状态确定工作段号R，计算出无级变速器R段与R+1段换段点输出速度、R段与R-1段换段点输出速度、R段与R+1段换段点输入速度和当前输出速度；

步骤2、确定无级变速器的输出速度的变化趋势并对数据进行以下对比分析；

（1）若无级变速器输出速度呈逐渐增加趋势，且无级变速器输出速度，则无级变速器处于段内加速状态，无级变速器段位不需要发生变化，离合器不需要改变其接合状态，拖拉机变速器电控单元TCU控制变速器继续按照设定的变速规律工作；

（2）若无级变速器输出速度呈逐渐增加趋势，且变速器输出速度，输入速度，则离合器处于预备换段状态，则拖拉机变速器电控单元TCU输出指令，保持变速器输出速度不变，增大变速器输入速度，而变速器段位不需要发生变化，离合器不需要改变其接合状态；

（3）若无级变速器输出速度呈逐渐增加趋势，且输出速度，输入速度，则离合器处于升段状态，则变速器要从低段位升入高段位，拖拉机变速器电控单元TCU通过控制相应的电磁阀更改离合器的接合状态，完成换段；

（4）若无级变速器输出速度呈逐渐减小趋势，且输出速度，则离合器处于段内减速状态，拖拉机变速器电控单元TCU控制变速器按照设定的变速规律工作，段位不需要发生变化，离合器其接合状态不需要改变；

（5）若无级变速器输出速度呈逐渐减小趋势，且输出速度，则离合器处于降段状态，则变速器要从高段位降入低段位，拖拉机变速器电控单元TCU也通过控制相应的电磁阀更改离合器的接合状态，完成段位变化。

所述的无级变速器R段与R+1段换段点输出速度、R段与R-1段换段点速度、R段与R+1段换段点输入速度，根据公式

，

，

，

，

。

其中为发动机输出转速，、为变速器变速比在对应工作段R的上、下限制，、为变速器传动比在对应工作段R的上、下限制。

如图1所示，代表无级变速器输入速度随时间的变化，代表无级变速器输出速度随时间的变化，R-1、R、R+1为工作段号，为R段与R+1段换段点输出速度，为R段与R-1段换段点输出速度，为R段与R+1段邻接的无级变速器换段点输入速度上限，为R段与R-1段邻接的无级变速器换段点输入速度上限，t₁时刻代表进入R-1段到R段的预备换段状态，t₂时刻代表进入R-1段到R段的升段状态，t₃时刻代表进入R段到R+1段的预备换段状态，t₄时刻代表进入R段到R+1段的升段状态，t₅时刻代表进入R段到R-1段的降段状态，t₆时刻代表进入R+1段到R段的降段状态。

如图2所示，无级变速器换段控制系统由发动机控制单元、拖拉机变速器电控单元TCU、变速器输入速度传感器、变速器输出速度传感器构成。其中变速器由机械变速机构、闭式变量泵-定量马达传动系统、执行动力分流和回流的行星齿轮机构组成。发动机控制单元预先标定好发动机的预设参数，向发动机输入设定的转速，发动机采用电子调速器自动控制转速。电子调速器接收发动机设定好的转速，输出齿条位移驱动信号，控制油泵齿条位移，调整供油量，保证发动机实际转速与指令转速保持一致。调速器实时测量发动机转速和齿条位移，采用闭环方式控制齿条位移以及发动机转速，调速器也对外输出发动机转速数据信息。变速器输入速度传感器和变速器输出速度传感器分别持续采集当前无级变速器的输入、输出轴转速信息经CAN总线将这些数据信息发送给发动机控制单元以及TCU，发动机控制单元将发动机转速、转矩以及功率数据信息经CAN总线传至TCU。速度传感器采用磁电式传感器，安装于无级变速器输入轴、输出轴旁边。

如图3所示，主要包括电源模块、输入信号处理模块、微处理器DSP、输出信号处理模块。TCU使用TI公司的TMS320F2812型DSP微控制器，内部主要的功能电路有光耦隔离、功率放大、滤波处理、通信接口模块、应急电路等。输入开关信号、输出开关信号、转速频率信号以及串行总线信号经过光耦隔离电路与DSP相连，保证TCU的抗干扰性；功率放大电路将离合器电磁阀开关信号以及比例阀PWM控制信号进行功率放大，提供电磁线圈需要的电压以及电流，对功率元件进行短路和反压保护；滤波处理电路将模拟的输入信号进行放大、滤波，调理成DSP的A/D转换器所要求的电压范围，保证可靠的输入采样；通信接口电路将微控制器的CAN接口换成串行总线驱动接口需要的电平；在DSP发生故障时，应急电路提供离合器的基本控制信号，使HMCVT按预定传动比工作，使拖拉机处于低速自救行驶状态。

由于信息采集系统安装在发动机附近，受电磁辐射以及热辐射影响较大，可将车辆输入信号大致分为模拟量、开关量和脉冲量三种信号。所有的输入信号都需要经过输入信号处理模块对其进行光耦隔离或者滤波、限幅、放大等处理，然后将这些信号传递给DSP内核做决策，决定是进行段内调速还是换段控制，再将信号通过输出信号处理模块对其进行功率放大或光耦隔离等操作，进而驱动相应的电磁阀或比例阀完成指定的动作。若需要进行换段控制，则由TCU输出压力，驱动相应电磁阀直接控制湿式多片式离合器，从而对无级变速器进行换段控制。

如图4所示，罗马字符（I-XV）表示轴；用数字或字母数字表示齿轮序号；y、b、j分别表示端口。

多段无级变速器由发动机、多档变速机构、闭式变量泵-定量马达传动系统和双排行星排的动力分流及汇流机构组成。图3中行星排K1和K2的太阳轮、齿圈和行星架分别用s1、r1、cr1和s2、r2、cr2表示，Cf为前进段离合器，Cr为后退段离合器。发动机输出功率为液压功率和机械功率的和。机械功率经变速传递到行星排K2的行星架cr2和K1的齿圈r1上，通过双行星排传动与液压功率汇流后，分两路输出：一路由行星排K1的行星架cr1输出；一路由行星排K2的齿圈r2输出。液压功率经液压传动系统和机械传动，也分两路输出，一路传递到双行星排的太阳轮s1、s2上，与机械功率流回流输出，另一路经离合器Ch单独输出。

根据多组离合器的接合情况，在前进段离合器Cf结合时，当离合器Ch、C1、C2、C3、C3-C4分别依次结合时，变速器前进方向形成5段无级变速段；在后退段离合器Cr结合时，当离合器Ch、C1、C2、C3分别依次结合时，倒退方向形成4段无级变速段。

拖拉机多段液压机械无级变速器换段控制原理如图1~5所示，具体描述如下：

当变速器输出速度逐渐增大，逐步升段时，t₁时刻无级变速器输出速度等于变速器R-1段与R段换段点处输出速度，不进行换段，保持输出速度不变，开始控制变速器输入速度变大；在t₂时刻，当输入速度等于R-1段与R段换段点处输入速度时，立即进行换段，从R-1段进入R段；在t₃时刻，无级变速器输出速度等于变速器R段与R+1段换段点处输出速度时，不进行换段，但保持输出速度不变，开始控制变速器输入速度变大；至t₄时刻，变速器输入速度等于R段与R+1段换段点处输入速度时，立刻进行换段，从R段进入R+1段；当变速器输出速度逐渐减小，逐渐降段时，至t₅时刻无级变速器输出速度，立即进行换段，从R段降入R-1段；t₆时刻，无级变速器输出速度，立即进行换段，从R+1段降入R段。

本发明的消除循环换段的多段液压机械无级变速器换段控制方法具体步骤如下:安装在无级变速器的输入、输出轴的变速器输入速度传感器和输出速度传感器分别持续采集当前所检测的输入、输出轴的速度变化产生的相应的信号，将这些数据信息传送至CAN总线，再由CAN总线将这些信息发送至TCU，TCU根据得到的信息计算工作段号R，确定R段与R+1段换段点的输出速度、R-1段换段点输出速度以及与R+1段换段点的输入速度。TCU结合换段原理，通过如图5所示的无级变速器状态判断流程，判断当前拖拉机无级变速器的工作状态，确定是否需要换段，从而输出相应指令，控制无级变速器内离合器的接合。具体描述如下：

（1）若无级变速器输出速度，且处于输出速度逐渐增加趋势，TCU判断无级变速器处于段内加速状态。TCU根据判断结果发送指令给CAN总线，经CAN总线将这些控制指令信息分别发送给发动机控制单元、传感器控制单元，构成闭环回路，按照变速规律继续工作，离合器不需要改变其结合状态，段位不需要发生变化。

（2）若无级变速器输出速度，输入速度,且处于输入速度逐渐增加趋势，则TCU判断无级变速器处于预备换段状态；TCU发出保持无级变速器输出速度不变输入速度递增的命令，经CAN总线将这些控制指令信息分别发送给发动机控制单元和传感器控制单元构成闭环回路，控制变速器输出速度保持不变，输入速度逐渐增加，离合器不改变其结合状态，段位暂不发生变化。

（3）若是无级变速器输出速度，输入速度,且处于输入速度逐渐增加趋势，则TCU判断无级变速器处于升入下一液压段的升段状态。TCU根据判断结果发送指令给CAN总线，驱动相应的电磁阀以及比例阀控制离合器的结合，从而完成换段控制。离合器的结合状态发生改变，段位升入高段。

（4）若是无级变速器处于输入速度逐渐减小趋势，且输出速度,则TCU判断无级变速器处于段内减速状态。TCU根据判断结果发送指令给CAN总线，经CAN总线将这些控制指令信息分别发送给发动机控制单元、传感器控制单元，使其按照变速规律继续工作，离合器不需要改变结合状态，段位不需要发生变化。

（5）若是无级变速器处于输入速度逐渐减小趋势，且输出速度，则TCU判断无级变速器处于降入低液压段的降段状态。TCU根据判断结果驱动相应的电磁阀以及比例阀控制离合器的结合，从而完成换段控制。离合器的结合状态发生改变，段位降入段。

图4所示的无级变速器状态判断流程具体为：首先给定无级变速器的、、的具体数值，根据变速器输出速度传感器传来的速度信号，判断变速器输出速度的变化。若逐渐递增，则判断是否成立，若不成立，则说明变速器处于段内加速状态，流程结束；若成立，根据变速器输入速度传感器传来的速度信号判断是否成立，若成立，则变速器处于升段状态，流程结束；若不成立，则说明变速器处于预备换段状态，流程结束。若逐渐递减，则判断是否成立，若成立，则说明变速器处于降段状态，流程结束；若不成立，则说明变速器处于段内减速状态，流程结束。

为了更清晰的说明本发明的技术方案，下面以某型号轮式拖拉机所采用的多段液压机械无级变速器为例，根据图5所示TCU判定工作状态流程图对其HM3液压段的前后换段过程进行具体阐述。

该型号轮式拖拉机所采用的多段液压机械无级变速器的HM2-HM4段的离合器接合规则如下表1所示。

表1离合器接合规则

表1中+代表离合器接通，-代表离合器断开。

如表1所示，该型号轮式拖拉机所采用的多段液压机械无级变速器在HM3时，离合器C2、Cf接合，其他离合器断开。按照流程图5所示，TCU首先判断在无级变速器的HM3段的速度变化趋势。

若段内速度处于逐渐增加趋势，则判断此时HM3段的实际输出速度与换段输出速度的大小，若，则说明此时无级变速器处于段内加速状态，其离合器的接合状态无需改变；若，则继续判断无级变速器输入速度与换段输入波动速度的大小，若，则说明此时无级变速器处于换段前准备状态，此时TCU发出指令，使输出速度保持不变，输入速度继续增大，离合器接合状态仍不发生改变；若，则说明时无级变速器处于换段状态，此时TCU发出指令，驱动离合器C2、C3所对应的电磁阀做出相应的动作，使得离合器C2断开、离合器C3接合，完成段位从HM3至HM4的升段流程。

若段内输出速度处于逐渐降低趋势，则判断此时HM3段的实际输出速度与换段输出速度的大小，若，则说明此时无级变速器处于段内减速状态，其离合器的接合状态无需改变；若，则说明无级变速器处于换段状态，此时TCU发出指令，驱动离合器C1、C2所对应的电磁阀做出相应的动作，使得离合器C2断开、离合器C1接合，完成段位从HM3至HM2的降段流程。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对于本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方案进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。