AMT叉车坡道换挡控制策略研究

Study on ramp shifting control strategies of AMT forklift

郭永明，陆静平，许　波

GUO Yong-ming, LU Jing-ping, XU Bo

（广西大学 机械工程学院，南宁 530004）



AMT叉车坡道换挡控制策略研究

Study on ramp shifting control strategies of AMT forklift

郭永明，陆静平，许波

GUO Yong-ming, LU Jing-ping, XU Bo

（广西大学 机械工程学院，南宁 530004）

摘 要：传统机械式自动变速器（AMT）叉车上坡时发生频繁的换挡，下坡时不能充分利用发动机的牵阻力使叉车减速。针对叉车坡道换挡特殊的作业工况，建立了坡道行驶综合载荷模型，研究了坡道行驶时离合器接合规律，提出一种基于模糊控制的综合载荷下坡道判别的方法，并借助于MATLAB工具箱设计图形用户界面对所制定的模糊控制策略建立仿真模型，对不同载荷和不同坡度行驶条件下的坡道判别和档位更换进行仿真分析。仿真结果表明模糊控制策略能够对综合载荷下的叉车行驶进行坡道判别，叉车能对综合载荷的变化及时调整最佳换挡策略，避免了坡道行驶频繁换挡的现象，确保叉车坡道物流作业安全。

关键词：AMT叉车；频繁换挡；模糊控制；坡道判别

0 引言

机械式自动变速器（AMT）是由齿轮变速器改进而来，保留了原有的离合器和变速器，取消了离合器踏板，离合器的接合与分离依靠电子控制单元（ECU）驱动电机带动离合器执行机构完成。AMT叉车既有传统齿轮变速器节能环保、传动效率高、动力性好的优点，又实现了离合器操纵的自动化，减轻驾驶员疲劳、减少对驾驶员驾驶经验的依赖，因此在车辆的传动方案中得到广泛研究[1,2]。坡道作业是叉车的一种特殊作业工况，进行坡道判别是叉车坡道换挡规律研究的基础。传统AMT车辆基于油门开度和车速的最佳换挡规律，当车辆进入坡道后惯性较大，车速不能及时的响应油门的变化[3]。即车速的改变相对于油门的突变存在滞后性，这样就导致叉车坡道行驶时发生频繁的升档降档的循环过程，换挡时动力的中断不但对货物及人员的安全带来隐患，而且也不利于叉车运行经济性和动力性的发挥，加剧了传动系统特别是离合器的磨损，同时也影响了驾驶舒适性。在对叉车坡道行驶动力学分析的基础之上，提出一种基于叉车动态载荷下的坡道判别方法。根据叉车负载和坡道大小用模糊控制算法计算出动态载荷，确定是否需要换挡，并制定相应的换挡策略，从而解决坡道行驶时频繁的换挡和动力中断问题。这种方法不需要附加额外的硬件系统，只需要在原有的ECU植入相应的坡道行驶换挡时的控制策略即可。

1 坡道行驶动力学分析

发动机产生的扭矩经过离合器的传递，变速箱、主减速器、车轮的减速增矩作用将动力输送至驱动轮，当驱动力克服叉车的行驶阻力时叉车开始运行。车辆在运行过程中的行驶阻力包括滚动阻力、坡道阻力、空气阻力和加速阻力。项目中叉车的最大行驶速度为18km/h，运行速度低，故空气阻力可以近似忽略。叉车运行驱动力和各阻力之间的关系如式(1)所示：

其中：Fq为驱动力，Fg为滚动阻力，Fp为坡道阻力，Fc为加速阻力。

图1　叉车坡道动态载荷分析

图1为叉车行驶在坡度为θ时的滚动阻力和坡道阻力示图，由图可知叉车行驶在路面时会受到一个与轮胎滚动方向相反的力即为滚动阻力。滚动阻力的大小除了受载重和车辆自重的影响外还与道路状况、车轮的材料以及充气饱满度有关。为计算简便滚动阻力的大小可表示为：

其中：λ为车轮滚动摩擦系数；m为叉车自重和载重之和，单位是kg，g为重力加速度，可取值9.8m/s2；θ为坡道角度的大小。

叉车爬坡时车辆的重力沿着道路方向的一个分力称为坡道阻力，坡道阻力的大小受车辆自重、载重和坡道角度大小的影响。坡道阻力的大小可表示为：

叉车加速时需要克服行驶过程中的惯性力，也被称为加速阻力，加速阻力的大小取决于叉车的平移质量、旋转部件的质量和加速度的大小。车辆的加速阻力可表示为[4]：

综合式(1)～式(4)得：

由式(5)可知在坡道大小、叉车自身结构性能和行驶条件一定的情况下叉车的载重对牵引力产生重要影响，即使是同一坡道，叉车在不同的载荷下的综合负载也不相同。把坡道大小和载重相结合作为叉车的综合负载，可以反映出叉车坡道作业实际牵引力的需求。

2 叉车换挡规律分析

项目组采用型号为CPC(30)的平衡重式叉车，具有前进、后退各2个档位，最大爬坡度为8%。图2为叉车降档时离合器扭矩变化示意图，0-t1为叉车正常行驶阶段，叉车在t1时刻根据内外部运行条件的变化发出换挡信号；t1-t2为离合器快速分离阶段，到t2时刻离合器彻底分离，发动机动力传递被切断；t2-t5分别是摘挡、选档和挂档阶段，这一阶段没有动力传递，为了确保叉车驾驶安全，应尽快的完成；t5-t6为挂入新档位后离合器主从动盘接合阶段，这一阶段离合器接合过快会给叉车带来顿挫感，接合过慢则会加速离合器主从动盘的磨损，从而降低离合器的使用寿命，为了确保离合器的接合质量，这一阶段应该在叉车的冲击度和滑磨功之间取得平衡[5]；t6-t7阶段完成了换挡作业，叉车开始正常运行。

图2 叉车换挡过程离合器传递扭矩的变化

叉车作为一种短距离装卸搬运载重机械，其载荷占满载比重大，坡道换挡时不考虑综合负载因素，满载叉车在坡道频繁换挡，很可能因为动力的中断而后溜，容易导致驾驶安全事故的发生。

按照传统的AMT换挡规律，叉车开始进入坡道时由于惯性的作用，车速变化小，叉车保持原来的档位，当二档牵引力小于爬坡阻力时，叉车减速降入一档；然后由于油门作用使得牵引力大于爬坡阻力，又出现升档，这样上坡时形成频繁的换挡过程。而叉车下坡时随着速度的增加，会发生升档现象，驾驶员会通过不断的制动来限制车速，车速的下降过程中可能就出现一个降档过程；这种频繁的升档降档过程，对叉车运行和驾驶安全性带来威胁。

叉车前进、后退各2个档位，在档位选择上相对简单，项目中拟采用的换挡策略为：进入坡道后，叉车ECU根据综合载荷的变化发出坡道指令时，降入一档，叉车保持一档直至完成坡道行驶；当平道换挡策略与坡道换挡策略发生冲突时，ECU优先执行坡道换挡策略，这种换挡策略解决了坡道作业频繁换挡问题，也保证了叉车坡道行驶的动力性，同时这一策略对于只有前进、倒退各两个档位的叉车来说具有可行性。

3 坡道换挡模糊控制策略与仿真

模糊控制的目标是叉车根据载重和坡道大小对坡道与平道进行判别，AMT叉车的档位和离合器执行机构根据坡道指令将档位挂入一档，直至完成叉车的爬坡作业ECU发出平道指令，档位换入二档。

3.1 坡道换挡控制器模型

空载时，叉车二档可以完成18%坡度的爬坡作业，但是随着负载的增加，牵引力增大，需要降档。叉车负载和坡度大小决定的综合负载是时变、非线性的，难以用数学建模的方式进行精确表达，因此采用模糊控制策略来进行坡道的判别。坡道换挡模糊控制模型各由两个输入输出参数构成，如图3所示。由图可知模糊逻辑控制器由三个核心部分组成，分别是模糊化模块、近似推理模块和清晰化模块[6]，其输入因素分别是坡道大小和叉车负载，控制器根据模糊化处理之后的综合负载发出坡道（挂入一档）或平道（挂入二档）指令。

图3　模糊控制器参数模型

3.2 模糊逻辑算法

设计时使用Mamdani型控制器，模糊控制器采集到的的坡道大小和叉车负载信息都是物理值，不能直接被控制器识别，需要经过量化因子和隶属函数进行模糊化处理。控制器输入输出论域设置为[0 10]，每个输入输出参数的模糊集合为7，由此可制定49条模糊规则。其中叉车负载和坡道判别命令选择梯形隶属函数，坡道大小为三角形隶属函数。叉车负载和坡道大小的隶属函数图像如图4所示，其中坡道大小隶属函数中NBig和Neg为叉车下坡行驶，Zero为平道作业，其余两种情况为叉车爬坡作业工况。

图4　叉车负载和坡道大小隶属函数示意图

模糊规则是控制器的核心，每条模糊规则可分为前提和结论两部分，前提部分描述原因，结论部分描述与控制行为相关的结果[7,8]。根据熟练驾驶员的驾驶经验和实车测试得出叉车综合载荷模糊规则的三视图如图5所示，其中X轴的输入为坡道大小，Y轴输入为叉车负载，Z轴为输出的坡道、平道命令。叉车自重4300kg，额定载荷为3000kg，坡度大小区间为[0 20%]。

图5　模糊规则三视图

3.3 Matlab仿真分析

完成模糊控制器的设计之后借助于MATLAB工具箱设计GUI，对动态载荷下所制定的模糊控制策略进行仿真分析。首先新建一个GUI，完成所需控件的布局并进行相应的属性设置，然后把模糊控制器生成的fis文件导入到编辑器界面和完成控件等相应的程序编写。在仿真时拖动相应的滑动条，坡度大小和载重发生相应的变化，其滑动条的值显示在相应的空白文本框中，输出控件根据动态载荷的变化实时显示平道或者坡道命令。其动态载荷下坡道判别仿真结果如表1所示。

表1　坡道判别仿真运行结果

由仿真结果可知，空载情况下，即使是行驶在最大可通过坡度，控制器也是发出平道指令，现实中，空载叉车在二档的情况下也可以顺利的通过坡度为18%的坡道；通过第二次和第三次结果对比可知，当坡度很小，载重量比较大时，叉车可以二档顺利完成坡道行驶，即使坡度大小一样，载重量达到一定临界值时，也是发出坡道指令，换入二档；第二和第四次仿真结果可知载重量相同的情况下，随着坡道增大至临界值，输出命令为坡道指令；第五和第六次仿真是叉车在最大可通过坡道上作业的特殊情况，即使载重量较小，输出的也是坡道指令。由全部仿真结果可知，把模糊控制算法和叉车的综合载荷结合起来进行坡道的判别是可行的，叉车对坡道大小和负载情况的变化具有实时的反应能力，这一方法能满足坡道判别的要求和实现所制定的叉车坡道换挡策略，叉车可以根据坡道或者平道指令进行相应的档位更换，避免了叉车行驶与坡道而发生频繁的换挡现象。

4 结束语

文章在分析叉车坡道行驶动力学和换挡规律的基础上，提出了一种基于模糊控制算法综合载荷下的坡道判别方法，并根据坡道或者平道指令挂入相应的档位，这一算法避免了基于车速和油门开度而发生频繁换挡的现象，也不需要复杂的建模过程。在坡道判别时对载重和坡道大小进行综合考虑符合载重车辆的实际作业情况，这一换挡策略避免了传统AMT叉车坡道频繁的换挡过程，确保叉车驾驶和物流作业安全。

参考文献：

[1] 张志义,赵丁选,陈宁.工程车辆模糊自动换挡策略研究[J].农业机械学报,2005,36(10):26-29.

[2] 金伦,程秀生,葛安林,等.AMT换挡过程的离合器控制[J].汽车技术,2006,(1):11-13.

[3] 金辉,葛安林,秦贵和,等.基于纵向动力学的坡道识别方法研究[J].机械工程学报,2002,38(1):79-82.

[4] 李连明.自动离合器起步控制策略研究[D].吉林大学,2013.

[5] 任亚明.AMT汽车起步模糊控制及其优化策略的研究[D].合肥工业大学,2009.

[6] 石辛民,赫整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京:清华大学出版社.北京交通大学出版社,2008:94-95.

[7] Bouslama, F. and Ichikawa, A.,Fuzzy control rules and their natural control laws[J].Fuzzy Set and Systems,1992,(48):65-86.

[8] Hohle, U. and Stout, L.N., Foundations of fuzzy sets[J].Fuzzy Sets and Systems,1991(40):257-296.

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示。通过Miner线性疲劳损伤累积理论，取临界疲劳损伤系数为1，钢丝绳1的疲劳寿命为12020个升降工作循环。

图9　钢丝绳1载荷谱

图10　钢丝绳1的S—N曲线

4 结论

1）针对车窗—导槽密封滑动接触状态，建立其摩擦阻力模型；针对车窗—水切密封动态接触距离，建立非线性约束阻力分段函数，确定了车窗密封非线性摩擦阻力模型。

2）基于Adams/Cable模块，实现了非刚体钢丝绳两段建模，通过等长释放与缠绕，模拟车窗升降。基于Adams/Motor模块，计入输出端减速机构，实现等效驱动电机建模。

3）获取钢丝绳在车窗加速、恒定及电机堵转阶段的动力学响应，结合三点雨流计数法及Miner疲劳损伤累积理论，计算得到钢丝绳最大升降循环，支持车窗升降疲劳预测。

[1] Musser C T,Manning J E, Shen M. Road Test Measurement and SEA Model Correlation of Dominant Vehicle Wind Noise Transfer Paths[R].SAE Technical Paper,2012.

[2] Diego D,Jonathan J,Rami K,et al.Vibro-Acoustic Simulation of Side Windows and Windshield Excited by Realistic CFD Turbulent Flows Including Car Cavity[J].SAE Technical Paper, 2012.

[3] 贺银芝,杨志刚,王毅刚.汽车车身密封对车内气动噪声影响的机理及试验研究[J].汽车工程,2012,34(8):692-695.

[4] Andrew SE.Efficient Modeling of Extensible Cables and Pulley Systems in Adams[A].In:Europe Adams Conference, London[C], 2002:1-10.

[5] C.L.LIN.Virtual Experimental Design Optimization on Cable-Drive Glass Guidance System[J].International Journal of Reliability,Quality and Safety Engineering,2002,9(4):317-328.

[6] Young-Hoon Kim,Ji-Ho Song, Jun-Hyub Park.An expert system for fatigue life prediction under variable loading[J].Expert Systems with Applications,2009(36):4996-5008.

[7] 贾小凡,张德坤.承载钢丝绳在不同预张力下的弯曲疲劳损伤研究[J].机械工程学报,2011,47(24):31-37.

[8] Alan G. Paton, Neil F. Casey, Joe Fairbairn, William M. Banks. Advances in the fatigue assessment of wire ropes[J].Ocean Engineering,2001(28):4919-5118.

作者简介：郭永明（1989 -），男，江西吉安人，硕士研究生，研究方向为物流工程物流装备和供应链。

基金项目：2011年广西制造系统与先进制造技术重点实验室课题：多轴联动系统综合运动协调控制技术和应用研究（11-031-12S03）

收稿日期：2015-08-24

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1009-0134(2016)01-0075-03