電控變速推土機控制方法研究

（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

目前，推土機產品中占據比例最高的液力機械式推土機的變速換擋采用的是行星式變速箱，變速箱的換擋通過油液推動活塞壓緊摩擦片來實現前進、后退和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ擋的結合。這個過程是由駕駛員操作擋位操縱桿，使其置于不同擋位而實現的。擋位操縱桿是通過軟軸機構連接到變速閥的搖臂上來控制變速閥內液流的方向從而完成對不同擋位充油的控制。

采用電控變速閥的新型電控變速箱內擋位離合器的充油過程則另辟蹊徑。電控變速閥內取消了繁雜的液壓機構，取而代之的是比例電磁閥，充油的過程由比例電信號進行控制。比例信號的輸出可以受主控制器的程序控制。由此，通過比例電磁閥向擋位離合器充入油液的過程就可以由程序來進行控制。程序對充油過程的控制可以是柔性的，即可以根據不同的外部負載工況來確定不同的充油過程曲線。在這種控制的作用下，工程技術人員可以在現場實際進行調試，確定不同工況下的擋位離合器充油的曲線，從而使產品在大多數情況下都能夠平穩的運行，最終提高整機的運行品質，延長關鍵傳動部件的壽命，提高人機交互友好性。

1 電控變速換擋功能

1.1 變速箱換擋過程

推土機行走時共分為6 個擋位，前進Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和后退Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。掛擋時由前進、后退2 個擋位離合器與Ⅰ擋、Ⅱ擋、Ⅲ擋3 個擋位離合器配合工作。掛前進Ⅰ擋時，前進擋和Ⅰ擋離合器同時充油，壓緊離合器片。

前進擋和后退擋離合器完成方向的選擇，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ擋離合器完成傳動比的變換。當擋位操縱桿掛在空擋時，各擋位離合器內的油均被泄掉，所有行星齒輪機構處于自由狀態，從而保證動力的切斷。

駕駛員操縱換擋過程是通過擋位操縱桿進行的。擋位操縱桿是通過軟軸、搖臂等部件組成的行走操縱機構連接到變速閥總成上的。變速閥通過改變5 個擋位的供油和泄油完成擋位的切換。操縱換擋時，擋位操縱桿的動作變換為對閥芯的拉動，使閥芯處于不同的位置，對不同的擋位離合器充放油。擋位離合器充放油的過程伴隨著擋位離合器的結合、脫開過程。

1.2 電控變速換擋控制結構

五個擋位離合器的充放油結構一致，故本節只描述一組擋位離合器的充放油控制結構，其它幾個擋位完全一致。如圖1 所示，一個擋位離合器的控制需要一個比例先導閥和一個壓力開關。比例先導閥線圈的兩端均需接入換擋控制器，由換擋控制器驅動。壓力開關一端搭鐵，另外一端接入換擋控制器，當擋位離合器內油液充滿后，油液將壓力開關內部的導體壓往一側，使控制器檢測端與搭鐵接通，以方便控制判斷擋位離合器內的油液是否充滿。另外，發動機ECU 通過CAN 總線將發動機的運轉情況，如發動機轉速，發動機負載百分比等表征工況的參數發送給擋位控制器。擋位控制器綜合以上所有信息確定輸出電信號的形式。最后，行走手柄將駕駛員的擋位的操作命令以CAN 總線信號的形式發送給換擋控制器。換擋控制器根據擋位操作命令決定給五個電磁閥中的哪兩個供電。

圖1 單個擋位電氣控制結構圖

1.3 換擋壓力曲線控制

換擋控制器發給比例先導閥的信號驅動比例先導閥的運動，最終使擋位離合器內油壓按照一定的規律變化，保證離合器中摩擦片和鋼片的結合快速、平穩、沖擊小，最終達到整車換擋過程品質的提升。

換擋過程中，按照換擋快速、平穩、沖擊小的要求，電磁閥驅動電信號、擋位離合器內的壓力、壓力開關信號的變化如下圖2 所示。

圖2 電磁閥驅動信號、擋位壓力、壓力開關信號關系圖

圖中的時間軸是統一的。從圖2 中可以看出以下幾方面內容。

1）電信號在接通的一瞬間迅速升到最高值，然后迅速降落到一個較小的值并維持很短的時間，然后按照一段斜率較小的曲線升高一段時間，再按照一段斜率較大的曲線升高一段時間，最終達到壓力維持在輸入值壓力值的狀態。

電信號的控制解讀為：在充油的初期，需將電磁閥完全打開，使油液盡快充滿擋位離合器。充到一定程度時，電磁閥開度回到一個較小的開度值，放緩對擋位離合器的充油，防止離合器突然結合。油液充滿離合器后，先按照較小的壓力升高速率壓緊摩擦片，這段時間內，摩擦片鋼片的相對運動逐漸減小，摩擦開始。最后，油壓按照壓力身高速率增大，迅速壓緊摩擦片，離合器結合。

2）在電信號作用的過程中，擋位離合器內的壓力變化較為平穩，在電信號迅速升到最高值并保持一段時間的時候，擋位離合器的油壓沒有激烈的變化。在壓力穩步上升的過程中，擋位離合器內的壓力和電信號的變化幾乎一致。

壓力變化解讀為：剛開始充油的時候，液流只是充滿擋位離合器，并無很大的壓力。充滿后壓力開始由慢到快升高，在離合器兩側相對運動階段緩慢升高，保證結合過程的沖擊小；在離合器兩側速度接近一致時迅速升高，迅速結合，保證結果過程的平穩。

3）壓力開關在擋位離合器沒有充滿之前一直處于高電平狀態。當油液充滿時，壓力開關將換擋控制器的信號端與搭鐵短接，壓力開關信號位于低電平。

壓力開關信號解讀為：擋位離合器內油液已經充滿，可以開始離合器結合過程。

1.4 換擋控制邏輯

控制程序中，手柄的動作包含前推、后推、按升擋按鈕、按降擋按鈕四個動作。這四個動作傳給擋位識別模塊后轉換成相關的擋位信息，例如前進Ⅰ擋、后退Ⅲ擋等。轉換完的信息再經過解碼，由電磁閥驅動模塊驅動相應擋位的充油電磁閥按照一定的曲線充油。

換擋控制程序的控制流程圖如圖3 所示。從手柄輸入動作的解析開始，直到最終電磁閥電流的輸出關系的確定。

圖3 換擋控制程序流程圖

手柄解析動作完成以后，需要首先判斷手柄是否在中位。手柄在中位意味著目前的指令是空擋，此時需要對所有電磁閥斷電，保證傳動系不會傳遞發動機的動力。手柄不在中位時分別對前進、后退和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ擋兩組的狀態進行檢測判斷。某組上一階段狀態如與手柄當前動作指令的狀態不一致，則使相應擋位按照壓力曲線進行變化并給組內其他擋位電磁閥斷電，與當前動作指令一致的組內狀態維持原來的狀態不變化。

2 試驗驗證

本實驗采用電控變速換擋控制變速閥，將壓力采集器接入擋位壓力，將電流采集器接入擋位比例電磁閥，通過不斷變換擋位，記錄各擋位壓力及電流曲線，并將所有曲線變化在同一時間軸下完成。

實驗時發動機轉速設定某一固定值，分別進行前進時Ⅰ擋換Ⅱ擋、前進時Ⅱ擋換Ⅲ擋、前進時Ⅲ擋換Ⅱ擋、前進時Ⅱ擋換Ⅰ擋、后退時時Ⅰ擋換Ⅱ擋、后退時Ⅱ擋換Ⅲ擋、后退時Ⅲ擋換Ⅱ擋、后退時Ⅱ擋換Ⅰ擋，這些不同擋位進變換時側數據測試，同時左右兩側馬達轉速及調整電流通過CAN 總線儀進行實時采集，所采集部分對應曲線如圖4 所示。

圖4 實時采集數據圖

3 結論

電控變速換擋采用油路結構相對簡單的電控變速閥，同時采集整車工作的相關參數，融合到換擋過程中，根據需求輸出擋位充放油過程的壓力曲線，使換擋過程具有智能化的平滑過渡性，進一步減小換擋沖擊，提升整機品質；同時所有電磁閥，手柄等相關信息進入控制器，利于故障排查，優化整機性能。