履帶式推土機電控換擋及智能檢測系統研究

（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

1 應用現狀

液力機械型推土機的變速箱為行星式變速箱，由五個擋位組成，即五個齒輪排，每個齒輪排代表一個擋位。下圖1（a）為某變速箱的結構簡圖，在離合器不結合時，變速箱不輸出動力。在某一離合器結合時，該離合器連接的行星排參與動力傳遞。如圖1（b）所示，為該款變速箱掛前進二擋時的狀況，此時，前進擋離合器和二擋離合器被壓緊，變速箱按照前進二擋的傳動比將發動機輸入的動力輸出給后一級傳動系統。

因此，推土機的換擋操作需要將駕駛員的操作換擋連桿動作轉換成壓緊對應擋位離合器的動作。

目前在市場中出現履帶式推土機的電控式換擋系統中，采用如下電控換擋機構，通過控制器控制比例閥給擋位離合器充油，實現推土機的換擋控制。該技術方案存在以下3 個問題。

1）沒有駕駛員操作信息采集 推土機何時進行換擋操作，完全是由駕駛員的操作決定的，因此完整的換擋控制系統必須包含駕駛員操作信息采集的部分。

圖1 某推土機變速箱結構

2）沒有當前擋位顯示 電子手柄進行操縱的時候，手柄本體上并沒有相關標示，必須借助別的方式來顯示當前車輛的擋位狀態。

3）沒有壓力反饋 在履帶式推土機電控換擋過程中，為了進一步換擋沖擊，電控比例閥控制的各擋位離合器內的壓力按照圖2 所示變化。

圖2 離合器換擋過渡過程壓力變化

其中，在c～d 階段，為充油開始段，油液充滿從閥到離合器油缸體油腔的所有空間，包含各類油道。充滿了之后，才能進行后面的壓力調節。然而，c～d 階段究竟需要多長時間在不同轉速和負載狀態下是不一致的。假設在沒有壓力反饋的情況下，為了保證c～d 階段在給定的時間內能充滿（通常會根據大量的實驗數據確定，該時間要大于實驗中最長的時間），則c～d 階段的時間會留得比較長，導致換擋過渡過程時間過長。而通過引入壓力反饋，控制器就能通過壓力檢測能知道c～d階段是在什么時候結束的（即d點的位置）。從而盡快啟動后面的壓力調節過程，縮短換擋過渡過程，壓縮換擋時間，提高換擋品質。

2 推土機電控換擋方案詳細闡述

本技術方案根據駕駛員的操作實現推土機變速箱的換擋控制以及擋位狀態檢測的方法進行說明。如圖3 所示，圖中F、R、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ分別表示推土機變速箱的前進擋離合器、后退擋離合器、三擋離合器、二擋離合器和一擋離合器。

圖3 推土機換擋控制與狀態檢測系統結構圖

駕駛員對手柄1 的操作被讀入控制器3，控制器確定了當前處于哪個擋位后，將當前擋位信息通過通信線路發送給顯示器2，顯示器將當前擋位顯示給駕駛員。

當控制器檢測到駕駛員操作使當前擋位發生變化時，就需要給發生變化的相應擋位的離合器油腔進行充油或泄油。圖4 中前進擋、后退擋、三擋、二擋、一擋5 個擋位離合器對應的比例閥分別為4、6、8、10、12；5 個擋位離合器對應的壓力傳感器分別為5、7、9、11、13，他們的壓力接口與離合器油腔接通，下面以從空擋換到前進一擋為例進行詳細說明。

當手柄信號顯示駕駛員由空擋換到了前進一擋時，控制器驅動前進擋（即圖3 中的F）對應的比例閥4 和一擋（即圖3 中的Ⅰ）對應的比例閥12 按照圖2 所示的壓力變化規律將P 口的壓力油充入擋位離合器油腔。控制器以壓力傳感器5和壓力傳感器13 作為反饋，來確認前進擋和一擋分別完成圖3 所示的c～d 段充油過程，然后，控制器控制2 個擋位的壓力進入后面的壓力變化階段。

變速箱5 個擋位的壓力信息由各自的壓力傳感器5、7、9、11、13 轉換成電信號輸入給控制器3。控制器3 將各個擋位的壓力數值通過通訊線路傳送給顯示器2。在維修人員需要檢測擋位壓力來進行故障排查時，維修人員可以從顯示器2上調出壓力參數顯示界面，實時監控各擋位離合器壓力的變化，從而方便故障排查，即時鎖定故障原因。

3 方案技術要求及系統搭建

實現本技術方案，各部件具體實施方式如下。

3.1 電氣連接

手柄、控制器、顯示器、比例閥、壓力傳感器之間的電氣連接關系如圖4 所示。

3.2 油路連接

比例閥控制充油的液壓結構可以采用如圖5結構。

圖中4 即為比例閥，作為先導級控制壓力的變化。2 為壓力傳感器作為壓力的反饋。2 所安裝的壓力檢測口的位置上，壓力油與離合器油腔是相通的。

每個擋位離合器配備一套這樣的結構，即可完成本擋位的充油、泄油和壓力檢測。

圖4 系統電氣連接圖

圖5 比例閥與壓力傳感器的安裝位置

4 推土機電控換擋的實際應用效果

推土機電控換擋利用控制器采集駕駛員的換擋操作信息，將換擋操作信息轉換成了推土機的變速箱對應離合器的充油、泄油動作，完成了推土機的電控換擋過程。相比機械連桿式換擋操縱，電子手柄的操縱力小，操縱機構連接為電線連接，柔性好，安裝和維護方便。

控制器將當前擋位信息通過通信發送給顯示器，如圖6（a）所示，可以準確地將當前擋位顯示給駕駛員。保證駕駛員對推土機的工作狀態有準確的把握，保證推土機作業的效率。

在各個擋位離合器上安裝的壓力傳感器可以給控制器提供壓力數據。控制器通過壓力數據可以精確控制擋位離合器接合的過程，縮短換擋的時間，保證推土機行走的連續性。同時，控制器讀取到的壓力數據可以通過通信發送給顯示器，如圖6（b）所示。維修人員在讀取擋位壓力信息時，可以不用外接壓力表的方式讀取擋位壓力，而是在顯示器上調出相關界面就可以直接讀取。

圖6 顯示器顯示信息

此外，控制器有了壓力數據和當前擋位信息，就可以監控擋位離合器內的壓力是否正常，在壓力過高過低時，就可以發送故障信息給顯示器。駕駛員讀到故障信息后，及時停止工作，進行故障排查，可以有效保護推土機、延長推土機的使用壽命使推土機更加智能化。

5 結語

通過將本技術方案成果應用至某履帶式推土機上，通過實際推土測試，駕駛員的換擋信號能夠實時在顯示器上顯示，同時換擋沖擊相較于機械連桿式的操縱省時省力，舒適性有了很大的提高，同時，各擋位離合器的壓力和電流數據也能夠實時在顯示器上進行顯示，駕駛員可實時感知各離合器的數據，在系統出現異常時，便于對系統故障預警和診斷，極大地提升了維修便捷性，通過引入電控換擋系統進一步提升了推土機的智能化水平，為智能化功能的開發奠定了良好基礎。