電控變速推土機(jī)控制方法研究

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

目前，推土機(jī)產(chǎn)品中占據(jù)比例最高的液力機(jī)械式推土機(jī)的變速換擋采用的是行星式變速箱，變速箱的換擋通過(guò)油液推動(dòng)活塞壓緊摩擦片來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ擋的結(jié)合。這個(gè)過(guò)程是由駕駛員操作擋位操縱桿，使其置于不同擋位而實(shí)現(xiàn)的。擋位操縱桿是通過(guò)軟軸機(jī)構(gòu)連接到變速閥的搖臂上來(lái)控制變速閥內(nèi)液流的方向從而完成對(duì)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(nèi)擋位離合器的充油過(guò)程則另辟蹊徑。電控變速閥內(nèi)取消了繁雜的液壓機(jī)構(gòu)，取而代之的是比例電磁閥，充油的過(guò)程由比例電信號(hào)進(jìn)行控制。比例信號(hào)的輸出可以受主控制器的程序控制。由此，通過(guò)比例電磁閥向擋位離合器充入油液的過(guò)程就可以由程序來(lái)進(jìn)行控制。程序?qū)Τ溆瓦^(guò)程的控制可以是柔性的，即可以根據(jù)不同的外部負(fù)載工況來(lái)確定不同的充油過(guò)程曲線。在這種控制的作用下，工程技術(shù)人員可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行調(diào)試，確定不同工況下的擋位離合器充油的曲線，從而使產(chǎn)品在大多數(shù)情況下都能夠平穩(wěn)的運(yùn)行，最終提高整機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)，延長(zhǎng)關(guān)鍵傳動(dòng)部件的壽命，提高人機(jī)交互友好性。

1 電控變速換擋功能

1.1 變速箱換擋過(guò)程

推土機(jī)行走時(shí)共分為6 個(gè)擋位，前進(jìn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和后退Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。掛擋時(shí)由前進(jìn)、后退2 個(gè)擋位離合器與Ⅰ擋、Ⅱ擋、Ⅲ擋3 個(gè)擋位離合器配合工作。掛前進(jìn)Ⅰ擋時(shí)，前進(jìn)擋和Ⅰ擋離合器同時(shí)充油，壓緊離合器片。

前進(jìn)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(dòng)比的變換。當(dāng)擋位操縱桿掛在空擋時(shí)，各擋位離合器內(nèi)的油均被泄掉，所有行星齒輪機(jī)構(gòu)處于自由狀態(tài)，從而保證動(dòng)力的切斷。

駕駛員操縱換擋過(guò)程是通過(guò)擋位操縱桿進(jìn)行的。擋位操縱桿是通過(guò)軟軸、搖臂等部件組成的行走操縱機(jī)構(gòu)連接到變速閥總成上的。變速閥通過(guò)改變5 個(gè)擋位的供油和泄油完成擋位的切換。操縱換擋時(shí)，擋位操縱桿的動(dòng)作變換為對(duì)閥芯的拉動(dòng)，使閥芯處于不同的位置，對(duì)不同的擋位離合器充放油。擋位離合器充放油的過(guò)程伴隨著擋位離合器的結(jié)合、脫開過(guò)程。

1.2 電控變速換擋控制結(jié)構(gòu)

五個(gè)擋位離合器的充放油結(jié)構(gòu)一致，故本節(jié)只描述一組擋位離合器的充放油控制結(jié)構(gòu)，其它幾個(gè)擋位完全一致。如圖1 所示，一個(gè)擋位離合器的控制需要一個(gè)比例先導(dǎo)閥和一個(gè)壓力開關(guān)。比例先導(dǎo)閥線圈的兩端均需接入換擋控制器，由換擋控制器驅(qū)動(dòng)。壓力開關(guān)一端搭鐵，另外一端接入換擋控制器，當(dāng)擋位離合器內(nèi)油液充滿后，油液將壓力開關(guān)內(nèi)部的導(dǎo)體壓往一側(cè)，使控制器檢測(cè)端與搭鐵接通，以方便控制判斷擋位離合器內(nèi)的油液是否充滿。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 通過(guò)CAN 總線將發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載百分比等表征工況的參數(shù)發(fā)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(hào)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(hào)的形式發(fā)送給換擋控制器。換擋控制器根據(jù)擋位操作命令決定給五個(gè)電磁閥中的哪兩個(gè)供電。

圖1 單個(gè)擋位電氣控制結(jié)構(gòu)圖

1.3 換擋壓力曲線控制

換擋控制器發(fā)給比例先導(dǎo)閥的信號(hào)驅(qū)動(dòng)比例先導(dǎo)閥的運(yùn)動(dòng)，最終使擋位離合器內(nèi)油壓按照一定的規(guī)律變化，保證離合器中摩擦片和鋼片的結(jié)合快速、平穩(wěn)、沖擊小，最終達(dá)到整車換擋過(guò)程品質(zhì)的提升。

換擋過(guò)程中，按照換擋快速、平穩(wěn)、沖擊小的要求，電磁閥驅(qū)動(dòng)電信號(hào)、擋位離合器內(nèi)的壓力、壓力開關(guān)信號(hào)的變化如下圖2 所示。

圖2 電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)、擋位壓力、壓力開關(guān)信號(hào)關(guān)系圖

圖中的時(shí)間軸是統(tǒng)一的。從圖2 中可以看出以下幾方面內(nèi)容。

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

電信號(hào)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(shí)，電磁閥開度回到一個(gè)較小的開度值，放緩對(duì)擋位離合器的充油，防止離合器突然結(jié)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(shí)間內(nèi)，摩擦片鋼片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(jié)合。

2）在電信號(hào)作用的過(guò)程中，擋位離合器內(nèi)的壓力變化較為平穩(wěn)，在電信號(hào)迅速升到最高值并保持一段時(shí)間的時(shí)候，擋位離合器的油壓沒有激烈的變化。在壓力穩(wěn)步上升的過(guò)程中，擋位離合器內(nèi)的壓力和電信號(hào)的變化幾乎一致。

壓力變化解讀為：剛開始充油的時(shí)候，液流只是充滿擋位離合器，并無(wú)很大的壓力。充滿后壓力開始由慢到快升高，在離合器兩側(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)階段緩慢升高，保證結(jié)合過(guò)程的沖擊??；在離合器兩側(cè)速度接近一致時(shí)迅速升高，迅速結(jié)合，保證結(jié)果過(guò)程的平穩(wěn)。

3）壓力開關(guān)在擋位離合器沒有充滿之前一直處于高電平狀態(tài)。當(dāng)油液充滿時(shí)，壓力開關(guān)將換擋控制器的信號(hào)端與搭鐵短接，壓力開關(guān)信號(hào)位于低電平。

壓力開關(guān)信號(hào)解讀為：擋位離合器內(nèi)油液已經(jīng)充滿，可以開始離合器結(jié)合過(guò)程。

1.4 換擋控制邏輯

控制程序中，手柄的動(dòng)作包含前推、后推、按升擋按鈕、按降擋按鈕四個(gè)動(dòng)作。這四個(gè)動(dòng)作傳給擋位識(shí)別模塊后轉(zhuǎn)換成相關(guān)的擋位信息，例如前進(jìn)Ⅰ擋、后退Ⅲ擋等。轉(zhuǎn)換完的信息再經(jīng)過(guò)解碼，由電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)相應(yīng)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(dòng)作的解析開始，直到最終電磁閥電流的輸出關(guān)系的確定。

圖3 換擋控制程序流程圖

手柄解析動(dòng)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(shí)需要對(duì)所有電磁閥斷電，保證傳動(dòng)系不會(huì)傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。手柄不在中位時(shí)分別對(duì)前進(jìn)、后退和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ擋兩組的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)判斷。某組上一階段狀態(tài)如與手柄當(dāng)前動(dòng)作指令的狀態(tài)不一致，則使相應(yīng)擋位按照壓力曲線進(jìn)行變化并給組內(nèi)其他擋位電磁閥斷電，與當(dāng)前動(dòng)作指令一致的組內(nèi)狀態(tài)維持原來(lái)的狀態(tài)不變化。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)間軸下完成。

實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定某一固定值，分別進(jìn)行前進(jìn)時(shí)Ⅰ擋換Ⅱ擋、前進(jìn)時(shí)Ⅱ擋換Ⅲ擋、前進(jìn)時(shí)Ⅲ擋換Ⅱ擋、前進(jìn)時(shí)Ⅱ擋換Ⅰ擋、后退時(shí)時(shí)Ⅰ擋換Ⅱ擋、后退時(shí)Ⅱ擋換Ⅲ擋、后退時(shí)Ⅲ擋換Ⅱ擋、后退時(shí)Ⅱ擋換Ⅰ擋，這些不同擋位進(jìn)變換時(shí)側(cè)數(shù)據(jù)測(cè)試，同時(shí)左右兩側(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速及調(diào)整電流通過(guò)CAN 總線儀進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，所采集部分對(duì)應(yīng)曲線如圖4 所示。

圖4 實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)圖

3 結(jié)論

電控變速換擋采用油路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的電控變速閥，同時(shí)采集整車工作的相關(guān)參數(shù)，融合到換擋過(guò)程中，根據(jù)需求輸出擋位充放油過(guò)程的壓力曲線，使換擋過(guò)程具有智能化的平滑過(guò)渡性，進(jìn)一步減小換擋沖擊，提升整機(jī)品質(zhì)；同時(shí)所有電磁閥，手柄等相關(guān)信息進(jìn)入控制器，利于故障排查，優(yōu)化整機(jī)性能。