电控变速推土机控制方法研究

2020-12-30

建筑机械化 2020年12期

（山推工程机械股份有限公司，山东济宁 272073）

目前，推土机产品中占据比例最高的液力机械式推土机的变速换挡采用的是行星式变速箱，变速箱的换挡通过油液推动活塞压紧摩擦片来实现前进、后退和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ挡的结合。这个过程是由驾驶员操作挡位操纵杆，使其置于不同挡位而实现的。挡位操纵杆是通过软轴机构连接到变速阀的摇臂上来控制变速阀内液流的方向从而完成对不同挡位充油的控制。

采用电控变速阀的新型电控变速箱内挡位离合器的充油过程则另辟蹊径。电控变速阀内取消了繁杂的液压机构，取而代之的是比例电磁阀，充油的过程由比例电信号进行控制。比例信号的输出可以受主控制器的程序控制。由此，通过比例电磁阀向挡位离合器充入油液的过程就可以由程序来进行控制。程序对充油过程的控制可以是柔性的，即可以根据不同的外部负载工况来确定不同的充油过程曲线。在这种控制的作用下，工程技术人员可以在现场实际进行调试，确定不同工况下的挡位离合器充油的曲线，从而使产品在大多数情况下都能够平稳的运行，最终提高整机的运行品质，延长关键传动部件的寿命，提高人机交互友好性。

1 电控变速换挡功能

1.1 变速箱换挡过程

推土机行走时共分为6 个挡位，前进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和后退Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。挂挡时由前进、后退2 个挡位离合器与Ⅰ挡、Ⅱ挡、Ⅲ挡3 个挡位离合器配合工作。挂前进Ⅰ挡时，前进挡和Ⅰ挡离合器同时充油，压紧离合器片。

前进挡和后退挡离合器完成方向的选择，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ挡离合器完成传动比的变换。当挡位操纵杆挂在空挡时，各挡位离合器内的油均被泄掉，所有行星齿轮机构处于自由状态，从而保证动力的切断。

驾驶员操纵换挡过程是通过挡位操纵杆进行的。挡位操纵杆是通过软轴、摇臂等部件组成的行走操纵机构连接到变速阀总成上的。变速阀通过改变5 个挡位的供油和泄油完成挡位的切换。操纵换挡时，挡位操纵杆的动作变换为对阀芯的拉动，使阀芯处于不同的位置，对不同的挡位离合器充放油。挡位离合器充放油的过程伴随着挡位离合器的结合、脱开过程。

1.2 电控变速换挡控制结构

五个挡位离合器的充放油结构一致，故本节只描述一组挡位离合器的充放油控制结构，其它几个挡位完全一致。如图1 所示，一个挡位离合器的控制需要一个比例先导阀和一个压力开关。比例先导阀线圈的两端均需接入换挡控制器，由换挡控制器驱动。压力开关一端搭铁，另外一端接入换挡控制器，当挡位离合器内油液充满后，油液将压力开关内部的导体压往一侧，使控制器检测端与搭铁接通，以方便控制判断挡位离合器内的油液是否充满。另外，发动机ECU 通过CAN 总线将发动机的运转情况，如发动机转速，发动机负载百分比等表征工况的参数发送给挡位控制器。挡位控制器综合以上所有信息确定输出电信号的形式。最后，行走手柄将驾驶员的挡位的操作命令以CAN 总线信号的形式发送给换挡控制器。换挡控制器根据挡位操作命令决定给五个电磁阀中的哪两个供电。

图1 单个挡位电气控制结构图

1.3 换挡压力曲线控制

换挡控制器发给比例先导阀的信号驱动比例先导阀的运动，最终使挡位离合器内油压按照一定的规律变化，保证离合器中摩擦片和钢片的结合快速、平稳、冲击小，最终达到整车换挡过程品质的提升。

换挡过程中，按照换挡快速、平稳、冲击小的要求，电磁阀驱动电信号、挡位离合器内的压力、压力开关信号的变化如下图2 所示。

图2 电磁阀驱动信号、挡位压力、压力开关信号关系图

图中的时间轴是统一的。从图2 中可以看出以下几方面内容。

1）电信号在接通的一瞬间迅速升到最高值，然后迅速降落到一个较小的值并维持很短的时间，然后按照一段斜率较小的曲线升高一段时间，再按照一段斜率较大的曲线升高一段时间，最终达到压力维持在输入值压力值的状态。

电信号的控制解读为：在充油的初期，需将电磁阀完全打开，使油液尽快充满挡位离合器。充到一定程度时，电磁阀开度回到一个较小的开度值，放缓对挡位离合器的充油，防止离合器突然结合。油液充满离合器后，先按照较小的压力升高速率压紧摩擦片，这段时间内，摩擦片钢片的相对运动逐渐减小，摩擦开始。最后，油压按照压力身高速率增大，迅速压紧摩擦片，离合器结合。

2）在电信号作用的过程中，挡位离合器内的压力变化较为平稳，在电信号迅速升到最高值并保持一段时间的时候，挡位离合器的油压没有激烈的变化。在压力稳步上升的过程中，挡位离合器内的压力和电信号的变化几乎一致。

压力变化解读为：刚开始充油的时候，液流只是充满挡位离合器，并无很大的压力。充满后压力开始由慢到快升高，在离合器两侧相对运动阶段缓慢升高，保证结合过程的冲击小；在离合器两侧速度接近一致时迅速升高，迅速结合，保证结果过程的平稳。

3）压力开关在挡位离合器没有充满之前一直处于高电平状态。当油液充满时，压力开关将换挡控制器的信号端与搭铁短接，压力开关信号位于低电平。

压力开关信号解读为：挡位离合器内油液已经充满，可以开始离合器结合过程。

1.4 换挡控制逻辑

控制程序中，手柄的动作包含前推、后推、按升挡按钮、按降挡按钮四个动作。这四个动作传给挡位识别模块后转换成相关的挡位信息，例如前进Ⅰ挡、后退Ⅲ挡等。转换完的信息再经过解码，由电磁阀驱动模块驱动相应挡位的充油电磁阀按照一定的曲线充油。

换挡控制程序的控制流程图如图3 所示。从手柄输入动作的解析开始，直到最终电磁阀电流的输出关系的确定。

图3 换挡控制程序流程图

手柄解析动作完成以后，需要首先判断手柄是否在中位。手柄在中位意味着目前的指令是空挡，此时需要对所有电磁阀断电，保证传动系不会传递发动机的动力。手柄不在中位时分别对前进、后退和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ挡两组的状态进行检测判断。某组上一阶段状态如与手柄当前动作指令的状态不一致，则使相应挡位按照压力曲线进行变化并给组内其他挡位电磁阀断电，与当前动作指令一致的组内状态维持原来的状态不变化。

2 试验验证

本实验采用电控变速换挡控制变速阀，将压力采集器接入挡位压力，将电流采集器接入挡位比例电磁阀，通过不断变换挡位，记录各挡位压力及电流曲线，并将所有曲线变化在同一时间轴下完成。

实验时发动机转速设定某一固定值，分别进行前进时Ⅰ挡换Ⅱ挡、前进时Ⅱ挡换Ⅲ挡、前进时Ⅲ挡换Ⅱ挡、前进时Ⅱ挡换Ⅰ挡、后退时时Ⅰ挡换Ⅱ挡、后退时Ⅱ挡换Ⅲ挡、后退时Ⅲ挡换Ⅱ挡、后退时Ⅱ挡换Ⅰ挡，这些不同挡位进变换时侧数据测试，同时左右两侧马达转速及调整电流通过CAN 总线仪进行实时采集，所采集部分对应曲线如图4 所示。