摘要：为了提高工程车辆动力性和燃油经济性，工程车辆变速器多采用多挡位动力换挡，并采用自动变速技术。由于工程车辆工作条件恶劣、工况复杂，在制定换挡策略时，应根据工程车辆的特殊工作条件制定出相应的换挡策略。换挡策略是控制器软件设计基础，换挡时刻的选择直接影响车辆的燃油经济性和动力性。工程车辆自动变速器电控系统一般要实现以下功能：1）挂挡启动保护功能；2）变矩器闭锁功能；3）控制挡位变换功能；4）倒挡警报功能。液控系统要满足换挡过程平稳，换挡冲击小等要求。根据不同的工程机械和整车布局，控制系统要实现的功能亦有所不同。例如装载机换挡频率很高，强制降挡功能是装载机所特有的功能。基本原理是：当装载机以前进Ⅱ挡接近物料时，按下强制降挡按钮，控制系统会执行特有的换挡程序。即变速器自动变成前进Ⅰ挡，以增大动力和减少换挡时间。当装料完成，换挡手柄置于后退挡时，强制降挡功能将自动取消。这就减少了驾驶员在作业过程中的换挡次数，缩短了换挡时间。
关键词：工程车辆；变速器；电液换挡控制；系统研究
引言
工程车辆作业环境复杂恶劣，经常需频繁操纵换挡，作业时传动系统效率往往不高。自动换挡技术在工程车辆上的应用可以改善车辆操纵性，提高作业效率。此外，换挡过程控制技术也影响着车辆平顺性和传动系零部件使用寿命。为此，针对工程车辆变速器电液控制系统的相关研究具有重要的现实意义。
1换挡品质与控制规律
1.1换挡平稳性
对换挡品质的研究有助于制定出更好的平稳换挡策略。工程机械工况复杂，对换挡品质的影响因素很多。主要包括以下几个方面：（1）换挡动作的时序匹配。即由于离合器摩擦元件接合过程不平稳造成的冲击，以Ⅰ挡升入Ⅱ挡为例分析。理论上，要求换挡过程中Ⅰ挡离合器分离的同时Ⅱ挡离合器正好接合，两者动作同时发生，不出现分离与接合时序的重叠或间断。如出现换挡重叠，其效果如同挂上双挡，会产生急剧的转矩扰动而形成换挡冲击；如出现换挡间断，其效果如同挂上了空挡，先导致动力中断，然后接合挂挡，产生换挡冲击。试验表明：即使换挡重叠或间断的时间很短，也会产生冲击。（2）惯性能量所引起的冲击。在换挡过程中，由于惯性换挡瞬间车速基本不变，而发动机转速有较大变化，导致旋转件的惯性能量变化，转换成为转矩扰动给车体，造成较大的换挡冲击。当然，发动机转动惯量越大，换挡冲击也越大。（3）摩擦力矩T的变化。摩擦力矩T=pAμrZ，式中：p为换挡离合器液压缸活塞上的压强；A为油压承压面积；μ为摩擦系数；r为摩擦片平均半径；Z为摩擦副数。由上式可见，转矩依靠摩擦力传递，摩擦力矩取决于摩擦系数和油压，这二者在离合器接合过程中都是变化的。从换挡阀油道接通到离合器主、被动变转速同步，油压的变化反映了传递转矩的变化，油压的波动会产生转矩扰动，形成换挡冲击。动摩擦系数随着滑磨速度的减小而增加，停止打滑时静摩擦系数急剧加大；在离合器接合过程末尾，随着滑转的消失，摩擦力矩出现急剧变化。
1.2离合器充油过程分析
换挡冲击集中表现为变速器输出轴上转矩的扰动；控制离合器液压缸的充油压力，使换挡离合器缓慢平稳地接合，所产生的摩擦力矩平稳地增长，从而达到控制变速器输出轴上转矩扰动的目的。充油开始：换挡开始，快速向离合器液压缸充油并迅速消除油道和离合器液压缸的自由空间。离合器由于分离弹簧的作用处于分离状态，不产生摩擦力矩。初始升压：自由空间充满油后，油压陡然上升，直到油压能够推动离合器液压缸活塞克服回位弹簧的预压力，使其开始移动。由于无流量的变化，时间极短，通常忽略不计。自由行程：液压缸活塞克服回位弹簧的预压力而开始移动，直到消除摩擦片之间的间隙为止，此时摩擦片刚刚开始产生摩擦力矩，这段时间也较短。升压接合：摩擦片产生滑磨。随充油压力升高，摩擦片压紧程度增加，摩擦力矩增加，离合器主、被动边的转速差减小，直到达到同步。该阶段只有充油压力的变化，无流量变化，如不进行控制，升压过程将极其急促，产生转矩冲击，换挡平稳性变差。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆若这段时间过长，又会因为滑磨而导致发热，动力损失增加，一般这段时间控制在0.5~1.5s。充油结束：当离合器的主、被动边转速达到同步，完成接合时，急剧升压不会影响换挡平稳性。此阶段以极短的时间升压，完成整个充油过程。
1.3提高换挡平稳性的方法
常用的换挡缓冲控制方法有如下几种：（1）液压缓冲控制阀。该阀是一种在离合器接合时，可控制油压缓慢升高的电磁控制液压阀。它包括一个节流阀和一个溢流阀，通过调节节流阀孔的开度，即调节节流阀流通面积，来调节流速实现缓冲升压，并可以调节和控制缓冲时间。发动机油门信号以液压信号的形式作用到缓冲调压阀上，油门越大，离合器的接合压力越高，可以传递的转矩越大。液压缓冲控制阀被广泛用于电液换挡控制油路，是一种有效减小换挡冲击，提高换挡品质的控制阀。（2）电液比例压力控制。该阀通过调节输入比例电磁铁的开关电信号占空比实现输出压力值的任意调节，控制离合器平稳接合与分离，并且可构成闭环控制系统，根据需要对所控制的压力进行任意调节，达到最佳的换挡平稳性。但是这种阀的结构和控制方法相对复杂，成本较高。（3）脉宽调制电磁阀压力控制。脉宽调制电磁阀可以实现离合器压力的闭环控制，增强控制能力和控制系统的灵活性。通过控制占空比在0~100％之间变化，控制电磁铁的快速开和关的周期，可得到不同的控制压力。利用这种控制方法，低功耗，长寿命。
2电液控制系统硬件设计
ECU根据油门和车速信号，及换挡手柄的位置，进行挡位选择及换挡控制。液压传动装置作为变速控制系统的执行机构，电磁阀带动换挡阀完成挡位选择，缓冲阀控制换挡过程品质。不同发动机、变速器或车型，以及不同的使用方式和车辆类型，所需控制程序不同，输入和输出点数也不同。有的控制器把缓行模块、诊断模块一起加入到变速器控制器中，控制系统越复杂对控制芯片的性能要求也越高。微控制器是ECU的核心部件，C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SoC），具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置FLASH程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。C8051F单片机具有片内调试电路，通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试，能满足对工程机械实时控制的要求。由于本系统采用高速CPU，指令执行速度快，对换挡电磁阀的控制精确，并且可通过上位机软件对换挡过程的参数（如：电磁阀动作顺序，换挡延时）进行任意设置，提高换挡效率，以达到最优的换挡品质。控制器主要检测挡位选择器的挡位输出信号、油门信号及发动机和变速器转速信号，通过内部的程序按照一定的规则和逻辑实现对换挡阀和闭锁阀的控制。并可通过CAN总线和发动机控制器等控制单元进行通讯。由于一些工程车辆常需要在山区道路等经常需要连续下坡的道路上行驶，对这类工程车辆需要安装减速器。在连续下坡的路况下，系统可实现变速器的过速保护。
结语
本文在以提高工程车辆换挡品质为目的的基础上，分析了产生换挡冲击的原因，并结合两参数换挡规律的特性，完成了工程机械两参数（油门和车速）自动变速器控制系统的硬件和软件设计，并通过了环境和EMC测试，装车后系统稳定性好，换挡冲击小，达到了良好的应用效果。控制系统软件参数配置方便，并可通过串口与上位机通讯，方便软件升级和维护，且具有故障诊断功能。能实现在硬件不变的情况下，通过更改程序参数来提高本控制器在工程车辆中的应用范围。
参考文献
[1]葛安林.车辆自动变速理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1991.
[2]周红全，吴建强，刘更新.装载机电液控制变速系统[J].工程机械，2005（2）：10-12.
[3]陈宁，赵丁选，于徽波.改善动力换挡变速器换挡品质的研究[J].机床与液压，2004（10）：29-31.
[4]赵丁选，陈鹰，宫文斌，等.工程车辆自动变速器的节能换挡规律研究[J].机械工程学报，2004（3）：84-87.
论文作者:雷善植,黄芳妮
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/23
标签：换挡论文; 离合器论文; 车辆论文; 变速器论文; 转矩论文; 油压论文; 控制系统论文; 《基层建设》2019年第4期论文;