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原作者:同济大学 王康 黄宗益 詹永红   出处:

【论文摘要】装载机操纵复杂，换挡频繁，因此，装载机变速器采用电操纵和微机控制是将来发展的必然趋势，本文主要以川崎装载机为例，介绍自动变速器自动换挡控制和换挡品质控制的特点，同时指出目前技术上存在的问题。

1 概述

      目前，装载机变速器的换挡操纵系统存在以下两大问题：

    （1）换挡的频繁性

      装载机是循环作业机械，每小时换挡次数近千次，平均3.6s一次，换挡操纵非常频繁，司机劳动强度大。在作业过程中，不仅要控制行走，还要操纵工作装置，频繁的换挡操纵分散了司机的注意力，影响了生产率，增加了行走了不安全因素。

    （2）换挡的平稳性

      装载朵存在换挡冲击问题，特别是有些国产装载机液压系统无平稳结合阀或平稳结合阀性能不好嵬挡冲击很大。有些国内工厂曾反映，向国外出口的装载机，由于国外司朵追求生产效率，经常在行进中换挡，换挡离合器起了制动器的作用，此时离合器负荷更大，因此常出现离合器烧坏现象，而国外装载机由于平稳结合阀设计时考虑了这种工况，很少出现这种损坏情况。

2 自动换挡控制

     为了减轻司机的劳动强度，简化换挡操作近年来装载机换挡操纵系统经常采取以下措施。

     2.1 采用电操纵

     所谓电操纵就是在装载机换挡操纵油路系统中，采用电磁换挡阀代替液压换挡阀，或电磁阀作为先导阀来控制液压换挡阀进行换挡。人通过电气开关来操纵电磁阀进行换挡，因此操纵力可由30N降到6N，操纵行程从70mm降到40mm左右。为了简化操作，电操纵杆一般安装在方向盘上，司机手可以不离开方向盘进行换挡操作。

      另外，还采用DSS开关（Down Shift Switch,Kick Dwon Swtich或称增力开关）来进行换挡，该开关安装在工作装置操作手柄上，当装载机以Ⅱ挡前进接近料堆时，按下DSS开关，变速器自动换成Ⅰ搂插入料堆时，装料结束后换挡杆换至后退杆位，变速器自动回复后退Ⅱ挡。对循环作业的装载机来说，这种换挡方式是需要的，它降低了司机的劳动强度，提高了劳动生产率。

     变速器电操纵为微机控制自动换挡作好了准备。

      2.2 电子控制自动换挡

     80年代初期，VOLVO装载机变速器首次采用电子控制自动换挡，但是目前，国外主要装载机厂家在新开发的装载朵上，都采用了微机控制的自动换挡变速器。下面以川崎90ZⅢ、97ZⅢ和115ZⅢ装载机电子控制自动换挡系统为例进行说明。

      2.2.1 基本组成

     图1是川崎装载机自动变速器电子控制系统简图，它由输入，输出和控制器三部分组成。

     输入部分：发动机转速、车速、换挡操纵杆位置、增力开关和停车开关等。

     输出部分：六个换挡电磁阀，开头型和比例型电子调压阀，自动制动电磁阀、后退灯继电器、中位继电器以及监控显示警报器等。

      控制器是一个带16KB ROM和2KB RAM的8位微处理机，它可根据换挡杆位置和检测了的发动机转速和车速为确定变速器该挂何挡位，然后向换挡电磁阀发出电信号，实现挡位的自动变换。

       2.2.2 换挡操纵模式

     在方向盘上的换挡操纵杆有两种运动：

     换向运动：有前进，后退和中位三个位置。

     改变换挡模式运动：通过换挡操纵杆的旋转来实现，有四个杆位，如表1所示。

      前进位置的四个杆分别F1、F2，慢前和快前。F1—变速器Ⅰ挡工作；F2—变速器Ⅱ挡工作；慢前—变速器在Ⅰ挡和Ⅱ挡之间自动变速；快前—变速器在Ⅰ挡和Ⅳ挡之间自动变速。

     后退位置的四个杆位分别R1、R2，慢退和快退。R1—变速器在后退Ⅰ挡工作；R2和慢退—变速器在后退Ⅱ挡工作；快退—变速器在后退Ⅱ挡和Ⅲ挡之间自动变速。

      另外，可通过变速器控制器内部的选择开关全部转换为人工挡。

     Ⅰ、Ⅱ挡用于短距离手动换挡挖掘装载作业和下陡坡发动机制动时用；慢前用于短距离自动换挡挖掘装载作业；快前用于长距离行走和长距离自动换挡挖掘装载机作业。

     应该说明，各个装载机厂家自动换挡变速器的换挡模式是不同的，例如，卡特，小松和TCM都有自己独特的换挡模式。这里，我们不探讨换挡模式的合理性，仅举例说明。

     2.2.3 换挡规律线图

     一般车辆常以车速和油门开度作为换挡参数来进行自动换挡。川崎97ZⅢ等装载机考虑到装载机常在油门全开的情况下工作，油门开度往往是固定的，因此它以发动机转速和车速作为换挡参数来确定变速器挡位。由发动机转速和车速可知变矩器工况，换挡规律按发挥最佳牵引力（动力性）来确定挡位。图2a是川畸装载机变速器全车速（快前换挡模式）自动换挡规律线图，图2b是作业时（慢前换挡模式）自动换挡规律线图。

    装载机进行循环作业，在铲取碎石等物实时需采用Ⅰ挡，其它情况一般都采用Ⅱ挡。确定换挡规律线图时，考虑到每次起步，停车和换向时，不要产生Ⅰ挡和Ⅱ挡之间不必要的换挡，因此，如图2所法，将Ⅱ—Ⅰ降挡线提高，在发动要转速低时，有能从Ⅱ降Ⅰ挡，只有当装载机插入料堆，发动机转速高而车速低时，即需要高牵引力时才从Ⅱ挡降至Ⅰ挡，一般情况下维持在Ⅱ挡行驶。

    2.2.4 控制器其他功能

    变速器控制器除实现自动换挡控制外，一般还具有其它辅助功能，例如：

   （1）当换挡操纵杆在快前杆位、装载机以Ⅲ挡以上车速（约20km/h)行驶进，如果在前进和后退之间换向时，仅通过结合元件起制动作用，负荷过重，将造成元件损坏。此时，控制器发出电信号给制动电磁阀，行走制动器起作用。车速降至10km/h左右，方向离合器才接合，车速降至2km/h左右，行走制动器才解除，如图3所示，这样降低了变速器结合元件负荷，实现安全，快速的前后接转换，换挡操纵杆在其他位置，自动制动不起作用。

   （2）超速制动控制

    挂低挡或下坡，车速过高时，变速器各部件有可能超过容许转速，这时控制器发出电信号，行走制动器起作用，使车速降至安全范围内，保护变速器以避免损坏，同时发出警报，如图4所示。

   （3）停车制动控制

   停车制动控制目的是防止停车制动器滑磨损坏。停车制动开关在“ON”位（停车制动器制动），控制器发出电信号，方向电磁阀处于断电状态，方向结合元件不能接合，变速器处于空挡位置。这时操纵换挡不起作用，装载机不能行走，同时警报器报警，提醒司机注意。

   当行车制动系统出现故障（漏气或漏油），停车制动器自动起作用。

   （4）中位制动控制

   为防止换挡操纵杆挂挡位置，启动发动机时车辆可能走动造成意外事故，通过控制器控制，使得换挡操纵杆如不在空挡位置，发动机无法启动。

   （5）后退警报控制

    车辆后退时，通过控制器控制，后退灯亮，警报器响。

3 换挡品质控制

    变速器换挡时，为了使挡迅速，平稳冲击小，防止传动系统的动载，改善乘坐舒适性，降低起步换挡过程结合元件的热负荷，需要通过微机进行换挡品质控制。

    换挡冲击一般表现为输出轴的扭矩波动，而输邮轴扭矩波动与结合元件油压大小和变化过程有关，因此对结合元件油压进行控制可改善换挡过程品质。

    换挡开始时，结合元件充油切断初期，希望充油迅速：消除离合器磨擦片间隙后，由于液压系统刚率较大，油压瞬时会升高很快，此时希望有一段合适的油压上升时间和合适的油压上升规律，下面以川崎97ZⅢ自动变速器换挡结合元件油压操纵系统为例加以说明。

    川崎97ZⅢ自动变速器调压系统由溢流阀，调压阀1和调压阀2等组成，其结构和原理如图5a、b所示。

    调压阀1是比例电磁阀。加在比例电磁阀上的电流对阀杆产生向下的电磁力F（电磁力和电流大小成正比），作用阀杆下部的油压对阀杆产生向上的液压力f,通过电磁力和液压力的平衡来控制P口油压，此油压作用在溢流阀右侧，它决定了液压泵至近挡离合器的油压。

    调压阀2是开关型电磁阀，阀杆有两个位置。断电时，阀杆有弱簧力作用下处于右端，液压泵压力油直通离合器；通电时，阀杆处于左位，液压泵压务油经过0.6MPa单向阀去离合器，与此同时，离合器油通过φ1mm节流孔回油箱。 

    图6是空挡至前进Ⅰ挡离合器接合过程右各阀动作的油压变化情况。

   （1）初期充油t₁：

    换挡初期，为了让压力油迅速充满离合器液压缸，电液比例阀输入高电流，溢流阀控制压力高，这样充油压力高，充油时间短。由于各离合器液压缸活塞腔容积（包括油道）不同，离合器初期充油时间t₁也不同，可通过微机进行控制。

   （2）低压保持t₂：

    压力油充满离合器液压缸后，为了防止初期充油结束后产生峰值压力，加在电液比例阀上的电流降至最低值，开关型电增阀同时通电，离合器油压保持在最低值，开关型电磁阀同进通电，离合器油压保持在最低值，约0.5—0.6MPa。低压保持时间长短与发动机转速有关，这也通过微机来控制。

   （3）调压段t₃：

    在t₃段，加在电液比例阀上电流逐渐上升，离合器液压缸油压逐渐增大，离合器平稳接合，升压所需时间随离合器而变，可由微机控制。

   （4）高压保持t₄：

    在t₄段，换挡结束后，加在电液阀上的电流达最大值，此时离合器主动和从动部分已完全接合，传递补扭矩可满足机器工作要求。但为了防止换挡结速 进产生尖峰载荷，造成换挡冲击，使开关电磁阀继续通电并保持一段时间，离合器液压缸油压比溢流阀控制的最大油压稍低。

   为了保证离合器在传递补扭矩过程中有一定的扭矩储备，防止遇到突发载荷时离合器打滑，t₄段后，将开关型电磁阀断电，离合器液压缸油压升至溢流阀控制最大压力。

4 结语

    装载机变速器采用微机控制是未来的发展方向。它不仅能根据各种工况对换挡点进行精确控制，实现挡位的自动变换，减轻司机负担，提高作业效率。而且能针对每一具体换挡情况对结合元件油压精确控制，使换挡灵敏，冲击减小。但目前的微机控制一般均采用又参数（发动机转速和车速）控制，还未考虑根据油门开度，现场情况，司机愿望等来改变自动换挡特性，这将有待于变速器控制系统进一步的向智能化发展。

    现在电子控制自动换挡变速器在国外忆比较普遍，卡特，小松等厂家的产品都有自已独特的性能，这里介绍的川崎装载机变速器是80年代后期产品，性能不一定最好，但其中的设计思想会对国愉装载机生产厂家有些帮助。