履带式推土机电控换挡及智能检测系统研究

（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

1 应用现状

液力机械型推土机的变速箱为行星式变速箱，由五个挡位组成，即五个齿轮排，每个齿轮排代表一个挡位。下图1（a）为某变速箱的结构简图，在离合器不结合时，变速箱不输出动力。在某一离合器结合时，该离合器连接的行星排参与动力传递。如图1（b）所示，为该款变速箱挂前进二挡时的状况，此时，前进挡离合器和二挡离合器被压紧，变速箱按照前进二挡的传动比将发动机输入的动力输出给后一级传动系统。

因此，推土机的换挡操作需要将驾驶员的操作换挡连杆动作转换成压紧对应挡位离合器的动作。

目前在市场中出现履带式推土机的电控式换挡系统中，采用如下电控换挡机构，通过控制器控制比例阀给挡位离合器充油，实现推土机的换挡控制。该技术方案存在以下3 个问题。

1）没有驾驶员操作信息采集 推土机何时进行换挡操作，完全是由驾驶员的操作决定的，因此完整的换挡控制系统必须包含驾驶员操作信息采集的部分。

图1 某推土机变速箱结构

2）没有当前挡位显示 电子手柄进行操纵的时候，手柄本体上并没有相关标示，必须借助别的方式来显示当前车辆的挡位状态。

3）没有压力反馈 在履带式推土机电控换挡过程中，为了进一步换挡冲击，电控比例阀控制的各挡位离合器内的压力按照图2 所示变化。

图2 离合器换挡过渡过程压力变化

其中，在c～d 阶段，为充油开始段，油液充满从阀到离合器油缸体油腔的所有空间，包含各类油道。充满了之后，才能进行后面的压力调节。然而，c～d 阶段究竟需要多长时间在不同转速和负载状态下是不一致的。假设在没有压力反馈的情况下，为了保证c～d 阶段在给定的时间内能充满（通常会根据大量的实验数据确定，该时间要大于实验中最长的时间），则c～d 阶段的时间会留得比较长，导致换挡过渡过程时间过长。而通过引入压力反馈，控制器就能通过压力检测能知道c～d阶段是在什么时候结束的（即d点的位置）。从而尽快启动后面的压力调节过程，缩短换挡过渡过程，压缩换挡时间，提高换挡品质。

2 推土机电控换挡方案详细阐述

本技术方案根据驾驶员的操作实现推土机变速箱的换挡控制以及挡位状态检测的方法进行说明。如图3 所示，图中F、R、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ分别表示推土机变速箱的前进挡离合器、后退挡离合器、三挡离合器、二挡离合器和一挡离合器。

图3 推土机换挡控制与状态检测系统结构图

驾驶员对手柄1 的操作被读入控制器3，控制器确定了当前处于哪个挡位后，将当前挡位信息通过通信线路发送给显示器2，显示器将当前挡位显示给驾驶员。

当控制器检测到驾驶员操作使当前挡位发生变化时，就需要给发生变化的相应挡位的离合器油腔进行充油或泄油。图4 中前进挡、后退挡、三挡、二挡、一挡5 个挡位离合器对应的比例阀分别为4、6、8、10、12；5 个挡位离合器对应的压力传感器分别为5、7、9、11、13，他们的压力接口与离合器油腔接通，下面以从空挡换到前进一挡为例进行详细说明。

当手柄信号显示驾驶员由空挡换到了前进一挡时，控制器驱动前进挡（即图3 中的F）对应的比例阀4 和一挡（即图3 中的Ⅰ）对应的比例阀12 按照图2 所示的压力变化规律将P 口的压力油充入挡位离合器油腔。控制器以压力传感器5和压力传感器13 作为反馈，来确认前进挡和一挡分别完成图3 所示的c～d 段充油过程，然后，控制器控制2 个挡位的压力进入后面的压力变化阶段。

变速箱5 个挡位的压力信息由各自的压力传感器5、7、9、11、13 转换成电信号输入给控制器3。控制器3 将各个挡位的压力数值通过通讯线路传送给显示器2。在维修人员需要检测挡位压力来进行故障排查时，维修人员可以从显示器2上调出压力参数显示界面，实时监控各挡位离合器压力的变化，从而方便故障排查，即时锁定故障原因。

3 方案技术要求及系统搭建

实现本技术方案，各部件具体实施方式如下。

3.1 电气连接

手柄、控制器、显示器、比例阀、压力传感器之间的电气连接关系如图4 所示。

3.2 油路连接

比例阀控制充油的液压结构可以采用如图5结构。

图中4 即为比例阀，作为先导级控制压力的变化。2 为压力传感器作为压力的反馈。2 所安装的压力检测口的位置上，压力油与离合器油腔是相通的。

每个挡位离合器配备一套这样的结构，即可完成本挡位的充油、泄油和压力检测。

图4 系统电气连接图

图5 比例阀与压力传感器的安装位置

4 推土机电控换挡的实际应用效果

推土机电控换挡利用控制器采集驾驶员的换挡操作信息，将换挡操作信息转换成了推土机的变速箱对应离合器的充油、泄油动作，完成了推土机的电控换挡过程。相比机械连杆式换挡操纵，电子手柄的操纵力小，操纵机构连接为电线连接，柔性好，安装和维护方便。

控制器将当前挡位信息通过通信发送给显示器，如图6（a）所示，可以准确地将当前挡位显示给驾驶员。保证驾驶员对推土机的工作状态有准确的把握，保证推土机作业的效率。

在各个挡位离合器上安装的压力传感器可以给控制器提供压力数据。控制器通过压力数据可以精确控制挡位离合器接合的过程，缩短换挡的时间，保证推土机行走的连续性。同时，控制器读取到的压力数据可以通过通信发送给显示器，如图6（b）所示。维修人员在读取挡位压力信息时，可以不用外接压力表的方式读取挡位压力，而是在显示器上调出相关界面就可以直接读取。

图6 显示器显示信息

此外，控制器有了压力数据和当前挡位信息，就可以监控挡位离合器内的压力是否正常，在压力过高过低时，就可以发送故障信息给显示器。驾驶员读到故障信息后，及时停止工作，进行故障排查，可以有效保护推土机、延长推土机的使用寿命使推土机更加智能化。

5 结语

通过将本技术方案成果应用至某履带式推土机上，通过实际推土测试，驾驶员的换挡信号能够实时在显示器上显示，同时换挡冲击相较于机械连杆式的操纵省时省力，舒适性有了很大的提高，同时，各挡位离合器的压力和电流数据也能够实时在显示器上进行显示，驾驶员可实时感知各离合器的数据，在系统出现异常时，便于对系统故障预警和诊断，极大地提升了维修便捷性，通过引入电控换挡系统进一步提升了推土机的智能化水平，为智能化功能的开发奠定了良好基础。