基于动力换挡变速箱换挡控制策略的研究

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摘要：介绍了机械式平地机动力换挡变速箱的技术现状以及一些评价换挡品质的指标，对当前影响动力换挡变速箱换挡品质的典型控制策略进行了理论分析和测试研究，针对典型控制策略中出现的一些常见异常现象，结合测试数据总结了引起异常的原因并提出了解决途径，对提升平地机的换挡品质和设置控制策略具有重要的理论和实践价值。

关键词：机械式平地机；动力换挡变速箱；换挡策略；测试

中图分类号：U415.51文献标志码：B

Abstract： The status quo of power shift technology of gearbox of motor grader and several indices for shifting quality evaluation were introduced，and typical control strategies nowadays which might affect the quality of power shift of gearbox were theoretically analyzed and tested. Solutions to those exceptional situations were proposed combined with the test data，which is helpful to improve the shift quality and set the control strategies.

Key words： motor grader； power shift gearbox； shifting strategy； test

0引言

电控动力换挡变速箱作为机械式平地机最为重要的部件之一，是平地机动力和速度变换的中枢，其换挡品质对平地机的乘坐舒适性及动力传动系统零部件的使用寿命有很大的影响。对负载变化较快而需要频繁换挡的机械式平地机而言，研究变速箱换挡品质及其控制策略显得尤为重要。研究换挡控制策略的目的在于提升换挡品质，减少换挡冲击，使换挡快捷、平稳、无冲击地进行，进而提高车辆的乘坐舒适性和使用寿命[1]。

1动力换挡变速箱的换挡品质评价

1.1换挡时间

换挡时间是能够反映换挡品质的综合性指标，提高换挡品质要求在平顺换挡的基础上，尽量缩短换挡时间。对于传统的工程车辆而言，换挡时间t可以用以下数学表达式来表示

在实际的测试过程中，换挡冲击度可直接用行驶方向上的加速度来代替。

1.3换挡时间与换挡冲击度的关联

对于重载作业的平地机而言，如果换挡时间过长，作业车辆的速度会在瞬间急剧下降，等到换挡完成后，由于车速下降而不再与当前的发动机转速相匹配，将迫使发动机掉速，严重的会使发动机熄火。为了杜绝上述现象，减少离合器滑磨功，提升节能效果，延长摩擦片的使用寿命，就要尽量缩短换挡时间，但这样又会增大换挡冲击度（即换挡过程中有挫车现象），影响乘坐舒适性。所以对换挡品质研究的重点就是兼顾换挡时间和换挡冲击度这对矛盾，采取最优控制策略，以达到在保证车辆作业要求的前提下，满足乘坐舒适性的目的。

图1电控动力换挡变速箱

2换挡控制策略

电控动力换挡变速箱如图1所示，K1～K8为换挡离合器，A～H为对应离合器的控制离合的电磁阀。动力换挡变速箱的换挡过程其实就是参与换挡的电磁阀控制对应的离合器结合或者分离，完成动力从输入轴沿着不同的路线传递到输出轴。

在国内，电控动力换挡变速箱应用还不广泛，对其控制策略的研究不多，已有的研究主要停留在两个方面：换挡控制时间切换点的选择与参与换挡的离合器油压升降的控制方法。对这两个方面的研究主要是由换挡电磁阀的控制信号形式呈开关信号还是脉宽调制电流来区分，由此而产生的换挡控制策略主要有以下几种典型的方案[45]。

2.1开关量控制

早期的电控动力换挡变速箱广泛采用开关量来控制，控制过程相对简单，传感器输入的参数十分有限，所以不能实现对离合器离合过程的控制。因此，无论是卸荷离合器，还是加载离合器，一旦控制器发出指令，电磁阀会迅速地做出动作，要么复位关闭，要么阀芯开口至极限位置，整个过程不受其他条件的影响，换挡时间只跟电磁阀本身的启闭特性相关。卸荷离合器压力快速下降，加载离合器压力快速上升，换挡冲击大，整机行进间的顿挫感很强，严重影响乘坐的舒适性。

这种换挡控制过程实际上就是卸荷离合器分离、加载离合器接合的过程。两者必须配合好，接合过早时，内部传动会干涉滑磨，接合过晚时，动力会中断，这两种情况都会引起传递扭矩波动，所以一般以卸荷离合器电磁阀失电的时刻为参考点，如图2所示。经过一段延时ty后，立即让加载离合器电磁阀得电，即在卸荷离合器还没有完全脱离开的时候，就让加载离合器开始接合，人为缩短换挡时间。整个换挡过程中，在tm时间段内，两个离合器同时工作，变速箱内部会有一个对抗滑磨的过程，因而有一定的动力损失。由于在这个对抗滑磨的过程中，变速箱对外始终保持一定的速度输出，输出速度先按比例减小，再按比例增大，呈“V”字形变化，虽然仍存在一定的冲击，但相对于完全没有使用加载离合器控制信号提前的方法有很大的改善。

上述方法的关键在于确定延时ty的大小，如果ty太小，tm就会增大，变速箱内部对抗滑磨的作用会变得很剧烈，造成动力瞬间损耗，非但解决不了冲击大的问题，而且很可能造成传动件的损毁而发生安全事故；如果ty太大，就达不到加载离合器控制信号提前的作用，对减少冲击没有任何帮助，所以需要经过大量的试验测试，得到一个合适的延时时间。这跟作业负载大小、车辆重量、压力油粘度等多个因素有关系，需综合考虑。

2.2脉宽调制（PWM）电流控制

在换挡过程中，开关量控制无法实现对离合器接合的过程控制，因此，人们利用比例电磁阀，通过脉宽调制电流信号来控制阀的开口度，并将其应用到电控动力换挡变速箱上，如图3所示。

比例电磁阀可以通过控制脉宽调制电流的占空比来控制阀芯所处的位置，进而控制离合器压力按照事前设定的曲线进行下降或上升，以此实现离合器在脱离或接合过程中的离合状态，使换挡过程完全可控。与开关控制方法不同的是，卸荷离合器的压力下降是分阶段进行的，这样保证了在加载离合器未完全接合之前，始终保持一定的速度输出。而加载离合器的控制过程也较开关控制方法有所不同，是把整个换挡过程划分为快速充液、低压保持、接管切换、滑磨接合4个阶段。快速充液和低压保持阶段为接管切换阶段做准备，缩短了压力上升的时间，减少了对抗滑磨的时间，降低了动力损耗，节约了燃油。在后期的滑磨结合过程中，压力缓慢上升，可以降低冲击，提高车辆的舒适性。由于采用了上述控制策略，变速箱输出速度变换十分平缓，整个过程保持相当的动力输出，不存在动力间隙期，整车的顿挫感得到很大改善。

值得注意的是，由于整个过程分为多阶段进行，需要车速、加速度、发动机转速等更多的信号为控制器提供控制参考，且对信号的准确度和及时性要求很高，控制过程较开关控制更复杂。

2.3开关量加PWM复合控制

复合控制的策略是从前面两种控制策略中衍生出来的。开关量控制策略换挡时间短，冲击度大，却牺牲了舒适性；而脉宽调制电流控制方法虽然兼顾了换挡时间和换挡冲击度这对矛盾，但控制过程变得比较复杂，对系统软件和硬件的要求较高，于是一种结合它们二者优势的控制方法便产生了，如图4所示。这种方法对卸载离合器采用开关量控制，可以节省换挡时间；而对加载离合器采用脉宽调制电流控制，因为在整个换挡过程中，被加载的离合器占动力输出的主导地位，所以对换挡过程的后程控制得当，可以最大限度地降低车身的冲击感，改善乘坐的舒适性。

2.4工况识别PWM控制

对于机械式平地机来说，同样的换挡控制压力，对处于不同工况的机器来说，得到的换挡品质是不一样的。为了在脉宽调制电流控制策略的基础上得到更好的换挡舒适性，在换挡时，需要平地机自动识别当前的工况是作业还是空载行驶，根据传感器监测的结果，选择不同的脉宽调制电流控制策略。

如图5所示，e点之前的离合器加载压力曲线相通。采用工况识别加PWM控制策略实际上是在图3所示的脉宽调试电流控制的基础上，导入了工况识别技术，利用两个或两个以上的液压系统压力传感器，通过控制器设定判断程序综合判定平地机是处于行驶状态还是作业状态，然后决定采用图5中虚线或实线所示的换挡离合器压力曲线。空载行驶时采用虚线所示的压力控制曲线，作业时采用实线所示的压力控制曲线。这样采用工况识别的好处在于：在作业状态下，能尽可能保证平地机换挡的舒适程度，而在空载行驶状态下，采用较低的离合控制压力，换挡过程会较图3所示的控制策略柔和一些，换挡冲击会大大减小，使平地机行驶时能得到更好的换挡舒适性。

3测试和分析

某品牌的机械式平地机存在换挡反映迟钝、偶尔有间歇换挡冲击、换挡后掉速等现象，对其进行研究、测试，得到其变速箱的控制信号及压力如图6所示。从图6可以看出，其换挡压力不稳定，压力冲击较大，基于上述现象和疑问，对变速箱进行测试和研究

3.1阀特性测试

在空载工况下，对平地机变速箱换挡控制电磁阀特性进行测试。例如A阀，断开其他电磁阀线路，启动发动机，由实际测量值除以65 536（2的16次方）得到控制PWM电流占空比（CAN总线信号），从0开始每隔1 s增加100，记录其压力变化曲线。

如图7、8所示：控制PWM电流在5 100附近，A阀压力开始增加，阀芯开始动作，在此之前无动作。即A阀初始控制电流脉宽需控制在5 100以上。控制PWM在15 800以后，A阀输出压力与主压力基本持平，阀芯开度达到最大。即A阀最大控制脉宽需控制在15 800以上。考虑到各器件的电气特性会随温度、电阻等因素的变化发生偏移，因此在没有闭环控制的情况下，应将这个最大控制脉宽适当增大，以防止其电阻变大时，电流的实际有效值变小，而使电磁阀阀芯达不到最大开口位置。由曲线可看出A阀输出压力与控制脉宽PWM成正比例直线变化。

除了要详细了解电磁阀输出压力随PWM逐渐增加的变化规律外，其失电特性也是一项重要的参考，它将为实际设置控制策略提供重要的参考点信息。对A阀的失电特性进行测试，了解到A阀断电后压力从最大值28 MPa下降到01 MPa需要06 s，下降到008 MPa需要08 s；而标杆变速箱比例阀从最大值下降到01 MPa只需要021 s，下降到008 MPa只需要025 s，显然A阀的特性跟理想状态存在较大差异，其失电特性不能达到要求。

从以上比例阀的测试中获得的信息是十分宝贵的，不仅可以对照外界提供的参数来验证变速箱的各项参数是否真实，同时也可以参考国内外其他使用这类变速箱的厂商提供的参数。以同样的方法对其他比例阀进行测试，发现其与标杆变速箱的参数相差都很大。通常设置的参数与测试得到的数据的差值，会在控制离合器压力升降曲线、缩短换挡时间、减少换挡冲击方面发挥重要的作用。

除了比例电磁阀外，开关阀的特性也十分重要。对阀E的特性进行研究，在断开其他电磁阀线路的情况下，开始对其通24 V电压，保持10～20 s，再断电，记录其输出的压力变化曲线。

从测试曲线可以得知：从控制阀E得电到输出最大压力的时间为6642 s；从控制阀E失电到阀芯关断（压力下降到018 MPa）的时间为9336 s。而对某标杆平地机变速箱开关阀的测试结果为：从控制阀得电到输出最大压力的时间为0538 s；从控制阀失电到阀芯关断（即压力下降到018 MPa）的时间为028 s，可以判断开关阀完全达不到控制的要求，启闭特性与理想状态相差太大，以同样的方法测试其他开关阀，发现与标杆变速箱的参数也相差很大。在实际的作业换挡应用中，很可能造成平地机先停车再慢慢起步行车。

3.2原因及测试结果分析

从以上的测试结果可以看出，某品牌平地机之所以存在换挡品质差的现象，主要是其变速箱的阀特性与标杆变速箱参数存在较大差异，无论是开关阀还是比例阀，在控制信号基本相当的情况下，其动作都十分迟缓，冲压和泄压时间严重超长，其原因可能有如下几个方面。

（1） 压力油粘度太大，造成油路阻力较大。在选择压力油时应参考厂家说明，结合业界的通用标准选择粘度合适的压力油。

（2） 压力油油污较多，造成阀芯卡滞，迟滞了阀芯的动作。如果条件允许，可以拆下变速箱上的电磁阀，并小心清洗阀芯及内腔；同时，由于变速箱离合器腔内的压力油是不流动的，应该将内腔里的油倒出来，然后用专用清洗剂洗涤离合器内腔。

（3） 电磁阀电气特性较差。随着温度的上升，电阻发生漂移，而控制器为开环控制，不能根据电阻漂移调整调制电流的占空比或调高通断电压以弥补温度上升造成的损失，所以在实际的测试过程中，为了得到控制电流的大小，一般都会在控制线路中串联一个采样电阻，此采样电阻应越小越好。

（4） 电磁阀材质问题造成阀芯容易被自身的线圈磁化，造成电磁阀大量剩磁。当电磁阀得电后，其实际动作量较理论动作量小，可以采用拔插电磁阀线圈的方式来检验其是否被磁化。在正常工作的状态下，如果拔掉线圈，其压力下降迅速，压降时间在允许范围内，说明不存在磁化现象。

（5） 电磁阀复位弹簧失效，压紧力不足，造成复位时间延长。可以拆下电磁阀，检验其弹性系数是否正常。

（6） 回油线路堵塞，造成离合器背压。

（7） 温度传感器工作失常。一般来说，温度不同时，换挡品质会有差异，所以应确保变速箱上的温度传感器工作正常，正确反馈内部温度，控制器能及时做出温差补偿。

为了彻底解决上述问题，在对变速箱核心部件进行清洗、维护和更换的基础上，参照不同工况下的标杆变速箱换挡控制参数，修改了某品牌平地机变速箱的换挡控制程序。最终进行测试，发现其换挡压力均能达到指定压力，各挡位行驶速度稳定且能达到设计要求，换挡时间基本与标杆相同，换挡冲击感大大减弱，作业时基本不掉速，更改控制程序后的换挡控制压力曲线如图9所示。

图9修改控制程序后加减速过程的各阀压力曲线

4结语

电控动力换挡变速箱作为机械式平地机的核心部件之一，换挡控制策略设定及程序控制是关键问题。只有经过长时间、多工况的试验研究，在不同环境条件下进行大量的实地测试，获得大量的数据进而建立详细的控制数据库，在此基础上设计出合理的控制策略，以及建立实时的反馈控制系统，才能使平地机的换挡品质有大幅度的提升。

参考文献：

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