某抢险救援工程机械挡位预设系统设计及实现_赵裕聪.pdf

14工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修0 引言塔某抢险救援工程机械是一种应急救援工程机械设备，可实现救援现场的清理、推土、牵引等功能。其作业工况恶劣，行驶状况复杂，且换挡频繁，要求机动性能强，工作效率高。该产品装配一台前 6 后 2 型手自一体 AT（Automatic Transmission）变速箱，在满足机动性的同时，可根据不同的行驶状况选择不同的行驶挡位。考虑其设置的挡位数量，选用传统直线式或王字型机械换挡手柄则机械设计复杂，体积加大，不利于空间布置和后续车型的扩展1-2。而选用 ZF（采埃孚）的电子换挡手柄，则可很好解决空间布置与挡位数量及后续扩展之间的矛盾。为更好的实现驾驶员的换挡意图和驾驶体验，本文对基于 ZF 电子换挡手柄的挡位预设功能进行了详细设计，并通过实车测试进行验证。1 总体设计某抢险救援工程机械挡位预设系统结构示意图如图 1所示，其由 TCU（Transmission Control Unit）模块、影响挡位设置的模式开关、制动等整机信号模块、ZF 电子换挡手柄、车载显示器、变速箱本体上的挡位离合器和方向离合器等组成3。其中，TCU 模块主要用于完成 ZF 电子换挡手柄及模式开关、制动等整机信号的采集，并根据挡位预设策略计算当前的预设挡位，实时发送挡位信号。车载显示主要用于完成变速箱预设挡位的显示，用于提示驾驶员。变速箱本体可根据 TCU 端口信号，结合对应的挡位离合器和方向离合器，完成预设挡位的结合。ZF 电子换挡手柄有 F、N、R 三个位置，每个位置都可左（“-”）右（“+”）扳动，且可以自动复位，可通过此信号完成加减挡操作。2 关键设计2.1 挡位预设策略整体执行流程该产品装配的为手自一体变速箱，可通过模式开关信号设置变速箱的工作模式，为充分考虑驾驶员的驾驶意图，需要针对手动和自动模式分别设计变速箱的挡位预设策略。挡位预设策略整体执行流程图如图 2 所示。整车上电后，软件初始化，挡位默认进入 N 挡。挡位预设策略开始执行，先通过整机信号（模式开关信号、制动信号、限位信号、车速、故障信号等）判断整机的工作模式是否处于手动模式，若满足则直接进入手动模式挡位预设处理模块；否则进入自动模式挡位预设处理模块。不同整机模式下的挡位预设完成后，预设挡位发送给车载显示器显示，用于提示驾驶员是否与驾驶员设置相同。若此时检测到换挡手柄仍处于 N 挡，则等待驾驶员下一步某抢险救援工程机械挡位预设系统设计及实现赵裕聪（江苏汇智高端工程机械创新中心有限公司，江苏徐州 221004）摘要：针对传统直线式或王字型机械换挡手柄机械设计复杂、体积大，不利于抢险救援工程机械驾驶室空间布置和后续车型的扩展，同时机械手柄也无法支持挡位智能控制等问题。选用 ZF（采埃孚）的电子换挡手柄，在解决车辆驾驶室空间布置的同时，可满足车辆挡位数量及后续车型扩展的问题。针对此手柄操作方式提出了一种挡位预设的方法和系统，可在手自动不同模式下，更好的满足驾驶员需求。通过实车安装测试验证可知：此挡位预设系统降低了对操作手柄硬件需求，操作灵活，在变速箱的不同操作模式下，都能很好的反映驾驶员挡位需求。关键词：工程机械；挡位预设；手自动模式；实车测试车载显示器整机信号ZF电子换挡手柄变速箱挡位离合器方向离合器模式开关信号制动信号挡位预设策略TCU图1 某抢险救援工程机械挡位预设系统结构示意图CM&M 2023.0115操作指令；否则进入正常换挡程序，根据预设挡位结合对应的挡位和方向离合器。2.2 手动模式预设挡位设计变速箱进入手动模式后，在 N 挡下驾驶员操作换挡手柄进行加挡或减挡，可进行预设挡位，预设的挡位为车辆的起步挡位。通过设置不同的起步挡位，可在提升车辆工作效率同时，更好的反映驾驶员的驾驶意图4。手动模式预设挡位控制流程图如图 3 所示。整车进入手动模式后，则可进行手动模式下的挡位预设操作。首先进行换挡手柄位置的判断，若手柄不处于N挡，则整机按照上次下电时记忆的预设挡位或上次预设挡位进行起步换挡，并进入正常的手动换挡控制程序，响应前进或后退位置的手柄加减挡操作；否则，进行是否检测到手柄加减挡信号判断。手柄处于 N 挡时，当检测到加挡信号手柄往右扳动（“+”）时，预设挡位在原来起步挡位的基础上加 1 挡，最大可增加到 Gear Of Mmax；当检测到减挡信号手柄往左扳动（“+”）时，预设挡位在原来起步挡位的基础上减 1 挡，最小可减小到 1 挡。实时监控手柄位置，若手柄仍处于 N 挡，则可继续手动模式下的预设挡位操作；若手柄不处于 N 挡，则进入正常的手动换挡操作，按预设挡位进行起步换挡。2.3 自动模式预设挡位设计变速箱进入自动模式后，在 N 挡下驾驶员操作换挡手柄进行加挡或减挡，也可进行预设挡位。预设的挡位为车辆在自动模式下最大的行驶挡位，通过设置不同的最大行驶挡位，可在提升车辆机动性能同时，更好的保证行驶的安全性5。自动模式预设挡位控制流程图如图 4 所示。整车进入自动模式后，则可进行自动模式下的挡位预设操作。首先进行换挡手柄位置的判断，若手柄不处于N挡，则整机按照默认最大挡位 Gear Of Mmax 或上次预设的最大挡位进行自动换挡；否则，进行是否检测到手柄加减挡信号判断；手柄处于 N 挡时，当检测到加挡信号手柄往右扳动（“+”）时，自动行驶的最大挡位在原来预设挡位的基础上加 1 挡，最大可增加到 Gear Of Mmax；当检测到减挡信号手柄往左扳动（“+”）时，自动行驶的最大挡位在在原来预设挡位的基础上减 1 挡，最小可减小到 1 挡。实时监控手柄位置，若手柄仍处于 N 挡，则可继续自动模式下的预设挡位操作；若手柄不处于 N 挡，则进入正常的自动换挡操作，按预设的最大行驶挡位进行自动换挡。在自动行驶过程中，实时监测手柄位置，若手柄未回N 挡，也可响应手柄加减挡信号。同样当检测到加挡信号时，自动行驶的最大挡位在原来预设挡位的基础上加 1 挡，最大可增加到 Gear Of Mmax；当检测到减挡信号时，自动行驶的最大挡位在在原来预设挡位的基础上减 1 挡，最小可减小到 1 挡。在自动行驶过程中，若手柄回 N 挡，整机再次自动行驶时，整机按上次预设的最大挡位进行换挡，直到下次检测到手柄加减挡信号才对整机最大行驶挡位进行调整。图3 手动模式预设挡位控制流程图4 自动模式预设挡位控制流程图图2 挡位预设策略整体执行流程图16工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修3 实车测试验证按照上述设计，对某抢险救援车在手动和自动模式下的预设挡位系统进行实车测试，并借用 DEWE-43 型采集设备对车辆的请求挡位和方向，实际挡位与方向，输出转速等信息进行采集，来验证整个挡位预设系统设计的合理性。手动模式下，手柄处于 N 挡时，手柄加挡 2 次后手柄切换到 F 时的实车测试曲线如图 5 所示。由图 5 可知：手柄处于 N 挡时，当前的挡位为 0（空挡），经过加挡操作后请求方向和挡位为 2，手柄执行 F 挡操作后，实际挡位和方向为 2，输出转速有数值，车辆处于行驶状态，符合设计要求。手动模式下，手柄处于 N 挡时，手柄加挡 3 次后手柄切换到 F 时的实车测试曲线如图 6 所示。由图 6 可知：手柄处于 N 挡时，当前的挡位为 0（空挡），经过加挡操作后请求方向和挡位为 3，手柄执行 F 挡操作后，实际挡位和方向为 3，输出转速有数值，车辆处于行驶状态，符合设计要求。自动模式下，手柄处于 N 挡时，调整手柄设置最大的行驶挡位为 5，在行驶过程中，手柄加挡到 6 挡，实车的测试曲线如图 7 所示：由图 7 可知：手柄处于 N 挡时，设置自动模式最大行驶挡位为 5 挡，更改油门踏板开度，车辆最大行驶挡位仍为 5 挡；此时操作手柄加挡，最大行驶挡位提高到 6 挡，更改油门踏板开度，车辆的最大行驶挡位提高到 6 挡，符合设计要求。4 结论本文选用 ZF（采埃孚）的电子换挡手柄，在解决抢险救援工程机械驾驶室空间因传统直线式或王字型机械换挡手柄体积大布局不合理的同时，可满足车辆挡位数量及后续车型扩展的问题。针对此手柄操作方式提出了一种挡位预设的方法和系统，实车测试验证表明：此挡位预设系统降低了对操作手柄硬件需求，操作灵活，在变速箱的不同操作模式下，都能很好的反映驾驶员操作意图。参考文献1 陈振文,何晓妮,范汉茂,等.基于自动变速器的线控换挡控制 器的开发 J.机电工程,2018,35(1):110-114.2 史文欣,韩嘉骅.一种通用型挡位操纵机构的结构创新设计 J.机汽车零部件,2016(2):29-32.3 王涛卫,渠笑纳,陈莉,等.履带式推土机电控换挡及智能检测 系统研究 J.建筑机械化,2020(12):82-84.4 季小燕,孔彦军,王涛卫.电控变速推土机控制方法研究 J.建 筑机械化,2020(12):73-75.5 于燕玲,宗望远.工程车辆自动换挡规律与控制策略研究 J.机 械设计与制造,2021(10):284-287,294.图5 手动模式F2起步实车测试曲线图 7 自动模式实车测试曲线a 自动模式自动换挡实车测试曲线b 自动模式F4-F5实车测试放大曲线C 自动模式手柄加挡后实车测试曲线图6 手动模式F3起步实车测试曲线记录仪记录仪记录仪记录仪记录仪请求方向和挡位请求方向和挡位请求方向和挡位请求方向和挡位请求方向和挡位实际方向和挡位实际方向和挡位实际方向和挡位实际方向和挡位实际方向和挡位输出轴转速/（r/min）输出轴转速/（r/min）输出轴转速/（r/min）输出轴转速/（r/min）输出轴转速/（r/min）