CN112555398B - 一种用于直线换挡结构的自动换挡装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于直线换挡结构的自动换挡装置与方法，属于农机装备及自动控制领域。本发明针对目前国内农业机械无法完成电控自动换挡问题，采用控制器实时智能检测实际挡位和意图控制挡位实现挡位切换，进而利用位移传感器和力传感器构成双闭环故障自检装置检测实际挡位位置并完成意图控制挡位位置锁止，实现故障自检的精确换挡。本发明具有体积小、构成简单，稳定性和实时性好以及安全性和自动换挡成功率高等特点，并对直线换挡结构具有良好的通用性。

Description

一种用于直线换挡结构的自动换挡装置与方法
技术领域
本发明涉及农机装备及自动控制领域，特别是一种用于直线换挡结构的自动换挡装置与方法。
背景技术
近年来国家对农业机械智能化的发展提出了更高的要求，农业劳动力匮乏以及缺乏熟练的农机手，农民对农业机械智能化的需求逐步增加，其中国内拖拉机均采用手动换挡，驾驶操作复杂易出错；为了缩小与国外先进产品差距，提高智能化和现代化水平，众多专家学者开展了相关设计研究，取得了突破性进展。但目前农业机械的自动换挡装置技术仍存在不足：
(1)农业机械换挡结构形式多样，一般常见的有：“王字”挡、“工字”挡、“一字”挡和复杂挡位，在国内目前技术水平和农业经济发展水平现状下均无法实现原机身自动智能换挡，需要后加装机械结构实现自动换挡，针对于后加装自动换挡装置，已有适用于“王字”挡、“工字”挡和复杂挡位的机械结构，但其结构复杂，对于“一字”挡的实用性和实际价值有限；
(2)对于农业机械后加装自动换挡装置，通常采用电动推杆或者电机作为驱动部件，控制挡杆运动换挡，由于换挡过程中存在机械结构配合，会有运动阻力产生，可能导致电动推杆或者电机出现超调现象，导致换挡失败，因此在设计机械结构时需要考虑添加位置锁止机构，抑制电动推杆或者电机发生超调现象；
(3)自动换挡过程中会出现换挡故障现象，进而导致挡位换挡不到位或者超调情况发生，造成换挡失败，影响农业机械正常作业性能，因此需要对换挡故障进行检测排查并及时处理。
近年来在国家大力发展农机无人驾驶的支持下，后加装农业机械自动换挡装置越来越多地受到人们关注，中国专利(CN108895157A)利用双电动推杆设计了一种轮式拖拉机自动换挡通用装置，实现了稳定精确换挡，具有通用性，但是其换挡装置复杂且不具备位置锁止机构，会出现位置超调导致换挡失败，不适用简单形式换挡装置；中国专利(CN110822076A)利用力传感器进行故障自检处理方法复杂冗余。因此，对于直线换挡形式的机构需要实现结构简单、性能稳定、响应迅速和控制精准的自动换挡装置设计。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于直线换挡结构的自动换挡装置与方法，实现快速精准控制。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种用于直线换挡结构的自动换挡装置，包括自动换挡装置、农机变速箱换挡拨杆和农机变速箱，自动换挡装置底端与农机变速箱换挡拨杆连接，农机变速箱换挡拨杆安装在农机变速箱顶端；
所述自动换挡装置包括壳体和挡杆，挡杆由L形杆部和垂直于L形杆部水平段的竖直杆部构成，L形杆部穿过壳体侧面，竖直杆部穿过壳体底端；竖直杆部顶端且背向L形杆部竖直段处连接卡口挡片固联弯杆，卡口挡片固联弯杆末端固定卡口挡片，竖直杆部下端依次与电压式自复位位移传感器和力传感器的顶端固联，力传感器末端与直流电动推杆顶端固连，电压式自复位位移传感器和直流电动推杆的尾端均与固连载壳体上的安装固联板连接；卡口挡片固联弯杆与L形杆部竖直段之间设有实际挡位触发记录板，实际挡位触发记录板与固定在壳体内部顶端的行程开关配合；
所述壳体上设有实际挡位指示灯和意图控制挡位指示灯；
所述壳体内部固定有推拉式电磁离合器固定板，推拉式电磁离合器固定板上固定有4个推拉式电磁离合器。
上述技术方案中，所述4个推拉式电磁离合器依次为：低速挡限位推拉式电磁离合器、中速挡减挡限位推拉式电磁离合器、中速挡加档限位推拉式电磁离合器和高速挡限位推拉式电磁离合器。
上述技术方案中，所述实际挡位指示灯设置3个，分别为低速挡实际挡位指示灯、中速挡实际挡位指示灯和高速挡实际挡位指示灯。
上述技术方案中，所述意图控制挡位指示灯设置3个，分别为低速挡位指示灯、中速挡位指示灯和高速挡位指示灯。
上述技术方案中，所述行程开关包括低速挡行程开关、中速挡行程开关和高速挡行程开关。
上述技术方案中，所述行程开关的中心轴线与实际挡位触发记录板的中心轴线位于同一水平面。
上述技术方案中，所述卡口挡片水平中心轴线位置两边各设有一个半圆缺口，两半圆缺口与推拉式电磁离合器的芯杆中心轴线位于同一水平面。
上述技术方案中，所述行程开关与控制器连接，所述控制器与模拟量扩展模块、多路继电器模组、三档位旋转开关和远程无线遥控器连接，所述多路继电器模组与直流电动推杆、实际挡位指示灯、意图控制挡位指示灯和推拉式电磁离合器连接，所述模拟量扩展模块与力传感器和位移传感器进行信号传输。
一种自动换挡控制方法，包括如下步骤：
步骤(1)，控制器接收远程无线遥控器的作业模式开关量控制指令，手动作业模式按下，进入步骤(2)；无人驾驶作业模式按键按下，进入步骤(7)；
步骤(2)，当三档位旋转开关或远程无线遥控器的意图控制挡位按键被触发，同时实际挡位触发记录板触发行程开关，控制器接收开关量指令，将意图控制挡位数值和实际挡位数值相减获得加减挡位控制寄存器D300数值，所述加减挡位控制寄存器D300数值等于-2或-1或0或1或2；
步骤(3)，当所述D300数值＝-2时，高速挡限位推拉式电磁离合器得电，芯杆伸出；当所述D300数值＝-1时，中速挡加档限位推拉式电磁离合器得电，芯杆伸出；当所述D300数值＝1时，中速挡减挡限位推拉式电磁离合器得电，芯杆伸出；当所述D300数值＝2时，低速挡限位推拉式电磁离合器得电，芯杆伸出；
步骤(4)，当所述D300数值＜0时，控制器判定为加挡，进入步骤(5)，直流电动推杆伸长，同时控制器定时器T1启动定时；当所述D300数值＞0时，控制器判定降挡，进入步骤(5’)，直流电动推杆缩回，同时控制器定时器T2启动定时；
步骤(5)，定时器T1定时时间到，控制器检测电压式自复位位移传感器和力传感器的信号，当力传感器输出信号大于设定阈值同时电压式自复位位移传感器信号与对应挡位预赋值一致，则表明换挡成功无故障，返回步骤(4)继续执行检测，否则表明换挡失败，加挡存在故障，直流电动推杆缩回，返回步骤(1)，直至无加挡故障，进入步骤(6)；
步骤(5’)，定时器T2定时时间到，控制器检测电压式自复位位移传感器和力传感器的信号，当力传感器输出信号小于设定阈值同时电压式自复位位移传感器信号与对应挡位预赋值一致，则表明换挡成功无故障，返回步骤(4)继续执行检测，否则表明换挡失败，减挡存在故障，直流电动推杆伸长，返回步骤(1)，直至无减挡故障，进入步骤(6)；
步骤(6)，当所述D300数值＝0时，控制器判定自动换挡完成，直流电动推杆失电停止伸长或缩回，低速挡限位推拉式电磁离合器或中速挡减挡限位推拉式电磁离合器或中速挡加档限位推拉式电磁离合器或高速挡限位推拉式电磁离合器失电，芯杆缩回，控制换挡指令结束，返回步骤(1)继续执行检测；
步骤(7)，控制器执行无人驾驶作业，控制器判断直线作业模式还是换行转弯作业模式，如果是直线作业模式，进入步骤(8)，如果是换行转弯作业模式，进入步骤(9)；
步骤(8)，直线作业模式利用中速挡作业，控制器向意图控制挡位寄存器D100赋值常数2，控制器进行挡位自检，按顺序步骤(2)-(4)、步骤(5)或(5’)、步骤(6)，直至换挡完成，控制换挡指令结束，返回步骤(1)继续执行检测；
步骤(9)，换行转弯作业模式利用低速挡作业，控制器向意图控制挡位寄存器D100赋值常数1，控制器进行挡位自检，按顺序步骤(2)-(4)、步骤(5)或(5’)、步骤(6)，直至换挡完成，控制换挡指令结束，返回步骤(1)继续执行检测。
进一步，所述三档位旋转开关或远程无线遥控器的意图控制挡位按键具体为：三档位旋转开关实现“人在机上”一键按钮触发换挡，远程无线遥控器实现“人在机上”一键按钮触发换挡、“人离机”远程遥控换挡和无人驾驶作业自动切换挡的无缝互锁控制以及“人离机”远程遥控换挡。
更进一步，所述“人在机上”一键按钮触发换挡是指驾驶员在驾驶位通过三档位旋转开关或远程无线遥控器实现一键触发控制换挡，所述“人离机”远程遥控换挡是指驾驶员在远程通过远程无线遥控器实现一键触发控制换挡，所述无人驾驶作业自动切换挡是指驾驶员在远程通过远程无线遥控器实现一键触发启动自动导航换挡模式。
本发明的有益效果为：本发明基于直线换挡结构的自动换挡装置包括挡杆和行程开关，行程开关包括低速挡行程开关、中速挡行程开关和高速挡行程开关，挡杆上的实际挡位触发记录板与固定在壳体顶端的行程开关配合使用，记录“低、中、高”的实时挡位情况；行程开关、三档位旋转开关和远程无线遥控器均与控制器连接，控制器还与多路继电器模组连接，多路继电器模组与直流电动推杆和推拉式电磁离合器连接，本发明通过三档位旋转开关/远程无线遥控器和行程开关触发检测记录意图控制挡位和实际挡位，控制直流电动推杆和推拉式电磁离合器动作，实现“人在机上”一键按钮触发换挡、“人离机”远程遥控换挡和无人驾驶作业自主切换挡以及自动换挡故障自检处理；本发明操作方便、响应迅速、控制精准，稳定性、实时性和通用性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例子或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需使用的附图做简单的介绍。
图1为本发明所述自动换挡装置整体装配示意图；
图2为本发明所述自动换挡装置结构示意图；
图3为本发明所述自动换挡挡杆结构示意图；
图4为本发明所述实际挡位记录触发机构结构示意图；
图5为本发明所述卡口挡片结构示意图；
图6为本发明所述卡口挡片安装结构示意图；
图7为本发明所述位置锁止机构结构示意图；
图8为本发明所述换挡控制机构和故障自检装置示意图；
图9为本发明所述自动换挡电控系统硬件架构图；
图10为本发明所述自动换挡控制方法流程图；
图中：1.自动换挡装置，2.农机变速箱换挡拨杆，3.农机变速箱，4.挡杆，4-1.实际挡位触发记录板，4-2.卡口挡片固联弯杆，4-3.位移传感器安装孔，4-4.直流电动推杆安装孔，5.实际挡位指示灯，6.行程开关，6-1.低速挡行程开关，6-2.中速挡行程开关，6-3.高速挡行程开关，7.电压式自复位位移传感器，8.力传感器，9.直流电动推杆，10.推拉式电磁离合器固定板，11.推拉式电磁离合器，11-1.低速挡限位推拉式电磁离合器，11-2.中速挡减挡限位推拉式电磁离合器，11-3.中速挡加档限位推拉式电磁离合器，11-4.高速挡限位推拉式电磁离合器，12.意图控制挡位指示灯，13.卡口挡片安装孔，14.卡口挡片，15.卡口挡片安装位置，16.位移传感器和直流电动推杆安装固联板，17.控制器，18.车载电源，19.三档位旋转开关，20.远程无线遥控器，21.模拟量扩展模块，22.多路继电器模组。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明用于直线换挡结构的自动换挡装置由自动换挡装置1、农机变速箱换挡拨杆2和农机变速箱3组成，自动换挡装置1底端与农机变速箱换挡拨杆2连接，农机变速箱换挡拨杆2安装在农机变速箱3顶端；自动换挡装置1由原机身挡杆4进行改造并在空间周围安装有关零部件构成。如图1、图2、图5和图8所示，自动换挡装置1由侧面敞开的壳体、挡杆4、实际挡位指示灯5、行程开关6、电压式自复位位移传感器7、力传感器8、直流电动推杆9、推拉式电磁离合器固定板10、推拉式电磁离合器11、意图控制挡位指示灯12、卡口挡片14与安装固联板16组成，实际挡位指示灯5和意图控制挡位指示灯12均设置在壳体顶端，推拉式电磁离合器固定板10固定在壳体中部，推拉式电磁离合器固定板10位于挡杆4水平段上部，且推拉式电磁离合器固定板10上固定有4个推拉式电磁离合器11，依次为：低速挡限位推拉式电磁离合器11-1、中速挡减挡限位推拉式电磁离合器11-2、中速挡加档限位推拉式电磁离合器11-3、高速挡限位推拉式电磁离合器11-4。实际挡位指示灯5设置3个，分别为低速挡实际挡位指示灯、中速挡实际挡位指示灯和高速挡实际挡位指示灯；意图控制挡位指示灯12设置3个，分别为低速挡位指示灯、中速挡位指示灯和高速挡位指示灯。
如图3所示，挡杆4上设有实际挡位触发记录板4-1、卡口挡片固联弯杆4-2、位移传感器安装孔4-3和直流电动推杆安装孔4-4，挡杆4由L形杆部和垂直于L形杆部水平段的竖直杆部构成，竖直杆部顶端且背向L形杆部竖直段处连接卡口挡片固联弯杆4-2，卡口挡片固联弯杆4-2末端设有卡口挡片安装孔13，竖直杆部下端依次设有位移传感器安装孔4-3和直流电动推杆安装孔4-4，卡口挡片固联弯杆4-2与L形杆部竖直段之间设有实际挡位触发记录板4-1；挡杆4的L形杆部穿过壳体侧面，竖直杆部穿过壳体底端，实际挡位触发记录板4-1、卡口挡片固联弯杆4-2、位移传感器安装孔4-3和直流电动推杆安装孔4-4均位于壳体内部；实际挡位触发记录板4-1与固定在壳体顶端的行程开关6配合使用，记录“低、中、高”的实时挡位情况，卡口挡片固联弯杆4-2作为卡口挡片14的固定安装件，位移传感器安装孔4-3、直流电动推杆安装孔4-4分别与电压式自复位位移传感器7和直流电动推杆9的顶端通过螺栓和螺母固联，实现挡杆4的实际位移测量和控制挡杆4的自动换挡；力传感器8固定在直流电动推杆9和直流电动推杆安装孔4-4之间。
如图4所示，实际挡位记录触发机构包括挡杆4、实际挡位触发记录板4-1、低速挡行程开关6-1、中速挡行程开关6-2和高速挡行程开关6-3。
如图1、图2和图4所示，实际挡位记录触发机构工作流程如下：
(1)根据工作机具挡位的具体位置，装配低速挡行程开关6-1、中速挡行程开关6-2和高速挡行程开关6-3，行程开关6-1、6-2和6-3的中心轴线与实际挡位触发记录板4-1的纵向中心轴线在同一水平面；
(2)当实际挡位触发记录板4-1与任意一个行程开关处于同一纵向中心轴线位置，行程开关6导通，触发控制器17检测信号，控制器17记录此时的实时挡位，向控制器17的实际挡位记录寄存器D200中赋值常数，当低速挡行程开关6-1被实际挡位触发记录板4-1触发，控制器17向实际挡位记录寄存器D200中赋值常数1，当中速挡行程开关6-2被实际挡位触发记录板4-1触发，控制器17向实际挡位记录寄存器D200中赋值常数2，当高速挡行程开关6-3被实际挡位触发记录板4-1触发，控制器17向实际挡位记录寄存器D200中赋值常数3，控制器17的实际挡位记录寄存器D200中数值自保持，仅当下一次行程开关6被实际挡位触发记录板4-1触发，重新进行赋值。
如图5和图6所示，卡口挡片14是一块矩形薄铁块，卡口挡片14水平中心轴线位置两边各具有一个半圆缺口，两半圆缺口相对卡口挡片14纵向中心轴线对称，卡口挡片14纵向中心轴线上设有两个定位安装孔，分别与卡口挡片安装孔13位置对应(图6中的卡口挡片安装位置15)，实现固联，两半圆缺口与推拉式电磁离合器11的芯杆中心轴线在同一水平面上；对应推拉式电磁离合器11在控制器17的控制下通电导通，内部自动芯杆弹出；卡口挡片14随挡杆4同步运动，与对应的推拉式电磁离合器11内部芯杆配合，实现精确位置控制。
如图5、图6和图7所示，位置锁止机构包括卡口挡片固联弯杆4-2、推拉式电磁离合器固定板10、低速挡限位推拉式电磁离合器11-1、中速挡减挡限位推拉式电磁离合器11-2、中速挡加档限位推拉式电磁离合器11-3、高速挡限位推拉式电磁离合器11-4和卡口挡片14。
如图7所示，位置锁止机构的工作流程如下：
(1)电控系统的三档位旋转开关19或远程无线遥控器20向控制器17发送挡位开关量控制指令，将意图控制挡位数值赋值于控制器17的意图控制挡位寄存器D100，当检测意图控制挡位为低速挡，控制器17向意图控制挡位寄存器D100赋值常数1，当检测意图控制挡位为中速挡，控制器17向意图控制挡位寄存器D100赋值常数2，当检测意图控制挡位为高速挡，控制器17向意图控制挡位寄存器D100赋值常数3，行程开关6由实际挡位触发记录板4-1触发，控制器17用于记录对应的实际挡位数值，并将数值赋值于控制器17实际挡位记录寄存器D200；
(2)控制器17将意图控制挡位寄存器D100和实际挡位记录寄存器D200的数值相减，并赋值于控制器加减挡位控制寄存器D300，加减挡位控制寄存器D300获得数值为常数“-2、-1、0、1、2”，当加减挡位控制寄存器D300数值等于-2时，高速挡限位推拉式电磁离合器11-4通电芯杆伸出，当加减挡位控制寄存器D300数值等于-1时，中速挡加档限位推拉式电磁离合器11-3通电芯杆伸出，当加减挡位控制寄存器D300数值等于1时，中速挡减挡限位推拉式电磁离合器11-2通电芯杆伸出，当加减挡位控制寄存器D300数值等于2时，低速挡限位推拉式电磁离合器11-1通电芯杆伸出，当加减挡位控制寄存器D300数值等于0时，低速挡限位推拉式电磁离合器11-1、中速挡减挡限位推拉式电磁离合器11-2、中速挡加档限位推拉式电磁离合器11-3或高速挡限位推拉式电磁离合器11-4断电芯杆缩回；
(3)直流电动推杆9伸出或缩回，卡口挡片14与对应推拉式电磁离合器11配合使用，实现位置锁止，有效避免直流电动推杆9出现超调现象，实现精确的挡位自动切换控制。
如图8所示，换挡控制机构和故障自检装置包括电压式自复位位移传感器7、力传感器8、直流电动推杆9和直流电动推杆安装固联板16，电压式自复位位移传感器7的底部和直流电动推杆9的底部均与直流电动推杆安装固联板16连接，直流电动推杆安装固联板16与壳体固连，电压式自复位位移传感器7和直流电动推杆9的中心轴线位于安装固联板16纵向中心轴线上；电压式自复位位移传感器7顶端通过螺栓与挡杆4的位移传感器安装孔4-3固联，直流电动推杆9通过螺栓与力传感器8底端固联，力传感器8顶端通过螺栓与挡杆4的直流电动推杆安装孔4-4固联，实现挡杆4的位置控制，完成自动换挡；故障自检通过电压式自复位位移传感器7和力传感器8进行判定，通过在控制器17内部设定的阈值进行比对，确定是否发生换挡故障。
如图9所示，自动换挡电控系统硬件架构包括：控制执行系统和故障自检系统，故障自检系统包括模拟量扩展模块21、力传感器8和位移传感器7，力传感器8和位移传感器7均与模拟量扩展模块21进行信号传输；控制执行系统包括车载电源18、三档位旋转开关19、远程无线遥控器20、行程开关6、控制器17、多路继电器模组22、直流电动推杆9、实际挡位指示灯5、意图控制挡位指示灯12和推拉式电磁离合器11；车载电源18用于给远程无线遥控器20、三档位旋转开关19、行程开关6、控制器17、模拟量扩展模块21和多路继电器模组22供电，模拟量扩展模块21、多路继电器模组22、三档位旋转开关19、远程无线遥控器20和行程开关6与控制器17连接，多路继电器模组22与直流电动推杆9、实际挡位指示灯5、意图控制挡位指示灯12和推拉式电磁离合器11连接。
控制执行系统工作过程：三档位旋转开关19实现“人在机上”一键按钮触发换挡，远程无线遥控器20实现“人在机上”一键按钮触发换挡、“人离机”远程遥控换挡和无人驾驶作业自动切换挡的无缝互锁控制以及“人离机”远程遥控换挡，当三档位旋转开关19或者远程无线遥控器20的对应按键被触发，检测为低速挡时，控制器17向意图控制挡位寄存器D100赋值常数1且意图控制低速挡位指示灯亮，当检测为中速挡时，控制器17向意图控制挡位寄存器D100赋值常数2且意图控制中速挡位指示灯亮，当检测为高速挡时，控制器17向意图控制挡位寄存器D100赋值常数3且意图控制高速挡位指示灯亮，当换挡完成意图控制挡位指示灯全部熄灭，行程开关6除用于检测实际挡位信息，并触发相应的实际挡位指示灯5常亮，当低速挡行程开关6-1被触发，控制器17多路继电器模组22的继电器导通，低速挡实际挡位指示灯常亮，当中速挡行程开关6-2被触发，控制器17多路继电器模组22的继电器导通，中速挡实际挡位指示灯常亮，当高速挡行程开关6-3被触发，控制器17多路继电器模组22的继电器导通，高速挡实际挡位指示灯常亮。
根据加减挡位控制寄存器D300中数值，控制多路继电器模组22相应继电器导通，使得直流电动推杆9得电工作伸长或缩回，实现自动换挡，完成加减档位的控制。
“人在机上”一键按钮触发换挡是指驾驶员在驾驶位通过三档位旋转开关19或远程无线遥控器20实现一键触发控制换挡，“人离机”远程遥控换挡是指驾驶员在远程通过远程无线遥控器20实现一键触发控制换挡，无人驾驶作业自动切换挡是指驾驶员在远程通过远程无线遥控器20实现一键触发启动自动导航换挡模式。
故障自检系统工作过程：电压式自复位位移传感器7用于测量挡杆4所处实际位置，力传感器8用于测量直流电动推杆9对挡杆4施加的力，通过模拟量扩展模块21将信息传输至控制器17内部与设定阈值比对，判断是否有换挡故障。
如图10所示，对于一种用于直线换挡结构的自动换挡装置，自动换挡控制方法包括如下步骤：
步骤(1)，控制器17接收远程无线遥控器20的作业模式开关量控制指令，手动作业模式按下，进入步骤(2)；无人驾驶作业模式按键按下，进入步骤(7)；
步骤(2)，当三档位旋转开关19或远程无线遥控器20的意图控制挡位按键被触发向控制器17发送开关量指令，将意图控制挡位数值赋值于意图控制挡位寄存器D100，同时实际挡位触发记录板4-1触发行程开关6向控制器17发送开关量指令，并将实际挡位数值赋值于实际挡位记录寄存器D200；所述意图控制挡位寄存器D100和实际挡位记录寄存器D200的数值相减获得差值，并赋值于加减挡位控制寄存器D300，加减挡位控制寄存器D300数值等于“-2、-1、0、1、2”其中一个数值；
步骤(3)，当加减挡位控制寄存器D300数值＝-2时，控制器17控制多路继电器模组22的对应继电器导通，高速挡限位推拉式电磁离合器11-4得电，芯杆伸出；当加减挡位控制寄存器D300数值＝-1时，控制器17控制多路继电器模组22的对应继电器导通，中速挡加档限位推拉式电磁离合器11-3得电，芯杆伸出；当加减挡位控制寄存器D300数值＝1时，控制器17控制多路继电器模组22的对应继电器导通，中速挡减挡限位推拉式电磁离合器11-2得电，芯杆伸出；当加减挡位控制寄存器D300数值＝2时，控制器17控制多路继电器模组22的对应继电器导通，低速挡限位推拉式电磁离合器11-1得电，芯杆伸出；
步骤(4)，当加减挡位控制寄存器D300数值＜0时，控制器17认定为加挡，进入步骤(5)，控制器17控制多路继电器模组22的对应继电器导通，直流电动推杆9伸长；同时控制器17定时器T1启动定时，控制器17定时器T1计时时间根据直流电动推杆9速度和行走距离确定：t1＝s/v，s是行程，单位：mm，v是直流电动推杆9速度，单位：mm/s；当加减挡位控制寄存器D300数值＞0时，控制器17认定降挡，进入步骤(5’)，控制器17控制多路继电器模组22的对应继电器导通，控制直流电动推杆9缩回，控制器17定时器T2启动定时，控制器17定时器T2计时时间根据直流电动推杆9速度和行走距离确定：t2＝s/v；
步骤(5)，控制器17定时器T1定时时间到，控制器17检测电压式自复位位移传感器7和力传感器8信号，当力传感器8输出信号大于设定阈值同时电压式自复位位移传感器7信号与对应挡位预赋值一致，则表明换挡成功无故障，返回步骤(4)继续执行检测，否则表明换挡失败，加挡存在故障，控制器17控制多路继电器模组22的对应继电器导通和断开，直流电动推杆9缩回，返回步骤(1)，直至无加挡故障，进入步骤(6)；
步骤(5’)，控制器17定时器T2定时时间到，控制器17检测电压式自复位位移传感器7和力传感器8信号，当力传感器8输出信号小于设定阈值同时电压式自复位位移传感器7信号与对应挡位预赋值一致，则表明换挡成功无故障，返回步骤(4)继续执行检测，否则表明换挡失败，减挡存在故障，控制器17控制多路继电器模组22的对应继电器导通和断开，直流电动推杆伸长9，返回步骤(1)，直至无减挡故障，进入步骤(6)；
步骤(6)，当加减挡位控制寄存器D300数值＝0时，控制器17判定自动换挡完成，控制器17控制多路继电器模组22的对应继电器断开，直流电动推杆9失电停止伸长或缩回，低速挡限位推拉式电磁离合器11-1或中速挡减挡限位推拉式电磁离合器11-2或中速挡加档限位推拉式电磁离合器11-3或高速挡限位推拉式电磁离合器11-4失电，芯杆缩回，控制换挡指令结束，返回步骤(1)继续执行检测；
步骤(7)，控制器17执行无人驾驶作业，控制器17判断直线作业模式还是换行转弯作业模式，如果是直线作业模式，进入步骤(8)，如果是换行转弯作业模式，进入步骤(9)；
步骤(8)，直线作业模式利用中速挡作业，控制器17向意图控制挡位寄存器D100赋值常数2，控制器17进行挡位自检，按顺序步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)(或步骤(5’))和步骤(6)，直至换挡完成，控制换挡指令结束，返回步骤(1)继续执行检测；
步骤(9)，换行转弯作业模式利用低速挡作业，控制器17向意图控制挡位寄存器D100赋值常数1，控制器17进行挡位自检，按顺序步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)(或步骤(5’))和步骤(6)，直至换挡完成，控制换挡指令结束，返回步骤(1)继续执行检测。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于直线换挡结构的自动换挡装置，其特征在于，包括自动换挡装置(1)、农机变速箱换挡拨杆(2)和农机变速箱(3)，自动换挡装置(1)底端与农机变速箱换挡拨杆(2)连接，农机变速箱换挡拨杆(2)安装在农机变速箱(3)顶端；
所述自动换挡装置(1)包括壳体和挡杆(4)，挡杆(4)由L形杆部和垂直于L形杆部水平段的竖直杆部构成，L形杆部穿过壳体侧面，竖直杆部穿过壳体底端；竖直杆部顶端且背向L形杆部竖直段处连接卡口挡片固联弯杆(4-2)，卡口挡片固联弯杆(4-2)末端固定卡口挡片(14)，竖直杆部下端依次与电压式自复位位移传感器(7)和力传感器(8)的顶端固联，力传感器(8)末端与直流电动推杆(9)顶端固连，电压式自复位位移传感器(7)和直流电动推杆(9)的尾端均与固连在壳体上的安装固联板(16)连接；卡口挡片固联弯杆(4-2)与L形杆部竖直段之间设有实际挡位触发记录板(4-1)，实际挡位触发记录板(4-1)与固定在壳体内部顶端的行程开关(6)配合；
所述壳体上设有实际挡位指示灯(5)和意图控制挡位指示灯(12)；
所述壳体内部固定有限位推拉式电磁离合器固定板(10)，限位推拉式电磁离合器固定板(10)上固定有4个限位推拉式电磁离合器(11)；
所述行程开关(6)与控制器(17)连接，所述控制器(17)与模拟量扩展模块(21)、多路继电器模组(22)、三档位旋转开关(19)和远程无线遥控器(20)连接，所述多路继电器模组(22)与直流电动推杆(9)、实际挡位指示灯(5)、意图控制挡位指示灯(12)和限位推拉式电磁离合器(11)连接，所述模拟量扩展模块(21)与力传感器(8)和电压式自复位位移传感器(7)进行信号传输；
所述电压式自复位位移传感器(7)用于测量挡杆(4)所处实际位置；所述力传感器(8)用于测量直流电动推杆(9)对挡杆(4)施加的力；控制所述直流电动推杆(9)在多路继电器模组(22)的控制下进行伸长或缩回，控制挡杆(4)的自动换挡；所述限位推拉式电磁离合器(11)在控制器(17)的控制下通电导通，内部自动芯杆弹出，限位推拉式电磁离合器(11)内部芯杆与卡口挡片(14)配合，实现精确位置控制。
2.根据权利要求1所述的自动换挡装置，其特征在于，所述4个限位推拉式电磁离合器(11)依次为：低速挡限位推拉式电磁离合器(11-1)、中速挡减挡限位推拉式电磁离合器(11-2)、中速挡加档限位推拉式电磁离合器(11-3)和高速挡限位推拉式电磁离合器(11-4)。
3.根据权利要求1所述的自动换挡装置，其特征在于，所述实际挡位指示灯(5)设置3个，分别为低速挡实际挡位指示灯、中速挡实际挡位指示灯和高速挡实际挡位指示灯。
4.根据权利要求1所述的自动换挡装置，其特征在于，所述意图控制挡位指示灯(12)设置3个，分别为低速挡位指示灯、中速挡位指示灯和高速挡位指示灯。
5.根据权利要求1所述的自动换挡装置，其特征在于，所述行程开关(6)包括低速挡行程开关(6-1)、中速挡行程开关(6-2)和高速挡行程开关(6-3)。
6.根据权利要求5所述的自动换挡装置，其特征在于，所述行程开关(6)的中心轴线与实际挡位触发记录板(4-1)的中心轴线位于同一水平面。
7.根据权利要求1所述的自动换挡装置，其特征在于，所述卡口挡片(14)水平中心轴线位置两边各设有一个半圆缺口，两半圆缺口与限位推拉式电磁离合器(11)的芯杆中心轴线位于同一水平面。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的自动换挡装置的自动换挡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，控制器(17)接收远程无线遥控器(20)的作业模式开关量控制指令，手动作业模式按下，进入步骤(2)；无人驾驶作业模式按键按下，进入步骤(7)；
步骤(2)，当三档位旋转开关(19)或远程无线遥控器(20)的意图控制挡位按键被触发，同时实际挡位触发记录板(4-1)触发行程开关(6)，控制器(17)接收开关量指令，将意图控制挡位数值和实际挡位数值相减获得加减挡位控制寄存器D300数值，所述加减挡位控制寄存器D300数值等于-2或-1或0或1或2；
步骤(3)，当所述D300数值＝-2时，高速挡限位推拉式电磁离合器(11-4)得电，芯杆伸出；当所述D300数值＝-1时，中速挡加档限位推拉式电磁离合器(11-3)得电，芯杆伸出；当所述D300数值＝1时，中速挡减挡限位推拉式电磁离合器(11-2)得电，芯杆伸出；当所述D300数值＝2时，低速挡限位推拉式电磁离合器(11-1)得电，芯杆伸出；
步骤(4)，当所述D300数值＜0时，控制器(17)判定为加挡，进入步骤(5)，直流电动推杆(9)伸长，同时控制器(17)定时器T1启动定时；当所述D300数值＞0时，控制器(17)判定降挡，进入步骤(5’)，直流电动推杆(9)缩回，同时控制器(17)定时器T2启动定时；
步骤(5)，定时器T1定时时间到，控制器(17)检测电压式自复位位移传感器(7)和力传感器(8)的信号，当力传感器(8)输出信号大于设定阈值同时电压式自复位位移传感器(7)信号与对应挡位预赋值一致，则表明换挡成功无故障，返回步骤(4)继续执行检测，否则表明换挡失败，加挡存在故障，直流电动推杆(9)缩回，返回步骤(1)，直至无加挡故障，进入步骤(6)；
步骤(5’)，定时器T2定时时间到，控制器(17)检测电压式自复位位移传感器(7)和力传感器(8)的信号，当力传感器(8)输出信号小于设定阈值同时电压式自复位位移传感器(7)信号与对应挡位预赋值一致，则表明换挡成功无故障，返回步骤(4)继续执行检测，否则表明换挡失败，减挡存在故障，直流电动推杆(9)伸长，返回步骤(1)，直至无减挡故障，进入步骤(6)；
步骤(6)，当所述D300数值＝0时，控制器(17)判定自动换挡完成，直流电动推杆(9)失电停止伸长或缩回，低速挡限位推拉式电磁离合器(11-1)或中速挡减挡限位推拉式电磁离合器(11-2)或中速挡加档限位推拉式电磁离合器(11-3)或高速挡限位推拉式电磁离合器(11-4)失电，芯杆缩回，控制换挡指令结束，返回步骤(1)继续执行检测；
步骤(7)，控制器(17)执行无人驾驶作业，控制器(17)判断直线作业模式还是换行转弯作业模式，如果是直线作业模式，进入步骤(8)，如果是换行转弯作业模式，进入步骤(9)；
步骤(8)，直线作业模式利用中速挡作业，控制器(17)向意图控制挡位寄存器D100赋值常数2，控制器(17)进行挡位自检，按顺序步骤(2)-(4)、步骤(5)或(5’)、步骤(6)，直至换挡完成，控制换挡指令结束，返回步骤(1)继续执行检测；
步骤(9)，换行转弯作业模式利用低速挡作业，控制器(17)向意图控制挡位寄存器D100赋值常数1，控制器(17)进行挡位自检，按顺序步骤(2)-(4)、步骤(5)或(5’)、步骤(6)，直至换挡完成，控制换挡指令结束，返回步骤(1)继续执行检测。
9.根据权利要求8所述的自动换挡控制方法，其特征在于，所述三档位旋转开关(19)或远程无线遥控器(20)的意图控制挡位按键具体为：三档位旋转开关(19)实现“人在机上”一键按钮触发换挡，远程无线遥控器(20)实现“人在机上”一键按钮触发换挡、“人离机”远程遥控换挡和无人驾驶作业自动切换挡的无缝互锁控制以及“人离机”远程遥控换挡；
所述“人在机上”一键按钮触发换挡是指驾驶员在驾驶位通过三档位旋转开关(19)或远程无线遥控器(20)实现一键触发控制换挡，所述“人离机”远程遥控换挡是指驾驶员在远程通过远程无线遥控器(20)实现一键触发控制换挡，所述无人驾驶作业自动切换挡是指驾驶员在远程通过远程无线遥控器(20)实现一键触发启动自动导航换挡模式。
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