CN113898732B - 一种换挡控制方法、换挡控制系统及装载机 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程机构技术领域，公开了一种换挡控制方法、换挡控制系统及装载机。该换挡控制方法用于控制换挡控制系统，该换挡控制方法包括以下步骤：获取变速箱的当前挡位，并判断变速箱是否需要进行换挡；如果变速箱需要换挡，执行换挡指令，控制变速箱从当前挡位脱开，之后获取整车的当前车速，并控制驱动电机的输入转速调节至与整车的当前车速相对应的目标挡位转速，用于所述驱动电机的调速，且在驱动电机进行调速时，控制离合器结合至目标档位。该换挡控制方法，保持整车当前车速不变原则，变速箱再进行挡位结合，实现保持整车车速不变的情况下进行挡位结合，从而实现变速箱在行走铲装作业过程中无换挡冲击。

Description

一种换挡控制方法、换挡控制系统及装载机

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种换挡控制方法、换挡控制系统及装载机。

背景技术

目前装载机的动力源来自于发动机，经由变速箱总成换挡来调整扭矩和转速后，再传递到驱动桥和车轮，以实现装载机行走及铲装作业功能。

当装载机需要进行换挡时，在当前挡位脱挡后，切入下个挡位。根据如图1所示的牵引特性曲线可知，平顺换挡点为A、B及C点(即挡位结合点时，输入转速等于输出转速)，但是在实际作业行走换挡时，驾驶员仅靠经验进行换挡，很难准确找到A、B及C点进行换挡，不可避免导致换挡冲击。变速箱存在换挡冲击，给司机带来极大的不舒适感，也大幅度的降低了变速箱的寿命，尤其在低速挡换到高速挡最为明显。

为了解决这个问题，现有技术采用以下方式，以避免换挡冲击：

第一，增加变速箱挡位数，使得换挡更平顺，变速箱挡位数越多，换挡越平顺。但是变速箱体积越大，成本越高，控制复杂，难以在整车上实际应用。

第二，增加变矩器，变矩器中的液力可以吸收大部分的来自换挡冲击产生的冲击力，起到了柔性连接的作用。由于在动力传动过程中有两次能量转换，即机械能转化液体的内能，然后再次转换为机械能，机械能转化为液体内能会有一部分能量转化为变矩器的搅油损失，导致变矩器的液力传动的效率低，能量损耗大，表现为整车油耗高。

第三，增加弹性联轴器，弹性联轴器消除换挡冲击对发动机的损伤，起到了弹性连接的作用，从而保护发动机。采用这种方式，在增加成本的同时，还增加一个风险点，影响传动的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种换挡控制方法、换挡控制系统及装载机，换挡平顺，生产成本低，生产效率高。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：。

一种换挡控制方法，用于控制换挡控制系统，所述换挡控制方法包括以下步骤：

获取变速箱的当前挡位，并判断变速箱是否需要进行换挡；如果变速箱需要换挡，执行换挡指令，控制变速箱从当前挡位脱开，之后获取整车的当前车速，并控制驱动电机的输入转速调节至与整车的当前车速相对应的目标挡位转速，用于所述驱动电机的调速，且在驱动电机进行调速时，控制离合器结合至目标档位。

作为优选，设定变速箱在M挡时对应驱动电机输入转速为n_M，变速箱在N挡时对应驱动电机输入转速为n_N，|N-M|＝1，整车的当前车速为V，则n_M与V满足公式n_M＝μ₁*V，n_N与V满足公式n_N＝μ₂*V，其中μ₁为第一调速系数，μ₂为第二调速系数。

作为优选，n_M与n_N满足公式n_M＝λn_N，其中λ＝μ₁/μ₂为第三调速系数。

作为优选，第一调速系数μ₁、为第二调速系数μ₂及第三调速系数λ通过电机调速斜率、变速箱的速比、驱动车桥的速比及车轮的滚动半径而得到。

作为优选，驱动电机的调速开始时刻早于变速箱的自动换挡开始时刻，驱动电机的调速结束时刻早于变速箱的自动换挡结束时刻。

作为优选，变速箱从当前挡位脱开的时间为t₁，变速箱的换挡时间为t₃，换挡控制系统的换挡时间t＝t₁+t₂+t₃₂。

作为优选，所述变速箱的换挡时间t₃包括变速箱的液压系统响应时间t₃₁和变速箱的自动挡位结合时间t₃₂，变速箱的液压系统响应时间t₃₁小于或等于驱动电机的调速时间t₂。

为达上述目的，本发明还提供了一种换挡控制系统，采用上述的换挡控制方法进行控制，所述换挡控制系统包括驱动电机、变速箱、驱动车桥和车轮，所述驱动电机的输出端连接于所述变速箱的输入轴，所述变速箱的输出轴通过传动轴连接于所述驱动车桥，所述驱动车桥能够驱动所述车轮转动，所述的车轮转动能够驱动整车行走形成车速。

作为优选，还包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于检测所述整车的车速，所述第二传感器用于检测所述驱动电机的输入转速。

为达上述目的，本发明还提供了一种装载机，包括上述的换挡控制系统。

本发明的有益效果：

本发明提供的换挡控制方法，判断变速箱是否需要进行换挡，如果变速箱需要换挡，判断变速箱是否需要进行换挡，如果变速箱需要换挡，执行换挡指令，即每次换挡前先脱挡，然后驱动电机进行调速，使得驱动电机的输入转速与目标挡位需求的转速一致，保持整车当前车速不变原则，变速箱再进行挡位结合，实现保持整车车速不变的情况下进行挡位结合，从而实现变速箱在行走铲装作业过程中无换挡冲击。

本发明提供的换挡控制系统，驱动电机为动力源，驱动电机将动力传递至变速箱，从变速箱输出的动力通过驱动车桥传递至车轮，以完成动力传递过程。驱动电机驱动可以实现无级变速及反向运转，满足工作的工况需求，实现无冲击换挡，提高换挡舒适性。与现有技术相比，取消液力变矩器，结构紧凑，体积较小，便于整车的布置，且减少了液力变矩器的能量转换，提高传动效率，实现节能高效。同时，取消了弹性联轴器，在节约成本的同时，减少不可靠的风险点，以保证传动的可靠性。

本发明提供的装载机，包括上述的换挡控制系统。该装载机与现有技术相比，换挡控制系统采用驱动电机驱动，可以实现精确控制，实现驱动电机的输入转速与整车当前车速零速差的情况下，进行变速箱的挡位结合，从而实现装载机行走铲装作业过程中变速箱无换挡冲击，换挡舒适。

附图说明

图1是现有技术变速箱的牵引特性曲线的示意图；

图2是本发明换挡控制方法的时序图；

图3是本发明换挡控制方法控制变速箱的牵引特性曲线的示意图；

图4是本发明换挡控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例提供了一种换挡控制系统(图中未示出)，采用换挡控制方法进行控制，换挡控制系统包括驱动电机、变速箱、驱动车桥和车轮，驱动电机的输出端连接于变速箱的输入轴，变速箱的输出轴通过传动轴传动连接于驱动车桥，驱动车桥能够驱动车轮转动，车轮转动能够驱动整车行走形成车速。

本实施例提供的换挡控制系统，驱动电机为动力源，驱动电机将动力传递至变速箱，从变速箱输出的动力通过驱动车桥传递至车轮，以完成动力传递过程。驱动电机驱动可以实现无级变速及反向运转，满足工作的工况需求，实现无冲击换挡，提高换挡舒适性。与现有技术相比，取消液力变矩器，结构紧凑，体积较小，便于整车的布置，且减少了液力变矩器的能量转换，提高传动效率，实现节能高效。同时，取消了弹性联轴器，在节约成本的同时，减少不可靠的风险点，以保证传动的可靠性。

其中，变速箱可以为AMT变速器，在原有机械式手动变速器基本结构不变的情况下，加装电子单元的自动操纵机构，取代了原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、摘挡与挂挡等调节操作，实现换挡过程的自动化，给驾驶人带来了极大方便。变速箱还可以具体为电驱两挡行星箱，已应用于电驱装载机，换挡过程中可以避免动力中断及换挡冲击。

优选地，换挡控制系统还包括控制器，控制器接收、处理驾驶员的驾驶操作指令并向各零部件发送控制指令，使车辆按驾驶员期望行驶。控制器作为人与车辆之间的交互通道，承接了意图解析和信息等功能。

需要说明的是，在本发明提供的实施例中，驱动电机实现调速动作，而变速箱实现摘挡、选挡及挂挡等动作。在控制驱动电机和变速箱时，可以由整车的控制器直接控制驱动电机和变速箱动作，也可以由电机控制器控制驱动电机、变速器控制器控制变速箱，同时由整车的控制器实现电机控制器与变速器控制器之间的通信的方式，以实现对驱动电机和变速箱的控制。

进一步地，该换挡控制系统还包括第一传感器和第二传感器，控制器分别电连接于第一传感器和第二传感器，第一传感器用于检测整车的当前车速，第二传感器用于检测驱动电机的输入转速。利用第一传感器和第二传感器可以实时对驱动电机的输入转速和整车的当前车速进行监控，以保证良好的传动效果和换挡稳定性。

如图2所示，本实施例还提供了一种换挡控制方法，用于控制换挡控制系统，换挡控制方法包括以下步骤：

获取变速箱的当前挡位，并判断变速箱是否需要进行换挡；如果变速箱需要换挡，执行换挡指令，控制变速箱从当前挡位脱开，之后获取整车的当前车速，并控制驱动电机的输入转速调节至与整车的当前车速相对应的目标挡位转速，用于所述驱动电机的调速，且在驱动电机进行调速时，控制离合器结合至目标档位。

如果变速箱需要换挡，执行换挡指令，变速操纵阀当前挡位电磁阀失电，电机转速为当前挡位需求的转速，当前挡位离合器处于滑磨分离状态；当前挡位脱开，驱动电机开始调速，调速原则是保持整车的当前车速不变，驱动电机转速调整为目标挡位下需求的转速，在驱动电机调速的同时目标挡位离合器电磁阀得电，离合器开始充油、滑磨及建立挡位压力，当驱动电机调速至目标挡位需求转速，离合器结合后，整车恢复动力，换挡结束。本控制策略的原则是换挡条件为保持当前车速不变，以实现变速箱无换挡冲击。

本实施例提供的换挡控制方法，判断变速箱是否需要进行换挡，如果变速箱需要换挡，执行换挡指令，即每次换挡前先脱挡，然后驱动电机进行调速，使得驱动电机的输入转速与目标挡位需求的转速一致，保持整车当前车速不变原则，变速箱再进行挡位结合，实现保持整车车速不变的情况下进行挡位结合，从而实现变速箱在行走铲装作业过程中无换挡冲击。

进一步地，设定变速箱在M挡时对应驱动电机输入转速为n_M，变速箱在N挡时对应驱动电机输入转速为n_N，|N-M|＝1，车轮的当前转速为V，则n_M与V满足公式n_M＝μ₁*V，n_N与V满足公式n_N＝μ₂*V，其中μ₁为第一调速系数，μ₂为第二调速系数。

例如：变速箱在一挡时对应驱动电机输入转速为n₁，变速箱在二挡时对应驱动电机输入转速为n₂，整车的当前车速为V，满足公式n₁＝μ₁*V，n₂＝μ₂*V，其中μ₁为第一调速系数，μ₂为第二调速系数。具体地，如果驱动电机处于降速状态，即从一挡切换至二挡时，此时驱动电机输入转速为n₂＝μ₂*V；如果驱动电机处于升速状态，即从二挡切换至一挡时，此时驱动电机输入转速为n₁＝μ₁*V。

可以理解是，在驱动电机进行调速时，调速的原则是保持整车车速不变，而从驱动电机输入到车轮转动的整个动力传递路径过程中，驱动电机的输入转速和车轮之间因通过变速箱、车桥等需要进行一定的转速转换。通过设置第一调速系数μ₁和第二调速系数μ₂，实现驱动电机的输入转速和整车当前车速保持不变的原则下进行转换，保证驱动电机始终调速至目标挡位需求的转速再进行挡位结合，以达到无冲击换挡效果。

n_M与n_N满足公式n_M＝λn_N，其中λ＝μ₁/μ₂为第三调速系数。例如由于变速箱在一挡时对应驱动电机输入转速为n₁、变速箱在二挡时对应驱动电机输入转速为n₂均与车轮的当前转速V有关，满足公式n1＝λn2，其中λ为第三调速系数。通过设置第三调速系数λ，可以实现变速箱在一挡、二挡两挡之间进行输入转速的切换，自由灵活，可靠性好。可以理解的是，根据公式n₁＝μ₁*V，n₂＝μ₂*V，将这两个公式相比，可以得出n1＝μ₁/μ₂*n2，即λ＝μ₁/μ₂。

其中，第一调速系数μ₁、为第二调速系数μ₂及第三调速系数λ通过电机调速斜率、变速箱的速比、驱动车桥的速比及车轮的滚动半径而得到。换而言之，在电机、变速箱、驱动车桥、选用轮胎在出厂时，就已经对第一调速系数μ₁、为第二调速系数μ₂及第三调速系数λ进行设定，以保证换挡控制系统的动力传动和驱动电机的调速效果。

进一步地，如图2所示，当变速箱从当前挡位脱开，控制器根据变速箱的机械特性，预设脱挡时间，即变速箱从当前挡位脱开时间为t₁。在驱动电机进行调速时，驱动电机根据自身特性进行调速，调速需要一定的调速时间，即驱动电机的调速时间为t₂。由于在变速箱的挡位彻底结合之前，变速箱的液压系统需要进行响应，控制器根据变速箱目标挡位离合器充液、滑磨及建立挡位压力过程，需要预设给变速箱换挡时间，即变速箱需要一定的变速箱的自动换挡时间t₃。其中，变速箱的自动换挡时间t₃包括变速箱的液压系统响应时间t₃₁和变速箱的挡位结合时间t₃₂。

如果变速箱从当前挡位切换至目标挡后，在驱动电机完成调速之后，变速箱目标挡位离合器再进行结合，虽然最终也可以实现本实施例对驱动电机输入转速的控制，但是采用这种时间串联的方式，变速器完成换挡的时间比较长。

为了解决这个问题，驱动电机的调速开始时刻早于变速箱的自动换挡开始时刻，使在变速箱的自动换挡开始之前，就已经开始启动驱动电机的调速，避免因驱动电机的调速时间过长，影响变速箱的自动换挡。

驱动电机的调速充分利用变速箱的目标挡位结合时离合器在充油、滑磨、建压的时间进行调速，驱动电机开始调速，转速到达允许目标挡位电磁阀得电范围内，目标挡位电磁阀得电，目标挡位离合器开始充油、滑磨及建压，即电机调速时间与目标挡位离合器开始充油、滑磨、建压时间部分叠加同时进行，驱动电机的调速结束时刻早于变速箱的自动换挡结束时刻。通过设置驱动电机开始调速，转速到达允许目标挡位电磁阀得电范围内，目标挡位电磁阀得电，目标挡位离合器开始充油、滑磨及建压，即电机调速时间与目标挡位离合器开始充油、滑磨及建压时间部分叠加同时进行，通过设置驱动电机的调速结束时刻早于变速箱的换挡结束时刻，驱动电机的调速过程充分利用变速箱的换挡过程液压系统响应所需的时间。采用这种方式，实现时间并联，有效缩短了变速器整个换挡过程的时间，以保证良好的响应灵敏性。

进一步地，变速箱的换挡时间t₃中变速箱的液压系统响应时间t₃₁小于或等于驱动电机的调速时间t₂，即驱动电机的调速时间t₂能够完全覆盖变速箱的液压系统响应时间t₃₁，在保证电驱电机具有充足调速时间的同时，不影响变速箱的挡位结合。

由于驱动电机的调速时间t₂能够完全覆盖变速箱的液压系统响应时间t₃₁，换挡控制系统的换挡时间t为变速箱从当前挡位切换至空挡的脱挡时间t₁和变速箱的目标换挡结合时间t₃₂之和，即换挡控制系统的换挡时间t＝t₁+t₂+t₃₂。

因此，通过对比图1和图3，图1显示的变速器的牵引特性曲线有折点，图3显示的变速器的牵引特性曲线为平滑的曲线过渡，换挡更加平顺和舒适。

如图4所示，本实施例提供的换挡控制方法包括以下步骤：

S1、获取变速箱的当前挡位；

S2、判断变速箱是否需要进行换挡，若是，执行S3，若否，返回S1；

S3、控制当前挡位电磁阀失电并控制当前挡位离合器脱开；

S4、控制驱动电机开始调速，并使转速到达允许目标挡位电磁阀得电范围内，同时控制目标挡位电磁阀得电；

S5、控制驱动电机的输入转速调节至与整车的当前车速相对应的目标挡位转速；

S6、控制变速器目标挡位离合器结合；

S7、结束。

本实施例还提供了一种装载机，包括上述的换挡控制系统。本实施例提供的装载机，与现有技术相比，换挡控制系统采用驱动电机驱动，可以实现精确控制，实现驱动电机的输入转速与当前整车车速不变的条件下，目标挡位需求的电机转速零速差的情况下，进行变速箱的挡位结合，从而实现装载机行走铲装作业过程中变速箱无换挡冲击，换挡舒适。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种换挡控制方法，用于控制换挡控制系统，其特征在于，所述换挡控制方法包括以下步骤：

获取变速箱的当前挡位，并判断变速箱是否需要进行换挡；

如果变速箱需要换挡，执行换挡指令，控制变速箱从当前挡位脱开，之后获取整车的当前车速，并控制驱动电机的输入转速调节至与整车的当前车速相对应的目标挡位转速，用于所述驱动电机的调速，且在驱动电机进行调速时，控制离合器结合至目标档位，驱动电机的调速开始时刻早于变速箱的自动换挡开始时刻，驱动电机的调速结束时刻早于变速箱的自动换挡结束时刻。

2.根据权利要求1所述的换挡控制方法，其特征在于，设定变速箱在M挡时对应驱动电机输入转速为n_M，变速箱在N挡时对应驱动电机输入转速为n_N，|N-M|＝1，整车的当前车速为V，则n_M与V满足公式n_M＝μ₁*V，n_N与V满足公式n_N＝μ₂*V，其中μ₁为第一调速系数，μ₂为第二调速系数。

3.根据权利要求2所述的换挡控制方法，其特征在于，n_M与n_N满足公式n_M＝λn_N，其中λ＝μ₁/μ₂为第三调速系数。

4.根据权利要求3所述的换挡控制方法，其特征在于，第一调速系数μ₁、为第二调速系数μ₂及第三调速系数λ通过电机自身调速斜率、变速箱的速比、驱动车桥的速比及车轮的滚动半径而得到。

5.根据权利要求1所述的换挡控制方法，其特征在于，变速箱从当前挡位脱开的时间为t₁，变速箱的自动换挡时间为t₃，换挡控制系统的换挡时间t＝t₁+t₂+t₃₂。

6.根据权利要求5所述的换挡控制方法，其特征在于，所述变速箱的换挡时间t₃包括变速箱的液压系统响应时间t₃₁和变速箱的挡位结合时间t₃₂，变速箱的液压系统响应时间t₃₁小于或等于驱动电机的调速时间t₂。

7.一种换挡控制系统，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的换挡控制方法进行控制，所述换挡控制系统包括驱动电机、变速箱、驱动车桥、车轮和整车车速，所述驱动电机的输出端连接于所述变速箱的输入轴，所述变速箱的输出轴通过传动轴连接于所述驱动车桥，所述驱动车桥能够驱动所述车轮转动，所述的车轮转动能够驱动整车行走形成车速。

8.根据权利要求7所述的换挡控制系统，其特征在于，还包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于检测所述整车的车速，所述第二传感器用于检测所述驱动电机的输入转速。

9.一种装载机，其特征在于，包括权利要求8所述的换挡控制系统。

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