CN114593105B - 一种活塞缸及其控制方法、换挡系统及摘挡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞缸及其控制方法、换挡系统及摘挡控制方法，本发明对两个腔室的泄压采用分时控制，首先打开大腔室的排气阀，延迟设定时间后再打开小腔室的排气阀，使得压降速度慢的大腔室先泄压，压降速度快的小腔室后泄压，将泄压过程中两个腔室的压力差控制在较小的范围内，在不改变限位力的情况下有效解决了活塞杆回中位的偏移问题，消除了活塞缸泄压时的活塞杆的偏移风险，增加了活塞缸的控制精度和可靠性。

Description

一种活塞缸及其控制方法、换挡系统及摘挡控制方法

技术领域

本发明涉及一种活塞缸及其控制方法、换挡系统及摘挡控制方法，属于AMT变速箱控制技术领域。

背景技术

随着纯电技术的发展，电驱动系统越来越多的采用变速箱来满足动力性的需求。AMT变速箱采用活塞缸来驱动换挡系统动作部件实现换挡，具有可靠性高、寿命长、成本低等优点。

纯电矿车上目前采用的AMT变速箱具有3个挡位，对应的，其活塞缸系统中的活塞杆也对应具有3个工位，有3个工位的活塞缸具有左右两个腔室，分别向两个腔室加压及向两个腔室同时加压这三种控制方式，依靠一组具有不同受力面的活塞组实现活塞杆在三个工位的停留。由于三工位活塞缸复杂的活塞、缸体结构(受力面积不同，活塞的表面积不同，腔室的直径也不同)，左右两个腔室往往具有不同的容积，在活塞杆回中间工位的控制中，向两个腔室同时加压，推动活塞杆向中间移动，并在驱动力的作用下维持在中间位置，但是在到达中间位置后的腔室泄压过程中，由于腔室容积的差异，导致容积大的腔室内压力下降速率比容积小的腔室低，泄压过程中会产生压力差使活塞杆具有向着小容积腔室运动的趋势，若这个压力差产生的推动力大于活塞杆对应工位定位装置产生的限位力时，活塞杆就会发生偏移，反映到换挡动作中就是发生难以挂挡或者难以摘挡的故障，严重时会导致变速箱损坏。而通过增加限位力来防止活塞杆在泄压时偏移，会导致活塞缸的控制能耗增加，相应的振动和噪声也会增加。

此外，采用AMT变速箱的纯电矿车工况恶劣，空气灰尘大、对气路中电磁阀和换挡气缸可靠性带来很大挑战，经常出现由于气路故障导致的换挡故障，需要手动检查逐一排除各个零部件故障，才能锁定问题原因，维修效率较低，影响车辆运营。需要建立功能全面的故障诊断系统，快速锁定问题原因，提高检修效率。

现有技术中活塞缸系统的故障诊断方案主要是针对电磁阀电路系统的故障诊断，采集电磁阀电路系统的电压、电流、电阻等参数可以判断电磁阀的电路故障。对于电磁阀的非电路故障，检查需要增加相关介质的(压力、温度等)传感器实现；例如公布号为CN110146757A的中国专利公布文本中利用传感器采集压力变化判断电磁阀卡滞和漏气故障，但矿车工况恶劣，活塞缸结构复杂，且整车运行过程中压力源(矿车常用储气筒)的压力也是不断变化的，换挡过程气体压力波动较大，因此该方案不适用矿车的气动AMT系统，且增加压力传感器也会增加零部件故障的风险；而公布号为CN105604663B的中国专利授权文本中利用温度传感器判断介质的温度变化实现电磁阀故障诊断，不适用于活塞缸中利用空气介质的气缸；公布号为CN108267658A和CN109917205A的中国专利公布文本中主要是对电磁阀电路故障的诊断，对非电路故障不能实现检测和诊断。

综上所述，现有技术中存在如下问题：

(1)活塞杆回中位的控制过程中，腔室泄压容易导致活塞杆偏移，导致存在难以摘挡或跳挡的风险。

(2)目前活塞缸所采用的电控阀类的故障诊断主要为电路方面的故障识别，对非电路故障检测排查的方法较少；

(3)活塞缸密封变差的诊断多借用压力传感器等识别，增加成本和零部件故障率，且对于采用气源和气缸的车辆来说，运行和换挡过程中气压变化较大，故障诊断的难度较大、准确率低。

发明内容

本发明的目的是提供活塞缸及其控制方法、换挡系统及摘挡控制方法，用以解决三工位活塞缸在回中位的控制中，容易出现活塞杆回中位后又偏移的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种活塞缸系统，包括活塞缸、活塞缸驱动单元以及连接所述活塞缸驱动单元的控制器；

所述活塞缸包括：活塞杆、缸体，第一活塞、第二活塞、第三活塞；所述活塞杆沿设定的轴线左右移动而具有设定的左、中、右三个位置；第一活塞、第二活塞与活塞杆固定；所述缸体包括左右分布的第一腔室、第二腔室；

所述第一活塞包括第一受力面，用于被第一腔室中的介质施加向右的压力，第一活塞滑动装配于第一腔室中；

所述第二活塞包括第二受力面，用于被第二腔室中的介质施加向左的压力；

所述第三活塞包括第三受力面，用于被第二腔室中的介质施加向左的压力；所述第三活塞上设有限位结构，所述缸体中设有阻挡结构，限位结构用于与缸体中的阻挡结构配合，以使第三活塞被阻挡不能向左移动；第三活塞左右移动，具有左极限位和右极限位；所述第三活塞为套筒结构，所述活塞杆及第二活塞向右插入套孔中，第二活塞与套孔密封滑动配合；第三活塞包括左侧的插套和右侧的环台，所述插套向左插入第一腔室中，插套上设有顶推结构，用于向左与第一活塞顶推配合，顶推结构用于顶推第一活塞向左移动或者用于被第一活塞向右顶推而带动第三活塞移动至右极限位；所述环台的外周面与第二腔室滑动密封配合；所述限位结构与阻挡结构配合时第三活塞处于左极限位并对应活塞杆的中位或左位；活塞杆处于右位时对应第三活塞处于右极限位；

所述第一受力面的面积大于第二受力面，第一受力面的面积小于第二受力面和第三受力面的面积之和；所述第二腔室容积大于第一腔室；

所述活塞缸驱动单元包括：压力源、阀；压力源能够与第一、二腔室连通，向第一、二腔室中输入一定压力的流体；阀受所述控制器控制，用于控制压力源到第一、二腔室的流体通道的连通和关断，以及第一、二腔室的泄压；位置传感器用于检测活塞杆的位置；

所述控制器执行指令以如下控制方法实现活塞杆从左位或右位到达中位：

1)向第一腔室和第二腔室同时通入带有压力的流体；将第一、二腔室中容积大的腔室定义为大腔室，另一个为小腔室；

2)当检测到所述活塞杆到达中位，首先控制大腔室泄压，延迟设定时间后控制小腔室泄压。

对于活塞缸回中位控制时的泄压过程中容易导致已经回到中位的活塞杆再次发生偏移的问题，发现了这种问题存在的原因是由于活塞缸两个腔室容积不同，进而在泄压时，在相同规格泄压阀的控制下压力变化速度不同，导致压差积累产生推力超过了限位力所造成的，为了消除这种风险和隐患，本发明对两个腔室的泄压采用分时控制，首先打开大腔室的排气阀，延迟设定时间后再打开小腔室的排气阀，使得压降速度慢的大腔室先泄压，压降速度快的小腔室后泄压，将泄压过程中两个腔室的压力差控制在较小的范围内，在不改变限位力的情况下有效解决了活塞杆回中位的偏移问题，消除了活塞缸泄压时的活塞杆的偏移风险，增加了活塞缸的控制精度和可靠性。

所延迟的设定时间可以在活塞缸的线下测试中，通过多次试验标定出来，例如在活塞杆回中位后的泄压过程中，实时采集活塞杆的受力，将延迟的设定时间朝向受力降低的方向调整即可。

进一步的，活塞杆从左位或右位到达中位的控制方法还包括：

3)第一、二腔室泄压完毕后，再次检测所述活塞杆是否还在中位，若仍在中位，结束；若不在中位，则判断所述活塞杆偏向哪个腔室；

4)若偏向小腔室，则将设定时间延长一个单位时间；若偏向大腔室，则将设定时间缩短一个单位时间；然后回到步骤1)。

本发明还进一步利用控制算法实现延迟时间的在线自动修正，活塞缸在复杂恶劣的使用环境下，以及长时间使用后零件的疲劳老化，例如定位装置弹簧疲劳导致限位力降低，会导致出厂标定的延迟时间不能保证防止活塞杆回中位时的偏移，此时本发明进一步通过检测活塞杆的偏移情况，采用步进的方式对延迟时间进行在线修正，主动排除故障并主动修复，提高了系统的适应性和自我修复能力，且这种修复在使用过程中自动完成，不需停机不耽误生产。

进一步的，活塞杆从左位或右位到达中位的控制方法中，还包括泄压故障预警；在步骤4)中，当设定时间延长一个单位时间后，超过设定上限，则提示大腔室泄压异常；当设定时间缩短一个单位时间后，低于设定下限，则提示小腔室泄压异常。

由于延迟时间的大幅变化能够一定程度的反映出活塞缸腔室的泄压性能参数的变化，因此本发明还进一步基于两个腔室泄压延迟时间来实现泄压阀的故障诊断，当延迟时间超过或低于一定的上限和下限，则说明对应的腔室在泄压过程中压力的变化率发生变化，而这种变化一般是压力降低速率变小(由于泄压口堵塞导致泄压变慢，而一般很难出现泄压更快的情况)，基于此，在延迟时间增加超过上限或减少低于下限时，提醒检查对应的腔室泄压阀的泄压口，即可在故障前排除故障隐患。

进一步的，步骤2)中，若活塞杆不能到达中位，则进行活塞缸密封性能检测。

在活塞缸控制当中，若出现活塞杆不能准确到位，往往能够综合反映活塞缸两个腔室的综合性能参数变化，例如活塞运动阻力、腔室的密封性等。而回中位控制需要两个腔室同时建立压力，通过压差来产生推动力移动活塞杆，因此回中位困难能够反映一些故障风险初期微小的性能变化，例如密封性能降低，(活塞杆到两个死点的控制仅需要一个腔室建立压力，且压差大，即便是活塞阻力大甚至卡滞，都能在大的推力下被克服，一旦左右两个工位难以到达，往往是活塞缸出现了严重故障，不能实现故障风险早期预警)；因此若活塞杆难以回中位，则能够作为故障的早期预警，提醒及时进行密封性检查，以将故障排除在早期状态。

进一步的，所述第三活塞的环台的右侧具有环形端面，用于被第二腔室中的介质施加向左的压力，形成所述第三受力面。

进一步的，所述第一腔室的截面积小于第二腔室，第一腔室与第二腔室之间形成第一台阶；插套外径小于环台的外径，插套与环台两者之间形成第二台阶，第二台阶的左端面用于与所述第一台阶的右端面挡止配合；第二台阶形成了第三活塞的限位结构，第一台阶形成了缸体中的阻挡结构。

进一步的，所述阀包括第一受控阀和第二受控阀，第一、第二受控阀均为两位三通阀；第一阀位时，所述第一受控阀连接泄压口和第一腔室，所述第二受控阀连接泄压口和第二腔室；第二阀位时，所述第一受控阀连接压力源和第一腔室，所述第二受控阀连接压力源和第二腔室。

本发明的一种活塞缸系统的控制方法，采用如上所述的活塞缸系统中的活塞杆从左位或右位到达中位的控制方法。

本发明的一种换挡系统，包括换挡执行机构、驱动连接换挡执行机构的活塞缸系统，所述活塞缸系统采用如上所述的活塞缸系统；所述活塞杆的左、中、右位对应换挡系统的1挡、空挡、2挡。

本发明的一种换挡系统摘挡控制方法，采用如上所述的活塞缸系统中的活塞杆从左位或右位到达中位的控制方法实现活塞杆从左位或右位到达中位，所述活塞杆的左、中、右位对应换挡系统的1挡、空挡、2挡，实现摘挡。

附图说明

图1是本发明的活塞缸系统的结构示意图；

图2是本发明的活塞缸系统的控制原理图；

图3是图1中的活塞缸中的活塞杆处于左位的简化示意图；

图4是图1中的活塞缸中的活塞杆处于中位的简化示意图；

图5是图1中的活塞缸中的活塞杆处于右位的简化示意图；

图6是活塞缸的另一种实施例的结构示意图；

图7是本发明的活塞缸系统驱动的换挡系统进行摘挡控制的控制方法流程图；

图8是本发明的活塞缸系统驱动的换挡系统在2挡时(第一电磁阀断电后，第一腔室泄压后)换挡定位钢球位置示意图；

图9是本发明的活塞缸系统驱动的换挡系统在2挡时(第一电磁阀断电前，第一腔室泄压前)换挡定位钢球位置及受力分析示意图；

图10是停车状态下换挡气缸漏气故障检测方法流程图。

图中：10-气源；2-活塞驱动单元；21-第三电磁阀；22-第一电磁阀；23-第二电磁阀；33-位移传感器；4-活塞缸；41-缸体；410-第一台阶；42-活塞；421-第一活塞；422-第二活塞；423-第三活塞；4230-第二台阶；4231-环台；4232-插套；43-第一腔室；44-第二腔室；45-活塞杆；451-定位槽；46-定位装置；461-换挡定位钢球；462-弹簧；51-活塞缸控制器；52-总线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

换挡系统及摘挡控制方法实施例：

本发明的活塞缸系统以及活塞缸应用于2挡AMT换挡系统的实施例，用于驱动车辆AMT(自动变速箱)的换挡执行机构完成换挡动作。AMT包括换挡执行机构以及活塞缸系统，自动变速箱的换挡控制器可以具备气缸控制器的功能，或者采用独立的气缸控制器，由换挡控制器控制连接。活塞缸的活塞杆传动连接换挡执行机构，换挡控制器或独立的气缸控制器(如图2所示，即活塞缸控制器51)采样连接活塞缸系统中的活塞缸及活塞缸驱动单元上的传感器(如图2所示，主要是位移传感器33)，还控制连接向活塞缸系统的驱动单元中的流体控制元件(如图2所示，第三电磁阀21、第一电磁阀22及第二电磁阀23)。

活塞缸系统如图1、图2所示，包括活塞缸4、活塞缸驱动单元2、活塞缸控制器51。活塞缸4用于向车辆的AMT(自动变速箱)的换挡执行机构提供直线位移驱动力，活塞缸4的输出端的直线位移与换挡执行机构的挡位变换直接对应，换挡执行机构的机械构造以及活塞缸输出端的传动结构均属于现有技术，不是本发明的改进内容，本发明的改进主要涉及的是活塞缸的构造及如何对活塞缸输出的直线位移的控制，适用本发明的活塞缸可以为液压缸或气压缸，即适用所有基本原理为通过外界压力源输入对应流体，在活塞缸腔室内建立压力，进而推动活塞运动的流体动力缸。本实施例下面以气动活塞缸(以下称之为气缸)作为实例对本发明进行说明。

如图1、图3～图5所示，本实施例中的活塞缸4为气缸，包括：缸体41、活塞杆45、定位装置46，第一活塞第三电磁阀1、第二活塞422、第三活塞423。缸体41左右各有一个腔室，分别为第一腔室43、第二腔室44，第一腔室43的截面积小于第二腔室44，第一腔室43与第二腔室44之间形成第一台阶410，第一台阶410为过渡台阶。

第一活塞421、第二活塞422固定连接在活塞杆45上，第一活塞421、第二活塞422、活塞杆45为同步运动。第一活塞421外周面与第一腔室43密封滑动配合，第一活塞421的左端面用于被第一腔室中的介质施加向右的压力，形成第一活塞421的第一受力面。

第三活塞423为套筒结构，第三活塞423内部具有套孔，活塞杆45及第二活塞422向右插入套孔中，第二活塞422与第三活塞423的套孔密封滑动配合，第二活塞422的右端面用于被第二腔室中的介质施加向左的压力，形成第二活塞422的第二受力面面。

第三活塞423外部具有左侧的插套4232和右侧的环台4231，插套4232外径小于环台4231的外径，两者之间形成第二台阶4230，该第二台阶4230的左端面用于与缸体41中的第一台阶410的右端面挡止配合，从而第二台阶4230形成了第三活塞423滑动路径上的限位结构，用于限制第三活塞的向左移动，与之相应的，第一台阶410形成了缸体41中的阻挡结构，阻挡结构的存在，使得第三活塞具有了向左移动的左极限位。插套4232向左插入第一腔室43中，插套4232的左端面用于向左与第一活塞421顶推配合，形成第三活塞423的顶推结构，第一活塞421向右移动时能够顶推第三活塞423向右移动，顶推结构的存在，使得第三活塞具有了向右移动的右极限位。环台4231外周面与第二腔室44滑动密封配合，第三活塞423的右侧具有环形端面，用于被第二腔室中的介质施加向左的压力，形成了第三活塞423的第三受力面，由于上述第三活塞423的顶推结构的存在，当第三活塞向左移动时能够顶推第一活塞421向左移动。

为了实现活塞杆45在左右方向的运动行程上有左、中、右三个设定位置。第一、二、三活塞的各个受力面被设定为：第一受力面的面积大于第二受力面；第一受力面的面积小于第二受力面和第三受力面的面积之和，而且由于上述的第三活塞423的顶推结构的动力传递作用、缸体41的阻挡结构(第一台阶410)和第三活塞423上的限位结构(第二台阶4230)的限位作用，使得活塞杆45能够左右移动并停留在左中右三个位置。具体的，活塞缸驱动单元2仅向第一腔室43中输入气体提供压力，能够在第一腔室43中建立压力，推动第一活塞421带动活塞杆45及第二活塞422向右运动，到达右位；或者活塞缸驱动单元2仅向第二腔室44中输入气体建立压力，第二活塞422推动第一活塞421和活塞杆45向左运动到达左位，第三活塞423则被缸体41的阻挡结构阻挡而处于其左极限位；而当第一、二腔室都输入相同压强的气体时，第三活塞423和第二活塞422虽然能够提供大于第一活塞421的推动力(第一受力面的面积小于第二受力面和第三受力面的面积之和)，但是由于第二活塞422自身不能推动第一活塞421向左运动(第一受力面的面积大于第二受力面)，而且第三活塞423被阻挡在其左极限位不能继续推动第一活塞42，从而使得活塞杆45能够停留在左位与右位之间的中位；而反过来，虽然第一活塞421自身能够推动第二活塞422向右运动(在从左位向中位移动的过程中)，但是在中位处，第一活塞421将被第三活塞422的顶推结构所阻挡，而不能继续推动第二活塞422向右运动(第一受力面的面积小于第二受力面和第三受力面的面积之和)。

并且，活塞杆45上设有左、中、右三个定位槽451，相应的，定位装置46包括弹簧462、被弹簧462弹性顶压的换挡定位钢球461，定位装置46的换挡定位钢球配合活塞杆45上的左、中、右三个定位槽对活塞杆45的移动位置进行限位，防止车辆作业情况下产生的倾斜、振动、加速度等使活塞杆移位导致挡位变动甚至损坏换挡机构。

活塞杆45移动行程上的三个位置，对应AMT的1挡、空挡、2挡。需要指明的是，本发明申请文件中所定义的“左、右”是指活塞缸输出的直线位移方向上的相对的位置关系，“中”是指左右之间的位置，而不是绝对的左右，换言之，当活塞缸被竖直放置时，活塞杆虽然可以被认为是上下移动，但此时活塞缸内的左、右相对位置关系仍然存在，而并不能认为左、右关系被改变为绝对的上、下。

第二腔室44与活塞杆45运动方向相对的缸壁上还设置有位移传感器33，具体可以为超声波测距传感器或者红外测距传感器。位移传感器33用于检测活塞缸工作过程中活塞杆45的位置，通过前后两次检测，可以得到活塞杆的位移，活塞杆的位移具体可以为，如图1中，第二腔室44内活塞杆45右侧端部到位移传感器33的距离；作为其他实施例，也可以在第一腔室43检测第一活塞421的位置，或者通过检测第二活塞422的位置，或者外置位移传感器检测活塞杆45的位移进而获得活塞杆45的位置。

活塞缸驱动单元包括气源10、第三电磁阀21、第一电磁阀22及第二电磁阀23。第一电磁阀22及第二电磁阀23分别连通设置在第一腔室43和第二腔室44上，活塞缸第一腔室43连通第一电磁阀22、第二腔室44连通第二电磁阀23，第一电磁阀22和第二电磁阀23均为两位三通常闭式电磁阀，即能够实现电磁阀通电打开时，使气缸腔室与气路气源相连，电磁阀关闭时，气缸腔室与大气相连。第一电磁阀22和第二电磁阀23的另一端通过气路24与第三电磁阀21的出口连通，第三电磁阀21的入口连接电气压源10，本实施例中第三电磁阀为两位两通常开式电磁阀，即非通电状态时其为通路，保证气压源10到两个腔室上的第一电磁阀22及第二电磁阀23的气路畅通，第三电磁阀21通电时关闭，使对应气路气密阻断，气压源10具体可以为气泵或者储气瓶。在本实施例中，第一电磁阀22及第二电磁阀23既是进气阀又是排气泄压阀，当然气缸腔室的泄压也可以通过其他的单独的阀门实现。

具体信号及控制原理图如图2所示，气缸控制器51与总线52相连，第三电磁阀21、第一电磁阀22、第二电磁阀23、位移传感器33依次挂接在总线52上，通过总线上传采集的活塞杆位置数据或者接收对应控制指令；作为其他实施例，也可以由控制器51依次单线控制或采集连接各电控阀和传感器。

采用换挡气缸的2挡AMT换挡系统的工作过程如下：

AMT变速机构具有1挡、2挡(具体应用中可以是高速挡和爬坡挡)及空挡三个挡位，作为上述的驱动换挡执行机构的活塞缸来说，活塞杆45也具有对应的左中右三个工位，分别可以通过定位装置46的换挡定位钢球配合定位槽进行限位。具体挡位如图3～5所示，图4中，活塞杆45处于全行程的中部位置，为空挡位置；图3中，活塞杆45处于全行程的靠左位置，为1挡位置；图5中，活塞杆45处于全行程的靠右位置，为2挡位置；换挡过程可分为空挡进1挡、空挡进2挡、1挡摘空挡和2挡摘空挡4个过程，下面对各个换挡过程的基本工作原理进行介绍。

1)空挡进1挡:如图1、图3、图4所示，第二电磁阀23开启，第二腔室44作为进气腔与高压气源连通，通入高压气体，第一电磁阀22关闭，第一腔室43与大气连通；第二腔室44建立气压后推动第二活塞422及活塞杆45向左移动，位移传感器33实时反馈活塞杆位移(位移能够反映换挡进程)，实现由图4空挡位置到图3中1挡位置的挂挡过程控制。整个挂挡过程的控制中，首先需要建立相应气压，克服定位装置46中弹簧的弹力，使换挡定位钢球从当前挡位对应的定位槽(即空挡的定位槽)中脱出，然后建立推动对应换挡执行机构(包括拨叉、同步齿、结合齿等)完成换挡的气压，直到换挡定位钢球进入1挡对应的定位槽中，完成挂挡。

2)1挡摘空挡:如图1、图3、图4所示，第一电磁阀22、第二电磁阀23均开启，第一腔室43、第二腔室44均作为进气腔与高压气源连通，通入高压气体并使得两个腔室中的气体压强相同；初始时第一活塞421自身能够推动第二活塞422向右运动(在从左位向中位移动的过程中)，但是在中位处，第一活塞421将被第三活塞422的顶推结构所阻挡，而不能继续推动第二活塞422向右运动(第一受力面的面积小于第二受力面和第三受力面的面积之和)。反过来，第三活塞423和第二活塞422虽然能够提供大于第一活塞421的推动力(第一受力面的面积小于第二受力面和第三受力面的面积之和)，但是由于第二活塞422自身不能推动第一活塞421向左运动(第一受力面的面积大于第二受力面)，而且第三活塞423被阻挡在其左极限位不能继续推动第一活塞421，从而使得活塞杆45能够停留在左位与右位之间的中位，同时配合定位装置46，在腔室泄压后使活塞杆45及换挡执行机构停在空挡挡位上。

3)空挡进2挡的过程与空挡挂1挡的过程相反，如图1、图4、图5所示，第一腔室43为进气腔，第二腔室44中没有气压，因而第三活塞423及第二活塞422并不能阻挡第一活塞421带动活塞杆45向右运动达到右位。

4)2挡摘空挡的过程与1挡摘空挡的过程原理相类似，仅介绍其原理：第一腔室43、第二腔室44均为进气腔，由于第三活塞423和第二活塞422能够提供大于第一活塞421的推动力(第一受力面的面积小于第二受力面和第三受力面的面积之和)，但是由于第二活塞422自身不能推动第一活塞421向左运动(第一受力面的面积大于第二受力面)，而且第三活塞423被阻挡在其左极限位不能继续推动第一活塞421，从而使得活塞杆45能够停留在左位与右位之间的中位。

根据上述本发明的活塞缸驱动挂挡工作过程的描述，当本发明的变速箱回空挡时，即气缸活塞杆45回中间工位时，第一电磁阀22和第二电磁阀23同时开启，第一腔室43和第二腔室44同时进气，推动活塞杆45向中间移动，位移传感器33实时检测活塞杆45位移值，当根据位移值判断达到空挡位置时(空挡时对应一个活塞杆位移值，根据该位移值可得知已进入空挡)，关闭第一电磁阀22和第二电磁阀23(常闭式的第一电磁阀22和第二电磁阀23断电关闭后，上游气路阻断，两个腔室与大气连接，气缸泄压)。由于第一腔室43和第二腔室44形状的差异，第二腔室44比第一腔室43的容积大，如果第一电磁阀22和第二电磁阀23同时关闭，第二腔室44的压力下降速率比第一腔室43的慢，压力差会推动第二活塞422带动活塞杆45(气缸轴)向左移动，出现位置变动，导致脱离空挡位置，反映出难以摘挡或者摘挡时出现跳挡的问题。

针对上述问题，本发明提出如下摘挡控制方法，设定第二电磁阀23先断电关闭(容积较大的第二腔室44首先开始泄压)，延迟时间t后，第一电磁阀22关闭(容积较小的第一腔室43延迟泄压)，最终使两个腔室泄压过程中的气压差不超过一定值(两个腔室的气压分别作用在第一受力面和第二受力面上时，产生的合力小于克服定位装置46产生的限位力即可)，即可保证第一电磁阀22和第二电磁阀23关闭，腔室撤气气缸泄压过程中活塞杆停留在空挡位置，初始延迟时间t可以通过变速箱或气缸下线标定确定。

本发明的摘挡控制方法中，回空挡时的延迟时间t在每次摘挡控制过程中，会根据撤气泄压过程中活塞杆45的位移波动量，进行自我修正，延迟时间t的数值可以直接反应电磁阀1和2的排气状态，如果达到预警的范围，则在仪表提醒检修电磁阀排气，如果延迟时间达到故障范围，则仪表报故障，要求检查对应电磁阀是否存在故障，例如排气口堵塞或阀芯卡滞无法回位。

具体的，如图7所示，图中t为变速箱摘挡下线标定后TCU中设定的第一电磁阀22关闭延迟时间；t1为可实现摘挡逻辑中时间t的上限值，t2为可实现摘挡逻辑中时间t的下限值，如果t2<t<t1，则变速箱可以完成摘挡不会在摘空挡后出现跳挡的情况，否则会判定为电磁阀排气故障，需检修电磁阀排气，排除故障后方可恢复使用。t10为提醒检修的时间t的上限值，t20为提醒检修的时间t的下限值，如果t20<t<t10，认定属于正常状态；若t2<t<t20或t10<t<t1则会认为电磁阀排气存在异常，需要注意检查，但未到达报故障，会提醒检查电磁阀排气，变速箱依然能完成摘挡。

因此，本发明的换挡系统摘挡控制方法，能够避免摘挡后活塞杆偏移导致跳挡；同时能够在线校准第一电磁阀22的关闭延迟时间t；还能根据关闭延迟时间t在线诊断故障。具体包括如下步骤：

1)收到摘空挡指令后，第一电磁阀22和第二电磁阀23通电打开，第一腔室43和第二腔室44与气源连通。

2)TCU根据第一电磁阀22和第二电磁阀23所在的回路中的电压电流，判断是否在电路故障(短路/开路)；如果有则关闭第一电磁阀22和第二电磁阀23，同时报第一电磁阀22或第二电磁阀23电路故障，提示检查对应电磁阀电路，如果无电路故障，则通过活塞杆位移判断是否达到空挡。

3)空挡位移判断中，如果未达到空挡位移，则重新关闭第一电磁阀22和第二电磁阀23并重新尝试步骤1)、2)、3)，尝试设定次数后报回空挡失败故障，同时提示需停车进行换挡气缸漏气故障检测，换挡气缸漏气故障检测将在下面进行介绍；如果达到空挡位移，则进入下一步气缸泄压。

4)气缸泄压中，首先断电关闭第二电磁阀23，延迟时间t后断电关闭第一电磁阀22，此时气缸泄压完毕，第一腔室43和第二腔室44中均无气压，此时通过位移传感器33判断活塞杆位移是否为空挡状态，如果是则回空挡成功，如果否则进入故障在线诊断、延迟时间t自我修正步骤。

5)故障在线诊断、延迟时间t自我修正过程中，首先，未达到空挡位移表明在腔室撤气过程中，在第一电磁阀22延迟时间t关闭的状态下，第一腔室43和第二腔室44气压下降的不同速率导致出现过大的气压差，产生推力破坏活塞组的平衡，克服定位装置46的阻力，导致第一活塞421或第二活塞422被推动，最终导致活塞杆位移，挡位未能回空；出现此种情况时，根据位移值判断活塞杆偏移的方向，然后对延迟时间t进行修正并诊断是否存在异常或故障。

修正过程具体包括，①如果S0-S>0，其中S0为空挡位移，S为当前位移，即活塞杆偏向第二腔室44，则说明泄压过程第一腔室43的气压在撒气过程中超过第二腔室44的气压过多(第一电磁阀22延迟关闭的延迟时间过长，也就是说第一电磁阀22可能存在排气不畅的问题，导致第二腔室44正常排气泄压，而第一腔室43泄压变慢了)，因此需要提前断电关闭第一电磁阀22(关闭电磁阀后腔室与大气连通撒气)，则修正将t＝t-1(修正t时每次的修正量可以根据实际情况设置)，修正后判断t是否达到报故障的范围(t<t2)，如果达到则表明第一电磁阀22排气故障，报故障提示检修；如果未达到报故障的范围，则判断是否达到预警的范围(t<t20)，如果是则表明第一电磁阀22排气异常，提醒进行保养检查，并按照新的延迟时间t通电打开第一电磁阀22和第二电磁阀23进行再次摘挡；如果否则直接按照新的延迟时间t通电打开第一电磁阀22和第二电磁阀23进行再次摘挡。以上过程为延迟时间t的修正及第一电磁阀22的故障检测。

②第二电磁阀23的故障检测与以上原理基本相同。具体的，如果S0-S<0，其中S0为空挡位移，S为当前位移，即活塞杆偏向第一腔室43，说明第二腔室44压力下降速率低撒气慢，可能是第二电磁阀23排气口存在堵塞，需要增加延迟时间t让第二腔室44多撒气一会，则修正将t＝t+1(修正t时每次的修正量可以根据实际情况设置)，修正后判断t是否达到报故障的范围(t>t1)，如果达到则表明第二电磁阀23排气故障，报故障提示检修；如果未达到报故障的范围，则判断是否达到预警的范围(t>t10)，如果是则表明第二电磁阀23排气异常，提醒进行保养检查，并按照新的延迟时间t通电打开第一电磁阀22和第二电磁阀23进行再次摘挡；如果否则直接按照新的延迟时间t通电打开第一电磁阀22和第二电磁阀23进行再次摘挡。

至此，带有故障检测和自我修正的变速箱摘挡过程结束。

下面对本发明的换挡系统摘挡控制方法步骤3)中提到的换挡气缸漏气故障检测方法进行详细介绍。

变速箱换挡机构从空挡到各挡位的挡位死点之间允许活塞杆45的位移量，比图1中活塞杆45上对应的定位槽451(决定了挡位定位)之间的位移量大ΔS。挡位死点为换挡机构对应挡位的挡止结构允许运动部件到达的位移最大点；挡止结构为：换挡机构中的为了防止运动部件(例如拨叉、结合齿)过度移动而导致相关部件的损坏所设置的阻挡或限制运动部件极限位移的挡止结构。举例来说，换挡机构中，从空挡到1挡时活塞杆45的允许移动距离由换挡机构中1挡的挡止结构决定，而实际挂挡过程由于气缸定位装置46的存在，换挡定位钢球461会迫使活塞杆45停留在所在挡位的定位槽451与换挡定位钢球461所对应的位置上(该位置即为对应挡位的挡位定位)，显然活塞杆45在这个位置(挡位定位)到对应挡位挡止结构阻挡时的位置(挡位死点)之间还会存在一定的旷量或余量，以保证定位装置46中换挡定位钢球461的顺利稳定的卡入对应定位槽451，而这个旷量或余量的大小为ΔS。或者说，如图8所示，换挡机构从空挡挂入1挡时换挡机构活动部件允许活塞杆45的最大移动距离为a，空挡所对应的中间的空挡定位槽451-2到1挡所对应的右边的一挡定位槽451-3之间的距离(空挡的挡位定位到1挡的挡位定位之间的距离)为b，则a-b＝ΔS。

具体的，图8示出了挂2挡撤气后换挡定位钢球461卡入活塞杆上2挡对应的二挡定位槽451-1的状态。而图9所示的是，当进2挡的第一电磁阀22开启后，第一腔室43通气建立气压，克服了一定定位装置46产生的阻力，推动活塞连同活塞杆产生向右运动趋势，此趋势下活塞杆带动换挡机构中相关运动部件，继续位移ΔS后被2挡挡位的挡止结构阻挡时，定位装置46的状态；可以看出此时由于活塞杆45向右(2挡方向)多运动了旷量中ΔS的位移，换挡定位钢球461相比图8中2挡撤气泄压后的状态。由于换挡定位钢球461仅能在竖直方向上运动，因此活塞杆45右移后二挡定位槽451-1相对换挡定位钢球461向右产生一定偏移，导致换挡定位钢球461在弹簧462竖直向下的作用力F下，顶压在二挡定位槽451-1左侧侧壁的45°斜面上，对活塞杆45产生水平向右大小为F·tan45°的分力，该分力可以实现挡位的锁紧，另外换挡气缸建立气压时产生的对活塞的推动力显然会大于这个分力(否则定位钢球不能脱离定位槽，无法换挡)，同时这个分力在气缸泄压后会使活塞杆反向移动ΔS的距离，使换挡定位钢球461完全进入对应挡位的定位槽451(恢复到图8的状态)，锁紧挡位完成换挡过程。

图8所示的状态为挂入2挡后气缸泄压的状态，此时位移传感器33的示数是S2，即2挡位移值；图9所示的状态为挂入2挡后气缸未泄压，即第一电磁阀22未断电关闭，第一腔室43仍然维持换挡压力的状态，此时位移传感器33的示数是S3，即活塞杆推动换挡机构动作部件被该挡位挡止结构阻挡时的活塞杆位移；此时第一电磁阀22断电关闭，第一腔室43与气源10断开同时连通大气，活塞杆45失去换挡力的推动，在F·tan45°的分力作用下，活塞杆45从图9状态恢复到图8状态，位移传感器33的示数会从S3变为S2，变化了ΔS。利用该原理，第一电磁阀22通电开启后(第一腔室43建立换挡气压)，常开式第三电磁阀21通电关闭(气路断开)，第一腔室43和气路24中维持气密。如果无漏气故障，第一腔室43中的气压会保持不变，活塞杆45始终受到换挡力作用，位移传感器值也会保持S3；如果存在漏气故障，第一腔室43中的气压会逐渐降低至大气压，活塞杆45上的换挡力逐渐降低至低于F·tan45°，位移传感器值会从S3变为S2。

根据上述特点和原理，本发明还提出一种停车状态下换挡气缸故障检测方法(活塞缸密封性能检测方法，对活塞缸的气密性进行检测，寻找是否存在漏气故障)，该方法适用于摘挡困难无法摘挡等故障情况(气缸活塞难以回到中间位置)的检测排查，如图10所示，具体包括如下步骤：

1)手动触发换挡气缸漏气故障检测后，第一电磁阀22和第二电磁阀23开启，然后根据第一电磁阀22和第二电磁阀23所在的回路中的电压电流，判断电磁阀1或2是否有电路故障，如果有则报出，需检修对应的电磁阀的线路，如果无电路故障，则进入步骤2)。

2)第一电磁阀22和第二电磁阀23开启后，气缸活塞杆45应当受驱朝向空挡位置移动，步骤2)中根据位移传感器33判断活塞杆45是否达到空挡位移，若达到空挡位移，则认为气缸整体气密性良好，不存在故障。

若未达到空挡位移，则根据实际位移判断活塞杆的偏移方向，①如果S0-S>0，其中S0为空挡位移，S为实际位移，则说明活塞杆45位移偏向第二电磁阀23(第二腔室44)的一侧，说明第二腔室44气压不足，可能存在漏气的问题，需要进一步检测；②如果S0-S<0，则说明活塞杆45位移偏向第一电磁阀22(第一腔室43)的一侧，说明第一腔室43气压不足，可能存在漏气的问题，需要进一步检测。两个腔室的检测原理相同，检测方法相照应，下面就以②第一腔室43的进一步检测为例来详细说明。

3)②第一腔室43的漏气检测，当前在步骤1)、2)操作下第一电磁阀22和第二电磁阀23均为开启状态，活塞杆45偏向第一腔室43一侧，此时首先断电关闭第二电磁阀23，第二腔室44连通大气泄压，此时只有第一电磁阀22通电开启，第一腔室43存在换挡气压，判断活塞杆45位移是否变化，如果没有说明第一电磁阀22虽然通电，但阀芯未正常开启，报第一电磁阀22卡滞故障，需检修阀芯，检测到此结束。

如果位移变化并挂入2挡，则因换挡气压维持活塞杆45的换挡力，因此此时活塞杆45达到2挡最大位移，受到挡止结构阻挡而停止，记录此时活塞杆位移值S3；然后常开式第三电磁阀21通电关闭，切断气路，第一腔室43与气路24成为封闭的气密空间，保持设定时间后，记录此时的活塞杆位移值S2，如果|S3-S2|≥ΔS，则表明上述气密空间并不气密存在漏气，导致气压降低未能维持换挡力，活塞杆45在F·tan45°作用力下发生了位移，需检查第一电磁阀22、第一活塞421与缸体41之间的气密性及气路24在第二电磁阀23关闭状态下的气密性。

否则认为第一腔室43密封良好，可能是执行机构或气缸内部卡滞导致无法回到空挡，需进行相关检查。

第二腔室44的检测与第一腔室43的相同，此处不再赘述。

以上换挡气缸漏气故障检测过程中由于需要尝试进行挂挡操作，因此为了行车安全需要停车后，手动触发仪表组合按键，进入故障检测程序，最终检测结果会在仪表盘上显示出来。

至此，换挡气缸密封性能检测方法过程结束。

本方案设置延迟时间使两个腔室先后开阀泄气，防止产生压产导致活塞偏移；同时利用控制算法实现延迟时间的自动在线修正，提高气路系统适应性，实现电磁阀阀芯卡滞、阀芯漏气、排气口堵塞和气缸漏气等故障诊断；进而根据延迟时间反馈电磁阀泄压口状态，提前预判故障，提醒检修，减少故障对车辆运营的影响。

活塞缸系统及活塞缸系统控制方法实施例：

本发明的活塞缸系统的实施例以及活塞缸系统的控制方法的实施例，采用上述换挡系统实施例中的活塞缸和摘挡控制方法实施例中的活塞缸控制方法，其结构和控制方法不再赘述。

本发明的活塞缸系统可以通过活塞的受力运动，推动或拉动活塞杆，进而再通过活塞杆带动下游结构部件运动，完成运动和力的传递，实现相关操动机构的驱动操作，而并不限于AMT换挡系统。

活塞缸实施例2：

本发明的活塞缸的另一种实施例，与以上实施例中的活塞缸的不同之处仅在于，如图6所示，其活塞42为单体的结构，活塞42的左端面为第一受力面，右端面为第二受力面，活塞42的右部分的截面小于左部分的截面，即本实施例中的活塞42相当于以上实施例中的第一活塞421和第二活塞422，活塞42的右部分插入第三活塞中。

本实施例中的活塞缸也可以驱动AMT换挡机构采用以上实施例的摘挡控制方法实现摘挡，同时进行在线校准延迟时间t，并进行在线故障诊断；还可以进行以上实施例中的换挡气缸漏气故障检测。

因此，需要指明的是，本发明中的“第一活塞和第二活塞”既可以是活塞杆上的两个活塞，也可以是活塞杆上的一个活塞的两个部分。

Claims (9)

1.一种活塞缸系统，包括活塞缸、活塞缸驱动单元以及连接所述活塞缸驱动单元的控制器；其特征在于，

所述活塞缸包括：活塞杆、缸体，第一活塞、第二活塞、第三活塞；所述活塞杆沿设定的轴线左右移动而具有设定的左、中、右三个位置；第一活塞、第二活塞与活塞杆固定；所述缸体包括左右分布的第一腔室、第二腔室；

所述第一活塞包括第一受力面，用于被第一腔室中的介质施加向右的压力，第一活塞滑动装配于第一腔室中；

所述第二活塞包括第二受力面，用于被第二腔室中的介质施加向左的压力；

所述第三活塞包括第三受力面，用于被第二腔室中的介质施加向左的压力；所述第三活塞上设有限位结构，所述缸体中设有阻挡结构，限位结构用于与缸体中的阻挡结构配合，以使第三活塞被阻挡不能向左移动；第三活塞左右移动，具有左极限位和右极限位；所述第三活塞为套筒结构，所述活塞杆及第二活塞向右插入套孔中，第二活塞与套孔密封滑动配合；第三活塞包括左侧的插套和右侧的环台，所述插套向左插入第一腔室中，插套上设有顶推结构，用于向左与第一活塞顶推配合，顶推结构用于顶推第一活塞向左移动或者用于被第一活塞向右顶推而带动第三活塞移动至右极限位；所述环台的外周面与第二腔室滑动密封配合；所述限位结构与阻挡结构配合时第三活塞处于左极限位并对应活塞杆的中位或左位；活塞杆处于右位时对应第三活塞处于右极限位；

所述第一受力面的面积大于第二受力面，第一受力面的面积小于第二受力面和第三受力面的面积之和；所述第二腔室容积大于第一腔室；

所述活塞缸驱动单元包括：压力源、阀；压力源能够与第一、二腔室连通，向第一、二腔室中输入一定压力的流体；阀受所述控制器控制，用于控制压力源到第一、二腔室的流体通道的连通和关断，以及第一、二腔室的泄压；位置传感器用于检测活塞杆的位置；

所述控制器执行指令以如下控制方法实现活塞杆从左位或右位到达中位：

1)向第一腔室和第二腔室同时通入带有压力的流体；将第一、二腔室中容积大的腔室定义为大腔室，另一个为小腔室；

2)当检测到所述活塞杆到达中位，首先控制大腔室泄压，延迟设定时间后控制小腔室泄压；

3)第一、二腔室泄压完毕后，再次检测所述活塞杆是否还在中位，若仍在中位，结束；

若不在中位，则基于当前位移与中位位移的比较判断所述活塞杆偏向哪个腔室；

4)若偏向小腔室，则将设定时间延长一个单位时间；若偏向大腔室，则将设定时间缩短一个单位时间；然后回到步骤1)。

2.根据权利要求1所述的活塞缸系统，其特征在于，活塞杆从左位或右位到达中位的控制方法中，还包括泄压故障预警；在步骤4)中，当设定时间延长一个单位时间后，超过设定上限，则提示大腔室泄压异常；当设定时间缩短一个单位时间后，低于设定下限，则提示小腔室泄压异常。

3.根据权利要求1所述的活塞缸系统，其特征在于，步骤2)中，若活塞杆不能到达中位，则进行活塞缸密封性能检测。

4.根据权利要求1所述的活塞缸系统，其特征在于，所述第三活塞的环台的右侧具有环形端面，用于被第二腔室中的介质施加向左的压力，形成所述第三受力面。

5.根据权利要求1所述的活塞缸系统，其特征在于，所述第一腔室的截面积小于第二腔室，第一腔室与第二腔室之间形成第一台阶；插套外径小于环台的外径，插套与环台两者之间形成第二台阶，第二台阶的左端面用于与所述第一台阶的右端面挡止配合；第二台阶形成了第三活塞的限位结构，第一台阶形成了缸体中的阻挡结构。

6.根据权利要求1所述的活塞缸系统，其特征在于，所述阀包括第一受控阀和第二受控阀，第一、第二受控阀均为两位三通阀；第一阀位时，所述第一受控阀连接泄压口和第一腔室，所述第二受控阀连接泄压口和第二腔室；第二阀位时，所述第一受控阀连接压力源和第一腔室，所述第二受控阀连接压力源和第二腔室。

7.一种活塞缸系统的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1～6任一项所述的活塞缸系统中的活塞杆从左位或右位到达中位的控制方法。

8.一种换挡系统，包括换挡执行机构、驱动连接换挡执行机构的活塞缸系统，其特征在于，所述活塞缸系统采用如权利要求1～6任一项所述的活塞缸系统；所述活塞杆的左、中、右位对应换挡系统的1挡、空挡、2挡。

9.一种换挡系统摘挡控制方法，其特征在于，采用如权利要求1～6任一项所述的活塞缸系统中的活塞杆从左位或右位到达中位的控制方法实现活塞杆从左位或右位到达中位，所述活塞杆的左、中、右位对应换挡系统的1挡、空挡、2挡，实现摘挡。