一种推土机电控换档控制与档位状态监测装置的制作方法

本实用新型涉及工程机械领域，尤其是一种推土机电控换档控制与档位状态监测装置。

背景技术：

液力机械型推土机的变速箱为行星式变速箱，由五个档位组成，即五个齿轮排，每个齿轮排代表一个档位。下图1为现有技术中某变速箱的结构简图，字母R下面的一竖排即为后退档的齿轮排，同样，F为前进挡齿轮排，Ⅲ为三档齿轮排，Ⅱ为二档齿轮排，Ⅰ为一档齿轮排。每个行齿轮最外侧内齿圈通过离合器与变速箱壳体相连接，在离合器不结合时，变速箱不输出动力。在某一离合器结合时，该离合器连接的行星排参与动力传递。如下图2所示，为该款变速箱挂前进二档时的状况，此时，前进档离合器和二档离合器被压紧，变速箱按照前进二档的传动比将发动机输入的动力输出给后一级传动系统。因此，推土机的换挡操作需要将驾驶员的操作动作换成压紧对应档位离合器的动作。

传统推土机一般通过操纵机构和变速阀配合，将带有压力的油液引入到变速箱内，用油液压紧离合器。

具体实现方式如下图2：

压紧过程中，变速阀过来的压力油通过油缸体1的油腔作用到活塞2上，活塞2将钢片3和摩擦片4压紧在一起，钢片3和摩擦片4通过摩擦力结合在一起。由于钢片3通过销轴5和油缸体1固定在一起（油缸体1与变速箱箱体固定在一起），摩擦片4通过齿形结构和齿圈6结合在一起，故压紧时，齿圈6固定。此时，齿圈6所在齿轮排参与动力传递。

松开时，变速阀将油腔内的有泄掉，油腔内压力下降，复位弹簧7将活塞顶开，钢片3和摩擦片4分离，齿圈6回复自由状态，不传递动力。

通过以上分析，则实现变速箱换挡的最关键的部分则是如何将驾驶员的操作转换为变速箱各档位离合器油腔内的充油、泄油动作。

传统液力机械型推土机产品是通过机械操纵连杆连接机械式变速阀的方式实现。驾驶员操作机械连杆拉动机械式变速阀上的阀芯，实现对不同档位离合器油腔的充泄油。目前这种方式正在被以电控变速阀为核心的电控式换挡系统所取代。

因此，目前很多公司或企业也针对上述情况作出了很多改进，例如：在现有的电控式换挡系统中就涉及到了一种如图3所示的技术方案：

如图3所示：

通过控制器控制比例阀给档位离合器充油，实现推土机的换挡控制，V1-V5代表了五个比例阀，Cl1-Cl5代表了变速箱五个档位离合器，U1代表了控制器。但是，该技术方案仍然存在诸多不足：没有驾驶员操作信息采集,推土机何时进行换挡操作，完全是由驾驶员的操作决定的，并没有驾驶员换挡操作信息采集的部分；没有当前档位显示,机械操纵杆各个档位都有卡位，在操纵杆卡位的位置，会标出当前的档位，而电子手柄进行操纵的时候，手柄本体上并没有相关标示，必须借助别的方式来显示当前车辆的档位状态；没有压力反馈，根据文献：刘钊, 陆军伟, 姚俊. 推土机电操纵换挡过渡过程的油压分析与试验[J]. 土石方机械与施工技术, 2006, (11):53-55可知在换挡过程中，档位离合器内的压力按照下图4离合器换挡过渡过程压力变化。如图4中所示：其中，在c-d阶段，为充油开始段，在这段时间里，油液充满从阀到离合器油缸体油腔的所有空间，包含各类油道；充满了之后，才能进行后面的压力调节。然而，c-d阶段究竟需要多长时间是不确定的。在没有压力反馈的情况下，只能给c-d阶段一个固定时间，为了保证c-d阶段在给定的时间内能充满（通常会根据大量的实验数据确定，该时间要大于实验中最长的时间），则c-d阶段的时间会留得比较长，导致换挡过渡过程时间过长。而有了压力反馈，控制器就能通过压力检测能知道c-d阶段是在什么时候结束的（即d点的位置），从而尽快启动后面的压力调节过程，缩短换挡过渡过程，压缩换挡时间，提高换挡品质。

综上可知，现有的推土机在进行工作时其档位控制存在较多的不足，无法有效地采集实时数据和档位信息，无法有效的监测整个设备的驱动以及传动部件的工作状态，无法准确的把握车辆工况信息，在车辆发生故障时不能够很好的进行接收信息，因此现有的推土机档位控制方式无法准确有效地有效地满足工程使用时的需求。

技术实现要素：

本实用新型提供的一种推土机电控换档控制与档位状态监测装置，结构设计合理、可以实现根据外接负载自动降低档位，预先设置默认初始档位等多种档位控制功能，使推土机更加智能化，能够较为准确的把握车辆运行中的额运行状态变化，能够准确有效地有效地满足工程使用时的需求，解决了现有技术中存在的问题。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种推土机电控换档控制与档位状态监测装置，包括一控制器，所述控制器分别通过通信线路与一控制手柄、显示器的端口进行信号相连；在控制器的一侧设有一压力供油部件，所述压力供油部件与离合器档位端相连；在压力供油部件与离合器档位端之间设有感应传导部件；所述离合器档位端包括F档、R档、III档、II档、I档；所述感应传导部件包括前进挡压力传感器、后退档压力传感器、三档压力传感器、二档压力传感器、一档压力传感器，所述各压力传感器的压力接口分别与其对应位置上的F档、R档、III档、II档、I档的对应的离合器油腔相接通；各压力传感器的信号反馈端口分别通过信号线路与所述控制器相连。

所述F档为前进挡离合器、R档为后退档离合器、III档为三档离合器、II为二档离合器、I档为一档离合器。

所述压力供油部件包括若干个分别与对应位置上的F档、R档、III档、II档、I档油路相连的前进挡比例阀、后退档比例阀、三档比例阀、二档比例阀、一档比例阀；所述各比例阀的控制端口分别通过驱动线路与所述控制器相连。

所述控制器的型号为力士乐RC12-10；显示器型号为PV780。

所述力士乐RC12-10控制器的电压模拟量输入端口引脚与控制手柄的前进后退感应电位计相连；控制器的各开关量输入端口引脚分别与所述控制手柄的加档按钮和减档按钮相连。

所述力士乐RC12-10控制器的CAN总线结构引脚与所述显示器通信连接。

所述力士乐RC12-10控制器的各比例量输出端口引脚分别与所述各比例阀对应连接；控制器的各电流量输入端口引脚分别与各压力传感器相连；所述各压力传感器均为电流型传感器。

本实用新型所具有的有益效果是，结构设计合理、本申请利用控制器采集驾驶员的换挡操作信息，将换挡操作信息转换成了推土机的变速箱对应离合器的充油、泄油动作，完成了推土机的电控换挡过程。

相比传动机械连杆式换挡操纵，本申请采用的方案中，电子手柄的操纵力小，操纵机构连接为电线连接，柔性好，安装和维护方便。

控制器将当前档位信息通过通信发送给显示器，可以准确的将当前档位显示给驾驶员。保证驾驶员对推土机的工作状态有准确的把握，保证推土机作业的效率。

在各个档位离合器上安装的压力传感器可以给控制器提供压力数据。控制器通过压力数据可以精确控制档位离合器接合的过程，缩短换挡的时间，保证推土机行走的连续性。同时，控制器读取到的压力数据可以通过通信发送给显示器。维修人员在读取档位压力信息时，可以不用外接压力表的方式读取档位压力，而是在显示器上调出相关界面就可以直接读取。

此外，控制器有了压力数据和当前档位信息，就可以监控档位离合器内的压力是否正常，在压力过高过低时，就可以发送故障信息给显示器。驾驶员读到故障信息后，及时停止工作，进行故障排查，可以有效保护推土机、延长推土机的使用寿命。

以此系统为基础，可以实现根据外接负载自动降低档位，预先设置默认初始档位等多种档位控制功能，使推土机更加智能化；能够较为准确的把握车辆运行中的额运行状态变化，能够准确有效地有效地满足工程使用时的需求，解决了现有技术中存在的问题。

附图说明

图1为现有技术中某变速箱的结构简图。

图2为现有技术中变速箱挂前进二档时的情况。

图3为离合器的压紧示意图。

图4为离合器的松开示意图。

图5为现有技术方案的结构示意图。

图6为离合器换挡过渡过程压力变化状态示意图。

图7为本实用新型的连接结构示意图。

图8为本申请中推土机换挡操纵手柄主视图。

图9为本申请中推土机换挡操纵手柄侧视图。

图10为本申请中比例阀的结构图。

图11为本申请中比例阀的原理图。

图12为本申请中的电气连接图。

图13为比例阀与压力传感器的安装位置示意图。

图中，1、控制手柄； 2、显示器；3、控制器； 4、前进挡比例阀； 5、前进挡压力传感器；6、后退档比例阀；7、后退档压力传感器；8、三档比例阀；9、三档压力传感器；10、二档比例阀；11、二档压力传感器；12、一档比例阀；13、一档压力传感器。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本实用新型进行详细阐述。

如图7和12中所示，一种推土机电控换档控制与档位状态监测装置，包括一控制器3，所述控制器3分别通过通信线路与一控制手柄1、显示器2的端口进行信号相连；在控制器3的一侧设有一压力供油部件，所述压力供油部件与离合器档位端相连；在压力供油部件与离合器档位端之间设有感应传导部件；所述离合器档位端包括F档、R档、III档、II档、I档；所述感应传导部件包括前进挡压力传感器5、后退档压力传感器7、三档压力传感器9、二档压力传感器11、一档压力传感器13，所述各压力传感器的压力接口分别与其对应位置上的F档、R档、III档、II档、I档的对应的离合器油腔相接通；各压力传感器的信号反馈端口分别通过信号线路与所述控制器3相连；驾驶员对控制手柄1的操作被读入控制器3，控制器3识别驾驶员通过控制手柄1当前使推土机处于哪个档位。

控制器3确定了当前处于哪个档位后，将当前档位信息通过通信线路发送给显示器2，显示器2将当前档位显示给驾驶员。

当控制器3检测到驾驶员操作使当前档位发生变化时，就需要给发生变化的相应档位的离合器油腔进行充油或泄油。

所述F档为前进挡离合器、R档为后退档离合器、III档为三档离合器、II为二档离合器、I档为一档离合器。

所述压力供油部件包括若干个分别与对应位置上的F档、R档、III档、II档、I档油路相连的前进挡比例阀4、后退档比例阀6、三档比例阀8、二档比例阀10、一档比例阀12；所述各比例阀的控制端口分别通过驱动线路与所述控制器3相连。

所述控制器3的型号为力士乐RC12-10；显示器2型号为PV780。

所述力士乐RC12-10控制器3的电压模拟量输入端口引脚与控制手柄1的前进后退感应电位计相连；控制器3的各开关量输入端口引脚分别与所述控制手柄1的加档按钮和减档按钮相连。

所述力士乐RC12-10控制器3的CAN总线结构引脚与所述显示器2通信连接。

所述力士乐RC12-10控制器3的各比例量输出端口引脚分别与所述各比例阀对应连接；控制器3的各电流量输入端口引脚分别与各压力传感器相连；所述各压力传感器均为电流型传感器。

使用时，以从空档换到前进一档为例进行说明：

当手柄信号显示驾驶员由空档换到了前进一档时，控制器驱动前进挡（即图5中的F）对应的比例阀4和一档（即图5中的Ⅰ）对应的比例阀12按照图4所示的压力变化规律将P口的压力油充入档位离合器油腔。控制器以压力传感器5和压力传感器13作为反馈，来确认前进挡和一档分别是什么时候完成图4所示的c-d段充油过程。然后，控制器控制两个档位的压力进入后面的压力变化阶段。压力变化完成后，前进挡的比例阀4和一档的比例阀12维持两个档位的压力保持在图4的压力最高的位置（g-b段的压力），保证推土机变速箱中，前进挡和一档对应的齿轮排参与传动。

当控制器检测到驾驶员操作换挡时，被换出的相关档位由控制器驱动比例阀进行泄油。例如由前进一档换至前进二档时，一档离合器油腔的油会在比例阀4的控制下泄走，从而保证一档分离，为二档的结合提供保证，防止两个档位离合器的齿轮排之间发生运动冲突。

变速箱五个档位的压力信息由各自的压力传感器，即图5中的5、7、9、11、13转换成电信号输入给控制器3。控制器3将各个档位的压力数值通过通讯线路传送给显示器2。在维修人员需要检测档位压力来进行故障排查时，维修人员可以从显示器2上调出压力参数显示界面，实时监控各档位离合器压力的变化，从而方便故障排查，即时锁定故障原因，保障推土机的使用。

本方案中的控制器具有以下的特性：

1）开关量输入

可以识别按钮类型开关量的输入。

2）模拟量输入

可以识别电压、电流等类型模拟量的输入。

3）比例量输出

比例量输出端口用于驱动比例阀。目前常用的比例输出为电流型比例输出，即输出电流的大小可以由程序控制。

4）总线通信

为了减少部件之间的连线，目前各类移动式机械，包括汽车在内，大量使用总线通信，本发明所使用的控制器力士乐RC12-10有CAN总线通信的能力。

5）程序编制

控制器可以根据控制要求，编制相关程序，完成传感器、手柄的等部件的信息读取；并能通过控制程序，识别驾驶员的意图，并将驾驶意图转换为比例阀的控制信号；还能将传感器检测到的压力数据通过CAN总线信息的形式发送给显示。

控制器的这些特征是为了和其它部件连接时能够读取手柄和传感器的信息，驱动比例阀，并与显示器进行通信。

如图6所示，本申请中的控制手柄具有以下特征：

1）行驶方向的识别

如图9所示，手柄在工作的时候，有三个位置F、N、R，分别对应前进、空挡、后退。手柄的三个位置需要具有卡位功能，例如从N往前稍微用力推一下手柄，手柄就会移动至F并停留在该位置。手柄本身需要能够将手柄的位置通过电位计转换成控制器可以识别的模拟量信号。

2）两个自复位按钮

手柄上的两个按钮，如图8所示，为加档、减档。在手柄从N推到F或拉到R时，车辆进入前进一档或后退一档。这之后的换挡需要用按钮进行操作。按一下加档按钮，当前档位小于前进三档或后退三档时，当前档位加一档。按一下减档按钮，当前档位大于前进一档或后退一档时，当前档位减一档。手柄本身需要将按钮的动作以开关量输入的形式引入到控制器中。

本申请中的PV780显示器需要具有以下特征：

1） CAN总线信息接收

显示器需要能够接收控制器发送的CAN总线信息，从而确认当前的档位是多少，各档位离合器油腔内的压力是多少。

2）界面编辑功能

显示器需要能够编辑显示界面，显示当前档位。前进一档、二档、三档分别显示F1、F2、F3；后退一档、二档、三档分别显示R1、R2、R3；空挡显示N。

3）按钮操作功能

显示器的界面可以编辑多级菜单，在必要的时候，可以由维修人员通过对显示器按钮的操作，可以调出压力参数显示界面，来实时显示当前变速箱各档位的压力。

如图7，本申请中的各比例阀具有以下特征：

1）根据输入信号调节压力

比例阀应该能够根据电流的大小，通过电磁力调节口的压力。

2）与控制器相同的供电电压

移动机械电气系统的直流供电电压有12V和24V两种标准。比例阀具体选择哪个标准下的产品是根据控制器具体是选用哪个电压标准决定的。

3）与控制器相关端口匹配

比例阀的相关参数，比如震颤频率等，应该在控制器PWM输出端口可以调节的范围内。

本申请中的各压力传感器具有以下特征：

1）将压力转换成电信号

常用压力传感器可以将压力转换成电压或电流模拟量信号。

2）与控制器相关端口匹配

压力传感器输出的电信号应该在控制器可以检测的范围内，不能超出控制模拟量输入的检测范围。

电气连接：

控制手柄、控制器、显示器、各比例阀、各压力传感器之间的电气连接关系如下图7所示：

图7中：1为行走手柄，2为显示器，3为控制器(力士乐RC12-10)，4-8分别代表前进挡压力传感器、后退档压力传感器、一档压力传感器、二档压力传感器、三档压力传感器，9-13分别代表前进挡比例阀、后退档比例阀、一档比例阀、二档比例阀、三档比例阀。

图中：

1. RC12-10控制器的183、184、185、186、179引脚为比例量输出端口，可以用于驱动比例阀，故此用这五个端口连接变速箱的比例阀。

2. RC12-10控制器的138、168、218、229、171引脚为电流量输入端口，本实现方式采用的压力传感器为电流型传感器，故此将压力传感器接到这五个端口上。

3. RC12-10控制器的164引脚为电压模拟量输入端口，用来接手柄1的前进后退感应电位计，来判断前进后退的动作。

4. RC12-10控制器的247和234引脚为开关量输入端口，用来接手柄1的加档按钮和减档按钮，来判断档位的切换动作。

5. RC12-10控制器的215和216引脚为CAN总线结构，用来与显示器2进行通信，将当前的档位信息和压力信息发送给显示器进行显示。

通过以上电气连接，所有器件和控制器都连接到了一起，控制器可以通过编程来读取所有输入的信息，控制比例阀完成换挡动作，并将相关信息传递到显示器进行显示。

油路连接：

比例阀控制充油的液压结构可以采用如图9所示所示的结构，也可以采用其他形式的结构，此处结构的设计不作为本申请的创新点，具体可以由本领域技术人员进行自行选择。

图10中：103即为比例阀，作为先导级控制压力的变化。

105为压力开关。本发明设计的方案中，将105改为压力传感器作为压力的反馈。105所安装的压力检测口的位置上，压力油与离合器油腔是相通的。

每个档位离合器配备一套这样的结构，即可完成本档位的充油、泄油和压力检测。

本申请的突出优点在于：

1. 手柄采集驾驶员的操作意图，传递给控制器；

2. 压力传感器采集各档位的压力，传递给传感器；

3. 控制器根据驾驶员的意图，控制器各个档位的比例阀完成档位离合器油腔的充油、泄油，其中充油过程需要有压力传感器的反馈协助完成；

4. 车辆当前档位信息和各档位离合器压力数据由控制器传递给显示器进行显示。

上述具体实施方式不能作为对本实用新型保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本实用新型实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本实用新型的保护范围内，例如可以替代本发明的方案的有：

1. 不用手柄，采用其它的装置采集驾驶员意图，例如，前进、后退、空挡的操纵采用开关形式进行采集等等；

2. 手柄也可以采用CAN总线、RS232总线等多种形式接入控制器；

3. 压力传感器也可以被称为压力压力变送器、电子压力计等名称；

4. 本方案控制器是一个，控制器自己可以完成数据采集、程序控制、比例阀驱动和总线通信。但有的类型的控制器也可以分成多个类型，有专门采集传感器信息的模块，有专门输出的模块，有专门运行控制程序的模块，有专门通信的模块，由几个类型的控制器组合起来完成整体功能（例如西门子的PLC系统）。

5. 显示器与控制器的通信，除了CAN总线以外，还有RS232、LIN、Ethernet、蓝牙、wifi等多种通信方式。

本实用新型未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。