某搶險救援工程機械擋位預設系統設計及實現

摘要：針對傳統直線式或王字型機械換擋手柄機械設計復雜、體積大，不利于搶險救援工程機械駕駛室空間布置和后續車型的擴展，同時機械手柄也無法支持擋位智能控制等問題。選用ZF（采埃孚）的電子換擋手柄，在解決車輛駕駛室空間布置的同時，可滿足車輛擋位數量及后續車型擴展的問題。針對此手柄操作方式提出了一種擋位預設的方法和系統，可在手自動不同模式下，更好的滿足駕駛員需求。通過實車安裝測試驗證可知：此擋位預設系統降低了對操作手柄硬件需求，操作靈活，在變速箱的不同操作模式下，都能很好的反映駕駛員擋位需求。

關鍵詞：工程機械；擋位預設；手自動模式；實車測試

0" "引言

塔某搶險救援工程機械是一種應急救援工程機械設備，可實現救援現場的清理、推土、牽引等功能。其作業工況惡劣，行駛狀況復雜，且換擋頻繁，要求機動性能強，工作效率高。該產品裝配一臺前6后2型手自一體AT（Automatic Transmission）變速箱，在滿足機動性的同時，可根據不同的行駛狀況選擇不同的行駛擋位。

考慮其設置的擋位數量，選用傳統直線式或王字型機械換擋手柄則機械設計復雜，體積加大，不利于空間布置和后續車型的擴展[1-2]。而選用ZF（采埃孚）的電子換擋手柄，則可很好解決空間布置與擋位數量及后續擴展之間的矛盾。為更好的實現駕駛員的換擋意圖和駕駛體驗，本文對基于ZF電子換擋手柄的擋位預設功能進行了詳細設計，并通過實車測試進行驗證。

1" "總體設計

某搶險救援工程機械擋位預設系統結構示意圖如圖1所示，其由TCU（Transmission Control Unit）模塊、影響擋位設置的模式開關、制動等整機信號模塊、ZF電子換擋手柄、車載顯示器、變速箱本體上的擋位離合器和方向離合器等組成[3]。

其中，TCU模塊主要用于完成ZF電子換擋手柄及模式開關、制動等整機信號的采集，并根據擋位預設策略計算當前的預設擋位，實時發送擋位信號。車載顯示主要用于完成變速箱預設擋位的顯示，用于提示駕駛員。變速箱本體可根據TCU端口信號，結合對應的擋位離合器和方向離合器，完成預設擋位的結合。ZF電子換擋手柄有F、N、R三個位置，每個位置都可左（“-”）右（“+”）扳動，且可以自動復位，可通過此信號完成加減擋操作。

2" "關鍵設計

2.1" " 擋位預設策略整體執行流程

該產品裝配的為手自一體變速箱，可通過模式開關信號設置變速箱的工作模式，為充分考慮駕駛員的駕駛意圖，需要針對手動和自動模式分別設計變速箱的擋位預設策略。擋位預設策略整體執行流程圖如圖2所示。

整車上電后，軟件初始化，擋位默認進入N擋。擋位預設策略開始執行，先通過整機信號（模式開關信號、制動信號、限位信號、車速、故障信號等）判斷整機的工作模式是否處于手動模式，若滿足則直接進入手動模式擋位預設處理模塊；否則進入自動模式擋位預設處理模塊。

不同整機模式下的擋位預設完成后，預設擋位發送給車載顯示器顯示，用于提示駕駛員是否與駕駛員設置相同。若此時檢測到換擋手柄仍處于N擋，則等待駕駛員下一步操作指令；否則進入正常換擋程序，根據預設擋位結合對應的擋位和方向離合器。

2.2" "手動模式預設擋位設計

變速箱進入手動模式后，在N擋下駕駛員操作換擋手柄進行加檔或減檔，可進行預設擋位，預設的擋位為車輛的起步擋位。通過設置不同的起步擋位，可在提升車輛工作效率同時，更好的反映駕駛員的駕駛意圖[4]。手動模式預設擋位控制流程圖如圖3所示。

整車進入手動模式后，則可進行手動模式下的擋位預設操作。首先進行換擋手柄位置的判斷，若手柄不處于N擋，則整機按照上次下電時記憶的預設擋位或上次預設擋位進行起步換擋，并進入正常的手動換擋控制程序，響應前進或后退位置的手柄加減檔操作；否則，進行是否檢測到手柄加減檔信號判斷。

手柄處于N擋時，當檢測到加擋信號[手柄往右扳動（“+”）]時，預設擋位在原來起步擋位的基礎上加1擋，最大可增加到Gear Of Mmax；當檢測到減擋信號[手柄往左扳動（“+”）]時，預設擋位在原來起步擋位的基礎上減1擋，最小可減小到1擋。

實時監控手柄位置，若手柄仍處于N擋，則可繼續手動模式下的預設擋位操作；若手柄不處于N擋，則進入正常的手動換擋操作，按預設擋位進行起步換擋。

2.3" "自動模式預設擋位設計

變速箱進入自動模式后，在N擋下駕駛員操作換擋手柄進行加檔或減檔，也可進行預設擋位。預設的擋位為車輛在自動模式下最大的行駛擋位，通過設置不同的最大行駛擋位，可在提升車輛機動性能同時，更好的保證行駛的安全性[5]。自動模式預設擋位控制流程圖如圖4所示。

整車進入自動模式后，則可進行自動模式下的擋位預設操作。首先進行換擋手柄位置的判斷，若手柄不處于N擋，則整機按照默認最大擋位Gear Of Mmax或上次預設的最大擋位進行自動換擋；否則，進行是否檢測到手柄加減檔信號判斷；手柄處于N擋時，當檢測到加擋信號[手柄往右扳動（“+”）]時，自動行駛的最大擋位在原來預設擋位的基礎上加1擋，最大可增加到Gear Of Mmax；當檢測到減擋信號[手柄往左扳動（“+”）]時，自動行駛的最大擋位在在原來預設擋位的基礎上減1擋，最小可減小到1擋。

實時監控手柄位置，若手柄仍處于N擋，則可繼續自動模式下的預設擋位操作；若手柄不處于N擋，則進入正常的自動換擋操作，按預設的最大行駛擋位進行自動換擋。

在自動行駛過程中，實時監測手柄位置，若手柄未回N擋，也可響應手柄加減擋信號。同樣當檢測到加擋信號時，自動行駛的最大擋位在原來預設擋位的基礎上加1擋，最大可增加到Gear Of Mmax；當檢測到減擋信號時，自動行駛的最大擋位在在原來預設擋位的基礎上減1擋，最小可減小到1擋。

在自動行駛過程中，若手柄回N擋，整機再次自動行駛時，整機按上次預設的最大擋位進行換擋，直到下次檢測到手柄加減檔信號才對整機最大行駛擋位進行調整。

3" "實車測試驗證

按照上述設計，對某搶險救援車在手動和自動模式下的預設擋位系統進行實車測試，并借用DEWE-43型采集設備對車輛的請求擋位和方向，實際擋位與方向，輸出轉速等信息進行采集，來驗證整個擋位預設系統設計的合理性。

手動模式下，手柄處于N擋時，手柄加檔2次后手柄切換到F時的實車測試曲線如圖5所示。由圖5可知：手柄處于N擋時，當前的擋位為0（空擋），經過加檔操作后請求方向和擋位為2，手柄執行F擋操作后，實際擋位和方向為2，輸出轉速有數值，車輛處于行駛狀態，符合設計要求。

手動模式下，手柄處于N擋時，手柄加檔3次后手柄切換到F時的實車測試曲線如圖6所示。由圖6可知：手柄處于N擋時，當前的擋位為0（空擋），經過加檔操作后請求方向和擋位為3，手柄執行F擋操作后，實際擋位和方向為3，輸出轉速有數值，車輛處于行駛狀態，符合設計要求。

自動模式下，手柄處于N擋時，調整手柄設置最大的行駛擋位為5，在行駛過程中，手柄加檔到6擋，實車的測試曲線如圖7所示：

由圖7可知：手柄處于N擋時，設置自動模式最大行駛擋位為5擋，更改油門踏板開度，車輛最大行駛擋位仍為5擋；此時操作手柄加檔，最大行駛擋位提高到6擋，更改油門踏板開度，車輛的最大行駛擋位提高到6擋，符合設計要求。

4" "結論

本文選用ZF（采埃孚）的電子換擋手柄，在解決搶險救援工程機械駕駛室空間因傳統直線式或王字型機械換擋手柄體積大布局不合理的同時，可滿足車輛擋位數量及后續車型擴展的問題。針對此手柄操作方式提出了一種擋位預設的方法和系統，實車測試驗證表明：此擋位預設系統降低了對操作手柄硬件需求，操作靈活，在變速箱的不同操作模式下，都能很好的反映駕駛員操作意圖。

參考文獻

[1] 陳振文，何曉妮，范漢茂，等.基于自動變速器的線控換擋控制器的開發[J].機電工程，2018，35（1）：110-114.

[2] 史文欣，韓嘉驊.一種通用型擋位操縱機構的結構創新設計[J].機汽車零部件，2016（2）：29-32.

[3] 王濤衛，渠笑納，陳莉，等.履帶式推土機電控換擋及智能檢測系統研究[J].建筑機械化，2020（12）：82-84.

[4] 季小燕，孔彥軍，王濤衛.電控變速推土機控制方法研究[J].建筑機械化，2020（12）：73-75.

[5] 于燕玲，宗望遠.工程車輛自動換擋規律與控制策略研究[J].機械設計與制造，2021（10）：284-287，294.