本发明公开了一种装载机挡位及速度自动控制系统和控制方法，通过挡位选择单元监测变速箱挡位输入请求信号；通过车辆状态监控模块采集发动机油门开度、发动机扭矩、发动机转速、变速箱转速和车速信号；控制器控制车辆状态监控模块监测车辆当前状态并与预设条件进行比较，根据比较结果，控制挡位执行机构在1挡至当前挡位n之间切换，或者控制换挡执行机构由当前挡位n升至n+1挡的同时，向发动机控制器发送降低转速控制命令，对发动机转速进行调整，使n+1挡与n挡车速一致。本发明解决了装载机在不同铲装距离行驶工况下车速、挡位和发动机最优匹配的问题，达到了在短距离作业工况下动力性最佳，在长距离作业工况下经济性最佳的效果。
1.一种装载机挡位及速度自动控制系统，其特征是，包括：
车辆状态监控模块，用于采集发动机油门开度、发动机扭矩、发动机转速、变速箱转速和车速信号；
挡位执行机构，包含用于控制变速箱挡位切换的电磁阀，通过控制电磁阀切换挡位；
发动机控制器，接受控制器的转速调整指令，对发动机转速进行调整；
控制器，用于控制车辆状态监控模块监测车辆当前状态并与预设条件进行比较，根据比较结果，控制挡位执行机构在1挡至挡位选择单元监测的挡位输入请求信号的挡位之间切换，或者，控制挡位执行机构由当前挡位n升至n+1挡的同时，向发动机控制器发送降低转速控制命令，使n+1挡与n挡车速一致。
2.一种装载机挡位及速度自动控制方法，其特征是，通过挡位选择单元监测变速箱挡位输入请求信号；
通过车辆状态监控模块采集发动机油门开度、发动机扭矩、发动机转速、变速箱转速和车速信号；
控制器控制车辆状态监控模块监测车辆当前状态并与预设条件进行比较，根据比较结果，控制挡位执行机构在1挡至挡位选择单元监测的挡位输入请求信号的挡位之间切换，或者，控制挡位执行机构由当前挡位n升至n+1挡的同时，向发动机控制器发送降低转速控制命令，发动机控制器接受控制器的转速调整指令，对发动机转速进行调整，使n+1挡与n挡车速一致。
3.根据权利要求2所述的一种装载机挡位及速度自动控制方法，其特征是，当变速箱挡位输入请求信号为n挡且当前挡位不为n档时，控制器控制车辆当前状态并与预设条件进行比较，当满足第一预设条件时，控制挡位执行机构在1挡至n挡之间切换；
当达到当前挡位对应的升挡预设条件时，向挡位执行机构发出升挡指令，直至升至n挡为止；
当达到当前挡位对应的降挡预设条件时，向挡位执行机构发出降挡指令，直至降至1挡为止。
4.根据权利要求3所述的一种装载机挡位及速度自动控制方法，其特征是，第一预设条件包括以下一个或多个参数：变速箱输入端/输出端扭矩值、变速箱涡轮扭矩值、变速箱转速与发动机转速之比、整机驱动力值、发动机转速、发动机油门开度值。
5.根据权利要求4所述的一种装载机挡位及速度自动控制方法，其特征是，所述变速箱转速为变速箱变矩器涡轮轴转速、变速箱输出轴转速或变速箱某中间轴转速。
6.根据权利要求4所述的一种装载机挡位及速度自动控制方法，其特征是，所述整机驱动力值根据发动机转速、发动机扭矩和变速箱转速计算而得。
7.根据权利要求4所述的一种装载机挡位及速度自动控制方法，其特征是，所述变速箱输入端/输出端扭矩值、变速箱涡轮扭矩值根据发动机转速、发动机扭矩、变速箱转速和速比计算而得。
8.根据权利要求3所述的一种装载机挡位及速度自动控制方法，其特征是，每个挡位对应设置不同的第一预设条件，其中，1挡只对应设有升挡预设条件，最高挡只对应设有降挡预设条件，其它挡位对应设置各自的升挡预设条件和降挡预设条件。
9.根据权利要求2所述的一种装载机挡位及速度自动控制方法，其特征是，当变速箱挡位输入请求信号为n挡且当前挡位为n档时，且n挡不为最高挡，控制器控制车辆当前状态并与预设条件进行比较，当满足第二预设条件时，控制挡位执行机构由n挡升至n+1挡的同时，向发动机控制器发送降低转速的转速调整指令，发动机控制器接受控制器的转速调整指令，对发动机转速进行调整，使n+1挡与n挡车速一致；
第二预设条件包含两个发动机油门开度门限值、两个车辆加速度门限值，且发动机油门开度第一门限值大于发动机油门开度第二门限值，车辆加速度第一门限值大于车辆加速度第二门限值。
10.根据权利要求9所述的一种装载机挡位及速度自动控制方法，其特征是，当变速箱挡位输入请求信号为n挡且当前挡位为n档时，且n挡不为最高挡，当前发动机油门开度大于或等于发动机油门开度第一门限值，且当前车辆加速度大于车辆加速度第二门限值且小于或等于车辆加速度第一门限值时，向挡位执行机构发出升高一挡至n+1的指令，同时，根据当前车速及升挡后车速计算得出发动机转速调整系数，并发送转速调整指令至发动机控制器，使挡位升高后的车速仍保持n挡时的车速不变。
11.根据权利要求10所述的一种装载机挡位及速度自动控制方法，其特征是，当以挡位升高后的n+1挡继续行驶时，当发动机油门开度小于或等于发动机油门开度第二门限值时，或车辆加速度小于或等于车辆加速度第二门限值时，向挡位执行机构发出由n+1挡降低至n档指令，同时向发动机控制器发送取消转速调整指令。
一种装载机挡位及速度自动控制系统和控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种工程机械控制系统和控制方法，尤其涉及一种装载机挡位及速度自动控制系统。
背景技术
[0002] 轮式装载机是一种以铲装作业为主的施工设备。在铲装过程中，根据施工条件的差异，铲装循环作业的行驶距离存在很大差异。在短距离铲装工况下，行驶距离短，车辆处于不断加减速及挡位切换状态，对动力性要求高；在较长距离铲装工况下，行驶距离长，车辆处于固定挡位、匀速状态占比增加。装载机发动机功率一般以满足铲装工况要求进行配置，在匀速行驶或轻载行驶工况下发动机功率存在富余，此时发动机通常处于高速低扭状态，燃油经济性难以保证。如何保证在不同铲装工况下实现动力性及燃油经济性的最优化是装载机面临的难题。
[0003] 现有技术中通常采用以下两种方式来解决：一种方式是通过检测整机工作状态，在进行铲掘、行驶及卸料时，控制发动机以不同的扭矩输出，达到不同工况下牵引力的匹配。另一种方式是通过检测整机工作状态，在铲掘物料时控制变速箱自动降至1挡以满足铲掘工况牵引力需求。
[0004] 这两种方式虽然解决了铲装物料时发动机扭矩匹配以及变速箱自动降挡提高牵引力的问题，但对不同距离行驶的铲装作业工况适应性不足。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题：
[0006] 本发明提出了一种装载机挡位和车速自动控制系统和控制方法，解决装载机在不同铲装距离行驶工况下车速、挡位和发动机最优匹配的问题，达到在短距离作业工况下动力性最佳，在长距离作业工况下经济性最佳的效果。
[0007] 本发明提供的技术方案：
[0008] 一种装载机挡位及速度自动控制系统，其特征是，包括：
[0009] 挡位选择单元，用于监测变速箱挡位输入请求信号；
[0010] 车辆状态监控模块，用于采集发动机油门开度、发动机扭矩、发动机转速、变速箱转速和车速信号；
[0011] 挡位执行机构，包含用于控制变速箱挡位切换的电磁阀，通过控制电磁阀切换挡位；
[0012] 发动机控制器，接受控制器的转速调整指令，对发动机转速进行调整；
[0013] 控制器，用于控制车辆状态监控模块监测车辆当前状态并与预设条件进行比较，根据比较结果，控制挡位执行机构在1挡至挡位选择单元监测的挡位输入请求信号的挡位之间切换，或者，控制换挡执行机构由当前挡位n升至n+1挡的同时，向发动机控制器发送降低转速控制命令，使n+1挡与n挡车速一致。
[0014] 一种装载机挡位及速度自动控制方法，其特征是，
[0015] 通过挡位选择单元监测变速箱挡位输入请求信号；
[0016] 通过车辆状态监控模块采集发动机油门开度、发动机扭矩、发动机转速、变速箱转速和车速信号；
[0017] 控制器控制车辆状态监控模块监测车辆当前状态并与预设条件进行比较，根据比较结果，控制挡位执行机构在1挡至挡位选择单元监测的挡位输入请求信号的挡位之间切换，或者，控制换挡执行机构由当前挡位n升至n+1挡的同时，向发动机控制器发送降低转速控制命令，发动机控制器接受控制器的转速调整指令，对发动机转速进行调整，使n+1挡与n挡车速一致。
[0018] 进一步地，当变速箱挡位输入请求信号为n挡且当前挡位不为n档时，控制器控制车辆当前状态并与预设条件进行比较，当满足第一预设条件时，控制挡位执行机构在1挡至n挡之间切换；
[0019] 第一预设条件包含升挡预设条件和降挡预设条件；
[0020] 当达到当前挡位对应的升挡预设条件时，向挡位执行机构发出升挡指令，直至升至n挡为止；
[0021] 当达到当前挡位对应的降挡预设条件时，向挡位执行机构发出降挡指令，直至降至1挡为止。
[0022] 进一步地，每个挡位对应设置不同的第一预设条件，其中，1挡只对应设有升挡预设条件，最高挡只对应设有降挡预设条件，其它挡位对应设置各自的升挡预设条件和降挡预设条件。
[0023] 进一步地，当变速箱挡位输入请求信号为n挡且当前挡位为n档时，且n挡不为最高挡，控制器控制车辆当前状态并与预设条件进行比较，当满足第二预设条件时，控制换挡执行机构由n挡升至n+1挡的同时，向发动机控制器发送降低转速的转速调整指令，发动机控制器接受控制器的转速调整指令，对发动机转速进行调整，使n+1挡与n挡车速一致；
[0024] 第二预设条件包含两个发动机油门开度门限值、两个车辆加速度门限值，且发动机油门开度第一门限值大于发动机油门开度第二门限值，车辆加速度第一门限值大于车辆加速度第二门限值。
[0025] 进一步地，当变速箱挡位输入请求信号为n挡且当前挡位为n档时，且n挡不为最高挡，当前发动机油门开度大于或等于发动机油门开度第一门限值，且当前车辆加速度大于车辆加速度第二门限值且小于或等于车辆加速度第一门限值时，向挡位执行机构发出升高一挡至n+1的指令，同时，根据当前车速及升挡后车速计算得出发动机转速调整系数，并发送转速调整指令至发动机控制器，使挡位升高后的车速仍保持n挡时的车速不变。
[0026] 进一步地，当以挡位升高后的n+1挡继续行驶时，当发动机油门开度小于或等于发动机油门开度第二门限值时，或车辆加速度小于或等于车辆加速度第二门限值时，向挡位执行机构发出由n+1挡降低至n档指令，同时向发动机控制器发送取消转速调整指令。
[0027] 进一步地，第一预设条件包括以下一个或多个参数：
[0028] 变速箱输入端/输出端扭矩值、变速箱涡轮扭矩值、变速箱转速与发动机转速之比、整机驱动力值、发动机转速、发动机油门开度值。
[0029] 进一步地，所述变速箱转速为变速箱变矩器涡轮轴转速、变速箱输出轴转速或变速箱某中间轴转速。
[0030] 进一步地，所述整机驱动力值根据发动机转速、发动机扭矩和变速箱转速计算而得。
[0031] 进一步地，所述变速箱输入端/输出端扭矩值、变速箱涡轮扭矩值根据发动机转速、发动机扭矩、变速箱转速和速比计算而得。
[0032] 本发明所达到的有益效果：
[0033] 本发明提出了一种装载机挡位和车速自动控制系统，解决了装载机在不同铲装距离行驶工况下发动机和挡位最优匹配的问题。
[0034] 当变速箱挡位选择单元位于n挡位置时，监测车辆当前状态并与预设条件进行比较，当满足第一预设条件时，自动控制变速箱挡位执行机构在1挡至n挡之间切换，达到在短距离作业工况下动力性最佳的效果。
[0035] 当满足第二预设条件时，控制挡位执行机构由n挡升至n+1挡的同时，向发动机控制器发送降低转速控制命令，以保证在n挡与n+1挡车速一致，达到了在长距离作业工况下经济性最佳的效果。
附图说明
[0036] 图1. 装载机挡位和车速自动控制系统；
[0037] 图2. 车辆状态监控模块；
[0038] 图3. 装载机挡位和车速自动控制系统的一个实施例；
[0039] 图4. 装载机挡位和车速自动控制系统的一个实施例；
[0040] 图5. 装载机挡位和车速自动控制系统的一个实施例。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0042] 本发明提出了一种变速箱挡位及速度自动控制系统。如图1所示，该系统由挡位选择单元、车辆状态监控模块、控制器、挡位执行机构、发动机控制器组成，能够实现如下功能。
[0043] 当变速箱挡位选择单元位于n挡位置时，控制器控制车辆状态监控模块监测车辆当前状态并与预设条件进行比较，当满足第一预设条件时，自动控制变速箱挡位执行机构在1挡至n挡之间切换；当满足第二预设条件时，控制挡位执行机构由n升至n+1挡的同时，向发动机控制器发送降低转速控制命令，以保证在n挡与n+1挡车速一致。
[0044] 挡位选择单元用于监测驾驶者的挡位请求。
[0045] 车辆状态监控模块包含发动机油门开度、发动机扭矩、发动机转速、变速箱转速、车速等信号传感装置，如图2所示。
[0046] 挡位执行机构包含能够控制挡位切换的电磁阀，通过控制电磁阀切换挡位。
[0047] 发动机控制器能够接受控制器的转速调整指令，实现对发动机转速的调整。
[0048] 控制器（即变速箱控制器）包含存储单元、挡位及发动机转速控制程序。
[0049] 存储单元位于控制器存储区，包含第一预设条件、第二预设条件。
[0050] 每个挡位下对应不同的第一预设条件。除1挡和最高挡外，第一预设条件包含升挡预设条件和降挡预设条件；1挡只有升挡预设条件，最高挡只有降挡预设条件。
[0051] 第二预设条件包含发动机油门开度第一门限值、发动机油门开度第二门限值、车辆加速度第一门限值、车辆加速度第二门限值。发动机油门开度第一门限值大于发动机油门开度第二门限值，车辆加速度第一门限值大于车辆加速度第二门限值。
[0052] 挡位及发动机转速控制程序分析发动机油门开度、发动机扭矩、发动机转速、变速箱转速、车速等信号，并与预设条件进行比较，实现对挡位和发动机转速的控制，其控制策略如下：
[0053] （1）当变速箱挡位输入请求信号为n挡且当前挡位不为n档，挡位及发动机转速控制程序根据第一预设条件自动控制变速箱执行机构在1挡和n挡之间切换；
[0054] 当车辆达到升挡预设条件时，挡位及发动机转速控制程序则向挡位执行机构发出升高一挡指令，直至升至n挡为止；
[0055] 当车辆达到降挡预设条件时，挡位及发动机转速控制程序则向挡位执行机构发出降低一挡指令，直至降至1挡为止；
[0056] 该控制策略能够保证车辆尽快加速至期望车速或降低挡位以提高驱动力，具有短距离作业工况下动力性最优化的优点；
[0057] （2）当变速箱挡位输入请求信号为n挡且当前挡位为n档时，且n挡不为最高挡时，挡位及发动机转速控制程序根据第二预设条件自动控制变速箱执行机构在n挡和n+1挡之间切换，并对发动机转速进行相应调整。
[0058] 当车辆当前发动机油门开度大于或等于发动机油门开度第一门限值，且当前车辆加速度大于车辆加速度第二门限值且小于或等于车辆加速度第一门限值时，挡位及发动机转速控制程序则向挡位执行机构发出升高一挡指令（由n档升高至n+1挡），同时挡位及发动机转速控制程序根据当前车速及升挡后车速计算得出发动机转速调整系数，并发送转速调整指令至发动机控制器，以保证挡位升高后车速保持一致；
[0059] 此后，若车辆当前发动机油门开度小于或等于发动机油门开度第二门限值，或当前车辆加速度小于或等于车辆加速度第二门限值，挡位及发动机转速控制程序则向挡位执行机构发出由n+1挡降低至n档指令，同时向发动机控制器发送取消转速调整指令。
[0060] 该控制策略能够保证车辆在长距离作业工况工况稳定行驶段通过合理匹配变速箱挡位和发动转速，达到燃油经济性最优的效果。
[0061] 作为本发明的一个实施例，第一预设条件为根据发动机转速（泵轮转速）、变速箱转速计算得出的变速箱输入扭矩值。
[0062] 作为本发明的一个实施例，第一预设条件为一组与挡位、变速箱输出轴转速相对应的变速箱输出扭矩值。
[0063] 作为本发明的一个实施例，第一预设条件为一组与挡位、变速箱输出轴转速相对应的变速箱涡轮扭矩值。
[0064] 作为本发明的一个实施例，第一预设条件为变速箱转速与发动机转速之比；
[0065] 作为本发明的一个实施例，第一预设条件为一组与发动机转速相对应的变速箱转速与发动机转速之比。
[0066] 作为本发明的一个实施例，第一预设条件为一组与发动机油门开度相对应的变速箱转速与发动机转速之比。
[0067] 作为本发明的一个实施例，第一预设条件为一组发动机转速、变速箱转速与发动机转速之比、发动机油门开度值。
[0068] 作为本发明的一个实施例，变速箱转速为变速箱变矩器涡轮轴转速、变速箱输出轴转速或变速箱某中间轴转速。
[0069] 作为本发明的一个实施例，第一预设条件为根据发动机转速、发动机扭矩、变速箱转速计算得出的整机驱动力值。
[0070] 作为本发明的一个实施例，第一预设条件为一组与发动机油门开度相对应的变速箱输出端扭矩值。
[0071] 作为本发明的一个实施例，第一预设条件为一组与发动机转速相对应的变速箱输出端扭矩值。
[0072] 作为本发明的一个实施例，车速信号为根据变速箱输出轴转速计算得出的车速值或车速传感装置的测量值。
[0073] 作为本发明的一个实施例，车辆加速度根据车速对时间的微分计算得出。
[0074] 作为本发明的一个实施例，发动机油门开度信号、发动机扭矩信号、发动机转速信号通过与发动机控制器进行CAN通信获取。
[0075] 作为本发明的一个实施例，控制器获得的挡位选择单元、车辆状态监控模块信号为从CAN读取的信息,如图3所示。
[0076] 作为本发明的一个实施例，控制器获得的挡位选择单元、车辆状态监控模块信号为从CAN读取的信息, 控制器通过CAN总线与发动机控制器进行通信，如图4所示。
[0077] 作为本发明的一个实施例，挡位选择及车辆状态等信息通过CAN总线从整机控制器读取，控制器通过CAN总线与发动机控制器进行通信，如图5所示。
[0078] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
