汽车变速箱控制策略在工程机械变速系统中的适配性研究

工程机械往往处于复杂工作状况与重载场景里，其传动系统控制策略跟整机性能与使用寿命直接有联系。以往变速控制形式多借助人工开展，体现出反应滞缓、能耗过大等缺陷，汽车变速控制技术发展方面起始时间偏早，尤其在自动化跟智能化层面已构建系统性方案。把成熟汽车变速控制策略引入工程机械范畴，有潜力打破传统传动控制的枷锁，提高设备运转效率及操作体验感。

一、汽车变速箱控制策略概述及其技术优势

（一）主流汽车变速系统类型与控制特点

现代汽车常用的变速系统包括 AT、AMT、DCT 和 CVT，分别适用于不同性能需求。AT 依靠液压控制，换挡平顺；AMT 通过电控实现自动换挡，节能高效；DCT 具备快速换挡能力，适合高性能车型；CVT 实现无级变速，强调平稳输出，适用于城市通勤。

（二）汽车变速控制策略的关键技术

汽车变速系统控制策略的重点是实时换挡抉择、动力流管理以及驾驶意图辨认。电控单元（TCU）借助CAN总线，和发动机控制单元（ECU）、车速传感器、节气门的开度、转速传感器等达成数据通信，实现对扭矩的闭环调控。换挡逻辑一般采用状态机的模型，采用车辆当下负载、节气门的实际位置与车速作为输入指标，凭借动力需求预测模型明确换挡点。在离合器控制的过程里，尤其针对 DCT 系统，采用扭矩容量计算模型精准操纵电磁阀开度，实现离合器压力做线性增长，控制时间大多能精确至 10\~20ms 这一范围。模糊 PID 控制是一种将模糊逻辑与 PID 控制相结合的控制策略，它能够处理复杂性问题 [1]。高级控制策略引入模糊逻辑，对汽车变速箱的运行状态进行更精确的评估，根据评估结果对PID 控制器进行调整，从而实现汽车变速箱的精确控制。

二、工程机械变速系统特性分析与差异辨析

（一）工程机械变速系统的结构与运行特点

工程机械多采用液力机械传动、液压传动或是液电混合系统 [2]。以轮式装载机举例说明，普遍选用液力变矩器加上动力换挡变速器（Power ShiftTransmission,PST 构造，该类系统突出大扭矩输出以及强承载能力，常规换挡扭矩输出的要求设定为 3000-6000Nm ，大多时候在1000 到 2000rpm 的转速下能稳定运行。运行进程中变速需求体现出低速、高负载、频繁启停特点。工作周期未形成固定样式，换挡多依赖人工去操作，其控制系统的结构实现简化，所用电控单元数量少，传感器排布稀疏零散，大多采用单片机或者 PLC 作为控制的关键核心，有着出色抗干扰性能，只是智能化水平有限。

（二）工程机械与汽车在控制需求上的差异

工程机械控制策略的首要任务是保障稳定性跟承载能力。之后才把操作平顺性与能耗优化提上日程，和汽车着重驾驶舒适性及节能不一样，工程机械要在高尘、高温、坡道起步等极端工况中一直运行，控制系统需有更强程度的鲁棒性跟容错能力。就如挖掘机工况环境下，负载的变动表现得十分剧烈，发动机瞬时扭矩波动，可达到额定值正负 30% 的范围。要是控制策略的响应存在滞后现象，将引发冲击、出现滑移，甚至造成离合器烧毁，汽车控制所凭借的精密传感器（例如角速度陀螺仪、G - sensor ），鉴于环境适应性的限制条件，在工程机械中无法顺利应用。

（三）影响控制策略迁移的关键因素

控制策略迁移同软硬件协同问题存在关联。首当其冲的是目标控制函数存在差异，汽车把对驾驶意图的识别作为控制的起始，但就工程机械而言，采用工作模式识别作为触发信号更符合情况；需对传感器系统作出调整，车速测量手段由依靠轮速传感器改成以液压泵输出频率进行换算；系统响应的时间区间展现出差异，汽车控制策略一般认可的延迟小于 50ms ，工程机械可认可<100ms 范围内的延迟。

三、汽车控制策略在工程机械中的适配性分析与优化建议

（一）可迁移部分分析

部分汽车的变速控制逻辑，在结构相仿或功能等同的场合可直接迁移采用。恰似 AMT 控制系统里面，离合器控制模块以及换挡执行机构控制模块可完整地原样移植到工程机械 AMT 结构当中，控制的准确程度跟动作执行顺序一致。部分复合液压传动结构可引入 DCT 的离合交替控制原理，就像电控多片式离合的组合。基于模糊逻辑所做的换挡时机判断，在负载状况不明、操作频繁环境存在优势，好比于推土机实施整平作业之际，可凭借挠性判定规则识别负载是否出现变化，预先开展齿比调节。

（二）需改进与优化部分

处于适配的实施阶段，要针对工程机械操作模式对输入变量及控制条件重新定义 [3]。应当把“驾驶意图识别”替换成“作业模式识别”概念，综合油门踏板位置、作业时间窗口以及液压压力数据，判断当前作业模式，为增进控制的鲁棒性，倡导采用抗干扰效能高的硬件平台。像把常规 TCU 替换成 ARMCortex - M7 或者 TI C2000 系列工业级芯片，适应温度范围 -40℃～ 125℃，防振动满足 MIL-STD-810G 要求，通信协议要从 CAN - FD 过渡到高冗余多通道CANopen，降低数据丢包现象的出现率。

（三）适配模型的建立与验证方法

策略适配前，关键步骤为仿真验证，搭建基于 MATLAB/Simulink 的工程机械动力系统模型架构。含有发动机动力曲线样式、液压系统模型的创建、离合器状态转换机及齿轮组传动链原理模型，向模型里引入汽车控制策略逻辑模块，实施虚拟运行测验。以6 吨级装载机为样本开展对比实验，试验所得结果说明：改进策略实施以后，平均换挡时段从 720ms 降低到 480ms ，动力中断时长缩短量占原时长 25% ，平均耗油量降低了 6.2 个百分点，实现对离合器温升在 15°C 以内的把控，实际运行过程里，换挡冲击量减小 1.3m/s² ，操控方面的平顺状况显著变好。

总结：借助对汽车变速箱控制策略跟工程机械变速系统的深度对照与适配研究可知，纵然二者在结构跟工况的情形里存在明显不同，但经针对性优化处理后，汽车成熟控制逻辑，体现出良好的应用拓展潜力。依靠引入先进的换挡控制手段与智能算法理念，能极大提升工程机械传动效率、操控顺滑程度及能耗表现，为其朝着智能化、高性能方向发展提供了可行技术路径及理论支撑。

参考文献

[1] 刘红艳 . 基于模糊 PID 汽车变速箱自动控制方法 [J]. 贵阳学院学报 ( 自然科学版 ),2024,19(01):42-46+59.

[2] 邵杨 . 车辆变速箱传感器集成化设计与分析 [D]. 浙江科技学院 ,2022.000246.

[3] 李晓宁 . 汽车变速箱动力学仿真优化 [J]. 机械管理开发 ,2020,35(12):52-53.

作者信息：程乐（1995—）男，陕西商洛人，本科，助理工程师，研究方向：新能源电驱动总成；李江（1996—）男，陕西咸阳人，本科研究方向：机械结构