工程机械液力变速器_第七讲_自动换挡变速器_1_
专题讲座ＳｐｅｃｉａｌＳｅｍｉｎａｒ工程机械第３８卷２００７年７月自动换挡变速器（１）
工程机械液力变速器（第七讲）
目前汽车上已广泛采用自动变速器，电子控制自
动换挡已是成熟可靠技术，可以将汽车上自动变速技
术很容易地应用于工程车辆和工程机械。人工手动换
挡取决于司机的技术水平，往往不能准确选择挡位，
自动换挡能按使用工况和行驶情况自动选择挡位，使
发动机功率较充分地利用，提高燃料经济性，降低排
放。特别是对某些机械，例如铲运机和自卸车挡位数
已增至７￣８个，人工换挡很难正确选择挡位。工程机
械往往边行驶边作业，在驾驶过程中，不仅要使机械
行走，还要操纵工作装置，换挡操纵非常频繁，司机劳
动强度大，操纵复杂，分散了司机的注意力，增加了行
走作业不安全的因素。自动换挡能防止误操作，使换
挡平稳，保护传动系统零部件，减少冲击和磨损，延长
传动系统寿命。另外当通过复杂的地面时，自动换挡
能提高机械的通过性，不会因换挡不及时或换挡切断
动力时间过长，造成发动机熄火或停机。为减轻司机
劳动强度，简化操作，使司机能集中注意力于行走作
业，已采用了电操纵换挡。电操纵采用了换挡开关，电
磁换挡阀和微处理控制器，实际上已具备自动换挡所
需的基本元件，仅需加一些传感器（转速传感器和油
门开度传感器）和编制自动换挡控制软件，就能很容
易地实现自动换挡。
从２０世纪８０年代开始，世界上著名的工程车辆
和工程机械变速器生产厂家ＺＦ、ＤＡＮＡ（Ｃｌａｒｋ）和
Ａｌｌｓｉｎ公司都生产了自己的自动变速器，世界著名的
工程机械公司（ＣＡＴ、小松、Ｖｏｌｖｏ等）在自己生产的工
程机械和工程车辆上也都装置了自动变速器。
自动变速器控制内容包括：
换挡规律控制：是指变速器的挡位随工况参数自
动进行换挡的变化规律控制。
换挡品质控制：是指换挡过程的性能控制、换挡
冲击大小和平稳性等。
除上述主要的控制以外，还有闭锁离合器控制、
液力制动器控制以及防止意外换挡安全控制（例如高
速行走时，不能挂低挡，超过一定车速不能挂倒挡反
向行驶）等。
应该说明目前在工程机械上使用的自动变速器，
主要是液力机械式自动变速器（ＨＭＴＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ由液力变矩器和动力换挡变
速器组成），本文仅介绍这种自动变速器，但在少数工
程机械上也有采用机械式自动变速器（ＡＭＴＡｕｔｏｍａｔ－
ｅｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ在离合器和机械式变速器
上加上电子控制自动操纵装置），例如，在汽车式起重
机和全路面起重机采用ＺＦ公司开发的机械式自动变
速器等。还有静压传动自动变速器等，这里就不介绍
了。
１自动变速器换挡规律控制
１．１换挡控制要求
对工程机械来说，动力性和燃油经济性是主要的
性能指标：动力性好，作业效率好，生产率高；经济性
好，不仅油耗低，节约使用成本，还涉及到排放和环境
问题。因此动力性和经济性是换挡控制的主要要求。
换挡还要满足各种作业工况和各种行驶工况对
牵引力和车速的要求，还应该反映实际作业情况要求
和满足司机的作业愿望。换挡控制是非常复杂的，因
此，目前工程机械自动变速器一般除具有自动换挡功
能外，还能进行人工干预和人工换挡。
１．２换挡参数的选择
反映发动机和机械工作情况的基本参数是油门
开度和车速，对发动机来说其速度特性（不同油门开
度下转矩、油耗与转速的关系）是反映实际工作的最
基本特性。我们把发动机和变矩器组合当作一个联合
动力装置，那么它的联合工作特性（不同油门开度下，
涡轮转矩、油耗与涡轮转速的关系）和由它得出的机
械牵引特性（不同油门开度下，机械牵引力、油耗与车
速的关系）是最基本特性。因此油门开度和车速是反
映发动机和机械运行情况的两个基本参数，可以用这
两个参数对机械的动力性和经济性进行分析，根据这
两个参数来确定合适的挡位。因此，一般工程机械自
动换挡都以这两个参数作为确定挡位的基本换挡参
数，采用油门开度传感器来检出油门开度和采用转速
同济大学机械工程学院黄宗益李兴华
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专题讲座
ＳｐｅｃｉａｌＳｅｍｉｎａｒ
第３８卷２００７年７月
工程机械传感器来检出转速，然后换算成车速。
采用油门开度或车速其中一个作为换挡参数，即所谓单参数换挡是不合理和不全面的，如果采用其它两个参数来替代这两个参数也是有缺点的，例如：以油门开度和发动机转速作为换挡参数，它们只反映了发动机工作情况，而不能反映机械和变矩器的工作情况。
以发动机转速和车速（涡轮转速）作为换挡参数，用转速传感器检出变矩器的输入和输出转速，可求得变矩器速比，如在控制器的存贮器里存贮变矩器特性曲线，可通过查表求得变矩器的输出特性（变矩比、效率和涡轮输出转矩），在一定程度上，反映了其动力特性和经济特性，可大致作为换挡依据，但它们只是直接反映变矩器工作情况，而不能全面确切反映发动机和机械的工作情况。
发动机转速往往作为换挡的重要辅助参数，当车速传感器失效时，可作为替代换挡参数。在闭锁离合器闭锁控制中，发动机转速则是主要控制参数。另外，为了使换挡过程平顺无冲击，进行换挡品质控制、检测发动机转速也是必需的。
目前工程机械和工程车辆自动变速器换挡参数主要采用油门开度和车速，而发动机转速常作为换挡辅助参数。但对有些工程机械，例如装载机，有采用油门开度和车速作为换挡参数的，也有采用发动机转速和车速作为换挡参数的。应该说转速检出较油门开度检出来得容易可靠，装载机从电操纵改为自动换挡，如采用发动机转速和车速作为换挡参数，则只需增加转速传感器，就能简单地实现自动换挡。另外对装载机来说，油门开度对换挡的影响也较小些。
１．３自动换挡规律
自动换挡规律就是各挡位间的自动换挡时刻随
换挡参数的变化规律。双参数（油门开度!和车速ｖ）换挡规律是在!和ｖ的坐标系中以曲线形式来表示，我们称它为换挡规律线图。
换挡规律线图是换挡的依据，它存贮在控制器中。在机械工作过程中，不断检出!和ｖ，输入控制器进行查找，按换挡规律线图进行换挡。
１．３．１最佳动力性换挡规律
工程机械是在牵引力驱动下行驶的，因此，工程机械动力性主要取决于牵引力特性，按最大驱动牵引力（最大驱动功率）来确定换挡点。
确定最佳动力性换挡规律的具体步骤：
（１）绘出各挡下不同油门开度时的静态牵引力特性曲线。
（２）取同一油门开度下相邻两挡的牵引力曲线
Ｆｔｎ＝ｆｎ（ｖ）和Ｆｔ（ｎ＋１）＝ｆｎ＋１（ｖ）的交点为最佳动力性换挡点，或
取同一油门开度下相邻两挡的功率曲线Ｐｔｎ＝ｆｎ（ｖ）和Ｐｔ（ｎ＋１）＝ｆｎ＋１（ｖ）的交点为最佳动力性换挡点。将不同油门开
度下的这些点连起来，即得最佳动力性换挡点曲线，如图１所示。因为其交点表示相邻挡位牵引力和牵引功率大小变化的过渡点，在此交点一侧某一挡位牵引力和牵引功率大，而另一侧则相反。
（３）将各种不同油门开度下最佳动力性换挡点绘在!－ｖ（油门开度－车速）坐标系中，将这些点连成一条曲线，即为该相邻两挡的静态两参数最佳动力性换挡规律线，同理可求得其它相邻两挡的换挡规律。求得的换挡规律曲线往往经简化处理，用几个直线段（折线）或简单曲线来近似替代，以减少换挡规律所占用的控制器内存和微机自动换挡控制查找表格所需时间。将各相邻挡的换挡规律线画在同一个图上，即得最佳动力性换挡规律线图，如图２所示。
１．３．２最佳经济性换挡规律
图１最佳动力性换挡点曲线图２最佳动力性换挡规律线图
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专题讲座ＳｐｅｃｉａｌＳｅｍｉｎａｒ工程机械第３８卷２００７年７月
最佳经济性换挡规律的确定，一般按最小牵引功
率比油耗ｇｅａ。
ｇｅａ＝
Ｇ
Ｔ
Ｆ
Ｔ
ｖ
ａ
＝
Ｇ
Ｔ
ＭＴｎ
Ｔ
!
Ｍ
式中：Ｇ
Ｔ
——
—小时油耗
Ｆ
Ｔ
——
—牵引力
ｖ
ａ
——
—车速
ＭＴ——
—涡轮输出转矩
ｎ
Ｔ
——
—涡轮输出转速
!
Ｍ
——
—机械传动效率
但从理论上分析和确定最佳经济性换挡规律较
复杂困难，因为不能简单地按相邻挡位等油门开度比
油耗随车速而变曲线的交点来确定换挡点，图３为等
油门开度下相邻挡位比油耗ｇｅａ和牵引力ＦＴ随车速
变化曲线。
若取相邻挡位等油门开度比油耗曲线的交点为
换挡点ｖｎ，因为ｖ
ａ
＜ｖ
ｎ
时，ｇｎ
ｅａ
＜ｇｎ＋１
ｅａ
，而ｖ
ａ
＞ｖ
ｎ
时，ｇｎ
ｅａ
＞ｇ
ｎ＋１
ｅａ
，ｖ
ｎ
为比油耗大小的转换点。
但是在等油门开度下，相邻挡位比油耗随车速而
变的曲线交点车速ｖ
ｎ
不太可能与相邻挡位牵引力随
车速而变曲线的交点车速ｖ
ｍ
相重合，因而造成按比
油耗曲线交点来换挡，会形成牵引力突变，产生冲击
和振动，影响乘坐舒适性。因此需在换挡过程中适当
调整油门开度。
变油门开度换挡燃料经济性的分析比较复杂，在
这里就不讨论了。
１．３．３实际换挡规律的确定
实际换挡规律的确定是一个复杂问题，要考虑的
因素很多，用油门开度和车速双参数换挡，实际上反
映正常稳定行驶作业工况，属于静态范畴，而工程机
械实际工作时是在变负荷、变速度动态状态，因此必
须研究发动机动态特性、变矩器动态特性和两者共同
工作动态特性。
发动机在非稳定工况下工作，其充气过程、混合
气形成及燃烧状况均发生变化，充气惯性、热惯性和
机械惯性使发动机的动态转矩低于静态转矩。发动机
的动态过程很复杂，发动机的动态转矩和动态小时油
耗都很难用公式来表达。通过发动机动态试验来获得
动态特性曲线也很难，由于影响因素众多，不确定因
素很难把握和表达。
在动态工况下，液力变矩器的变矩比、泵轮转矩
系数和效率与静态相比均发生变化，其偏离程度与结
构参数和转速、流量的变化有关。而转速、流量的变化
在动态工况下缺少规律性，其准确的数量关系也很难
获取。动态的变矩器试验也由于在其实际使用过程中
出现的许多不确定因素而缺少代表性，只能作为参
考，而不适于求解最佳换挡规律。
要了解发动机和液力变矩器共同工作的动态特
性，就需要将发动机和液力变矩器进行动态匹配。这
在理论上是很难分析表达的。工程机械是边行驶边作
业的机械，换挡规律必须考虑各种作业工况的要求，
这样使得换挡规律的确定变得更为复杂，从上述可
知，换挡规律纯理论分析是很难的，理论分析只能搞
清楚一些概念，理论分析不得不作些假设，抓住主要
问题进行简化处理，忽略一些很难考虑和说不清的因
素。还得通过计算机进行模拟仿真，得到的也只是大
致的换挡规律，要考虑各种行驶工况和作业工况，通
过台架试验和行车试验来进行调整和修正，最后确定
实际换挡规律。随着理论分析的深入和实践经验的累
积，逐渐修正和完善换挡规律的数学模型，计算机模
拟仿真才会逐渐接近和符合实际。有可能直接通过计
算机模拟仿真来确定换挡规律。（待续）
通信地址：上海四平路同济新村１５０号４０２室（２０００９２）
（收稿日期：２００７－０２－２７）图３相邻挡位比油耗ｇｅａ和牵引力ＦＴ随车速变化曲线
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