PD220Y推土机动力换挡变速器变速控制系统设计

目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第1章绪论 (1)
1.1概述 (1)
1.2国内外推土机发展历史 (1)
1.2.1国外发展历史 (1)
1.2.2国内发展历史 (2)
1.3推土机的发展方向 (3)
1.4对推土机技术的要求 (4)
1.5履带推土机传动系概述 (5)
1.5.1传动系的功用和类型 (5)
1.5.2行星式动力换档变速箱 (6)
1.5.3 履带式推土机的转向原理 (8)
1.6本设计的主要特点 (9)
1.7本章小结 (10)
第2章机械传动分析 (11)
2.1PD220Y推土机结构说明 (11)
2.1.1传动简述 (11)
2.1.2主要传动部分简介 (11)
2.1.3传动系统简图 (12)
2.2PD220Y型推土机变速箱档位分析 (13)
2.2.1变速箱各级档位实现详述： (13)
2.3行星齿轮的杠杆图分析： (17)
2.3.1、杠杆法原理 (17)
2.3.2 PD220Y型推土机传动结构杠杆图 (20)
2.3.3 各速传动比及受力分析： (20)
2.4变速箱性能分析 (27)
2.5本章小结 (28)
第3章变速液压系统设计分析 (29)
3.1概述 (29)
3.2液压系统的分析改造 (29)
3.2.1换档操纵的性能要求 (29)
3.2.2原换档液压变速系统 (30)
3.2.3 新阀改造的目标、要求 (33)
3.3阀的选择和改造设计 (33)
3.3.1阀的选择 (33)
3.3.2 6WG180F的特点 (34)
3.3.4 6WG180F原理图和说明 (36)
3.3.5 阀的改造 (38)
3.4本章小结 (44)
第4章电子控制系统分析与设计 (45)
4.1总体方案设计 (45)
4.1.1 控制系统功能分析 (45)
4.2电子控制硬件设计 (47)
4.2.1 电子控制硬件组成及介绍 (47)
4.2.2 主要输入输出装置设计 (48)
4.2.3 输入输出参数设置 (50)
4.3自动换挡控制系统软件开发 (51)
4.3.1 实时操作系统介绍 (52)
4.3.2 基于RTOS的自动换挡控制系统软件设计 (53)
4.4本章小结 (55)
第5章全文总结 (55)
谢辞 (57)
PD220Y推土机动力换挡变速器变速控制系统设计机械设计制造及其自动化李大鹏指导老师：卢彦群副教授
摘要
PD220Y型推土机广泛应用于建筑土木工程及道路交通工程的土方作业中，随着中国经济建设的迅猛发展，我国逐步加大了对铁路、交通的城市基础设施建设，因此推土机的需求量将会不断增加，对推土机的性能要求也越来越高。

提高推土机的操纵性能，改善驾驶员的工作环境，是推土机的发展方向之一。

而我国推土机现有的变速、转向操纵机构存在着操纵杆件多，空间布置困难等问题，不利于驾驶员的操作。

因此，为了减轻驾驶员的劳动强度，改善其工作条件，非常有必要设计新式操纵机构。

本设计利用PD220Y推土机原有的机械、液压系统，只是对原有日本小松公司生产的变速箱阀块进行新的设计、对原有液压系统进行改进、增设新的电子控制线路，从而在更换阀块保留原有变速箱的基础上使原有的手动操纵速度改为按钮控制。

从而使操作更加轻便灵活、减轻驾驶员的劳动强度，改善其工作条件。

而且这一设计改动小但却使PD220型推土机这一国产工程机械提升了产品档次、提高了国际竞争力。

本设计有很强的生产可行性.
[关键词] 推土机电子控制液压系统
Abstract
The PD220Y bulldozer are widely applied in the construction civil engineering and in the road traffic project folk recipe work, along with Chinese economic development swift and violent development, our country has enlarged gradually to the railroad, the transportation city infrastructure construction, so the demand of bulldozer will continuously rise and the capability of bulldozer will accordingly enhance.
At present, adoptive new-style manipulate mechanisms abroad are mainly manipulate mechanism with concentrative link lever and that linked forerunner with link lever. There into, the former cancels traditional operating lever for steering、shift and oprtating directing, integrates these functions into one operating level and controls it to realize all the oprtations of bulldozer using elbow joint’s action. Manipulate mechanism with concentrative link lever has important significance to improve maneuverability of bulldozer currently.
This design takes full advantage of the intrinsic mechaniam and hydraulic pressure system of PD220Y bulldozer，only design new gear-box clique to replace the Xiaosong’s intrinsic gear-box clique ,improve the intrinsic hydraulic system and add new electron control system. On base of replacing the clique block and preserving the intrinsic gear-box, we can make button control the speeds instead of hand-stir. This can make the operation more handinessful、agilitily, lighten the driver’s stir intension and improve his work condition. Further more, this design changes small and make the PD220Y bulldozer made in China upgrade and increase the international completing power. So this design has strong manufacture feasibility.
【keyword】bulldozer electron control hydraulic system
第1章绪论
1.1概述
推土机（bulldozer）是由拖拉机驱动的机器,有一宽而钝的水平推铲用以清除土地、道路构筑物或类似的工作。

它是工程机械的一个主要机种，在城市建筑、公路铁路施工、水利水电建设、露天采矿和国防施工等各种工程中，用来进行推移积土、开渠、填土、清理场地等各种作业。

大中型履带推土机还可用来顶推铲运机、做助铲工作，配备松土器后，可进行破土作业。

按行走方式，推土机可分为履带式和轮胎式两种。

履带式推土机附着牵引力大，接地比压小(0.04一0.13MPa)，爬坡能力强，但行驶速度低。

轮胎式推土机行驶速度高，机动灵活，作业循环时间短，运输转移方便，但牵引力小，适用于需经常变换工地和野外工作的情况
按用途可分为通用型及专用型两种。

通用型是按标准进行生产的机型，广泛用于土石方工程中。

专用型用于特定的工况下，有采用三角形宽履带板以降低接地比压的湿地推土机和沼泽地推土机、水陆两用推土机、水下推土机、船舱推土机、无人驾驶推土机、高原型和高湿工况下作业的推土机等。

本次设计的推土机，底盘为履带式、推土铲为直倾铲、以液力机械方式传动，主要在一般地面条件下工作。

1.2国内外推土机发展历史
履带式推土机(track-type tractor，也有称crawler dozer）是由美国人Benjamin Holt在1904 年研制成功的，它是在履带式拖拉机前面安装人力提升的推土装置而形成，当时的动力是蒸汽机，之后又先后研制成功由天然气动力驱动和汽油机驱动的履带式推土机，推土铲刀也由人力提升发展为钢丝绳提升。

1.2.1国外发展历史
Benjamin Holt是美国卡特彼勒（Caterpillar Inc.）公司的创始人之一，1925年5Holt制造公司和C.L,Best推土机公司合并，组成卡特彼勒推土机公司，成为世界首家推土设备制造者，并于1931年成功下线第一批采用柴油发动机的60 推土机。

随着技术的不断进步，目前推土机动力已经全部采用柴油机，推土铲刀和松土器全部由液压缸提升。

推土机除履带式推土机外，还有轮胎式推土机，它的出现要比履带式推
土机晚十年左右。

由于履带式推土机具有较好的附着性能，能发挥更大的牵引力，因此在国内外，其产品的品种和数量远远超过轮胎式推土机。

在国际上，卡特彼勒公司是世界上最大的工程机械制造公司，其生产的履带式推土机有大、中、小共9 个系列D3-D11，最大的D11 RCD，柴油机飞轮功率达到634kw；日本的小松（komats u）公司列第二位，1947 年才开始引进生产D50 履带推土机，现在履带式推土机有13 个系列，从D21-D575，最小的为D21，柴油机飞轮功率为29.5kw，最大的为D 575A-3SD，柴油机飞轮功率达858kw，它也是当前世界上最大的推土机；另外一家独具特色的推土机制造企业是德国的利勃海尔集团（Liebheer），其推土机全部采用静液压驱动，该技术历经十几年的研究与发展，1972年推出样机，1974 年开始批量生产PR721-PR731 和PR741 静液压驱动履带推土机，由于液压元件的限制，目前其最大功率仅为295Kw，型号为PR751矿用。

上述三家推土机制造企业，代表了当今世界上履带式推土机的最高水平。

国外其他几家履带推土机制造企业约翰迪尔、凯斯、纽荷兰和德瑞斯塔，其生产技术水平也较高。

1.2.2国内发展历史
我国生产推土机，是新中国成立以后才开始的。

最初是在农用拖拉机上加装推土装置。

随着国民经济的发展，大型矿山、水利、电站和交通等部门对中大型履带式推土机的需求不断增加，我国中大型履带式推土机制造业虽有较大发展，但已不能满足国民经济发展的需要。

为此，自1979 年以来，我国先后从日本小松公司和美国卡特彼勒公司引进了履带式推土机生产技术、工艺规范、技术标准及材料体系，经过消化吸收和关键技术的攻关，形成了目前以,20世纪80-90 年代小松技术产品为主导的格局。

从20世纪60年代至今，国内推土机行业的生产企业一直稳定在4家左右，原因是推土机产品的加工要求高、难度大，批量生产需要较大的投入，因此一般企业不敢轻易涉足。

但是随着市场的发展，从“八五”开始，国内一些大中型企业根据自身实力，开始兼营推土机，如内蒙古第一机械厂、徐州装载机厂等，扩充了推土机行业队伍。

与此同时，也有少数企业由于经营不善、不适应市场发展的需要开始走下坡路，有的已经退出本行业。

目前国内推土机的生产企业主要有：山推工程机械股份有限公司、河北宣化工程机械股份有限公司、上海彭浦机器厂有限公司、天津建筑机械厂、陕西新黄工机械有限责任公司、一拖工程机械有限公司等。

上述公司除生产推土机外，也开始涉足生产其他工程机械产品，如山推还生产压路机、平地机、挖掘机、装载机、
叉车等。

1.3推土机的发展方向
1、开发小型推土机
除高速公路建设需要大、中马力推土机外，高等级公路建设和县乡级公路网的建设和水利工程、环保工程建设，势必造就大批量的个体施工者。

这样，对小型推土机（100马力以下）的需求量必然要增加。

同时，我国已建成的高速公路和高等级公路已逐渐进入维修期，随着东部沿海地区经济的发展和人民生活水平的提高，小型推土机将逐步成为人们替代体力劳动的工具。

这正是小型推土机的市场所在。

与北美、西欧和日本市场相比，中国小型推土机市场无论是销量，还是小型推土机与重型推土机销售总量中所占的比重，都有相当大的差距。

推土机行业必须借这次机遇，努力满足这一新市场的需求。

据有关杂志介绍，目前小型机市场已进入成长期，2008-2012年前后进入成长期后期和成熟期前期，2020年前后进入成熟期。

所以，推土机行业的有关企业，应从战略角度着眼，决不能忽视小型产品的未来市场。

但，在中国这样的发展中国家开发小型工程机械产品，其定位一定要准。

应该用不同的技术、针对不同用户群来解决定位准的问题。

应首先开发满足发达地区广大农村市场的低端产品。

而高端产品更多应考虑未来用户的需求。

2、尽快完善和解决适应西部高原地区作业的关键技术
（1）、采用功率恢复型的增压技术。

由于以一般的自然吸气发动机而言，当海拔高度每升高1000m时，其输出功率就会降低8~12%。

若整机作业海拔高度达4000 m时，则其输出功率，只有在平原地区的55%左右。

所以西部高原地区施工使用的推土机必须采用这种功率恢复型增压技术，以使柴油机在高原地区使用时，其输出功率和经济指标及其热负荷指标等恢复到原东部低海拔地区时的标定水平。

目前，全国推土机的柴油机配套厂家，如上海柴油机厂、潍坊柴油机厂、重庆康明斯柴油机公司等都做了不少工作，已基本满足市场的需求。

（2）、热平衡技术。

工程机械在西部高压地区施工，要解决液力系统的冷却问题。

既要解决柴油机因增压产生的热负荷升高问题，又要解决传动散热系统因高原散热能力下降所引起的比东部低海拔地区的较高的温升。

在进行热平衡计算时，要把冷却风量、空气重度、环境温差、散热器的散热能力等等因素考虑到。

（3）、防风沙技术的应用。

由于西部地区风沙比较大，若采用一般的空气滤清器，极易造成空气滤清器堵塞或滤清不充分，损坏柴油机的零部件。

目前，各柴油机厂家一般采用三级滤清器或四级滤清器来解决这一问题。

（4）、自救防护设备及机具的配置。

由于西部高原地区交通不便，人烟稀少。

因此，机械应安装液压绞盘，以便在其陷入沙坑或沼泽地时，可被拖拽出来。

同时，由于西部地区温差大、风沙大，驾驶室应提高密封性能，并配备冷暖空调，防紫外线玻璃。

驾驶室内应配备必要的生活设施以及食用水与食品储藏柜。

甚至应配备全球定位系统和小型的制氧设备。

（5）、低温预热系统的采用。

为提高机械的冷起动性能。

除采用高性能的免维护电瓶外，采用柴油机冷却系统预热或油底壳预热技术也是两种很有效的方法。

这两种技术尤其适用于气温低于-35℃的高寒地区。

（6）、多自由度推土装置的开发应用。

随着城建设施建设的增多和农田水利建设的需要，应逐渐完善多自由度推土装置的开发和应用。

1.4对推土机技术的要求
1、采用人性化设计
目前，我国生产的推土机的外观及驾驶室的布置与世界先进国家比还有很大差距。

这与我国推土机行业竞争不大有一定关系。

针对我国已加入WTO，对国外设备的贸易壁垒逐渐取消，我们必须向国外先进企业看齐，对我们产品的外观造型、驾驶室内部舒适性等引起高度重视。

操纵系统逐渐向挖掘机、汽车行业靠近，以减轻驾驶员的劳动强度。

仪器仪表采用三级报警的电子监控装置及故障自动诊断装置，驾驶室采用密闭、带空气过滤装置的空调驾驶室，并增加收录机、甚至DVD等先进的电子设备，最大限度地满足驾驶人员的人性化要求。

2、节能技术的应用
（1）、工作装置液压系统采用定差溢流技术。

这样，在工作装置换向阀处于小开口节流调速过程中，油泵多余供油可不经安全阀回油箱，直接从差压阀溢流回油箱，使调速过程中系统压力只比工作压力高一定值△P，从而达到减少液压功率损耗，降低油温之目的。

（2）、发动机与工作装置液压系统和传动系统，采用全功率匹配技术。

发动机可根据实际工况自动调整输出给传动系统和工作装置液压系统的功率，达到最大限度地利用发动机功率，以达到节能目的。

（3）、静液传动技术。

传动采用静压传动。

整机减少了变速箱、变矩器（主离合器）、转向离合器等传动部件，从而极大减少了机械功率损失，而且极易实现与发动机的全功率匹配，以达到节能目的。

三、发动机排放达欧Ⅱ标准
随着大、中城市交通、基础设施的开工建设和维修工程的增加以及国内、国际市场对环保要求的逐渐严格，发动机排放要求至少达到欧Ⅰ标准，一些发达国家甚至已经要求达到欧Ⅱ标准。

因此，推土机配置的发动机必须尽快满足这一市场要求。

1.5履带推土机传动系概述
1.5.1传动系的功用和类型
工程机械的动力装置和驱动轮之间的传动部件总称为传动系统。

传动系的功用是将动力装置的动力，按需要传递给驱动轮和其他操纵机构。

目前工程机械大多数采用柴油机、汽油机、电动机、燃气轮机作为动力装置。

传动系统的类型有:机械式、液力一一机械式、全液压式和电动轮式等四种。

在铲土运输机械中多数为机械式或液力一一机械式传动系统;近年来在挖掘机上采用全液压式传动系统较多;在大型L程机械上已出现由电动机直接装在车轮上的电动轮式传动系统，但尚未全面推广。

机械式、液力一一机械式传动系统一般包括:主离合器、液力变矩器(只在液力一一机械传动中
才有)、变速箱、分动箱、万向传动装置、驱动桥、最终传动或轮边减速器等部分。

但并非所有传动系统都包括这些部分，其组成和布置形式取决于工程机械的总体构造形式及传动系统本身的构造形式等许多因素。

机械式或液力一一机械式传动系统中各部件的功用分述如下:
(1) 变速箱: 改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利(功率较高而油耗较低)的工况下工作；变速箱还设有倒档机构，以实现倒车的瀚要；利用空挡，中断动力传递，以发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出。

与变速箱相连的分动箱，其功用是将动力分配给前、后驱动桥。

多数分动箱具有两个档位，以便增加档数和加大传动比，使之兼起一些变速箱的功能。

（2）变矩器: 通过工作液传递发动机的动力，并具有随工程机械作业工况的变化而自动改变转速和扭矩，使之适合不同工况的需要，实现一定范围内的无级变速功能，使机械起步、运行更平稳，操作更简便，从而提高工作效率。

(3) 主传动器: 前、后驱动桥里面，由一对常啮合锥齿轮和一对常啮合圆柱齿轮组成了两级传动器只有一对常啮合锥齿轮副则称为一级主传动器)。

主传动器通过一对锥齿轮把发动机的动力旋转方向转过90度角，变为驱动轮的旋转方向，同时降低转速提高扭矩，以满足机械运行或作业的需要。

(4) 主离合器: 实现工程机械在各种工况下切断发动机与传动系之间的动力联系，根据需要结合与分离动力，以满足机械起步、换档与发动机不熄火停车等需要。

在液力一一机械传动系统中，若采用动力换档变速箱时，则可省去主离合器。

(5) 万向传动装置: 将主离合器和变速箱与前后驱动桥连接起来。

由于主离合器、变速箱和前、后驱动桥各部件的输入与输出轴都不在同一平面内，而且有些轴的相对位里也非固定不变，所以需要能改变方位的万向节来连接，而不能用一般的联轴器来连接。

(6)差速器:由于机械转弯，或道路不平，或左右轮胎气压不同等因素，将导致左右车轮在相同时间内所滚过的路程不相等。

因此，要求左右驱动轮能够根据不同情况，各自以不同的转速旋转，实现只滚不滑的纯滚动状态，以避免轮胎被强制滑磨而降低寿命和效率。

要满足这一要求，左右驱动轮不能装在同一根轴上直接由主传动器来驱动，而应将轴分为左右两段（称为半轴），并有一个能起差速作用的装置（称差速器），将两根半轴连接起来，再由主传动器来驱动。

主传动器、差速器和半轴装在一个共同的壳体中成为一个整体，成为驱动桥。

1.5.2行星式动力换档变速箱
变速箱的作用是：
1 改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利(功率较高而油耗较低)的工况下工作；
2在发动机旋转方向不变情况下，使汽车能倒退行驶；
3利用空挡，中断动力传递，以发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出。

变速箱的类型：按变速箱换档方式分为人力换档和动力换档；按轮系形式分为定轴式变速箱和行星式变速箱。

变速箱中所有齿轮都有固定的旋转轴线，称为定轴式变速箱。

定轴式变速箱的换档方式有两种，即人力换档与动力换档。

行星式变速箱中有些齿轮在空间旋转，这种轴线旋转的齿轮有两种运动，即公转与自转，故称为行星轮。

行星齿轮变速箱只有动力换档一种方式。

动力换档的工作原理如图1-1所示，齿轮A、B用轴承制成在轴上，与轴是空转连接。

通过相应的换档离合器，分别将不同档位的齿轮与轴固定连接，从而实现换档。

换档离合器的分离与结合，一般是液压操纵；液压油是由发动机带动的油缸供给，可见换档的动力是由发动机提供；另外，与人力换档相比，用离合器换档时，切断动力的时间很短，似乎换档没有切断动力，故有动力换档之称。

动力换档操纵轻便，换档时切断动力的时间很短，可以实现带负荷不停车换档，对提高生产率很有利。

由于工程机械的工况复杂，换档频繁，继续改善换档操纵。

因此，虽然动力换档变速箱结构较复杂，传动效率较低，但它在工程机械上的应用仍日益广泛。

2.PD220型履带推土机的行星式动力换档变速箱
（a）
图1-2PD220型履带推土机的行星变速箱的传动图
1—输入轴2—输出轴1、2、3、4—个行星排制动器5—闭锁离合器
1.5.3 履带式推土机的转向原理
根据转向机构的原理和构造的不同，履带式机械的转向机构有好几种，如转向离合器式，差速式、双差速式、行星式等。

PD220型履带式推土机采用的就是转向离合器式转向机构，它由左右两个转向离合器和
转向制动器组成。

转缓弯（大弯）是分离一侧的转向离合器，转急弯（小弯）时除分离切断一侧履带的动力外，还要操作该侧的制动器将该履带刹住。

转向离合器的主动鼓用螺钉和中间轴端的接盘连接，从动鼓也用螺钉和从动大接盘连接，均有止口定位。

这样的结构拆装比较方便。

1.6 本设计的主要特点
本次设计的PD220Y型推土机动力换挡变速器变速控制系统的开发，其核心技术是其电子控制系统，包括电子控制单元（ECU）、操纵部件、传感元件和执行元件等。

其中最为关键的是以微型计算机为核心的电子控制单元，包括ECU硬件制作技术、换挡控制理论、换挡品质控制理论和软件编程技术等。

主要开发内容：
1、在现有手动换挡变速器的基础上，完成适合于电子控制自动换挡的多挡位变速器机
械部分的设计与制造；
2、以微型计算机为核心的电子控制单元（ECU）硬件的设计制造；
3、适用于工程机械自动换挡的智能控制策略的制定，针对具体的工程机械产品，通过
动力传动系（包括发动机、变矩器、机械变速器和最终行驶驱动）的匹配计算制定相应的换挡规律，并针对不同的情况制定对应的换挡策略；
4、电子控制操纵部件、传感元件和执行元件的配置、设计和制造；
5、自动变速器换挡品质的控制理论和控制方式研究，换挡平稳结合阀的设计开发；
6、工程机械电控自动变速器的台架与装机试验；
7、工程机械电控自动变速器的形式试验和工业性试验；
8、工程机械电控自动变速器批量生产的相关技术研究。

主要的技术指标：
1、采用液力变矩器加三前三后机械变速方案，自动变速范围0～45km/h，传递功率
140kW，传动效率75%～80%，平均无故障时间2000h，换挡平顺；
2、采用智能换挡策略，可明显提高整机的动力性和经济性；
3、操纵轻便，操纵力约为6N左右（手工换挡操纵时操纵力达30N以上）；
4、通过台架试验、装机试验、形式试验和工业性试验完成产品的试制阶段，达到能够小批量生产的成熟程度；
5、填补国内空白，达到国际同类产品的先进水平。

经济指标：
如果将主机上原手操纵换挡改为全自动换挡控制系统，单台附加成本约需增加6000元左右，而与此同时整机的单台售价可提高3～5万元。

该全自动换挡变速器的推出，不仅将改变国内工程机械市场的竞争格局，而且将大大增强国产工程机械在国际市场上的综合竞争能力——采用全自动换挡变速器的装载机有望大量出口。

社会与经济效益：
简化驾驶操纵。

换挡操纵很少需要人工干预，并且操纵轻便，可大幅减轻驾驶员的劳动强度。

1、提高生产率。

换挡时功率基本不间断，保证整车的加速性和较高的平均车速，发动
机及传动系磨损减轻，延长大修间隔时间，提高生产率。

2、提高发动机和传动系的使用寿命。

与手工换挡机械变速器相比，自动换挡变速器可
使发动机寿命提高85%，传动系本身寿命提高1.5～2倍。

3、提高车辆通过性和适应性。

车辆起步时，牵引力矩逐渐增加，防止振动，地面不易
破坏，减少了车辆打滑，容易起步。

行驶中自动适应负荷变化，自动平稳换挡变速。

4、自动换挡操纵可与发动机特性联合控制，使得发动机工作在高效状态，能够有效节
能。

5、为国产工程机械提升产品档次、提高国际竞争力提供强大的技术支撑。

6、如果以年产5000台计算，则可年新增产值1.5亿元、利税5千万元
1.7本章小结
(1)讨论了推土机的现状和发展趋势，提出了提高推土机的操纵性能，改善驾驶员的工作环境是推土机的发展方向之一。

2针对本次课题的主要工作，PD220型履带式推土机为例介绍了推土机传动系的结构，。