一种防爆车辆变速箱用电液手动半自动换挡系统的制作方法

本发明属于矿用柴油机防爆无轨胶轮车技术领域，具体是一种防爆车辆变速箱用电液手动半自动换挡系统。

背景技术：

目前矿用无轨辅助运输车辆传动系统主要分为液力机械传动和全液压传动两类，换档方式采用机械拉杆配合液控阀换档或软轴拉线配合液控阀换档装置。这两种换档方式由于液控响应速度慢，控制精度不高，都存在容易造成的液控换档不到位、冲击大、费力、平顺性差的问题。半自动电液控制换档灵敏、控制精确，换档平顺性好，特殊路况换档反应迅速，车辆运行平稳，驾驶员操控舒适性好，对于改善车辆行驶品质具有明显的提高作用。因此电控换档变速系统必将是矿用防爆车辆的应用趋势。

电控换档变速器目前在非防爆车辆上已经有了较多程度的运用，但是由于非防爆电控换档系统存在多种引燃源，包括高温、电弧、电火花、静电等。当车辆行驶至存在可燃性气体、粉尘等危险环境中作业时，有可能发生燃烧或爆炸事故，因此目前没有较成熟的针对矿用防爆车辆的电液换档控制系统。同时，由于矿用防爆车辆使用工况恶劣，井下行车路线固定且唯一，巷道宽度通常有限，车辆一旦出现变速系统故障难以获得及时维修支持。因此需针对矿用防爆车辆防爆要求及特殊工况要求设计一款防爆车辆变速箱用电液半自动换档系统。

技术实现要素：

本发明为了解决矿用防爆车辆实现电控换档的问题，提供一种防爆车辆变速箱用电液手动半自动换挡系统。

本发明采取以下技术方案：一种防爆车辆变速箱用电液手动半自动换挡系统，包括档位选择手柄、换挡控制器、电液操纵阀、防爆电控开关电磁阀、备用手动换挡阀、变速箱、转速传感器、温度传感器和电源，换挡控制器上分别连接有档位选择手柄、本安型油门踏板传感器、本安型转速传感器、本安型温度传感器和电液操纵阀连接，电液操纵阀上设有防爆电控开关电磁阀，电液操纵阀通过油管与变速箱连接，变速箱上设有备用手动换向阀。

所述的换挡控制器包括换档控制TCU电路单元、本安电源转换模块、1路模拟量信号隔离栅栏、1路温度信号隔离栅栏、3路脉冲量信号隔离栅栏、8路开关量本安/非安隔离电路和CAN通信本安/非安隔离电路，本安电源转换模块将车辆提供的28V非安电源转换为两路12V本安电源以及1路5V本安电源为所有模块供电，换档控制TCU电路单元分别与1路模拟量信号隔离栅栏、1路温度信号隔离栅栏、3路脉冲量信号隔离栅栏、8路开关量本安/非安隔离电路和CAN通信本安/非安隔离电路连接，开关量本安/非安隔离电路与档位选择手柄连接，脉冲量信号隔离栅栏与本安型转速传感器连接，温度信号隔离栅栏与本安型温度传感器连接，模拟量信号隔离栅栏与本安型油门踏板传感器连接，换档控制TCU电路单元与电液操纵阀连接。

换档控制TCU电路单元包括单片机系统、A/D调理电路、电磁阀驱动电路、存储扩展模块、CAN通信电路和电源电路，单片机系统上设有I/O通信A口、I/O通信B口、I/O通信C口、I²C串行通信接口和FlexCAN接口，单片机系统通过基本I/O通信A口与8路开关量隔离电路通信；单片机系统通过基本I/O通信B口与A/D调理电路通信，A/D调理电路与脉冲量信号隔离栅栏连接；单片机系统通过基本I/O通信C口与电磁阀驱动电路通信，电磁阀驱动电路与电液操纵阀连接；通过内置的I²C串行通信接口与存储扩展模块连接；单片机系统通过FlexCAN接口与CAN通信接口连接，CAN通信接口与CAN通信本安/非安隔离电路连接；电源模块分别为单片机系统、A/D调理模块电路、电磁阀驱动电路、存储扩展电路、CAN通信电路提供电压。

所述的档位选择手柄包括两个分别能实现三个前进档和三个后退档的档位状态选择的三位旋钮开关以及一个按钮控制开关按下后方可进行前进和后退档选择的按钮控制开关，档位选择手柄输出信号为多路开关量干接点信号，由所述的8路开关量隔离电路检测其对应通断。

所述的换档控制器还具有启动钥匙信号的输入模块、空档启动模块和刹车保护模块，其输入信号均通过继电器开关进行输入输出，连接8路开关量隔离安全栅的隔离通道进行输入/输出。

与现有技术相比，本发明可代替目前矿用防爆车辆所采用的机械拉杆或软轴拉线配合液控阀换档系统。本发明按照矿用防爆要求设计，提高了井下柴油机车辆换档精确性，减少了换档冲击、减小了换档操纵力。TCU电路设计故障观察灯，且采用电磁阀控制电液操纵阀高压油路进行换挡，便于日常故障诊断检修。针对矿用防爆车辆换档系统在井下出现故障后不易维修的特殊工况，设计了手动备用换档阀，可实现车辆快速开离故障现场，从而不影响煤矿井下的安全生产。

附图说明

图1 为本发明的总体结构逻辑示意方框图；

图2 为本发明换挡TCU控制电路结构图；

图3 为本发明结构及组装总成图；

图中1-档位选择手柄、2-手柄线束、3-控制器线束、4-换档控制器、5-电液操纵阀、6-防爆电控开关电磁阀、7-高压油管、8-备用手动换档阀、9-变速箱、10-电磁阀控制线束、11-本安型油门踏板传感器、12-本安型转速传感器、13-本安型温度传感器。

具体实施方式

如图3所示，一种防爆车辆变速箱用电液手动半自动换挡系统，档位选择手柄1、换挡控制器4、电液操纵阀5、防爆电控开关电磁阀6、备用手动换挡阀8、变速箱9、转速传感器11、温度传感器12和电源13，换挡控制器4上分别连接有档位选择手柄1、本安型油门踏板传感器11、本安型转速传感器12、本安型温度传感器13和电液操纵阀5连接，电液操纵阀5上设有防爆电控开关电磁阀6，电液操纵阀5通过油管7与变速箱9连接，变速箱9上设有备用手动换向阀8。

所述的换挡控制器4包括换档控制TCU电路单元、本安电源转换模块、1路模拟量信号隔离栅栏、1路温度信号隔离栅栏、3路脉冲量信号隔离栅栏、8路开关量本安/非安隔离电路和CAN通信本安/非安隔离电路，本安电源转换模块将车辆提供的28V非安电源转换为两路12V本安电源以及1路5V本安电源为所有模块供电，换档控制TCU电路单元分别与1路模拟量信号隔离栅栏、1路温度信号隔离栅栏、3路脉冲量信号隔离栅栏、8路开关量本安/非安隔离电路和CAN通信本安/非安隔离电路连接，开关量本安/非安隔离电路与档位选择手柄1连接，脉冲量信号隔离栅栏与本安型转速传感器12连接，温度信号隔离栅栏与本安型温度传感器13连接，模拟量信号隔离栅栏与本安型油门踏板传感器11连接，换档控制TCU电路单元与电液操纵阀5连接。

换档控制TCU电路单元包括单片机系统、A/D调理电路、电磁阀驱动电路、存储扩展模块、CAN通信电路和电源电路，单片机系统上设有I/O通信A口、I/O通信B口、I/O通信C口、I²C串行通信接口和FlexCAN接口，单片机系统通过基本I/O通信A口与8路开关量隔离电路通信；单片机系统通过基本I/O通信B口与A/D调理电路通信，A/D调理电路与脉冲量信号隔离栅栏连接；单片机系统通过基本I/O通信C口与电磁阀驱动电路通信，电磁阀驱动电路与电液操纵阀5连接；通过内置的I²C串行通信接口与存储扩展模块连接；单片机系统通过FlexCAN接口与CAN通信接口连接，CAN通信接口与CAN通信本安/非安隔离电路连接；电源模块分别为单片机系统、A/D调理模块电路、电磁阀驱动电路、存储扩展电路、CAN通信电路提供电压。

其中单片机系统采用飞思卡尔公司的32位处理器MPC5604D作为主控芯片，该芯片具有低功耗，以及丰富的接口（I/O、LIN、CAN）设计，可满足本系统各输入输出端口需要。电源电路将防爆车辆发电器调节器输出的28V直流电转化为单片机及外围电路工作所需的5V电压，采用电流模式控制型的开关稳压器LM5118设计。存储扩展电路为扩展256k容量FLASH完成TCU存储空间的扩展，同时用于存储控制程序以及标定MAP图数据，并保证数据断电存储。电磁阀驱动电路采用集成的多通道桥式驱动电路模块设计，当输入端接收到ECU给出的控制信号，能控制输出端以驱动4路电磁阀工作。CAN通信电路完成TCU与CAN总线的通信，由于TCU单片机集成了CAN通信接口，本通信电路根据单片机现有的接口采用两块6N137光耦芯片进行总线驱动。模拟信号/开关信号调理电路是将传感器信号转换为单片机系统可处理信号，以满足单片机系统I/O口的要求。

换档控制器内部的本安电源转换模块部分将车辆提供的28V非安电源转换为两路12V本安电源以及1路5V本安电源，为换档选择手柄、隔离模块及其它外围设备供电。电源采用DC/DC转换模块设计，本安/非安两侧可承受4500VAC耐压测试。8路开关量本安/非安隔离电路与本质安全型档位选择手柄及其它本安开关连接，实现开关量隔离及限能功能。该模块采用8路固态继电器MPD-CD3隔离设计，该固态继电器工作电压为3~60V，输入输出端之间可承受4500VAC耐压测试，满足本安隔离要求。CAN隔离电路与CAN通信接口连接，实现设备与危险区本安型设备的CAN通信隔离，所传输的CAN信号包括实时档位、故障代码、电磁阀工作状态等。CAN通信隔离电路由12V本安电源供电，通过光耦隔离电路将CANH及CANL两路信号进行有效隔离。换档控制TCU电路通过模拟量输入隔离栅连接油门踏板传感器输出的0-5V电压信号，通过脉冲量隔离栅连接转速传感器所检测的发动机输出轴转速的PNP输出型脉冲信号，通过温度隔离栅检测PT100型热电阻型温度传感器所采集的电阻值，并转换为温度值，从而综合判断发动机运行状态。所述控制器电路、电源模块及各隔离电路均安装固定在隔爆外壳中，并通过引入装置将电缆线束引出，以实现对危险火花的限制。

所述的档位选择手柄1包括两个分别能实现三个前进档和三个后退档的档位状态选择的三位旋钮开关以及一个按钮控制开关按下后方可进行前进和后退档选择的按钮控制开关，档位选择手柄1输出信号为多路开关量干接点信号，由所述的8路开关量隔离电路检测其对应通断。各开关输出为干接点开关量。档位选择手柄的各开关共用节点连接12V本安电源供电，开关其它共5个节点连接隔爆兼本质安全型换档控制器内部的8路开关量隔离电路。当某一位开关状态被选中后，相应的接点联通12V开关电源，则换档控制TCU电路单元检测其输出的组合判断其状态，从而完成正确的档位选择。

所述的换档控制器4还具有启动钥匙信号的输入模块、空档启动模块和刹车保护模块，其输入信号均通过继电器开关进行输入输出，连接8路开关量隔离安全栅的隔离通道进行输入/输出。保证信号输出的满足防爆要求。