一種基于HMCVT的高低檔同步器智能控制策略研究

1 研究背景

隨著農用機械的不斷發展，同步器因具有消減換檔沖擊度，延長齒輪和傳動系統壽命的特點而被廣泛應用

。變速箱的換檔過程需要通過離合器的打開和結合來實現，然而離合器輸入端和離合器輸出端具有一定的轉速差，如果轉速差過大，離合器在結合時會造成一定的磨損。同步器作為變速箱實現自動換擋最重要零部件之一，可以將速差消除到一定范圍內，減小離合器磨損，提高換擋舒適性，同時消除換擋過程中產生的大噪聲。

在變速箱控制器識別到換擋需求指令后，變速箱的液壓機構驅動撥叉帶動同步器齒套向檔位齒方向移動，齒套推動滑塊，滑塊彈簧產生的軸向力可以消除同步環摩擦面和齒輪錐面間的油膜，開始建立錐面間的摩擦系數，完成同步器預同步；同步環在產生摩擦力矩時，通過梅角對齒套的軸向移動進行鎖止；當同步完成，摩擦力矩消失，齒套可進一步往前移動，克服軸系的阻力矩，完成齒輪結合齒花鍵的嚙合，從而完成換擋實現扭矩的傳遞

。其中，鎖環式雙錐面同步器被廣泛應用于中重型變速箱，它相比于鎖銷式同步器，具有結構簡單、軸向尺寸小、重量輕、同步容量大、同步時間短、換檔沖擊力小、可靠性高等特點，可以大大縮短變速箱總長、減小變速箱重量、降低變速箱成本

。

農用拖拉機在駕駛過程中，受工況、駕駛需求等因素的影響，需要切換高低檔以滿足當前駕駛需求，實際高低檔切換依靠同步器來實現

，當同步器撥叉片受鐵屑、油液品質的影響時會出現工作異常狀態，導致高低檔切換失敗，影響整車正常運行

。然而同步器的異常工作狀態可能是偶發性的撥叉片卡滯也可能是嚴重的機械損壞，同步器撥叉片卡滯可通過調節驅動方式來實現自修復，從而保證繼續行車正常。基于此，本文提出了一種基于HMCVT高低檔同步器智能控制及工作狀態檢測方法，提高整車作業效率。

蠶豆屬一年生草本植物，主要分布在北緯63°的溫暖濕地，耐寒性較差，也不耐高溫和干旱。蠶豆根系較發達，入土較深，根瘤形成早，主根短粗，須根較多，根瘤密集呈粉紅色。莖粗壯，莢果肥厚，花期4～5月，果期5～6月。蠶豆忌連作，連作不僅會影響植株長勢，造成病苗弱株，生育不佳，更會導致根瘤菌數量下降，活性低，結莢少，發病多，最終導致減產。栽培蠶豆宜實行至少3年以上的輪作，如小麥—蠶豆—青稞—小麥，或蠶豆—玉米（套甘薯）—小麥—花生，小麥—棉花—蠶豆—玉米（套甘薯）。

2 同步器工作原理

鎖環式同步器可分為單錐鎖環、多錐鎖環同步器。受成本、工藝和結構等條件限制，鎖環式同步器的摩擦副數量目前最多應用到三錐。根據外環與內環的結構關系，多錐同步器又 可分為非耦合式、耦合式。在相同軸向尺寸下，非耦合式的錐面摩擦副面積大于耦合式，且 前者錐面錐角一般小于后者，同等條件下可提供更大的摩擦力矩；但前者的鎖止能力相對后者較弱，并且需要更大的撥環力矩，且同步之后產生沖擊也較大。結合考慮二者的優缺點，中重型變速器以耦合式多錐同步器應用居多。在HMCVT高低檔切換時，變速器的輸入端和輸出端的轉速不相同，依靠電磁閥驅動來改變同步器撥叉片位置，使輸入端在接觸錐面摩擦力矩作用下，克服輸入端零件的等價慣性力矩，使輸入端與輸出端的轉速達到同步

，當輸入端和輸出端達到同步后完成檔位的切換。其工作原理如圖1所示：

(1)檢測高低檔切換指令與當前實際檔位狀態是否一致；

同步器從空擋到擋位結合完成共分為6個過程：空擋、分度、同步、齒套穿過同步環、齒套撥動結合齒、擋位結合完成，過程示意圖見圖2,在同步過程的最后幾個過程中最容易發生卡滯問題。

3 同步器的失效形式

(3)存儲記錄：統計識別到此類工況并最終通過改變驅動電流的方式使高低檔恢復正常工作的次數；當次數超過判斷閾值高低檔切換沒有恢復正常，則提示駕駛員需對高低檔相關硬件進行排查。

4 同步器控制策略

4.1 基本控制思想

(1)狀態識別：當檢測到高低檔指令與實際行車狀態不一致時，認為同步器工作狀態異常。

4.2 控制實現過程

生產回水通過生產回水加壓管道系統輸送至高位生產回水水池后，再通過生產回水供水管道系統重力輸送至采礦工藝及選礦工藝各生產回水用水點。

當檢測到高低檔切換失敗時，通過多次切換高低檔命令來驅動同步器工作，如果在設定切換次數內高低檔切換成功，則說明此時同步器異常是因為偶發性的卡滯，而非硬件本身損壞，可以繼續正常行車。如果高低檔切換仍然處于失敗狀態，則繼續進行多次高低檔切換并每次增加相應檔位切換的驅動電流，如果在設定切換次數內高低檔切換成功，則說明此時同步器異常是因為偶發性的卡滯，高低檔同步器自修復成功，反之則需要硬件的進一步檢查。

我國亟待加快CCUS技術升級換代。一是在當前技術條件下，成熟的化學吸附法能耗高、成本高，捕集成本為300～400元/噸，埋存成本為200～300元/噸。從發展的視角看，企業負擔不起。同時，增加捕集二氧化碳環節，發電廠每千瓦時能耗將增加10%左右。二是我國東部地區油藏多為陸相沉積，原油大都為石蠟基原油，二氧化碳混相壓力高，驅油效率較低，提高采收率幅度低，大規模驅油利用需進行深化研究。因此，需要加強基礎研究和應用技術研發，加快CCUS技術升級換代。

(2)若高低檔指令與當前實際狀態一致，則高低檔切換成功；若高低檔指令與狀態不一致，則發出與當前高低檔切換指令相反的指令；

變速箱的換擋性能是影響駕駛感受的重要指標。變速箱在換擋過程中，如果出現設計魯棒性不足、不合理以及零件尺寸控制不嚴等問題時同步器就會出現磨損、打齒、卡滯、等多種問題,本文就同步器卡滯問題重點進行介紹。卡滯主要是在換檔過程中不能實現同步而造成的。一是由于摩擦錐面間的接觸面積過小，二是由于同步環磨損嚴重、外同步環凸爪兩側磨損嚴重或是兩側的錐度過大，在同步過程中不能保證同步環與齒套接合齒很好地實現鎖止作用，所以換檔時間長并且在換檔時發響

。變速箱上安裝了同步器位置傳感器，是用于計算同步過程完成的重要參考信號，換擋過程中需要給同步器電磁閥加電，電磁閥通過以后，變速箱系統泵提供的壓力會驅動液壓機構驅動撥叉帶動同步器齒套用于驅動。如果發生卡滯，同步器位置能夠很好的反映出故障狀態，下圖3顯示了驅動過程中發生同步器卡滯的情形。

具體控制過程如圖4所示：

黃土高原位于中國中部偏北，包括了太行山以西，秦嶺以北，烏鞘嶺以東，長城以南的廣大地區。跨陜西、山西、青海、甘肅、寧夏及河南等省區，面積約40萬km2，海拔1 500～2 000 m。除少數石質山地外，高原被厚厚的黃土層覆蓋，黃土厚度在50～80 m，最厚達150～180 m。黃土顆粒較細，但是土質松軟，而且含有較豐富的礦物質養分，有利于開墾農業，盆地和河谷農業發展歷史悠久。但隨著農業發展，人們缺乏保護環境的意識，植被保護工作一直沒有得到重視，在長期的流水侵蝕之后下地面變得支離破碎，形成了千溝萬壑的地表現象。

(2)驅動控制：當檢測到同步器工作狀態異常后，首先通過多次改變高低檔切換命令來進行同步器的自修復，如果在此策略控制下同步器仍然處于異常工作狀態，則繼續多次改變高低檔切換命令并同時增加相應的電磁閥驅動電流來控制。

本策略的控制實現主要分為三個過程，分別為狀態識別、驅動控制以及存儲記錄。

(3)檢測此時高低檔指令和當前實際狀態是否一致，若一致則高低檔切換恢復正常，該控制策略結束，整車正常運行；否則繼續判斷高低檔切換次數是否達到了設定閥值，若沒有超出則重復執行上述步驟(2)，反之繼續改變高低檔切換指令，并同時線性增加相應電磁閥的驅動電流；

(4)繼續檢測此時高低檔指令和當前實際狀態是否一致，若一致則高低檔切換恢復正常，該控制策略結束；否則繼續判斷高低檔切換次數是否達到了設定閥值，若沒有達到則重復執行上述步驟(3)，反之控制策略結束并報出高低檔切換失敗故障提醒駕駛員進行高低檔同步器硬件檢查。

由于引入了多種智能化的現代技術，更加增強了變電站自身變電能力。傳統的變電站不能添加的二次變電能力，可以集成化添加到智能變電站間隔層中，無需增加電纜便能實現更加強大的變電能力。通過引入先進的光電技術，能更多的監測出信息，處理信息的能力也得到了大的提升。

5 測試結果分析

按照本文所提高低檔同步器智能控制和工作狀態檢測方法進行測試，由實驗測試結果可知，在檢測到高低檔切換失敗后，通過此策略有效排查了同步器非硬件損壞的偶發性卡滯問題，實現高低檔同步器自修復，大大提高了整車工作效率。測試結果如圖5所示。

6 結論

通過分析可知，整車運行期間如果出現高低檔切換失敗，可能是高低檔同步器因受鐵屑等因素導致的非硬件損壞的偶發故障，通過改變高低檔切換命令、增加電磁閥驅動電流可以修復該故障，實現高低檔同步器自修復，繼續保持整車的正常運行，反之則判斷出高低檔同步器可能存在硬件損壞故障，提醒駕駛員進行硬件檢查。因此本文所提基于HMCVT的高低檔同步器智能控制及工作狀態檢測策略可以大大提高整車的工作效率和駕駛舒適性。

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