混合動力車輛自動機械變速器換擋過程控制探究

摘 要：電機與執行機構的換擋控制保持協同，可以更好地保證混合動力車輛自動機械變速器換擋的成功率，同時也是換擋過程控制的重點。原有采取的控制方法以控制電機轉速為主，避免同步時間過長，減少對同步器的磨損影響，但該控制方法存在明顯的不穩定性，無法保證變速器在任何情況下均能做到成功換擋。基于此，本文分析了混合動力車輛自動機械變速器換擋研究現狀，提出以主動控制電機轉矩的方式，提升變速器換擋可靠性，優化該動作執行過程控制，解決換擋過程中動力中斷時間長、同步器磨損嚴重等問題，進而實現混合動力車輛成功執行換擋操作。

關鍵詞：混合動力車輛 自動機械變速器 換擋過程

“雙碳”目標背景下，推動著新能源汽車行業迅速發展，混合動力車輛作為新能源汽車類型的一種，相較于傳統燃油車輛，其節能效果、外觀造型等方面均優于前者，但對該類車輛的零部件性能也提出更高要求。因混合動力車輛的傳動系統較為復雜，采取電機轉速調節的輔助控制方式，無法保證受到不確定因素影響時仍能做到混合動力車輛成功換擋。針對此方面問題，本文提出以主動控制電機轉矩的方式，提升變速器換擋可靠性，優化該動作執行過程控制，解決換擋期間所存在的同步器磨損問題，并有效縮短動力中斷時間，增強車輛換擋操作的可靠性。

1 混合動力車輛自動機械變速器換擋研究現狀

隨著我國積極推動新能源大規模開發與利用等相關政策實施，為新能源汽車行業發展創建了有利條件，其中混合動力車輛作為新能源車輛的一種類型，相較于傳統車輛，其燃油效率、減少排放以及平穩駕駛體驗等方面的優勢更加明顯，但存在動力系統復雜化問題；尤其是對多種動力源耦合對傳動系統控制能力有著極高要求。結合目前現有研究成果，部分研究人員針對變速器換擋控制，提出利用電機轉速調控手段，實現變速器與離合器互不分離的前提下，仍能執行換擋動作，并保障換擋質量。或者為了滿足換擋協調性要求，采取有效措施實現電機同步機械運行，進一步減少換擋時間。也有相關技術人員針對該類車輛的變速器換擋控制，提出通過遺傳算法獲取該設備的相關參數，在此基礎上篩選符合實際情況的換擋控制方式，解決混合動力車輛在使用期間所存在的問題，如車輛排放量高、經濟性較差等問題。另外，也有相關人員提出在保持動力協調控制基礎上，縮短換擋動作執行期間的動力中斷時間，避免同步器磨損現象加劇，通過對該控制方法進行實車試驗，其結果顯示，該控制方法能夠有效提升混合動力車輛換擋的可靠性。上述所提出的換擋控制策略均是以輔助換擋方式為主，通過控制電機轉速實現同步時間縮短，解決同步器磨損過大問題。但受到不確定性因素影響時，無法保證可以通過控制電機轉速提升變速器掛擋成功率[1]。

基于此，本文結合上述研究成果，對現有各種控制方法進行改進，提出以主動控制電機轉矩的方式，提升變速器換擋可靠性，優化該動作執行過程控制，以及解決同步器磨損嚴重、動力中斷時間過長等問題，從而為混合動力汽車行業發展提供基礎保障。

2 基于混合動力車輛的自動機械變速器換擋過程控制方法

2.1 混合動力車輛換擋過程

混合動力車輛自動機械變速器換擋時，需要考慮節氣門開度以及行車速度等因素，并根據實際工況確定升檔或降檔時間。由動力電池、自動離合器、變速器等其他重要部件共同構成混合動力車輛的傳動系統，其換擋過程涉及卸載、摘擋、同步、掛擋以及轉矩恢復的5個流程，其核心技術為虛擬離合器與車輛機械自動變速器的單軸并聯，同步與掛擋兩個流程屬于進行同步器接合的環節，該過程中保證動力源與換擋執行機構之間的協調性，有利于提高掛擋成功率；相反，若協調控制不足，則會增加掛擋失敗率，并延長掛擋時間，同時也會加劇同步器磨損。

2.2 同步與掛擋流程

混合動力車輛系統中的同步器結構組成涉及多個部件，如接合套、鎖環、接合齒圈、彈簧等。在換擋過程中，同步器順利嚙合，需要經過以下幾個步驟。

（1）首次自由軸向運動，當同步器所在位置是空擋時，在定位滑塊、彈簧等部件的作用下，將控制接合套移動，使其處于中間區域；當執行換擋指令時，則會因換擋力作用使滑塊與鎖環共同向目標擋位方向進行軸向運動，同時將各個部件與接合齒圈外摩擦錐面之間存在的間隙進行消除。

（2）預同步。在換擋力作用影響下，接合套會軸向位移，并與定位滑塊相互脫離，接合套齒與鎖環齒保持相互抵觸的狀態，以保證鎖止相位準確性。可通過下述公式表達接合套的軸向位移：

式中：—接合套軸向位移；—鎖環齒寬度；—鎖環齒角度[2]。

（3）轉速同步。同樣受到換擋力作用影響，此時接合套繼續進行軸向運動，當前內錐面與外錐面之間會有一定的摩擦力矩產生。基于該作用條件下，接合套齒不斷擠壓鎖環齒，則會在二者的接觸面出現與其垂直的法向正壓力，以及平行的切向摩擦力。相較于傳統燃油動力車輛，混合動力車輛自動機械變速器換擋過程中，其慣量、內部摩擦阻力矩等參數均與傳統燃油車輛有著明顯差異；雖然采取利用同步摩擦力矩的方式來實現同步器動端轉速保持相同，但無法保證變速器換擋動作能夠在規定要求時間內完成，在某種程度上也會加劇該部件磨損。因此，需要轉變原有的控制方法，采取電機轉矩控制策略，利用正向輸出力矩或負向輸出力矩，替代上述提出的同步摩擦力矩，不僅可以將同步力矩輸出范圍精準控制，并與其他運動控制方式相互配合后，能夠有效增強協同控制效果，妥善解決同步器容易磨損的問題。

（4）同步完成撥環。該步驟要求同步器從動部分的轉速不變，防止出現錐面之間存在的靜摩擦力與規定要求不一致的情況；基于換擋力作用，實現通過接合套齒完成同步器角度調整動作，如前進或倒退，以半個齒寬為標準，控制同步器調整角度，保證換擋動作執行順利。

（5）第二次自由軸向運動。待上個步驟相關任務完成后，此時接合套齒和鎖環齒將不存在相抵觸的情況，同樣基于換擋力作用，該部件開始自由軸向運動，目的是將二者的相抵觸狀態轉變為相接觸狀態。

（6）二次沖擊。在自由軸向運動工況下，按照規定要求，調節軸向速度，因目前接合套齒所在位置限制，有效避免了軸向運動過程中可能會出現二次沖擊的問題。若接合套齒與接合齒圈所在位置相同時，二者則會共同承擔換擋力作用，此時才會產生二次沖擊。接合套需要在該步驟完成齒輪波動操作，使其進入目標檔位，該過程中所涉及的前進或倒退動作，均是以半個齒寬為標準，調整角度，從根本上保證自由軸向運動完成的更加順利。

（7）最后環節的自由軸向運動。基于換擋力作用，驅動接合套完成最后環節的自由軸向運動。

2.3 掛擋過程的控制優化方法

在變速器換擋動作執行過程中，通常是與掛擋動作同步執行，按照目標檔位，完成同步器嚙合。該過程需要主動控制電機，避免發生于離合器換擋相分離的問題。目前現有研究成果中，針對換擋過程控制，雖然電機轉速控制方法的運用，在一定程度上能夠提升換擋可靠性，但無法保證該期間不會受到其他因素干擾，如轉速跟蹤控制精度等，直接影響同步器順利嚙合；因此，本文在上述研究成果基礎上，提出改變電機轉速控制方法，通過主動控制電機轉矩，進一步優化變速器換擋過程控制，實現換擋成功率有效提高，同時解決同步器磨損嚴重化問題。

2.3.1 控制電機轉速

以控制電機轉速的方式，對變速器換擋過程加以控制，該過程中需要利用控制器的轉速調節模塊，操作者將目標轉速向電機發送后，控制器接收該信號，再調節電機輸出力矩，同時對目標轉速進行跟蹤。目標轉速與實際轉速之間的差值明顯時，控制器則會自動執行扭矩調節操作，保證實際轉速與目標轉速相同。

結合目前所掌握的相關資料顯示，由于受到諸多因素影響，則會導致轉速跟蹤不準確、延遲等問題發生，目標轉速信號接收偏差，必然引起轉速偏差過大問題，進而無法保證同步器順利完成嚙合。

2.3.2 控制電機轉矩

由于電機轉速響應精度、速度均明顯快于電機轉速響應，為了保證電機所輸出的目標轉矩準確性，提出利用TCU完成對變速器輸入軸轉速、輸出軸轉速等相關參數的采集，實現對電機準確輸出目標轉矩。

變速器輸入軸的目標轉速與實際轉速之間的差值小于掛擋時電機目標轉速與實際轉速之間的差值，通過TCU控制完成變速器換擋動作，根據目標檔位，驅動同步器嚙合。當同步器主從動端未進行同步時，且同步器所在位置，是同步瑣止所在部位，則會在同步動作技術后，在換擋力作用下，迫使同步器主動端執行撥環動作，進行目標擋位的前進或后退，旋轉角度控制在半個齒寬范圍內，成功完成換擋。

2.4 基于電機轉矩控制方法的實車試驗

選擇一輛混合動力公交車，并實施上述所提出的換擋過程控制方法，該車輛發動機的額定輸出功率（轉速）為140kW（2500r·min-1）；最大輸出轉矩（轉速）為650Nm（1500r·min-1）；怠速工況下的轉速為600r·min-1。自動離合器為干式單片膜片彈簧離合器，其最大傳遞轉矩為750Nm，作動方式為氣動。

2.4.1 混合動力車輛的連續升擋

根據試驗要求，合理設置工況條件。車輛處于靜止起步狀態時，設置100%油門開度，使試驗車輛速度達到最高，且試驗車輛需要保持持續加速狀態，可以發現當前試驗車輛的檔位，已經從1擋轉變為6擋。從試驗車輛在連續升擋條件下的各項參數變化來看，在試驗車輛從2擋上升至3擋時，其進入空擋后，可以通過TCU控制完成目標轉矩信息傳送，以保證電機轉矩值達到最大；但該期間會受到電機自身特性、供電穩定性等因素影響，將不支持隨意調整電機的輸出轉矩值。

另外，當變速器的輸入軸轉速和目標轉速的差值，＜200r·min，二者之間存在正比關系；若轉速差＜20r·min，可以通過TCU進行換擋力施加，驅動3擋同步器嚙合，即可完成2擋向3擋提升的動作，換擋期間的動力中斷時間不超過0.8s[3]。

2.4.2 混合動力車輛的連續降擋

當處于油門完全關閉工況條件下時，試驗車輛從最高車速狀態向靜止狀態轉變，該期間需要持續減速。此時試驗車輛變速器從6擋降低至1擋。從試驗車輛在連續降擋條件下的各項參數變化來看，發現4擋向3擋轉變時，4擋擋位完全脫空后，并進入空擋，可以通過TCU控制完成目標轉矩信息傳送，以保證電機轉矩值達到最大；電機目標輸出轉矩隨著變速器的輸入軸轉速和目標轉速的差值變小或變小而改變，差值越小，輸出轉矩越低。

2.4.3 掛擋工況下的電機前后控制對比

從電機轉速前后控制對比結果來看，摘空擋后，針對變速器輸入軸主動跟蹤變速器輸出軸的轉速調節，需要前提控制轉速，將二者之間的轉速差值控制在規定要求范圍捏，若未超過10r·min，即可通過TCU控制完成同步器順利嚙合。基于進擋動作執行情況下，當前電機控制模式發生改變，且目標轉速發生變化時，電機輸出轉矩也會出現上升或降低的變化，說明目標轉速變小，輸出轉矩提升，更加方便控制轉速波動影響。

結合上述內容，確定了電機輸出轉矩是影響同步器接合的關鍵因素之一，并對同步器執行前進動作時產生一定阻力，進而導致進擋時間變長，降低了掛擋成功率。當整個同步器的接合過程時間控制若超過0.8s，無法保證成功掛擋；因此，針對該情況，需要調整換擋過程控制方式，即控制電機轉矩，將電機輸出轉矩控制在最小范圍內，達到縮小同步器主從動端轉速差目的，以保障進擋操作完成更加順利。

2.4.4 試驗結果

基于“虛擬離合器”技術運用，與混合動力系統機械自動變速器單軸并聯，其換擋過程需要經過多個流程，其中同步與掛擋則為影響混合動力車輛變速器成功換擋的關鍵流程，同步器順利接合，前提是保證動力源與換擋執行結構之間控制協調性，若同步器接合過程中存在控制精度不足，均會增加換擋失敗率，并延長換擋操作時間，伴隨同步器磨損問題[4]。

因此，本文結合現有研究成果，以及總結上述研究內容，提出利用主動控制電機轉矩的方法，實現對變速器換擋動作執行過程控制的進一步優化，彌補傳統電機轉速控制方法的不足，通過主動控制電機轉矩，將其控制在規定要求范圍內，降低對同步器的磨損影響，同時將動力中斷時間縮短至最小范圍內，解決變速器換擋成功率不高、可靠性不足等問題。同時對該控制方法進行實車試驗，從連續升檔、連續降檔等方面對電機轉矩控制方法的可行性、有效性進行驗證；試驗結果表明，上述所提出的控制方法，不僅可以有效縮短動力中斷時間，在一定程度上也能減少換擋動作執行期間對同步器的磨損影響，保證同步器順利嚙合，提升換擋過程控制精度以及加快動態響應，進一步提高混合動力車輛自動機械變速器換擋成功率。

3 結語

綜上所述，針對混合動力車輛自動變速器換擋過程控制，僅依靠電機轉速控制方式，無法保證換擋過程中的同步器嚙合順利，并容易加劇同步器磨損問題。因此，本文提出一種基于電機轉矩控制的方法，提高轉速吭聲控制精度，并縮短動態響應時間，優化混合動力車輛自動機械變速器換擋過程控制，有效減小同步器從動端轉速差，將換擋期間的動力中斷時間縮短，提高換擋成功率。

參考文獻：

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[5]黃曲，楊軍，宋觀冬.混合動力變速器氣動換擋機構故障下線檢測方法[J].汽車零部件，2024（11）：53-56.