一种基于HMCVT的高低档同步器智能控制策略研究

1 研究背景

随着农用机械的不断发展，同步器因具有消减换档冲击度，延长齿轮和传动系统寿命的特点而被广泛应用

。变速箱的换档过程需要通过离合器的打开和结合来实现，然而离合器输入端和离合器输出端具有一定的转速差，如果转速差过大，离合器在结合时会造成一定的磨损。同步器作为变速箱实现自动换挡最重要零部件之一，可以将速差消除到一定范围内，减小离合器磨损，提高换挡舒适性，同时消除换挡过程中产生的大噪声。

在变速箱控制器识别到换挡需求指令后，变速箱的液压机构驱动拨叉带动同步器齿套向档位齿方向移动，齿套推动滑块，滑块弹簧产生的轴向力可以消除同步环摩擦面和齿轮锥面间的油膜，开始建立锥面间的摩擦系数，完成同步器预同步；同步环在产生摩擦力矩时，通过梅角对齿套的轴向移动进行锁止；当同步完成，摩擦力矩消失，齿套可进一步往前移动，克服轴系的阻力矩，完成齿轮结合齿花键的啮合，从而完成换挡实现扭矩的传递

。其中，锁环式双锥面同步器被广泛应用于中重型变速箱，它相比于锁销式同步器，具有结构简单、轴向尺寸小、重量轻、同步容量大、同步时间短、换档冲击力小、可靠性高等特点，可以大大缩短变速箱总长、减小变速箱重量、降低变速箱成本

。

农用拖拉机在驾驶过程中，受工况、驾驶需求等因素的影响，需要切换高低档以满足当前驾驶需求，实际高低档切换依靠同步器来实现

，当同步器拨叉片受铁屑、油液品质的影响时会出现工作异常状态，导致高低档切换失败，影响整车正常运行

。然而同步器的异常工作状态可能是偶发性的拨叉片卡滞也可能是严重的机械损坏，同步器拨叉片卡滞可通过调节驱动方式来实现自修复，从而保证继续行车正常。基于此，本文提出了一种基于HMCVT高低档同步器智能控制及工作状态检测方法，提高整车作业效率。

蚕豆属一年生草本植物，主要分布在北纬63°的温暖湿地，耐寒性较差，也不耐高温和干旱。蚕豆根系较发达，入土较深，根瘤形成早，主根短粗，须根较多，根瘤密集呈粉红色。茎粗壮，荚果肥厚，花期4～5月，果期5～6月。蚕豆忌连作，连作不仅会影响植株长势，造成病苗弱株，生育不佳，更会导致根瘤菌数量下降，活性低，结荚少，发病多，最终导致减产。栽培蚕豆宜实行至少3年以上的轮作，如小麦—蚕豆—青稞—小麦，或蚕豆—玉米（套甘薯）—小麦—花生，小麦—棉花—蚕豆—玉米（套甘薯）。

2 同步器工作原理

锁环式同步器可分为单锥锁环、多锥锁环同步器。受成本、工艺和结构等条件限制，锁环式同步器的摩擦副数量目前最多应用到三锥。根据外环与内环的结构关系，多锥同步器又 可分为非耦合式、耦合式。在相同轴向尺寸下，非耦合式的锥面摩擦副面积大于耦合式，且 前者锥面锥角一般小于后者，同等条件下可提供更大的摩擦力矩；但前者的锁止能力相对后者较弱，并且需要更大的拨环力矩，且同步之后产生冲击也较大。结合考虑二者的优缺点，中重型变速器以耦合式多锥同步器应用居多。在HMCVT高低档切换时，变速器的输入端和输出端的转速不相同，依靠电磁阀驱动来改变同步器拨叉片位置，使输入端在接触锥面摩擦力矩作用下，克服输入端零件的等价惯性力矩，使输入端与输出端的转速达到同步

，当输入端和输出端达到同步后完成档位的切换。其工作原理如图1所示：

(1)检测高低档切换指令与当前实际档位状态是否一致；

同步器从空挡到挡位结合完成共分为6个过程：空挡、分度、同步、齿套穿过同步环、齿套拨动结合齿、挡位结合完成，过程示意图见图2,在同步过程的最后几个过程中最容易发生卡滞问题。

3 同步器的失效形式

(3)存储记录：统计识别到此类工况并最终通过改变驱动电流的方式使高低档恢复正常工作的次数；当次数超过判断阈值高低档切换没有恢复正常，则提示驾驶员需对高低档相关硬件进行排查。

4 同步器控制策略

4.1 基本控制思想

(1)状态识别：当检测到高低档指令与实际行车状态不一致时，认为同步器工作状态异常。

4.2 控制实现过程

生产回水通过生产回水加压管道系统输送至高位生产回水水池后，再通过生产回水供水管道系统重力输送至采矿工艺及选矿工艺各生产回水用水点。

当检测到高低档切换失败时，通过多次切换高低档命令来驱动同步器工作，如果在设定切换次数内高低档切换成功，则说明此时同步器异常是因为偶发性的卡滞，而非硬件本身损坏，可以继续正常行车。如果高低档切换仍然处于失败状态，则继续进行多次高低档切换并每次增加相应档位切换的驱动电流，如果在设定切换次数内高低档切换成功，则说明此时同步器异常是因为偶发性的卡滞，高低档同步器自修复成功，反之则需要硬件的进一步检查。

我国亟待加快CCUS技术升级换代。一是在当前技术条件下，成熟的化学吸附法能耗高、成本高，捕集成本为300～400元/吨，埋存成本为200～300元/吨。从发展的视角看，企业负担不起。同时，增加捕集二氧化碳环节，发电厂每千瓦时能耗将增加10%左右。二是我国东部地区油藏多为陆相沉积，原油大都为石蜡基原油，二氧化碳混相压力高，驱油效率较低，提高采收率幅度低，大规模驱油利用需进行深化研究。因此，需要加强基础研究和应用技术研发，加快CCUS技术升级换代。

(2)若高低档指令与当前实际状态一致，则高低档切换成功；若高低档指令与状态不一致，则发出与当前高低档切换指令相反的指令；

变速箱的换挡性能是影响驾驶感受的重要指标。变速箱在换挡过程中，如果出现设计鲁棒性不足、不合理以及零件尺寸控制不严等问题时同步器就会出现磨损、打齿、卡滞、等多种问题,本文就同步器卡滞问题重点进行介绍。卡滞主要是在换档过程中不能实现同步而造成的。一是由于摩擦锥面间的接触面积过小，二是由于同步环磨损严重、外同步环凸爪两侧磨损严重或是两侧的锥度过大，在同步过程中不能保证同步环与齿套接合齿很好地实现锁止作用，所以换档时间长并且在换档时发响

。变速箱上安装了同步器位置传感器，是用于计算同步过程完成的重要参考信号，换挡过程中需要给同步器电磁阀加电，电磁阀通过以后，变速箱系统泵提供的压力会驱动液压机构驱动拨叉带动同步器齿套用于驱动。如果发生卡滞，同步器位置能够很好的反映出故障状态，下图3显示了驱动过程中发生同步器卡滞的情形。

具体控制过程如图4所示：

黄土高原位于中国中部偏北，包括了太行山以西，秦岭以北，乌鞘岭以东，长城以南的广大地区。跨陕西、山西、青海、甘肃、宁夏及河南等省区，面积约40万km2，海拔1 500～2 000 m。除少数石质山地外，高原被厚厚的黄土层覆盖，黄土厚度在50～80 m，最厚达150～180 m。黄土颗粒较细，但是土质松软，而且含有较丰富的矿物质养分，有利于开垦农业，盆地和河谷农业发展历史悠久。但随着农业发展，人们缺乏保护环境的意识，植被保护工作一直没有得到重视，在长期的流水侵蚀之后下地面变得支离破碎，形成了千沟万壑的地表现象。

(2)驱动控制：当检测到同步器工作状态异常后，首先通过多次改变高低档切换命令来进行同步器的自修复，如果在此策略控制下同步器仍然处于异常工作状态，则继续多次改变高低档切换命令并同时增加相应的电磁阀驱动电流来控制。

本策略的控制实现主要分为三个过程，分别为状态识别、驱动控制以及存储记录。

(3)检测此时高低档指令和当前实际状态是否一致，若一致则高低档切换恢复正常，该控制策略结束，整车正常运行；否则继续判断高低档切换次数是否达到了设定阀值，若没有超出则重复执行上述步骤(2)，反之继续改变高低档切换指令，并同时线性增加相应电磁阀的驱动电流；

(4)继续检测此时高低档指令和当前实际状态是否一致，若一致则高低档切换恢复正常，该控制策略结束；否则继续判断高低档切换次数是否达到了设定阀值，若没有达到则重复执行上述步骤(3)，反之控制策略结束并报出高低档切换失败故障提醒驾驶员进行高低档同步器硬件检查。

由于引入了多种智能化的现代技术，更加增强了变电站自身变电能力。传统的变电站不能添加的二次变电能力，可以集成化添加到智能变电站间隔层中，无需增加电缆便能实现更加强大的变电能力。通过引入先进的光电技术，能更多的监测出信息，处理信息的能力也得到了大的提升。

5 测试结果分析

按照本文所提高低档同步器智能控制和工作状态检测方法进行测试，由实验测试结果可知，在检测到高低档切换失败后，通过此策略有效排查了同步器非硬件损坏的偶发性卡滞问题，实现高低档同步器自修复，大大提高了整车工作效率。测试结果如图5所示。

6 结论

通过分析可知，整车运行期间如果出现高低档切换失败，可能是高低档同步器因受铁屑等因素导致的非硬件损坏的偶发故障，通过改变高低档切换命令、增加电磁阀驱动电流可以修复该故障，实现高低档同步器自修复，继续保持整车的正常运行，反之则判断出高低档同步器可能存在硬件损坏故障，提醒驾驶员进行硬件检查。因此本文所提基于HMCVT的高低档同步器智能控制及工作状态检测策略可以大大提高整车的工作效率和驾驶舒适性。

[1]曹学江.变速器双锥面同步器的设计计算[J].机械管理开发,2004(06):11-12.DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2004.06.005.

[2]李亚娟.变速箱同步器换挡过程与失效案例分析[J].汽车科技,2020(02):21-25.

[3]刘选.锁环式双锥面同步器的故障分析[J].机械工程与自动化,2005(06):103-104.

[4]潘国军.HC8S-120型变速器高低档同步器质量问题的分析及解决方案[J].机械传动,2008(01):101-103+112.DOI:10.16578/j.issn.1004.2539.2008.01.022.

[5]向权力,杨子轩,刘晓雷.重型机械变速箱锁销式同步器常见故障模式的原因分析及解决方法[J].企业技术开发,2012,31(28):32-33.DOI:10.14165/j.cnki.hunansci.2012.28.033. [6]刘选.锁环式双锥面同步器的故障分析[J].机械工程与自动化,2005(06):103-104.

[7]刘美艳,谭草,李波,葛文庆,王克峰,闫皓.锁环式同步器同步过程摩擦锥面摩擦特性试验[J].机械设计与研究,2019,35(01):154-156+164.DOI:10.13952/j.cnki.jofmdr.2019.0120.