变速器是汽车的关键部件,在常规动力、混合动力及纯电动汽车中均发挥了至关重要的作用。长久以来,自动变速器始终处于汽车技术创新的最前沿,从早期的三/四挡AT、五挡AMT,发展到现在的九/十挡AT、七/八挡DCT,自动变速器的发展极大地推动了汽车技术进步。本文提出了一种采用摩擦离合器和超越离合器配合换挡的离合-超越自动变速器(Clutch and Overrunning Clutch Transmission,简称COT),运用系统动力学方法,建立了传动系模型,分析了变速器的换挡特性,提出了换挡控制策略,进行了仿真计算和台架试验研究。具体工作如下:首先,开展了CST类自动变速器的结构方案研究。为减少自动变速器中摩擦离合器的数量,提出了基于知识网络和TRIZ理论的知识创新方法,将该方法应用于自动变速器结构知识创新中,产生了一类仅采用一个摩擦离合器实现全部挡位无动力中断换挡的自动变速器——CST(Clutch and Mechanical Switch Transmission)。CST分为两个子类:采用离合-超越方式换挡的COT和采用离合-牙嵌方式换挡的CDT(Clutch and Dog Clutch Transmission)。通过对四种形式的CST进行结构布置及部分关键零部件的三维结构建模,说明CST具有成为自动变速产品的结构可行性。其次,进行了COT换挡过程的动力学特性分析。以COT机构原型为研究对象,建立了传动系动力学模型,推导了变速器升挡和降挡过程的动力学方程,建立了发动机的转矩计算模型、湿式离合器的转矩计算模型、超越离合器的转矩计算模型及整车阻力矩的计算模型。运用AMEsim软件搭建了整车动力学仿真模型,进行了升挡和降挡仿真计算。在仿真研究的基础上,进一步分析了这种变速器换挡时的动力学基本特性,进而得到了这种变速器的换挡共同特征,即换挡时无动力中断、换挡迅速和换挡时存在转矩冲击。然后,进行了超越离合器接合冲击的计算方法研究。针对COT降挡过程中超越离合器自动接合会对系统带来转矩冲击的问题,采用超越离合器-超越离合器换挡试验台进行了台架试验。运用牛顿力学方法分阶段建立被测对象的动力学模型,运用显式动力学有限元方法获得超越离合器接合产生的冲击激励,将超越离合器接合产生的激励和传动系输入转矩的激励叠加,计算得到变速器输出端的转矩和转速响应,并与实测值进行对比。理论和试验结果共同显示,输入转矩一定的情况下,输入转速对超越离合器接合冲击大小没有影响,输入转速只对传动系转矩变化率和换挡时间产生影响。再后,进行了COT的换挡控制研究。搭建了变速器控制器的整体架构,进行了控制策略底层、中层和上层的三个层级划分。分析了COT换挡过程的关键控制问题,以换挡特性分析结果为基础,制定了COT升挡和降挡控制策略。仿真结果显示,升挡与降挡控制策略均使得换挡冲击度绝对值下降到10 ms-3以内,与未加控制时的仿真结果(升挡15.5 ms-3,降挡24.8 ms-3)相比,换挡品质有明显改善。进一步,在对换挡过程状态方程进行了正则化线性处理的基础上,采用模糊滑模变结构控制方法开发了换挡控制器,并进行了模糊滑模变控制方法与PID控制方法的对比仿真。仿真结果显示,模糊滑模变结构控制具有更高的控制精度及更好的抗干扰能力。最后,开展了COT的台架试验研究。搭建了用于验证COT换挡特性及换挡控制的两挡试验台架,进行了升降挡试验。试验结果显示,升挡时间为0.7 s,驱动降挡时间为0.5 s,说明COT换挡迅速,与前述换挡特性研究结果吻合。升挡与降挡控制试验结果分别比未施加控制时的传动系转矩冲击降低了72.2%和76.2%,说明换挡控制策略有效。论文的研究工作为COT的推广应用做了技术准备,为自动变速器行业提供了新的自动变速器形式,也为更多新型自动变速器的产生提供了完整的理论参考。