自动变速器是汽车的关键核心部件,对汽车行驶的动力性、平顺性和燃油经济性有着重大影响。自动变速器传动方案的改进和创新将极大地推动汽车技术的进步与发展。近年来,自动变速器中摩擦元件(如:摩擦片式离合器或制动器)与开关元件(如:单向离合器、犬牙式离合器、啮合套或同步器)搭接换挡方式是车辆传动领域中涌现的一种新型动力换挡方式。相比于摩擦元件,开关元件在成本、可靠性和响应速度等方面具有显著优势,采用开关元件替代自动变速器中原有的摩擦元件作为换挡元件可有效地提高传动效率、降低成本和减小尺寸。本文将含摩擦元件与开关元件(Friction Componment to Switch Componment,简称F-S)搭接换挡的一类动力换挡有级式自动变速器统称为FS型自动变速器,针对其F-S搭接换挡过程中的传动系统动力学建模、换挡控制策略和状态估计等关键技术问题开展研究工作,并通过换挡仿真与台架试验验证了相关结论。本文主要的研究工作可概括如下:首先,以2挡F-S型自动变速器原型(简称2挡FST原型)为研究对象,阐述了FS搭接换挡机理,并分析了换挡过程中传动系统的动力流变化,借此阐明了其无动力中断换挡特性。建立了2挡FST原型包括低挡稳定行驶阶段(含转矩相和转矩恢复相)、惯性相和高挡稳定行驶阶段等在内的动力学模型,以此为依据分析了F-S搭接换挡过程中动力源、换挡元件及主减速器输出轴的转速和传递转矩的变化关系。针对F-S搭接换挡过程提出了一种层级式的总体控制架构,其中包括换挡轨迹规划层、最优前馈+反馈协调换挡控制层、执行机构控制底层和状态估计反馈环节。其次,构建了面向换挡轨迹规划问题研究的2挡FST原型的简化动力学模型,分析了换挡品质的各主要客观评价指标,并对换挡过程中两种情况下的冲击度加以区分:换挡过程中由动力源转矩和摩擦元件传递转矩的连续变化所引起的过程冲击度和关键节点处由换挡元件接合状态切换所引起的点冲击度。为实现2挡FST原型换挡过程转矩相、惯性相和转矩恢复相等阶段内的动力性、平顺性、耐久性和经济性等多项复杂且交互影响的换挡性能指标的整体最优,基于各阶段内的性能目标函数、状态方程约束条件、过程约束条件和边界约束条件以及阶段间的连接约束条件等的分析,构建了多阶段、变动力学结构且含复杂约束条件的换挡轨迹全局规划问题。然后,基于最优控制问题各主要求解方法优缺点的分析与比较,选取多阶段Legendre伪谱法(Legendre Pseudo-spectral Method,简称LPM)作为所构建的换挡轨迹全局规划问题的数值求解方法。详细阐述了基于LPM求解含过程和边界的等式及不等式约束条件的最优控制问题的计算流程,并通过比较最优控制问题离散形式下的最优性一阶必要条件和非线性规划(Non-linear Programming,简称NLP)问题的KKT(Karush-KuhnTucker)条件,推导证明了LPM的协态映射定理,为检验最优解的最优性提供了有效途径。以此为基础,阐述了基于多阶段LPM求解多阶段、变动力学结构最优控制问题的计算流程,同时推导了多阶段LPM的协态映射定理。基于多阶段LPM实现了所构建的换挡轨迹全局规划问题的快速且高精度数值求解以得到了2挡FST原型的最优换挡轨迹。再后,针对2挡FST原型换挡过程中的状态估计问题,考虑了摩擦元件执行机构的动力学响应和驱动轴的弹性变形等特性,构建了面向状态估计器设计的2挡FST原型传动系统的状态方程。为辨识F-S搭接换挡过程中开关元件啮入及啮出动作的最佳时间窗口,及为最优协调换挡控制策略实时地提供待接合换挡元件主、从动部分转速差的估计信息,基于滑模观测器设计了换挡过程的状态估计器。进一步分析了状态变量估计误差的动态特性,确定了状态估计器中反馈增益系数的选取方法。最后,以纯电动汽车2挡I-AMT(Inverse Automated Transmission)为研究实例,在AMESim软件平台上搭建了包括动力系统、传动系统和车身等在内的整车动力学仿真模型,并联合MATLAB/Simulink构建了换挡控制器和状态估计器的仿真模型。设计并外协制造了一台2挡I-AMT试验样机,以此为基础搭建了F-S搭接换挡试验台架,并基于MATLAB/RTW工具箱编写了试验台架的上位机测试与控制软件。在多组工况下开展了F-S搭接换挡仿真与试验研究,仿真与试验结果表明:在换挡过程中,基于滑模观测器设计的状态估计器能较准确地估计状态变量,实现了开关元件啮入及啮出动作最佳时间窗口的辨识;相比于线性换挡控制策略,所提出的最优协调换挡控制策略能有效地减小输出轴的转矩波动、抑制换挡冲击和延长换挡元件的使用寿命等。本文研究工作为F-S搭接换挡方式的推广应用做了相关技术准备,其中换挡轨迹规划问题和换挡过程的状态估计问题的研究也可为传统的动力换挡有级式自动变速器,如液力式自动变速器(Automatic Transmission,简称AT)和双离合器式自动变速器(Dual Clutch Transmission,简称DCT)的多摩擦元件间搭接换挡过程的研究提供理论参考。