黃瑞 隋大為

摘 要：隨著汽車行業(yè)自動化、智能化的發(fā)展，客戶對駕駛舒適性和油耗的要求越來越高，那么變速箱的操縱性能升級是必然的趨勢。而變速箱的性能與變速箱油的溫度有著必然的關(guān)系，自動變速箱油的最佳工作溫度在100℃左右，此時是形成潤滑油膜的最佳時機，只有在100℃左右的工作環(huán)境下才能發(fā)揮變速箱最優(yōu)的性能。發(fā)動機冷啟動時變速箱油的溫度很低，此時油的粘度過高，變速箱的潤滑和傳動效果很差，為了盡快使自動變速箱油的溫度達(dá)到最佳工作溫度，需要從發(fā)動機熱管理的角度來考量自動變速箱，可以考慮利用發(fā)動機冷卻液升溫快的特點來為變速箱油快速升溫。另一方面，隨著自動變速箱運轉(zhuǎn)時間的增長，自動變速箱油會逐漸累積熱量，使油溫不斷升高，當(dāng)油溫升高到143℃以上時，自動變速箱油的粘度會迅速降低，阻礙油膜的建立，最終使自動變速箱喪失潤滑性能，造成變速箱內(nèi)部的相關(guān)零部件燒蝕或失效。為了解決以上問題，本文對多種溫控系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，并對未來的技術(shù)發(fā)展趨勢做了闡述。

關(guān)鍵詞：變速箱；變速箱油溫；溫控系統(tǒng)；溫控閥；冷卻

中圖分類號：U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）01-0062-06

Abstract： With the development of automotive industry automation and intelligence， customers have more and more requirements on driving comfort and fuel consumption， so the control performance upgrade for the gearbox is an inevitable trend. And the performance of gearbox has an inevitable relationship with the temperature of the transmission oil， the best working temperature for automatic transmission oil is about 100 ℃ ， this is the best time to form lubricating oil film， just at working temperature about 100℃， the automatic transmission can achieve optimum performance. The transmission oil temperature is very low when the engine starts cold， at this time the oil has a high viscosity， transmission lubrication and transmission effect is very poor， in order to make the automatic transmission oil temperature as soon as possible to achieve the best working temperature， the automatic transmission needs to be considered from the perspective of engine thermal management， the characteristics of the engine cooling fluid warming faster can be used for transmission oil rapid warming. On the other hand， as the running time of the automatic transmission increases， automatic transmission oil will gradually accumulation quantity of heat， make the oil temperature rising， when high oil temperature rise to 143℃ above， automatic transmission oil viscosity will reduce rapidly， hinder the establishment of the oil film， eventually make automatic transmission loss of lubrication performance， cause related components ablation or failure within the transmission.In order to solve the above problems， this paper makes comparative analysis of various temperature control systems and expounds the future development trend of technology.

Key Words： Gearbox； Transmission oil temperature； Temperature control system； Temperature control valve； cooling

1 前言

手動變速箱及以往較老的變速箱是未考慮對變速箱油進(jìn)行冷卻的，比如MT（手動變速箱）、AMT（機械式自動變速箱）、DCT（雙離合變速箱），因為這些類型的變速箱傳動效率高、發(fā)熱量少，不需要設(shè)計專門的冷卻系統(tǒng)。隨著AT（液力自動）、CVT（無級變速）的發(fā)展，這些類型的變速箱油除起到潤滑作用外，還要承擔(dān)傳動的功能，傳動效率一般在80%左右，油溫較高。因此，對于AT、CVT這類變速箱來說，油溫冷卻是一個迫切急需的技術(shù)。

為了控制變速箱的油溫，目前的解決方案很多，所有的解決方案都是為變速箱配置一套冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)有單純的風(fēng)冷卻，也有通過溫度控制實現(xiàn)冷卻，單純的風(fēng)冷卻的方案最簡單，僅將變速箱與一油冷器或散熱器連接即可，形成一個降溫的環(huán)境。通過溫度控制實現(xiàn)冷卻主要是依靠蠟式節(jié)溫器來實現(xiàn)，通過蠟式節(jié)溫器控制變速箱油在需要冷卻的時候冷卻，不需要冷卻的時候不冷卻，很明顯，用蠟式調(diào)溫器通過溫度來控制的冷卻方案看起來就更先進(jìn)、更智能一些。在行業(yè)內(nèi)，使用溫控閥（節(jié)溫器）通過溫度控制的冷卻有通過風(fēng)冷實現(xiàn)的，也有通過與發(fā)動機冷卻水熱交換來實現(xiàn)的。各種冷卻方式有其優(yōu)點，也有其缺陷。最終是通過性能需求、價格需求、空間布置需求及其它需求來進(jìn)行選擇使用。

2 自動變速箱油溫度控制系統(tǒng)技術(shù)分析

2.1 風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)

風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)包括兩種類型，一種是純風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)（工作原理如圖1），這種溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，是將變速箱油直接引入到油冷器或散熱器中，讓變速箱油在油冷器或散熱器中不停的循環(huán)散熱來實現(xiàn)降溫，油冷器或散熱器一般放置在發(fā)動機主散熱器前端（如圖2所示），利用汽車行駛過程中空氣的流動，對變速箱油進(jìn)行冷卻。由于空氣和油的比熱容相差較大，需要將油冷器或散熱器的換熱面設(shè)計的足夠大，才能獲得足夠的散熱能力，這使得風(fēng)冷式油冷器具有體積利用系數(shù)低，占用空間大，重量大的缺點。另外，這種純風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)會有油溫低的缺陷，因為變速箱油時刻都在油冷器或散熱器中流動循環(huán)降溫，從而使變速箱油需要較長的時間才可以升溫到100℃左右。這種純風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)在早些年有廣泛應(yīng)用，容易解決高溫油快速降溫的問題，由于存在嚴(yán)重的油溫低的缺點，所以近些年很少有客戶使用。

隨著純風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)的發(fā)展，為了避免變速箱油在低溫時流向油冷器或散熱器散熱，出現(xiàn)

了另外一種風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)（工作原理如圖3），該溫控系統(tǒng)在純風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)上增加了一個變速箱溫控閥，實際上是一款蠟式節(jié)溫器（如圖4），溫控閥具有4個接口，其中兩個端口接變速箱，另外兩個端口接油冷器，該溫控系統(tǒng)包括變速箱單元、變速箱溫控閥、變速箱油冷器，該溫控系統(tǒng)可以實現(xiàn)在變速箱油溫低的時候通過溫控閥控制走內(nèi)部的小循環(huán)（如圖3虛線路徑所示），當(dāng)油溫高（一般達(dá)到90℃左右）時，小循環(huán)關(guān)閉，此時變速箱油全部流到變速箱油冷器，走大循環(huán)（如圖3實線路徑所示）實現(xiàn)冷卻，然后溫度降低后的變速箱油再經(jīng)過變速箱溫控閥流回變速箱，實現(xiàn)降溫循環(huán)的過程，這種溫控系統(tǒng)降溫的效果很明顯。

在冷啟動時變速箱油升溫方面，這種溫控系統(tǒng)可以實現(xiàn)變速箱油稍微快速的升溫到100℃左右，因為溫控閥可以控制變速箱油在低溫時不流向油冷器散熱，由于這種升溫僅靠變速箱自身工作產(chǎn)生熱量來實現(xiàn)，所以，升溫速度相對來說還是比較慢的。

集成溫控閥的風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)通過溫控閥解決了油溫低時不去油冷器散熱的問題。該冷卻系統(tǒng)近幾年在各大主機廠廣泛使用，例如：奔馳、長城哈佛、廣汽傳祺、吉利汽車、江淮汽車、寶沃汽車、比亞迪等，但是該系統(tǒng)也存在一些不足的地方，比如油溫升溫較慢，安裝空間較大，無法實現(xiàn)緊湊布置等問題。

2.2 水冷式溫控系統(tǒng)

水冷式溫控系統(tǒng)主要是利用發(fā)動機冷卻液的溫度，來控制變速箱油的溫度（工作示意如圖5）。汽車?yán)鋯訒r，利用發(fā)動機冷卻液升溫快的特性，使變速箱油從發(fā)動機冷卻液中吸收熱量，使其快速升溫。當(dāng)變速箱油溫度高于發(fā)動機冷卻液溫度時，將熱量傳遞給發(fā)動機冷卻液，使變速箱油自身降溫。由于水冷式溫控系統(tǒng)依靠發(fā)動機冷卻液控制油溫，布置的位置相對靈活，油冷器的體積可以設(shè)計的相對較小，且冷卻液受發(fā)動機熱管理系統(tǒng)的控制，與變速箱油之間的溫差可以控制在一定范圍內(nèi)，從而可以實現(xiàn)變速箱油高溫時散去一定的熱量。

如下圖6為水冷式溫控系統(tǒng)工作原理圖，該變速箱溫控系統(tǒng)包括變速箱單元、熱交換器溫控單元、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、溫控閥（蠟式兩通單向閥），該系統(tǒng)可以實現(xiàn)變速箱油在熱交換器內(nèi)循環(huán)流動，油溫低時可以通過熱交換器吸收冷卻液的熱量，使變速箱油快速升溫。油溫高時可以通過熱交換器傳遞熱量給冷卻液，當(dāng)冷卻液吸收熱量，溫度達(dá)到溫控閥的開啟溫度時，冷卻液在熱交換器內(nèi)會慢慢加速循環(huán)，此時利用油溫與水溫的溫差，讓變速箱油降溫。

水冷式溫控系統(tǒng)有很多優(yōu)勢，但也有缺陷，優(yōu)勢在于體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，利用發(fā)動機冷啟動時冷卻液升溫快的特點讓變速箱油溫可以快速升高到理想溫度，但是由于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)冷卻液溫度高，最終變速箱油的溫度也會長期處于100℃以上，甚至達(dá)到120℃以上，這就需要變速箱具有較高的耐溫性能，耐溫級別一般的變速箱可能受不了這種溫控系統(tǒng)帶來的油溫高的問題。

水冷式溫控系統(tǒng)相比風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)，擁有冷卻利用系數(shù)高，安裝靈活，體積小巧等優(yōu)勢，更適合在自動變速箱上使用。以上海通用，東風(fēng)日產(chǎn)，上海大眾為代表的合資品牌，已廣泛采用水冷式溫控系統(tǒng)。以吉利汽車為代表的自主品牌，近年來，也開始陸續(xù)將風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)更換為水冷式溫控系統(tǒng)。

2.3 兼具風(fēng)冷和水冷的雙溫控系統(tǒng)

為了克服集成溫控閥的風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)升溫慢和水冷式溫控系統(tǒng)油溫高的缺陷。結(jié)合兩者的優(yōu)勢，既要能夠讓變速箱油利用發(fā)動機冷卻液的快速升溫的特性快速升溫，又要能夠讓變速箱油利用風(fēng)冷的快速降溫的特性快速降溫。市面上出現(xiàn)了集成風(fēng)冷和水冷為一體的兼具升溫和降溫的雙溫控系統(tǒng)（工作原理如圖7）。該溫控系統(tǒng)需要實現(xiàn)變速箱油在低溫時快速升溫，升溫是通過在熱交換器中變速箱油與冷卻液熱量交換實現(xiàn)的，當(dāng)發(fā)動機冷啟動后，變速箱油溫較低，但是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻液能夠較快升溫，升溫后的冷卻液會在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，能夠較快的將熱交換器中的冷卻液升溫到80℃以上，熱交換器中的變速箱油路此時會與水路進(jìn)行熱量交換，從而使變速箱油快速升溫到100℃左右。在高溫時快速降溫，降溫是通過在油冷器循環(huán)中利用風(fēng)冷卻來實現(xiàn)的。該雙重溫控效果的實現(xiàn)主要通過變速箱溫控閥來進(jìn)行控制的，具體控制原理如下：

油溫低于85℃時，此時變速箱溫控閥內(nèi)流通的變速箱油的溫度未達(dá)到溫控閥內(nèi)感應(yīng)器的開啟溫度，此時感應(yīng)器不工作，閥門也不運動，變速箱油此時不進(jìn)入油冷器循環(huán)，而是進(jìn)入熱交換器循環(huán)，在熱交換器內(nèi)與冷卻液通路中的冷卻液進(jìn)行熱量交換，從而實現(xiàn)變速箱油溫度上升，溫度上升后的變速箱油將流回到變速箱溫控閥，最終再回到變速箱。以上是通過變速箱溫控閥實現(xiàn)的熱交換器的循環(huán)工作，此時油冷器的循環(huán)不工作。

油溫介于85℃-95℃之間時，此時變速箱溫控閥內(nèi)流通的變速箱油的溫度介于初開和全開之間，感應(yīng)器感受此范圍的溫度后將會工作，閥門運動，閥門與罩體的內(nèi)孔為小間隙配合，此時閥門將打開去油冷器的通路，變速箱油將分兩路，一路參與熱交換器的循環(huán)，一路參與油冷器的循環(huán)，此時由于閥門未全部打開，所以，熱交換器和油冷器的兩個循環(huán)同時進(jìn)行，不過隨著溫度的升高，熱交換器的循環(huán)流量會越來越小，相反的，油冷器的循環(huán)的流量會越來越大。以上是通過變速箱溫控閥實現(xiàn)的熱交換器的循環(huán)與油冷器的循環(huán)同時工作的狀態(tài)。

當(dāng)油溫超過95℃時，此時變速箱溫控閥內(nèi)流通的變速箱油的溫度達(dá)到全開溫度以上，感應(yīng)器感受到全開溫度后，閥門運動，并使閥門達(dá)到全開，此時閥門將油冷器的通路全部打開并在此時全部關(guān)閉熱交換器的通路，變速箱油不進(jìn)入熱交換器循環(huán)，而是進(jìn)入油冷器循環(huán)，通過油冷器循環(huán)實現(xiàn)變速箱油溫度降低，降低溫度后的變速箱油將從回到變速箱溫控閥，最終再回到變速箱。以上是通過變速箱溫控閥實現(xiàn)的油冷器的循環(huán)工作，此時熱交換器的循環(huán)不再工作，油冷器的循環(huán)達(dá)到最大流量，實現(xiàn)快速高效的降低油溫的作用，從而最終確保變速箱油的溫度控制在100℃左右。

兼具風(fēng)冷和水冷的雙溫控系統(tǒng)可以實現(xiàn)變速箱油快速升溫和快速降溫，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。目前在歐美的高端車型上有使用，國內(nèi)的主機客戶還未開始使用。

2.4 電控式溫控系統(tǒng)

以上提到的集成溫控閥的風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)、水冷式溫控系統(tǒng)、兼具風(fēng)冷和水冷的雙溫控系統(tǒng)，這些溫控系統(tǒng)的溫度控制都是依靠蠟式調(diào)溫器來實現(xiàn)的。我們知道，蠟式調(diào)溫器的溫度控制是依靠石蠟感受外界的溫度來實現(xiàn)的，由于石蠟本身的特性，使得溫度控制的反應(yīng)速度不是那么靈敏。當(dāng)前已有主機客戶的概念設(shè)計在使用電控的方式來控制變速箱的油溫，主要是通過電驅(qū)動（電控閥），不通過蠟式溫控閥，依靠發(fā)動機冷卻水，集成熱交換器，通過ECU控制水泵運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。這種控制方式可以實現(xiàn)精準(zhǔn)、快速的升溫和降溫，但是成本較高。目前該電控式變速箱溫控系統(tǒng)在國內(nèi)還未有批量使用，技術(shù)還不成熟，后續(xù)有待進(jìn)一步研究。

3 自動變速箱溫度控制系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)缺點分析

3.1 純風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點：由于純風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)僅多了一個油冷器或散熱器，使得該溫控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，在風(fēng)冷的作用下可以實現(xiàn)變速箱油快速降溫等優(yōu)點。

缺點：由于空氣和油的比熱容相差較大，需要將換熱面設(shè)計的足夠大，才能獲得足夠的散熱能力，這使得風(fēng)冷式油冷器具有體積利用系數(shù)低，占用空間大，重量大的缺點。另外，這種純風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)在低溫環(huán)境下會存在變速箱油溫低的缺陷。

3.2 集成溫控閥的風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點：該溫控系統(tǒng)采用的是風(fēng)冷卻，可以實現(xiàn)變速箱油在高溫時快速降溫的作用，降溫效果明顯。相對于純風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)，該溫控閥（節(jié)溫器）可以使變速箱油在低溫時不流向油冷器散熱，提高了低溫油升溫的效率。

缺點：由于該溫控系統(tǒng)僅靠變速箱自身工作產(chǎn)生熱量來升溫變速箱油，故，變速箱油的升溫速度較慢。

3.3 水冷式溫控系統(tǒng)

優(yōu)點：水冷式溫控閥系統(tǒng)相比風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)，擁有冷卻利用系數(shù)高，安裝靈活，體積小巧等優(yōu)勢。而且利用發(fā)動機冷卻水升溫快的特點，使得變速箱油可以快速升溫。

缺點：由于發(fā)動機冷卻液正常工作的溫度較高，當(dāng)變速箱油溫升高后，傳遞給冷卻液的熱量有限，最終可能使得變速箱油溫高于變速箱油理想的工作溫度。

3.4 兼具風(fēng)冷和水冷的雙溫控系統(tǒng)

優(yōu)點：可以在冷啟動時利用發(fā)動機冷卻液升溫快的特點實現(xiàn)變速箱油快速升高到理想工作溫度，也可實現(xiàn)變速箱油在高溫時快速降低到理想的工作溫度。

缺點：由于集成風(fēng)冷和水冷的雙溫控系統(tǒng)，使得該溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，安裝空間較大，成本較高。

3.5 電控式溫控系統(tǒng)

優(yōu)點：可以實現(xiàn)變速箱油快速升高到理想溫度，也可實現(xiàn)變速箱油在高溫時快速降低到理想工作溫度，通過電控，反應(yīng)速度極快。

缺點：通過電控，技術(shù)不成熟，安裝空間較大，成本較高。

五種變速箱溫控系統(tǒng)的優(yōu)缺點對比如表1所示。

4 自動變速箱油溫度控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢

以上對自動變速箱油溫度控制系統(tǒng)的技術(shù)做了分析，從技術(shù)分類介紹及優(yōu)缺點來看，純風(fēng)冷溫控系統(tǒng)的使用將會越來越少，因為該系統(tǒng)油溫低的問題很明顯。從控溫效果、布局、成本等角度來考慮，集成溫控閥的風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)和水冷式溫控系統(tǒng)在未來5-10年為自動變速箱油溫控系統(tǒng)的主流趨勢，兩者雖存在一定的缺點，但優(yōu)勢都很明顯，集成溫控閥的風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)以優(yōu)異的降溫能力得到使用者的認(rèn)可，水冷式溫控系統(tǒng)以優(yōu)異的成本及緊湊的布局得到使用者的認(rèn)可。如果對成本和空間布局要求較高，可以選擇水冷式溫控系統(tǒng)，前提是變速箱需要有較好的耐高溫能力。如果對成本和空間布局要求不高，對冷啟動時油溫升溫速率要求也不是太高，可以選擇集成溫控閥的風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)。對于高端客戶的高端車型，為了獲得更好的變速箱操縱性能，如果對成本要求不高，兼具風(fēng)冷和水冷的雙溫控系統(tǒng)可以選擇使用。隨著法規(guī)和油耗要求的加嚴(yán)，電控技術(shù)的使用也會越來越廣泛，因為采用電控可以實現(xiàn)極快速的溫控效果，變速箱的操縱性能會更加優(yōu)異，雖然當(dāng)前電控技術(shù)在變速箱溫控系統(tǒng)上的應(yīng)用還不成熟、成本也較高，但是可以進(jìn)行深入研究作為未來的技術(shù)儲備。

5 結(jié)論

本文通過對自動變速箱溫度控制技術(shù)進(jìn)行分析，探討了五種變速箱溫度控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)優(yōu)缺點，并介紹了幾種變速箱溫控技術(shù)發(fā)展趨勢。其中，水冷式溫控系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)較為簡單，成本較低，技術(shù)成熟度較高，得到了廣泛的應(yīng)用，冷啟動升溫較快，但是高溫控制效果一般。集成溫控閥的風(fēng)冷式溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也較為簡單，技術(shù)成熟度較高，空間布置略微復(fù)雜，高溫控溫效果較好，但是冷啟動升溫速度一般。未來以水冷式和集成溫控閥的風(fēng)冷式為技術(shù)發(fā)展方向，水冷式如果能夠很好的解決油溫高的問題，將會是未來變速箱油溫控技術(shù)的主流。

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