變速器冷卻系統(tǒng)工作原理淺析及效果驗(yàn)證

周寧波，馮美寧，馬宇，侯飛躍，張秦君

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著重型卡車的日益發(fā)展，匹配大功率發(fā)動(dòng)機(jī)、多檔位變速器的物流運(yùn)輸牽引車成為市場(chǎng)的新寵，但是隨之而來的是匹配大功率發(fā)動(dòng)機(jī)后的變速器散熱問題成為業(yè)界研究的一個(gè)新課題。變速器的工作過程是通過齒輪間傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)變速比及變扭矩，但是機(jī)械部件之間的頻繁運(yùn)動(dòng)、摩擦產(chǎn)生了大量的熱量，造成變速器內(nèi)部溫度急劇升高，高溫不僅會(huì)導(dǎo)致變速器油品變質(zhì)加快，還會(huì)影響變速器機(jī)械性能和使用壽命。因此，高效穩(wěn)定的變速器冷卻系統(tǒng)對(duì)變速器的正常工作、使用性能及壽命有著至關(guān)重要的作用。目前，重型卡車變速器冷卻系統(tǒng)的散熱方式主要有風(fēng)冷式和水冷式兩種冷卻方式，本文將詳細(xì)介紹這兩種不同冷卻方式的工作原理和過程。

1 變速器冷卻系統(tǒng)的必要性

重型卡車的變速器正常工作溫度不能超過 120℃，但是在某些工況下，變速器內(nèi)部溫度很容易超過這個(gè)正常溫度范圍。比如：車輛匹配了大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率超過330KW或輸出扭矩超過 1800Nm；車輛長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)低速度行駛；車輛在熱帶或高溫環(huán)境下運(yùn)行；車輛變速器周邊氣流流通不暢；車輛在超載、超速情況下行駛等，以上種種行為均可導(dǎo)致變速器內(nèi)部溫度過高，因此，重型卡車變速器裝配冷卻系統(tǒng)將是未來重卡行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和必然結(jié)果。

2 變速器冷卻系統(tǒng)的工作原理

變速器冷卻系統(tǒng)的主要零部件由油泵、連接油管、溫控閥、油冷散熱器等四部分組成。

（1）油泵：位于變速器底殼內(nèi)部，通過變速器齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)油泵工作，形成壓力將變速器機(jī)油從出油口泵出，油泵是變速器冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件；

（2）連接油管：串聯(lián)變速器油泵和散熱器，使之形成閉合循環(huán)回路，油冷器冷卻方式不同，其材質(zhì)也將不同；

（3）溫控閥：當(dāng)車輛在怠速狀態(tài)下或變速器潤(rùn)滑油處于低溫狀態(tài)下時(shí)，則溫控閥關(guān)閉，潤(rùn)滑油不通過油冷器，避免了變速器潤(rùn)滑油在初始階段熱量散失；

（4）油冷散熱器：油冷散熱器是變速冷卻系統(tǒng)的核心部件，目前常用的有兩種形式，分別為風(fēng)冷式油冷散熱器和水冷式油冷散熱器，兩種不同結(jié)構(gòu)的散熱器共同點(diǎn)是通過熱交換的原理來降低變速器潤(rùn)滑油的溫度，區(qū)別在于與之發(fā)生熱交換的介質(zhì)不同。

2.1 風(fēng)冷式油冷散熱器工作過程

風(fēng)冷式油冷散熱器裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器與格柵之間，在車輛行駛過程中，油泵開始工作，當(dāng)變速器潤(rùn)滑油溫度過高時(shí)，則溫控閥打開，潤(rùn)滑油在油泵的推動(dòng)下，經(jīng)過油管來到風(fēng)冷散熱器中，通過發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)空氣流動(dòng)，與散熱器形成熱交換，帶走變速器潤(rùn)滑油中的熱量，從而達(dá)到降溫的效果，降溫后的潤(rùn)滑油因變速器出油口與回油口在油泵的作用下產(chǎn)生壓力差，散熱后的潤(rùn)滑油又回到變速器內(nèi)部進(jìn)行工作（如圖1所示）。

圖1 變速器風(fēng)冷系統(tǒng)原理圖

2.2 水冷式油冷散熱器的工作過程

水冷式油冷散熱器裝配在變速器尾部，其結(jié)構(gòu)主要分為管殼式、板翅式、板式等三種方式，但它們的工作原理是相同的，都是通過散熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)防凍液液發(fā)生熱交換來降低變速器潤(rùn)滑油溫度的。

水冷式油冷器分別連接變速器的回油口和出油口，另一方面連接發(fā)動(dòng)機(jī)散熱水箱的進(jìn)水口和出水口。當(dāng)變速器溫度過高時(shí)，溫控閥開關(guān)打開，油泵將潤(rùn)滑油泵入到油冷器中，另一方面發(fā)動(dòng)機(jī)上的水泵將冷卻液從水箱中泵入到油冷器中，經(jīng)過油冷器的高溫潤(rùn)滑油與低溫冷卻液發(fā)生熱交換，帶走潤(rùn)滑油中的熱量，然后回到變速器內(nèi)，防凍液回到發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器中（如圖2所示）。

圖2 變速器水冷系統(tǒng)原理圖

3 道路驗(yàn)證分析

3.1 車輛選擇

某變速器企業(yè)試驗(yàn)中心選擇了兩輛同車型 6×4牽引車（某企業(yè)制造的超強(qiáng)版重載運(yùn)輸車，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：WP13.550E501，變速器型號(hào)：16JSDX240T），其中一輛裝配了風(fēng)冷式油冷散熱器，另一輛未裝配該冷卻系統(tǒng)。在同載重、同路況的情況下進(jìn)行道路試驗(yàn)，并為本篇文章提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 選擇道路

選擇昆明到瑞麗這段路程作為本次試驗(yàn)路段，全長(zhǎng)約900公里，該地區(qū)地處云貴高原，海拔高，山路多，具有陡坡、緩坡、平路等多種路況，適合本次道路試驗(yàn)，故選擇從昆明到瑞麗的路段來驗(yàn)證變速器冷卻系統(tǒng)的工作效果。

表1 往返兩地的詳細(xì)路況信息

3.3 路試結(jié)果

3.3.1 從昆明到瑞麗

試驗(yàn)車輛按照正常行駛速度運(yùn)行，全程900公里，一共經(jīng)過了6個(gè)較長(zhǎng)陡坡路，用時(shí)18個(gè)小時(shí)，平均每小時(shí)50公里。從路試得到的溫度曲線圖上可以看出上坡路段變速器溫度會(huì)急劇升高，甚至超過 120℃，但是裝配冷卻系統(tǒng)的變速器溫度變化幅度小，無超過120℃的情況發(fā)生。

圖3 昆明到瑞麗溫度曲線

未帶冷卻系統(tǒng)的變速器溫度最低66.6度，最高131.6度，平均溫度90.4度；帶冷卻系統(tǒng)的變速器溫度最高94.3度，最低42.1度，平均溫度61.5度，溫度平均下降了28.9度，平均下降幅度32%。

表2 從昆明到瑞麗溫度對(duì)比

3.3.2 從瑞麗到昆明

此段路程與昆明到瑞麗的路程基本相同，但是坡路多于前段路程，且坡度較陡。試驗(yàn)車輛按照正常行駛時(shí)速運(yùn)行，全程900公里，用時(shí)共20個(gè)小時(shí)，平均每小時(shí)45公里。返程過程中，溫度變化更為明顯，相比之前最高溫度更高，高達(dá)144.7度，已嚴(yán)重超出變速器理想的工作溫度。

圖4 瑞麗到昆明溫度曲線

表3 瑞麗到昆明溫度對(duì)比

未帶冷卻系統(tǒng)的變速器溫度最低71.1度，最高144.7度，平均溫度101.8度；帶冷卻系統(tǒng)的變速器溫度最低34度，最高100度，平均溫度68.3度，溫度平均下降了33.5度，平均下降幅度33%。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩輛車變速器溫度變化明顯，兩條曲線不能完全重合，但是曲線形狀和波峰基本一致，說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效可靠。

不帶冷卻系統(tǒng)的車輛全程中溫度＞120℃的時(shí)間約為140分鐘，溫度＞130℃的時(shí)間約為60分鐘，溫度＞140℃的時(shí)間約30分鐘；但是帶冷卻系統(tǒng)的車輛最高溫度100℃，而且持續(xù)時(shí)間很短。

4 結(jié)論

本文通過道路試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了變速器冷卻系統(tǒng)的降溫效果，匹配變速器冷卻系統(tǒng)的車輛能有效降低變速器溫度30%以上，使變速器溫度維持在一個(gè)較為理想的狀態(tài)中，從而進(jìn)一步闡述了變速器冷卻系統(tǒng)的工作原理及作用。