自動變速箱油溫度控制系統技術發展及趨勢研究

黃瑞 隋大為

摘 要：隨著汽車行業自動化、智能化的發展，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℃左右的工作環境下才能發揮變速箱最優的性能。發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到最佳工作溫度，需要從發動機熱管理的角度來考量自動變速箱，可以考慮利用發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，造成變速箱內部的相關零部件燒蝕或失效。為了解決以上問題，本文對多種溫控系統進行對比分析，并對未來的技術發展趨勢做了闡述。

關鍵詞：變速箱；變速箱油溫；溫控系統；溫控閥；冷卻

中圖分類號：U463.212 文獻標識碼：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、發熱量少，不需要設計專門的冷卻系統。隨著AT（液力自動）、CVT（無級變速）的發展，這些類型的變速箱油除起到潤滑作用外，還要承擔傳動的功能，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。

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，該冷卻系統有單純的風冷卻，也有通過溫度控制實現冷卻，單純的風冷卻的方案最簡單，僅將變速箱與一油冷器或散熱器連接即可，形成一個降溫的環境。通過溫度控制實現冷卻主要是依靠蠟式節溫器來實現，通過蠟式節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，用蠟式調溫器通過溫度來控制的冷卻方案看起來就更先進、更智能一些。在行業內，使用溫控閥（節溫器）通過溫度控制的冷卻有通過風冷實現的，也有通過與發動機冷卻水熱交換來實現的。各種冷卻方式有其優點，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行選擇使用。

2 自動變速箱油溫度控制系統技術分析

2.1 風冷式溫控系統

風冷式溫控系統包括兩種類型，一種是純風冷式溫控系統（工作原理如圖1），這種溫控系統結構簡單，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散熱來實現降溫，油冷器或散熱器一般放置在發動機主散熱器前端（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計的足夠大，才能獲得足夠的散熱能力，這使得風冷式油冷器具有體積利用系數低，占用空間大，重量大的缺點。另外，這種純風冷式溫控系統會有油溫低的缺陷，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。這種純風冷式溫控系統在早些年有廣泛應用，容易解決高溫油快速降溫的問題，由于存在嚴重的油溫低的缺點，所以近些年很少有客戶使用。

隨著純風冷式溫控系統的發展，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

了另外一種風冷式溫控系統（工作原理如圖3），該溫控系統在純風冷式溫控系統上增加了一個變速箱溫控閥，實際上是一款蠟式節溫器（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，該溫控系統包括變速箱單元、變速箱溫控閥、變速箱油冷器，該溫控系統可以實現在變速箱油溫低的時候通過溫控閥控制走內部的小循環（如圖3虛線路徑所示），當油溫高（一般達到90℃左右）時，小循環關閉，此時變速箱油全部流到變速箱油冷器，走大循環（如圖3實線路徑所示）實現冷卻，然后溫度降低后的變速箱油再經過變速箱溫控閥流回變速箱，實現降溫循環的過程，這種溫控系統降溫的效果很明顯。

在冷啟動時變速箱油升溫方面，這種溫控系統可以實現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生熱量來實現，所以，升溫速度相對來說還是比較慢的。

集成溫控閥的風冷式冷卻系統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，無法實現緊湊布置等問題。

2.2 水冷式溫控系統

水冷式溫控系統主要是利用發動機冷卻液的溫度，來控制變速箱油的溫度（工作示意如圖5）。汽車冷啟動時，利用發動機冷卻液升溫快的特性，使變速箱油從發動機冷卻液中吸收熱量，使其快速升溫。當變速箱油溫度高于發動機冷卻液溫度時，將熱量傳遞給發動機冷卻液，使變速箱油自身降溫。由于水冷式溫控系統依靠發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計的相對較小，且冷卻液受發動機熱管理系統的控制，與變速箱油之間的溫差可以控制在一定范圍內，從而可以實現變速箱油高溫時散去一定的熱量。

如下圖6為水冷式溫控系統工作原理圖，該變速箱溫控系統包括變速箱單元、熱交換器溫控單元、發動機冷卻系統、溫控閥（蠟式兩通單向閥），該系統可以實現變速箱油在熱交換器內循環流動，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，當冷卻液吸收熱量，溫度達到溫控閥的開啟溫度時，冷卻液在熱交換器內會慢慢加速循環，此時利用油溫與水溫的溫差，讓變速箱油降溫。

水冷式溫控系統有很多優勢，但也有缺陷，優勢在于體積小巧、結構緊湊，利用發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，但是由于發動機冷卻系統冷卻液溫度高，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帶來的油溫高的問題。

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

2.3 兼具風冷和水冷的雙溫控系統

為了克服集成溫控閥的風冷式溫控系統升溫慢和水冷式溫控系統油溫高的缺陷。結合兩者的優勢，既要能夠讓變速箱油利用發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冷的快速降溫的特性快速降溫。市面上出現了集成風冷和水冷為一體的兼具升溫和降溫的雙溫控系統（工作原理如圖7）。該溫控系統需要實現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的，當發動機冷啟動后，變速箱油溫較低，但是發動機冷卻系統的冷卻液能夠較快升溫，升溫后的冷卻液會在發動機冷卻系統內循環，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中利用風冷卻來實現的。該雙重溫控效果的實現主要通過變速箱溫控閥來進行控制的，具體控制原理如下：

油溫低于85℃時，此時變速箱溫控閥內流通的變速箱油的溫度未達到溫控閥內感應器的開啟溫度，此時感應器不工作，閥門也不運動，變速箱油此時不進入油冷器循環，而是進入熱交換器循環，在熱交換器內與冷卻液通路中的冷卻液進行熱量交換，從而實現變速箱油溫度上升，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的熱交換器的循環工作，此時油冷器的循環不工作。

油溫介于85℃-95℃之間時，此時變速箱溫控閥內流通的變速箱油的溫度介于初開和全開之間，感應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，一路參與油冷器的循環，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同時進行，不過隨著溫度的升高，熱交換器的循環流量會越來越小，相反的，油冷器的循環的流量會越來越大。以上是通過變速箱溫控閥實現的熱交換器的循環與油冷器的循環同時工作的狀態。

當油溫超過95℃時，此時變速箱溫控閥內流通的變速箱油的溫度達到全開溫度以上，感應器感受到全開溫度后，閥門運動，并使閥門達到全開，此時閥門將油冷器的通路全部打開并在此時全部關閉熱交換器的通路，變速箱油不進入熱交換器循環，而是進入油冷器循環，通過油冷器循環實現變速箱油溫度降低，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的油冷器的循環工作，此時熱交換器的循環不再工作，油冷器的循環達到最大流量，實現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。

兼具風冷和水冷的雙溫控系統可以實現變速箱油快速升溫和快速降溫，但是結構較復雜，成本較高。目前在歐美的高端車型上有使用，國內的主機客戶還未開始使用。

2.4 電控式溫控系統

以上提到的集成溫控閥的風冷式溫控系統、水冷式溫控系統、兼具風冷和水冷的雙溫控系統，這些溫控系統的溫度控制都是依靠蠟式調溫器來實現的。我們知道，蠟式調溫器的溫度控制是依靠石蠟感受外界的溫度來實現的，由于石蠟本身的特性，使得溫度控制的反應速度不是那么靈敏。當前已有主機客戶的概念設計在使用電控的方式來控制變速箱的油溫，主要是通過電驅動（電控閥），不通過蠟式溫控閥，依靠發動機冷卻水，集成熱交換器，通過ECU控制水泵運轉來實現。這種控制方式可以實現精準、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在國內還未有批量使用，技術還不成熟，后續有待進一步研究。

3 自動變速箱溫度控制系統技術優缺點分析

3.1 純風冷式溫控系統的優點和缺點

優點：由于純風冷式溫控系統僅多了一個油冷器或散熱器，使得該溫控系統具有結構簡單，在風冷的作用下可以實現變速箱油快速降溫等優點。

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

3.2 集成溫控閥的風冷式溫控系統的優點和缺點

優點：該溫控系統采用的是風冷卻，可以實現變速箱油在高溫時快速降溫的作用，降溫效果明顯。相對于純風冷式溫控系統，該溫控閥（節溫器）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：由于該溫控系統僅靠變速箱自身工作產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

優點：水冷式溫控閥系統相比風冷式溫控系統，擁有冷卻利用系數高，安裝靈活，體積小巧等優勢。而且利用發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：由于發動機冷卻液正常工作的溫度較高，當變速箱油溫升高后，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 兼具風冷和水冷的雙溫控系統

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

缺點：由于集成風冷和水冷的雙溫控系統，使得該溫控系統結構較復雜，安裝空間較大，成本較高。

3.5 電控式溫控系統

優點：可以實現變速箱油快速升高到理想溫度，也可實現變速箱油在高溫時快速降低到理想工作溫度，通過電控，反應速度極快。

缺點：通過電控，技術不成熟，安裝空間較大，成本較高。

五種變速箱溫控系統的優缺點對比如表1所示。

4 自動變速箱油溫度控制系統技術發展趨勢

以上對自動變速箱油溫度控制系統的技術做了分析，從技術分類介紹及優缺點來看，純風冷溫控系統的使用將會越來越少，因為該系統油溫低的問題很明顯。從控溫效果、布局、成本等角度來考慮，集成溫控閥的風冷式溫控系統和水冷式溫控系統在未來5-10年為自動變速箱油溫控系統的主流趨勢，兩者雖存在一定的缺點，但優勢都很明顯，集成溫控閥的風冷式溫控系統以優異的降溫能力得到使用者的認可，水冷式溫控系統以優異的成本及緊湊的布局得到使用者的認可。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，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冷式溫控系統。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，兼具風冷和水冷的雙溫控系統可以選擇使用。隨著法規和油耗要求的加嚴，電控技術的使用也會越來越廣泛，因為采用電控可以實現極快速的溫控效果，變速箱的操縱性能會更加優異，雖然當前電控技術在變速箱溫控系統上的應用還不成熟、成本也較高，但是可以進行深入研究作為未來的技術儲備。

5 結論

本文通過對自動變速箱溫度控制技術進行分析，探討了五種變速箱溫度控制系統的工作原理和技術優缺點，并介紹了幾種變速箱溫控技術發展趨勢。其中，水冷式溫控系統技術結構較為簡單，成本較低，技術成熟度較高，得到了廣泛的應用，冷啟動升溫較快，但是高溫控制效果一般。集成溫控閥的風冷式溫控系統結構也較為簡單，技術成熟度較高，空間布置略微復雜，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冷式為技術發展方向，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的主流。

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