自动变速箱油温度控制系统技术发展及趋势研究

黄瑞 隋大为

摘 要：随着汽车行业自动化、智能化的发展，客户对驾驶舒适性和油耗的要求越来越高，那么变速箱的操纵性能升级是必然的趋势。而变速箱的性能与变速箱油的温度有着必然的关系，自动变速箱油的最佳工作温度在100℃左右，此时是形成润滑油膜的最佳时机，只有在100℃左右的工作环境下才能发挥变速箱最优的性能。发动机冷启动时变速箱油的温度很低，此时油的粘度过高，变速箱的润滑和传动效果很差，为了尽快使自动变速箱油的温度达到最佳工作温度，需要从发动机热管理的角度来考量自动变速箱，可以考虑利用发动机冷却液升温快的特点来为变速箱油快速升温。另一方面，随着自动变速箱运转时间的增长，自动变速箱油会逐渐累积热量，使油温不断升高，当油温升高到143℃以上时，自动变速箱油的粘度会迅速降低，阻碍油膜的建立，最终使自动变速箱丧失润滑性能，造成变速箱内部的相关零部件烧蚀或失效。为了解决以上问题，本文对多种温控系统进行对比分析，并对未来的技术发展趋势做了阐述。

关键词：变速箱；变速箱油温；温控系统；温控阀；冷却

中图分类号：U463.212 文献标识码：A 文章编号：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

手動变速箱及以往较老的变速箱是未考虑对变速箱油进行冷却的，比如MT（手动变速箱）、AMT（机械式自动变速箱）、DCT（双离合变速箱），因为这些类型的变速箱传动效率高、发热量少，不需要设计专门的冷却系统。随着AT（液力自动）、CVT（无级变速）的发展，这些类型的变速箱油除起到润滑作用外，还要承担传动的功能，传动效率一般在80%左右，油温较高。因此，对于AT、CVT这类变速箱来说，油温冷却是一个迫切急需的技术。

为了控制变速箱的油温，目前的解决方案很多，所有的解决方案都是为变速箱配置一套冷却系统，该冷却系统有单纯的风冷却，也有通过温度控制实现冷却，单纯的风冷却的方案最简单，仅将变速箱与一油冷器或散热器连接即可，形成一个降温的环境。通过温度控制实现冷却主要是依靠蜡式节温器来实现，通过蜡式节温器控制变速箱油在需要冷却的时候冷却，不需要冷却的时候不冷却，很明显，用蜡式调温器通过温度来控制的冷却方案看起来就更先进、更智能一些。在行业内，使用温控阀（节温器）通过温度控制的冷却有通过风冷实现的，也有通过与发动机冷却水热交换来实现的。各种冷却方式有其优点，也有其缺陷。最终是通过性能需求、价格需求、空间布置需求及其它需求来进行选择使用。

2 自动变速箱油温度控制系统技术分析

2.1 风冷式温控系统

风冷式温控系统包括两种类型，一种是纯风冷式温控系统（工作原理如图1），这种温控系统结构简单，是将变速箱油直接引入到油冷器或散热器中，让变速箱油在油冷器或散热器中不停的循环散热来实现降温，油冷器或散热器一般放置在发动机主散热器前端（如图2所示），利用汽车行驶过程中空气的流动，对变速箱油进行冷却。由于空气和油的比热容相差较大，需要将油冷器或散热器的换热面设计的足够大，才能获得足够的散热能力，这使得风冷式油冷器具有体积利用系数低，占用空间大，重量大的缺点。另外，这种纯风冷式温控系统会有油温低的缺陷，因为变速箱油时刻都在油冷器或散热器中流动循环降温，从而使变速箱油需要较长的时间才可以升温到100℃左右。这种纯风冷式温控系统在早些年有广泛应用，容易解决高温油快速降温的问题，由于存在严重的油温低的缺点，所以近些年很少有客户使用。

随着纯风冷式温控系统的发展，为了避免变速箱油在低温时流向油冷器或散热器散热，出现

了另外一种风冷式温控系统（工作原理如图3），该温控系统在纯风冷式温控系统上增加了一个变速箱温控阀，实际上是一款蜡式节温器（如图4），温控阀具有4个接口，其中两个端口接变速箱，另外两个端口接油冷器，该温控系统包括变速箱单元、变速箱温控阀、变速箱油冷器，该温控系统可以实现在变速箱油温低的时候通过温控阀控制走内部的小循环（如图3虚线路径所示），当油温高（一般达到90℃左右）时，小循环关闭，此时变速箱油全部流到变速箱油冷器，走大循环（如图3实线路径所示）实现冷却，然后温度降低后的变速箱油再经过变速箱温控阀流回变速箱，实现降温循环的过程，這种温控系统降温的效果很明显。

在冷启动时变速箱油升温方面，这种温控系统可以实现变速箱油稍微快速的升温到100℃左右，因为温控阀可以控制变速箱油在低温时不流向油冷器散热，由于这种升温仅靠变速箱自身工作产生热量来实现，所以，升温速度相对来说还是比较慢的。

集成温控阀的风冷式冷却系统通过温控阀解决了油温低时不去油冷器散热的问题。该冷却系统近几年在各大主机厂广泛使用，例如：奔驰、长城哈佛、广汽传祺、吉利汽车、江淮汽车、宝沃汽车、比亚迪等，但是该系统也存在一些不足的地方，比如油温升温较慢，安装空间较大，无法实现紧凑布置等问题。

2.2 水冷式温控系统

水冷式温控系统主要是利用发动机冷却液的温度，来控制变速箱油的温度（工作示意如图5）。汽车冷启动时，利用发动机冷却液升温快的特性，使变速箱油从发动机冷却液中吸收热量，使其快速升温。当变速箱油温度高于发动机冷却液温度时，将热量传递给发动机冷却液，使变速箱油自身降温。由于水冷式温控系统依靠发动机冷却液控制油温，布置的位置相对灵活，油冷器的体积可以设计的相对较小，且冷却液受发动机热管理系统的控制，与变速箱油之间的温差可以控制在一定范围内，从而可以实现变速箱油高温时散去一定的热量。

如下图6为水冷式温控系统工作原理图，该变速箱温控系统包括变速箱单元、热交换器温控单元、发动机冷却系统、温控阀（蜡式两通单向阀），该系统可以实现变速箱油在热交换器内循环流动，油温低时可以通过热交换器吸收冷却液的热量，使变速箱油快速升温。油温高时可以通过热交换器传递热量给冷却液，当冷却液吸收热量，温度达到温控阀的开启温度时，冷却液在热交换器内会慢慢加速循环，此时利用油温与水温的温差，让变速箱油降温。

水冷式温控系统有很多优势，但也有缺陷，优势在于体积小巧、结构紧凑，利用发动机冷启动时冷却液升温快的特点让变速箱油温可以快速升高到理想温度，但是由于发动机冷却系统冷却液温度高，最终变速箱油的温度也会长期处于100℃以上，甚至达到120℃以上，这就需要变速箱具有较高的耐温性能，耐温级别一般的变速箱可能受不了这种温控系统带来的油温高的问题。

水冷式温控系统相比风冷式温控系统，拥有冷却利用系数高，安装灵活，体积小巧等优势，更适合在自动变速箱上使用。以上海通用，东风日产，上海大众为代表的合资品牌，已广泛采用水冷式温控系统。以吉利汽车为代表的自主品牌，近年来，也开始陆续将风冷式温控系统更换为水冷式温控系统。

2.3 兼具风冷和水冷的双温控系统

为了克服集成温控阀的风冷式温控系统升温慢和水冷式温控系统油温高的缺陷。结合两者的优势，既要能够让变速箱油利用发动机冷却液的快速升温的特性快速升温，又要能够让变速箱油利用风冷的快速降温的特性快速降温。市面上出现了集成风冷和水冷为一体的兼具升温和降温的双温控系统（工作原理如图7）。该温控系统需要实现变速箱油在低温时快速升温，升温是通过在热交换器中变速箱油与冷却液热量交换实现的，当发动机冷启动后，变速箱油温较低，但是发动机冷却系统的冷却液能够较快升温，升温后的冷却液会在发动机冷却系统内循环，能够较快的将热交换器中的冷却液升温到80℃以上，热交换器中的变速箱油路此时会与水路进行热量交换，从而使变速箱油快速升温到100℃左右。在高温时快速降温，降温是通过在油冷器循环中利用风冷却来实现的。该双重温控效果的实现主要通过变速箱温控阀来进行控制的，具体控制原理如下：

油温低于85℃时，此时变速箱温控阀内流通的变速箱油的温度未达到温控阀内感应器的开启温度，此时感应器不工作，阀门也不运动，变速箱油此时不进入油冷器循环，而是进入热交换器循环，在热交换器内与冷却液通路中的冷却液进行热量交换，从而实现变速箱油温度上升，温度上升后的变速箱油将流回到变速箱温控阀，最终再回到变速箱。以上是通过变速箱温控阀实现的热交换器的循环工作，此时油冷器的循环不工作。

油温介于85℃-95℃之间时，此时变速箱温控阀内流通的变速箱油的温度介于初开和全开之间，感应器感受此范围的温度后将会工作，阀门运动，阀门与罩体的内孔为小间隙配合，此时阀门将打开去油冷器的通路，变速箱油将分两路，一路参与热交换器的循环，一路参与油冷器的循环，此时由于阀门未全部打开，所以，热交换器和油冷器的两个循环同时进行，不过随着温度的升高，热交换器的循环流量会越来越小，相反的，油冷器的循环的流量会越来越大。以上是通过变速箱温控阀实现的热交换器的循环与油冷器的循环同时工作的状态。

当油温超过95℃时，此时变速箱温控阀内流通的变速箱油的温度达到全开温度以上，感应器感受到全开温度后，阀门运动，并使阀门达到全开，此时阀门将油冷器的通路全部打开并在此时全部关闭热交换器的通路，变速箱油不进入热交换器循环，而是进入油冷器循环，通过油冷器循环实现变速箱油温度降低，降低温度后的变速箱油将从回到变速箱温控阀，最终再回到变速箱。以上是通过变速箱温控阀实现的油冷器的循环工作，此时热交换器的循环不再工作，油冷器的循环达到最大流量，实现快速高效的降低油温的作用，从而最终确保变速箱油的温度控制在100℃左右。

兼具风冷和水冷的双温控系统可以实现变速箱油快速升温和快速降温，但是结构较复杂，成本较高。目前在欧美的高端车型上有使用，国内的主机客户还未开始使用。

2.4 电控式温控系统

以上提到的集成温控阀的风冷式温控系统、水冷式温控系统、兼具风冷和水冷的双温控系统，这些温控系统的温度控制都是依靠蜡式调温器来实现的。我们知道，蜡式调温器的温度控制是依靠石蜡感受外界的温度来实现的，由于石蜡本身的特性，使得温度控制的反应速度不是那么灵敏。当前已有主机客户的概念设计在使用电控的方式来控制变速箱的油温，主要是通过电驱动（电控阀），不通过蜡式温控阀，依靠发动机冷却水，集成热交换器，通过ECU控制水泵运转来实现。这种控制方式可以实现精准、快速的升温和降温，但是成本较高。目前该电控式变速箱温控系统在国内还未有批量使用，技术还不成熟，后续有待进一步研究。

3 自动变速箱温度控制系统技术优缺点分析

3.1 纯风冷式温控系统的优点和缺点

优点：由于纯风冷式温控系统仅多了一个油冷器或散热器，使得该温控系统具有结构简单，在风冷的作用下可以实现变速箱油快速降温等优点。

缺点：由于空气和油的比热容相差较大，需要将换热面设计的足够大，才能獲得足够的散热能力，这使得风冷式油冷器具有体积利用系数低，占用空间大，重量大的缺点。另外，这种纯风冷式温控系统在低温环境下会存在变速箱油温低的缺陷。

3.2 集成温控阀的风冷式温控系统的优点和缺点

优点：该温控系统采用的是风冷却，可以实现变速箱油在高温时快速降温的作用，降温效果明显。相对于纯风冷式温控系统，该温控阀（节温器）可以使变速箱油在低温时不流向油冷器散热，提高了低温油升温的效率。

缺点：由于该温控系统仅靠变速箱自身工作产生热量来升温变速箱油，故，变速箱油的升温速度较慢。

3.3 水冷式温控系统

优点：水冷式温控阀系统相比风冷式温控系统，拥有冷却利用系数高，安装灵活，体积小巧等优势。而且利用发动机冷却水升温快的特点，使得变速箱油可以快速升温。

缺点：由于发动机冷却液正常工作的温度较高，当变速箱油温升高后，传递给冷却液的热量有限，最终可能使得变速箱油温高于变速箱油理想的工作温度。

3.4 兼具风冷和水冷的双温控系统

优点：可以在冷启动时利用发动机冷却液升温快的特点实现变速箱油快速升高到理想工作温度，也可实现变速箱油在高温时快速降低到理想的工作温度。

缺点：由于集成风冷和水冷的双温控系统，使得该温控系统结构较复杂，安装空间较大，成本较高。

3.5 电控式温控系统

优点：可以实现变速箱油快速升高到理想温度，也可实现变速箱油在高温时快速降低到理想工作温度，通过电控，反应速度极快。

缺点：通过电控，技术不成熟，安装空间较大，成本较高。

五种变速箱温控系统的优缺点对比如表1所示。

4 自动变速箱油温度控制系统技术发展趋势

以上对自动变速箱油温度控制系统的技术做了分析，从技术分类介绍及优缺点来看，纯风冷温控系统的使用将会越来越少，因为该系统油温低的问题很明显。从控温效果、布局、成本等角度来考虑，集成温控阀的风冷式温控系统和水冷式温控系统在未来5-10年为自动变速箱油温控系统的主流趋势，两者虽存在一定的缺点，但优势都很明显，集成温控阀的风冷式温控系统以优异的降温能力得到使用者的认可，水冷式温控系统以优异的成本及紧凑的布局得到使用者的认可。如果对成本和空间布局要求较高，可以选择水冷式温控系统，前提是变速箱需要有较好的耐高温能力。如果对成本和空间布局要求不高，对冷启动时油温升温速率要求也不是太高，可以选择集成温控阀的风冷式温控系统。对于高端客户的高端车型，为了获得更好的变速箱操纵性能，如果对成本要求不高，兼具风冷和水冷的双温控系统可以选择使用。随着法规和油耗要求的加严，电控技术的使用也会越来越广泛，因为采用电控可以实现极快速的温控效果，变速箱的操纵性能会更加优异，虽然当前电控技术在变速箱温控系统上的应用还不成熟、成本也较高，但是可以进行深入研究作为未来的技术储备。

5 结论

本文通过对自动变速箱温度控制技术进行分析，探讨了五种变速箱温度控制系统的工作原理和技术优缺点，并介绍了几种变速箱温控技术发展趋势。其中，水冷式温控系统技术结构较为简单，成本较低，技术成熟度较高，得到了广泛的应用，冷启动升温较快，但是高温控制效果一般。集成温控阀的风冷式温控系统结构也较为简单，技术成熟度较高，空间布置略微复杂，高温控温效果较好，但是冷启动升温速度一般。未来以水冷式和集成温控阀的风冷式为技术发展方向，水冷式如果能够很好的解决油温高的问题，将会是未来变速箱油温控技术的主流。

参考文献：

[1]纪云鹏.乘用车自动变速箱冷却方案研究.《电子世界》2014年第09期.

[2]陈玲琳.汽车自动变速箱发展概况及需求分析.《科技信息》2011年第21期.

[3]张保良.湿式双离合器变速箱热量管理系统研究.《机械工程师》2017年第06期.

[4]黄安华.浅谈现代汽车自动变速箱.《驾驶园》2009年第07期.

[5]徐明雅.自动变速箱油冷却系统的使用与维护.《科学技术创新》2011年第05期.