乘用車自動變速箱冷卻方案研究

遼寧省高速公路管理局營口管理處 紀(jì)云鵬

隨著乘用車搭載AT(Automatic Transmission)變速箱的廣泛采用，對其冷卻效果要求越來越高，AT變速箱的冷卻效果的優(yōu)劣，不僅影響到AT變速箱自身的運行可靠性和工作效率，而且因AT變速箱自身的換擋策略和運行效率，影響到車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時，因冷卻方案的不同，影響到發(fā)動機(jī)熱機(jī)性能，從而影響發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放，所以，對于AT變速箱的冷卻方案的研究，是非常重要的。

1.AT變速箱冷卻設(shè)計要求

如上所述，AT變速箱的冷卻要求涉及變速箱自身的換擋策略和傳動效率以及發(fā)動機(jī)的暖機(jī)要求，所以，其設(shè)計要求因各自的需求而不同，從而需要選擇不同的冷卻方式。變速箱過高的油溫會使機(jī)械部件潤滑不良、磨損嚴(yán)重，影響傳動效率和使用壽命；過低的油溫使變速箱傳動效率低下，換擋遲緩，導(dǎo)致車輛油耗增加。為了使變速箱在最佳狀態(tài)下工作，需要變速箱冷卻達(dá)到如下要求：

(1)車輛帶檔怠速運行時其油溫需控制在120℃以下；

(2)車輛高速運行(變速箱高檔位)時，其油溫控制在125℃以下；

(3)車輛高負(fù)荷(發(fā)動機(jī)大扭矩、變速箱中速檔位)運行時，其油溫控制在140℃以下；

(4)盡量縮短ATF(自動變速箱油)的升溫時間，避免車輛初運行期間ATF溫度過低，導(dǎo)致變速箱換擋遲緩，傳動效率低下；

(5)最好的冷卻要求是務(wù)必在車輛運行初期，增加ATF的加熱功能，從而縮短ATF溫升時間，改善變速箱的換擋速率，改善車輛燃油消耗。

2.AT變速箱冷卻方案

就目前AT變速箱的冷卻方式，按照冷卻介質(zhì)的不同，分為風(fēng)冷和水冷兩種方式，現(xiàn)在車輛因為布置空間的限值，很少采用換熱效率低，占用布置空間大的風(fēng)冷方式，普遍采用冷卻效率高，結(jié)構(gòu)布置緊湊的水冷方式。二者比較，風(fēng)冷方式的零件結(jié)構(gòu)和整個布置都比較簡單、成本低，但是其效率低下，占用空間大，而水冷方式的熱交換效率高，布置復(fù)雜，成本高。本文主要論述水冷方式。

水冷方式按其功能的不同分為兩種：一是具有預(yù)加熱功能的冷卻回路，二是無預(yù)熱功能的冷卻回路。

圖1 AT變速箱冷卻回路示意圖

2.1 具有預(yù)加熱功能的水冷冷卻方式

具備ATF預(yù)加熱功能，就是當(dāng)車輛運行時，利用發(fā)動機(jī)冷卻液的熱量，對ATF進(jìn)行先行加熱，使其溫度升高，減小ATF粘度，減少摩擦損失，改善傳動效率以及變速箱的換擋速率，從而改善車輛的燃油消耗。此種AT變速箱的冷卻布置，需結(jié)合發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻液循環(huán)回路進(jìn)行布置設(shè)計，根據(jù)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻液循環(huán)回路的特性，將AT變速箱的冷卻回路布置在發(fā)動機(jī)冷卻液循環(huán)回路的旁通回路(常開回路)，從而保證發(fā)動機(jī)冷卻液始終對ATF有加熱功能。而且，此種方式可以通過ATF冷卻器的性能優(yōu)化和改進(jìn)，可以大大縮短ATF溫升時間，改善其加熱效果。

如圖1所示，在車輛運行初期，發(fā)動機(jī)冷卻液溫度的上升速度快于ATF溫度的上升速度，此階段發(fā)動機(jī)冷卻液溫度高于ATF溫度，直至發(fā)動機(jī)冷卻液溫度與ATF溫度相同，如上圖中兩條曲線的交點處，在此之前，ATF始終被發(fā)動機(jī)冷卻液加熱，達(dá)到ATF預(yù)加熱功能，設(shè)計最好的要求是將此階段的時間縮短到最小，這就要求采用換熱效率更高的ATF冷卻器，在二者溫度相同點之后，ATF被發(fā)動機(jī)冷卻液冷卻，達(dá)到冷卻目的，冷卻的要求是盡量是ATF溫度接近與發(fā)動機(jī)冷卻液溫度，同樣的要求是需要換熱效率更高的ATF冷卻器。

具備ATF的預(yù)加熱功能AT變速箱冷卻方案，根據(jù)整個發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻液循環(huán)回路的特點，筆者總結(jié)三種具體的回路布置方案，三種方案共同點有兩點：一是可以完全采用同一種ATF冷卻器，二是ATF冷卻液回路均布置在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)回路的旁通回路中(常通回路——空調(diào)暖風(fēng)芯子回路)，3種布置方式有不同的優(yōu)缺點，三種方案的選擇沒有明確的要求和原則，而是要根據(jù)車輛管路走向的難易程度進(jìn)行選擇，優(yōu)先選擇簡單的管路布置方案。具體方式如圖表1所示。

表1 具有預(yù)加熱功能的冷卻回路布置

ATF冷卻器可以間接安裝在設(shè)計好的回路中，也可以直接安裝在AT變速箱上，分別采用如圖2、3兩種形式的冷卻器。兩種冷卻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，只是ATF通道接口與變速箱的連接方式不同而已。

兩種冷卻器的采用，就難易程度而言，二者沒有差異，而就成本而言，采用直接安裝式冷卻器的方案因為不需要單獨布置ATF的循環(huán)回路，所以成本較低。

2.2 不具有預(yù)加熱功能的水冷冷卻方式

此種AT變速箱的冷卻布置，是根據(jù)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻液循環(huán)回路的特點，將AT變速箱的冷卻回路布置在發(fā)動機(jī)冷卻液循環(huán)回路的大循環(huán)回路中，ATF冷卻器的冷卻液進(jìn)口位于散熱器出水口處或?qū)TF冷卻器集成在散熱器下水室中，從而保證較低溫度的發(fā)動機(jī)冷卻液作為ATF冷卻器的冷卻介質(zhì)，達(dá)到冷卻效果。此種冷卻效果較前一種布置方式，有優(yōu)越的冷卻性能，有利于降低ATF溫度，但其具備不ATF的加熱功能。具體布置有兩種：

(1)采用上述ATF冷卻器中的任何一種，將發(fā)動機(jī)冷卻液引入到ATF冷卻器中作為冷卻介質(zhì)進(jìn)行循環(huán)，具體原理如圖4所示，同樣，采用直接安裝式冷卻器的成本較低。

圖2 用于間接安裝式

圖3 用于直接安裝式

圖4 獨立布置式

(2)將ATF冷卻器浸泡在散熱器下水室中，ATF從變速箱引入到ATF冷卻器中進(jìn)行循環(huán)，達(dá)到冷卻效果，具體原理如圖5所示。

圖5 集成布置式

關(guān)于集成布置式所采用的ATF冷卻器的選擇，筆者總結(jié)了兩種冷卻器，分別為板翅式和管式。板翅式冷卻器一般為鋁材，而管式冷卻器的材料有鋁材和銅材，就冷卻效率而言，板翅式冷卻器優(yōu)于管式冷卻器。具體型式如圖6、7所示：

圖6 板翅式冷卻器

無論選擇那一種冷卻方案或采用那種ATF冷卻器，冷卻器的安裝設(shè)計務(wù)必滿足：冷卻器必須低于AT變速箱內(nèi)ATF最低液面線，以確保ATF在任何時候均充滿冷卻器，從而保證其冷卻性能和換熱效率。

圖7 管式冷卻器

3.總結(jié)

上述論述的兩種冷卻方案從功能性、效率、技術(shù)難易程度以及制造成本等方面均有各自的優(yōu)缺點。選擇冷卻方式的原則是：冷卻性能滿足AT變速箱的冷卻要求，從改善變速箱的傳動效率、車輛節(jié)能和降低制造成本等多角度出發(fā)，選擇合適的冷卻方式和ATF冷冷卻器，滿足AT變速箱的使用要求。