變速器冷卻系統工作原理淺析及效果驗證

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展，匹配大功率發動機、多檔位變速器的物流運輸牽引車成為市場的新寵，但是隨之而來的是匹配大功率發動機后的變速器散熱問題成為業界研究的一個新課題。變速器的工作過程是通過齒輪間傳動來實現變速比及變扭矩，但是機械部件之間的頻繁運動、摩擦產生了大量的熱量，造成變速器內部溫度急劇升高，高溫不僅會導致變速器油品變質加快，還會影響變速器機械性能和使用壽命。因此，高效穩定的變速器冷卻系統對變速器的正常工作、使用性能及壽命有著至關重要的作用。目前，重型卡車變速器冷卻系統的散熱方式主要有風冷式和水冷式兩種冷卻方式，本文將詳細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，變速器內部溫度很容易超過這個正常溫度范圍。比如：車輛匹配了大功率發動機，發動機功率超過330KW或輸出扭矩超過 1800Nm；車輛長時間連續低速度行駛；車輛在熱帶或高溫環境下運行；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致變速器內部溫度過高，因此，重型卡車變速器裝配冷卻系統將是未來重卡行業的發展趨勢和必然結果。

2 變速器冷卻系統的工作原理

變速器冷卻系統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：位于變速器底殼內部，通過變速器齒輪轉動帶動油泵工作，形成壓力將變速器機油從出油口泵出，油泵是變速器冷卻系統的關鍵部件；

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

（3）溫控閥：當車輛在怠速狀態下或變速器潤滑油處于低溫狀態下時，則溫控閥關閉，潤滑油不通過油冷器，避免了變速器潤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的核心部件，目前常用的有兩種形式，分別為風冷式油冷散熱器和水冷式油冷散熱器，兩種不同結構的散熱器共同點是通過熱交換的原理來降低變速器潤滑油的溫度，區別在于與之發生熱交換的介質不同。

2.1 風冷式油冷散熱器工作過程

風冷式油冷散熱器裝配在發動機散熱器與格柵之間，在車輛行駛過程中，油泵開始工作，當變速器潤滑油溫度過高時，則溫控閥打開，潤滑油在油泵的推動下，經過油管來到風冷散熱器中，通過發動機風扇轉動帶動空氣流動，與散熱器形成熱交換，帶走變速器潤滑油中的熱量，從而達到降溫的效果，降溫后的潤滑油因變速器出油口與回油口在油泵的作用下產生壓力差，散熱后的潤滑油又回到變速器內部進行工作（如圖1所示）。

圖1 變速器風冷系統原理圖

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，其結構主要分為管殼式、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動機防凍液液發生熱交換來降低變速器潤滑油溫度的。

水冷式油冷器分別連接變速器的回油口和出油口，另一方面連接發動機散熱水箱的進水口和出水口。當變速器溫度過高時，溫控閥開關打開，油泵將潤滑油泵入到油冷器中，另一方面發動機上的水泵將冷卻液從水箱中泵入到油冷器中，經過油冷器的高溫潤滑油與低溫冷卻液發生熱交換，帶走潤滑油中的熱量，然后回到變速器內，防凍液回到發動機散熱器中（如圖2所示）。

圖2 變速器水冷系統原理圖

3 道路驗證分析

3.1 車輛選擇

某變速器企業試驗中心選擇了兩輛同車型 6×4牽引車（某企業制造的超強版重載運輸車，發動機型號：WP13.550E501，變速器型號：16JSDX240T），其中一輛裝配了風冷式油冷散熱器，另一輛未裝配該冷卻系統。在同載重、同路況的情況下進行道路試驗，并為本篇文章提供了試驗數據。

3.2 選擇道路

選擇昆明到瑞麗這段路程作為本次試驗路段，全長約900公里，該地區地處云貴高原，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，故選擇從昆明到瑞麗的路段來驗證變速器冷卻系統的工作效果。

表1 往返兩地的詳細路況信息

3.3 路試結果

3.3.1 從昆明到瑞麗

試驗車輛按照正常行駛速度運行，全程900公里，一共經過了6個較長陡坡路，用時18個小時，平均每小時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急劇升高，甚至超過 120℃，但是裝配冷卻系統的變速器溫度變化幅度小，無超過120℃的情況發生。

圖3 昆明到瑞麗溫度曲線

未帶冷卻系統的變速器溫度最低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。試驗車輛按照正常行駛時速運行，全程900公里，用時共20個小時，平均每小時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144.7度，已嚴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 瑞麗到昆明溫度對比

未帶冷卻系統的變速器溫度最低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%。

從以上試驗結果可以看出，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，說明試驗數據有效可靠。

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

4 結論

本文通過道路試驗的方法驗證了變速器冷卻系統的降溫效果，匹配變速器冷卻系統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較為理想的狀態中，從而進一步闡述了變速器冷卻系統的工作原理及作用。