乘用车自动变速箱冷却方案研究

辽宁省高速公路管理局营口管理处 纪云鹏

随着乘用车搭载AT(Automatic Transmission)变速箱的广泛采用，对其冷却效果要求越来越高，AT变速箱的冷却效果的优劣，不仅影响到AT变速箱自身的运行可靠性和工作效率，而且因AT变速箱自身的换挡策略和运行效率，影响到车辆的燃油经济性，同时，因冷却方案的不同，影响到发动机热机性能，从而影响发动机的燃油经济性和排放，所以，对于AT变速箱的冷却方案的研究，是非常重要的。

1.AT变速箱冷却设计要求

如上所述，AT变速箱的冷却要求涉及变速箱自身的换挡策略和传动效率以及发动机的暖机要求，所以，其设计要求因各自的需求而不同，从而需要选择不同的冷却方式。变速箱过高的油温会使机械部件润滑不良、磨损严重，影响传动效率和使用寿命；过低的油温使变速箱传动效率低下，换挡迟缓，导致车辆油耗增加。为了使变速箱在最佳状态下工作，需要变速箱冷却达到如下要求：

(1)车辆带档怠速运行时其油温需控制在120℃以下；

(2)车辆高速运行(变速箱高档位)时，其油温控制在125℃以下；

(3)车辆高负荷(发动机大扭矩、变速箱中速档位)运行时，其油温控制在140℃以下；

(4)尽量缩短ATF(自动变速箱油)的升温时间，避免车辆初运行期间ATF温度过低，导致变速箱换挡迟缓，传动效率低下；

(5)最好的冷却要求是务必在车辆运行初期，增加ATF的加热功能，从而缩短ATF温升时间，改善变速箱的换挡速率，改善车辆燃油消耗。

2.AT变速箱冷却方案

就目前AT变速箱的冷却方式，按照冷却介质的不同，分为风冷和水冷两种方式，现在车辆因为布置空间的限值，很少采用换热效率低，占用布置空间大的风冷方式，普遍采用冷却效率高，结构布置紧凑的水冷方式。二者比较，风冷方式的零件结构和整个布置都比较简单、成本低，但是其效率低下，占用空间大，而水冷方式的热交换效率高，布置复杂，成本高。本文主要论述水冷方式。

水冷方式按其功能的不同分为两种：一是具有预加热功能的冷却回路，二是无预热功能的冷却回路。

图1 AT变速箱冷却回路示意图

2.1 具有预加热功能的水冷冷却方式

具备ATF预加热功能，就是当车辆运行时，利用发动机冷却液的热量，对ATF进行先行加热，使其温度升高，减小ATF粘度，减少摩擦损失，改善传动效率以及变速箱的换挡速率，从而改善车辆的燃油消耗。此种AT变速箱的冷却布置，需结合发动机冷却系统的冷却液循环回路进行布置设计，根据发动机冷却系统冷却液循环回路的特性，将AT变速箱的冷却回路布置在发动机冷却液循环回路的旁通回路(常开回路)，从而保证发动机冷却液始终对ATF有加热功能。而且，此种方式可以通过ATF冷却器的性能优化和改进，可以大大缩短ATF温升时间，改善其加热效果。

如图1所示，在车辆运行初期，发动机冷却液温度的上升速度快于ATF温度的上升速度，此阶段发动机冷却液温度高于ATF温度，直至发动机冷却液温度与ATF温度相同，如上图中两条曲线的交点处，在此之前，ATF始终被发动机冷却液加热，达到ATF预加热功能，设计最好的要求是将此阶段的时间缩短到最小，这就要求采用换热效率更高的ATF冷却器，在二者温度相同点之后，ATF被发动机冷却液冷却，达到冷却目的，冷却的要求是尽量是ATF温度接近与发动机冷却液温度，同样的要求是需要换热效率更高的ATF冷却器。

具备ATF的预加热功能AT变速箱冷却方案，根据整个发动机冷却系统的冷却液循环回路的特点，笔者总结三种具体的回路布置方案，三种方案共同点有两点：一是可以完全采用同一种ATF冷却器，二是ATF冷却液回路均布置在发动机冷却系统回路的旁通回路中(常通回路——空调暖风芯子回路)，3种布置方式有不同的优缺点，三种方案的选择没有明确的要求和原则，而是要根据车辆管路走向的难易程度进行选择，优先选择简单的管路布置方案。具体方式如图表1所示。

表1 具有预加热功能的冷却回路布置

ATF冷却器可以间接安装在设计好的回路中，也可以直接安装在AT变速箱上，分别采用如图2、3两种形式的冷却器。两种冷却器内部结构完全相同，只是ATF通道接口与变速箱的连接方式不同而已。

两种冷却器的采用，就难易程度而言，二者没有差异，而就成本而言，采用直接安装式冷却器的方案因为不需要单独布置ATF的循环回路，所以成本较低。

2.2 不具有预加热功能的水冷冷却方式

此种AT变速箱的冷却布置，是根据发动机冷却系统的冷却液循环回路的特点，将AT变速箱的冷却回路布置在发动机冷却液循环回路的大循环回路中，ATF冷却器的冷却液进口位于散热器出水口处或将ATF冷却器集成在散热器下水室中，从而保证较低温度的发动机冷却液作为ATF冷却器的冷却介质，达到冷却效果。此种冷却效果较前一种布置方式，有优越的冷却性能，有利于降低ATF温度，但其具备不ATF的加热功能。具体布置有两种：

(1)采用上述ATF冷却器中的任何一种，将发动机冷却液引入到ATF冷却器中作为冷却介质进行循环，具体原理如图4所示，同样，采用直接安装式冷却器的成本较低。

图2 用于间接安装式

图3 用于直接安装式

图4 独立布置式

(2)将ATF冷却器浸泡在散热器下水室中，ATF从变速箱引入到ATF冷却器中进行循环，达到冷却效果，具体原理如图5所示。

图5 集成布置式

关于集成布置式所采用的ATF冷却器的选择，笔者总结了两种冷却器，分别为板翅式和管式。板翅式冷却器一般为铝材，而管式冷却器的材料有铝材和铜材，就冷却效率而言，板翅式冷却器优于管式冷却器。具体型式如图6、7所示：

图6 板翅式冷却器

无论选择那一种冷却方案或采用那种ATF冷却器，冷却器的安装设计务必满足：冷却器必须低于AT变速箱内ATF最低液面线，以确保ATF在任何时候均充满冷却器，从而保证其冷却性能和换热效率。

图7 管式冷却器

3.总结

上述论述的两种冷却方案从功能性、效率、技术难易程度以及制造成本等方面均有各自的优缺点。选择冷却方式的原则是：冷却性能满足AT变速箱的冷却要求，从改善变速箱的传动效率、车辆节能和降低制造成本等多角度出发，选择合适的冷却方式和ATF冷冷却器，满足AT变速箱的使用要求。