車輛齒輪油承載能力的估算

車輛齒輪油承載能力的估算關鍵詞：車輛齒輪油納米摩擦學薄膜潤滑磨損現(xiàn)代汽車齒輪最重要的進步是1925年出現(xiàn)了雙曲線齒輪，目前汽車后橋齒輪已基本上普及為雙曲線齒輪，而雙曲線齒輪體積較小，傳動的動力大，齒面相對滑動速度大，齒面上難以形成潤滑油膜，是最難潤滑的摩擦副之一，它要求齒輪油具有足夠高的極壓性能。30年代以來，美國開始采用全尺寸臺架評價汽車齒輪油的極壓性能，如對GL-5重負荷車輛齒輪油的承載性能，必須通過全尺寸后橋臺架試驗CRCL-37（油品在高速低扭矩和低速高扭矩條件下的承載性）和CRCL-42（高負荷沖擊測試）。與此同時，為降低評定費用人們試圖應用模擬試驗機評價齒輪油的極壓性能，例如用四球磨損試驗和FZG齒輪機試驗預報L-37試驗，用四球極壓試驗和Timken試驗預報L-42試驗等，雖然取得了某些結果，但由于摩擦副工作條件不同，在這些模擬試驗與后橋臺架試驗之間，很難找到確切的關系。四球機用于油品潤滑性的評定已具有較長的歷史，由于其設備相對簡單，用油量少，試驗費用低，操作方便，已成為目前應用最為廣泛的模擬試驗設備之一。在我國的部分汽車廠，經(jīng)常用四球機的P值作為衡量車輛齒輪油承載能力的主要指標，以為P值和B B燒結負荷P值越大越好，這樣造成經(jīng)過全套臺架評定合格的油品由于在汽車廠測定的P值小于規(guī)定值（如DB100kg）而被拒收。本文試圖從理論和實踐兩個方面闡明四球機的車輛齒輪油極壓性測試結果的意義，提出預測承載能力的方法。潤滑狀態(tài)轉變的理論潤滑油粘度n、轉速u和負荷p是決定潤滑狀況的三個因素，它們之間的聯(lián)系可用無因次參數(shù)c來表示：C=nU/P,C和摩擦系數(shù)p的關系示于圖1，稱為潤滑狀態(tài)過渡圖或Stribeck曲線。在流體動力潤滑區(qū)，液體膜的厚度足以將固體表面隔開（即油膜厚度h粗糙度6）；在邊界潤滑區(qū)，微凸體發(fā)生連續(xù)的接觸，固體靠金屬表面吸附的極性物質或反應膜潤滑；介于兩條線中間的為混合潤滑區(qū)，摩擦系數(shù)p隨著C值減少迅速增加。對于混合潤滑，迄今的研究并不充分。90年代后證實了混合潤滑是以納米量級的薄膜潤滑（thinfilmlubrication）狀態(tài)存在，以有序液體膜為特征，流體膜減薄到表面粗糙峰之間的間隙為潤滑油分子尺度范圍，即粗糙峰頂已出現(xiàn)邊界膜。薄膜潤滑的物理模型為：靠近表面的是吸附膜，不具有流體性質；處于潤滑膜中間的是粘性流體膜，具有彈流潤滑特征，介于粘性流體膜與吸附膜之間的有序液體膜，是由于液體分子在摩擦剪切過程中受表面能作用迫使分子有序排列而形成的。有序液體膜的有序度高于粘性液體膜，而低于靠近金屬表面的吸附膜。當潤滑膜厚減少到粘性液體膜完全消失時，潤滑膜由有序液體膜和吸附膜為主。薄膜潤滑伴隨表面磨損，以接觸疲勞和粘著機制為主要形式。如果液體膜更薄，則只有吸附膜存在時，為邊界潤滑，會出現(xiàn)微凸體間的直接接觸。在油中加入油性劑如長鏈的醇胺和脂肪酸等，其極性基吸附在金屬表面上，長鏈中的次甲基橫向吸附，構成牢固的吸附膜，代替了金屬的直接接觸，減輕了摩擦或磨損。在負荷和溫度更高的條件下，油性劑將失效，極壓添加劑與金屬反應，形成一些化合物較金屬易于剪切，熔點較低，可以防止金屬間的咬合從而保護金屬表面。圖1Stribeck曲線

四球機試驗四球機試驗為點接觸的滑動摩擦，其結構為一固定在上軸的球相對于固定在下軸上的三個球作旋轉運動。對于一定的試驗轉速，接觸處的滑動速度恒定，負荷P增加時磨損直徑d變化見圖2。當負荷增加到B點，在四球機試驗中到達了卡咬點，相應的負荷值為最大無卡咬負荷PB；當負荷進一步增大，達到D點時，邊界潤滑狀態(tài)失效，四球接觸處出現(xiàn)了燒結，相應的負荷值為最大燒結負荷PD。i-EEi-EE崔EJlfdi圖2四球機的磨損—負荷曲線為了實際考察應用PB值判別齒輪油承載性的可行性，我們從可靠的專賣店收集了國內(nèi)外知名品牌的GL-5齒輪油（國內(nèi)油13個，編號為C1-C13；國外油5個，編號F1-F5），包括長城、七星、海牌、南海、飛天、Mobil、Esso、Catex、Shell等，分別送往國內(nèi)的權威測試機構進行測試，這些單位是：石油化工科學研究院、蘭州煉油化工總廠研究院、高橋石化公司煉油廠研究所、大連石化公司研究院、南京汽車研究所和長城潤滑油集團公司研究所，進行油品的P值測定，考察這些油品的P值是否大于100kg，以及測B B定的再現(xiàn)性。考慮到國內(nèi)大多數(shù)汽車制造廠測定的慣例，試驗條件采用GB/T3142法，即轉速為1450r/min測試溫度為室溫，鋼球為GB308II級。有關的測試結果見表1。表1車輛齒輪油PB值的測定情況B樣品P值(kg)最大差值再現(xiàn)性(kg)(%)Lab1Lab2Lab3Lab4Lab5Lab680W/90-C18288100100121100393880W/90-C28210088107107107252680W/90-C38882768812894525180W/90-C48888718812194505280W/90-C58210788107107252680W/90-C682948210711494252680W/90-C7828876100107100313480W/90-C876947110012894575780W/90-C9881078894128107403780W/90-F194114881009494262680W/90-F294114100100135100413680W/90-F394114100100107107201980W/90-C10821001001009494182080W/90-C1182100881071001072526

80W/90-C121071008888107100191980W/90-C1388121*121100107393780W/90-F4941148810094100262690-F58810788144941072626由表1可見：（1）對于中國市場知名品牌的GL-5齒輪潤滑油，半數(shù)左右其P值小于100kg，說明P值BB本身不能代表承載能力。（2）不同實驗室（lad）之間的測試結果，對于個別油品其再現(xiàn)性有超出國際規(guī)定的30%，缺乏可比性?？梢哉J為，不同實驗室測量者本身是嚴格按照操作規(guī)程進行測試的，產(chǎn)生偏差的原因可能是鋼球的生產(chǎn)批次不同，造成其材質有差異，從而影響試驗結果的再現(xiàn)性。討論有人認為PB點為彈性流體動力潤滑的臨界點，也即在該點彈性流體動力潤滑膜將達到極小值，負荷再增大，該膜就將破裂，B點后反映了油性劑或減磨劑的貢獻。本文認為，AB點之間不可能是彈流潤滑，只可能是薄膜潤滑或邊界潤滑，否則不可能有磨痕。AB段的前面部分可能是有序膜起主要作用，后半部分邊界吸附膜起主要作用。BC之間是吸附膜逐漸消失、化學反應膜逐漸形成的時期；CD之間是化學反應膜起作用的階段。所以P代表有序膜的終止點。只有這樣，才能解釋P與油性劑、極壓添加劑的加入有關，這B B些添加劑的極性，可能增加了有序膜的厚度。P值的大小，代表了化學反應膜的形成難易和抗磨性能，PDD值高，表示化學膜失效的溫度高。但反應膜潤滑是以腐蝕磨損為代價的，但若腐蝕性太強，將影響其抗磨性。齒輪油的承載能力是指其保護齒輪在高載荷下工作而無擦傷、咬合、焊接或其它高磨損癥狀的功能。根據(jù)圖3?6的四球機測試結果，顯然僅PB或PD一項不能作為評價油品極壓性抗磨性能的指標，例如，PB值高的油品，其PD值和抗磨作用并不一定好。利用四球機全面估算齒輪油極壓抗磨性能的程序應為：（1）測量P，并計算在°P以前的比壓力P（單位面積承受的負荷），從而可以給出該齒輪油可以承受多大的壓力B B S范圍；（2）測量PB以前某個負荷下的長期磨損值（磨斑直徑，WearScarDiameter），從而給出在工作負荷區(qū)的磨損量；（3））測量P,報出該油品的最高工作負荷。由這三個方面可以預報該油品的最佳工作負荷區(qū)。卩hi RhIfeFhfte Ffra(kig)25卩hi RhIfeFhfte Ffra(kig)25曲繪霧備負荷（ke>圖3不同潤滑油的磨損—負荷曲線圖4負荷與壓力的關系圖5四球機中摩擦系數(shù)與負荷的關系 圖6負荷對磨痕直徑的影響從納米紐擦學的角度來看，用四球機測試結果預測車輛齒輪油承載能力還應該注意：由于P和P都跟添加劑與鋼球之間的有序膜形成、化學吸附和反應有關，若實際齒輪與鋼球的材BD質不同，勢必導致潤滑油在兩種摩擦副上的作用不同，從而不存在對應關系；如果在某一負荷下，四球機所測得的磨痕幾乎為0，標志著四球處于彈流潤滑狀態(tài)。但不能由此推論處在同樣負荷下的齒輪也處于彈流狀態(tài)，即兩種摩擦副之間的彈流條件沒有關聯(lián)性。這是由于兩者的接觸方式不同：鋼球為點接觸，而齒輪是線接觸。彈性流體動力潤滑的條件：入(油膜厚度/表面粗糙度)=h/(62+62)0.5三2?312式中：h為最小油膜厚度，61和62為兩摩擦面的均方根粗糙度。對于球體摩擦副，點接觸區(qū)的最小油膜厚度方程：h=1.83RG0.49U0.68W-0.073對于齒輪摩擦副，線接觸區(qū)的最小油膜厚度方程(Dowson公式)：h=2.65RG0.54U0.70W-0.13式中U為速度參數(shù)，G為材料參數(shù)，W為載荷參數(shù)，R為當量曲率半徑。可見，入與接觸區(qū)內(nèi)的粗糙度、速度、材料和載荷等參數(shù)都有非線性的關系，而且點接觸和線接觸時最小油膜厚度h的變化規(guī)律不一致，導致兩種摩擦副條件下的彈流條件沒有可比性。所以，如果條件許可，盡量用與實際齒輪相同材料做成的四球，包括粗糙度的要求，這樣四球機的測試結果將能較準確地估算油品在該類齒輪上的承載能力。結論從實際應用來看，把P值是否大于100kg作為衡量油品好壞的指標是不恰當?shù)?，許多知名品牌的BGL-5齒輪油P值未達到100kg。BP測定在不同實驗室之