自動傳動液（ATF）摩擦性能的模擬方法研究

李小剛　李彤　張寬德　王鵬

摘要：汽車自動傳動液（ATF）的摩擦特性是其重要的性能之一。文章選用MTM試驗(yàn)機(jī)作為模擬試驗(yàn)和SAE NO.2臺架試驗(yàn)對自動傳動液的摩擦特性進(jìn)行研究，探索二者在評價(jià)自動傳動液（ATF）的摩擦特性方面的相關(guān)性。試驗(yàn)結(jié)果表明：用MTM試驗(yàn)機(jī)和SAE NO.2臺架試驗(yàn)在自動傳動液（ATF）的摩擦特性評價(jià)方面有一定相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：自動傳動液；摩擦特性；相關(guān)性；評價(jià)

中圖分類號：TE626.38

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-3119（2015）02-0041-04

0 引言

汽車自動傳動液（ATF）是一種特殊的、多功能油液。它的主要作用是潤滑、冷卻以及作為傳遞能量的液壓介質(zhì)。它必須包含多種性能，其中摩擦特性是其最重要又最難達(dá)到的性能，它是換擋感覺、動力矩負(fù)荷和摩擦耐久性的綜合平衡性能。自動傳動液（ATF）的摩擦特性又體現(xiàn)在自動變速器的換擋過程中，換擋是通過離合器片的嚙合來完成的，即離合器片之間的相對速度變化為由大變小直至相對速度為零。汽車自動傳動液（ATF）的摩擦特性之所以重要，主要是因?yàn)槠鋭幽Σ料禂?shù)對傳遞扭矩和換擋時(shí)間影響較大，動摩擦系數(shù)過小會影響傳遞扭矩的能力，使離合器打滑并延長換擋時(shí)間，過大又會增大磨損，影響節(jié)能，所以要在不增大磨損的情況下盡可能提高動摩擦系數(shù)；而靜摩擦系數(shù)過大，會使換擋后期扭矩急劇增大，使換擋質(zhì)量惡化。所以，自動傳動液（ATF）的摩擦特性要求有盡可能高的動摩擦系數(shù)以及適宜的靜摩擦系數(shù)，且動、靜摩擦系數(shù)的優(yōu)化比值約為1，在全部操作溫度范圍內(nèi)摩擦特性保持不變。

目前，自動傳動液（ATF）的規(guī)格眾多，有美國通用公司的DEXRON系列，F(xiàn)ord公司的MERCON及Allison公司規(guī)格，這三種主流ATF規(guī)格都要求用SAE NO.2摩擦試驗(yàn)機(jī)來評定自動傳動液（ATF）的摩擦特性。由于SAE NO.2摩擦試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)過程相對復(fù)雜以及試驗(yàn)周期較長，因此，有必要尋找簡易便捷的模擬方法。之前有王澤恩等人與上海711所合作仿照SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)研制了模擬試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果良好，但仍屬臺架評定；也有蘭曉燕等人用改型的MTM試驗(yàn)機(jī)來考察ATF的摩擦特性，試驗(yàn)結(jié)果區(qū)分性較好，但該試驗(yàn)?zāi)Σ粮苯佑|類型為點(diǎn)接觸，而SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)摩擦副為面接觸。為了能更接近SAE NO.2摩擦試驗(yàn)機(jī)的實(shí)際工況，本文選用英國PCS Instruments公司生產(chǎn)的微牽引力試驗(yàn)儀（Mini Traction Machine，以下簡稱MTM試驗(yàn)儀）來對自動傳動液（ATF）的摩擦特性進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

本文主要介紹了在MTM試驗(yàn)儀上研究模擬試驗(yàn)條件。選用SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)上用GM公司的DEXRON-VI規(guī)格GMW16444中片式摩擦特性評價(jià)的通過油、未通過油作為參比油進(jìn)行試驗(yàn)。

1 臺架試驗(yàn)過程

1.1SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)簡介

SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)的組成如圖1所示。其試驗(yàn)單元是由一臺電機(jī)和一組摩擦片（離合器片）組成，離合器片在加熱到一定溫度的試驗(yàn)油中，由飛輪帶動旋轉(zhuǎn)至一定慣量，經(jīng)過離開、嚙合周期運(yùn)行，可測得動轉(zhuǎn)矩的變化。通過測定中點(diǎn)轉(zhuǎn)矩和嚙合時(shí)間也就是下面所說的停止時(shí)間等參數(shù)來評價(jià)自動傳動液的摩擦特性。SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)控制參數(shù)如表1所示。

目前在評價(jià)自動傳動液（ATF）摩擦特性的規(guī)格中，以美國通用（GM）公司的DEXRON-VI規(guī)格影響較大。DEXRON-VI規(guī)格GMW16444中片式摩擦特性的試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

1.2SAE NO.2臺架試驗(yàn)參比油的選擇

首先選用在SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)上使用DEXRON-VI規(guī)格GMW16444中片式摩擦特性評價(jià)的通過油1、油2以及失敗油3、油4進(jìn)行分析，主要對DEXRON-VI規(guī)格GMW16444.中片式摩擦特性通過指標(biāo)要求的停止時(shí)間和中點(diǎn)扭矩做了試驗(yàn)分析，其中DEXRON-VI規(guī)格GMW16444中片式摩擦特性的指標(biāo)要求如表3所示，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3。

圖中紅色直線代表通過指標(biāo)的范圍。圖2、圖3中失敗油3、4的停止時(shí)間和中點(diǎn)扭矩因?yàn)樵?00 h試驗(yàn)周期以內(nèi)就超出指標(biāo)要求的范圍而失效。其原因主要體現(xiàn)在中點(diǎn)扭矩在試驗(yàn)一段時(shí)間后出現(xiàn)急劇下降的情況，致使摩擦力降低，傳動扭矩的能力降低，換擋時(shí)間變長，體現(xiàn)在圖2中停止時(shí)間超出指標(biāo)上限。通過油1、2在200 h試驗(yàn)周期內(nèi)傳動扭矩能力穩(wěn)定，停止時(shí)間等指標(biāo)符合通過指標(biāo)范圍要求，所以通過了DEXRON-VI規(guī)格片式摩擦特性的要求。

2 模擬試驗(yàn)方法研究

2.1模擬試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)條件研究

英國PCS Instruments公司生產(chǎn)的微摩擦力試驗(yàn)儀如圖4所示。

MTM試驗(yàn)儀是一臺由微機(jī)控制，滑滾比、速度可調(diào)的高精度摩擦系數(shù)測定儀，可實(shí)現(xiàn)油品-摩擦副在不同條件下的流體潤滑、邊界潤滑狀態(tài)，從而測定油品在上述條件下的摩擦系數(shù)。MTM試驗(yàn)儀的控制參數(shù)如表4所示。

由于PCS Instriments公司僅提供標(biāo)準(zhǔn)鋼質(zhì)試驗(yàn)件并且是點(diǎn)接觸的方式，但實(shí)際上汽車自動變速箱及SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)都使用了紙質(zhì)摩擦材料，并且是面接觸的摩擦方式，為了盡可能模擬實(shí)際工況，在保證試驗(yàn)件尺寸與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件尺寸相同的情況下，選用GM公司的DEXRON-VI規(guī)格要求的紙質(zhì)摩擦材料（BW4329），將MTM試驗(yàn)儀的下試驗(yàn)件調(diào)整為鋼底紙面的試驗(yàn)件，上試件試驗(yàn)銷采用45號鋼加工而成，自行設(shè)計(jì)并提供技術(shù)要求，摩擦副接觸方式也是面接觸的方式。

自動傳動液（ATF）的工作溫度相對較高，本文以GM公司DEXRON-VI規(guī)格GMW16444中片式摩擦特性的評價(jià)方法中要求的試驗(yàn)溫度140℃作為模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度，速度范圍根據(jù)MTM試驗(yàn)儀自身的參數(shù)選為0～2 m/s，負(fù)荷根據(jù)方法GMW16444中的摩擦副的接觸應(yīng)力換算選為20 N。因此最終確定的模擬試驗(yàn)條件如表5所示。

2.2MTM試驗(yàn)儀上模擬試驗(yàn)結(jié)果的分析討論

首先，選擇一種自動傳動液（ATF）的基礎(chǔ)油，基礎(chǔ)油是沒有添加任何摩擦特性改進(jìn)劑的油品。用選定的實(shí)驗(yàn)條件對其進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看到：自動傳動液（ATF）基礎(chǔ)油的摩擦特性曲線是負(fù)斜率的曲線且靜摩擦系數(shù)要大于動摩擦系數(shù)，這不符合理想的ATF摩擦特性的要求。

其次，選取SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)上用DEXRON-VI規(guī)格中片式摩擦特性評價(jià)方法評價(jià)的通過油1、2和失敗油3、4四種油品在MTM試驗(yàn)儀上進(jìn)行區(qū)分性試驗(yàn)，其結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以得到：

（1）理想的ATF摩擦特性曲線應(yīng)該是正斜率的曲線且動摩擦系數(shù)要大于靜摩擦系數(shù)。圖6中的失敗油3不符合此特性，靜摩擦系數(shù)較高，其在SAENO.2試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)約15 h就失效。

（2）理想的ATF摩擦特性要求有盡可能高的動摩擦系數(shù)來保持扭矩的傳遞能力，而從圖6中可以看到：由于失敗油4的動摩擦系數(shù)、靜摩擦系數(shù)均偏小而在SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)約100 h就失效。

（3）從通過油1和通過油2的結(jié)果來看，它們的摩擦特性曲線基本一致，符合理想的ATF摩擦特性曲線的要求，在SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)上都通過DEXRON-VI規(guī)格片式試驗(yàn)的摩擦特性的指標(biāo)要求。

最后，對四種試驗(yàn)油品中選取通過油1與失敗油4進(jìn)行重復(fù)性的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，在所選定的實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)性試驗(yàn)較好。

3 MTM試驗(yàn)儀試驗(yàn)結(jié)果與SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性討論

首先，從模擬趨勢來看，模擬試驗(yàn)?zāi)Σ撂匦郧€是隨速度遞增的正斜率的曲線；臺架試驗(yàn)在一次試驗(yàn)循環(huán)中隨速度遞增方向扭矩曲線也是正斜率的曲線，而扭矩和摩擦系數(shù)是正相關(guān)的關(guān)系，所以，模擬試驗(yàn)具有一定的可行性。

其次，從模擬試驗(yàn)結(jié)果和臺架試驗(yàn)結(jié)果對比分析來看，在臺架試驗(yàn)中失敗油3試驗(yàn)約15 h失效的原因在模擬試驗(yàn)中是因?yàn)榈退倌Σ料禂?shù)大于動摩擦系數(shù)而不符合理想的ATF摩擦特性曲線要求而失效。通過油1和通過油2在SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)上通過DEXRON-VI規(guī)格片式摩擦特性試驗(yàn)的指標(biāo)要求，兩種油品的中點(diǎn)扭矩保持穩(wěn)定，體現(xiàn)了良好的傳遞扭矩的能力。在MTM試驗(yàn)儀上通過油1、2具有較穩(wěn)定的摩擦特性曲線，摩擦系數(shù)較高又不是太高，在保證良好的傳遞扭矩的能力下又不增大磨損。而失敗油4的摩擦系數(shù)較通過油1、2的偏低，在SAENO.2試驗(yàn)機(jī)上其傳遞扭矩的能力呈下降趨勢，最終試驗(yàn)約100 h而失效。

最后，MTM試驗(yàn)儀和SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果說明二者在ATF摩擦特性的評價(jià)方面具有一定的相關(guān)性。

4 結(jié)論

理想的自動傳動液（ATF）摩擦特性要求：靜摩擦要適當(dāng)小一些，動摩擦大一些，而且隨著速度的增加，動摩擦要求盡量保持。

目前，評價(jià)自動傳動液（ATF）摩擦特性的技術(shù)比較成熟，其中主要以臺架的評價(jià)方式為主。本文以改型的MTM試驗(yàn)儀作為模擬設(shè)備對自動傳動液（ATF）的摩擦特性的評價(jià)做了一定的研究工作。用MTM試驗(yàn)儀可較好地區(qū)分SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)上通過油、未通過油的摩擦特性，可以作為SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)前的篩選措施。