不同變速箱油對WS2001同步器性能的影響

文 昊，粟 斌，徐萬里，史永剛

(1.后勤工程學(xué)院研究生管理大隊，重慶 401311；2.總后油料研究所；3.后勤工程學(xué)院訓(xùn)練部)

不同變速箱油對WS2001同步器性能的影響

文 昊1，粟 斌2，徐萬里2，史永剛3

(1.后勤工程學(xué)院研究生管理大隊，重慶 401311；2.總后油料研究所；3.后勤工程學(xué)院訓(xùn)練部)

利用自行研制的WS2001變速箱同步器油品評定臺架研究了重負(fù)荷齒輪油GL-5 75W90，重負(fù)荷多效齒輪油75W90， 80W90， 80W140，柴油機(jī)油CF-4 15W40和汽柴油機(jī)通用機(jī)油SJCD 15W40等油品對WS2001慣性鎖環(huán)式同步器性能的影響。試驗結(jié)果表明：不同潤滑油的使用壽命不同，導(dǎo)致同步器失效的形式不同，CF-4 15W40柴油機(jī)油和SJCD 15W40汽柴油機(jī)通用機(jī)油雖能保證較好的運(yùn)行穩(wěn)定性，但同步器試驗件磨損嚴(yán)重，易產(chǎn)生磨損失效；GL-5 75W90、75W90重負(fù)荷多效齒輪油、 80W90重負(fù)荷多效齒輪油、 80W140重負(fù)荷多效齒輪油等在前期具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性，氧化衰變后易發(fā)生同步器打齒，導(dǎo)致打齒失效；變速箱油的黏度、抗剪切性能和氧化安定性對同步器運(yùn)行性能具有一定影響，選用和研發(fā)新型變速箱油應(yīng)予以考慮。

變速箱油 變速箱 同步器 摩擦 性能

同步器是變速箱傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一。換擋平順性、磨損量和使用壽命是同步器性能的綜合體現(xiàn)。同步器性能除受摩擦材料、同步器結(jié)構(gòu)影響外，潤滑油也對同步器性能有重要影響[1-2]。

研究人員開展了同步器結(jié)構(gòu)、摩擦材料和潤滑油3方面對同步器性能影響的研究[3]。趙馬京等[4]利用自行研發(fā)的試驗臺對不同同步器的摩擦材料、同步器的結(jié)構(gòu)以及不同潤滑條件下同步器的同步性能進(jìn)行了測試。Abdel-Halim等[5]用同步器摩擦副之間的摩擦因數(shù)作為表征方法對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，研究了不同摩擦材料對同步器性能的影響。Tuszynski等[6]在FZG試驗臺上建立一種新方法對覆蓋不同摩擦材料的齒輪和摩擦副的多種接觸形式的抗擦傷性能進(jìn)行評價。Byoungchul等[7]分別以光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和X-射線等手段，對試驗前后同步環(huán)的涂層厚度、表面粗糙度、硬度和元素組成等進(jìn)行對比，分析了齒輪油對涂層摩擦磨損性能的影響。Bouffet[8]和Connor等[9]在SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機(jī)上用相同摩擦材料的試驗件，研究不同潤滑油黏度和添加劑如摩擦改進(jìn)劑、分散劑等對同步器摩擦磨損性能和運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。Abraham等[10]利用所建立的試驗臺架研究了滿足API GL-4等級的商用潤滑油和自動傳動液對同步器穩(wěn)定性以及最優(yōu)摩擦磨損特性的影響。但針對我國重載車輛現(xiàn)用的鎖環(huán)式同步器的相關(guān)工作報道較少。

本研究基于自行研制的WS2001同步器試驗臺架，通過對不同潤滑油的臺架試驗，探究油品對WS2001慣性鎖環(huán)式同步器運(yùn)行性能的影響。

1 實 驗

1.1 試驗方法

試驗所用臺架為自行研制的WS2001變速箱同步器油品適應(yīng)性評定試驗臺，經(jīng)測試，該試驗臺能夠模擬手動變速箱實際運(yùn)行工況，具有較好重復(fù)性和區(qū)分性。試驗臺架操作流程及相關(guān)參數(shù)設(shè)置見文獻(xiàn)[11]。

試驗條件如下：換擋推力900 N，主軸轉(zhuǎn)速1 050 rmin，試驗溫度90 ℃。試驗件為WS2001慣性鎖環(huán)式同步器及其組件，見圖1，試驗件相關(guān)參數(shù)見表1。試驗前后用石油醚超聲清洗20 min，并稱取試驗件質(zhì)量。

1.2 試驗油品

目前我國重載車輛變速箱廣泛使用質(zhì)量等級為GL-5的重負(fù)荷齒輪油，同時考慮到發(fā)動機(jī)油有時也用作變速箱油，故試驗選用GL-5 75W90重負(fù)荷齒輪油和同質(zhì)量等級的75W90重負(fù)荷多效齒輪油、80W90重負(fù)荷多效齒輪油、80W140重負(fù)荷多效齒輪油、CF-4 15W40柴油機(jī)油和SJCD 15W40汽柴油機(jī)通用機(jī)油為試驗油品。

圖1 試驗部件

項 目數(shù) 據(jù)同步環(huán)寬度∕mm125同步環(huán)名義直徑∕mm132摩擦錐面半錐角∕(°)65總摩擦面積∕mm25977

2 結(jié)果與討論

2.1 油品對同步器運(yùn)行性能的影響

同步器性能是反映油品與同步器之間適應(yīng)性的重要方面，包括換擋平順性、同步換擋速度。換擋平順性和同步換擋速度的綜合性能構(gòu)成了換擋舒適性，是用戶體驗的重要指標(biāo)。

換擋平順性通過同步換擋過程中摩擦力矩的變化表征。同步器通過摩擦副之間相對運(yùn)動，產(chǎn)生的摩擦力矩實現(xiàn)錐體與同步環(huán)之間的同步[12]。當(dāng)同步換擋平穩(wěn)時，換擋過程摩擦力矩較大且平穩(wěn)；當(dāng)同步換擋出現(xiàn)打齒或卡咬時，換擋過程摩擦力矩較小，且會出現(xiàn)沖擊力矩，同時產(chǎn)生刺耳噪聲，最終不能完成換擋。因此，通過摩擦力矩變化可評價變速箱同步換擋平穩(wěn)性。

圖2是不同油品，不同換擋次數(shù)摩擦力矩變化曲線。由圖2可以看出：在最初換擋500次時，各油品在換擋過程摩擦力矩均較大，能達(dá)到80 (N·m)以上，且表現(xiàn)平穩(wěn)，說明新油品均能滿足變速箱同步器使用；隨著換擋次數(shù)的增加，摩擦力矩逐步下降，最終當(dāng)摩擦力矩在20 (N·m)左右時不能完成換擋；且不同油品對換擋平順性具有不同影響。

各齒輪油試驗時，在試驗中期(換擋次數(shù)達(dá)中間值)，摩擦力矩均有不同程度下降；在試驗終點，摩擦力矩僅為20 (N·m)左右，且出現(xiàn)沖擊力矩，變速箱運(yùn)行平穩(wěn)性隨換擋次數(shù)增加而變差；各齒輪油對變速箱運(yùn)行平穩(wěn)性影響也不同，GL-5 75W90重負(fù)荷齒輪油(圖2a)和80W90重負(fù)荷多效齒輪油(圖2c)的摩擦力矩隨換擋次數(shù)增加下降較快，而80W140重負(fù)荷多效齒輪油(圖2d)的摩擦力矩保持較好，說明80W140重負(fù)荷多效齒輪油較GL-5 75W90重負(fù)荷齒輪油和80W90重負(fù)荷多效齒輪油更能保持變速箱運(yùn)行平穩(wěn)性；75W90重負(fù)荷多效齒輪油(圖2b)的初始摩擦力矩和中間摩擦力矩較其它試驗齒輪油大，說明變速箱使用75W90重負(fù)荷多效齒輪油潤滑時，前期的運(yùn)行平穩(wěn)性較其它齒輪油更好。

同步換擋速度是變速箱同步器運(yùn)行性能的另一重要指標(biāo)，表征換擋難易程度。換擋速度快，表示掛擋容易，用戶體驗較好，反之表示掛擋不易。從相關(guān)資料[13]可知，重載車輛變速箱同步器換擋時間一般小于0.5 s。圖3為不同油同步時間隨換擋次數(shù)變化曲線。由圖3可以看出，各油品的同步時間先隨換擋次數(shù)增加而迅速增加，再趨于平緩，最后又迅速增大。CF-4 15W40柴油機(jī)油和SJCD 15W40汽柴油機(jī)通用機(jī)油的同步時間比齒輪油的同步時間短，這與發(fā)動機(jī)油的摩擦力矩比齒輪油的摩擦力矩大有關(guān)。

2.2 油品對同步器使用壽命的影響

各試驗方法常以同步器失效次數(shù)作為同步器使用壽命的指標(biāo)[14-15]。同步器失效根據(jù)失效形式分為2種：一是打齒失效；二是磨損失效。圖4為不同油品的換擋壽命，圖5為試驗結(jié)束后銅滑塊磨損情況。

—換擋500次; —中間換擋15 000次; —換擋失效次數(shù)30 171次

—換擋500次; —中間換擋24 432次; —換擋失效次數(shù)48 457次

—換擋500次; —中間換擋20 332次; —換擋失效次數(shù)43 902次

—換擋500次; —中間換擋20 043次; —換擋失效次數(shù)40 096次

—換擋500次; —中間換擋20 000次; —換擋失效次數(shù)39 844次

—換擋500次; —中間換擋7 000次; —換擋失效次數(shù)14 032次

圖3 不同油同步時間隨換擋次數(shù)變化曲線■—GL-5 75W90重負(fù)荷齒輪油；●—75W90重負(fù)荷多效齒輪油； ▲—80W90重負(fù)荷多效齒輪油； —80W140重負(fù)荷多效齒輪油；◆—CF-4 15W40柴油機(jī)油； —SJCD 15W40汽柴油機(jī)通用機(jī)油。 圖7同

圖4 不同油品換擋壽命

由圖2和圖4可知，不同油品對同步器的使用壽命不同。各重負(fù)荷多效齒輪油的同步器使用壽命都能達(dá)到40 000次以上，CF-4 15W40柴油機(jī)油的使用壽命為39 844次，而GL-5 75W90重負(fù)荷齒輪油和SJCD 15W40汽柴油機(jī)通用機(jī)油則分別為30 171次和14 032次。

圖5 各油品試驗結(jié)束時銅滑塊磨損情況

由圖2和圖5可知，不同油品導(dǎo)致同步器失效的形式不同。使用GL-5 75W90重負(fù)荷齒輪油、75W90重負(fù)荷多效齒輪油、 80W90重負(fù)荷多效齒輪油、 80W140重負(fù)荷多效齒輪油時，同步器失效形式為打齒失效，存在沖擊力矩(圖2a～d)，銅滑塊磨損較小(圖5a～d)；而使用CF-4 15W40柴油機(jī)油和SJCD 15W40汽柴油機(jī)通用機(jī)油時，同步器失效形式為磨損失效，摩擦力矩變化不大(圖2e～f)，銅滑塊磨損劇烈(圖5e～f)。主要是因為油品的添加劑體系不同，對同步器試驗件的作用形式就不同。發(fā)動機(jī)油對氧化安定性、清凈分散性要求較高，而極壓抗磨性要求不如齒輪油。因此使用過程中，摩擦副表面不能形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，而不斷出現(xiàn)新的接觸面。而齒輪油中由于含有大量的極壓抗磨劑，其中含有的S，P，Cl等元素能與摩擦副表面形成穩(wěn)定的化學(xué)膜，起到保護(hù)作用。因此發(fā)動機(jī)油的摩擦力矩較大，磨損較大，失效后需更換試驗件，而齒輪油的摩擦力矩相對較小，磨損較小，失效后以更換試油為主。

2.3 油品性質(zhì)對同步器運(yùn)行性能的影響

變速箱油的性質(zhì)變化也會對同步器運(yùn)行性能產(chǎn)生影響，如齒輪油黏度、氧化生成物等理化性質(zhì)的變化對摩擦因數(shù)會產(chǎn)生影響。圖6為試驗中各油品部分理化性質(zhì)的變化。

根據(jù)變速箱同步器工作條件可知，換擋過程是對油品進(jìn)行剪切、氧化的過程。換擋過程的實現(xiàn)是摩擦副和油品共同的作用，潤滑油充斥于摩擦界面，起到承載、潤滑、冷卻的作用。油品承載能力與油品黏度有關(guān)，黏度越大，油品承載能力越強(qiáng)，內(nèi)摩擦力越大，黏度的變化大小是抗剪切性能好壞的體現(xiàn)。潤滑油的氧化通過其酸值和正戊烷不溶物來表征。

圖6 油品理化性質(zhì)隨換擋次數(shù)的變化

3 結(jié) 論

(1) 不同油品對同步器性能具有不同的影響。發(fā)動機(jī)油與齒輪油性能有較大差異，以發(fā)動機(jī)油代替齒輪油作為變速箱油，雖能提高換擋舒適性，但同步器件磨損嚴(yán)重，失效后需更換器件，而齒輪油以油品變質(zhì)為主，失效需更換新油。

(2) 選擇具有合適黏度、較好抗剪切性能和氧化安定性的油品有利于提高變速箱同步器的運(yùn)行穩(wěn)定性、減小磨損、延長使用壽命。

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INFLUENCES OF DIFFERENT TRANSMISSION OILS ON PERFORMANCE OF WS2001 SYNCHRONIZER

Wen Hao1， Su Bin2， Xu Wanli2， Shi Yonggang3

(1.PostgraduateManagementUnit，LogisticEngineeringUniversity，Chongqing401311；2.BeijingPetroleumOilandLubricantInstitute；3.DepartmentofTraining，LogisticEngineeringUniversity)

Based on the self-built WS2001 inertia lock ring synchronizer test bench， the influences of lubricating oils on the WS2001 synchronizer performance was tested with six kinds of oils： heavy load gear oil GL-5 75W90， heavy load multifunctional gear oil 75W90， 80W90， 80W140， diesel engine oil CF-4 15W40 and universal internal combustion engine oil SJCD 15W40. The experimental results indicate that the different lubricating oils have different service lives， resulting in different failure modes of the synchronizer. Though CF-4 15W40 and SJCD 15W40 possess enough running stability， the synchronizer test parts are easy to fail for wear and tear. While heavy load GL-5 75W90， heavy load multifunctional gear oils 75W90， 80W90， 80W140 have a good running stability in the early stage， but miss-engagements occur as the oils being oxidized， resulting in the failure of the test parts. It is concluded that the viscosity， shear resistance and oxidation stability of transmission oils has influences on the performance of the synchronizer. Their influences must be considered when selecting and developing new type gearbox oils.

transmission oil； gearbox； synchronizer； friction； performance

2015-12-02。

文昊，碩士研究生，主要從事潤滑油質(zhì)量分析與評定工作。

史永剛，E-mail：ygshi@126.com。

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(NSFC 21206204)。