手動(dòng)變速箱油同步耐久性試驗(yàn)前后摩擦學(xué)性能變化

周 康，蒲宸光，李小剛，湯仲平，李靈威

(1.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，蘭州 730060；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

現(xiàn)代車(chē)用變速器除了在離合器和制動(dòng)單元中使用多片式摩擦離合器之外，錐形摩擦同步器也被廣泛應(yīng)用于變速系統(tǒng)中。同步器成為變速箱的重要零部件，其作用是在變速換擋時(shí)，通過(guò)同步環(huán)和錐體的一個(gè)摩擦接觸過(guò)程，使轉(zhuǎn)速不等的齒輪在達(dá)到“同步”后再相互嚙合，避免換擋過(guò)程中齒輪之間的沖擊，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的換擋工作[1]。同步器作用的發(fā)揮除了同步環(huán)和錐體本身需要一定的強(qiáng)度、硬度和抗磨損能力外，其使用的手動(dòng)變速箱油也會(huì)直接影響到換擋操作的平順和同步器的使用壽命。對(duì)于手動(dòng)變速箱油而言，一是要求具有良好的同步耐久性，油品能夠長(zhǎng)時(shí)間保持較大且穩(wěn)定的動(dòng)摩擦因數(shù)，防止形成低摩擦力矩，導(dǎo)致?lián)Q擋困難甚至打齒失效；二是要求具有良好的抗磨損性能，減少同步環(huán)的磨損，保障同步器能夠在整個(gè)壽命期間連續(xù)工作。

目前，關(guān)于潤(rùn)滑油與變速箱同步器適應(yīng)性評(píng)定技術(shù)的研究報(bào)道較多[2-3]，但有關(guān)手動(dòng)變速箱油與同步器相適性研究領(lǐng)域的報(bào)道較少。本課題采用SSP180手動(dòng)變速箱同步器耐久性試驗(yàn)機(jī)考察不同手動(dòng)變速箱油的同步耐久性，使用MRS-1J四球摩擦試驗(yàn)機(jī)、SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、TE92M離合器摩擦試驗(yàn)機(jī)和EHD2油膜厚度測(cè)定儀考察同步耐久性試驗(yàn)前后油品摩擦特性的變化并進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為同步器的合理用油提供技術(shù)支持，為手動(dòng)變速箱油的開(kāi)發(fā)提供思路和參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

2種市售的80W-90手動(dòng)變速箱油，編號(hào)分別為GO-1和GO-2，其主要理化性能見(jiàn)表1。

表1 2種80W-90手動(dòng)變速箱油的主要理化性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 SSP-180手動(dòng)變速箱同步器試驗(yàn)采用德國(guó)FZG公司開(kāi)發(fā)的SSP-180手動(dòng)變速箱同步器試驗(yàn)臺(tái)，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T 0925《手動(dòng)變速箱油同步嚙合耐久性的評(píng)定FZG SSP-180法》測(cè)定手動(dòng)變速箱油的同步耐久性。同步器系統(tǒng)包括同步環(huán)、同步器錐、鎖止機(jī)構(gòu)等。試驗(yàn)條件為：溫度80 ℃，軸向負(fù)荷1 400 N，循環(huán)時(shí)間5 s，轉(zhuǎn)速1 200 r/min，同步件ZF-BK117(燒結(jié)銅)，同步環(huán)材料HS45燒結(jié)銅，錐面鋼材質(zhì)。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試摩擦因數(shù)，以同步器換檔循環(huán)次數(shù)及同步環(huán)的磨損率表示同步耐久性試驗(yàn)是否通過(guò)，循環(huán)次數(shù)最大為10萬(wàn)次。

1.2.2 四球摩擦機(jī)試驗(yàn)采用MMW-1型四球機(jī)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3142《潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法(四球法)》測(cè)定油品最大無(wú)卡咬負(fù)荷，按照NB/SH/T 0189《潤(rùn)滑油抗磨損性能測(cè)定法(四球機(jī)法)》測(cè)定鋼球的磨斑直徑，按照SH/T 0762《潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)測(cè)定法(四球法)》測(cè)定油品試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)。

1.2.3 SRV摩擦磨損試驗(yàn)采用德國(guó)OPTIMOL公司生產(chǎn)的SRV4高頻往復(fù)線性振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T 0847《極壓潤(rùn)滑油摩擦磨損測(cè)定SRV試驗(yàn)機(jī)法》測(cè)定油品試驗(yàn)件的磨斑直徑，使用面-面接觸的上下試驗(yàn)件銅盤(pán)在恒定條件下試驗(yàn)，期間測(cè)量摩擦因數(shù)。試驗(yàn)條件為：負(fù)荷250 N，頻率50 Hz，時(shí)間2 h，溫度80 ℃，行程1 mm。

1.2.4 EHD2油膜厚度測(cè)定試驗(yàn)采用英國(guó)PCS公司生產(chǎn)的EHD2油膜厚度測(cè)定儀，測(cè)試油品在80 ℃、載荷25 N情況下的油膜厚度，考察油品的成膜能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 同步耐久性試驗(yàn)

在同步耐久性試驗(yàn)過(guò)程中，GO-1試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)下降較快，從第500次循環(huán)到第20 020次循環(huán)時(shí)，摩擦因數(shù)從0.125降至0.085，第45 000次循環(huán)時(shí)，摩擦因素降至0.082，在此循環(huán)過(guò)程中，同步器系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，不能正常工作。重新啟動(dòng)試驗(yàn)后，摩擦因數(shù)恢復(fù)至0.085，但是很快就減小到0.078，第48 169次循環(huán)時(shí)由于發(fā)生同步換擋沖擊，試驗(yàn)被迫停止。GO-2試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)第1次循環(huán)時(shí)為0.099，到第75 000次循環(huán)時(shí)為0.105，第100 100次循環(huán)時(shí)約為0.095，整個(gè)試驗(yàn)期間摩擦因數(shù)保持平穩(wěn)，能夠滿足換擋要求，換擋鎖止機(jī)構(gòu)正常工作。

GO-1和GO-2同步耐久性試驗(yàn)停止后，分別對(duì)減速邊A面和加速邊B面磨損情況進(jìn)行測(cè)試統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出：GO-1試驗(yàn)的第1 000次循環(huán)時(shí)，減速邊A面和加速邊B面的平均磨損率(1 000次循環(huán))分別是3.1 μm和1.7 μm，同步器中同步環(huán)和錐體之間的摩擦因數(shù)隨換擋次數(shù)不斷下降，以致同步環(huán)和錐體難以快速同步，是造成GO-1油品同步器失效的主要因素；GO-2試驗(yàn)的第1 000次循環(huán)時(shí)，減速邊A面和加速邊B面的平均磨損率(1 000次循環(huán))分別為0.9 μm和0.5 μm。從耐久性次數(shù)和同步環(huán)的磨損結(jié)果看，GO-2的同步耐久性和抗磨性能要好于GO-1。

表2 GO-1和GO-2同步耐久性試驗(yàn)結(jié)果

考慮到同步耐久性試驗(yàn)的溫度較高，時(shí)間較長(zhǎng)，需要關(guān)注油品試驗(yàn)前后的黏度變化，反映老化衰敗程度的酸值和不溶物量的變化，以期尋找試驗(yàn)前后油品摩擦學(xué)性能的變化規(guī)律。將GO-1和GO-2同步耐久性試驗(yàn)結(jié)束后的油品編號(hào)為GO-1A和GO-2A，與試驗(yàn)前油品進(jìn)行主要理化性能對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出：同步耐久性試驗(yàn)后油品的運(yùn)動(dòng)黏度略有增加，但不明顯；酸值變化很小，甲苯不溶物和戊烷不溶物含量均未發(fā)生顯著變化，說(shuō)明同步耐久性試驗(yàn)前后油品理化性能并沒(méi)有發(fā)生明顯的氧化。

表3 同步耐久性試驗(yàn)前后油品的主要理化性能

2.2 同步耐久性試驗(yàn)前后油品的摩擦學(xué)性能

2.2.1 四球機(jī)摩擦試驗(yàn)一般來(lái)說(shuō)，同步器工作時(shí)，錐環(huán)和錐盤(pán)的工作表面上會(huì)產(chǎn)生力矩，以克服摩擦件的慣性力矩，以便在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到同步狀態(tài)完成換擋，因此保持同步錐面間摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。四球摩擦因數(shù)的測(cè)定采用滑動(dòng)摩擦形式，在極高的點(diǎn)接觸壓力條件下評(píng)定油品的摩擦學(xué)性能，SSP180手動(dòng)變速箱同步器臺(tái)架試驗(yàn)相互接觸的摩擦副運(yùn)行方式也為滑動(dòng)。本研究主要在滑動(dòng)摩擦情況下，考察GO-1，GO-1A，GO-2，GO-2A進(jìn)行四球機(jī)摩擦試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)變化，結(jié)果如圖1所示。

圖1 油品進(jìn)行四球機(jī)摩擦試驗(yàn)時(shí)摩擦因數(shù)的變化■—GO-1； ◆—GO-1A； ●—GO-2； ▲—GO-2A

由圖1可以看出：GO-2、GO-2A進(jìn)行四球機(jī)摩擦試驗(yàn)時(shí)，摩擦因數(shù)均較大(穩(wěn)定時(shí)達(dá)到0.10)，GO-2A試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)略低于GO-2，隨著加載負(fù)荷的提高，兩油品試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)保持平穩(wěn)變化；GO-1、GO-1A進(jìn)行四球機(jī)摩擦試驗(yàn)時(shí)，摩擦因數(shù)相比GO-2、GO-2A來(lái)說(shuō)較低(穩(wěn)定時(shí)在0.07左右)，且隨著載荷的增大，兩個(gè)油樣的摩擦因數(shù)整體呈下降趨勢(shì)；GO-1A試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)遠(yuǎn)小于GO-1，表明油品經(jīng)過(guò)同步耐久性試驗(yàn)后摩擦學(xué)性能發(fā)生了較大變化。結(jié)合GO-1沒(méi)有通過(guò)同步耐久性試驗(yàn)，可見(jiàn)滑動(dòng)狀態(tài)下，摩擦因數(shù)的降低是導(dǎo)致同步器失效的主要原因。這是由于變速箱內(nèi)潤(rùn)滑油的飛濺和浸泡，同步器摩擦錐面間的動(dòng)摩擦必須在有界面潤(rùn)滑的條件下進(jìn)行[4]，同時(shí)錐體與同步環(huán)之間的動(dòng)摩擦要與靜摩擦相當(dāng)，平均摩擦因數(shù)才能夠滿足低摩擦力和短時(shí)間內(nèi)的換擋。GO-2油品的摩擦因數(shù)較大且隨加載負(fù)荷增大變化平穩(wěn)，具有良好的摩擦特性，摩擦力矩較大，有利于同步器完成同步過(guò)程。

2.2.2 SRV摩擦磨損試驗(yàn)為了減少對(duì)同步環(huán)的磨損，手動(dòng)變速箱油需要具有較好的抗磨性能，最大無(wú)卡咬負(fù)荷表征油品在流體動(dòng)力潤(rùn)滑條件下的油膜強(qiáng)度，磨斑直徑表征油品的抗磨性能。表3列出了GO-1，GO-1A，GO-2，GO-2A的極壓抗磨性能，其中參數(shù)包括四球機(jī)摩擦試驗(yàn)時(shí)的最大無(wú)卡咬負(fù)荷、磨斑直徑和SRV摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的垂直、水平、平均磨斑直徑。

表4 同步耐久性試驗(yàn)前后油品的極壓抗磨性能

由表4可以看出，GO-1A與GO-1相比，最大無(wú)卡咬負(fù)荷，四球磨斑直徑，SRV水平、垂直和平均磨斑直徑均發(fā)生了較大程度的下降，而GO-2A與GO-2相比，5項(xiàng)指標(biāo)無(wú)明顯變化。這說(shuō)明GO-2有良好的抗磨損性能，同步耐久性試驗(yàn)后油膜保持程度較好，而GO-1同步耐久性試驗(yàn)后油膜保持程度較差。由于同步耐久性試驗(yàn)采用的是飛輪模擬齒輪和傳動(dòng)軸等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并利用噴濺的方式對(duì)錐體和同步環(huán)進(jìn)行強(qiáng)壓潤(rùn)滑，推測(cè)是由于GO-1在試驗(yàn)過(guò)程能中衰變變質(zhì)較快，不能有效地存儲(chǔ)在同步器摩擦材料的孔隙中，試驗(yàn)過(guò)程中不能及時(shí)帶走熱量，使摩擦副表面層形成微裂紋，加劇了同步環(huán)和錐體材料的磨損，最終很快導(dǎo)致同步器的失效[5-6]。

考慮到同步器的同步環(huán)材質(zhì)采用的是燒結(jié)銅，因此在SRV4高頻往復(fù)線性振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，采用面-面結(jié)構(gòu)接觸的上試驗(yàn)件槽口鋼環(huán)相對(duì)于下試驗(yàn)件銅盤(pán)，在恒定的試驗(yàn)負(fù)荷下考察油品的摩擦因數(shù)變化，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 同步器試驗(yàn)前后油品的SRV摩擦因數(shù)變化■—GO-1； ◆—GO-1A； ●—GO-2； ▲—GO-2A

由圖2可以看出：SRV摩擦磨損試驗(yàn)中，GO-2、GO-2A試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的增加略有上升，但幅度很小，基本維持在0.14左右；GO-1試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)在試驗(yàn)時(shí)間10 min時(shí)約為0.16，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)迅速下降，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間120 min時(shí)為0.09，GO-1A試驗(yàn)時(shí)摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化趨勢(shì)與GO-1一致，從0.15降至0.07，但摩擦因數(shù)均低于GO-1。這表明同步耐久性試驗(yàn)結(jié)果較差的手動(dòng)變速箱油的摩擦特性相似，試驗(yàn)后期摩擦因數(shù)在0.07～0.09范圍內(nèi)，不能提供足夠的摩擦力矩，使得油品同步耐久性能較差。GO-2試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)較高且穩(wěn)定，有利于同步器接合套與待嚙合的齒圈迅速同步，而GO-1試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)變化較大，且保持下降的趨勢(shì)，這將會(huì)導(dǎo)致同步器打滑，出現(xiàn)打齒現(xiàn)象，試驗(yàn)無(wú)法通過(guò)。

由于隨著換擋次數(shù)的增加，在同步階段同步器錐體所獲得的加速度在不斷降低，結(jié)合套的位移所經(jīng)歷的時(shí)間也在不斷增長(zhǎng)，而同步環(huán)和錐體之間產(chǎn)生的摩擦力矩在不斷減少，最終導(dǎo)致了同步器的失效。在換擋力和同步器結(jié)構(gòu)不變的情況下，摩擦因數(shù)的降低是導(dǎo)致摩擦力矩在不斷減少的主要因素，需要格外關(guān)注油品的SRV摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)。綜合分析可知：摩擦因數(shù)為0.14左右且保持穩(wěn)定的油品能在SSP180手動(dòng)變速箱同步耐久性試驗(yàn)臺(tái)架上更穩(wěn)定運(yùn)行；而摩擦因數(shù)初值大于0.14，但隨時(shí)間增加而迅速下降到0.090的油品，SSP180手動(dòng)變速箱同步耐久性試驗(yàn)臺(tái)架上前期運(yùn)行平穩(wěn)，但后期出現(xiàn)打齒現(xiàn)象，無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)。

2.2.3 EHD2油膜厚度測(cè)定試驗(yàn)同步耐久性試驗(yàn)過(guò)程中，由于摩擦副表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一定磨損，磨損后的摩擦副表面由于變得平整，承載面積增加，會(huì)影響接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力和局部溫度，進(jìn)而影響油膜的破裂程度和油膜分布[1]，因此考察油品在同步耐久性試驗(yàn)前后成膜能力的變化很有必要。成膜能力的評(píng)價(jià)也是對(duì)油品在苛刻工況下摩擦特性的考察，成膜能力強(qiáng)，在極端工況下，能夠有效對(duì)摩擦副起到潤(rùn)滑保護(hù)作用。本研究采用EHD2油膜厚度儀對(duì)油品在彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑下進(jìn)行成膜表征，考慮到SSP180手動(dòng)變速箱同步耐久性試驗(yàn)的溫度為80 ℃，因此選擇80 ℃進(jìn)行油膜厚度的考察，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 在80 ℃條件下油品的油膜厚度隨試驗(yàn)速度的變化■—GO-1； ◆—GO-1A； ●—GO-2； ▲—GO-2A

從圖3可以看出：隨著試驗(yàn)速度的增大，GO-2油膜保持性好于GO-1，說(shuō)明GO-2油品的抗磨能力好于GO-1。經(jīng)過(guò)同步耐久性試驗(yàn)后，2個(gè)油品的成膜能力均有所減弱。在同步耐久性試驗(yàn)過(guò)程中，隨著換擋次數(shù)的增加，摩擦副表面之間形成了一層較厚的油膜，若油膜不穩(wěn)定，那么在高溫條件下的分解產(chǎn)物會(huì)沉積在摩擦副表面上，降低摩擦副的摩擦因數(shù)，使同步環(huán)和錐體之間所產(chǎn)生的摩擦力矩難以使同步器快速同步時(shí)，同步器就會(huì)失效。反之，由于同步器主要是依靠摩擦作用實(shí)現(xiàn)同步的，摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定，說(shuō)明摩擦副表面形成了穩(wěn)定的摩擦保護(hù)膜，能夠?yàn)槟Σ帘砻嫣峁┯行У臐?rùn)滑保護(hù)。顯然，油膜的穩(wěn)定、摩擦因數(shù)的大小和穩(wěn)定是影響油品能否通過(guò)SSP180變速箱同步耐久性試驗(yàn)的重要因素。

3 結(jié) 論

能通過(guò)同步耐久性臺(tái)架試驗(yàn)、達(dá)到循環(huán)10萬(wàn)次以上的油品能夠長(zhǎng)時(shí)間保持較大且穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，四球摩擦因數(shù)平穩(wěn)保持在0.1左右、SRV摩擦因數(shù)平穩(wěn)保持在0.14左右，試驗(yàn)后四球摩擦因數(shù)和SRV摩擦因數(shù)無(wú)明顯變化；不能通過(guò)SSP180同步耐久性臺(tái)架試驗(yàn)的油品試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)波動(dòng)較大，同步耐久性試驗(yàn)后油品的四球摩擦因數(shù)相比于試驗(yàn)前油品略有下降，SRV摩擦因數(shù)變化較大，試驗(yàn)時(shí)間由10 min延長(zhǎng)到120 min時(shí)，同步耐久性試驗(yàn)前后油品的SRV摩擦因數(shù)分別從0.16降至0.09、0.15降至0.07。由于同步器主要依靠摩擦作用實(shí)現(xiàn)同步，摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定時(shí)能夠?yàn)槟Σ帘砻嫣峁┯行У臐?rùn)滑保護(hù)。因此，摩擦因數(shù)的大小和穩(wěn)定是影響油品能否通過(guò)SSP180手動(dòng)變速箱同步耐久性試驗(yàn)的重要因素。