SRV-Ⅳ摩擦試驗機(jī)與WS2001變速箱同步器臺架對手動變速箱油同步器適應(yīng)性評定相關(guān)性研究

史永剛，文 昊，徐萬里，粟 斌

(1.后勤工程學(xué)院訓(xùn)練部，重慶 401311；2.后勤工程學(xué)院研究生管理大隊；3.中國人民解放軍總后勤部油料研究所)

SRV-Ⅳ摩擦試驗機(jī)與WS2001變速箱同步器臺架對手動變速箱油同步器適應(yīng)性評定相關(guān)性研究

史永剛1，文 昊2，3，徐萬里3，粟 斌3

(1.后勤工程學(xué)院訓(xùn)練部，重慶 401311；2.后勤工程學(xué)院研究生管理大隊；3.中國人民解放軍總后勤部油料研究所)

為節(jié)約試驗成本和臺架試驗前對油品進(jìn)行初步篩選，利用SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機(jī)與WS2001變速箱同步器臺架考察了手動變速箱油與同步器適應(yīng)性，并探討了兩種評價方法間的相關(guān)性。試驗結(jié)果表明：試驗油的SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大小及變化趨勢、磨痕與WS2001變速箱同步器臺架摩擦因數(shù)大小及變化趨勢、磨損情況之間有對應(yīng)關(guān)系，而與WS2001同步換擋壽命的關(guān)系不明顯；通過試驗油在SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機(jī)上的表現(xiàn)可對其在WS2001變速箱同步器臺架的運行情況和失效形式做出判斷。ASTM D6425法和變頻法測得SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大于0.131，且后期保持穩(wěn)定或上升趨勢的油品，WS2001臺架的摩擦因數(shù)也較高且運行穩(wěn)定；摩擦因數(shù)初值大于0.110，但隨頻率增大而迅速下降到0.090附近的油品，WS2001變速箱同步器臺架前期運行平穩(wěn)，但后期易出現(xiàn)打齒現(xiàn)象。SRV-Ⅳ磨痕面積大于1.394 mm2，磨斑深度在4.43 μm以上，表現(xiàn)明顯犁溝現(xiàn)象的油品，易引起同步器磨損失效。

同步器 臺架 摩擦特性 相關(guān)性 變速箱齒輪油

潤滑劑的摩擦特性是指某種潤滑劑在特定摩擦副中，于不同工況條件下的摩擦因數(shù)變化規(guī)律，掌握潤滑劑的摩擦特性對于潤滑劑的選擇和使用具有重要意義。對手動變速箱油而言，摩擦特性直接影響同步器使用壽命和使用性能[1-2]，低摩擦力矩會導(dǎo)致?lián)Q擋困難，易導(dǎo)致打齒失效，抗磨性能差會加劇摩擦副磨損，進(jìn)而引起磨損失效。

為評定手動變速箱油的摩擦特性，研究者針對我國手動變速箱同步器結(jié)構(gòu)特點和使用實際研制了WS2001變速箱同步器試驗油評定試驗臺，實現(xiàn)了對手動變速箱油的摩擦特性評價[3]。臺架試驗時間長，成本高，因此有必要研究臺架與摩擦磨損試驗機(jī)的相關(guān)性。

試驗室常用來評價試驗油摩擦特性的模擬試驗機(jī)有四球機(jī)、法萊克斯試驗機(jī)(Falex)、MM-200磨損試驗機(jī)(Amsler)和SRV-Ⅳ型摩擦試驗機(jī)等。四球試驗機(jī)和MM-200磨損試驗機(jī)均是模擬點接觸的摩擦形式，分別通過四球長磨磨斑直徑大小和潤滑油摩擦因數(shù)來表征潤滑油摩擦特性好壞；法萊克斯試驗機(jī)模擬線接觸形式下的潤滑油摩擦和磨損性能，通過磨損齒數(shù)來表征潤滑油摩擦特性好壞[4]；SRV-Ⅳ型摩擦試驗機(jī)能模擬多種接觸形式，試驗溫度范圍寬，可通過摩擦因數(shù)、磨斑大小、磨痕深度指標(biāo)評價試驗油的摩擦特性[5-6]。

同步器之間接觸形式是面接觸，摩擦形式為滑動摩擦[7]。上述各型摩擦磨損試驗機(jī)中，研究者多關(guān)注各變速箱臺架與SRV-Ⅳ型摩擦試驗機(jī)之間的相關(guān)性。張繼平等[8-9]指出SSP-180 FZG試驗臺與SRV-Ⅳ型摩擦試驗機(jī)之間具有較好的相關(guān)性，結(jié)果表明SRV-Ⅳ試驗條件下，摩擦因數(shù)大于0.115且保持平穩(wěn)或上升趨勢，同時具有較小磨斑的試驗油，可以通過SSP-180 FZG試驗臺。孫德志[10]與一汽集團(tuán)技術(shù)中心合作研制了一種新試驗臺，并研究了該試驗臺與SRV-Ⅳ型試驗臺之間的相關(guān)性。蔡繼元等[11]根據(jù)需要改進(jìn)了MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機(jī)，研究了其與MACK循環(huán)試驗臺的相關(guān)性，并建立了相應(yīng)的快速試驗方法，改進(jìn)后的MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機(jī)與SRV-Ⅳ型摩擦磨損試驗機(jī)類似。國外也有關(guān)于摩擦試驗機(jī)之間的相關(guān)性報道[12]。

為節(jié)約試驗成本，臺架試驗前常需要對手動變速箱油進(jìn)行初步篩選，本研究基于WS2001變速箱同步器臺架，探究SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機(jī)與WS2001變速箱同步器臺架在手動變速箱油的摩擦特性評定中的相關(guān)性。

1 實 驗

1.1 實驗儀器及方法

SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機(jī)和WS2001變速箱同步器臺架的試件形式、潤滑方式及試驗條件等參數(shù)見表1。

表1 SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機(jī)與WS2001變速箱同步器臺架對比

1.2 試驗油

目前重載車輛變速箱油為質(zhì)量等級GL-5的齒輪油，同時考慮到發(fā)動機(jī)油有時也用于變速箱中，故試驗選取GL-5 75W/90重負(fù)荷齒輪油和同質(zhì)量等級的75W/90重負(fù)荷多效齒輪油、80W/90重負(fù)荷多效齒輪油、80W/140重負(fù)荷多效齒輪油以及CF-4 15W/40發(fā)動機(jī)油、SJ/CD 15W/40發(fā)動機(jī)通用油為試驗油品。

2 結(jié)果與討論

WS2001變速箱同步器臺架試驗按照文獻(xiàn)[3]中的試驗要求和試驗流程，使用成套的同步器試驗件評價手動變速箱同步器耐久性，當(dāng)潤滑油的同步換擋性能發(fā)生變化時，通過摩擦因數(shù)的動態(tài)測量與同步器磨損量來判斷試驗油的摩擦特性。按照ASTM D6425和變頻法在SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機(jī)上評定試驗油的摩擦磨損性能。對比SRV-Ⅳ型摩擦磨損試驗機(jī)與WS2001變速箱同步器臺架對不同試驗油的試驗結(jié)果，考察二者的相關(guān)性。

2.1 摩擦因數(shù)變化

WS2001變速箱同步器臺架試驗相互接觸的摩擦副運行方式為滑動。為了考察試驗油在滑動條件下的摩擦性能，分別用WS2001變速箱同步器臺架和SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機(jī)考察6種試驗油的摩擦因數(shù)變化趨勢，結(jié)果見圖1。

圖1 試驗油在SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機(jī)和WS2001變速箱同步器臺架上的摩擦因數(shù)變化■—GL-5 75W/90重負(fù)荷齒輪油；●—75W/90重負(fù)荷齒輪油；▲—CF-4 15W/40發(fā)動機(jī)油；/CD 15W/40發(fā)動機(jī)通用油；◆—80W/90重負(fù)荷多效齒輪油；/410重負(fù)荷多效齒輪油

由圖1(a)可知：SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗中CF-4 15W/40發(fā)動機(jī)油和SJ/CD 15W/40發(fā)動機(jī)通用油試驗時的摩擦因數(shù)大于0.131，隨摩擦?xí)r間的增加略有上升，明顯高于試驗齒輪油，且其摩擦因數(shù)在試驗后期(90 min以后)趨于穩(wěn)定；齒輪油試驗時的摩擦因數(shù)數(shù)值接近，均隨摩擦?xí)r間的增加而下降，試驗后期摩擦因數(shù)在0.080～0.10范圍并趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)油具有良好的摩擦因數(shù)保持能力，摩擦力矩穩(wěn)定，有利于同步器長期平穩(wěn)運行；齒輪油之間具有相似的摩擦特性，摩擦力矩相近，后期試驗時摩擦因數(shù)在0.080～0.10范圍內(nèi)，在試驗?zāi)┢诳赡懿荒芴峁┳銐虻哪Σ亮亍?/p>

由圖1(b)可知：不同頻率下發(fā)動機(jī)油試驗時的摩擦因數(shù)隨頻率變化趨勢一致，且數(shù)值大于0.131，在頻率大于60 Hz后，摩擦因數(shù)略有上升；各齒輪油試驗時的摩擦因數(shù)總體呈下降趨勢，摩擦因數(shù)初值大于0.110，而后隨頻率增大而迅速下降到接近0.090。可見在不同頻率(即不同滑動速度)下發(fā)動機(jī)油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程。

由圖1(c)可知，WS2001變速箱同步器臺架試驗中各試驗油試驗時的摩擦因數(shù)隨換擋次數(shù)增加而下降，且CF-4 15W/40發(fā)動機(jī)油和SJ/CD 15W/40發(fā)動機(jī)通用油試驗時的摩擦因數(shù)明顯高于齒輪油試驗時的摩擦因數(shù)，且表現(xiàn)平穩(wěn)；不同齒輪油試驗時摩擦因數(shù)大小和變化趨勢較接近，但在試驗中期出現(xiàn)波動，且試驗?zāi)┢谀Σ烈驍?shù)驟降，表明臺架試驗?zāi)┢邶X輪油運行不平穩(wěn)。

由圖1(c)可得不同油品換擋壽命由長到短的順序為：75W/90重負(fù)荷多效齒輪油> 80W/90重負(fù)荷多效齒輪油>80W/140重負(fù)荷多效齒輪油>CF-4 15W/40發(fā)動機(jī)油>GL-5 75W/90重負(fù)荷齒輪油>SJ/CD 15W/40發(fā)動機(jī)通用油。易知SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大的油品，換擋壽命未必大或小，即油品的換擋壽命與SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大小和變化趨勢無相關(guān)性。

由以上分析可知，SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)與WS2001變速箱同步器臺架摩擦因數(shù)大小及變化趨勢之間存在相關(guān)性，而與油品換擋壽命無相關(guān)性。以ASTM D6425法和變頻法測得SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大于0.131，且后期保持穩(wěn)定或上升趨勢的油品，能保證其在WS2001變速箱同步器臺架上能更穩(wěn)定運行；而摩擦因數(shù)初值大于0.110，但隨頻率增大而迅速下降到0.090附近的油品，WS2001變速箱同步器臺架前期運行平穩(wěn)，但后期出現(xiàn)打齒現(xiàn)象。

2.2 摩擦副磨損情況

摩擦副磨損是反映油品與同步器適應(yīng)性好壞的重要指標(biāo)，對兩種試驗機(jī)條件下的磨損情況進(jìn)行考察，結(jié)果見圖2。圖3是圖2中銅滑塊初現(xiàn)磨損和劇烈磨損時的銅滑塊以15J10000318測量顯微鏡(25X)測定的照片，圖4和圖5分別是利用NanoMap-D三維形貌儀測得的SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗鋼球表面三維形貌和磨痕深度變化。

由圖2可知：SRV-Ⅳ盤面磨痕面積與WS2001同步器磨損量之間成正相關(guān)關(guān)系，SRV-Ⅳ盤面磨痕面積大，對應(yīng)的同步器磨損量也大。圖3中，75W/90重負(fù)荷多效齒輪油在WS2001同步器表現(xiàn)為初現(xiàn)磨損，有輕微的磨損面，且滑塊中心完整[見圖3(a)]，對應(yīng)的SRV-Ⅳ磨痕面積為1.394 mm2；CF-4 15W/40發(fā)動機(jī)油和SJ/CD 15W/40發(fā)動機(jī)通用油在同步器臺架表現(xiàn)為劇烈磨損，出現(xiàn)磨損卷層，具有較明顯磨損面(見圖3(b))，對應(yīng)的SRV-Ⅳ磨痕面積大于2.148 mm2。

圖2 試驗油在兩種試驗機(jī)上的摩擦副磨損量■—SRV-Ⅳ磨痕面積；■—WS2001磨損量a—GL-5 75W/90重負(fù)荷齒輪油; b—75W/90重負(fù)荷多效齒輪油;c—80W/90重負(fù)荷多效齒輪油; d—80W/140重負(fù)荷多效齒輪油;e—CF-4 15W/40發(fā)動機(jī)油; f—SJ/CD 15W/40發(fā)動機(jī)通用油

圖3 銅滑塊組件典型磨損

由圖4和圖5可知：GL-5 75W/90重負(fù)荷齒輪油的磨斑形貌較規(guī)則，沒有明顯的犁溝，深度為3.19 μm，其余重負(fù)荷多效系列齒輪油的磨斑表面均出現(xiàn)不同程度的犁溝，其中75W/90重負(fù)荷多效齒輪油有較明顯犁溝，且磨斑深度為齒輪油中最大，為4.43 μm，齒輪油臺架試驗均表現(xiàn)為打齒失效；CF-4 15W/40發(fā)動機(jī)油和SJ/CD 15W/40發(fā)動機(jī)通用油的磨斑犁溝現(xiàn)象更嚴(yán)重，深度可達(dá)5.01 μm，二者臺架試驗均表現(xiàn)為磨損失效。同時油品對SRV-Ⅳ試驗件的磨損情況與同步器臺架換擋壽命之間未見明顯關(guān)系。

圖4 試驗油的SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗三維形貌

由以上分析可知，試驗油在SRV-Ⅳ上的磨痕面積和磨斑深度與WS3002同步器臺架試驗的磨損量和臺架失效形式之間存在對應(yīng)關(guān)系，而與換擋壽命無相關(guān)性。SRV-Ⅳ磨痕面積大于1.394 mm2，磨斑深度在4.43 μm以上，表現(xiàn)明顯犁溝現(xiàn)象的油品，WS2001變速箱同步器臺架試驗也易出現(xiàn)磨損，且表現(xiàn)為磨損失效。

圖5 試驗油的SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗?zāi)グ呱疃?/p>

3 結(jié) 論

(1) 試驗油SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大小及變化趨勢與WS2001變速箱同步器臺架摩擦因數(shù)大小及變化趨勢有對應(yīng)關(guān)系。ASTM D6425法和變頻法測得SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大于0.131，且后期保持穩(wěn)定或上升趨勢的油品，在WS2001變速箱同步器臺架上能穩(wěn)定運行；摩擦因數(shù)初值大于0.11，但隨頻率增大而迅速下降到0.090附近的油品，前期運行平穩(wěn)，后期易出現(xiàn)打齒現(xiàn)象。

(2) SRV-Ⅳ磨痕與WS2001變速箱同步器臺架磨損情況間有一定的對應(yīng)性。SRV-Ⅳ磨痕大于1.394 mm2，磨斑深度大于4.43 μm，且存在明顯的犁溝的油品，其WS2001變速箱同步器臺架試驗易磨損失效，磨損量較大。

(3) SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)和磨損情況與WS2001變速箱同步器臺架換擋壽命無相關(guān)性。

(4) 通過手動變速箱油SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大小及變化趨勢、磨痕情況可以判斷試驗油在WS2001變速箱同步器臺架的表現(xiàn)和失效形式。

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COMPARATIVE STUDY OF SUITABILITY OF MANUAL TRANSMISSION OILS FOR SYNCHRONIZER BY SRV-Ⅳ TEST AND WS2001 BENCH TEST

Shi Yonggang1，Wen Hao2，3，Xu Wanli3，Su Bin3

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

To save the cost of screening the oil，the suitability of manual transmission oils for synchronizer were investigated by SRV-Ⅳ testing machine and WS2001 synchronizer bench test. The correlation of the two methods was also discussed. The experimental results indicate that (i) the friction coefficient and the change trend，the wear scar of SRV-Ⅳ were correspondence with WS2001 synchronizer bench test，but not obviously related with WS2001 service life；(ii) The running status and failure mode of manual transmission oils on WS2001 test can be preliminary anticipated by the performance of oil on SRV-Ⅳ testing machine. The oil with high SRV-Ⅳ friction coefficient (>0.131) and high stability in long-running，measured by ASTM D6425 and variable-frequency method，has a good running stability and a high stable friction coefficient on the WS2001 test as well. While the oils tested by WS2001 synchronizer was stable in the early stage with friction coefficient higher than 0.110 and then rapidly reduced to 0.090，the damaged gear occurs. The oils that the wear scar is larger than 1.394 mm2and 4.43 μm in depth after SRV-Ⅳ test easily cause the wear failure of the WS2001 synchronizer.

synchronizer；test bench；friction performance；correlation；gearbox oil

2015-12-18；修改稿收到日期：2016-03-15。

史永剛，教授，博士生導(dǎo)師，從事石油產(chǎn)品測試技術(shù)和性能評定等方面的教學(xué)和研究工作。

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)；全軍后勤科研計劃項目(油20090109)。