基于小型盤盤型摩擦試驗(yàn)機(jī)的ATF油摩擦性能評定

(中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心 遼寧大連 116031)

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，安裝自動變速器系統(tǒng)的汽車越來越多，在汽車自動變速器中起潤滑和傳遞能量作用的液體工作介質(zhì)——自動傳動液(Automatic Transmission Fluid，ATF)的需求量也越來越大。目前ATF用量約占全球汽車潤滑油市場的35%，僅次于發(fā)動機(jī)油。近年來，隨著自動變速器的不斷更新?lián)Q代及其裝車量的不斷增加，ATF的市場份額仍在持續(xù)擴(kuò)大，與此同時(shí)，人們對汽車駕駛舒適性的要求也在不斷提高[1-3]。而抗顫性是評價(jià)汽車自動傳動液(ATF)在駕駛舒適度方面的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

為改善汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，限滑鎖止離合器系統(tǒng)已在自動變速器中得到廣泛應(yīng)用。而離合器系統(tǒng)中的鋼片與摩擦片在摩擦過程中產(chǎn)生黏連出現(xiàn)的震顫現(xiàn)象，將直接影響駕駛過程中的舒適性。研究表明，自動變速器中ATF的摩擦特性是控制抗震顫性能的主要因素[4-6]。

具備較佳的抗顫性能是ATF研發(fā)的主要目的之一。ATF的抗顫能力取決于摩擦因數(shù)(μ)和滑動速度(v)之間的特性關(guān)系。根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)摩擦面之間能夠保持?μ/?v>0時(shí)(即正向的摩擦-速度曲線)，系統(tǒng)將處于過阻尼狀態(tài)，震顫則不會發(fā)生。即μ與v保持正斜率關(guān)系時(shí)，不會出現(xiàn)顫動；反之，μ與v呈現(xiàn)負(fù)斜率關(guān)系時(shí)，出現(xiàn)顫動的可能性大大增加[7-9]。

通常，ATF的抗顫能力(μ-v曲線)用低速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(Low Velocity Friction Apparatus，LVFA)模擬臺架試驗(yàn)來評定。一般在試驗(yàn)室中，評測某些昂貴的外購添加劑及少量化學(xué)合成添加劑的摩擦學(xué)特性時(shí)，需重復(fù)多次進(jìn)行μ-v曲線測試，此時(shí)，要求摩擦試驗(yàn)機(jī)應(yīng)盡可能單次用油(劑)量少，且操作靈活簡便、試驗(yàn)周期可自控。而LVFA單次試驗(yàn)用油量大、操作相對復(fù)雜且試驗(yàn)周期較長，不符合上述試驗(yàn)室要求。因此，本文作者選用更加適合實(shí)際工況的、試驗(yàn)用油量小且操作簡便的小型盤盤型摩擦試驗(yàn)機(jī)(TRM5000，德國Wazau公司生產(chǎn)，以下簡稱WAZAU)為評價(jià)裝置，建立快速的試驗(yàn)方法，用以評價(jià)ATF的抗顫性能。文中選取2種不同配方的ATF油品，分別采用LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)測得其μ-v曲線，比較其摩擦特性；同時(shí)，對摩擦試驗(yàn)后的鋼片分別進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能量色散光譜儀(EDX)的聯(lián)合測試，觀測試驗(yàn)鋼片表面摩擦形貌并分析其化學(xué)成分，用以研究WAZAU與LVFA摩擦試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用已通過JASO 1A以及DEXRON Ⅲ行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的市售ATF油品(Oil A)和試驗(yàn)室自配ATF油品(Oil B)來進(jìn)行試驗(yàn)對比分析。

對Oil A和Oil B分別進(jìn)行了理化性能的檢測，其實(shí)測數(shù)據(jù)及配方信息如表1所示。

表1 Oil A和Oil B理化性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行Oil A和Oil B的抗顫性能(μ-v曲線)的評價(jià)，并使用SEM和EDX的聯(lián)合檢測方法來表征試驗(yàn)片表面的摩擦形貌和化學(xué)成分。

試驗(yàn)采用的LVFA摩擦試驗(yàn)機(jī)(日本Automax公司生產(chǎn))如圖1所示，其試驗(yàn)原理是以縱向加載的方式,使浸在ATF中的摩擦片與鋼片進(jìn)行齒合,通過測量齒合過程中的摩擦扭矩，計(jì)算出摩擦因數(shù),從而分析摩擦因數(shù)(μ)與滑動速度(v)之間的關(guān)系來評價(jià)ATF的抗顫性能和耐久性能。

圖1 LVFA試驗(yàn)機(jī) (a)、油槽(b)、紙基摩擦片(c)、鋼片(d)

試驗(yàn)采用的WAZAU試驗(yàn)機(jī)(TRM5000，德國Wazau公司生產(chǎn))如圖2所示，其試驗(yàn)原理與LVFA試驗(yàn)機(jī)相同，是LVFA試驗(yàn)機(jī)的微型版，可測試不同溫度、速度和負(fù)載下旋轉(zhuǎn)滑動試驗(yàn)部件間的摩擦因數(shù)。其摩擦試驗(yàn)件的紙基摩擦片和鋼片的直徑均較LVFA摩擦試驗(yàn)機(jī)大為縮小，試驗(yàn)后的試驗(yàn)件可直接用SEM觀測摩擦表面形貌，從而避免了因LVFA的試驗(yàn)件在金屬切割流程中金屬碎末飛濺而造成的表面形貌污染，同時(shí)也縮短了試驗(yàn)時(shí)長，更加適合大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)研究工作。

圖2 WAZAU試驗(yàn)機(jī)(a)、油槽(b)、 紙基摩擦片(c)、鋼片(d)

LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)的性能參數(shù)如表2所示。

表2 LVFA和WAZAU試驗(yàn)機(jī)性能參數(shù)

采用配有二次電子檢測器、背散射電子檢測器和X射線能量色散光譜儀(EDX)的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(QUANTA250FEG，捷克FEI公司生產(chǎn))觀測試驗(yàn)后試驗(yàn)件摩擦形貌，結(jié)合EDX分析儀進(jìn)行微區(qū)元素的識別和解析。

1.3 試驗(yàn)方法

為簡化操作和更好地對比試驗(yàn)結(jié)果，首先為WAZAU試驗(yàn)建立了與LVFA試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)JASO M349-2001[10]相當(dāng)?shù)腂reak in(磨合試驗(yàn))、μ-v程序(μ-v特性試驗(yàn))和Endurance(耐久試驗(yàn))3個(gè)試驗(yàn)程序，用于模擬自動變速器離合器片的摩擦過程，進(jìn)而測試ATF的摩擦特性。

WAZAU摩擦試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)方法主要分為以下3個(gè)步驟：

(1)Break in 程序(磨合試驗(yàn)):在80 ℃的油溫下，以1.0 MPa的壓力，使油槽中的摩擦片和鋼片進(jìn)行齒合,后將摩擦片的轉(zhuǎn)速于1 min內(nèi)提升至0.6 m/s，并以0.6 m/s的滑動速度持續(xù)旋轉(zhuǎn),磨合30 min后，再于1 min 內(nèi)將轉(zhuǎn)速回降至初始狀態(tài)。

(2)μ-v程序(μ-v特性試驗(yàn))：上述磨合試驗(yàn)結(jié)束后，分別在40、80、120 ℃的油溫下，以1.0 MPa的壓力，將摩擦片的轉(zhuǎn)速于18 s內(nèi)提升至1.5 m/s，并以1.5 m/s的滑動速度持續(xù)旋轉(zhuǎn),磨合18 s，再于18 s內(nèi)將轉(zhuǎn)速回降至初始狀態(tài)。通過檢測磨合過程中的摩擦因數(shù)，從而得到不同油溫下的μ-v曲線。

(3)Endurance程序(耐久試驗(yàn)):上述μ-v曲線測試后,在120 ℃的油溫下，以1.0 MPa的壓力，將摩擦片的轉(zhuǎn)速于1 min內(nèi)提升至0.9 m/s，并以0.9 m/s的滑動速度持續(xù)旋轉(zhuǎn)，磨合30 min，再于1 min 內(nèi)將轉(zhuǎn)速回降至初始狀態(tài)，重復(fù)測定47次,即運(yùn)行24 h后，再次進(jìn)行μ-v曲線的測試。每個(gè)耐久性能試驗(yàn)周期結(jié)束后，均需對其μ-v特性進(jìn)行檢測。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Oil A的摩擦性能測試

在40、80、120 ℃ 3種不同的油溫下，以相同的試驗(yàn)條件，分別用LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)對Oil A進(jìn)行了0、24、96 h的μ-v曲線測試。

以80和120 ℃的μ-v曲線為例，圖3示出了相同試驗(yàn)條件下，Oil A在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)中測試時(shí)間t=0時(shí)的μ-v曲線。

圖3 LVFA與WAZAU試驗(yàn)機(jī)得到的t=0時(shí) 的 Oil A的μ-v曲線

從圖3中可看出，LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)所測得摩擦片與鋼片間的靜摩擦因數(shù)值均為0.10左右；隨著滑動速度(v)的升高,動摩擦因數(shù)(μ)也均隨之增大，當(dāng)0

圖4示出了相同試驗(yàn)條件下，Oil A在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)中測試24 h的μ-v曲線。

從圖4中可看出，當(dāng)0

圖4 LVFA與WAZAU試驗(yàn)機(jī)得到的t=24 h時(shí) 的 Oil A的μ-v曲線

圖5示出了相同試驗(yàn)條件下，Oil A在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)中測試96 h的μ-v曲線。

圖5 LVFA與WAZAU試驗(yàn)機(jī)得到的t=96 h時(shí) 的 Oil A的μ-v曲線

從圖5中可看出，2種摩擦試驗(yàn)機(jī)所測得摩擦片與鋼片間的動摩擦因數(shù)和滑動速度在0

上述測試結(jié)果表明，Oil A具有良好的抗顫性能。比較2種試驗(yàn)機(jī)得到的Oil A的摩擦特性曲線可知，WAZAU摩擦試驗(yàn)機(jī)在檢測抗顫性能優(yōu)異的ATF油品時(shí)，與LVFA摩擦試驗(yàn)機(jī)具有正相關(guān)性。

2.2 Oil B的摩擦性能測試

在40、80、120 ℃ 3種不同的油溫下，以相同的試驗(yàn)條件，分別用LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)對Oil B進(jìn)行了24、48 h的μ-v曲線測試。

以80 、120 ℃的μ-v曲線為例，圖6示出了相同試驗(yàn)條件下，Oil B在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)中測試24 h的μ-v曲線。

圖6 LVFA與WAZAU試驗(yàn)機(jī)得到的t=24 h時(shí) 的 Oil B的μ-v曲線

從圖6中可看出，LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)所測得摩擦片與鋼片間的靜摩擦因數(shù)均高于動摩擦因數(shù)，當(dāng)滑動速度(v)升高時(shí)，動摩擦因數(shù)(μ)均隨之降低，兩圖中曲線均呈負(fù)斜率，且表現(xiàn)出大致相同的負(fù)斜率曲線走向，說明Oil B在24 h耐久性能試驗(yàn)后的抗顫性能已經(jīng)失效。

圖7示出了相同試驗(yàn)條件下，Oil B在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)中測試48 h的μ-v曲線試驗(yàn)結(jié)果。

圖7 LVFA與WAZAU試驗(yàn)機(jī)得到的t=48 h時(shí) 的 Oil B的μ-v曲線

從圖7中可看出，LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)所測得摩擦片與鋼片間的靜摩擦因數(shù)均高于動摩擦因數(shù)，當(dāng)滑動速度(v)升高時(shí)，動摩擦因數(shù)(μ)均持續(xù)大幅度降低，兩圖中曲線均呈負(fù)斜率，且表現(xiàn)出大致相同的負(fù)斜率曲線走向。上述結(jié)果表明Oil B的抗顫性能較差，無需繼續(xù)對其進(jìn)行耐久性能試驗(yàn)。2種摩擦試驗(yàn)機(jī)所測得Oil B的初始靜摩擦因數(shù)值不同，是因?yàn)镺il B中的添加劑在摩擦過程中可能沒有發(fā)生物理的或化學(xué)的摩擦反應(yīng)以提供抗顫性能。在壓力相同的情況下，此時(shí)的靜摩擦因數(shù)完全取決于摩擦材料自身的性質(zhì)，由于兩種試驗(yàn)機(jī)使用的摩擦片材料不同(如表2所示)，所以初始靜摩擦因數(shù)不同。

此外，Oil B 在WAZAU摩擦試驗(yàn)機(jī)48 h耐久性能試驗(yàn)的結(jié)束階段以及μ-v曲線的測試過程中，均可聽到清晰的摩擦噪聲。從而說明，WAZAU較LVFA可更好地檢測出NVH(Noise、Vibration、Harshnes，即噪聲、震動、舒適性,簡稱NVH)現(xiàn)象。

由Oil B的摩擦特性測試結(jié)果可看出，WAZAU摩擦試驗(yàn)機(jī)在檢測抗顫性能不佳的ATF油品時(shí)，與LVFA摩擦試驗(yàn)機(jī)同樣具有正相關(guān)性，且在檢測NVH方面，相較于LVFA摩擦試驗(yàn)機(jī)表現(xiàn)更優(yōu)。

2.3 Oil A試驗(yàn)片表面形貌特征和化學(xué)成分分析

摩擦性能試驗(yàn)結(jié)束后，選用抗顫性能優(yōu)異的Oil A潤滑下，在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)中測試后的試驗(yàn)鋼片，分別進(jìn)行了表面形貌的觀測和化學(xué)成分的分析。

圖8示出了在10 kV的加速電壓下、放大800倍、依次通過1 μs的快速掃描及20 μs的慢速掃描后，LVFA和WAZAU中試驗(yàn)鋼片摩擦面的SEM微觀形貌圖。

圖8 Oil A中LVFA與WAZAU試驗(yàn)鋼片的摩擦表面形貌

從圖8中可看出，2種摩擦試驗(yàn)機(jī)中試驗(yàn)后鋼片表面沿摩擦方向均附著黑色條紋狀的化學(xué)反應(yīng)摩擦膜。采用EDX對2種摩擦試驗(yàn)機(jī)中試驗(yàn)后鋼片表面的摩擦膜分別進(jìn)行微區(qū)定點(diǎn)分析檢測，結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可看出，2種摩擦試驗(yàn)機(jī)中試驗(yàn)后鋼片表面附著的化學(xué)反應(yīng)摩擦膜中，化學(xué)元素的組成和分布基本一致，說明Oil A在2種摩擦試驗(yàn)機(jī)的評測過程中發(fā)生了相同的摩擦化學(xué)反應(yīng)。

通過Oil A在2種摩擦試驗(yàn)機(jī)中試驗(yàn)后鋼片表面的SEM及EDX表征結(jié)果，進(jìn)一步說明了WAZAU與LVFA 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)檢測結(jié)果的正相關(guān)性。

圖9 Oil A中LVFA與WAZAU試驗(yàn)鋼片 表面摩擦膜的EDX圖譜

3 結(jié)論

WAZAU與LVFA 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)測得的μ-v曲線具有高擬合度，2種摩擦試驗(yàn)機(jī)中試驗(yàn)后鋼片表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)成膜的主要成分也基本一致，從而證實(shí)了WAZAU與LVFA 2種摩擦試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果具有很高的正相關(guān)性，并且WAZAU較LVFA在檢測NVH上更具有效性，可作為快速模擬評價(jià)手段用于ATF的摩擦特性研究。