手動變速箱油同步耐久性試驗前后摩擦學性能變化

周 康，蒲宸光，李小剛，湯仲平，李靈威

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，蘭州 730060；2.中國石油天然氣集團公司潤滑油重點實驗室)

現(xiàn)代車用變速器除了在離合器和制動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，通過同步環(huán)和錐體的一個摩擦接觸過程，使轉(zhuǎn)速不等的齒輪在達到“同步”后再相互嚙合，避免換擋過程中齒輪之間的沖擊，實現(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度、硬度和抗磨損能力外，其使用的手動變速箱油也會直接影響到換擋操作的平順和同步器的使用壽命。對于手動變速箱油而言，一是要求具有良好的同步耐久性，油品能夠長時間保持較大且穩(wěn)定的動摩擦因數(shù)，防止形成低摩擦力矩，導致?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壽命期間連續(xù)工作。

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

1 實 驗

1.1 原 料

2種市售的80W-90手動變速箱油，編號分別為GO-1和GO-2，其主要理化性能見表1。

表1 2種80W-90手動變速箱油的主要理化性能

1.2 試驗方法

1.2.1 SSP-180手動變速箱同步器試驗采用德國FZG公司開發(fā)的SSP-180手動變速箱同步器試驗臺，按照行業(yè)標準NB/SH/T 0925《手動變速箱油同步嚙合耐久性的評定FZG SSP-180法》測定手動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、鎖止機構(gòu)等。試驗條件為：溫度80 ℃，軸向負荷1 400 N，循環(huán)時間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)。試驗過程中測試摩擦因數(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是否通過，循環(huán)次數(shù)最大為10萬次。

1.2.2 四球摩擦機試驗采用MMW-1型四球機按照國家標準GB/T 3142《潤滑劑承載能力測定法(四球法)》測定油品最大無卡咬負荷，按照NB/SH/T 0189《潤滑油抗磨損性能測定法(四球機法)》測定鋼球的磨斑直徑，按照SH/T 0762《潤滑油摩擦系數(shù)測定法(四球法)》測定油品試驗時的摩擦因數(shù)。

1.2.3 SRV摩擦磨損試驗采用德國OPTIMOL公司生產(chǎn)的SRV4高頻往復線性振動試驗機，按照行業(yè)標準NB/SH/T 0847《極壓潤滑油摩擦磨損測定SRV試驗機法》測定油品試驗件的磨斑直徑，使用面-面接觸的上下試驗件銅盤在恒定條件下試驗，期間測量摩擦因數(shù)。試驗條件為：負荷250 N，頻率50 Hz，時間2 h，溫度80 ℃，行程1 mm。

1.2.4 EHD2油膜厚度測定試驗采用英國PCS公司生產(chǎn)的EHD2油膜厚度測定儀，測試油品在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

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

GO-1和GO-2同步耐久性試驗停止后，分別對減速邊A面和加速邊B面磨損情況進行測試統(tǒng)計，結(jié)果見表2。由表2可以看出：GO-1試驗的第1 000次循環(huán)時，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試驗的第1 000次循環(huán)時，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同步耐久性試驗結(jié)果

考慮到同步耐久性試驗的溫度較高，時間較長，需要關(guān)注油品試驗前后的黏度變化，反映老化衰敗程度的酸值和不溶物量的變化，以期尋找試驗前后油品摩擦學性能的變化規(guī)律。將GO-1和GO-2同步耐久性試驗結(jié)束后的油品編號為GO-1A和GO-2A，與試驗前油品進行主要理化性能對比，結(jié)果見表3。從表3可以看出：同步耐久性試驗后油品的運動黏度略有增加，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，說明同步耐久性試驗前后油品理化性能并沒有發(fā)生明顯的氧化。

表3 同步耐久性試驗前后油品的主要理化性能

2.2 同步耐久性試驗前后油品的摩擦學性能

2.2.1 四球機摩擦試驗一般來說，同步器工作時，錐環(huán)和錐盤的工作表面上會產(chǎn)生力矩，以克服摩擦件的慣性力矩，以便在最短的時間內(nèi)達到同步狀態(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)的測定采用滑動摩擦形式，在極高的點接觸壓力條件下評定油品的摩擦學性能，SSP180手動變速箱同步器臺架試驗相互接觸的摩擦副運行方式也為滑動。本研究主要在滑動摩擦情況下，考察GO-1，GO-1A，GO-2，GO-2A進行四球機摩擦試驗時的摩擦因數(shù)變化，結(jié)果如圖1所示。

圖1 油品進行四球機摩擦試驗時摩擦因數(shù)的變化■—GO-1； ◆—GO-1A； ●—GO-2； ▲—GO-2A

由圖1可以看出：GO-2、GO-2A進行四球機摩擦試驗時，摩擦因數(shù)均較大(穩(wěn)定時達到0.10)，GO-2A試驗時的摩擦因數(shù)略低于GO-2，隨著加載負荷的提高，兩油品試驗時的摩擦因數(shù)保持平穩(wěn)變化；GO-1、GO-1A進行四球機摩擦試驗時，摩擦因數(shù)相比GO-2、GO-2A來說較低(穩(wěn)定時在0.07左右)，且隨著載荷的增大，兩個油樣的摩擦因數(shù)整體呈下降趨勢；GO-1A試驗時的摩擦因數(shù)遠小于GO-1，表明油品經(jīng)過同步耐久性試驗后摩擦學性能發(fā)生了較大變化。結(jié)合GO-1沒有通過同步耐久性試驗，可見滑動狀態(tài)下，摩擦因數(shù)的降低是導致同步器失效的主要原因。這是由于變速箱內(nèi)潤滑油的飛濺和浸泡，同步器摩擦錐面間的動摩擦必須在有界面潤滑的條件下進行[4]，同時錐體與同步環(huán)之間的動摩擦要與靜摩擦相當，平均摩擦因數(shù)才能夠滿足低摩擦力和短時間內(nèi)的換擋。GO-2油品的摩擦因數(shù)較大且隨加載負荷增大變化平穩(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程。

2.2.2 SRV摩擦磨損試驗為了減少對同步環(huán)的磨損，手動變速箱油需要具有較好的抗磨性能，最大無卡咬負荷表征油品在流體動力潤滑條件下的油膜強度，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)包括四球機摩擦試驗時的最大無卡咬負荷、磨斑直徑和SRV摩擦磨損試驗時測得的垂直、水平、平均磨斑直徑。

表4 同步耐久性試驗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，最大無卡咬負荷，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項指標無明顯變化。這說明GO-2有良好的抗磨損性能，同步耐久性試驗后油膜保持程度較好，而GO-1同步耐久性試驗后油膜保持程度較差。由于同步耐久性試驗采用的是飛輪模擬齒輪和傳動軸等的轉(zhuǎn)動慣量，并利用噴濺的方式對錐體和同步環(huán)進行強壓潤滑，推測是由于GO-1在試驗過程能中衰變變質(zhì)較快，不能有效地存儲在同步器摩擦材料的孔隙中，試驗過程中不能及時帶走熱量，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高頻往復線性振動試驗機試驗時，采用面-面結(jié)構(gòu)接觸的上試驗件槽口鋼環(huán)相對于下試驗件銅盤，在恒定的試驗負荷下考察油品的摩擦因數(shù)變化，結(jié)果見圖2。

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

由圖2可以看出：SRV摩擦磨損試驗中，GO-2、GO-2A試驗時的摩擦因數(shù)隨試驗時間的增加略有上升，但幅度很小，基本維持在0.14左右；GO-1試驗時的摩擦因數(shù)在試驗時間10 min時約為0.16，隨著試驗時間的延長迅速下降，當試驗時間120 min時為0.09，GO-1A試驗時摩擦因數(shù)隨試驗時間的變化趨勢與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結(jié)果較差的手動變速箱油的摩擦特性相似，試驗后期摩擦因數(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試驗時的摩擦因數(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試驗時的摩擦因數(shù)變化較大，且保持下降的趨勢，這將會導致同步器打滑，出現(xiàn)打齒現(xiàn)象，試驗無法通過。

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)歷的時間也在不斷增長，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。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手動變速箱同步耐久性試驗臺架上更穩(wěn)定運行；而摩擦因數(shù)初值大于0.14，但隨時間增加而迅速下降到0.090的油品，SSP180手動變速箱同步耐久性試驗臺架上前期運行平穩(wěn)，但后期出現(xiàn)打齒現(xiàn)象，無法通過試驗。

2.2.3 EHD2油膜厚度測定試驗同步耐久性試驗過程中，由于摩擦副表面的相對運動而產(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，會影響接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力和局部溫度，進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前后成膜能力的變化很有必要。成膜能力的評價也是對油品在苛刻工況下摩擦特性的考察，成膜能力強，在極端工況下，能夠有效對摩擦副起到潤滑保護作用。本研究采用EHD2油膜厚度儀對油品在彈性流體動壓潤滑下進行成膜表征，考慮到SSP180手動變速箱同步耐久性試驗的溫度為80 ℃，因此選擇80 ℃進行油膜厚度的考察，結(jié)果見圖3。

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

從圖3可以看出：隨著試驗速度的增大，GO-2油膜保持性好于GO-1，說明GO-2油品的抗磨能力好于GO-1。經(jīng)過同步耐久性試驗后，2個油品的成膜能力均有所減弱。在同步耐久性試驗過程中，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，同步器就會失效。反之，由于同步器主要是依靠摩擦作用實現(xiàn)同步的，摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定，說明摩擦副表面形成了穩(wěn)定的摩擦保護膜，能夠為摩擦表面提供有效的潤滑保護。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SSP180變速箱同步耐久性試驗的重要因素。

3 結(jié) 論

能通過同步耐久性臺架試驗、達到循環(huán)10萬次以上的油品能夠長時間保持較大且穩(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，試驗后四球摩擦因數(shù)和SRV摩擦因數(shù)無明顯變化；不能通過SSP180同步耐久性臺架試驗的油品試驗時的摩擦因數(shù)波動較大，同步耐久性試驗后油品的四球摩擦因數(shù)相比于試驗前油品略有下降，SRV摩擦因數(shù)變化較大，試驗時間由10 min延長到120 min時，同步耐久性試驗前后油品的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現(xiàn)同步，摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定時能夠為摩擦表面提供有效的潤滑保護。因此，摩擦因數(shù)的大小和穩(wěn)定是影響油品能否通過SSP180手動變速箱同步耐久性試驗的重要因素。