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(duì)，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(duì)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(duì)，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(píng)定臺(tái)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(duì)WS2001慣性鎖環(huán)式同步器性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同潤(rùn)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(yàn)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(duì)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(dòng)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(rùn)滑油也對(duì)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(rùn)滑油3方面對(duì)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(yàn)臺(tái)對(duì)不同同步器的摩擦材料、同步器的結(jié)構(gòu)以及不同潤(rùn)滑條件下同步器的同步性能進(jìn)行了測(cè)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，研究了不同摩擦材料對(duì)同步器性能的影響。Tuszynski等[6]在FZG試驗(yàn)臺(tái)上建立一種新方法對(duì)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(píng)價(jià)。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(duì)試驗(yàn)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(duì)比，分析了齒輪油對(duì)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(yàn)機(jī)上用相同摩擦材料的試驗(yàn)件，研究不同潤(rùn)滑油黏度和添加劑如摩擦改進(jìn)劑、分散劑等對(duì)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(yàn)臺(tái)架研究了滿足API GL-4等級(jí)的商用潤(rùn)滑油和自動(dòng)傳動(dòng)液對(duì)同步器穩(wěn)定性以及最優(yōu)摩擦磨損特性的影響。但針對(duì)我國(guó)重載車輛現(xiàn)用的鎖環(huán)式同步器的相關(guān)工作報(bào)道較少。

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

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

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

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

1.2 試驗(yàn)油品

目前我國(guó)重載車輛變速箱廣泛使用質(zhì)量等級(jí)為GL-5的重負(fù)荷齒輪油，同時(shí)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)油有時(shí)也用作變速箱油，故試驗(yàn)選用GL-5 75W90重負(fù)荷齒輪油和同質(zhì)量等級(jí)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(yàn)油品。

圖1 試驗(yàn)部件

項(xiàng) 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(duì)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(yàn)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(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的摩擦力矩實(shí)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(shí)，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(shí)，換擋過程摩擦力矩較小，且會(huì)出現(xiàn)沖擊力矩，同時(shí)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(píng)價(jià)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(shí)，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(shí)不能完成換擋；且不同油品對(duì)換擋平順性具有不同影響。

各齒輪油試驗(yàn)時(shí)，在試驗(yàn)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(yàn)終點(diǎn)，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(duì)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(yàn)齒輪油大，說明變速箱使用75W90重負(fù)荷多效齒輪油潤(rùn)滑時(shí)，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(yàn)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(shí)間一般小于0.5 s。圖3為不同油同步時(shí)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(shí)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(shí)間比齒輪油的同步時(shí)間短，這與發(fā)動(dòng)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(duì)同步器使用壽命的影響

各試驗(yàn)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(yàn)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(shí)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(duì)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(yàn)結(jié)束時(shí)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(shí)，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(shí)，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?yàn)橛推返奶砑觿w系不同，對(duì)同步器試驗(yàn)件的作用形式就不同。發(fā)動(dòng)機(jī)油對(duì)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(dòng)機(jī)油的摩擦力矩較大，磨損較大，失效后需更換試驗(yàn)件，而齒輪油的摩擦力矩相對(duì)較小，磨損較小，失效后以更換試油為主。

2.3 油品性質(zhì)對(duì)同步器運(yùn)行性能的影響

變速箱油的性質(zhì)變化也會(huì)對(duì)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(duì)摩擦因數(shù)會(huì)產(chǎn)生影響。圖6為試驗(yàn)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(duì)油品進(jìn)行剪切、氧化的過程。換擋過程的實(shí)現(xiàn)是摩擦副和油品共同的作用，潤(rùn)滑油充斥于摩擦界面，起到承載、潤(rùn)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(rùn)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(duì)同步器性能具有不同的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)油與齒輪油性能有較大差異，以發(fā)動(dòng)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(zhǎng)使用壽命。

[1] 徐萬里，趙巍，粟斌.變速箱同步器的研究進(jìn)展[J].機(jī)械傳動(dòng)，2012，36(8)：128-132

[2] 李小剛，李彤，張寬德，等.自動(dòng)傳動(dòng)液(ATF)摩擦性能的模擬方法研究[J].潤(rùn)滑油，2015，30(2)：41-44

[3] 文昊，史永剛，徐萬里，等.變速箱同步器油摩擦性能評(píng)價(jià)技術(shù)發(fā)展[J].廣東化工，2015，42(18)：90-92

[4] 趙馬京，張為公，葉福興.基丁PLC的同步器性能與壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的研制[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2008(5)：52-58

[5] Abdel-halim N A，Barton D C，Crolla D A，et al.Performance of multicone synchronizers for manual transmissions[J].Proc Instn Mech Engrs Part D，2000，214(1)：55-65

[6] Tuszynski W，Michalczewski R，Szczerek M，et al.A new scuffing shock test method for the determination of the resistance to scuffing of coated gears[J].Archives of Civil and Mechanical Engineering，2012(12)：436-445

[7] Byoungchul H，Jeehoon A，Sunghak L.Effects of blending elements on wear resistance of plasma-sprayed molybdenum blend coatings used for automotive synchronizer rings[J].Surface and Coatings Technology，2005，194：256-264

[8] Bouffet A.Evaluating tribology of synchronizers for today’s manual transmissions[C].SAE Technical Paper，2004-01-2022

[9] Connor B M O，Van Mullekom J H，Gahagan M P，et al.Influence of additive chemistry on manual transmission synchronizer performance[C].SAE Technical Paper，2002-01-1697

[10]Abraham M，Ramaprobhu R，Evans S D.Lubricant optimisation for synchromesh manual transmission of utility vehicles[C].SAE Technical Paper，2008-01-1710

[11]趙巍，徐萬里，徐曦萌，等.潤(rùn)滑油與變速箱同步器相適應(yīng)性評(píng)定技術(shù)研究進(jìn)展[J].機(jī)械傳動(dòng)，2015，39(2)：166-170

[12]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：54-61

[13]張學(xué)明.重載變速箱同步器齒輪油摩擦特性對(duì)比分析研究[D].武漢：武漢理工大，2013

[14]ASTM D5579-01.Standard Test Method for Evaluating the Thermal Stability of Manual Transmission Lubricants in a Cyclic Durability Test[S].2005

[15]CEC L-66-99.Evaluation of the Synchromesh Endurance Life Using the FZG SSP 180 Synchromesh Test Rig[S].2005

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(rùn)滑油質(zhì)量分析與評(píng)定工作。

史永剛，E-mail：ygshi@126.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(NSFC 21206204)。