向權(quán)力，劉曉雷，劉守江，韓芃芃

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潤(rùn)滑措施對(duì)重型手動(dòng)變速箱壽命影響分析

向權(quán)力，劉曉雷，劉守江，韓芃芃

（陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710119）

針對(duì)國(guó)內(nèi)商用車不同工況條件及載重現(xiàn)狀，提出在惡劣工況條件下變速箱常見(jiàn)的與潤(rùn)滑有關(guān)的故障模式，通過(guò)理化分析、臺(tái)架試驗(yàn)及行車路試等方式，論述了潤(rùn)滑油質(zhì)量對(duì)重載變速箱壽命的影響，提出了在該工況條件下潤(rùn)滑油的選擇及建議的換油周期。

潤(rùn)滑油；故障模式；壽命；換油周期

前言

隨著商用車傳動(dòng)系統(tǒng)向低速大扭矩、大功率和小速比后橋發(fā)展，要求變速箱滿足速比要求的同時(shí)幾何尺寸不能有很大的變化；國(guó)內(nèi)云、貴、川一帶，重卡的行車工況比較惡劣，長(zhǎng)期重載、低速、長(zhǎng)坡及高溫環(huán)境導(dǎo)致變速箱齒面應(yīng)力增大，變速箱油溫升高；調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有76%的商用車手動(dòng)變速箱使用和后橋相同的API GL-5的油品，而不是手動(dòng)變速箱專用油品，且用戶對(duì)變速器、后橋齒輪油的換油周期、選用認(rèn)識(shí)不足。據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)備故障中，潤(rùn)滑失效引起的占55%~65%[1]。為了有效解決該類故障，對(duì)云、貴、川區(qū)域的行車環(huán)境及司機(jī)進(jìn)行了走訪和實(shí)地考察，進(jìn)行了大量的舊件拆解分析，收集了該區(qū)域內(nèi)典型的故障模式。

國(guó)內(nèi)重卡變速箱制造商所生產(chǎn)的變速器產(chǎn)品其結(jié)構(gòu)、內(nèi)部零件材料等不同，特別是有色金屬、密封件材料等對(duì)潤(rùn)滑油有不同的要求，而隨著潤(rùn)滑油技術(shù)及添加劑技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)不同重卡變速器研制專用的變速箱潤(rùn)滑油，并進(jìn)行理化、臺(tái)架試驗(yàn)及行車路試，其結(jié)果對(duì)重卡變速箱的潤(rùn)滑油選用及換油周期具有重要的參考價(jià)值。

1 重型變速箱與潤(rùn)滑相關(guān)的常見(jiàn)故障模式

重型手動(dòng)變速箱主要靠齒輪傳遞扭矩，而同步器的作用是為了方便駕駛員進(jìn)行換擋操作，前后油封可以避免變速箱中的潤(rùn)滑油泄露，這三者構(gòu)成了變速箱內(nèi)部最重要的組成部分[2]。潤(rùn)滑油的作用是在齒輪嚙合表面形成潤(rùn)滑油膜，從而避免齒輪傳動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)硬摩擦，并通過(guò)其流動(dòng)性帶走齒輪嚙合過(guò)程以及同步器同步過(guò)程中產(chǎn)生的熱量及因磨損產(chǎn)生的鐵屑，防止出現(xiàn)二次磨損[3]。當(dāng)變速箱的使用工況比較惡劣時(shí)，如低速、重載、爬坡、高溫等環(huán)境，齒輪的接觸應(yīng)力增大，對(duì)潤(rùn)滑油的剪切力增大，使得潤(rùn)滑油難以形成有效厚度的油膜，同時(shí)因齒輪轉(zhuǎn)速低，潤(rùn)滑油流動(dòng)性差，難以帶走齒輪接觸表面的熱量，加上高溫環(huán)境，加速了潤(rùn)滑油的氧化。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，因潤(rùn)滑油失效導(dǎo)致的變速箱典型的故障有齒面點(diǎn)蝕、同步器摩擦材料磨損、脫落、油泥沉積導(dǎo)致的油封失效等。如圖1所示：

圖1 與潤(rùn)滑相關(guān)的變速箱故障模式

2 不同性能潤(rùn)滑油的行車試驗(yàn)

油品在研制過(guò)程中的理化評(píng)定及臺(tái)架試驗(yàn)只能反映油品的某一兩個(gè)方面的性能，并不能真實(shí)的反映在實(shí)際使用過(guò)程中的情況[4]。而行車試驗(yàn)則可以真實(shí)的反映油品在實(shí)際使用中的性能表現(xiàn)。為了驗(yàn)證不同性能潤(rùn)滑油對(duì)變速箱使用壽命的影響，采用原子光譜分析、紅外光譜分析、鐵譜分析等齒輪油在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合理化性能分析及臺(tái)架試驗(yàn)、硬件評(píng)定等方法，對(duì)不同性能的潤(rùn)滑油進(jìn)行6-8萬(wàn)公里的行車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)研究變速箱中的零部件磨損規(guī)律有一定的指導(dǎo)意義。

本次實(shí)驗(yàn)中，參比油為滿足GL-5標(biāo)準(zhǔn)的礦物齒輪油，專用油1為市面上某品牌變速箱通用齒輪油，專用油2為根據(jù)試驗(yàn)變速箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)調(diào)整基礎(chǔ)油及添加劑組分專門研制的半合成潤(rùn)滑油。路試過(guò)程中，F(xiàn)e含量變化及潤(rùn)滑油粘度變化曲線如圖2所示：

圖2 潤(rùn)滑油中Fe元素含量變化及潤(rùn)滑油粘度變化

從圖中可以看出，在5000公里的磨合期內(nèi)，加注專用油2的變速箱中Fe含量的變化值明顯小于參比油，5000公里磨合期后，所有測(cè)試變速箱均更換磨合油，加注新油，很明顯，在更換磨合油后的頭5000公里，所有油品中Fe含量的值均低于5000公里磨合期時(shí)的Fe含量，說(shuō)明在行駛里程相同時(shí)，設(shè)備在磨合期會(huì)產(chǎn)生更多的機(jī)械雜質(zhì)，這也是建議更換磨合用油的原因之一，使得更多的機(jī)械雜質(zhì)被排出設(shè)備。

而當(dāng)行駛里程在25000~40000公里之間時(shí)，理化分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)專用油2的Fe含量反而比專用油1和參比油的要高，而40000公里之后，參比油的Fe含量又明顯升高。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，我們又對(duì)比了100℃不同潤(rùn)滑油粘度的變化情況，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)專用油2的粘度增長(zhǎng)速度較為平緩，增長(zhǎng)速度約2.1厘斯每一萬(wàn)公里，而參比油的增長(zhǎng)速度為約4.9厘斯每一萬(wàn)公里，說(shuō)明專用油2的氧化速度最慢，且VK100的值明顯比參比油要小，因此可以判斷此時(shí)油品中的Fe含量并不能真正反映變速箱內(nèi)部的情況。根據(jù)司機(jī)的描述，使用參比油的設(shè)備感覺(jué)溫度要高，且在4萬(wàn)公里之后設(shè)備有異響，為了充分說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)油樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按表1對(duì)應(yīng)的里程對(duì)路試變速箱進(jìn)行了拆機(jī)檢查，在相同的測(cè)試?yán)锍虠l件下，對(duì)變速箱各部位進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如下：

使用參比油的設(shè)備在6萬(wàn)公里時(shí)就已經(jīng)有明顯的大片點(diǎn)蝕，而使用專用油2的設(shè)備則在8萬(wàn)公里拆機(jī)后只有輕微點(diǎn)蝕（圖3a、c中從左至右依次為專用油2、專用油1和參比油）?？梢耘袛啵捎谠影l(fā)射光譜分析主要用于對(duì)磨損顆粒直徑小于5~20μm的磨粒進(jìn)行檢測(cè)，而4萬(wàn)公里時(shí)，使用參比油的設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)剝落，較大的顆粒被油底殼中的磁鐵吸附，而大部分顆粒在懸浮在油樣中卻沒(méi)能被分析出來(lái)，因此，油樣分析結(jié)果反而比專用油1的要少，從45000公里之后就可以看出，由于殘留在油品中的顆粒較多，加速了設(shè)備的磨損，導(dǎo)致后期參比油的Fe含量出現(xiàn)明顯升高，而專用油2的趨勢(shì)則比較平緩?？梢灶A(yù)測(cè)，使用專用油2的變速箱的磨損過(guò)程符合設(shè)備的基本磨損過(guò)程，即：磨合磨損、穩(wěn)定磨損、急劇磨損，而參比油的變速箱則基本上沒(méi)有穩(wěn)定磨損階段，直接進(jìn)入急劇磨損階段，也就是說(shuō)其齒輪接觸表面在不斷形成波峰與波谷，最終加快了設(shè)備的故障速度。而從同步器及油封的表現(xiàn)來(lái)看（如圖3b中左下、上、右下分別為用油2、專用油1和參比油），使用參比油的設(shè)備硬件均已出現(xiàn)大量的油泥沉積，同步器及油封已經(jīng)出現(xiàn)了失效的趨勢(shì)，而專用油2則表現(xiàn)為明顯的清潔度優(yōu)勢(shì)，則可以有效的降低設(shè)備的故障率。

為了說(shuō)明潤(rùn)滑油對(duì)齒輪壽命的影響，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及硬件評(píng)定，我們用磨合期Fe含量增長(zhǎng)率來(lái)計(jì)算潤(rùn)滑油對(duì)齒輪的磨損程度，如表1所示，假設(shè)參比油的減磨效果為1，可以看出使用專用油后的變速箱鋼制零件耐磨性可至少可以提高140%。

表1 不同油品中Fe元素含量變化對(duì)比數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

由于變速箱結(jié)構(gòu)及內(nèi)部材料使用的區(qū)別，特別是非金屬材料及有色金屬等對(duì)潤(rùn)滑油有嚴(yán)格的要求，因此變速箱油應(yīng)使用專箱專用潤(rùn)滑油。

在硬件條件及行駛工況一致的條件下，使用專用潤(rùn)滑油可以有效地抑制變速箱經(jīng)常出現(xiàn)齒輪點(diǎn)蝕、剝落和打齒等返修率較高的故障，能夠降低變速箱的溫升，提高變速箱的清潔度，降低同步器及油封失效風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)變速箱的使用壽命。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們了解到在較為苛刻工況下的故障模式及不同潤(rùn)滑油的性能表現(xiàn)，認(rèn)為只要能及時(shí)更換潤(rùn)滑油，便可以有效避免因潤(rùn)滑失效引起的變速箱故障。同時(shí)建議在云貴川一帶的重型手動(dòng)變速箱縮短換油周期，如果使用專用潤(rùn)滑油，建議3萬(wàn)公里更換潤(rùn)滑油。

試驗(yàn)結(jié)果表明磨合期油品的選擇對(duì)磨合效果有很明顯的影響，將直接決定齒面狀態(tài)及后期硬件的壽命。試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于研究免磨合期換油具有一定的參考意義。

[1] 胡邦喜.設(shè)備潤(rùn)滑基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.

[2] 汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3] 摩擦學(xué)原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[4] A.K.Gangopadhyay:The Effect of Engine Oil Drain Interval on Valve -train Friction and Wear. SAE 2007-01-4233.

Analysis of Lubrication Influence on the Life of Heavy Manual Transmission

Xiang Quanli, Liu Xiaolei, Liu Shoujing, Han Pengpeng

（Shaanxi Faust automotive transmission engineering research institute, Shaanxi Xi'an 710119）

According to the working conditions and load status of commercial vehicles, the common lubrication-related failure modes of gearbox under severe working conditions are proposed. Though the chemical analysis, bench test and road test, we obtain the effect of quality of lubricating oil on the life of heavy-duty transmission and the selection of lubricants and the recommended oil change intervals under these conditions are proposed.

lubricating oil; failure modes; life; oil change interval

U463.1

A

1671-7988(2019)09-171-03

U463.1

A

1671-7988(2019)09-171-03

向權(quán)力，工學(xué)碩士，就職于陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，從事商用車變速箱的設(shè)計(jì)、匹配應(yīng)用及潤(rùn)滑方面的工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.055