胡恕 白清慧 鄭維東 李航

摘? 要：本文圍繞新開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的可靠性和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，采用不同方法進(jìn)行試驗(yàn)。在可靠性方面，將齒輪油基本性能試驗(yàn)同驅(qū)動(dòng)橋耐久性試驗(yàn)和整車道路搭載試驗(yàn)相結(jié)合，更加全面和系統(tǒng)。在經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)方面，將整車轉(zhuǎn)轂油耗試驗(yàn)同驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)相結(jié)合，避免單一試驗(yàn)的誤差。新開(kāi)發(fā)齒輪油在保證可靠性前提下，提升了燃油經(jīng)濟(jì)性，提高了換油里程，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：試驗(yàn); 可靠性; 傳動(dòng)效率

中圖分類號(hào)：U467.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）04-0010-05

Abstract： This article focuses on the reliability and economical requirements of the newly developed drive axle gear oil and tests it from different ways. In terms of reliability， the basic performance test of gear oil is combined with the drive axle durability test and the vehicle road test， which is more comprehensive and systematic. In terms of economical tests， the vehicle hub fuel consumption test is combined with drive axle transmission efficiency test and temperature rise test to avoid the deviation of a single test. On the premise of ensuring reliability，fuel economy is improved， oil change mileage is increased， and energy saving goals can be achieved.

1? ? 引言

在汽車節(jié)能降耗壓力日趨增加的背景下，過(guò)去將研究的重點(diǎn)放在發(fā)動(dòng)機(jī)總成上。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能潛力不斷挖掘，繼續(xù)提升的難度和成本日趨增加，因此對(duì)傳動(dòng)總成的節(jié)油性研究提上了日程[1]。

鑒于此，公司為某W微型車開(kāi)發(fā)了新一代低粘度節(jié)能型驅(qū)動(dòng)橋用齒輪油。在齒輪油開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)齒輪油的性能試驗(yàn)和節(jié)能測(cè)試是整個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)重要一環(huán)。目前驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的性能試驗(yàn)方法主要依據(jù)石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)外團(tuán)體機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和一些企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，且各標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)針對(duì)于某一方面，不具備系統(tǒng)性和完整性。在齒輪油節(jié)能性測(cè)試方面國(guó)內(nèi)基本空白，主要依靠各廠家自行摸索。

本文所述研究與整車和驅(qū)動(dòng)橋總成開(kāi)發(fā)同步，將齒輪油試驗(yàn)和驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)及整車道路試驗(yàn)相結(jié)合，使新開(kāi)發(fā)的齒輪油在確?？煽啃缘那闆r下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

2? ? 油品主要技術(shù)參數(shù)

因驅(qū)動(dòng)橋齒輪為準(zhǔn)雙曲面齒輪，較傳統(tǒng)直齒輪傳遞的扭矩大，齒面的相對(duì)滑移速度也大，齒面上較難形成齒輪油膜。新開(kāi)發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油通過(guò)配方矩陣設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化、結(jié)合整車實(shí)際使用的工況，齒輪油的粘度級(jí)別確定為SAE 75W-80，質(zhì)量等級(jí)為GL-5[2]，其基本的物理化學(xué)性能指標(biāo)如表1所示，并與常用的驅(qū)動(dòng)橋齒輪油進(jìn)行了比較。

上表技術(shù)參數(shù)表明：BOT-A齒輪油具有更高的粘度指數(shù)，在驅(qū)動(dòng)橋齒輪油工作中可以減少由于齒輪油的粘滯阻力的存在而造成的動(dòng)力損失。此外BOT-A傾點(diǎn)可低至-48℃，具有更好的低溫流動(dòng)性，有助于減少低溫啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)力損失，同樣有利于節(jié)能。

3? ? 基本性能試驗(yàn)

驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的性能試驗(yàn)是考核齒輪油各項(xiàng)指標(biāo)的基本試驗(yàn)項(xiàng)目。本次BOT-A齒輪油基本性能試驗(yàn)項(xiàng)目包含GL-5性能試驗(yàn)、抗膠合性和抗氧化性對(duì)比試驗(yàn)。

3.1? ?GL-5性能試驗(yàn)

根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)對(duì)車輛齒輪油的定義，目前驅(qū)動(dòng)橋齒輪油通用的質(zhì)量等級(jí)為 GL-5。GL-5齒輪油必須通過(guò)如表2所示4個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)結(jié)果的好壞決定了齒輪油品質(zhì)的高低。BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油嚴(yán)格按照美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)[3]進(jìn)行試驗(yàn)并順利通過(guò)。

3.2? ? 抗膠合能力對(duì)比試驗(yàn)

齒輪油的抗膠合能力是考核齒輪油是否合格的一個(gè)重要指標(biāo)。以目前驅(qū)動(dòng)橋常用的GL-5 85W-90齒輪油作為參考油，采用FZG試驗(yàn)方法，比較BOT-A與參比油在抗膠合和抗氧化方面的性能差異。

FZG標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)架上采用A型齒輪，節(jié)圓線速度為16.6m/s，5級(jí)載荷時(shí)，油槽的起始油溫控制為90±3℃，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如圖1所示。在該項(xiàng)試驗(yàn)中，以具有16齒的小齒輪有效齒面上相加起來(lái)整個(gè)膠合損傷寬度超過(guò)一個(gè)輪齒寬度（即20mm）時(shí)的載荷等級(jí)為失效等級(jí)。該項(xiàng)試驗(yàn)的失效等級(jí)總共有12級(jí)，從1級(jí)到12級(jí)時(shí)載荷和功率逐漸增加，失效等級(jí)越高說(shuō)明齒輪油的抗膠合能力越強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明參比的GL-5 85W-90的FZG失效等級(jí)為10級(jí)，而新開(kāi)發(fā)的齒輪油其FZG失效等級(jí)達(dá)到11級(jí)。因此，新開(kāi)發(fā)的BOT-A齒輪油較參比齒輪油具有更好抗膠合能力。

3.3? ? 抗氧化性能對(duì)比試驗(yàn)

齒輪油的氧化性能與齒輪油的使用壽命密切相關(guān)。通過(guò)DKA氧化試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)齒輪油的高溫氧化能力。DKA氧化試驗(yàn)?zāi)M在高溫、接觸空氣的測(cè)試條件下，通過(guò)評(píng)價(jià)齒輪油粘度、酸值的變化和油泥評(píng)分，來(lái)衡量齒輪油抗氧化能力的大小。

試驗(yàn)采集100ml油樣，放在玻璃管中，并浸入一定溫度的油浴中，玻璃管上部連接有冷凝管，并向齒輪油中鼓入定量的空氣。此次試驗(yàn)采用的油浴溫度為120℃，試驗(yàn)時(shí)間為192小時(shí)。根據(jù)表3和圖2的試驗(yàn)結(jié)果，新開(kāi)發(fā)的BOT-A齒輪油抗高溫氧化能力優(yōu)于參比油。因此，新油品有助于減少驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)沉積物的形成，保持部件的清潔，具有比參比油更長(zhǎng)的換油周期。

4? ? 可靠性試驗(yàn)

4.1? ?驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架可靠性試驗(yàn)

BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油與參比油在驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架上進(jìn)行齒輪疲勞對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)樣橋額定載荷1.2噸，主減速比3.909，簧距1073mm、后輪距1408mm，驅(qū)動(dòng)橋加油量為1.3L。樣橋總成清潔度、各部件工藝參數(shù)均經(jīng)廠家檢驗(yàn)合格。本次試驗(yàn)采用開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)具有溫度傳感器、扭矩和轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x。試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)樣橋的裝夾按如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)橋齒輪疲勞試驗(yàn)臺(tái)架

在樣橋中隨機(jī)抽取6件并編號(hào)，選取其中3件加入定量的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油，另外3件加入?yún)⒈鹊腉L-5，85W-90齒輪油。在規(guī)定的輸入扭矩和轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)轉(zhuǎn)直至齒輪損壞。記錄齒輪損壞時(shí)，小齒輪的運(yùn)作次數(shù)。此次臺(tái)架試驗(yàn)輸入扭矩為460N.m，輸入轉(zhuǎn)速為827rpm，試驗(yàn)油溫控制在105℃以下。根據(jù)應(yīng)用車型，其最大試驗(yàn)扭矩的具體計(jì)算過(guò)程如下[4]：

試驗(yàn)結(jié)果表明，新開(kāi)發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油運(yùn)轉(zhuǎn)至損壞時(shí)，小齒輪的壽命高于參比油85W-90，新齒輪油相對(duì)于參比油對(duì)齒輪保護(hù)能力更強(qiáng)，具體見(jiàn)下表4所示：

4.2? ?整車可靠性道路搭載試驗(yàn)

為進(jìn)一步對(duì)BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，安排兩臺(tái)微型客車，每臺(tái)車按4.5萬(wàn)公里進(jìn)行可靠性道路試驗(yàn)，在試驗(yàn)期間不更換齒輪油。整車試驗(yàn)分配里程為高速路1.5萬(wàn)公里、山區(qū)路1.5萬(wàn)公里、凹凸不平路0.7萬(wàn)公里、一般公路0.8萬(wàn)公里。

為監(jiān)測(cè)道路試驗(yàn)過(guò)程中，齒輪油鐵元素含量及粘度值變化，要求在磨合試驗(yàn)完成后及每隔1萬(wàn)公里時(shí)，從驅(qū)動(dòng)橋加油口處抽取30ml油樣進(jìn)行檢測(cè)。取樣后，需補(bǔ)充相同容量的新油，以保持正常試驗(yàn)油位。

兩臺(tái)整車完成規(guī)定里程可靠性道路試驗(yàn)后，驅(qū)動(dòng)橋未出現(xiàn)故障，經(jīng)拆解主減內(nèi)部零件外觀良好，齒輪無(wú)過(guò)度磨損、表面擦傷、膠合及其它缺陷;殼體內(nèi)無(wú)明顯油泥、漆膜和其它沉積物。所抽取齒輪油經(jīng)檢測(cè)狀況良好，可以滿足4.5萬(wàn)公里不更換齒輪油。

5? ? 齒輪油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)

BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要指標(biāo)就是經(jīng)濟(jì)性，即通過(guò)驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性提升指標(biāo)。驅(qū)動(dòng)橋齒輪油對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在傳動(dòng)效率的提升上，具體的測(cè)試方法目前尚無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)。

為避免單一試驗(yàn)方法的局限性和不確定因素帶來(lái)的試驗(yàn)誤差，本次開(kāi)發(fā)以BOT-A齒輪油和參比油在整車轉(zhuǎn)轂油耗測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，增加驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架溫升試驗(yàn)和傳動(dòng)效率試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證。

5.1? ?轉(zhuǎn)轂油耗試驗(yàn)

轉(zhuǎn)轂油耗試驗(yàn)采用和道路可靠性試驗(yàn)同類型整車，按NEDC歐洲駕駛循環(huán)工況進(jìn)行油耗測(cè)試[5]。該車配1.3升直列4缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率58KW，采用5速手動(dòng)變速箱。測(cè)試時(shí)在整車上加載300kg模擬整車半載運(yùn)行狀況。

試驗(yàn)次序如下，先采用BOT-A齒輪油按NEDC試驗(yàn)工況測(cè)試一次，試驗(yàn)完成后徹底沖洗干凈，再更換參比油GL-5 85W-90按相同工況測(cè)試一次。一個(gè)循環(huán)結(jié)束后，同樣步驟再循環(huán)一次，兩次結(jié)果取平均值。每次NEDC試驗(yàn)過(guò)程中，加油量必須相同，試驗(yàn)溫度恒定。試驗(yàn)結(jié)果表明新開(kāi)發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油相比參比油實(shí)現(xiàn)了0.78%的燃油經(jīng)濟(jì)性的提升。

5.2? ?傳動(dòng)效率試驗(yàn)

驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率在臺(tái)架上可通過(guò)測(cè)量樣橋的輸出扭矩和輸入扭矩，再根據(jù)主減速比換算其比值間接計(jì)算。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，BOT-A齒輪油與參比油均采用同一樣橋進(jìn)行試驗(yàn)。

在按規(guī)定完成磨合試驗(yàn)后，先加入1.3L新開(kāi)發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油，待各個(gè)規(guī)定數(shù)據(jù)試驗(yàn)完成后，將試驗(yàn)油完全排出，再用參比油清洗兩次，用參比油再進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)試驗(yàn)。

考慮到車速和油溫對(duì)驅(qū)動(dòng)橋傳遞效率的影響，每種齒輪油分別在相當(dāng)于整車40km/h，60km/h，80km/h三種車速，60℃、80℃和100℃三種油溫下進(jìn)行試驗(yàn)，然后取各工況傳動(dòng)效率的平均值進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明新開(kāi)發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油平均傳動(dòng)效率為92.85%，相比參比油GL-5 85W-90平均傳動(dòng)效率92.28%，有0.57%的提升。

5.3? ?溫升試驗(yàn)

驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)效率和齒輪油的粘度有一定關(guān)系，齒輪油粘度越大，通過(guò)齒輪旋轉(zhuǎn)把油攪動(dòng)起來(lái)?yè)p耗的功率越大。因機(jī)械能的損失帶來(lái)熱量的增加，可以將不同齒輪油在同樣臺(tái)架試驗(yàn)完成后，測(cè)量齒輪油的油溫，間接評(píng)價(jià)齒輪油傳動(dòng)效率高低。但該評(píng)價(jià)方法只能作為一個(gè)輔助的定性評(píng)價(jià)，不能作為量化指標(biāo)來(lái)考核。

本次試驗(yàn)在室溫25℃條件下進(jìn)行，臺(tái)架轉(zhuǎn)速4000rpm，輸入扭矩為460N.m，加油量為1.3L，試驗(yàn)時(shí)間為120分鐘，試驗(yàn)過(guò)程中不得進(jìn)行冷卻。前一種齒輪油試驗(yàn)完成后，清洗干凈后，冷卻至室溫，再更換齒輪油進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

新開(kāi)發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油較日常使用的GL-5 80W-90和85W-90參比油，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)油溫低6-15℃左右，如圖4所示。更低的油溫不僅具有更高的傳動(dòng)效率，還可以減緩氧化，延長(zhǎng)齒輪油自身的使用壽命。

6? ? 結(jié)論與展望

新開(kāi)發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油，通過(guò)試驗(yàn)在具有良好可靠性和長(zhǎng)達(dá)4.5萬(wàn)公里的換油周期下，相比常用后橋參比油有0.5%-0.8%左右的燃油經(jīng)濟(jì)性的提升，為公司和用戶帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)于驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)行業(yè)內(nèi)系統(tǒng)性研究較少，本文在可靠性試驗(yàn)方面將齒輪油常規(guī)性能試驗(yàn)和驅(qū)動(dòng)橋總成臺(tái)架試驗(yàn)、整車道路可靠性試驗(yàn)相結(jié)合，考核內(nèi)容更加全面，試驗(yàn)方法具有創(chuàng)新性。在齒輪油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)中，將整車轉(zhuǎn)轂油耗試驗(yàn)同驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)相結(jié)合，避免單一試驗(yàn)方法的局限性和不確定因素帶來(lái)的誤差影響，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確客觀。

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