提升驅動橋換油里程的潤滑油試驗研究

任軍鋒

(北京福田戴姆勒汽車有限公司技術中心，北京 101400)

提升驅動橋換油里程的潤滑油試驗研究

任軍鋒

(北京福田戴姆勒汽車有限公司技術中心，北京 101400)

通過車橋潤滑油(齒輪油)試驗對比，分析潤滑油運動黏度，S、P、Fe含量變化對油品性能和齒輪磨損的影響。通過試驗說明了GL-5重載負荷車輛齒輪油85W/90GL-5+和80W/90可以滿足驅動橋10×104km長換油周期的要求，可以延長齒輪的使用壽命、降低用戶的維護成本、提升整車的市場競爭力。

驅動橋；潤滑油；換油里程；試驗研究

0 引言

近代汽車后橋傳動裝置多采用雙曲線(或雙曲面)齒輪，須采用雙曲線齒輪油，即重負荷車輛齒輪油。重負荷車輛齒輪油是潤滑性能要求最高的汽車齒輪潤滑材料。雙曲線齒輪在傳動時，齒與齒之間的接觸面積不大，而咬合部位的單位壓力很高，一般汽車的單位壓力在3 000～4 000 MPa。在運行過程中由于齒面摩擦使油溫上升，油膜破壞造成齒輪磨損。另外受外界環境的影響(如氣溫、灰塵等)，需要潤滑油具有適宜的黏度、低溫流動性、抗極壓性、熱穩定性、抗磨損性、抗乳化性和抗泡沫性等。

GL-5重載負荷車輛齒輪油目前是中國市場車輛用齒輪油的主要產品。GL-5重載負荷車輛齒輪油主要由3個黏度級別組成：85W/90適用于環境溫度-15 ℃以上的一般地區全年通用；80W/90適用于環境溫度-30 ℃以上寒冷地區全年通用；75W/90適用于環境溫度-30 ℃以下寒冷地區全年通用。隨著添加劑水平的不斷提高，目前重載負荷車輛齒輪油的使用向著與車輛同壽命的方向發展[1]。

車輛齒輪油質量等級發展主要與極壓抗磨添加劑的類型等有密切關系。早期，在車輛齒輪油中，以硫化礦油或硫化動植物油和環烷酸鉛或氯化石蠟等添加劑為主，即所謂S-P型或S-Cl-Pb型車輛齒輪油。隨著負荷和抗擦傷性能的提高，從含磷酸酯類抗磨添加劑的S-P-Cl型，引入二烷基二硫代磷酸鋅類添加劑，成為S-P-Cl-Zn四元素添加劑型。由于以后熱氧化安定性要求更苛刻，出現S-P型車輛齒輪油。迄今已有了第二代、第三代S-P型車輛齒輪油，其熱氧化安定性、抗極壓性、水解穩定性、耐沖擊負荷等全面性能得到明顯的提高[2]。

如何正確地確定車輪油換油周期(里程)，一直是科研者努力解決的課題。作者從臺架試驗油樣的運動黏度，添加劑S、P元素含量變化，磨損顆粒Fe元素含量變化的數理統計分析；零部件拆檢分析；整車試驗數據統計分析著手，提出了適用于GL-5重載負荷車輛齒輪油85W/90和80W/90兩種黏度級別的合理換油周期。

1 試驗研究方案

1.1 試驗油品

試驗選擇了重載負荷車輛齒輪油85W/90GL-5、85W/90GL-5+和80W/90，其中85W/90GL-5、85W/90GL-5+是中石油生產的礦物油，80W/90是殼牌公司生產的半合成油。油品質量指標均符合GB 13895-1992標準。

1.2 臺架試驗

因此試驗研究主要針對驅動橋(469車橋)，故制定臺架試驗方法時參考了QC/T 533-1999標準，具體方法見表1。通過臺架試驗，選擇出兩種質量指標較優的油品進行整車道路試驗。

表1 GL-5重載負荷車輛齒輪油臺架試驗方案

備注：Mp(N·m)為額定扭矩。

1.3 整車試驗

整車道路試驗選擇牽引車型，試驗路線在珠三角、長三角和云貴川地區，每種路線5輛車進行試驗，具體試驗策劃見表2。根據臺架試驗數據及分析結果，選擇出85W/90GL-5+和80W/90兩種油品進行整車道路試驗(具體分析過程見第2.1.4節臺架試驗結果分析)。

表2 GL-5重載負荷車輛齒輪油整車道路試驗方案

2 試驗數據與分析

2.1 臺架試驗數據與分析

2.1.1 油品的配置

(1)85W/90GL-5：是由二類、一類基礎油和b復合劑調制而成。

(2)85W/90GL-5+：是由二類、三類基礎油和a復合劑調制而成。

(3)80W/90：是由殼牌生產的GTL基礎油、二類基礎油、復合劑調制而成。

說明：基礎油抗氧化能力由低至高依次為一類、二類、三類、PAO；GTL基礎油的性能介于3類基礎油與PAO之間；a復合劑的計量大于b復合劑。

2.1.2 臺架試驗后零部件拆檢分析

車橋齒輪箱摩擦學系統就像一個黑箱，有輸入、輸出。采用油液監測特征信息提取，通過對油液的檢測分析判別油品的使用情況及齒輪摩擦副的磨損狀態，此方法是間接方法。為了得到有效的補充信息，對試驗后的車橋進行拆檢，觀察齒輪副的磨損狀況。

(1)85W/90GL-5油品在做完齒輪耐久性試驗后，油顏色很黑，黏稠，零部件表面上有大量油泥沉積和鐵屑，且臭味很大，見圖1。

圖1 85W/90GL-5油品試驗后照片

(2)85W/90GL-5+和80W-90油品在做完齒輪耐久性試驗后，油顏色清澈，零部件表面無大面積的油泥沉積，齒面光亮，見圖2、3。

圖2 85W/90GL-5+油品試驗后照片

圖3 80W/90油品試驗后照片

2.1.3 臺架試驗油樣檢測數據

按照臺架試驗策劃方案進行試驗并取樣檢測，繪制數據曲線圖，詳見圖4—7。85W/90GL-5型潤滑油運動黏度隨試驗轉數的增加呈上升趨勢，符合試驗觀察到油黏稠的現象；85W/90GL-5+與80W/90型潤滑油黏度變化不大。

從圖5可以看出：Fe含量隨試驗轉數增加呈上升現象，85W/90GL-5型潤滑油Fe含量增加尤為明顯，85W/90GL-5+與80W/90型潤滑油Fe含量的增加屬于正常磨損。

圖4 100 ℃運動黏度變化

圖5 Fe含量變化

圖6 S 含量變化

圖7 P 含量變化

活性S與P在齒輪油中充當極壓與抗磨的作用，S、P含量的降低將導致齒輪油的極壓、抗磨作用大大降低， S、P含量的降低也從側面說明：由于油品的氧化，齒輪油大分子鏈團聚，形成不溶物，齒輪油中的活性S、P被不溶物包裹沉積，導致S、P含量降低。

2.1.4 臺架試驗結果分析

85W/90GL-5油品抗氧化能力差，在使用過程中，齒輪油中分子鏈團聚，形成不溶物，油品黏度上升，大量不溶物包裹齒輪油中活性S、P，磨損的Fe、Cu等元素形成油泥，齒輪油中活性S、P降低，其極壓抗磨性能隨之降低，極易造成齒輪擦傷、磨損等。

85W/90GL-5+和80W/90油品的抗氧化能力強，S、P元素含量穩定，對齒輪的保護能力強。從試驗結果來看：85W/90GL-5+和80W/90重載負荷車輛齒輪油基本滿足驅動橋長周期換油的要求，可進行整車道路試驗再驗證。

2.2 整車道路試驗數據分析

適當的運動黏度對齒面承載能力起到重要作用，通過運動黏度的變化可以間接了解其抗氧化能力,通過Fe含量的檢測可以了解齒輪的磨損情況，故整車道路試驗通過檢測油樣的運動黏度和Fe含量來判斷油品質量。

2.2.1 整車道路試驗數據

整車道路試驗數據如表3所示。

表3 整車道路試驗數據

2.2.2 整車道路試驗數據分析

從整車試驗數據來看：80W/90和85W/90GL-5+型齒輪油在完成10×104km整車路試中，取樣檢測的結果顯示運動黏度和Fe含量均低于換油指標要求。整車道路試驗證明80W/90和85W/90GL-5+型齒輪油能夠滿足重載車輛驅動橋10×104km換油周期的要求。

3 換油周期的確定

目前，重載負荷車輛齒輪油沒有換油周期的標準和依據,只有通過監測油液的質量指標變化信息，對這些數據信息進行分類、組合、關聯，并與已有的監測診斷經驗(或知識)相聯系，進行推理和匹配，才能找到合理的油品換油周期。

所以文中采用了如下確定換油周期的判斷方法：

(1)油品質量指標隨臺架試驗轉數和行駛里程的變化特征，是衡量齒輪油整體使用狀況的標尺。

(2)試驗后油樣中金屬元素(Fe)總含量分析。

(3)添加劑S、P含量變化分析。

(4)試驗后驅動橋主減速器拆檢的磨損狀況分析。

通過對上述4點的試驗研究表明:85W/90-5+(中石油生產的)和80W/90(殼牌生產)GL-5重載負荷車輛齒輪油經臺架試驗驗證，及整車道路行駛10×104km時，齒輪摩擦副的磨損狀態正常，車輛工作性能穩定，油品仍具有良好的使用性能。因此，綜合文中試驗研究分析結果，使用GL-5重載負荷車輛齒輪油85W/90-5+和80W/90可以提升驅動橋換油里程至10×104km。

4 使用車輛齒輪油注意事項

(1) 普通車輛齒輪油不能取代中、重負荷車輛齒輪油用于雙曲線齒輪，也不能混存混用。否則會引起設備磨損，縮短使用壽命。

(2)要根據使用環境選擇適當黏度級號的油品，確保高低溫工作條件下的潤滑要求。

(3)防止混入水分和雜質。

(4) 要適時更換新油。換用不同牌號油品時，應將齒輪箱清洗干凈再充入新油，充油量要適當。

5 車輛齒輪油的發展趨勢

GL-5仍是當前國內外使用的最高檔次車輛齒輪油。隨著研究工作的深入及國產添加劑水平的提高，齒輪油加劑量越來越少，性能越來越高，具備相當市場競爭能力。

5.1 提高經濟性，降低成本

近20年來，隨著添加劑質量的提高，添加劑配方技術取得長足進步，配方組成更加完善、合理，各項性能指標不斷提高，劑量不斷下降，經濟性進一步提高。從美國Lubrizol公司車輛齒輪油復合劑的添加量就可以看出這一發展趨勢：從早期Anglamol2000的8.5%，經過A-6043的7.0%、A-99的6.5%等，直到現在A-6085的4.8%。

5.2 齒輪油的低黏度化趨勢

為了節約機械設備和車輛傳動機構中齒輪潤滑的燃料與動力消耗，世界各國都在積極研究與開發低黏度齒輪油。齒輪油的發展方向是低黏度和長壽命。降低黏度可帶來一系列好處：首先可減少摩擦阻力，降低動力消耗。有資料顯示，齒輪油的黏度降低一個級別，可節能1%～5%；改善低溫流動性，可省掉潤滑油循環系統中的設備，節省加熱的必要能源；有利于散熱，冷卻部件；提高潤滑油的滲透性，易于進到必要的潤滑部位。

5.3 新一代車輛齒輪油

汽車工業的發展推動了車用潤滑油的進步?？ㄜ囕d荷的增加使得驅動橋齒輪傳動功率增加，而驅動橋齒輪的幾何尺寸并沒有很大的變化，導致齒面壓力增加，這要求車輛齒輪油有更大的承載能力。汽車車體設計不斷改進，使空氣動力學性能更趨合理，汽車行駛時空氣阻力減小，流過驅動橋外殼表面的空氣流量減少，散熱性能變差，齒輪油的熱負荷增加，這要求齒輪油有更好的熱氧化安定性。國外汽車制造廠對驅動橋和變速箱設備的保險期提高至12×104km，與此相關，要求提高車輛齒輪油壽命。

6 總結

采用驅動橋臺架試驗和整車道路試驗方法對GL-5重載負荷車輛齒輪油進行了試驗研究，通過對潤滑油的運動黏度，S、P、Fe含量變化及齒輪磨損狀況進行分析，可知中石油生產的85W/90GL-5+和殼牌公司生產的80W/90型重載負荷車輛齒輪油可以滿足驅動橋10×104km長換油周期的要求。這樣可以延長齒輪的使用壽命，降低用戶的維護成本，提升整車的市場競爭力。

【1】趙巍,栗斌,周新聰,等.GL-5重負荷車輛齒輪油換油周期研究[J].潤滑油,2008(8):22. ZHAO W,SU B,ZHOU X C,et al.Research on Drain Intervals of GL-5 Heavy-duty Automobile Gear Oils[J].Lubricating Oil,2008(8):22.

【2】王成功,許淑艷.GL-4中負荷車輛齒輪油的標準化[J].石油商技,2004(2):44. WANG C G,XU S Y.Normalization of GL-4 Medium Load Vehicle Gear Oil[J].Petroleum Products Application Research,2004(2):44.

【3】車用潤滑油編委會.車用潤滑油[M].北京：石油工業出版社,2011.

Study on How Lubricating Oil Increasing the Drive Axle Mileage

REN Junfeng

(Research & Development Center,Beijing Foton Daimler Automotive Co.,Ltd.,Beijing 101400,China)

Through experimental comparison between different axle lubricants(gear oil),the influences of the lubricating oil kinematic viscosity,contents change of S,P and Fe on oil performance and gear wear were analyzed.The test results show that GL-5 heavy load vehicle gear oil 85W/90 GL-5+ and 80W/90can meet the requirements of the 10×104km long oil drain cycle of the drive axle.This can extend the service life of the gear, reduce the user’s maintenance cost and enhance the market competitiveness of the vehicle.

Driving axle; Lubricating oil; Oil change mileage; Test research

2017-01-11

任軍鋒(1979—)，男，工程師，研究方向為車輛底盤系統檢測與評價。E-mail:renjunfeng1727@sina.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.016

U473.6

B

1674-1986(2017)05-071-05