自动传动液（ATF）摩擦性能的模拟方法研究

李小刚　李彤　张宽德　王鹏

摘要：汽车自动传动液（ATF）的摩擦特性是其重要的性能之一。文章选用MTM试验机作为模拟试验和SAE NO.2台架试验对自动传动液的摩擦特性进行研究，探索二者在评价自动传动液（ATF）的摩擦特性方面的相关性。试验结果表明：用MTM试验机和SAE NO.2台架试验在自动传动液（ATF）的摩擦特性评价方面有一定相关性。

关键词：自动传动液；摩擦特性；相关性；评价

中图分类号：TE626.38

文献标识码：A

文章编号：1002-3119（2015）02-0041-04

0 引言

汽车自动传动液（ATF）是一种特殊的、多功能油液。它的主要作用是润滑、冷却以及作为传递能量的液压介质。它必须包含多种性能，其中摩擦特性是其最重要又最难达到的性能，它是换挡感觉、动力矩负荷和摩擦耐久性的综合平衡性能。自动传动液（ATF）的摩擦特性又体现在自动变速器的换挡过程中，换挡是通过离合器片的啮合来完成的，即离合器片之间的相对速度变化为由大变小直至相对速度为零。汽车自动传动液（ATF）的摩擦特性之所以重要，主要是因为其动摩擦系数对传递扭矩和换挡时间影响较大，动摩擦系数过小会影响传递扭矩的能力，使离合器打滑并延长换挡时间，过大又会增大磨损，影响节能，所以要在不增大磨损的情况下尽可能提高动摩擦系数；而静摩擦系数过大，会使换挡后期扭矩急剧增大，使换挡质量恶化。所以，自动传动液（ATF）的摩擦特性要求有尽可能高的动摩擦系数以及适宜的静摩擦系数，且动、静摩擦系数的优化比值约为1，在全部操作温度范围内摩擦特性保持不变。

目前，自动传动液（ATF）的规格众多，有美国通用公司的DEXRON系列，Ford公司的MERCON及Allison公司规格，这三种主流ATF规格都要求用SAE NO.2摩擦试验机来评定自动传动液（ATF）的摩擦特性。由于SAE NO.2摩擦试验机的试验过程相对复杂以及试验周期较长，因此，有必要寻找简易便捷的模拟方法。之前有王泽恩等人与上海711所合作仿照SAE NO.2试验机研制了模拟试验机，试验结果良好，但仍属台架评定；也有兰晓燕等人用改型的MTM试验机来考察ATF的摩擦特性，试验结果区分性较好，但该试验摩擦副接触类型为点接触，而SAE NO.2试验机摩擦副为面接触。为了能更接近SAE NO.2摩擦试验机的实际工况，本文选用英国PCS Instruments公司生产的微牵引力试验仪（Mini Traction Machine，以下简称MTM试验仪）来对自动传动液（ATF）的摩擦特性进行模拟试验。

本文主要介绍了在MTM试验仪上研究模拟试验条件。选用SAE NO.2试验机上用GM公司的DEXRON-VI规格GMW16444中片式摩擦特性评价的通过油、未通过油作为参比油进行试验。

1 台架试验过程

1.1SAE NO.2试验机简介

SAE NO.2试验机的组成如图1所示。其试验单元是由一台电机和一组摩擦片（离合器片）组成，离合器片在加热到一定温度的试验油中，由飞轮带动旋转至一定惯量，经过离开、啮合周期运行，可测得动转矩的变化。通过测定中点转矩和啮合时间也就是下面所说的停止时间等参数来评价自动传动液的摩擦特性。SAE NO.2试验机试验控制参数如表1所示。

目前在评价自动传动液（ATF）摩擦特性的规格中，以美国通用（GM）公司的DEXRON-VI规格影响较大。DEXRON-VI规格GMW16444中片式摩擦特性的试验参数如表2所示。

1.2SAE NO.2台架试验参比油的选择

首先选用在SAE NO.2试验机上使用DEXRON-VI规格GMW16444中片式摩擦特性评价的通过油1、油2以及失败油3、油4进行分析，主要对DEXRON-VI规格GMW16444.中片式摩擦特性通过指标要求的停止时间和中点扭矩做了试验分析，其中DEXRON-VI规格GMW16444中片式摩擦特性的指标要求如表3所示，具体试验结果见图2、图3。

图中红色直线代表通过指标的范围。图2、图3中失败油3、4的停止时间和中点扭矩因为在200 h试验周期以内就超出指标要求的范围而失效。其原因主要体现在中点扭矩在试验一段时间后出现急剧下降的情况，致使摩擦力降低，传动扭矩的能力降低，换挡时间变长，体现在图2中停止时间超出指标上限。通过油1、2在200 h试验周期内传动扭矩能力稳定，停止时间等指标符合通过指标范围要求，所以通过了DEXRON-VI规格片式摩擦特性的要求。

2 模拟试验方法研究

2.1模拟试验机及试验条件研究

英国PCS Instruments公司生产的微摩擦力试验仪如图4所示。

MTM试验仪是一台由微机控制，滑滚比、速度可调的高精度摩擦系数测定仪，可实现油品-摩擦副在不同条件下的流体润滑、边界润滑状态，从而测定油品在上述条件下的摩擦系数。MTM试验仪的控制参数如表4所示。

由于PCS Instriments公司仅提供标准钢质试验件并且是点接触的方式，但实际上汽车自动变速箱及SAE NO.2试验机都使用了纸质摩擦材料，并且是面接触的摩擦方式，为了尽可能模拟实际工况，在保证试验件尺寸与标准试验件尺寸相同的情况下，选用GM公司的DEXRON-VI规格要求的纸质摩擦材料（BW4329），将MTM试验仪的下试验件调整为钢底纸面的试验件，上试件试验销采用45号钢加工而成，自行设计并提供技术要求，摩擦副接触方式也是面接触的方式。

自动传动液（ATF）的工作温度相对较高，本文以GM公司DEXRON-VI规格GMW16444中片式摩擦特性的评价方法中要求的试验温度140℃作为模拟试验的试验温度，速度范围根据MTM试验仪自身的参数选为0～2 m/s，负荷根据方法GMW16444中的摩擦副的接触应力换算选为20 N。因此最终确定的模拟试验条件如表5所示。

2.2MTM试验仪上模拟试验结果的分析讨论

首先，选择一种自动传动液（ATF）的基础油，基础油是没有添加任何摩擦特性改进剂的油品。用选定的实验条件对其进行试验，结果如图5所示。

从图5中可以看到：自动传动液（ATF）基础油的摩擦特性曲线是负斜率的曲线且静摩擦系数要大于动摩擦系数，这不符合理想的ATF摩擦特性的要求。

其次，选取SAE NO.2试验机上用DEXRON-VI规格中片式摩擦特性评价方法评价的通过油1、2和失败油3、4四种油品在MTM试验仪上进行区分性试验，其结果如图6所示。

从图6中可以得到：

（1）理想的ATF摩擦特性曲线应该是正斜率的曲线且动摩擦系数要大于静摩擦系数。图6中的失败油3不符合此特性，静摩擦系数较高，其在SAENO.2试验机上试验约15 h就失效。

（2）理想的ATF摩擦特性要求有尽可能高的动摩擦系数来保持扭矩的传递能力，而从图6中可以看到：由于失败油4的动摩擦系数、静摩擦系数均偏小而在SAE NO.2试验机上试验约100 h就失效。

（3）从通过油1和通过油2的结果来看，它们的摩擦特性曲线基本一致，符合理想的ATF摩擦特性曲线的要求，在SAE NO.2试验机上都通过DEXRON-VI规格片式试验的摩擦特性的指标要求。

最后，对四种试验油品中选取通过油1与失败油4进行重复性的试验，试验结果如图7所示。

从图7可以看出，在所选定的实验条件下重复性试验较好。

3 MTM试验仪试验结果与SAE NO.2试验机试验结果相关性讨论

首先，从模拟趋势来看，模拟试验摩擦特性曲线是随速度递增的正斜率的曲线；台架试验在一次试验循环中随速度递增方向扭矩曲线也是正斜率的曲线，而扭矩和摩擦系数是正相关的关系，所以，模拟试验具有一定的可行性。

其次，从模拟试验结果和台架试验结果对比分析来看，在台架试验中失败油3试验约15 h失效的原因在模拟试验中是因为低速摩擦系数大于动摩擦系数而不符合理想的ATF摩擦特性曲线要求而失效。通过油1和通过油2在SAE NO.2试验机上通过DEXRON-VI规格片式摩擦特性试验的指标要求，两种油品的中点扭矩保持稳定，体现了良好的传递扭矩的能力。在MTM试验仪上通过油1、2具有较稳定的摩擦特性曲线，摩擦系数较高又不是太高，在保证良好的传递扭矩的能力下又不增大磨损。而失败油4的摩擦系数较通过油1、2的偏低，在SAENO.2试验机上其传递扭矩的能力呈下降趋势，最终试验约100 h而失效。

最后，MTM试验仪和SAE NO.2试验机上的试验结果说明二者在ATF摩擦特性的评价方面具有一定的相关性。

4 结论

理想的自动传动液（ATF）摩擦特性要求：静摩擦要适当小一些，动摩擦大一些，而且随着速度的增加，动摩擦要求尽量保持。

目前，评价自动传动液（ATF）摩擦特性的技术比较成熟，其中主要以台架的评价方式为主。本文以改型的MTM试验仪作为模拟设备对自动传动液（ATF）的摩擦特性的评价做了一定的研究工作。用MTM试验仪可较好地区分SAE NO.2试验机上通过油、未通过油的摩擦特性，可以作为SAE NO.2试验机试验前的筛选措施。