SRV-Ⅳ摩擦试验机与WS2001变速箱同步器台架对手动变速箱油同步器适应性评定相关性研究

史永刚，文 昊，徐万里，粟 斌

(1.后勤工程学院训练部，重庆 401311；2.后勤工程学院研究生管理大队；3.中国人民解放军总后勤部油料研究所)

SRV-Ⅳ摩擦试验机与WS2001变速箱同步器台架对手动变速箱油同步器适应性评定相关性研究

史永刚1，文 昊2，3，徐万里3，粟 斌3

(1.后勤工程学院训练部，重庆 401311；2.后勤工程学院研究生管理大队；3.中国人民解放军总后勤部油料研究所)

为节约试验成本和台架试验前对油品进行初步筛选，利用SRV-Ⅳ摩擦磨损试验机与WS2001变速箱同步器台架考察了手动变速箱油与同步器适应性，并探讨了两种评价方法间的相关性。试验结果表明：试验油的SRV-Ⅳ摩擦因数大小及变化趋势、磨痕与WS2001变速箱同步器台架摩擦因数大小及变化趋势、磨损情况之间有对应关系，而与WS2001同步换挡寿命的关系不明显；通过试验油在SRV-Ⅳ摩擦磨损试验机上的表现可对其在WS2001变速箱同步器台架的运行情况和失效形式做出判断。ASTM D6425法和变频法测得SRV-Ⅳ摩擦因数大于0.131，且后期保持稳定或上升趋势的油品，WS2001台架的摩擦因数也较高且运行稳定；摩擦因数初值大于0.110，但随频率增大而迅速下降到0.090附近的油品，WS2001变速箱同步器台架前期运行平稳，但后期易出现打齿现象。SRV-Ⅳ磨痕面积大于1.394 mm2，磨斑深度在4.43 μm以上，表现明显犁沟现象的油品，易引起同步器磨损失效。

同步器 台架 摩擦特性 相关性 变速箱齿轮油

润滑剂的摩擦特性是指某种润滑剂在特定摩擦副中，于不同工况条件下的摩擦因数变化规律，掌握润滑剂的摩擦特性对于润滑剂的选择和使用具有重要意义。对手动变速箱油而言，摩擦特性直接影响同步器使用寿命和使用性能[1-2]，低摩擦力矩会导致换挡困难，易导致打齿失效，抗磨性能差会加剧摩擦副磨损，进而引起磨损失效。

为评定手动变速箱油的摩擦特性，研究者针对我国手动变速箱同步器结构特点和使用实际研制了WS2001变速箱同步器试验油评定试验台，实现了对手动变速箱油的摩擦特性评价[3]。台架试验时间长，成本高，因此有必要研究台架与摩擦磨损试验机的相关性。

试验室常用来评价试验油摩擦特性的模拟试验机有四球机、法莱克斯试验机(Falex)、MM-200磨损试验机(Amsler)和SRV-Ⅳ型摩擦试验机等。四球试验机和MM-200磨损试验机均是模拟点接触的摩擦形式，分别通过四球长磨磨斑直径大小和润滑油摩擦因数来表征润滑油摩擦特性好坏；法莱克斯试验机模拟线接触形式下的润滑油摩擦和磨损性能，通过磨损齿数来表征润滑油摩擦特性好坏[4]；SRV-Ⅳ型摩擦试验机能模拟多种接触形式，试验温度范围宽，可通过摩擦因数、磨斑大小、磨痕深度指标评价试验油的摩擦特性[5-6]。

同步器之间接触形式是面接触，摩擦形式为滑动摩擦[7]。上述各型摩擦磨损试验机中，研究者多关注各变速箱台架与SRV-Ⅳ型摩擦试验机之间的相关性。张继平等[8-9]指出SSP-180 FZG试验台与SRV-Ⅳ型摩擦试验机之间具有较好的相关性，结果表明SRV-Ⅳ试验条件下，摩擦因数大于0.115且保持平稳或上升趋势，同时具有较小磨斑的试验油，可以通过SSP-180 FZG试验台。孙德志[10]与一汽集团技术中心合作研制了一种新试验台，并研究了该试验台与SRV-Ⅳ型试验台之间的相关性。蔡继元等[11]根据需要改进了MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机，研究了其与MACK循环试验台的相关性，并建立了相应的快速试验方法，改进后的MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机与SRV-Ⅳ型摩擦磨损试验机类似。国外也有关于摩擦试验机之间的相关性报道[12]。

为节约试验成本，台架试验前常需要对手动变速箱油进行初步筛选，本研究基于WS2001变速箱同步器台架，探究SRV-Ⅳ摩擦磨损试验机与WS2001变速箱同步器台架在手动变速箱油的摩擦特性评定中的相关性。

1 实 验

1.1 实验仪器及方法

SRV-Ⅳ摩擦磨损试验机和WS2001变速箱同步器台架的试件形式、润滑方式及试验条件等参数见表1。

表1 SRV-Ⅳ摩擦磨损试验机与WS2001变速箱同步器台架对比

1.2 试验油

目前重载车辆变速箱油为质量等级GL-5的齿轮油，同时考虑到发动机油有时也用于变速箱中，故试验选取GL-5 75W/90重负荷齿轮油和同质量等级的75W/90重负荷多效齿轮油、80W/90重负荷多效齿轮油、80W/140重负荷多效齿轮油以及CF-4 15W/40发动机油、SJ/CD 15W/40发动机通用油为试验油品。

2 结果与讨论

WS2001变速箱同步器台架试验按照文献[3]中的试验要求和试验流程，使用成套的同步器试验件评价手动变速箱同步器耐久性，当润滑油的同步换挡性能发生变化时，通过摩擦因数的动态测量与同步器磨损量来判断试验油的摩擦特性。按照ASTM D6425和变频法在SRV-Ⅳ摩擦磨损试验机上评定试验油的摩擦磨损性能。对比SRV-Ⅳ型摩擦磨损试验机与WS2001变速箱同步器台架对不同试验油的试验结果，考察二者的相关性。

2.1 摩擦因数变化

WS2001变速箱同步器台架试验相互接触的摩擦副运行方式为滑动。为了考察试验油在滑动条件下的摩擦性能，分别用WS2001变速箱同步器台架和SRV-Ⅳ摩擦磨损试验机考察6种试验油的摩擦因数变化趋势，结果见图1。

图1 试验油在SRV-Ⅳ摩擦磨损试验机和WS2001变速箱同步器台架上的摩擦因数变化■—GL-5 75W/90重负荷齿轮油；●—75W/90重负荷齿轮油；▲—CF-4 15W/40发动机油；/CD 15W/40发动机通用油；◆—80W/90重负荷多效齿轮油；/410重负荷多效齿轮油

由图1(a)可知：SRV-Ⅳ摩擦磨损试验中CF-4 15W/40发动机油和SJ/CD 15W/40发动机通用油试验时的摩擦因数大于0.131，随摩擦时间的增加略有上升，明显高于试验齿轮油，且其摩擦因数在试验后期(90 min以后)趋于稳定；齿轮油试验时的摩擦因数数值接近，均随摩擦时间的增加而下降，试验后期摩擦因数在0.080～0.10范围并趋于稳定。结果表明，发动机油具有良好的摩擦因数保持能力，摩擦力矩稳定，有利于同步器长期平稳运行；齿轮油之间具有相似的摩擦特性，摩擦力矩相近，后期试验时摩擦因数在0.080～0.10范围内，在试验末期可能不能提供足够的摩擦力矩。

由图1(b)可知：不同频率下发动机油试验时的摩擦因数随频率变化趋势一致，且数值大于0.131，在频率大于60 Hz后，摩擦因数略有上升；各齿轮油试验时的摩擦因数总体呈下降趋势，摩擦因数初值大于0.110，而后随频率增大而迅速下降到接近0.090。可见在不同频率(即不同滑动速度)下发动机油具有良好的摩擦特性，摩擦力矩较大，有利于同步器完成同步过程。

由图1(c)可知，WS2001变速箱同步器台架试验中各试验油试验时的摩擦因数随换挡次数增加而下降，且CF-4 15W/40发动机油和SJ/CD 15W/40发动机通用油试验时的摩擦因数明显高于齿轮油试验时的摩擦因数，且表现平稳；不同齿轮油试验时摩擦因数大小和变化趋势较接近，但在试验中期出现波动，且试验末期摩擦因数骤降，表明台架试验末期齿轮油运行不平稳。

由图1(c)可得不同油品换挡寿命由长到短的顺序为：75W/90重负荷多效齿轮油> 80W/90重负荷多效齿轮油>80W/140重负荷多效齿轮油>CF-4 15W/40发动机油>GL-5 75W/90重负荷齿轮油>SJ/CD 15W/40发动机通用油。易知SRV-Ⅳ摩擦因数大的油品，换挡寿命未必大或小，即油品的换挡寿命与SRV-Ⅳ摩擦因数大小和变化趋势无相关性。

由以上分析可知，SRV-Ⅳ摩擦因数与WS2001变速箱同步器台架摩擦因数大小及变化趋势之间存在相关性，而与油品换挡寿命无相关性。以ASTM D6425法和变频法测得SRV-Ⅳ摩擦因数大于0.131，且后期保持稳定或上升趋势的油品，能保证其在WS2001变速箱同步器台架上能更稳定运行；而摩擦因数初值大于0.110，但随频率增大而迅速下降到0.090附近的油品，WS2001变速箱同步器台架前期运行平稳，但后期出现打齿现象。

2.2 摩擦副磨损情况

摩擦副磨损是反映油品与同步器适应性好坏的重要指标，对两种试验机条件下的磨损情况进行考察，结果见图2。图3是图2中铜滑块初现磨损和剧烈磨损时的铜滑块以15J10000318测量显微镜(25X)测定的照片，图4和图5分别是利用NanoMap-D三维形貌仪测得的SRV-Ⅳ摩擦磨损试验钢球表面三维形貌和磨痕深度变化。

由图2可知：SRV-Ⅳ盘面磨痕面积与WS2001同步器磨损量之间成正相关关系，SRV-Ⅳ盘面磨痕面积大，对应的同步器磨损量也大。图3中，75W/90重负荷多效齿轮油在WS2001同步器表现为初现磨损，有轻微的磨损面，且滑块中心完整[见图3(a)]，对应的SRV-Ⅳ磨痕面积为1.394 mm2；CF-4 15W/40发动机油和SJ/CD 15W/40发动机通用油在同步器台架表现为剧烈磨损，出现磨损卷层，具有较明显磨损面(见图3(b))，对应的SRV-Ⅳ磨痕面积大于2.148 mm2。

图2 试验油在两种试验机上的摩擦副磨损量■—SRV-Ⅳ磨痕面积；■—WS2001磨损量a—GL-5 75W/90重负荷齿轮油; b—75W/90重负荷多效齿轮油;c—80W/90重负荷多效齿轮油; d—80W/140重负荷多效齿轮油;e—CF-4 15W/40发动机油; f—SJ/CD 15W/40发动机通用油

图3 铜滑块组件典型磨损

由图4和图5可知：GL-5 75W/90重负荷齿轮油的磨斑形貌较规则，没有明显的犁沟，深度为3.19 μm，其余重负荷多效系列齿轮油的磨斑表面均出现不同程度的犁沟，其中75W/90重负荷多效齿轮油有较明显犁沟，且磨斑深度为齿轮油中最大，为4.43 μm，齿轮油台架试验均表现为打齿失效；CF-4 15W/40发动机油和SJ/CD 15W/40发动机通用油的磨斑犁沟现象更严重，深度可达5.01 μm，二者台架试验均表现为磨损失效。同时油品对SRV-Ⅳ试验件的磨损情况与同步器台架换挡寿命之间未见明显关系。

图4 试验油的SRV-Ⅳ摩擦磨损试验三维形貌

由以上分析可知，试验油在SRV-Ⅳ上的磨痕面积和磨斑深度与WS3002同步器台架试验的磨损量和台架失效形式之间存在对应关系，而与换挡寿命无相关性。SRV-Ⅳ磨痕面积大于1.394 mm2，磨斑深度在4.43 μm以上，表现明显犁沟现象的油品，WS2001变速箱同步器台架试验也易出现磨损，且表现为磨损失效。

图5 试验油的SRV-Ⅳ摩擦磨损试验磨斑深度

3 结 论

(1) 试验油SRV-Ⅳ摩擦因数大小及变化趋势与WS2001变速箱同步器台架摩擦因数大小及变化趋势有对应关系。ASTM D6425法和变频法测得SRV-Ⅳ摩擦因数大于0.131，且后期保持稳定或上升趋势的油品，在WS2001变速箱同步器台架上能稳定运行；摩擦因数初值大于0.11，但随频率增大而迅速下降到0.090附近的油品，前期运行平稳，后期易出现打齿现象。

(2) SRV-Ⅳ磨痕与WS2001变速箱同步器台架磨损情况间有一定的对应性。SRV-Ⅳ磨痕大于1.394 mm2，磨斑深度大于4.43 μm，且存在明显的犁沟的油品，其WS2001变速箱同步器台架试验易磨损失效，磨损量较大。

(3) SRV-Ⅳ摩擦因数和磨损情况与WS2001变速箱同步器台架换挡寿命无相关性。

(4) 通过手动变速箱油SRV-Ⅳ摩擦因数大小及变化趋势、磨痕情况可以判断试验油在WS2001变速箱同步器台架的表现和失效形式。

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COMPARATIVE STUDY OF SUITABILITY OF MANUAL TRANSMISSION OILS FOR SYNCHRONIZER BY SRV-Ⅳ TEST AND WS2001 BENCH TEST

Shi Yonggang1，Wen Hao2，3，Xu Wanli3，Su Bin3

(1.DepartmentofTraining，LogisticEngineeringUniversity，Chongqing401311；2.PostgraduateManagementUnit，LogisticEngineeringUniversity；3.BeijingPetroleumOilandLubricantInstitute)

To save the cost of screening the oil，the suitability of manual transmission oils for synchronizer were investigated by SRV-Ⅳ testing machine and WS2001 synchronizer bench test. The correlation of the two methods was also discussed. The experimental results indicate that (i) the friction coefficient and the change trend，the wear scar of SRV-Ⅳ were correspondence with WS2001 synchronizer bench test，but not obviously related with WS2001 service life；(ii) The running status and failure mode of manual transmission oils on WS2001 test can be preliminary anticipated by the performance of oil on SRV-Ⅳ testing machine. The oil with high SRV-Ⅳ friction coefficient (>0.131) and high stability in long-running，measured by ASTM D6425 and variable-frequency method，has a good running stability and a high stable friction coefficient on the WS2001 test as well. While the oils tested by WS2001 synchronizer was stable in the early stage with friction coefficient higher than 0.110 and then rapidly reduced to 0.090，the damaged gear occurs. The oils that the wear scar is larger than 1.394 mm2and 4.43 μm in depth after SRV-Ⅳ test easily cause the wear failure of the WS2001 synchronizer.

synchronizer；test bench；friction performance；correlation；gearbox oil

2015-12-18；修改稿收到日期：2016-03-15。

史永刚，教授，博士生导师，从事石油产品测试技术和性能评定等方面的教学和研究工作。

史永刚，E-mail：ygshi@126.com。

国家自然科学基金青年基金项目(NSFC 21206204)；全军后勤科研计划项目(油20090109)。