手动变速箱油同步耐久性试验前后摩擦学性能变化

周 康，蒲宸光，李小刚，汤仲平，李灵威

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，兰州 730060；2.中国石油天然气集团公司润滑油重点实验室)

现代车用变速器除了在离合器和制动单元中使用多片式摩擦离合器之外，锥形摩擦同步器也被广泛应用于变速系统中。同步器成为变速箱的重要零部件，其作用是在变速换挡时，通过同步环和锥体的一个摩擦接触过程，使转速不等的齿轮在达到“同步”后再相互啮合，避免换挡过程中齿轮之间的冲击，实现平稳的换挡工作[1]。同步器作用的发挥除了同步环和锥体本身需要一定的强度、硬度和抗磨损能力外，其使用的手动变速箱油也会直接影响到换挡操作的平顺和同步器的使用寿命。对于手动变速箱油而言，一是要求具有良好的同步耐久性，油品能够长时间保持较大且稳定的动摩擦因数，防止形成低摩擦力矩，导致换挡困难甚至打齿失效；二是要求具有良好的抗磨损性能，减少同步环的磨损，保障同步器能够在整个寿命期间连续工作。

目前，关于润滑油与变速箱同步器适应性评定技术的研究报道较多[2-3]，但有关手动变速箱油与同步器相适性研究领域的报道较少。本课题采用SSP180手动变速箱同步器耐久性试验机考察不同手动变速箱油的同步耐久性，使用MRS-1J四球摩擦试验机、SRV摩擦磨损试验机、TE92M离合器摩擦试验机和EHD2油膜厚度测定仪考察同步耐久性试验前后油品摩擦特性的变化并进行系统分析，以期为同步器的合理用油提供技术支持，为手动变速箱油的开发提供思路和参考。

1 实 验

1.1 原 料

2种市售的80W-90手动变速箱油，编号分别为GO-1和GO-2，其主要理化性能见表1。

表1 2种80W-90手动变速箱油的主要理化性能

1.2 试验方法

1.2.1 SSP-180手动变速箱同步器试验采用德国FZG公司开发的SSP-180手动变速箱同步器试验台，按照行业标准NB/SH/T 0925《手动变速箱油同步啮合耐久性的评定FZG SSP-180法》测定手动变速箱油的同步耐久性。同步器系统包括同步环、同步器锥、锁止机构等。试验条件为：温度80 ℃，轴向负荷1 400 N，循环时间5 s，转速1 200 r/min，同步件ZF-BK117(烧结铜)，同步环材料HS45烧结铜，锥面钢材质。试验过程中测试摩擦因数，以同步器换档循环次数及同步环的磨损率表示同步耐久性试验是否通过，循环次数最大为10万次。

1.2.2 四球摩擦机试验采用MMW-1型四球机按照国家标准GB/T 3142《润滑剂承载能力测定法(四球法)》测定油品最大无卡咬负荷，按照NB/SH/T 0189《润滑油抗磨损性能测定法(四球机法)》测定钢球的磨斑直径，按照SH/T 0762《润滑油摩擦系数测定法(四球法)》测定油品试验时的摩擦因数。

1.2.3 SRV摩擦磨损试验采用德国OPTIMOL公司生产的SRV4高频往复线性振动试验机，按照行业标准NB/SH/T 0847《极压润滑油摩擦磨损测定SRV试验机法》测定油品试验件的磨斑直径，使用面-面接触的上下试验件铜盘在恒定条件下试验，期间测量摩擦因数。试验条件为：负荷250 N，频率50 Hz，时间2 h，温度80 ℃，行程1 mm。

1.2.4 EHD2油膜厚度测定试验采用英国PCS公司生产的EHD2油膜厚度测定仪，测试油品在80 ℃、载荷25 N情况下的油膜厚度，考察油品的成膜能力。

2 结果与讨论

2.1 同步耐久性试验

在同步耐久性试验过程中，GO-1试验时的摩擦因数下降较快，从第500次循环到第20 020次循环时，摩擦因数从0.125降至0.085，第45 000次循环时，摩擦因素降至0.082，在此循环过程中，同步器系统变得不稳定，不能正常工作。重新启动试验后，摩擦因数恢复至0.085，但是很快就减小到0.078，第48 169次循环时由于发生同步换挡冲击，试验被迫停止。GO-2试验时的摩擦因数第1次循环时为0.099，到第75 000次循环时为0.105，第100 100次循环时约为0.095，整个试验期间摩擦因数保持平稳，能够满足换挡要求，换挡锁止机构正常工作。

GO-1和GO-2同步耐久性试验停止后，分别对减速边A面和加速边B面磨损情况进行测试统计，结果见表2。由表2可以看出：GO-1试验的第1 000次循环时，减速边A面和加速边B面的平均磨损率(1 000次循环)分别是3.1 μm和1.7 μm，同步器中同步环和锥体之间的摩擦因数随换挡次数不断下降，以致同步环和锥体难以快速同步，是造成GO-1油品同步器失效的主要因素；GO-2试验的第1 000次循环时，减速边A面和加速边B面的平均磨损率(1 000次循环)分别为0.9 μm和0.5 μm。从耐久性次数和同步环的磨损结果看，GO-2的同步耐久性和抗磨性能要好于GO-1。

表2 GO-1和GO-2同步耐久性试验结果

考虑到同步耐久性试验的温度较高，时间较长，需要关注油品试验前后的黏度变化，反映老化衰败程度的酸值和不溶物量的变化，以期寻找试验前后油品摩擦学性能的变化规律。将GO-1和GO-2同步耐久性试验结束后的油品编号为GO-1A和GO-2A，与试验前油品进行主要理化性能对比，结果见表3。从表3可以看出：同步耐久性试验后油品的运动黏度略有增加，但不明显；酸值变化很小，甲苯不溶物和戊烷不溶物含量均未发生显著变化，说明同步耐久性试验前后油品理化性能并没有发生明显的氧化。

表3 同步耐久性试验前后油品的主要理化性能

2.2 同步耐久性试验前后油品的摩擦学性能

2.2.1 四球机摩擦试验一般来说，同步器工作时，锥环和锥盘的工作表面上会产生力矩，以克服摩擦件的惯性力矩，以便在最短的时间内达到同步状态完成换挡，因此保持同步锥面间摩擦因数的稳定性至关重要。四球摩擦因数的测定采用滑动摩擦形式，在极高的点接触压力条件下评定油品的摩擦学性能，SSP180手动变速箱同步器台架试验相互接触的摩擦副运行方式也为滑动。本研究主要在滑动摩擦情况下，考察GO-1，GO-1A，GO-2，GO-2A进行四球机摩擦试验时的摩擦因数变化，结果如图1所示。

图1 油品进行四球机摩擦试验时摩擦因数的变化■—GO-1； ◆—GO-1A； ●—GO-2； ▲—GO-2A

由图1可以看出：GO-2、GO-2A进行四球机摩擦试验时，摩擦因数均较大(稳定时达到0.10)，GO-2A试验时的摩擦因数略低于GO-2，随着加载负荷的提高，两油品试验时的摩擦因数保持平稳变化；GO-1、GO-1A进行四球机摩擦试验时，摩擦因数相比GO-2、GO-2A来说较低(稳定时在0.07左右)，且随着载荷的增大，两个油样的摩擦因数整体呈下降趋势；GO-1A试验时的摩擦因数远小于GO-1，表明油品经过同步耐久性试验后摩擦学性能发生了较大变化。结合GO-1没有通过同步耐久性试验，可见滑动状态下，摩擦因数的降低是导致同步器失效的主要原因。这是由于变速箱内润滑油的飞溅和浸泡，同步器摩擦锥面间的动摩擦必须在有界面润滑的条件下进行[4]，同时锥体与同步环之间的动摩擦要与静摩擦相当，平均摩擦因数才能够满足低摩擦力和短时间内的换挡。GO-2油品的摩擦因数较大且随加载负荷增大变化平稳，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。

2.2.2 SRV摩擦磨损试验为了减少对同步环的磨损，手动变速箱油需要具有较好的抗磨性能，最大无卡咬负荷表征油品在流体动力润滑条件下的油膜强度，磨斑直径表征油品的抗磨性能。表3列出了GO-1，GO-1A，GO-2，GO-2A的极压抗磨性能，其中参数包括四球机摩擦试验时的最大无卡咬负荷、磨斑直径和SRV摩擦磨损试验时测得的垂直、水平、平均磨斑直径。

表4 同步耐久性试验前后油品的极压抗磨性能

由表4可以看出，GO-1A与GO-1相比，最大无卡咬负荷，四球磨斑直径，SRV水平、垂直和平均磨斑直径均发生了较大程度的下降，而GO-2A与GO-2相比，5项指标无明显变化。这说明GO-2有良好的抗磨损性能，同步耐久性试验后油膜保持程度较好，而GO-1同步耐久性试验后油膜保持程度较差。由于同步耐久性试验采用的是飞轮模拟齿轮和传动轴等的转动惯量，并利用喷溅的方式对锥体和同步环进行强压润滑，推测是由于GO-1在试验过程能中衰变变质较快，不能有效地存储在同步器摩擦材料的孔隙中，试验过程中不能及时带走热量，使摩擦副表面层形成微裂纹，加剧了同步环和锥体材料的磨损，最终很快导致同步器的失效[5-6]。

考虑到同步器的同步环材质采用的是烧结铜，因此在SRV4高频往复线性振动试验机试验时，采用面-面结构接触的上试验件槽口钢环相对于下试验件铜盘，在恒定的试验负荷下考察油品的摩擦因数变化，结果见图2。

图2 同步器试验前后油品的SRV摩擦因数变化■—GO-1； ◆—GO-1A； ●—GO-2； ▲—GO-2A

由图2可以看出：SRV摩擦磨损试验中，GO-2、GO-2A试验时的摩擦因数随试验时间的增加略有上升，但幅度很小，基本维持在0.14左右；GO-1试验时的摩擦因数在试验时间10 min时约为0.16，随着试验时间的延长迅速下降，当试验时间120 min时为0.09，GO-1A试验时摩擦因数随试验时间的变化趋势与GO-1一致，从0.15降至0.07，但摩擦因数均低于GO-1。这表明同步耐久性试验结果较差的手动变速箱油的摩擦特性相似，试验后期摩擦因数在0.07～0.09范围内，不能提供足够的摩擦力矩，使得油品同步耐久性能较差。GO-2试验时的摩擦因数较高且稳定，有利于同步器接合套与待啮合的齿圈迅速同步，而GO-1试验时的摩擦因数变化较大，且保持下降的趋势，这将会导致同步器打滑，出现打齿现象，试验无法通过。

由于随着换挡次数的增加，在同步阶段同步器锥体所获得的加速度在不断降低，结合套的位移所经历的时间也在不断增长，而同步环和锥体之间产生的摩擦力矩在不断减少，最终导致了同步器的失效。在换挡力和同步器结构不变的情况下，摩擦因数的降低是导致摩擦力矩在不断减少的主要因素，需要格外关注油品的SRV摩擦因数变化趋势。综合分析可知：摩擦因数为0.14左右且保持稳定的油品能在SSP180手动变速箱同步耐久性试验台架上更稳定运行；而摩擦因数初值大于0.14，但随时间增加而迅速下降到0.090的油品，SSP180手动变速箱同步耐久性试验台架上前期运行平稳，但后期出现打齿现象，无法通过试验。

2.2.3 EHD2油膜厚度测定试验同步耐久性试验过程中，由于摩擦副表面的相对运动而产生一定磨损，磨损后的摩擦副表面由于变得平整，承载面积增加，会影响接触区域的接触应力和局部温度，进而影响油膜的破裂程度和油膜分布[1]，因此考察油品在同步耐久性试验前后成膜能力的变化很有必要。成膜能力的评价也是对油品在苛刻工况下摩擦特性的考察，成膜能力强，在极端工况下，能够有效对摩擦副起到润滑保护作用。本研究采用EHD2油膜厚度仪对油品在弹性流体动压润滑下进行成膜表征，考虑到SSP180手动变速箱同步耐久性试验的温度为80 ℃，因此选择80 ℃进行油膜厚度的考察，结果见图3。

图3 在80 ℃条件下油品的油膜厚度随试验速度的变化■—GO-1； ◆—GO-1A； ●—GO-2； ▲—GO-2A

从图3可以看出：随着试验速度的增大，GO-2油膜保持性好于GO-1，说明GO-2油品的抗磨能力好于GO-1。经过同步耐久性试验后，2个油品的成膜能力均有所减弱。在同步耐久性试验过程中，随着换挡次数的增加，摩擦副表面之间形成了一层较厚的油膜，若油膜不稳定，那么在高温条件下的分解产物会沉积在摩擦副表面上，降低摩擦副的摩擦因数，使同步环和锥体之间所产生的摩擦力矩难以使同步器快速同步时，同步器就会失效。反之，由于同步器主要是依靠摩擦作用实现同步的，摩擦因数保持稳定，说明摩擦副表面形成了稳定的摩擦保护膜，能够为摩擦表面提供有效的润滑保护。显然，油膜的稳定、摩擦因数的大小和稳定是影响油品能否通过SSP180变速箱同步耐久性试验的重要因素。

3 结 论

能通过同步耐久性台架试验、达到循环10万次以上的油品能够长时间保持较大且稳定的摩擦因数，四球摩擦因数平稳保持在0.1左右、SRV摩擦因数平稳保持在0.14左右，试验后四球摩擦因数和SRV摩擦因数无明显变化；不能通过SSP180同步耐久性台架试验的油品试验时的摩擦因数波动较大，同步耐久性试验后油品的四球摩擦因数相比于试验前油品略有下降，SRV摩擦因数变化较大，试验时间由10 min延长到120 min时，同步耐久性试验前后油品的SRV摩擦因数分别从0.16降至0.09、0.15降至0.07。由于同步器主要依靠摩擦作用实现同步，摩擦因数保持稳定时能够为摩擦表面提供有效的润滑保护。因此，摩擦因数的大小和稳定是影响油品能否通过SSP180手动变速箱同步耐久性试验的重要因素。