史永剛，文 昊，徐萬里，粟 斌

(1.后勤工程學(xué)院訓(xùn)練部，重慶 401311；2.后勤工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)；3.中國人民解放軍總后勤部油料研究所)

SRV-Ⅳ摩擦試驗(yàn)機(jī)與WS2001變速箱同步器臺(tái)架對(duì)手動(dòng)變速箱油同步器適應(yīng)性評(píng)定相關(guān)性研究

史永剛1，文 昊2，3，徐萬里3，粟 斌3

(1.后勤工程學(xué)院訓(xùn)練部，重慶 401311；2.后勤工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)；3.中國人民解放軍總后勤部油料研究所)

為節(jié)約試驗(yàn)成本和臺(tái)架試驗(yàn)前對(duì)油品進(jìn)行初步篩選，利用SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)與WS2001變速箱同步器臺(tái)架考察了手動(dòng)變速箱油與同步器適應(yīng)性，并探討了兩種評(píng)價(jià)方法間的相關(guān)性。試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)油的SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大小及變化趨勢(shì)、磨痕與WS2001變速箱同步器臺(tái)架摩擦因數(shù)大小及變化趨勢(shì)、磨損情況之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系，而與WS2001同步換擋壽命的關(guān)系不明顯；通過試驗(yàn)油在SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上的表現(xiàn)可對(duì)其在WS2001變速箱同步器臺(tái)架的運(yùn)行情況和失效形式做出判斷。ASTM D6425法和變頻法測得SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大于0.131，且后期保持穩(wěn)定或上升趨勢(shì)的油品，WS2001臺(tái)架的摩擦因數(shù)也較高且運(yùn)行穩(wěn)定；摩擦因數(shù)初值大于0.110，但隨頻率增大而迅速下降到0.090附近的油品，WS2001變速箱同步器臺(tái)架前期運(yùn)行平穩(wěn)，但后期易出現(xiàn)打齒現(xiàn)象。SRV-Ⅳ磨痕面積大于1.394 mm2，磨斑深度在4.43 μm以上，表現(xiàn)明顯犁溝現(xiàn)象的油品，易引起同步器磨損失效。

同步器 臺(tái)架 摩擦特性 相關(guān)性 變速箱齒輪油

潤滑劑的摩擦特性是指某種潤滑劑在特定摩擦副中，于不同工況條件下的摩擦因數(shù)變化規(guī)律，掌握潤滑劑的摩擦特性對(duì)于潤滑劑的選擇和使用具有重要意義。對(duì)手動(dòng)變速箱油而言，摩擦特性直接影響同步器使用壽命和使用性能[1-2]，低摩擦力矩會(huì)導(dǎo)致?lián)Q擋困難，易導(dǎo)致打齒失效，抗磨性能差會(huì)加劇摩擦副磨損，進(jìn)而引起磨損失效。

為評(píng)定手動(dòng)變速箱油的摩擦特性，研究者針對(duì)我國手動(dòng)變速箱同步器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用實(shí)際研制了WS2001變速箱同步器試驗(yàn)油評(píng)定試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手動(dòng)變速箱油的摩擦特性評(píng)價(jià)[3]。臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)間長，成本高，因此有必要研究臺(tái)架與摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的相關(guān)性。

試驗(yàn)室常用來評(píng)價(jià)試驗(yàn)油摩擦特性的模擬試驗(yàn)機(jī)有四球機(jī)、法萊克斯試驗(yàn)機(jī)(Falex)、MM-200磨損試驗(yàn)機(jī)(Amsler)和SRV-Ⅳ型摩擦試驗(yàn)機(jī)等。四球試驗(yàn)機(jī)和MM-200磨損試驗(yàn)機(jī)均是模擬點(diǎn)接觸的摩擦形式，分別通過四球長磨磨斑直徑大小和潤滑油摩擦因數(shù)來表征潤滑油摩擦特性好壞；法萊克斯試驗(yàn)機(jī)模擬線接觸形式下的潤滑油摩擦和磨損性能，通過磨損齒數(shù)來表征潤滑油摩擦特性好壞[4]；SRV-Ⅳ型摩擦試驗(yàn)機(jī)能模擬多種接觸形式，試驗(yàn)溫度范圍寬，可通過摩擦因數(shù)、磨斑大小、磨痕深度指標(biāo)評(píng)價(jià)試驗(yàn)油的摩擦特性[5-6]。

同步器之間接觸形式是面接觸，摩擦形式為滑動(dòng)摩擦[7]。上述各型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)中，研究者多關(guān)注各變速箱臺(tái)架與SRV-Ⅳ型摩擦試驗(yàn)機(jī)之間的相關(guān)性。張繼平等[8-9]指出SSP-180 FZG試驗(yàn)臺(tái)與SRV-Ⅳ型摩擦試驗(yàn)機(jī)之間具有較好的相關(guān)性，結(jié)果表明SRV-Ⅳ試驗(yàn)條件下，摩擦因數(shù)大于0.115且保持平穩(wěn)或上升趨勢(shì)，同時(shí)具有較小磨斑的試驗(yàn)油，可以通過SSP-180 FZG試驗(yàn)臺(tái)。孫德志[10]與一汽集團(tuán)技術(shù)中心合作研制了一種新試驗(yàn)臺(tái)，并研究了該試驗(yàn)臺(tái)與SRV-Ⅳ型試驗(yàn)臺(tái)之間的相關(guān)性。蔡繼元等[11]根據(jù)需要改進(jìn)了MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，研究了其與MACK循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)的相關(guān)性，并建立了相應(yīng)的快速試驗(yàn)方法，改進(jìn)后的MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)與SRV-Ⅳ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)類似。國外也有關(guān)于摩擦試驗(yàn)機(jī)之間的相關(guān)性報(bào)道[12]。

為節(jié)約試驗(yàn)成本，臺(tái)架試驗(yàn)前常需要對(duì)手動(dòng)變速箱油進(jìn)行初步篩選，本研究基于WS2001變速箱同步器臺(tái)架，探究SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)與WS2001變速箱同步器臺(tái)架在手動(dòng)變速箱油的摩擦特性評(píng)定中的相關(guān)性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和WS2001變速箱同步器臺(tái)架的試件形式、潤滑方式及試驗(yàn)條件等參數(shù)見表1。

表1 SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)與WS2001變速箱同步器臺(tái)架對(duì)比

1.2 試驗(yàn)油

目前重載車輛變速箱油為質(zhì)量等級(jí)GL-5的齒輪油，同時(shí)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)油有時(shí)也用于變速箱中，故試驗(yàn)選取GL-5 75W/90重負(fù)荷齒輪油和同質(zhì)量等級(jí)的75W/90重負(fù)荷多效齒輪油、80W/90重負(fù)荷多效齒輪油、80W/140重負(fù)荷多效齒輪油以及CF-4 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)油、SJ/CD 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)通用油為試驗(yàn)油品。

2 結(jié)果與討論

WS2001變速箱同步器臺(tái)架試驗(yàn)按照文獻(xiàn)[3]中的試驗(yàn)要求和試驗(yàn)流程，使用成套的同步器試驗(yàn)件評(píng)價(jià)手動(dòng)變速箱同步器耐久性，當(dāng)潤滑油的同步換擋性能發(fā)生變化時(shí)，通過摩擦因數(shù)的動(dòng)態(tài)測量與同步器磨損量來判斷試驗(yàn)油的摩擦特性。按照ASTM D6425和變頻法在SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上評(píng)定試驗(yàn)油的摩擦磨損性能。對(duì)比SRV-Ⅳ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)與WS2001變速箱同步器臺(tái)架對(duì)不同試驗(yàn)油的試驗(yàn)結(jié)果，考察二者的相關(guān)性。

2.1 摩擦因數(shù)變化

WS2001變速箱同步器臺(tái)架試驗(yàn)相互接觸的摩擦副運(yùn)行方式為滑動(dòng)。為了考察試驗(yàn)油在滑動(dòng)條件下的摩擦性能，分別用WS2001變速箱同步器臺(tái)架和SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察6種試驗(yàn)油的摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)，結(jié)果見圖1。

圖1 試驗(yàn)油在SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和WS2001變速箱同步器臺(tái)架上的摩擦因數(shù)變化■—GL-5 75W/90重負(fù)荷齒輪油；●—75W/90重負(fù)荷齒輪油；▲—CF-4 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)油；/CD 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)通用油；◆—80W/90重負(fù)荷多效齒輪油；/410重負(fù)荷多效齒輪油

由圖1(a)可知：SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)中CF-4 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)油和SJ/CD 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)通用油試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)大于0.131，隨摩擦?xí)r間的增加略有上升，明顯高于試驗(yàn)齒輪油，且其摩擦因數(shù)在試驗(yàn)后期(90 min以后)趨于穩(wěn)定；齒輪油試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)數(shù)值接近，均隨摩擦?xí)r間的增加而下降，試驗(yàn)后期摩擦因數(shù)在0.080～0.10范圍并趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)油具有良好的摩擦因數(shù)保持能力，摩擦力矩穩(wěn)定，有利于同步器長期平穩(wěn)運(yùn)行；齒輪油之間具有相似的摩擦特性，摩擦力矩相近，后期試驗(yàn)時(shí)摩擦因數(shù)在0.080～0.10范圍內(nèi)，在試驗(yàn)?zāi)┢诳赡懿荒芴峁┳銐虻哪Σ亮亍?/p>

由圖1(b)可知：不同頻率下發(fā)動(dòng)機(jī)油試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)隨頻率變化趨勢(shì)一致，且數(shù)值大于0.131，在頻率大于60 Hz后，摩擦因數(shù)略有上升；各齒輪油試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，摩擦因數(shù)初值大于0.110，而后隨頻率增大而迅速下降到接近0.090?？梢娫诓煌l率(即不同滑動(dòng)速度)下發(fā)動(dòng)機(jī)油具有良好的摩擦特性，摩擦力矩較大，有利于同步器完成同步過程。

由圖1(c)可知，WS2001變速箱同步器臺(tái)架試驗(yàn)中各試驗(yàn)油試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)隨換擋次數(shù)增加而下降，且CF-4 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)油和SJ/CD 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)通用油試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)明顯高于齒輪油試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)，且表現(xiàn)平穩(wěn)；不同齒輪油試驗(yàn)時(shí)摩擦因數(shù)大小和變化趨勢(shì)較接近，但在試驗(yàn)中期出現(xiàn)波動(dòng)，且試驗(yàn)?zāi)┢谀Σ烈驍?shù)驟降，表明臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)┢邶X輪油運(yùn)行不平穩(wěn)。

由圖1(c)可得不同油品換擋壽命由長到短的順序?yàn)椋?5W/90重負(fù)荷多效齒輪油> 80W/90重負(fù)荷多效齒輪油>80W/140重負(fù)荷多效齒輪油>CF-4 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)油>GL-5 75W/90重負(fù)荷齒輪油>SJ/CD 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)通用油。易知SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大的油品，換擋壽命未必大或小，即油品的換擋壽命與SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大小和變化趨勢(shì)無相關(guān)性。

由以上分析可知，SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)與WS2001變速箱同步器臺(tái)架摩擦因數(shù)大小及變化趨勢(shì)之間存在相關(guān)性，而與油品換擋壽命無相關(guān)性。以ASTM D6425法和變頻法測得SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大于0.131，且后期保持穩(wěn)定或上升趨勢(shì)的油品，能保證其在WS2001變速箱同步器臺(tái)架上能更穩(wěn)定運(yùn)行；而摩擦因數(shù)初值大于0.110，但隨頻率增大而迅速下降到0.090附近的油品，WS2001變速箱同步器臺(tái)架前期運(yùn)行平穩(wěn)，但后期出現(xiàn)打齒現(xiàn)象。

2.2 摩擦副磨損情況

摩擦副磨損是反映油品與同步器適應(yīng)性好壞的重要指標(biāo)，對(duì)兩種試驗(yàn)機(jī)條件下的磨損情況進(jìn)行考察，結(jié)果見圖2。圖3是圖2中銅滑塊初現(xiàn)磨損和劇烈磨損時(shí)的銅滑塊以15J10000318測量顯微鏡(25X)測定的照片，圖4和圖5分別是利用NanoMap-D三維形貌儀測得的SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)鋼球表面三維形貌和磨痕深度變化。

由圖2可知：SRV-Ⅳ盤面磨痕面積與WS2001同步器磨損量之間成正相關(guān)關(guān)系，SRV-Ⅳ盤面磨痕面積大，對(duì)應(yīng)的同步器磨損量也大。圖3中，75W/90重負(fù)荷多效齒輪油在WS2001同步器表現(xiàn)為初現(xiàn)磨損，有輕微的磨損面，且滑塊中心完整[見圖3(a)]，對(duì)應(yīng)的SRV-Ⅳ磨痕面積為1.394 mm2；CF-4 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)油和SJ/CD 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)通用油在同步器臺(tái)架表現(xiàn)為劇烈磨損，出現(xiàn)磨損卷層，具有較明顯磨損面(見圖3(b))，對(duì)應(yīng)的SRV-Ⅳ磨痕面積大于2.148 mm2。

圖2 試驗(yàn)油在兩種試驗(yàn)機(jī)上的摩擦副磨損量■—SRV-Ⅳ磨痕面積；■—WS2001磨損量a—GL-5 75W/90重負(fù)荷齒輪油; b—75W/90重負(fù)荷多效齒輪油;c—80W/90重負(fù)荷多效齒輪油; d—80W/140重負(fù)荷多效齒輪油;e—CF-4 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)油; f—SJ/CD 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)通用油

圖3 銅滑塊組件典型磨損

由圖4和圖5可知：GL-5 75W/90重負(fù)荷齒輪油的磨斑形貌較規(guī)則，沒有明顯的犁溝，深度為3.19 μm，其余重負(fù)荷多效系列齒輪油的磨斑表面均出現(xiàn)不同程度的犁溝，其中75W/90重負(fù)荷多效齒輪油有較明顯犁溝，且磨斑深度為齒輪油中最大，為4.43 μm，齒輪油臺(tái)架試驗(yàn)均表現(xiàn)為打齒失效；CF-4 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)油和SJ/CD 15W/40發(fā)動(dòng)機(jī)通用油的磨斑犁溝現(xiàn)象更嚴(yán)重，深度可達(dá)5.01 μm，二者臺(tái)架試驗(yàn)均表現(xiàn)為磨損失效。同時(shí)油品對(duì)SRV-Ⅳ試驗(yàn)件的磨損情況與同步器臺(tái)架換擋壽命之間未見明顯關(guān)系。

圖4 試驗(yàn)油的SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)三維形貌

由以上分析可知，試驗(yàn)油在SRV-Ⅳ上的磨痕面積和磨斑深度與WS3002同步器臺(tái)架試驗(yàn)的磨損量和臺(tái)架失效形式之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，而與換擋壽命無相關(guān)性。SRV-Ⅳ磨痕面積大于1.394 mm2，磨斑深度在4.43 μm以上，表現(xiàn)明顯犁溝現(xiàn)象的油品，WS2001變速箱同步器臺(tái)架試驗(yàn)也易出現(xiàn)磨損，且表現(xiàn)為磨損失效。

圖5 試驗(yàn)油的SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)グ呱疃?/p>

3 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)油SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大小及變化趨勢(shì)與WS2001變速箱同步器臺(tái)架摩擦因數(shù)大小及變化趨勢(shì)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。ASTM D6425法和變頻法測得SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大于0.131，且后期保持穩(wěn)定或上升趨勢(shì)的油品，在WS2001變速箱同步器臺(tái)架上能穩(wěn)定運(yùn)行；摩擦因數(shù)初值大于0.11，但隨頻率增大而迅速下降到0.090附近的油品，前期運(yùn)行平穩(wěn)，后期易出現(xiàn)打齒現(xiàn)象。

(2) SRV-Ⅳ磨痕與WS2001變速箱同步器臺(tái)架磨損情況間有一定的對(duì)應(yīng)性。SRV-Ⅳ磨痕大于1.394 mm2，磨斑深度大于4.43 μm，且存在明顯的犁溝的油品，其WS2001變速箱同步器臺(tái)架試驗(yàn)易磨損失效，磨損量較大。

(3) SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)和磨損情況與WS2001變速箱同步器臺(tái)架換擋壽命無相關(guān)性。

(4) 通過手動(dòng)變速箱油SRV-Ⅳ摩擦因數(shù)大小及變化趨勢(shì)、磨痕情況可以判斷試驗(yàn)油在WS2001變速箱同步器臺(tái)架的表現(xiàn)和失效形式。

[1] 徐萬里，趙巍，粟斌.變速箱同步器的研究進(jìn)展[J].機(jī)械傳動(dòng)，2012，36(8)：128-132

[2] 文昊，史永剛，徐萬里，等.變速箱同步器油摩擦性能評(píng)價(jià)技術(shù)發(fā)展[J].廣東化工，2015，42(18)：90-92

[3] 趙巍，徐萬里，徐曦萌，等.潤滑油與變速箱同步器相適應(yīng)性評(píng)定技術(shù)研究進(jìn)展[J].機(jī)械傳動(dòng)，2015(2)：166-170

[4] 宋世遠(yuǎn)，李子存，陳國需，等.油料模擬臺(tái)架試驗(yàn)[M].2版.北京：中國石化出版社，2012：157-215

[5] 王淵淵，熊春華，喬小溪，等.基于SRV的潤滑油高溫潤滑性能測試方法的研究[J].潤滑與密封，2011，36(8)：35-37

[6] ANSI/ASTM D6425a-2002.Test Method for Measuring Friction and Wear Properties of EP Lubricating Oils Using the SRV Test Machine[S].2002

[7] 張學(xué)明.重載變速箱同步器齒輪油摩擦特性對(duì)比分析研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013

[8] 張繼平，糜莉萍，張紅奎.手動(dòng)變速箱油摩擦特性與同步耐久性關(guān)系初探[J].石油煉制與化工，2013，44(12)：86-90

[9] 水琳，李萬英，薛群基.車輛手動(dòng)變速箱油的摩擦學(xué)性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(2)：179-183

[10]孫德志.重型車變速器潤滑試驗(yàn)臺(tái)的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2006

[11]蔡繼元，張寬德.評(píng)定汽車手動(dòng)變速箱油摩擦耐久性試驗(yàn)方法研究[C]//2003年潤滑油科技情報(bào)站年會(huì)論文集，2003：269-276

[12]Walker P D，Zhang N.Investigation of synchronizer engagement in dual clutch transmission equipped powertrains[J].Journal of Sound and Vibration，2012，331(6)：1398-1412

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。

史永剛，教授，博士生導(dǎo)師，從事石油產(chǎn)品測試技術(shù)和性能評(píng)定等方面的教學(xué)和研究工作。

史永剛，E-mail：ygshi@126.com。

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(NSFC 21206204)；全軍后勤科研計(jì)劃項(xiàng)目(油20090109)。