提升驱动桥换油里程的润滑油试验研究

任军锋

(北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心，北京 101400)

提升驱动桥换油里程的润滑油试验研究

任军锋

(北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心，北京 101400)

通过车桥润滑油(齿轮油)试验对比，分析润滑油运动黏度，S、P、Fe含量变化对油品性能和齿轮磨损的影响。通过试验说明了GL-5重载负荷车辆齿轮油85W/90GL-5+和80W/90可以满足驱动桥10×104km长换油周期的要求，可以延长齿轮的使用寿命、降低用户的维护成本、提升整车的市场竞争力。

驱动桥；润滑油；换油里程；试验研究

0 引言

近代汽车后桥传动装置多采用双曲线(或双曲面)齿轮，须采用双曲线齿轮油，即重负荷车辆齿轮油。重负荷车辆齿轮油是润滑性能要求最高的汽车齿轮润滑材料。双曲线齿轮在传动时，齿与齿之间的接触面积不大，而咬合部位的单位压力很高，一般汽车的单位压力在3 000～4 000 MPa。在运行过程中由于齿面摩擦使油温上升，油膜破坏造成齿轮磨损。另外受外界环境的影响(如气温、灰尘等)，需要润滑油具有适宜的黏度、低温流动性、抗极压性、热稳定性、抗磨损性、抗乳化性和抗泡沫性等。

GL-5重载负荷车辆齿轮油目前是中国市场车辆用齿轮油的主要产品。GL-5重载负荷车辆齿轮油主要由3个黏度级别组成：85W/90适用于环境温度-15 ℃以上的一般地区全年通用；80W/90适用于环境温度-30 ℃以上寒冷地区全年通用；75W/90适用于环境温度-30 ℃以下寒冷地区全年通用。随着添加剂水平的不断提高，目前重载负荷车辆齿轮油的使用向着与车辆同寿命的方向发展[1]。

车辆齿轮油质量等级发展主要与极压抗磨添加剂的类型等有密切关系。早期，在车辆齿轮油中，以硫化矿油或硫化动植物油和环烷酸铅或氯化石蜡等添加剂为主，即所谓S-P型或S-Cl-Pb型车辆齿轮油。随着负荷和抗擦伤性能的提高，从含磷酸酯类抗磨添加剂的S-P-Cl型，引入二烷基二硫代磷酸锌类添加剂，成为S-P-Cl-Zn四元素添加剂型。由于以后热氧化安定性要求更苛刻，出现S-P型车辆齿轮油。迄今已有了第二代、第三代S-P型车辆齿轮油，其热氧化安定性、抗极压性、水解稳定性、耐冲击负荷等全面性能得到明显的提高[2]。

如何正确地确定车轮油换油周期(里程)，一直是科研者努力解决的课题。作者从台架试验油样的运动黏度，添加剂S、P元素含量变化，磨损颗粒Fe元素含量变化的数理统计分析；零部件拆检分析；整车试验数据统计分析着手，提出了适用于GL-5重载负荷车辆齿轮油85W/90和80W/90两种黏度级别的合理换油周期。

1 试验研究方案

1.1 试验油品

试验选择了重载负荷车辆齿轮油85W/90GL-5、85W/90GL-5+和80W/90，其中85W/90GL-5、85W/90GL-5+是中石油生产的矿物油，80W/90是壳牌公司生产的半合成油。油品质量指标均符合GB 13895-1992标准。

1.2 台架试验

因此试验研究主要针对驱动桥(469车桥)，故制定台架试验方法时参考了QC/T 533-1999标准，具体方法见表1。通过台架试验，选择出两种质量指标较优的油品进行整车道路试验。

表1 GL-5重载负荷车辆齿轮油台架试验方案

备注：Mp(N·m)为额定扭矩。

1.3 整车试验

整车道路试验选择牵引车型，试验路线在珠三角、长三角和云贵川地区，每种路线5辆车进行试验，具体试验策划见表2。根据台架试验数据及分析结果，选择出85W/90GL-5+和80W/90两种油品进行整车道路试验(具体分析过程见第2.1.4节台架试验结果分析)。

表2 GL-5重载负荷车辆齿轮油整车道路试验方案

2 试验数据与分析

2.1 台架试验数据与分析

2.1.1 油品的配置

(1)85W/90GL-5：是由二类、一类基础油和b复合剂调制而成。

(2)85W/90GL-5+：是由二类、三类基础油和a复合剂调制而成。

(3)80W/90：是由壳牌生产的GTL基础油、二类基础油、复合剂调制而成。

说明：基础油抗氧化能力由低至高依次为一类、二类、三类、PAO；GTL基础油的性能介于3类基础油与PAO之间；a复合剂的计量大于b复合剂。

2.1.2 台架试验后零部件拆检分析

车桥齿轮箱摩擦学系统就像一个黑箱，有输入、输出。采用油液监测特征信息提取，通过对油液的检测分析判别油品的使用情况及齿轮摩擦副的磨损状态，此方法是间接方法。为了得到有效的补充信息，对试验后的车桥进行拆检，观察齿轮副的磨损状况。

(1)85W/90GL-5油品在做完齿轮耐久性试验后，油颜色很黑，黏稠，零部件表面上有大量油泥沉积和铁屑，且臭味很大，见图1。

图1 85W/90GL-5油品试验后照片

(2)85W/90GL-5+和80W-90油品在做完齿轮耐久性试验后，油颜色清澈，零部件表面无大面积的油泥沉积，齿面光亮，见图2、3。

图2 85W/90GL-5+油品试验后照片

图3 80W/90油品试验后照片

2.1.3 台架试验油样检测数据

按照台架试验策划方案进行试验并取样检测，绘制数据曲线图，详见图4—7。85W/90GL-5型润滑油运动黏度随试验转数的增加呈上升趋势，符合试验观察到油黏稠的现象；85W/90GL-5+与80W/90型润滑油黏度变化不大。

从图5可以看出：Fe含量随试验转数增加呈上升现象，85W/90GL-5型润滑油Fe含量增加尤为明显，85W/90GL-5+与80W/90型润滑油Fe含量的增加属于正常磨损。

图4 100 ℃运动黏度变化

图5 Fe含量变化

图6 S 含量变化

图7 P 含量变化

活性S与P在齿轮油中充当极压与抗磨的作用，S、P含量的降低将导致齿轮油的极压、抗磨作用大大降低， S、P含量的降低也从侧面说明：由于油品的氧化，齿轮油大分子链团聚，形成不溶物，齿轮油中的活性S、P被不溶物包裹沉积，导致S、P含量降低。

2.1.4 台架试验结果分析

85W/90GL-5油品抗氧化能力差，在使用过程中，齿轮油中分子链团聚，形成不溶物，油品黏度上升，大量不溶物包裹齿轮油中活性S、P，磨损的Fe、Cu等元素形成油泥，齿轮油中活性S、P降低，其极压抗磨性能随之降低，极易造成齿轮擦伤、磨损等。

85W/90GL-5+和80W/90油品的抗氧化能力强，S、P元素含量稳定，对齿轮的保护能力强。从试验结果来看：85W/90GL-5+和80W/90重载负荷车辆齿轮油基本满足驱动桥长周期换油的要求，可进行整车道路试验再验证。

2.2 整车道路试验数据分析

适当的运动黏度对齿面承载能力起到重要作用，通过运动黏度的变化可以间接了解其抗氧化能力,通过Fe含量的检测可以了解齿轮的磨损情况，故整车道路试验通过检测油样的运动黏度和Fe含量来判断油品质量。

2.2.1 整车道路试验数据

整车道路试验数据如表3所示。

表3 整车道路试验数据

2.2.2 整车道路试验数据分析

从整车试验数据来看：80W/90和85W/90GL-5+型齿轮油在完成10×104km整车路试中，取样检测的结果显示运动黏度和Fe含量均低于换油指标要求。整车道路试验证明80W/90和85W/90GL-5+型齿轮油能够满足重载车辆驱动桥10×104km换油周期的要求。

3 换油周期的确定

目前，重载负荷车辆齿轮油没有换油周期的标准和依据,只有通过监测油液的质量指标变化信息，对这些数据信息进行分类、组合、关联，并与已有的监测诊断经验(或知识)相联系，进行推理和匹配，才能找到合理的油品换油周期。

所以文中采用了如下确定换油周期的判断方法：

(1)油品质量指标随台架试验转数和行驶里程的变化特征，是衡量齿轮油整体使用状况的标尺。

(2)试验后油样中金属元素(Fe)总含量分析。

(3)添加剂S、P含量变化分析。

(4)试验后驱动桥主减速器拆检的磨损状况分析。

通过对上述4点的试验研究表明:85W/90-5+(中石油生产的)和80W/90(壳牌生产)GL-5重载负荷车辆齿轮油经台架试验验证，及整车道路行驶10×104km时，齿轮摩擦副的磨损状态正常，车辆工作性能稳定，油品仍具有良好的使用性能。因此，综合文中试验研究分析结果，使用GL-5重载负荷车辆齿轮油85W/90-5+和80W/90可以提升驱动桥换油里程至10×104km。

4 使用车辆齿轮油注意事项

(1) 普通车辆齿轮油不能取代中、重负荷车辆齿轮油用于双曲线齿轮，也不能混存混用。否则会引起设备磨损，缩短使用寿命。

(2)要根据使用环境选择适当黏度级号的油品，确保高低温工作条件下的润滑要求。

(3)防止混入水分和杂质。

(4) 要适时更换新油。换用不同牌号油品时，应将齿轮箱清洗干净再充入新油，充油量要适当。

5 车辆齿轮油的发展趋势

GL-5仍是当前国内外使用的最高档次车辆齿轮油。随着研究工作的深入及国产添加剂水平的提高，齿轮油加剂量越来越少，性能越来越高，具备相当市场竞争能力。

5.1 提高经济性，降低成本

近20年来，随着添加剂质量的提高，添加剂配方技术取得长足进步，配方组成更加完善、合理，各项性能指标不断提高，剂量不断下降，经济性进一步提高。从美国Lubrizol公司车辆齿轮油复合剂的添加量就可以看出这一发展趋势：从早期Anglamol2000的8.5%，经过A-6043的7.0%、A-99的6.5%等，直到现在A-6085的4.8%。

5.2 齿轮油的低黏度化趋势

为了节约机械设备和车辆传动机构中齿轮润滑的燃料与动力消耗，世界各国都在积极研究与开发低黏度齿轮油。齿轮油的发展方向是低黏度和长寿命。降低黏度可带来一系列好处：首先可减少摩擦阻力，降低动力消耗。有资料显示，齿轮油的黏度降低一个级别，可节能1%～5%；改善低温流动性，可省掉润滑油循环系统中的设备，节省加热的必要能源；有利于散热，冷却部件；提高润滑油的渗透性，易于进到必要的润滑部位。

5.3 新一代车辆齿轮油

汽车工业的发展推动了车用润滑油的进步。卡车载荷的增加使得驱动桥齿轮传动功率增加，而驱动桥齿轮的几何尺寸并没有很大的变化，导致齿面压力增加，这要求车辆齿轮油有更大的承载能力。汽车车体设计不断改进，使空气动力学性能更趋合理，汽车行驶时空气阻力减小，流过驱动桥外壳表面的空气流量减少，散热性能变差，齿轮油的热负荷增加，这要求齿轮油有更好的热氧化安定性。国外汽车制造厂对驱动桥和变速箱设备的保险期提高至12×104km，与此相关，要求提高车辆齿轮油寿命。

6 总结

采用驱动桥台架试验和整车道路试验方法对GL-5重载负荷车辆齿轮油进行了试验研究，通过对润滑油的运动黏度，S、P、Fe含量变化及齿轮磨损状况进行分析，可知中石油生产的85W/90GL-5+和壳牌公司生产的80W/90型重载负荷车辆齿轮油可以满足驱动桥10×104km长换油周期的要求。这样可以延长齿轮的使用寿命，降低用户的维护成本，提升整车的市场竞争力。

【1】赵巍,栗斌,周新聪,等.GL-5重负荷车辆齿轮油换油周期研究[J].润滑油,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,许淑艳.GL-4中负荷车辆齿轮油的标准化[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】车用润滑油编委会.车用润滑油[M].北京：石油工业出版社,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

任军锋(1979—)，男，工程师，研究方向为车辆底盘系统检测与评价。E-mail:renjunfeng1727@sina.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.016

U473.6

B

1674-1986(2017)05-071-05