商用车手动变速箱油评价体系研究进展

李小刚，张遂心，丁芳玲

(中国石油润滑油公司昆仑润滑检测评定中心，甘肃 兰州 730030)

0 引言

近年来，在市场需求发生重大变化的背景下，各重型卡车企业都不约而同地将产品研发的重中之重转向了动力总成的升级换代。主要体现在重型变速器的应用正在增多，同步器技术广泛普及[1]。于是各重型卡车企业对变速箱专用油(Manual Transmission Fluid，简称MTF)也提出了苛刻的要求。

MTF是一种专门用于手动变速箱的齿轮油，其要求具有优良的承载能力、抗擦伤能力、防腐防锈性能、氧化安定性及良好的油耗表现。同时由于各大OEM制造的重型变速器之间也具有差异化，因此他们对手动变速箱油的性能要求也不尽相同。本文根据调研商用车手动变速箱的市场需求展开论述商用车手动变速箱油评价体系的研究进展。

1 国内商用车市场现状

通过对国内外的情况分析来看，在未来的几年或十几年中，传统的 MT仍将是我国重型卡车装车率最大的主流产品[2]。

商用车目前发展良好，2021年上半年，随着我国疫情的逐步控制，商用车行业进一步回暖，上半年全国商用车总产量为273.0万辆，同比增长15.7%;商用车销量为288.4万辆，同比增长20.9%。从商用车销量占汽车总销量的比重来看，2015年以来，我国商用车市场份额持续提升，从2015年的14.0%提升至2020年的20.3%。2021年上半年，我国商用车销量占比进一步提升至22.4%。根据《中国汽车行业市场前景及投资机会研究报告》数据显示，截止2021年6月，重卡销量详细如表1所示。

表1 商用车市场形式分析

2 国外商用车手动变速箱油评价体系研究现状

欧洲，作为商用车变速箱行业的领导者，有约57%的商用车变速箱为手动变速箱，其中约有90%带有同步器。欧洲地区山路较多，换挡频繁，换挡次数约是北美的4倍。因此对手动变速箱油要求具有优良的承载能力、抗点蚀性能、热氧化安定性以及良好的同步器换挡性能等。

2.1 同步器啮合性能

同步器啮合性能作为手动变速箱重要性能被很多国外研究学者进行广泛研究。北美主要采用的是《手动变速箱油热安定性循环耐久性试验方法》即ASTM D5579-01对变速箱油同步耐久性的评价[3]。该方法采用MACK 循环耐久性试验台评价手动变速箱油的循环耐久性，所用变速箱为Mack T2180，变速箱内所用同步器为由导向盘、摩擦片及同步离合器组成的片式同步器。随着同步器技术的发展，目前各大OEM所用的同步器为惯性锁环式同步器，在摩擦副材料、表面纹理和接触形式等方面与MACK循环试验件之间存在差异，因此，该方法适用于片式同步器用油摩擦性能的评定。因此，MACK循环试验已经从SAE J2360标准中删除。

欧洲与北美变速箱技术和结构存在差异，同步啮合耐久性评定，欧洲采用CEC L-66-99《同步啮合耐久性评定方法》[4]。该方法采用SSP-180 同步啮合试验台评价手动变速箱油的同步器性能，该试验台由慕尼黑技术学院齿轮与变速器工程实验室开发，主要用于 FVA 同步器项目标准试验研究。该试验台直接以变速箱内同步器作为试验的研究部件，通过同步环的磨损率、摩擦系数和换挡次数等来评价手动变数器同步器耐久性、抗磨损性能和同步器组件或润滑剂性能。适用于乘用车和商用车不同类型的同步器用油的评定。

2.2 热氧化安定性能

美国材料与试验协会制定的ASTM D5704-00a《测定手动变速箱和后桥用润滑油热氧化安定性的试验方法》因其与车辆传动系实际工况比较接近而被各大OEM规格广泛引用，用来评价手动变速箱油的热氧化安定性[5-9]。

ZF规格和沃尔沃规格对手动变速箱油热氧化安定性方面要求均采用CEC-L-48-A-00 App.B(120 ℃、192 h)通过评价试验前后油品的100 ℃黏度增长、斑点、油泥、氧化峰值来评价油品的氧化安定性。

美国API MT-1规格要求采用ASTM D5706(L-60-1)通过评价试验前后油品的100 ℃黏度增长、甲苯不容物、戊烷不容物、积炭、油泥评分来评价手动变速箱油和后桥油的热氧化安定性。

2.3 抗点蚀性能

齿轮油的抗点蚀性能主要研究领域为工业齿轮油，但随着车辆齿轮油的发展，开始有OEM关注车辆齿轮油的抗点蚀性能。国外Waldemar Tuszynski在《Effect of ageing automotive gear oils on scuffing and pitting》中讲到：在HANSA四球机上采用四球为试验件在1450 r/min，5886 N下进行点蚀试验，该方法被大众作为内部油品认证试验。同时该文献中在评价点蚀试验时也采用EHD油膜厚度试验仪评价油品的油膜厚度，因为点蚀的出现和油品黏度的降低是有一定关系的。雅富顿的T.C.Jao博士等人在《Effects of viscosity and surface roughness on gear contact tribological layers》中介绍：采用FZG齿轮机采用FVA_2IV进行油品抗点蚀性能研究，该方法被沃尔沃规格纳入认证体系。而ZF的规格中有自己的评价点蚀的试验方法，在FZG齿轮机上，但试验条件与FVA_2IV不同[10]。

2.4 承载性能

手动变速箱油的承载性能是其重要性能之一。Boris Krzan在《Load-carrying capacity of WC/C-coated gears lubrucated with a low-viscosity oil》中介绍了在FZG齿轮机上采用碳化钨涂层的齿轮，依据ASTM D5182试验方法考察低黏度合成型齿轮油的承载能力，结果显示：碳化钨涂层的齿轮抗胶合能力要比FZG标准涂层齿轮的抗胶合能力强[11]。

2.5 传动效率

目前，国外对手动变速箱油传动效率方面研究的文章较多。Kentaro Matsuzaki and Toyokazu Yamamoto[7]在《Development of a new Fuel-Efficient Manual Transmission Oil》中介绍在研究新型燃油经济性手动变速箱油中采用EHD油膜厚度试验仪测试相同黏度级别不同黏度指数油品的油膜厚度，并采用FZG测试油品的抗点蚀性能，因为黏度对燃油经济性有较大的影响，黏度越低，燃油经济性好，但对于手动变速箱来讲，低黏度的油品在齿轮表面形成的油膜较薄，容易引发点蚀的形成，这就是该文献从EHD油膜厚度和FZG齿轮点蚀性能测试的原因。

Dipl.lng.Rolf Kruttgen在《手动变速箱燃油经济性的挑战与机遇》中介绍：手动变速箱对整车燃油经济性的影响高到3%至5%，因此低黏度手动变速箱油的开发将是发展趋势。该文献测试低黏度手动变速箱油的燃油经济性方面主要采用的是手动变速箱测试台以及EHD油膜厚度试验机。并且给出EHD油膜厚度试验机是研究低黏度手动变速箱油较好设备的结论。

3 国内商用车手动变速箱油评价体系研究进展

中国与欧洲情况类似，都是山路较多，换挡频繁，同步器使用率较高，但是用油标准很混乱，没有完善的商用车同步手动变速箱油标准。法士特刘守江在《重负荷手动变速箱齿轮油发展趋势及原因分析》中介绍了：随着手动变速箱制造水平的不断提高，长换油里程作为润滑油性能的重要指标；在重载低速爬坡等极端工况下，变速箱齿轮易产生点蚀剥落等失效现象。因此，国内商用车手动变速箱油需要突出的重点性能有：齿轮抗点蚀、承载性能，同步器性能以及长换油里程。

张超等人[1]在《商用车手动变速箱发展趋势》中介绍：在手动变速箱油性能要求方面，各大OEM根据自身变速箱的特点建立了相应的规格，影响力较大的有：ZF规格、沃尔沃规格及MT-1规格。而满足MT-1规格的油品适用于不带同步器的重型卡车和客车的手动变速器，早期在我国、北美被广泛引用。但随着变速箱技术的发展，我国手动变速箱已有90%以上为带有同步器的手动变速箱，因此，MT-1规格早已不能满足实际用油需求。

我国在变速箱油评定技术方面尚在起步阶段，重点关注的油品性能如下。

3.1 同步器性能

文昊，史永刚等人[4]在《变速箱同步器油摩擦性能评价技术发展》中写道：同步器是变速箱传动系统关键润滑部件之一，为其提供润滑的变速箱油除了要求良好的低温流动性、剪切性、抗氧化、热稳定性能等基础性能之外，还要满足长效性、抗抖动性、牵引能力和内摩擦性等特殊性能要求，以满足同步器换挡的要求。

向权力，刘晓雷，刘守江等人[12]在《润滑措施对重型手动变速箱寿命影响分析》中写道：手动变速箱润滑油的作用是在齿轮啮合表面形成润滑油膜，从而避免齿轮传动过程中出现硬摩擦，并通过其流动性带走齿轮啮合过程以及同步器同步过程中产生的热量及因磨损产生的铁屑，防止出现二次磨损。同时文献也指出因润滑油失效导致的变速箱典型的故障有齿面点蚀、同步器摩擦材料磨损、脱落、油泥沉积导致的油封失效等问题日渐显著。

3.2 抗点蚀性能

随着节能型手动变速箱油的发展，油品的抗点蚀性能更被当成重点性能进行研究，因为节能型油品的开发主要从降低黏度的角度出发，通过降低搅油功耗来达到节能的目的。而油品的黏度越低在齿轮表面形成的油膜厚度越薄，进而提高了齿轮表面承受的循环剪切应力，从而导致齿轮疲劳失效即点蚀的产生。

谢惊春，张宽德[13]在《手动变速箱油的评定技术发展》中介绍了我国在手动变速箱油品评定方面的研究现状，国内主要还是采用FZG (FVA_2-IV_Pitting)齿轮点蚀试验在FZG齿轮机上采用C型齿轮进行油品抗点蚀性能的研究，并被国内有些OEM引入自己的评价体系中。王鹏等人[14]在《润滑油抗微点蚀性能试验研究》中介绍了采用英国PCS公司生产的MPR微点蚀试验机进行齿轮油抗微点蚀/点蚀性能模拟试验研究，并做了与FZG (FVA_2-IV_Pitting)齿轮点蚀试验的相关性统计，该方法可作为实验室中的一种模拟研究手段。

国内在研究手动变速箱齿轮油的抗点蚀性能方面依旧沿用的是国外标准方法FZG (FVA_2-IV_Pitting)，中石油昆仑润滑油公司检测评定中心兰州实验室采用MPR微点蚀试验机开展了相应的模拟试验研究，并取得较好的研究结果。

3.3 热氧化安定性能

手动变速箱油必须有优良的热氧化安定性，有效防止沉积物的生成，避免造成轴承、密封件、同步器的损坏，同时有利于延长油品使用寿命。而长寿命是手动变速箱发展的趋势，也是各大OEM对手动变速箱油品的性能需求之一。

于海等人[15]在《长寿命车辆齿轮油的研究》中介绍了采用CRC L-60-1评价齿轮油的热氧化安定性，通过在原有标准试验的基础上延长试验时间来考察油品的热氧化安定性即长寿命，最终成功筛选出不同热氧化安定性的油品配方。

国内在研究手动变速箱油品热氧化安定性方面依旧沿用欧美标准CEC L-48-A-00(DKA氧化试验)和CRC L-60-1的居多，也有在实验室内部采用烘箱氧化的方式进行考察油品氧化安定性的案例，但被广泛认可的主要是CEC L-48-A-00(DKA氧化试验)和CRC L-60-1。

3.4 承载性能

手动变速箱油的承载性能是其重要性能之一。张宽德，谢惊春[13]在《手动变速箱油的评定技术发展》中介绍了我国在手动变速箱油承载性能评定方面的研究现状，主要还是采用润滑油胶合承载能力的试验方法(FZG目视法)ASTM D5182、高极压齿轮油承载能力测试(采用A10/16.6R/90 FZG)CEC L-84-02来评价油品的承载性能。这两种标准也被各个OEM纳入油品认证体系，作为考察手动变速箱油承载性能的依据。

李小刚等人在《齿轮油承载性能模拟试验研究》中介绍了采用SRV试验机为研究平台，以柱-盘标准试验件来模拟FZG ASTM D5182试验，并研究了二者的对应性。结果显示：SRV模拟试验与FZG(A/8.3/90)之间具有较好的对应性，可作为实验室内部的一种筛选手段。

3.5 传动效率

孙晋松，焦红莲等人[16]在《润滑油对手动变速器传动效率影响的研究》中写道：选取了4种不同黏度级别的手动变速箱油采用6速手动变速器进行传动效率的测定。初步分析认为，出现效率降低主要是由搅油损失造成的，随着转速逐渐增高，齿轮搅油损失(润滑油的负贡献率)逐渐增大且增速大于润滑油对传动效率提供的改善率(润滑油的正贡献率)，当转速过高时，搅油损失便成为润滑效率的主要损失点，可根据此点来研究手动变速箱油传动效率的评定方法。并得出采用低黏度、黏度指数适中、多级的润滑油能提高传动效率的结论。

华秀菱[17]在《节能型75W-90卡车手动变速箱油的研制》中介绍了采用FZG 效率试验台参照德国大众公司PV1456和RohMax公司齿轮传动效率试验方法建立了一种评定齿轮油传动效率的试验方法，主要用于实验室内部评价齿轮油节能性能的方法。

3.6 剪切安定性

手动变速箱油的剪切安定性也是其重要性能之一。王明明、石顺友[18]在《我国重负荷车辆齿轮油规格的最新发展》中介绍了：黏度是保证有效油膜的关键，因此，在车辆齿轮润滑中，优异的黏度保持性是保证齿轮获得良好润滑的关键。由于机械剪切作用，油品中的高分子聚合物被剪断，使油品黏度下降，影响正常润滑，因此多级车辆齿轮油的剪切安定性显得特别重要，它直接影响齿轮油的黏度级别。而目前评价车辆齿轮油和手动变速箱油剪切安定性的试验有：超声波剪切试验(SH/T 0505)、FZG齿轮机剪切(SH/T 0200)和KRL剪切(NB/SH/T 0845)，经过与车辆传动系实际运行工况相关性考察得出：KRL剪切(NB/SH/T 0845)与车辆传动系运行工况最为接近，并且被广泛引用到车辆齿轮油和手动变速箱油品规格中。

4 总结及建议

4.1 总结

目前，在手动变速箱油品规格方面国内外均无统一规格，主要还是以OEM各自的规格为主，影响力较大的主要有ZF、沃尔沃、MT-1的规格。在研究重型手动变速箱油评价体系方面的报道少之又少，但本文从手动变速箱油的性能测试即发展趋势方面进行文献调研显示：目前，国内外在手动变速箱油性能要求方面主要还是从OEM手动变速箱的实际需求出发，并且不同的OEM对油品性能的要求不尽相同，但是大致的性能要求有：承载性能、同步器性能、抗点蚀性能、剪切安定性、热氧化安定性及传动效率。在性能测试方面国内外的研究现状主要是采用全尺寸的手动变速箱台架进行测试，而具体研究手动变速箱同步器性能的报道较多，主要是采用标准同步器试验台或自主研究建立的手动变速箱试验台研究同步器的摩擦特性。而FZG齿轮机和效率试验台是研究手动变速箱油抗点蚀性能、承载性能以及传动效率的最好设备。

国外在手动变速箱油性能方面的研究报道最多的就是手动变速箱油燃油经济性的考察，因为从国外的文献报道显示，手动变速箱油的发展趋势将是低黏度化，而该方面用的较多的评价设备就是手动变速箱台架、EHD油膜厚度试验机和FZG效率试验台。但文献并未给出EHD油膜厚度试验和FZG效率试验的燃油经济性与实际手动变速箱燃油经济性试验之间的相关性。

4.2 建议

国内对手动变速箱油的研究起步较晚，大都沿用的是国外的评价标准。随着手动变速箱技术的发展，国内各OEM都有自己手动变速箱的技术特点，因此在手动变速箱油品要求方面既要满足手动变速箱油品的共性也要体现出自身变速箱的技术特点。比如在手动变速箱油品性能的共性方面有：承载性能试验(可采用NB/SH/T 0306润滑油承载能力的评定 FZG目测法)、齿轮油抗点蚀性能的测定(FVA N0.2/Ⅳ)、剪切安定性(NB/SH/T 0845)、热氧化安定性(SH/T 0755手动变速箱油和后桥用油热氧化安定性评定法L-60-1法)、同步器换挡性能(NB/SH/T 0925)以及一些基础的理化性能分析试验；在技术特点方面：建议加入OEM自身的手动变速箱试验，比如：OEM同步器台架试验、传动效率试验以及手动变速箱台架试验。

我国的路况比较特殊，一直沿用欧美手动变速箱油评价标准并不是最优选择，随着我国自主变速箱技术的发展，我国需要结合自主变速箱的技术和自身的路况来建立适用于中国商用车手动变速箱市场的油品评价体系。