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一種節(jié)能型驅(qū)動橋齒輪油的開發(fā)與試驗
2019-08-31 10:43:46· 來源：EDC電驅(qū)未來 作者：胡恕
1 引言在汽車節(jié)能降耗壓力日趨增加的背景下，過去將研究的重點放在發(fā)動機總成上。但隨著發(fā)動機節(jié)能潛力不斷挖掘，繼續(xù)提升的難度和成本日趨增加，因此對傳動總成
1 引言
在汽車節(jié)能降耗壓力日趨增加的背景下，過去將研究的重點放在發(fā)動機總成上。但隨著發(fā)動機節(jié)能潛力不斷挖掘，繼續(xù)提升的難度和成本日趨增加，因此對傳動總成的節(jié)油性研究提上了日程。
鑒于此，公司為某W微型車開發(fā)了新一代低粘度節(jié)能型驅(qū)動橋用齒輪油。在齒輪油開發(fā)過程中對齒輪油的性能試驗和節(jié)能測試是整個開發(fā)環(huán)節(jié)重要一環(huán)。目前驅(qū)動橋齒輪油的性能試驗方法主要依據(jù)石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國外團體機構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和一些企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，且各標(biāo)準(zhǔn)重點針對于某一方面，不具備系統(tǒng)性和完整性。在齒輪油節(jié)能性測試方面國內(nèi)基本空白，主要依靠各廠家自行摸索。
本文所述研究與整車和驅(qū)動橋總成開發(fā)同步，將齒輪油試驗和驅(qū)動橋臺架試驗及整車道路試驗相結(jié)合，使新開發(fā)的齒輪油在確?？煽啃缘那闆r下，實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。
2 油品主要技術(shù)參數(shù)
因驅(qū)動橋齒輪為準(zhǔn)雙曲面齒輪，較傳統(tǒng)直齒輪傳遞的扭矩大，齒面的相對滑移速度也大，齒面上較難形成齒輪油膜。新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動橋齒輪油通過配方矩陣設(shè)計、性能優(yōu)化、結(jié)合整車實際使用的工況，齒輪油的粘度級別確定為SAE 75W-80，質(zhì)量等級為GL-5，其基本的物理化學(xué)性能指標(biāo)如表1所示，并與常用的驅(qū)動橋齒輪油進行了比較。
表1 BOT-A齒輪油與參比油基本理化指標(biāo)比較
上表技術(shù)參數(shù)表明：BOT-A齒輪油具有更高的粘度指數(shù)，在驅(qū)動橋齒輪油工作中可以減少由于齒輪油的粘滯阻力的存在而造成的動力損失。此外BOT-A傾點可低至-48℃，具有更好的低溫流動性，有助于減少低溫啟動時的動力損失，同樣有利于節(jié)能。
3 基本性能試驗
驅(qū)動橋齒輪油的性能試驗是考核齒輪油各項指標(biāo)的基本試驗項目。本次BOT-A齒輪油基本性能試驗項目包含GL-5性能試驗、抗膠合性和抗氧化性對比試驗。
3.1 GL-5性能試驗
根據(jù)美國石油學(xué)會對車輛齒輪油的定義，目前驅(qū)動橋齒輪油通用的質(zhì)量等級為 GL-5。GL-5齒輪油必須通過如表2所示4個試驗項目，試驗結(jié)果的好壞決定了齒輪油品質(zhì)的高低。BOT-A驅(qū)動橋齒輪油嚴(yán)格按照美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)進行試驗并順利通過。
表2 BOT-A齒輪油GL-5臺架試驗概況
3.2 抗膠合能力對比試驗
齒輪油的抗膠合能力是考核齒輪油是否合格的一個重要指標(biāo)。以目前驅(qū)動橋常用的GL-5 85W-90齒輪油作為參考油，采用FZG試驗方法，比較BOT-A與參比油在抗膠合和抗氧化方面的性能差異。
FZG標(biāo)準(zhǔn)試驗臺架上采用A型齒輪，節(jié)圓線速度為16.6m/s，5級載荷時，油槽的起始油溫控制為90±3℃，進行對比試驗，如圖1所示。在該項試驗中，以具有16齒的小齒輪有效齒面上相加起來整個膠合損傷寬度超過一個輪齒寬度（即20mm）時的載荷等級為失效等級。該項試驗的失效等級總共有12級，從1級到12級時載荷和功率逐漸增加，失效等級越高說明齒輪油的抗膠合能力越強。試驗結(jié)果表明參比的GL-5 85W-90的FZG失效等級為10級，而新開發(fā)的齒輪油其FZG失效等級達到11級。因此，新開發(fā)的BOT-A齒輪油較參比齒輪油具有更好抗膠合能力。
圖1 FZG齒輪試驗臺示意圖
3.3 抗氧化性能對比試驗
齒輪油的氧化性能與齒輪油的使用壽命密切相關(guān)。通過DKA氧化試驗方法來評價齒輪油的高溫氧化能力。DKA氧化試驗?zāi)M在高溫、接觸空氣的測試條件下，通過評價齒輪油粘度、酸值的變化和油泥評分，來衡量齒輪油抗氧化能力的大小。
試驗采集100ml油樣，放在玻璃管中，并浸入一定溫度的油浴中，玻璃管上部連接有冷凝管，并向齒輪油中鼓入定量的空氣。此次試驗采用的油浴溫度為120℃，試驗時間為192小時。根據(jù)表3和圖2的試驗結(jié)果，新開發(fā)的BOT-A齒輪油抗高溫氧化能力優(yōu)于參比油。因此，新油品有助于減少驅(qū)動橋內(nèi)沉積物的形成，保持部件的清潔，具有比參比油更長的換油周期。
表3 BOT-A齒輪油的DKA試驗結(jié)果
圖2 驅(qū)動橋油BOT-A的FZG試驗結(jié)果
4 可靠性試驗
4.1 驅(qū)動橋臺架可靠性試驗
BOT-A驅(qū)動橋齒輪油與參比油在驅(qū)動橋臺架上進行齒輪疲勞對比試驗。試驗樣橋額定載荷1.2噸，主減速比3.909，簧距1073mm、后輪距1408mm，驅(qū)動橋加油量為1.3L。樣橋總成清潔度、各部件工藝參數(shù)均經(jīng)廠家檢驗合格。本次試驗采用開式驅(qū)動橋試驗臺進行，試驗臺具有溫度傳感器、扭矩和轉(zhuǎn)速測量儀。試驗臺和試驗樣橋的裝夾按如圖3所示。
圖3 驅(qū)動橋齒輪疲勞試驗臺架
在樣橋中隨機抽取6件并編號，選取其中3件加入定量的BOT-A驅(qū)動橋齒輪油，另外3件加入?yún)⒈鹊腉L-5，85W-90齒輪油。在規(guī)定的輸入扭矩和轉(zhuǎn)速條件下運轉(zhuǎn)直至齒輪損壞。記錄齒輪損壞時，小齒輪的運作次數(shù)。此次臺架試驗輸入扭矩為460N.m，輸入轉(zhuǎn)速為827rpm，試驗油溫控制在105℃以下。根據(jù)應(yīng)用車型，其最大試驗扭矩的具體計算過程如下：
式中: G——汽車總質(zhì)量（kg）
g——重力加速度9.8 m/s2
io——驅(qū)動橋主減比
rk——輪胎滾動半徑（m）
試驗結(jié)果表明，新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動橋齒輪油運轉(zhuǎn)至損壞時，小齒輪的壽命高于參比油85W-90，新齒輪油相對于參比油對齒輪保護能力更強，具體見下表4所示：
表4 BOT-A齒輪油與參比油齒輪耐久壽命對比
4.2 整車可靠性道路搭載試驗
為進一步對BOT-A驅(qū)動橋齒輪油的可靠性進行驗證，安排兩臺微型客車，每臺車按4.5萬公里進行可靠性道路試驗，在試驗期間不更換齒輪油。整車試驗分配里程為高速路1.5萬公里、山區(qū)路1.5萬公里、凹凸不平路0.7萬公里、一般公路0.8萬公里。
為監(jiān)測道路試驗過程中，齒輪油鐵元素含量及粘度值變化，要求在磨合試驗完成后及每隔1萬公里時，從驅(qū)動橋加油口處抽取30ml油樣進行檢測。取樣后，需補充相同容量的新油，以保持正常試驗油位。
兩臺整車完成規(guī)定里程可靠性道路試驗后，驅(qū)動橋未出現(xiàn)故障，經(jīng)拆解主減內(nèi)部零件外觀良好，齒輪無過度磨損、表面擦傷、膠合及其它缺陷；殼體內(nèi)無明顯油泥、漆膜和其它沉積物。所抽取齒輪油經(jīng)檢測狀況良好，可以滿足4.5萬公里不更換齒輪油。
5 齒輪油經(jīng)濟性試驗
BOT-A驅(qū)動橋齒輪油開發(fā)的一個重要指標(biāo)就是經(jīng)濟性，即通過驅(qū)動橋齒輪油的開發(fā)，實現(xiàn)燃油經(jīng)濟性提升指標(biāo)。驅(qū)動橋齒輪油對燃油經(jīng)濟性的貢獻主要體現(xiàn)在傳動效率的提升上，具體的測試方法目前尚無明確的標(biāo)準(zhǔn)。
為避免單一試驗方法的局限性和不確定因素帶來的試驗誤差，本次開發(fā)以BOT-A齒輪油和參比油在整車轉(zhuǎn)轂油耗測試結(jié)果為基礎(chǔ)，增加驅(qū)動橋臺架溫升試驗和傳動效率試驗進行補充驗證。
5.1 轉(zhuǎn)轂油耗試驗
轉(zhuǎn)轂油耗試驗采用和道路可靠性試驗同類型整車，按NEDC歐洲駕駛循環(huán)工況進行油耗測試。該車配1.3升直列4缸汽油發(fā)動機，發(fā)動機額定功率58KW，采用5速手動變速箱。測試時在整車上加載300kg模擬整車半載運行狀況。
試驗次序如下，先采用BOT-A齒輪油按NEDC試驗工況測試一次，試驗完成后徹底沖洗干凈，再更換參比油GL-5 85W-90按相同工況測試一次。一個循環(huán)結(jié)束后，同樣步驟再循環(huán)一次，兩次結(jié)果取平均值。每次NEDC試驗過程中，加油量必須相同，試驗溫度恒定。試驗結(jié)果表明新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動橋齒輪油相比參比油實現(xiàn)了0.78%的燃油經(jīng)濟性的提升。
5.2 傳動效率試驗
驅(qū)動橋傳動效率在臺架上可通過測量樣橋的輸出扭矩和輸入扭矩，再根據(jù)主減速比換算其比值間接計算。為了保證試驗的準(zhǔn)確性，BOT-A齒輪油與參比油均采用同一樣橋進行試驗。
在按規(guī)定完成磨合試驗后，先加入1.3L新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動橋齒輪油，待各個規(guī)定數(shù)據(jù)試驗完成后，將試驗油完全排出，再用參比油清洗兩次，用參比油再進行各項數(shù)據(jù)試驗。
考慮到車速和油溫對驅(qū)動橋傳遞效率的影響，每種齒輪油分別在相當(dāng)于整車40km/h，60km/h，80km/h三種車速，60℃、80℃和100℃三種油溫下進行試驗，然后取各工況傳動效率的平均值進行對比。試驗結(jié)果表明新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動橋齒輪油平均傳動效率為92.85%，相比參比油GL-5 85W-90平均傳動效率92.28%，有0.57%的提升。
5.3 溫升試驗
驅(qū)動橋的傳動效率和齒輪油的粘度有一定關(guān)系，齒輪油粘度越大，通過齒輪旋轉(zhuǎn)把油攪動起來損耗的功率越大。因機械能的損失帶來熱量的增加，可以將不同齒輪油在同樣臺架試驗完成后，測量齒輪油的油溫，間接評價齒輪油傳動效率高低。但該評價方法只能作為一個輔助的定性評價，不能作為量化指標(biāo)來考核。
本次試驗在室溫25℃條件下進行，臺架轉(zhuǎn)速4000rpm，輸入扭矩為460N.m，加油量為1.3L，試驗時間為120分鐘，試驗過程中不得進行冷卻。前一種齒輪油試驗完成后，清洗干凈后，冷卻至室溫，再更換齒輪油進行下一組試驗。
新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動橋齒輪油較日常使用的GL-5 80W-90和85W-90參比油，在試驗結(jié)束時油溫低6-15℃左右，如圖4所示。更低的油溫不僅具有更高的傳動效率，還可以減緩氧化，延長齒輪油自身的使用壽命。
圖4 BOT-A齒輪油和參比油溫升試驗結(jié)果對比
6 結(jié)論與展望
新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動橋齒輪油，通過試驗在具有良好可靠性和長達4.5萬公里的換油周期下，相比常用后橋參比油有0.5%-0.8%左右的燃油經(jīng)濟性的提升，為公司和用戶帶來了良好的經(jīng)濟效益。
關(guān)于驅(qū)動橋齒輪油的開發(fā)和試驗行業(yè)內(nèi)系統(tǒng)性研究較少，本文在可靠性試驗方面將齒輪油常規(guī)性能試驗和驅(qū)動橋總成臺架試驗、整車道路可靠性試驗相結(jié)合，考核內(nèi)容更加全面，試驗方法具有創(chuàng)新性。在齒輪油經(jīng)濟性試驗中，將整車轉(zhuǎn)轂油耗試驗同驅(qū)動橋傳動效率試驗、溫升試驗相結(jié)合，避免單一試驗方法的局限性和不確定因素帶來的誤差影響，使評價結(jié)果更加準(zhǔn)確客觀。 
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