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一種節(jié)能型驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的開發(fā)與試驗(yàn)
2019-08-31 10:43:46· 來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái) 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(guò)去將研究的重點(diǎn)放在發(fā)動(dòng)機(jī)總成上。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)傳動(dòng)總成
1 引言
在汽車節(jié)能降耗壓力日趨增加的背景下，過(guò)去將研究的重點(diǎn)放在發(fā)動(dòng)機(jī)總成上。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)傳動(dòng)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(dòng)橋用齒輪油。在齒輪油開發(fā)過(guò)程中對(duì)齒輪油的性能試驗(yàn)和節(jié)能測(cè)試是整個(gè)開發(fā)環(huán)節(jié)重要一環(huán)。目前驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的性能試驗(yàn)方法主要依據(jù)石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)外團(tuán)體機(jī)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(diǎn)針對(duì)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(cè)試方面國(guó)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(dòng)橋總成開發(fā)同步，將齒輪油試驗(yàn)和驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)及整車道路試驗(yàn)相結(jié)合，使新開發(fā)的齒輪油在確?？煽啃缘那闆r下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。
2 油品主要技術(shù)參數(shù)
因驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)橋齒輪油通過(guò)配方矩陣設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化、結(jié)合整車實(shí)際使用的工況，齒輪油的粘度級(jí)別確定為SAE 75W-80，質(zhì)量等級(jí)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(dòng)橋齒輪油進(jìn)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(dòng)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(dòng)力損失。此外BOT-A傾點(diǎn)可低至-48℃，具有更好的低溫流動(dòng)性，有助于減少低溫啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)力損失，同樣有利于節(jié)能。
3 基本性能試驗(yàn)
驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的性能試驗(yàn)是考核齒輪油各項(xiàng)指標(biāo)的基本試驗(yàn)項(xiàng)目。本次BOT-A齒輪油基本性能試驗(yàn)項(xiàng)目包含GL-5性能試驗(yàn)、抗膠合性和抗氧化性對(duì)比試驗(yàn)。
3.1 GL-5性能試驗(yàn)
根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)對(duì)車輛齒輪油的定義，目前驅(qū)動(dòng)橋齒輪油通用的質(zhì)量等級(jí)為 GL-5。GL-5齒輪油必須通過(guò)如表2所示4個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)結(jié)果的好壞決定了齒輪油品質(zhì)的高低。BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油嚴(yán)格按照美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)并順利通過(guò)。
表2 BOT-A齒輪油GL-5臺(tái)架試驗(yàn)概況
3.2 抗膠合能力對(duì)比試驗(yàn)
齒輪油的抗膠合能力是考核齒輪油是否合格的一個(gè)重要指標(biāo)。以目前驅(qū)動(dòng)橋常用的GL-5 85W-90齒輪油作為參考油，采用FZG試驗(yàn)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(yàn)臺(tái)架上采用A型齒輪，節(jié)圓線速度為16.6m/s，5級(jí)載荷時(shí)，油槽的起始油溫控制為90±3℃，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如圖1所示。在該項(xiàng)試驗(yàn)中，以具有16齒的小齒輪有效齒面上相加起來(lái)整個(gè)膠合損傷寬度超過(guò)一個(gè)輪齒寬度（即20mm）時(shí)的載荷等級(jí)為失效等級(jí)。該項(xiàng)試驗(yàn)的失效等級(jí)總共有12級(jí)，從1級(jí)到12級(jí)時(shí)載荷和功率逐漸增加，失效等級(jí)越高說(shuō)明齒輪油的抗膠合能力越強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明參比的GL-5 85W-90的FZG失效等級(jí)為10級(jí)，而新開發(fā)的齒輪油其FZG失效等級(jí)達(dá)到11級(jí)。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(yàn)臺(tái)示意圖
3.3 抗氧化性能對(duì)比試驗(yàn)
齒輪油的氧化性能與齒輪油的使用壽命密切相關(guān)。通過(guò)DKA氧化試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)齒輪油的高溫氧化能力。DKA氧化試驗(yàn)?zāi)M在高溫、接觸空氣的測(cè)試條件下，通過(guò)評(píng)價(jià)齒輪油粘度、酸值的變化和油泥評(píng)分，來(lái)衡量齒輪油抗氧化能力的大小。
試驗(yàn)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(yàn)采用的油浴溫度為120℃，試驗(yàn)時(shí)間為192小時(shí)。根據(jù)表3和圖2的試驗(yàn)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(dòng)橋內(nèi)沉積物的形成，保持部件的清潔，具有比參比油更長(zhǎng)的換油周期。
表3 BOT-A齒輪油的DKA試驗(yàn)結(jié)果
圖2 驅(qū)動(dòng)橋油BOT-A的FZG試驗(yàn)結(jié)果
4 可靠性試驗(yàn)
4.1 驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架可靠性試驗(yàn)
BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油與參比油在驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架上進(jìn)行齒輪疲勞對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)合格。本次試驗(yàn)采用開式驅(qū)動(dòng)橋試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)具有溫度傳感器、扭矩和轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x。試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)樣橋的裝夾按如圖3所示。
圖3 驅(qū)動(dòng)橋齒輪疲勞試驗(yàn)臺(tái)架
在樣橋中隨機(jī)抽取6件并編號(hào)，選取其中3件加入定量的BOT-A驅(qū)動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)直至齒輪損壞。記錄齒輪損壞時(shí)，小齒輪的運(yùn)作次數(shù)。此次臺(tái)架試驗(yàn)輸入扭矩為460N.m，輸入轉(zhuǎn)速為827rpm，試驗(yàn)油溫控制在105℃以下。根據(jù)應(yīng)用車型，其最大試驗(yàn)扭矩的具體計(jì)算過(guò)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(dòng)橋主減比
rk——輪胎滾動(dòng)半徑（m）
試驗(yàn)結(jié)果表明，新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油運(yùn)轉(zhuǎn)至損壞時(shí)，小齒輪的壽命高于參比油85W-90，新齒輪油相對(duì)于參比油對(duì)齒輪保護(hù)能力更強(qiáng)，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(duì)比
4.2 整車可靠性道路搭載試驗(yàn)
為進(jìn)一步對(duì)BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，安排兩臺(tái)微型客車，每臺(tái)車按4.5萬(wàn)公里進(jìn)行可靠性道路試驗(yàn)，在試驗(yàn)期間不更換齒輪油。整車試驗(yàn)分配里程為高速路1.5萬(wàn)公里、山區(qū)路1.5萬(wàn)公里、凹凸不平路0.7萬(wàn)公里、一般公路0.8萬(wàn)公里。
為監(jiān)測(cè)道路試驗(yàn)過(guò)程中，齒輪油鐵元素含量及粘度值變化，要求在磨合試驗(yàn)完成后及每隔1萬(wàn)公里時(shí)，從驅(qū)動(dòng)橋加油口處抽取30ml油樣進(jìn)行檢測(cè)。取樣后，需補(bǔ)充相同容量的新油，以保持正常試驗(yàn)油位。
兩臺(tái)整車完成規(guī)定里程可靠性道路試驗(yàn)后，驅(qū)動(dòng)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(wú)過(guò)度磨損、表面擦傷、膠合及其它缺陷；殼體內(nèi)無(wú)明顯油泥、漆膜和其它沉積物。所抽取齒輪油經(jīng)檢測(cè)狀況良好，可以滿足4.5萬(wàn)公里不更換齒輪油。
5 齒輪油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)
BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油開發(fā)的一個(gè)重要指標(biāo)就是經(jīng)濟(jì)性，即通過(guò)驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性提升指標(biāo)。驅(qū)動(dòng)橋齒輪油對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在傳動(dòng)效率的提升上，具體的測(cè)試方法目前尚無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)。
為避免單一試驗(yàn)方法的局限性和不確定因素帶來(lái)的試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，增加驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架溫升試驗(yàn)和傳動(dòng)效率試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證。
5.1 轉(zhuǎn)轂油耗試驗(yàn)
轉(zhuǎn)轂油耗試驗(yàn)采用和道路可靠性試驗(yàn)同類型整車，按NEDC歐洲駕駛循環(huán)工況進(jìn)行油耗測(cè)試。該車配1.3升直列4缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率58KW，采用5速手動(dòng)變速箱。測(cè)試時(shí)在整車上加載300kg模擬整車半載運(yùn)行狀況。
試驗(yàn)次序如下，先采用BOT-A齒輪油按NEDC試驗(yàn)工況測(cè)試一次，試驗(yàn)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(cè)試一次。一個(gè)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(yàn)過(guò)程中，加油量必須相同，試驗(yàn)溫度恒定。試驗(yàn)結(jié)果表明新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油相比參比油實(shí)現(xiàn)了0.78%的燃油經(jīng)濟(jì)性的提升。
5.2 傳動(dòng)效率試驗(yàn)
驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率在臺(tái)架上可通過(guò)測(cè)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(jì)算。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，BOT-A齒輪油與參比油均采用同一樣橋進(jìn)行試驗(yàn)。
在按規(guī)定完成磨合試驗(yàn)后，先加入1.3L新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油，待各個(gè)規(guī)定數(shù)據(jù)試驗(yàn)完成后，將試驗(yàn)油完全排出，再用參比油清洗兩次，用參比油再進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)試驗(yàn)。
考慮到車速和油溫對(duì)驅(qū)動(dòng)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(jìn)行試驗(yàn)，然后取各工況傳動(dòng)效率的平均值進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油平均傳動(dòng)效率為92.85%，相比參比油GL-5 85W-90平均傳動(dòng)效率92.28%，有0.57%的提升。
5.3 溫升試驗(yàn)
驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)效率和齒輪油的粘度有一定關(guān)系，齒輪油粘度越大，通過(guò)齒輪旋轉(zhuǎn)把油攪動(dòng)起來(lái)?yè)p耗的功率越大。因機(jī)械能的損失帶來(lái)熱量的增加，可以將不同齒輪油在同樣臺(tái)架試驗(yàn)完成后，測(cè)量齒輪油的油溫，間接評(píng)價(jià)齒輪油傳動(dòng)效率高低。但該評(píng)價(jià)方法只能作為一個(gè)輔助的定性評(píng)價(jià)，不能作為量化指標(biāo)來(lái)考核。
本次試驗(yàn)在室溫25℃條件下進(jìn)行，臺(tái)架轉(zhuǎn)速4000rpm，輸入扭矩為460N.m，加油量為1.3L，試驗(yàn)時(shí)間為120分鐘，試驗(yàn)過(guò)程中不得進(jìn)行冷卻。前一種齒輪油試驗(yàn)完成后，清洗干凈后，冷卻至室溫，再更換齒輪油進(jìn)行下一組試驗(yàn)。
新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油較日常使用的GL-5 80W-90和85W-90參比油，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)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(dòng)效率，還可以減緩氧化，延長(zhǎng)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(yàn)結(jié)果對(duì)比
6 結(jié)論與展望
新開發(fā)的BOT-A驅(qū)動(dòng)橋齒輪油，通過(guò)試驗(yàn)在具有良好可靠性和長(zhǎng)達(dá)4.5萬(wàn)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(jì)性的提升，為公司和用戶帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)于驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的開發(fā)和試驗(yàn)行業(yè)內(nèi)系統(tǒng)性研究較少，本文在可靠性試驗(yàn)方面將齒輪油常規(guī)性能試驗(yàn)和驅(qū)動(dòng)橋總成臺(tái)架試驗(yàn)、整車道路可靠性試驗(yàn)相結(jié)合，考核內(nèi)容更加全面，試驗(yàn)方法具有創(chuàng)新性。在齒輪油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)中，將整車轉(zhuǎn)轂油耗試驗(yàn)同驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)相結(jié)合，避免單一試驗(yàn)方法的局限性和不確定因素帶來(lái)的誤差影響，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確客觀。
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