商用車齒輪油長換油周期試驗(yàn)研究

楊南 鄭虹 閆瑾 王清國 桃春生 曹廣祥

（1.一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院，長春 130011；2.中國第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院，長春 130011）

1 前言

近年來，由于電子商務(wù)的發(fā)展，物流業(yè)快速增長，干線物流長途牽引車持續(xù)增長。高的實(shí)效性要求物流車輛具有更多的工作時間，縮短維修、保養(yǎng)時間。這要求車輛的油品換油周期盡可能的延長，以滿足快節(jié)奏的使用需求。為了加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，減少廢棄油脂對環(huán)境造成的影響以及回收過程中的能量消耗，需要延長油品的換油周期。熊春華等首先對我國自行研制的齒輪油進(jìn)行了較全面的研究[1],于海等對國內(nèi)外商用車長壽命齒輪油的用油現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)[2]，武永亮等對具體重型商用車用油效果進(jìn)行了拆解分析[3]，國內(nèi)對油品的研究越發(fā)成熟。隨著潤滑油配方技術(shù)的不斷發(fā)展，長換油周期成為了齒輪油重要的發(fā)展方向。OEM（汽車原始設(shè)備制造商）為了提高自身產(chǎn)品的競爭力，具有延長潤滑油換油周期的迫切需求。延長商用車齒輪油的換油周期具有重要的意義。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料及儀器

2.1.1 試驗(yàn)材料

在臺架及實(shí)車試驗(yàn)過程中采用的為A、B 2 種品牌80W-90/GL-5 重負(fù)荷車輛齒輪油。同一試驗(yàn)車變速箱及驅(qū)動橋內(nèi)統(tǒng)一裝入相同試驗(yàn)油。油品的分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)齒輪油新油理化性能分析數(shù)據(jù)

2.1.2 試驗(yàn)儀器、設(shè)備及車輛

包含齒輪壽命試驗(yàn)臺架及相關(guān)設(shè)備、TSY-1109A 石油產(chǎn)品運(yùn)動粘度測定儀、BZD-4C 型自動石油產(chǎn)品酸值測定器、Optima 5300 DV 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀、J6P 商用牽引車。變速器及后橋信息見表2。

表2 試驗(yàn)車變速器及橋總成信息

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 齒輪油運(yùn)動粘度測定試驗(yàn)

利用TSY-1109A石油產(chǎn)品運(yùn)動粘度測定儀，依據(jù)GB/T 265—1988《石油產(chǎn)品運(yùn)動粘度測定法和動力粘度計算法》[4]測定A、B 2種GL-5重負(fù)荷車輛齒輪油的新油100 ℃運(yùn)動粘度。臺架試驗(yàn)過程中期及試驗(yàn)結(jié)束后測定油樣的100 ℃運(yùn)動粘度；實(shí)際行車試驗(yàn)中，每隔2×104km抽取油樣測定100 ℃運(yùn)動粘度。

2.2.2 齒輪油酸值測定試驗(yàn)

利用BZD-4C 型自動石油產(chǎn)品酸值測定器，依據(jù)GB/T 7304—2014《石油產(chǎn)品和潤滑劑酸值測定法電位滴定法》[5]測定A、B 2種GL-5重負(fù)荷車輛齒輪油的新油酸值。臺架試驗(yàn)過程中期及試驗(yàn)結(jié)束后測定油樣的酸值；實(shí)際行車試驗(yàn)中，每隔2×104km抽取油樣測定酸值。

2.2.3 齒輪油元素含量測定試驗(yàn)

利用Optima 5300 DV 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀，依據(jù)GB/T 17476—1998《使用過的潤滑油中添加劑元素、磨損金屬和污染物以及基礎(chǔ)油中某些元素測定法（電感耦合等離子體發(fā)射光譜法）》[6]測定A、B 2 種GL-5 重負(fù)荷車輛齒輪油的新油鐵元素含量。臺架試驗(yàn)過程中期及試驗(yàn)結(jié)束后測定油樣的鐵元素含量；實(shí)際行車試驗(yàn)中，每隔2×104km 抽取油樣測定鐵元素含量。

2.2.4 齒輪油齒輪壽命臺架試驗(yàn)

利用齒輪壽命試驗(yàn)臺進(jìn)行油品臺架試驗(yàn)，將試驗(yàn)變速箱及車橋安裝在試驗(yàn)臺上進(jìn)行壽命測試，輸出軸的轉(zhuǎn)速范圍為700～1 900 r/min，試驗(yàn)油溫控制范圍為（80±5）℃，變速器擋位覆蓋為7～12擋，進(jìn)行1 700 h 耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)用于評定在試驗(yàn)過程中油品的理化性質(zhì)變化。在試驗(yàn)中及試驗(yàn)結(jié)束后測定油品的100 ℃運(yùn)動粘度、酸值及鐵元素含量。

2.2.5 齒輪油10×104km 換油周期行車試驗(yàn)

試驗(yàn)車輛為4 輛解放J6 商用牽引車，全部試驗(yàn)車輛為隨機(jī)抽取的下線新車。4輛車各裝配A、B試驗(yàn)油2 輛，分別投放吉林地區(qū)（寒冷、干燥）、浙江地區(qū)（溫?zé)帷⒍嘤辏?。試?yàn)車多數(shù)工況行駛在試驗(yàn)地區(qū)周邊1 000 km 范圍內(nèi)，標(biāo)載行駛于高速公路，為干線物流車輛。試驗(yàn)車輛每2×104km 抽取1 次油樣，檢測其100 ℃運(yùn)動粘度、酸值、鐵元素含量。

2.2.6 結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)樣品分析判定結(jié)果依據(jù)企業(yè)內(nèi)部控制的產(chǎn)品開發(fā)試驗(yàn)驗(yàn)證換油指標(biāo)規(guī)范的技術(shù)要求，限值要求為試驗(yàn)前、試驗(yàn)后樣品的100 ℃運(yùn)動粘度變化率≤20%，酸值變化值范圍在（以KOH 計）±1 mg/g以內(nèi)，F(xiàn)e 含量≤1.5×10-3。超過限值的樣品判定樣品失效，需要更換。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 齒輪油臺架試驗(yàn)

3.1.1 變速器齒輪壽命試驗(yàn)

選取同一批次變速器6 臺試驗(yàn)樣件，樣件1～樣件3 進(jìn)行樣品A 變速器齒輪壽命試驗(yàn)，樣件4～樣件6 進(jìn)行樣品B 變速器齒輪壽命試驗(yàn)。在試驗(yàn)中期850 h 抽檢樣品，試驗(yàn)后1 700 h 抽檢樣品。樣品A 檢測結(jié)果見表3，樣品B 檢測結(jié)果見表4。從試驗(yàn)結(jié)果可知，樣品A、樣品B 在變速器齒輪壽命試驗(yàn)中100 ℃運(yùn)動粘度、酸值變化值和鐵含量變化均在換油判定標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)內(nèi)。樣品A、樣品B 均表現(xiàn)出了良好的變速器齒輪保護(hù)性能。

表3 樣品A變速器齒輪壽命試驗(yàn)

表4 樣品B變速器齒輪壽命試驗(yàn)

3.1.2 驅(qū)動橋齒輪壽命試驗(yàn)

選取同一批次驅(qū)動橋6 臺試驗(yàn)樣件，樣件1～樣件3 進(jìn)行樣品A 驅(qū)動橋齒輪壽命試驗(yàn)，樣件4～樣件6 進(jìn)行樣品B 驅(qū)動橋齒輪壽命試驗(yàn)。在試驗(yàn)中期850 h 抽檢樣品，試驗(yàn)后1 700 h 抽檢樣品。樣品A 檢測結(jié)果見表5，樣品B 檢測結(jié)果見表6。從試驗(yàn)結(jié)果可知，樣品A、樣品B 在驅(qū)動橋齒輪壽命試驗(yàn)中100 ℃運(yùn)動粘度、酸值變化值和鐵含量變化均在換油判定標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)內(nèi)。樣品A、樣品B 均表現(xiàn)出了良好的驅(qū)動橋齒輪保護(hù)性能。

表5 樣品A驅(qū)動橋齒輪壽命試驗(yàn)

3.2 齒輪油10×104 km換油周期實(shí)際行車試驗(yàn)

基于臺架試驗(yàn)結(jié)果，可初步判定油品性能符合設(shè)計目標(biāo)。臺架試驗(yàn)后選取4 輛商用牽引車，試驗(yàn)車1 裝備A 樣品于吉林地區(qū)進(jìn)行路試，試驗(yàn)車2裝備A 樣品于浙江地區(qū)進(jìn)行路試，試驗(yàn)車3 裝備B樣品于吉林地區(qū)進(jìn)行路試，試驗(yàn)車4 裝備B 樣品于浙江地區(qū)進(jìn)行路試，吉林地區(qū)車輛運(yùn)行區(qū)間覆蓋中國北部地區(qū)，用以驗(yàn)證油品在北方地區(qū)性能特征；浙江地區(qū)車輛運(yùn)行區(qū)間覆蓋中國南部地區(qū)，用以驗(yàn)證油品在南方地區(qū)性能特征。所有車輛均完成10×104km 實(shí)際道路行駛。試驗(yàn)車變速器齒輪油100 ℃運(yùn)動粘度變化情況見圖1，試驗(yàn)車驅(qū)動橋齒輪油100 ℃運(yùn)動粘度的變化情況見圖2，試驗(yàn)車變速箱齒輪油酸值的變化見圖3，試驗(yàn)車驅(qū)動橋齒輪油酸值的變化見圖4，試驗(yàn)車變速箱齒輪油Fe含量的變化見圖5，試驗(yàn)車驅(qū)動橋齒輪油Fe 含量的變化見圖6。

表6 樣品B驅(qū)動橋齒輪壽命試驗(yàn)

圖1 試驗(yàn)車變速器齒輪油100 ℃運(yùn)動粘度的變化

圖2 試驗(yàn)車驅(qū)動橋齒輪油100 ℃運(yùn)動粘度的變化

從圖1分析可知，在試驗(yàn)車輛行駛至10×104km目標(biāo)里程時，變速器總成中，試驗(yàn)車1 相比試驗(yàn)車2 的樣品100 ℃運(yùn)動粘度變化率更大，試驗(yàn)車3 相比試驗(yàn)車4 的樣品100 ℃運(yùn)動粘度變化率更大。這可能是由于北方地區(qū)溫差大，平均溫度更低，低溫下啟動時，變速器齒輪對低溫時高粘度的油品剪切強(qiáng)度更高原因?qū)е隆?/p>

圖3 試驗(yàn)車變速箱齒輪油酸值的變化

圖4 試驗(yàn)車驅(qū)動橋齒輪油酸值的變化

圖5 試驗(yàn)車變速箱齒輪油Fe含量的變化

圖6 試驗(yàn)車驅(qū)動橋齒輪油Fe含量的變化

從圖2分析可知，在試驗(yàn)車輛行駛至10×104km目標(biāo)里程時，驅(qū)動橋總成中，試驗(yàn)車1 相比試驗(yàn)車2的樣品100 ℃運(yùn)動粘度變化率更大，試驗(yàn)車3 相比試驗(yàn)車4的樣品100 ℃運(yùn)動粘度變化率更大。這可能是由于北方地區(qū)溫差大，平均溫度更低，低溫下啟動時，驅(qū)動橋齒輪對低溫時油品剪切強(qiáng)度更高原因?qū)е隆?/p>

從圖3、圖4 分析可知，雖然油品A 和油品B 由于技術(shù)配方不同，初始酸值數(shù)值不同，但是在10×104km 的試驗(yàn)里程內(nèi)變速器和驅(qū)動橋中樣品酸值的變化值均在±1 mgKOH/g 范圍內(nèi)，未超過換油的技術(shù)指標(biāo)限值。由于油品酸值的變化主要由于氧化作用導(dǎo)致，從數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)過程中的樣品A 和樣品B 均展現(xiàn)了優(yōu)異的抗氧化性能。

從圖5、圖6 分析可知，10×104km 目標(biāo)里程時，試驗(yàn)車變速器齒輪油中的Fe含量均＜0.25×10-3，驅(qū)動橋中齒輪油的Fe 含量＜0.9×10-3，所有齒輪油Fe含量均＜1.5×10-3的換油限值。驅(qū)動橋齒輪油中Fe含量均高于變速器齒輪油中Fe含量，原因是驅(qū)動橋中齒輪面壓力更大從而使得金屬面磨損更嚴(yán)重。

4 結(jié)論

a.經(jīng)過臺架試驗(yàn)和10×104km 實(shí)際行車試驗(yàn)，試驗(yàn)油A、B 均表現(xiàn)出了良好的部件保護(hù)性能。

b.行車試驗(yàn)中，試驗(yàn)油A、B 均保持了酸值的平穩(wěn)，展現(xiàn)了優(yōu)異的抗氧化性能。

c.行車試驗(yàn)中，北方運(yùn)行車輛相比南方運(yùn)行車輛，試驗(yàn)油A、B 無論是應(yīng)用于變速箱還是驅(qū)動橋橋都體現(xiàn)了更大的100 ℃運(yùn)動粘度變化率。這說明工作溫度低，齒輪對潤滑油的剪切強(qiáng)度更高，不利于粘度保持。

d.行車試驗(yàn)中，雖然試驗(yàn)油A 的Fe 元素含量高于試驗(yàn)油B，但都在換油指標(biāo)內(nèi)，滿足使用需求。