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摘要：从纳米摩擦学角度考察了车辆齿轮油的四球机测定结果，发现最大无卡咬负荷PB和烧结负荷PD值不能很好地代表承载能力，阐明了由这两个指标难于预测车辆齿轮油承载能力的原因是：(1)钢球材质与实际摩擦副的不同；(2)钢球的接触方式是点接触，而齿轮是线接触；首次提出一套利用四球机测试估算车辆齿轮油承载能力的方法，指出在实际选择齿轮油时可根据齿轮的啮合压力来确定油品在四球机试验中应达到的比压力(specific pressure at contact surfaces)。
关键词：车辆齿轮油 纳米摩擦学 薄膜润滑 磨损
现代汽车齿轮最重要的进步是1925年出现了双曲线齿轮，目前汽车后桥齿轮已基本上普及为双曲线齿轮，而双曲线齿轮体积较小，传动的动力大，齿面相对滑动速度大，齿面上难以形成润滑油膜，是最难润滑的摩擦副之一，它要求齿轮油具有足够高的极压性能。30年代以来，美国开始采用全尺寸台架评价汽车齿轮油的极压性能，如对GL-5重负荷车辆齿轮油的承载性能，必须通过全尺寸后桥台架试验CRC L-37(油品在高速低扭矩和低速高扭矩条件下的承载性)和CRCL-42(高负荷冲击测试)。与此同时，为降低评定费用人们试图应用模拟试验机评价齿轮油的极压性能，例如用四球磨损试验和FZG齿轮机试验预报L-37试验，用四球极压试验和Timken试验预报L-42试验等，虽然取得了某些结果，但由于摩擦副工作条件不同，在这些模拟试验与后桥台架试验之间，很难找到确切的关系。四球机用于油品润滑性的评定已具有较长的历史，由于其设备相对简单，用油量少，试验费用低，操作方便，已成为目前应用最为广泛的模拟试验设备之一。在我国的部分汽车厂，经常用四球机的PB值作为衡量车辆齿轮油承载能力的主要指标，以为PB值和烧结负荷PD值越大越好，这样造成经过全套台架评定合格的油品由于在汽车厂测定的PB值小于规定值(如100kg)而被拒收。本文试图从理论和实践两个方面阐明四球机的车辆齿轮油极压性测试结果的意义，提出预测承载能力的方法。
1 润滑状态转变的理论
润滑油粘度η、转速U和负荷P是决定润滑状况的三个因素，它们之间的联系可用无因次参数C来表示：C=ηU/P,C和摩擦系数μ的关系示于图1，称为润滑状态过渡图或Stribeck曲线。在流体动力润滑区，液体膜的厚度足以将固体表面隔开(即油膜厚度h粗糙度δ)；在边界润滑区，微凸体发生连续的接触，固体靠金属表面吸附的极性物质或反应膜润滑；介于两条线中间的为混合润滑区，摩擦系数μ随着C值减少迅速增加。对于混合润滑，迄今的研究并不充分。90年代后证实了混合润滑是以纳米量级的薄膜润滑(thin film lubrication)状态存在，以有序液体膜为特征，流体膜减薄到表面粗糙峰之间的间隙为润滑油分子尺度范围，即粗糙峰顶已出现边界膜。薄膜润滑的物理模型为：靠近表面的是吸附膜，不具有流体性质；处于润滑膜中间的是粘性流体膜，具有弹流润滑特征，介于粘性流体膜与吸附膜之间的有序液体膜，是由于液体分子在摩擦剪切过程中受表面能作用迫使分子有序排列而形成的。有序液体膜的有序度高于粘性液体膜，而低于靠近金属表面的吸附膜。当润滑膜厚减少到粘性液体膜完全消失时，润滑膜由有序液体膜和吸附膜为主。薄膜润滑伴随表面磨损，以接触疲劳和粘着机制为主要形式。如果液体膜更薄，则只有吸附膜存在时，为边界润滑，会出现微凸体间的直接接触。在油中加入油性剂如长链的醇胺和脂肪酸等，其极性基吸附在金属表面上，长链中的次甲基横向吸附，构成牢固的吸附膜，代替了金属的直接接触，减轻了摩擦或磨损。在负荷和温度更高的条件下，油性剂将失效，极压添加剂与金属反应，形成一些化合物较金属易于剪切，熔点较低，可以防止金属间的咬合从而保护金属表面。
图1 Stribeck 曲线
2 四球机试验
四球机试验为点接触的滑动摩擦，其结构为一固定在上轴的球相对于固定在下轴上的三个球作旋转运动。对于一定的试验转速，接触处的滑动速度恒定，负荷P增加时磨损直径d变化见图2。当负荷增加到B点，在四球机试验中到达了卡咬点，相应的负荷值为最大无卡咬负荷PB；当负荷进一步增大，达到D点时，边界润滑状态失效，四球接触处出现了烧结，相应的负荷值为最大烧结负荷PD。
图2 四球机的磨损—负荷曲线
为了实际考察应用PB值判别齿轮油承载性的可行性，我们从可靠的专卖店收集了国内外知名品牌的GL-5齿轮油(国内油13个，编号为C1-C13；国外油5个，编号F1-F5)，包括长城、七星、海牌、南海、飞天、Mobil、Esso、Catex、Shell等，分别送往国内的权威测试机构进行测试，这些单位是：石油化工科学研究院、兰州炼油化工总厂研究院、高桥石化公司炼油厂研究所、大连石化公司研究院、南京汽车研究所和长城润滑油集团公司研究所，进行油品的PB值测定，考察这些油品的PB值是否大于100kg，以及测定的再现性。考虑到国内大多数汽车制造厂测定的惯例，试验条件采用GB/T3142法，即转速为1450r/min，测试温度为室温，钢球为GB308II级。有关的测试结果见表1。
由表1可见：(1)对于中国市场知名品牌的GL-5齿轮润滑油，半数左右其PB值小于100kg，说明PB值本身不能代表承载能力。(2)不同实验室(lad)之间的测试结果，对于个别油品其再现性有超出国际规定的30%，缺乏可比性。可以认为，不同实验室测量者本身是严格按照操作规程进行测试的，产生偏差的原因可能是钢球的生产批次不同，造成其材质有差异，从而影响试验结果的再现性。
3 讨论
有人认为PB点为弹性流体动力润滑的临界点，也即在该点弹性流体动力润滑膜将达到极小值，负荷再增大，该膜就将破裂，B点后反映了油性剂或减磨剂的贡献。本文认为，AB点之间不可能是弹流润滑，只可能是薄膜润滑或边界润滑，否则不可能有磨痕。AB段的前面部分可能是有序膜起主要作用，后半部分边界吸附膜起主要作用。BC之间是吸附膜逐渐消失、化学反应膜逐渐形成的时期；CD之间是化学反应膜起作用的阶段。所以PB代表有序膜的终止点。只有这样，才能解释PB与油性剂、极压添加剂的加入有关，这些添加剂的极性，可能增加了有序膜的厚度。PD值的大小，代表了化学反应膜的形成难易和抗磨性能，PD值高，表示化学膜失效的温度高。但反应膜润滑是以腐蚀磨损为代价的，但若腐蚀性太强，将影响其抗磨性。
齿轮油的承载能力是指其保护齿轮在高载荷下工作而无擦伤、咬合、焊接或其它高磨损症状的功能。根据图3～6的四球机测试结果,显然仅PB或PD一项不能作为评价油品极压性抗磨性能的指标，例如，PB值高的油品，其PD值和抗磨作用并不一定好。利用四球机全面估算齿轮油极压抗磨性能的程序应为：(1)测量PB，并计算在PB以前的比压力PS(单位面积承受的负荷)，从而可以给出该齿轮油可以承受多大的压力范围；(2)测量PB以前某个负荷下的长期磨损值(磨斑直径，Wear Scar Diameter)，从而给出在工作负荷区的磨损量；(3)测量PD，报出该油品的最高工作负荷。由这三个方面可以预报该油品的最佳工作负荷区。
图3 不同润滑油的磨损—负荷曲线
图4 负荷与压力的关系
图5 四球机中摩擦系数与负荷的关系
图6 负荷对磨痕直径的影响
从纳米纽擦学的角度来看，用四球机测试结果预测车辆齿轮油承载能力还应该注意：
(1)由于PB和PD都跟添加剂与钢球之间的有序膜形成、化学吸附和反应有关，若实际齿轮与钢球的材质不同，势必导致润滑油在两种摩擦副上的作用不同，从而不存在对应关系；
(2)如果在某一负荷下，四球机所测得的磨痕几乎为0，标志着四球处于弹流润滑状态。但不能由此推论处在同样负荷下的齿轮也处于弹流状态，即两种摩擦副之间的弹流条件没有关联性。这是由于两者的接触方式不同：钢球为点接触，而齿轮是线接触。弹性流体动力润滑的条件：λ(油膜厚度/表面粗糙度)=h／(δ21＋δ22)0.5≥2～3
式中：h为最小油膜厚度，δ1和δ2为两摩擦面的均方根粗糙度。
对于球体摩擦副，点接触区的最小油膜厚度方程：
h=1.83RG0.49U0.68W-0.073
对于齿轮摩擦副，线接触区的最小油膜厚度方程(Dowson公式)：
h=2.65RG0.54U0.70W-0.13
式中U为速度参数，G为材料参数，W为载荷参数，R为当量曲率半径。
可见，λ与接触区内的粗糙度、速度、材料和载荷等参数都有非线性的关系，而且点接触和线接触时最小油膜厚度h的变化规律不一致，导致两种摩擦副条件下的弹流条件没有可比性。
所以， 如果条件许可，尽量用与实际齿轮相同材料做成的四球，包括粗糙度的要求，这样四球机的测试结果将能较准确地估算油品在该类齿轮上的承载能力。
4 结论
(1)从实际应用来看，把PB值是否大于100kg作为衡量油品好坏的指标是不恰当的，许多知名品牌的GL-5齿轮油PB值未达到100kg。
(2)PB测定在不同实验室之间的重现性不好，难于作为一个互相比较的指标。
(3)理论上已经证明PB值不能表示齿轮油的承载能力，在实验室评价手段有限的条件下，至少应从PB、PS、PD和WSD四方面才能推测车辆齿轮油的承载能力，尽量用与实际齿轮相同材料做成的四球，包括粗糙度的要求。
(4)提出一套估算齿轮油承载能力的方法，可根据四球机试验中单位球体面积承受的负荷区，预报该齿轮油的最佳工作负荷区，在实际选择齿轮油时根据齿轮的啮合压力来要求油品在四球机试验中应达到的比压力PS。
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