不同变速箱油对WS2001同步器性能的影响

文 昊，粟 斌，徐万里，史永刚

(1.后勤工程学院研究生管理大队，重庆 401311；2.总后油料研究所；3.后勤工程学院训练部)

不同变速箱油对WS2001同步器性能的影响

文 昊1，粟 斌2，徐万里2，史永刚3

(1.后勤工程学院研究生管理大队，重庆 401311；2.总后油料研究所；3.后勤工程学院训练部)

利用自行研制的WS2001变速箱同步器油品评定台架研究了重负荷齿轮油GL-5 75W90，重负荷多效齿轮油75W90， 80W90， 80W140，柴油机油CF-4 15W40和汽柴油机通用机油SJCD 15W40等油品对WS2001惯性锁环式同步器性能的影响。试验结果表明：不同润滑油的使用寿命不同，导致同步器失效的形式不同，CF-4 15W40柴油机油和SJCD 15W40汽柴油机通用机油虽能保证较好的运行稳定性，但同步器试验件磨损严重，易产生磨损失效；GL-5 75W90、75W90重负荷多效齿轮油、 80W90重负荷多效齿轮油、 80W140重负荷多效齿轮油等在前期具有较好的运行稳定性，氧化衰变后易发生同步器打齿，导致打齿失效；变速箱油的黏度、抗剪切性能和氧化安定性对同步器运行性能具有一定影响，选用和研发新型变速箱油应予以考虑。

变速箱油 变速箱 同步器 摩擦 性能

同步器是变速箱传动系统关键部件之一。换挡平顺性、磨损量和使用寿命是同步器性能的综合体现。同步器性能除受摩擦材料、同步器结构影响外，润滑油也对同步器性能有重要影响[1-2]。

研究人员开展了同步器结构、摩擦材料和润滑油3方面对同步器性能影响的研究[3]。赵马京等[4]利用自行研发的试验台对不同同步器的摩擦材料、同步器的结构以及不同润滑条件下同步器的同步性能进行了测试。Abdel-Halim等[5]用同步器摩擦副之间的摩擦因数作为表征方法对试验结果进行分析，研究了不同摩擦材料对同步器性能的影响。Tuszynski等[6]在FZG试验台上建立一种新方法对覆盖不同摩擦材料的齿轮和摩擦副的多种接触形式的抗擦伤性能进行评价。Byoungchul等[7]分别以光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和X-射线等手段，对试验前后同步环的涂层厚度、表面粗糙度、硬度和元素组成等进行对比，分析了齿轮油对涂层摩擦磨损性能的影响。Bouffet[8]和Connor等[9]在SRV-Ⅳ摩擦磨损试验机上用相同摩擦材料的试验件，研究不同润滑油黏度和添加剂如摩擦改进剂、分散剂等对同步器摩擦磨损性能和运行平稳性的影响。Abraham等[10]利用所建立的试验台架研究了满足API GL-4等级的商用润滑油和自动传动液对同步器稳定性以及最优摩擦磨损特性的影响。但针对我国重载车辆现用的锁环式同步器的相关工作报道较少。

本研究基于自行研制的WS2001同步器试验台架，通过对不同润滑油的台架试验，探究油品对WS2001惯性锁环式同步器运行性能的影响。

1 实 验

1.1 试验方法

试验所用台架为自行研制的WS2001变速箱同步器油品适应性评定试验台，经测试，该试验台能够模拟手动变速箱实际运行工况，具有较好重复性和区分性。试验台架操作流程及相关参数设置见文献[11]。

试验条件如下：换挡推力900 N，主轴转速1 050 rmin，试验温度90 ℃。试验件为WS2001惯性锁环式同步器及其组件，见图1，试验件相关参数见表1。试验前后用石油醚超声清洗20 min，并称取试验件质量。

1.2 试验油品

目前我国重载车辆变速箱广泛使用质量等级为GL-5的重负荷齿轮油，同时考虑到发动机油有时也用作变速箱油，故试验选用GL-5 75W90重负荷齿轮油和同质量等级的75W90重负荷多效齿轮油、80W90重负荷多效齿轮油、80W140重负荷多效齿轮油、CF-4 15W40柴油机油和SJCD 15W40汽柴油机通用机油为试验油品。

图1 试验部件

项 目数 据同步环宽度∕mm125同步环名义直径∕mm132摩擦锥面半锥角∕(°)65总摩擦面积∕mm25977

2 结果与讨论

2.1 油品对同步器运行性能的影响

同步器性能是反映油品与同步器之间适应性的重要方面，包括换挡平顺性、同步换挡速度。换挡平顺性和同步换挡速度的综合性能构成了换挡舒适性，是用户体验的重要指标。

换挡平顺性通过同步换挡过程中摩擦力矩的变化表征。同步器通过摩擦副之间相对运动，产生的摩擦力矩实现锥体与同步环之间的同步[12]。当同步换挡平稳时，换挡过程摩擦力矩较大且平稳；当同步换挡出现打齿或卡咬时，换挡过程摩擦力矩较小，且会出现冲击力矩，同时产生刺耳噪声，最终不能完成换挡。因此，通过摩擦力矩变化可评价变速箱同步换挡平稳性。

图2是不同油品，不同换挡次数摩擦力矩变化曲线。由图2可以看出：在最初换挡500次时，各油品在换挡过程摩擦力矩均较大，能达到80 (N·m)以上，且表现平稳，说明新油品均能满足变速箱同步器使用；随着换挡次数的增加，摩擦力矩逐步下降，最终当摩擦力矩在20 (N·m)左右时不能完成换挡；且不同油品对换挡平顺性具有不同影响。

各齿轮油试验时，在试验中期(换挡次数达中间值)，摩擦力矩均有不同程度下降；在试验终点，摩擦力矩仅为20 (N·m)左右，且出现冲击力矩，变速箱运行平稳性随换挡次数增加而变差；各齿轮油对变速箱运行平稳性影响也不同，GL-5 75W90重负荷齿轮油(图2a)和80W90重负荷多效齿轮油(图2c)的摩擦力矩随换挡次数增加下降较快，而80W140重负荷多效齿轮油(图2d)的摩擦力矩保持较好，说明80W140重负荷多效齿轮油较GL-5 75W90重负荷齿轮油和80W90重负荷多效齿轮油更能保持变速箱运行平稳性；75W90重负荷多效齿轮油(图2b)的初始摩擦力矩和中间摩擦力矩较其它试验齿轮油大，说明变速箱使用75W90重负荷多效齿轮油润滑时，前期的运行平稳性较其它齿轮油更好。

同步换挡速度是变速箱同步器运行性能的另一重要指标，表征换挡难易程度。换挡速度快，表示挂挡容易，用户体验较好，反之表示挂挡不易。从相关资料[13]可知，重载车辆变速箱同步器换挡时间一般小于0.5 s。图3为不同油同步时间随换挡次数变化曲线。由图3可以看出，各油品的同步时间先随换挡次数增加而迅速增加，再趋于平缓，最后又迅速增大。CF-4 15W40柴油机油和SJCD 15W40汽柴油机通用机油的同步时间比齿轮油的同步时间短，这与发动机油的摩擦力矩比齿轮油的摩擦力矩大有关。

2.2 油品对同步器使用寿命的影响

各试验方法常以同步器失效次数作为同步器使用寿命的指标[14-15]。同步器失效根据失效形式分为2种：一是打齿失效；二是磨损失效。图4为不同油品的换挡寿命，图5为试验结束后铜滑块磨损情况。

—换挡500次; —中间换挡15 000次; —换挡失效次数30 171次

—换挡500次; —中间换挡24 432次; —换挡失效次数48 457次

—换挡500次; —中间换挡20 332次; —换挡失效次数43 902次

—换挡500次; —中间换挡20 043次; —换挡失效次数40 096次

—换挡500次; —中间换挡20 000次; —换挡失效次数39 844次

—换挡500次; —中间换挡7 000次; —换挡失效次数14 032次

图3 不同油同步时间随换挡次数变化曲线■—GL-5 75W90重负荷齿轮油；●—75W90重负荷多效齿轮油； ▲—80W90重负荷多效齿轮油； —80W140重负荷多效齿轮油；◆—CF-4 15W40柴油机油； —SJCD 15W40汽柴油机通用机油。 图7同

图4 不同油品换挡寿命

由图2和图4可知，不同油品对同步器的使用寿命不同。各重负荷多效齿轮油的同步器使用寿命都能达到40 000次以上，CF-4 15W40柴油机油的使用寿命为39 844次，而GL-5 75W90重负荷齿轮油和SJCD 15W40汽柴油机通用机油则分别为30 171次和14 032次。

图5 各油品试验结束时铜滑块磨损情况

由图2和图5可知，不同油品导致同步器失效的形式不同。使用GL-5 75W90重负荷齿轮油、75W90重负荷多效齿轮油、 80W90重负荷多效齿轮油、 80W140重负荷多效齿轮油时，同步器失效形式为打齿失效，存在冲击力矩(图2a～d)，铜滑块磨损较小(图5a～d)；而使用CF-4 15W40柴油机油和SJCD 15W40汽柴油机通用机油时，同步器失效形式为磨损失效，摩擦力矩变化不大(图2e～f)，铜滑块磨损剧烈(图5e～f)。主要是因为油品的添加剂体系不同，对同步器试验件的作用形式就不同。发动机油对氧化安定性、清净分散性要求较高，而极压抗磨性要求不如齿轮油。因此使用过程中，摩擦副表面不能形成稳定的保护膜，而不断出现新的接触面。而齿轮油中由于含有大量的极压抗磨剂，其中含有的S，P，Cl等元素能与摩擦副表面形成稳定的化学膜，起到保护作用。因此发动机油的摩擦力矩较大，磨损较大，失效后需更换试验件，而齿轮油的摩擦力矩相对较小，磨损较小，失效后以更换试油为主。

2.3 油品性质对同步器运行性能的影响

变速箱油的性质变化也会对同步器运行性能产生影响，如齿轮油黏度、氧化生成物等理化性质的变化对摩擦因数会产生影响。图6为试验中各油品部分理化性质的变化。

根据变速箱同步器工作条件可知，换挡过程是对油品进行剪切、氧化的过程。换挡过程的实现是摩擦副和油品共同的作用，润滑油充斥于摩擦界面，起到承载、润滑、冷却的作用。油品承载能力与油品黏度有关，黏度越大，油品承载能力越强，内摩擦力越大，黏度的变化大小是抗剪切性能好坏的体现。润滑油的氧化通过其酸值和正戊烷不溶物来表征。

图6 油品理化性质随换挡次数的变化

3 结 论

(1) 不同油品对同步器性能具有不同的影响。发动机油与齿轮油性能有较大差异，以发动机油代替齿轮油作为变速箱油，虽能提高换挡舒适性，但同步器件磨损严重，失效后需更换器件，而齿轮油以油品变质为主，失效需更换新油。

(2) 选择具有合适黏度、较好抗剪切性能和氧化安定性的油品有利于提高变速箱同步器的运行稳定性、减小磨损、延长使用寿命。

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INFLUENCES OF DIFFERENT TRANSMISSION OILS ON PERFORMANCE OF WS2001 SYNCHRONIZER

Wen Hao1， Su Bin2， Xu Wanli2， Shi Yonggang3

(1.PostgraduateManagementUnit，LogisticEngineeringUniversity，Chongqing401311；2.BeijingPetroleumOilandLubricantInstitute；3.DepartmentofTraining，LogisticEngineeringUniversity)

Based on the self-built WS2001 inertia lock ring synchronizer test bench， the influences of lubricating oils on the WS2001 synchronizer performance was tested with six kinds of oils： heavy load gear oil GL-5 75W90， heavy load multifunctional gear oil 75W90， 80W90， 80W140， diesel engine oil CF-4 15W40 and universal internal combustion engine oil SJCD 15W40. The experimental results indicate that the different lubricating oils have different service lives， resulting in different failure modes of the synchronizer. Though CF-4 15W40 and SJCD 15W40 possess enough running stability， the synchronizer test parts are easy to fail for wear and tear. While heavy load GL-5 75W90， heavy load multifunctional gear oils 75W90， 80W90， 80W140 have a good running stability in the early stage， but miss-engagements occur as the oils being oxidized， resulting in the failure of the test parts. It is concluded that the viscosity， shear resistance and oxidation stability of transmission oils has influences on the performance of the synchronizer. Their influences must be considered when selecting and developing new type gearbox oils.

transmission oil； gearbox； synchronizer； friction； performance

2015-12-02。

文昊，硕士研究生，主要从事润滑油质量分析与评定工作。

史永刚，E-mail：ygshi@126.com。

国家自然科学基金青年基金项目(NSFC 21206204)。