超载车辆齿轮油
        王成功
中国石油大连润滑油研发中心
摘要：面临着我国重载卡车普遍严重超载的现实，从车辆齿轮油的润滑特性入手，阐述了油品粘度、添加剂加入量与承载能力和抗擦伤能力的关系，得出应生产一种高粘度、高剂量的超载车辆齿轮油，以满足现阶段汽车高速、重载、超载的需要。
关键词：超载  车辆齿轮油    齿轮台架    粘度    添加剂
1前言
  齿轮油的发展方向是低粘化、长寿命和减摩性能最佳化。降低润滑油粘度有利于节约燃料和动力消耗[1]。然而我国载重卡车普遍存在超载的严峻现实，而且超载幅度在都超过50%。对于这类卡车关心的不是节能，而是如何保证正常行驶。笔者在产品技术服务中就遇到这样问题：2002年8月，唐山某运输单位用定量12吨解放自卸车（6X4）往北京运送球状铸铁，实载30吨，
行驶途中，驱动中桥、后桥因滑油温度过高而导致齿轮油冒烟，被迫停驶。采集油样的分析结果：100℃运动粘度17.6；倾点-18℃；硫含量1.21%；磷含量0.06%；初步判断该油属于经济配方85W/90 GL-5齿轮油，事故原因是在高温（环境温度34℃，路面温度45℃）条件下，严重超载所致。目前卡车超载已是普遍存在问题，在晋煤外运的主要通道—石太高速公路旧关收费口（过磅），解放半挂车拉40T，斯太尔、红岩半挂车拉80T。
车辆齿轮油是齿轮装置的结构材料，在齿轮传动装置设计时是经过齿轮强度计算，油品粘度和承载能力是重要的参数。汽车工业的发展推动了车辆齿轮油的升级，卡车载荷的增加使得驱动桥齿轮传动的功率增加，而驱动桥齿轮的几何尺寸并没有很大变化，导致齿面压力增加，温度升高。特别是汽车车体设计不断改进，使空气动力学 性能更趋合理。车辆行驶时空气阻力减小，流过驱动桥外表面的空气流量减少，散热性变差，摩擦热难以散发，使用条件苛刻。如果再成倍增加载荷，没有足够的润滑保护膜，或油膜破裂，发生干摩擦，瞬间摩擦热足以熔化齿面上微凸不平加工痕迹，发生烧结、擦伤。研究表明，车辆运转部件磨损量随车辆总重和道路的恶化而增大，特别是超载情况，经常使零部件发生异常磨损。面对着超载运输的现实，润滑油市场上需要一种高粘度、高剂量的超载车辆齿轮油。
2车辆齿轮油的润滑特性
  齿轮的曲率半径小，润滑中形成油楔的条件差，轮齿的每一次啮合均须重新建立油膜。另外，啮合表面不相吻合，有流动也有滑动，恶化了油膜运转情况。车辆齿轮油主要作用在于减少齿轮副之间的摩擦与磨损。摩擦润滑过程一般包含流体润滑、弹性润滑、混合润滑和边界润滑。当润滑的齿面在负载下接触时，就发生塑性变形，润滑油陷入金属表面之间。齿轮油的组成、性能和齿面的化学状态支配着摩擦润滑的全过程。
2.1 基础油粘度与承载能力、抗擦伤能力
齿轮表面的损坏形式有胶合、擦伤、点蚀、剥落、磨粒磨损等，齿轮油防止上述损伤出现的能力称为齿轮油的承载能力和抗擦伤能力，这与基础油粘度密切相关，同时以受温度影响。当油温升高时，粘度下降，油性减弱，难以形成牢固的油膜，增加金属间接触几率；粘度过低还会造成齿轮疲劳磨损，甚至齿根断裂。
在特定工况下的各种粘度油膜厚度见图1。
维持齿面间的流体润滑，防止和减少出现边界摩擦，则需保持特定的油膜厚度和强度。油膜厚度是由油品粘度（η），运转速度（N）和承载力（P）决定即由无量纲参数η*N/P决定的，
通常为增加油膜厚度，采用高粘度基础油。不同粘度基础油在四球机上评定结果如表1：
                    表1  不同粘度基础油在四球机上的评定结果
四球机                  油品
HVI150(KV100 5.1)
HVI500(KV100 9.9)
HVI150BS(KV100 31.2)
PB(N)
735
931
931
D60min
0.51
0.49
0.44
据资料报道[2]，齿轮发生擦伤时的负荷与润滑油粘度的关系可表示为P=k(η100)exp1/2,(P为负荷；k为与温度有关的常数；η为100℃粘度)。从图2看出，在HQ-1型摩擦磨损试验机上对加剂量相同的不同粘度等级车辆齿轮油的评定，粘度越高抗擦伤极限负荷越大。图3得出，高粘度齿轮油在较低的加剂量下顺利通过L-42抗擦伤性能试验齿轮台架。
                                         
美国、欧洲齿轮油主要产品的粘度等级为燃料经济性好的75W/90和80W/140，前者用于轿
车和轻型车驱动桥，后者用于卡车驱动桥，这种大跨度、高粘度齿轮油可满足车队长途运输需要。“七五”期间我国根据国情研制了高粘度多级油85W/140GL-5以满足我国大部分区域载重卡车需要。
2.2车辆齿轮油的关键指标——L-37/L-42齿轮台架
承载能力和抗擦伤能力是齿轮油主要使用性能，其配方组成中90%以上是硫磷型极压抗磨剂。美国科学技术协作委员会CRC的四个全尺寸台架是评定GL-5油的关键，它们分别代表了汽车行驶时不同工况对齿轮油性能的不同要求，与车辆载荷有关的是L-37/L-42联合台架，为了确定试验条件，做了系列行车试验。例如用M-37军车在沙漠地区和山区分别进行高速行车和低速爬坡试验，在这两种情况下，尽管载重量相同，但驱动桥齿轮承受负荷、扭矩各不相同。根据这两种苛刻条件下实测齿面承受负荷、滑动速度、油温等条件建立起L-37台架两个试验程序即高速低扭矩和低速高扭矩。见表2
            表2 行车试验结果与CRC L-37台架试验条件的比较
项目
    行车试验结果下
CRC L-37台架试验条件
车速(km/h)
后桥齿轮转速（r/min）
齿面滑动速度（m/s）
齿轮扭矩
（N* m）
后桥速度（r/min）
测功机负荷（kg/mm）
齿面负荷（N/mm）
润滑油温（℃）
高速试验
80
440
5.05
1058
程序Ⅰ
60min
440
535*5=
1070
262.6
147
高扭矩试验
16
86
0.91
4720.7
程序Ⅱ24h
80
2350*2=
4700
1164
135
齿轮台架试验条件都是根据实际行车测得数据，经过数据后处理而确定，因此与实际行车有较好的相关性，凡是通过台架评定的油，正常实车使用都不会出现问题。对于超载汽车而言，在高速公路上车速可达到120km/h，在低速爬坡时，车速低于16km/h，驱动桥润滑温度，齿面负荷远超出设计值，甚至苛刻于L-37台架试验条件，因此，使用通过齿轮台架评定的GL-5油就显得力不从心，必须从粘度上、加剂量上进行补尝。
基础油粘度直接影响着齿轮油承载能力和抗擦伤能力，对低粘度级别的齿轮油在齿轮台架评定中的表现成濑等人做了研究得出[3][4]，在高速运转条件下75W油膜厚度只有85W/140的一半，尽管75W在L-37台架中试验温度缓和，标准的GL-5油加剂量仍不能满足低粘度75W油对承载能力（L-37台架）和抗擦伤能力（L-42台架）的要求，必须增加50%剂量来加以改善。不同添加剂量和台架试验结果列入表3。
表3  75 W GL-5齿轮油台架评定结果
项目
测定齿轮表面状态
加剂量6.2%
加剂量9.3%
L-37承载能力试验
驱动小齿轮、环形齿轮：波纹
严重
无
                      磨损
严重
无
                      点蚀
中等程度
中等程度
                      剥落
无
无
L-42抗擦伤性能试验
小齿轮非驱动面擦伤面积%
28
4
环形齿轮非驱动面擦伤面积%
26
8
*注：75W油在L-37 程序Ⅰ、程序Ⅱ温度分别为104℃和93℃；其余粘度等级相应的温度是147℃和135℃。
3车辆齿轮油的应用
近二十年来，随着添加剂质量的提高，添加剂配方技术取得长足进步，配方组成更加完善、合理，各项性能指标不断提高，加剂量不断下降，经济性进一步提高。美国Lubrizol公司车辆齿轮油复合剂的添加量就可以看出这一发展趋势：从Anglamol2000的8.5%、经过A-6044A的7.5%、A-6044B的5.5%、A-6085的4.8%直到现在的4.2%。这些经济性好的“优化配方”，在齿轮台架上L-37/L-42均是卡边通过，生产弹性很小，在实际应用上有一定风险。然而并未见到用户投诉，原因是国产卡车大多使用GL-4或相当于GL-4的18#双曲线齿轮油，经济配方GL-5的性能总比18#双曲线油好得多，即使出现问题，几乎都是因“超载惹的祸”，用户心知肚明，不敢声张。
欧洲、美国、日本使用的GL-5油，为了保证产品质量，延长换油期，除采用大跨度多级油以外，加剂量均在6.5%以上。沃尔沃卡车公司是世界三大重型卡车生产厂，为保证其产品具有优异使用性能，一方面要求使用高品质的80W/140GL-5油，另一方面对齿轮油的使用周期也
有严格控制，一般场合是为12万km，在高原运行，换油期减半。
我国七五期间开始研制GL-5油，加剂量都较国外同类油品偏高，为了能够一次性通过四个全尺寸齿轮台架评定，配方添加剂用量留有余地。经济技术指标较差，缺乏市场竞争力。然而，这种质量过剩的油在重型卡车实际使用效果非常好。大连石化公司研制生产的85W/140GL-5齿轮油，以石腊基油为基础油，选用国产添加剂调制面成，经实验室和CRC L-33、L-37、L-42和L-60齿轮台架评定证明，达到了API GL-5齿轮油质量水平，符合MIL-L-2105D规格和我国重负荷车辆齿轮油标准GB 13985-92。研制油配方组成见表4。
                      表4  85W/140GL-5油配方组成及性能评定
配方
质量组成%
基础油  HVI150BS
        HVI150SN
T803A
功能添加剂（T321 T305 T307 T102 T406 T901）
    85.0
7.0
0.5
    7.5
评定项目
标准要求
实测值
运动粘度（100℃）汽车抗磨剂
倾点/℃
硫含量
磷含量
L-37台架
L-42台架
24.0～41.0
报告
报告
报告
缺点评分≯15
主动轮擦伤面积≯25%
从动轮擦伤面积≯23%
26.10
-16
2.22
0.16
1.01
8%
6%
为了考察研制油对传动齿轮的保护性、油品本身的极压抗磨性、使用稳定性、氧化衰变状况，参照GJB 1108.2-91军用汽车齿轮油鉴定试验规程，对载重汽车进行10万km的道路行车试验[5]，选用五台日本三菱FV413型中、后桥驱动重型载重卡车（拉集装箱），试验车采用双曲线齿轮驱动桥，要求使用GL-5齿轮油。行车路线为天津—广州和天津—上海之间，横跨华北、华东、华中和华南地区。道路条件有高速公路、一般沥青路、土路及正在修建中凹凸不平的土路。山区公路占总里程的10%，满载荷行驶占总里程60%以上。行车试验中无漏油现象和任何事故发生，1993处11月开始至1995年6月结束。最高行车12.6万km。研制油粘度较大，加剂量较高，在L-37/L-42台架上的评定结果有较大余地，实车试验后拆检结果的典型数据如表5。