商用車手動變速箱油評價體系研究進(jìn)展

李小剛，張遂心，丁芳玲

(中國石油潤滑油公司昆侖潤滑檢測評定中心，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

近年來，在市場需求發(fā)生重大變化的背景下，各重型卡車企業(yè)都不約而同地將產(chǎn)品研發(fā)的重中之重轉(zhuǎn)向了動力總成的升級換代。主要體現(xiàn)在重型變速器的應(yīng)用正在增多，同步器技術(shù)廣泛普及[1]。于是各重型卡車企業(yè)對變速箱專用油(Manual Transmission Fluid，簡稱MTF)也提出了苛刻的要求。

MTF是一種專門用于手動變速箱的齒輪油，其要求具有優(yōu)良的承載能力、抗擦傷能力、防腐防銹性能、氧化安定性及良好的油耗表現(xiàn)。同時由于各大OEM制造的重型變速器之間也具有差異化，因此他們對手動變速箱油的性能要求也不盡相同。本文根據(jù)調(diào)研商用車手動變速箱的市場需求展開論述商用車手動變速箱油評價體系的研究進(jìn)展。

1 國內(nèi)商用車市場現(xiàn)狀

通過對國內(nèi)外的情況分析來看，在未來的幾年或十幾年中，傳統(tǒng)的 MT仍將是我國重型卡車裝車率最大的主流產(chǎn)品[2]。

商用車目前發(fā)展良好，2021年上半年，隨著我國疫情的逐步控制，商用車行業(yè)進(jìn)一步回暖，上半年全國商用車總產(chǎn)量為273.0萬輛，同比增長15.7%;商用車銷量為288.4萬輛，同比增長20.9%。從商用車銷量占汽車總銷量的比重來看，2015年以來，我國商用車市場份額持續(xù)提升，從2015年的14.0%提升至2020年的20.3%。2021年上半年，我國商用車銷量占比進(jìn)一步提升至22.4%。根據(jù)《中國汽車行業(yè)市場前景及投資機(jī)會研究報告》數(shù)據(jù)顯示，截止2021年6月，重卡銷量詳細(xì)如表1所示。

表1 商用車市場形式分析

2 國外商用車手動變速箱油評價體系研究現(xiàn)狀

歐洲，作為商用車變速箱行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，有約57%的商用車變速箱為手動變速箱，其中約有90%帶有同步器。歐洲地區(qū)山路較多，換擋頻繁，換擋次數(shù)約是北美的4倍。因此對手動變速箱油要求具有優(yōu)良的承載能力、抗點蝕性能、熱氧化安定性以及良好的同步器換擋性能等。

2.1 同步器嚙合性能

同步器嚙合性能作為手動變速箱重要性能被很多國外研究學(xué)者進(jìn)行廣泛研究。北美主要采用的是《手動變速箱油熱安定性循環(huán)耐久性試驗方法》即ASTM D5579-01對變速箱油同步耐久性的評價[3]。該方法采用MACK 循環(huán)耐久性試驗臺評價手動變速箱油的循環(huán)耐久性，所用變速箱為Mack T2180，變速箱內(nèi)所用同步器為由導(dǎo)向盤、摩擦片及同步離合器組成的片式同步器。隨著同步器技術(shù)的發(fā)展，目前各大OEM所用的同步器為慣性鎖環(huán)式同步器，在摩擦副材料、表面紋理和接觸形式等方面與MACK循環(huán)試驗件之間存在差異，因此，該方法適用于片式同步器用油摩擦性能的評定。因此，MACK循環(huán)試驗已經(jīng)從SAE J2360標(biāo)準(zhǔn)中刪除。

歐洲與北美變速箱技術(shù)和結(jié)構(gòu)存在差異，同步嚙合耐久性評定，歐洲采用CEC L-66-99《同步嚙合耐久性評定方法》[4]。該方法采用SSP-180 同步嚙合試驗臺評價手動變速箱油的同步器性能，該試驗臺由慕尼黑技術(shù)學(xué)院齒輪與變速器工程實驗室開發(fā)，主要用于 FVA 同步器項目標(biāo)準(zhǔn)試驗研究。該試驗臺直接以變速箱內(nèi)同步器作為試驗的研究部件，通過同步環(huán)的磨損率、摩擦系數(shù)和換擋次數(shù)等來評價手動變數(shù)器同步器耐久性、抗磨損性能和同步器組件或潤滑劑性能。適用于乘用車和商用車不同類型的同步器用油的評定。

2.2 熱氧化安定性能

美國材料與試驗協(xié)會制定的ASTM D5704-00a《測定手動變速箱和后橋用潤滑油熱氧化安定性的試驗方法》因其與車輛傳動系實際工況比較接近而被各大OEM規(guī)格廣泛引用，用來評價手動變速箱油的熱氧化安定性[5-9]。

ZF規(guī)格和沃爾沃規(guī)格對手動變速箱油熱氧化安定性方面要求均采用CEC-L-48-A-00 App.B(120 ℃、192 h)通過評價試驗前后油品的100 ℃黏度增長、斑點、油泥、氧化峰值來評價油品的氧化安定性。

美國API MT-1規(guī)格要求采用ASTM D5706(L-60-1)通過評價試驗前后油品的100 ℃黏度增長、甲苯不容物、戊烷不容物、積炭、油泥評分來評價手動變速箱油和后橋油的熱氧化安定性。

2.3 抗點蝕性能

齒輪油的抗點蝕性能主要研究領(lǐng)域為工業(yè)齒輪油，但隨著車輛齒輪油的發(fā)展，開始有OEM關(guān)注車輛齒輪油的抗點蝕性能。國外Waldemar Tuszynski在《Effect of ageing automotive gear oils on scuffing and pitting》中講到：在HANSA四球機(jī)上采用四球為試驗件在1450 r/min，5886 N下進(jìn)行點蝕試驗，該方法被大眾作為內(nèi)部油品認(rèn)證試驗。同時該文獻(xiàn)中在評價點蝕試驗時也采用EHD油膜厚度試驗儀評價油品的油膜厚度，因為點蝕的出現(xiàn)和油品黏度的降低是有一定關(guān)系的。雅富頓的T.C.Jao博士等人在《Effects of viscosity and surface roughness on gear contact tribological layers》中介紹：采用FZG齒輪機(jī)采用FVA_2IV進(jìn)行油品抗點蝕性能研究，該方法被沃爾沃規(guī)格納入認(rèn)證體系。而ZF的規(guī)格中有自己的評價點蝕的試驗方法，在FZG齒輪機(jī)上，但試驗條件與FVA_2IV不同[10]。

2.4 承載性能

手動變速箱油的承載性能是其重要性能之一。Boris Krzan在《Load-carrying capacity of WC/C-coated gears lubrucated with a low-viscosity oil》中介紹了在FZG齒輪機(jī)上采用碳化鎢涂層的齒輪，依據(jù)ASTM D5182試驗方法考察低黏度合成型齒輪油的承載能力，結(jié)果顯示：碳化鎢涂層的齒輪抗膠合能力要比FZG標(biāo)準(zhǔn)涂層齒輪的抗膠合能力強(qiáng)[11]。

2.5 傳動效率

目前，國外對手動變速箱油傳動效率方面研究的文章較多。Kentaro Matsuzaki and Toyokazu Yamamoto[7]在《Development of a new Fuel-Efficient Manual Transmission Oil》中介紹在研究新型燃油經(jīng)濟(jì)性手動變速箱油中采用EHD油膜厚度試驗儀測試相同黏度級別不同黏度指數(shù)油品的油膜厚度，并采用FZG測試油品的抗點蝕性能，因為黏度對燃油經(jīng)濟(jì)性有較大的影響，黏度越低，燃油經(jīng)濟(jì)性好，但對于手動變速箱來講，低黏度的油品在齒輪表面形成的油膜較薄，容易引發(fā)點蝕的形成，這就是該文獻(xiàn)從EHD油膜厚度和FZG齒輪點蝕性能測試的原因。

Dipl.lng.Rolf Kruttgen在《手動變速箱燃油經(jīng)濟(jì)性的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》中介紹：手動變速箱對整車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響高到3%至5%，因此低黏度手動變速箱油的開發(fā)將是發(fā)展趨勢。該文獻(xiàn)測試低黏度手動變速箱油的燃油經(jīng)濟(jì)性方面主要采用的是手動變速箱測試臺以及EHD油膜厚度試驗機(jī)。并且給出EHD油膜厚度試驗機(jī)是研究低黏度手動變速箱油較好設(shè)備的結(jié)論。

3 國內(nèi)商用車手動變速箱油評價體系研究進(jìn)展

中國與歐洲情況類似，都是山路較多，換擋頻繁，同步器使用率較高，但是用油標(biāo)準(zhǔn)很混亂，沒有完善的商用車同步手動變速箱油標(biāo)準(zhǔn)。法士特劉守江在《重負(fù)荷手動變速箱齒輪油發(fā)展趨勢及原因分析》中介紹了：隨著手動變速箱制造水平的不斷提高，長換油里程作為潤滑油性能的重要指標(biāo)；在重載低速爬坡等極端工況下，變速箱齒輪易產(chǎn)生點蝕剝落等失效現(xiàn)象。因此，國內(nèi)商用車手動變速箱油需要突出的重點性能有：齒輪抗點蝕、承載性能，同步器性能以及長換油里程。

張超等人[1]在《商用車手動變速箱發(fā)展趨勢》中介紹：在手動變速箱油性能要求方面，各大OEM根據(jù)自身變速箱的特點建立了相應(yīng)的規(guī)格，影響力較大的有：ZF規(guī)格、沃爾沃規(guī)格及MT-1規(guī)格。而滿足MT-1規(guī)格的油品適用于不帶同步器的重型卡車和客車的手動變速器，早期在我國、北美被廣泛引用。但隨著變速箱技術(shù)的發(fā)展，我國手動變速箱已有90%以上為帶有同步器的手動變速箱，因此，MT-1規(guī)格早已不能滿足實際用油需求。

我國在變速箱油評定技術(shù)方面尚在起步階段，重點關(guān)注的油品性能如下。

3.1 同步器性能

文昊，史永剛等人[4]在《變速箱同步器油摩擦性能評價技術(shù)發(fā)展》中寫道：同步器是變速箱傳動系統(tǒng)關(guān)鍵潤滑部件之一，為其提供潤滑的變速箱油除了要求良好的低溫流動性、剪切性、抗氧化、熱穩(wěn)定性能等基礎(chǔ)性能之外，還要滿足長效性、抗抖動性、牽引能力和內(nèi)摩擦性等特殊性能要求，以滿足同步器換擋的要求。

向權(quán)力，劉曉雷，劉守江等人[12]在《潤滑措施對重型手動變速箱壽命影響分析》中寫道：手動變速箱潤滑油的作用是在齒輪嚙合表面形成潤滑油膜，從而避免齒輪傳動過程中出現(xiàn)硬摩擦，并通過其流動性帶走齒輪嚙合過程以及同步器同步過程中產(chǎn)生的熱量及因磨損產(chǎn)生的鐵屑，防止出現(xiàn)二次磨損。同時文獻(xiàn)也指出因潤滑油失效導(dǎo)致的變速箱典型的故障有齒面點蝕、同步器摩擦材料磨損、脫落、油泥沉積導(dǎo)致的油封失效等問題日漸顯著。

3.2 抗點蝕性能

隨著節(jié)能型手動變速箱油的發(fā)展，油品的抗點蝕性能更被當(dāng)成重點性能進(jìn)行研究，因為節(jié)能型油品的開發(fā)主要從降低黏度的角度出發(fā)，通過降低攪油功耗來達(dá)到節(jié)能的目的。而油品的黏度越低在齒輪表面形成的油膜厚度越薄，進(jìn)而提高了齒輪表面承受的循環(huán)剪切應(yīng)力，從而導(dǎo)致齒輪疲勞失效即點蝕的產(chǎn)生。

謝驚春，張寬德[13]在《手動變速箱油的評定技術(shù)發(fā)展》中介紹了我國在手動變速箱油品評定方面的研究現(xiàn)狀，國內(nèi)主要還是采用FZG (FVA_2-IV_Pitting)齒輪點蝕試驗在FZG齒輪機(jī)上采用C型齒輪進(jìn)行油品抗點蝕性能的研究，并被國內(nèi)有些OEM引入自己的評價體系中。王鵬等人[14]在《潤滑油抗微點蝕性能試驗研究》中介紹了采用英國PCS公司生產(chǎn)的MPR微點蝕試驗機(jī)進(jìn)行齒輪油抗微點蝕/點蝕性能模擬試驗研究，并做了與FZG (FVA_2-IV_Pitting)齒輪點蝕試驗的相關(guān)性統(tǒng)計，該方法可作為實驗室中的一種模擬研究手段。

國內(nèi)在研究手動變速箱齒輪油的抗點蝕性能方面依舊沿用的是國外標(biāo)準(zhǔn)方法FZG (FVA_2-IV_Pitting)，中石油昆侖潤滑油公司檢測評定中心蘭州實驗室采用MPR微點蝕試驗機(jī)開展了相應(yīng)的模擬試驗研究，并取得較好的研究結(jié)果。

3.3 熱氧化安定性能

手動變速箱油必須有優(yōu)良的熱氧化安定性，有效防止沉積物的生成，避免造成軸承、密封件、同步器的損壞，同時有利于延長油品使用壽命。而長壽命是手動變速箱發(fā)展的趨勢，也是各大OEM對手動變速箱油品的性能需求之一。

于海等人[15]在《長壽命車輛齒輪油的研究》中介紹了采用CRC L-60-1評價齒輪油的熱氧化安定性，通過在原有標(biāo)準(zhǔn)試驗的基礎(chǔ)上延長試驗時間來考察油品的熱氧化安定性即長壽命，最終成功篩選出不同熱氧化安定性的油品配方。

國內(nèi)在研究手動變速箱油品熱氧化安定性方面依舊沿用歐美標(biāo)準(zhǔn)CEC L-48-A-00(DKA氧化試驗)和CRC L-60-1的居多，也有在實驗室內(nèi)部采用烘箱氧化的方式進(jìn)行考察油品氧化安定性的案例，但被廣泛認(rèn)可的主要是CEC L-48-A-00(DKA氧化試驗)和CRC L-60-1。

3.4 承載性能

手動變速箱油的承載性能是其重要性能之一。張寬德，謝驚春[13]在《手動變速箱油的評定技術(shù)發(fā)展》中介紹了我國在手動變速箱油承載性能評定方面的研究現(xiàn)狀，主要還是采用潤滑油膠合承載能力的試驗方法(FZG目視法)ASTM D5182、高極壓齒輪油承載能力測試(采用A10/16.6R/90 FZG)CEC L-84-02來評價油品的承載性能。這兩種標(biāo)準(zhǔn)也被各個OEM納入油品認(rèn)證體系，作為考察手動變速箱油承載性能的依據(jù)。

李小剛等人在《齒輪油承載性能模擬試驗研究》中介紹了采用SRV試驗機(jī)為研究平臺，以柱-盤標(biāo)準(zhǔn)試驗件來模擬FZG ASTM D5182試驗，并研究了二者的對應(yīng)性。結(jié)果顯示：SRV模擬試驗與FZG(A/8.3/90)之間具有較好的對應(yīng)性，可作為實驗室內(nèi)部的一種篩選手段。

3.5 傳動效率

孫晉松，焦紅蓮等人[16]在《潤滑油對手動變速器傳動效率影響的研究》中寫道：選取了4種不同黏度級別的手動變速箱油采用6速手動變速器進(jìn)行傳動效率的測定。初步分析認(rèn)為，出現(xiàn)效率降低主要是由攪油損失造成的，隨著轉(zhuǎn)速逐漸增高，齒輪攪油損失(潤滑油的負(fù)貢獻(xiàn)率)逐漸增大且增速大于潤滑油對傳動效率提供的改善率(潤滑油的正貢獻(xiàn)率)，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，攪油損失便成為潤滑效率的主要損失點，可根據(jù)此點來研究手動變速箱油傳動效率的評定方法。并得出采用低黏度、黏度指數(shù)適中、多級的潤滑油能提高傳動效率的結(jié)論。

華秀菱[17]在《節(jié)能型75W-90卡車手動變速箱油的研制》中介紹了采用FZG 效率試驗臺參照德國大眾公司PV1456和RohMax公司齒輪傳動效率試驗方法建立了一種評定齒輪油傳動效率的試驗方法，主要用于實驗室內(nèi)部評價齒輪油節(jié)能性能的方法。

3.6 剪切安定性

手動變速箱油的剪切安定性也是其重要性能之一。王明明、石順友[18]在《我國重負(fù)荷車輛齒輪油規(guī)格的最新發(fā)展》中介紹了：黏度是保證有效油膜的關(guān)鍵，因此，在車輛齒輪潤滑中，優(yōu)異的黏度保持性是保證齒輪獲得良好潤滑的關(guān)鍵。由于機(jī)械剪切作用，油品中的高分子聚合物被剪斷，使油品黏度下降，影響正常潤滑，因此多級車輛齒輪油的剪切安定性顯得特別重要，它直接影響齒輪油的黏度級別。而目前評價車輛齒輪油和手動變速箱油剪切安定性的試驗有：超聲波剪切試驗(SH/T 0505)、FZG齒輪機(jī)剪切(SH/T 0200)和KRL剪切(NB/SH/T 0845)，經(jīng)過與車輛傳動系實際運行工況相關(guān)性考察得出：KRL剪切(NB/SH/T 0845)與車輛傳動系運行工況最為接近，并且被廣泛引用到車輛齒輪油和手動變速箱油品規(guī)格中。

4 總結(jié)及建議

4.1 總結(jié)

目前，在手動變速箱油品規(guī)格方面國內(nèi)外均無統(tǒng)一規(guī)格，主要還是以O(shè)EM各自的規(guī)格為主，影響力較大的主要有ZF、沃爾沃、MT-1的規(guī)格。在研究重型手動變速箱油評價體系方面的報道少之又少，但本文從手動變速箱油的性能測試即發(fā)展趨勢方面進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研顯示：目前，國內(nèi)外在手動變速箱油性能要求方面主要還是從OEM手動變速箱的實際需求出發(fā)，并且不同的OEM對油品性能的要求不盡相同，但是大致的性能要求有：承載性能、同步器性能、抗點蝕性能、剪切安定性、熱氧化安定性及傳動效率。在性能測試方面國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀主要是采用全尺寸的手動變速箱臺架進(jìn)行測試，而具體研究手動變速箱同步器性能的報道較多，主要是采用標(biāo)準(zhǔn)同步器試驗臺或自主研究建立的手動變速箱試驗臺研究同步器的摩擦特性。而FZG齒輪機(jī)和效率試驗臺是研究手動變速箱油抗點蝕性能、承載性能以及傳動效率的最好設(shè)備。

國外在手動變速箱油性能方面的研究報道最多的就是手動變速箱油燃油經(jīng)濟(jì)性的考察，因為從國外的文獻(xiàn)報道顯示，手動變速箱油的發(fā)展趨勢將是低黏度化，而該方面用的較多的評價設(shè)備就是手動變速箱臺架、EHD油膜厚度試驗機(jī)和FZG效率試驗臺。但文獻(xiàn)并未給出EHD油膜厚度試驗和FZG效率試驗的燃油經(jīng)濟(jì)性與實際手動變速箱燃油經(jīng)濟(jì)性試驗之間的相關(guān)性。

4.2 建議

國內(nèi)對手動變速箱油的研究起步較晚，大都沿用的是國外的評價標(biāo)準(zhǔn)。隨著手動變速箱技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)各OEM都有自己手動變速箱的技術(shù)特點，因此在手動變速箱油品要求方面既要滿足手動變速箱油品的共性也要體現(xiàn)出自身變速箱的技術(shù)特點。比如在手動變速箱油品性能的共性方面有：承載性能試驗(可采用NB/SH/T 0306潤滑油承載能力的評定 FZG目測法)、齒輪油抗點蝕性能的測定(FVA N0.2/Ⅳ)、剪切安定性(NB/SH/T 0845)、熱氧化安定性(SH/T 0755手動變速箱油和后橋用油熱氧化安定性評定法L-60-1法)、同步器換擋性能(NB/SH/T 0925)以及一些基礎(chǔ)的理化性能分析試驗；在技術(shù)特點方面：建議加入OEM自身的手動變速箱試驗，比如：OEM同步器臺架試驗、傳動效率試驗以及手動變速箱臺架試驗。

我國的路況比較特殊，一直沿用歐美手動變速箱油評價標(biāo)準(zhǔn)并不是最優(yōu)選擇，隨著我國自主變速箱技術(shù)的發(fā)展，我國需要結(jié)合自主變速箱的技術(shù)和自身的路況來建立適用于中國商用車手動變速箱市場的油品評價體系。