作者（zhě）：王國金（jīn）　葉元凱　林菁

　　摘（zhāi）　要：從納米摩（mó）擦學（xué）角度考察了車輛齒輪油的四球機測（cè）定結果，發現Z大無卡咬負荷PB和燒結負荷PD值（zhí）不能很好地代表承載能力，闡明了由這兩個指標難於預測車輛齒（chǐ）輪油（yóu）承載能力的原因（yīn）是：(1)鋼球材質與實際摩擦副的不同；(2)鋼球的接觸方式是點接觸（chù），而齒輪是線（xiàn）接觸；首次提出一（yī）套利用四球機測試估算（suàn）車輛齒輪油承載能（néng）力的方法（fǎ），指出在實際選擇齒輪油時可根據齒輪的齧合壓力來確定油品在四球機（jī）試驗中應達到的比壓（yā）力(specific pressure at contact surfaces)。
　　關鍵詞（cí）：車輛齒輪油；納（nà）米（mǐ）摩擦學（xué）；薄膜潤滑；磨（mó）損
　　現代汽車齒輪Z重要的進步是1925年出現（xiàn）了雙曲線齒（chǐ）輪［1］，目前汽車（chē）後橋（qiáo）齒輪已基本上普及（jí）為雙曲線齒輪，而雙曲線齒輪體積較小，傳動的動力大，齒麵相對滑動速度大，齒麵（miàn）上難以形成潤滑油（yóu）膜，是Z難潤（rùn）滑的摩擦副（fù）之一，它要求齒（chǐ）輪油具有足夠高的極壓性能［1］。30年代以來（lái），美國（guó）開始采用全尺寸台架評價汽車齒輪油的極壓性能，如對GL-5重（chóng）負荷車輛齒輪油的承（chéng）載性能，必須通（tōng）過全尺寸後橋台架試驗CRCL-37(油品（pǐn）在高（gāo）速低扭矩和（hé）低速高扭矩（jǔ）條件下的（de）承載性)和CRCL-42(高負荷衝擊測試)。與此同時（shí），為（wéi）降低評定費用人們試（shì）圖應用模擬試驗機評價齒輪油的極壓性能，例如用四球磨損試驗和FZG齒輪機試驗（yàn）預報L-37試驗，用四球極壓試驗和Timken試驗預報L-42試驗等，雖然取得了某些（xiē）結（jié）果（guǒ），但由於摩擦副工作條件不同，在這些模擬試驗與（yǔ）後橋台架（jià）試（shì）驗之間，很難找到確切的關係［2］。四球機用於（yú）油品潤滑性的（de）評定已具有較長的曆史，由（yóu）於（yú）其設備相對簡單，用油量少，試驗（yàn）費用低，操作方（fāng）便，已成為目前（qián）應用Z為廣泛的模擬試驗設備之一［3］。在（zài）我國的（de）部分汽車廠，經常用四球機的PB值作為衡量（liàng）車輛（liàng）齒輪油承載能力（lì）的主要指標，以為PB值和燒結負（fù）荷PD值越大越好，這樣造成（chéng）經過全套台架評定合格的油品由於在汽車廠測定的PB值（zhí）小於規定值(如100kg)而被拒收。本文試圖從理論和實踐兩個方麵闡（chǎn）明四（sì）球機的車輛齒輪油極壓性測試結（jié）果的意義（yì），提出預測承載（zǎi）能力的（de）方法。
　　1　潤（rùn）滑狀態轉變的理論
　　潤滑（huá）油粘（zhān）度（dù）η、轉速U和負荷P是（shì）決定潤滑狀況的三個因素，它們之間（jiān）的（de）聯係可用無因次參數C來表示：C=ηU/P，C和摩擦係數μ的關（guān）係示於圖1，稱為潤滑狀態（tài）過渡圖或Stribeck曲線［4］。在（zài）流體動力潤滑區，液體膜的厚（hòu）度足以將（jiāng）固體表麵隔開(即油膜（mó）厚度h粗糙度δ)；在邊界潤滑區，微凸體發生連續（xù）的（de）接觸，固體靠金屬表麵吸附的極性物質或反應膜潤滑；介於兩條線中間的為混合潤滑區，摩擦係數μ隨著（zhe）C值減少（shǎo）迅速增加（jiā）。對於混合潤（rùn）滑，迄今的研究並不充分。90年代後證實了混（hún）合潤（rùn）滑是以納米量級的（de）薄膜潤（rùn）滑(thin film lubrication)狀態存（cún）在［5］，以有序液體膜為特征，流（liú）體膜減薄到表麵粗糙峰（fēng）之（zhī）間的間隙為潤滑（huá）油分子尺度範圍，即粗糙峰（fēng）頂（dǐng）已出（chū）現邊界（jiè）膜。薄膜潤滑的物理模型為：靠近（jìn）表麵的是吸附（fù）膜，不具有流體性質；處於（yú）潤滑膜中間的是粘性流體膜，具有彈流潤滑特征，介（jiè）於粘（zhān）性流體膜與吸附膜之間的有序（xù）液體膜，是由於液體分子在摩擦剪切過程中受表麵能作用迫使分子有（yǒu）序（xù）排列而形成的。有序液體膜的有序度高於粘性液體膜，而低於靠近金屬表麵的吸附膜。當潤滑膜厚減少到粘性液體膜完全消失時，潤滑膜由有序（xù）液體膜和吸附（fù）膜為主。薄膜潤滑伴隨表麵磨損，以接觸疲勞和粘著機製為主要（yào）形（xíng）式［5］。如果液體膜更薄，則（zé）隻有吸附膜存在時，為邊界潤（rùn）滑，會出現微（wēi）凸體間的直接接觸。在油中加入油性劑如長鏈（liàn）的醇胺和脂肪酸等，其極性基吸附在金屬表麵上（shàng），長鏈中（zhōng）的次甲基橫向吸附，構成牢固的吸（xī）附膜，代替了金（jīn）屬的直接（jiē）接觸，減輕了摩擦或磨損。在負荷和溫度更高的條件下，油性劑將失效，極壓添加劑與金屬反應，形成一些化合物較金屬易於剪切，熔（róng）點較（jiào）低，可（kě）以防止金屬間（jiān）的咬合從而保護金屬表麵。

圖（tú）1　Stribeck 曲線

　　2　四球機（jī）試驗
　　四球機試驗為點接觸的滑動摩擦，其結（jié）構為一固定在上軸的球相對於固定在下軸上的三個球作旋轉運動。對於一定的試驗（yàn）轉（zhuǎn）速，接（jiē）觸處的滑動速度恒定（dìng），負荷P增加時（shí）磨損直徑d變化見圖2。當負荷增加到（dào）B點，在（zài）四球機（jī）試驗中到達（dá）了卡咬點［6］，相應的負荷值（zhí）為Z大無卡咬負荷PB；當負荷進一步增（zēng）大，達到D點時，邊界潤（rùn）滑狀態失效，四球接（jiē）觸處出現了燒（shāo）結，相應的負荷值為Z大燒結負荷PD。

圖2　四球機的磨損—負荷曲線

　　為了實際考察（chá）應（yīng）用PB值判別齒輪油承載性的可行性，我們（men）從可（kě）靠的專賣（mài）店收（shōu）集了國內外知名品牌的GL-5齒輪油(國內油13個，編號為C1-C13；國（guó）外油5個，編號F1-F5)，包括長城、七（qī）星、海牌、南海、飛天、Mobil、Esso、Catex、Shell等，分（fèn）別送往國內的權威測試（shì）機構進行測試，這些單位是：石油化工科學研究院、蘭州煉油化工總廠研究院、高橋石化公司煉油廠研究所、大連石化公司研究院、南京汽車研（yán）究（jiū）所和長城潤滑油集團（tuán）公司（sī）研究所，進行油品的PB值測定，考察這（zhè）些（xiē）油品的（de）PB值是否大於（yú）100kg，以及測定的再現性。考慮（lǜ）到國內大多數汽（qì）車（chē）製造廠測定的慣例，試驗條件采用GB/T3142法，即轉速為1450r/min，測試溫度為室溫，鋼（gāng）球為GB308II級。有（yǒu）關的（de）測試結果見表1。

表（biǎo）1　車輛齒輪油PB值的測定情況

　　由表1可見：(1)對於中國市場知名品牌的GL-5齒輪潤滑油，半數左右其PB值（zhí）小於100kg，說明（míng）PB值本身不能代表承載能力。(2)不同實驗室(lad)之間的測試結果，對於個別油（yóu）品其再（zài）現性有（yǒu）超出規定的30%，缺乏可比性。可以認為，不同（tóng）實驗室測量者本身是嚴格按照操作規程進行（háng）測試的，產生（shēng）偏（piān）差的原因可能是鋼球（qiú）的生產（chǎn）批次不同，造成其材質有差異，從而（ér）影響試驗結果的再（zài）現性。
　　3　討論
　　有人認為PB點為彈（dàn）性流體動力潤滑（huá）的臨界點［7-8］，也即在該點彈性流體動力潤滑膜將達到（dào）極小值，負荷再增大（dà），該膜就將破裂，B點後反映了油性劑或減磨劑的貢獻。本文認（rèn）為，AB點之間不可能是彈流潤滑，隻可能是薄膜潤滑或邊界潤滑，否則不可能有磨痕。AB段的前麵部分可能是有序膜起（qǐ）主要作用，後半部分邊界吸附膜起主要作用。BC之間是吸附膜逐漸（jiàn）消失、化學反應膜逐漸形成的時期；CD之間是（shì）化學反應（yīng）膜起作（zuò）用的階段。所以PB代表有序膜的終止點。隻有（yǒu）這樣，才能解釋PB與油性劑、極壓添加劑的加入有關［9-10］，這些添加劑的極性，可能增加了有序膜（mó）的厚度［5］。PD值的大小，代表了化（huà）學反應膜的（de）形成難易（yì）和抗磨性能（néng），PD值高，表示化學膜（mó）失效的溫度高。但反應膜潤（rùn）滑是以（yǐ）腐蝕磨（mó）損為代價的，但若腐蝕（shí）性太強，將影（yǐng）響其抗磨性。
　　齒輪（lún）油的承（chéng）載能力是指其保（bǎo）護（hù）齒輪在高載荷下工作而無擦傷、咬合、焊（hàn）接或其它高磨損症狀的功能。根據圖3～6的（de）四球機測試結果［9-11］,顯然僅PB或（huò）PD一項不能作為評價油品極壓性抗磨性能的指標，例如，PB值高的油品，其PD值和抗磨作用（yòng）並不一定好［11］。利用（yòng）四球機全麵估算齒輪油極壓抗磨性能的程序應（yīng）為：(1)測（cè）量（liàng）PB，並計算在PB以前的比壓（yā）力PS(單位麵積承受的負（fù）荷)，從而可以給出該齒輪油可以承受多大的壓力範圍；(2)測量PB以（yǐ）前某個負荷下的（de）長期磨損值(磨斑直徑，Wear Scar Diameter)，從而給出在工作負荷區的磨損量；(3)測量PD，報出該油品的Z高工作負（fù）荷。由這三個方麵可以預報該油品的Z佳工作負荷區。

圖3　不同潤（rùn）滑油的磨損—負荷曲線

圖4　負荷與壓力的關係

圖5　四球機中摩擦係數與負荷的（de）關係

圖6　負荷對磨痕直徑的影響

　　從納米紐（niǔ）擦學的（de）角度來看，用（yòng）四球機測試結果預測車輛齒輪油承載能力還應該注意：
　　(1)由於PB和PD都跟添加劑與鋼球之間的有序膜形成、化學吸附和反應（yīng）有關，若實際（jì）齒輪與鋼球的材質不同，勢必導致潤（rùn）滑油在兩種摩擦副上的作（zuò）用不同，從而（ér）不存（cún）在對應關（guān）係（xì）；
　　(2)如果在某一負荷下，四球機所測得（dé）的磨（mó）痕（hén）幾乎為0，標誌著（zhe）四球處於彈流潤滑狀態。但（dàn）不能由此推論處在同（tóng）樣（yàng）負荷下的齒輪也處於彈流狀態，即兩種摩擦副之間的彈流（liú）條件沒有關聯性。這是（shì）由於兩者的接觸方式不同：鋼球為點接觸，而齒輪是線接觸。彈性流體動力潤滑（huá）的條（tiáo）件［4-5］：λ(油膜厚度（dù）/表麵粗糙度)=h／(δ21＋δ22)0.5≥2～3
　　式中：h為Z小油膜厚度，δ1和δ2為（wéi）兩摩擦麵的均（jun1）方（fāng）根粗糙度。
　　對於球體摩擦（cā）副，點接觸區的Z小油膜厚度方程［4-5］：
　　h=1.83RG0.49U0.68W-0.073
　　對於齒輪摩擦副，線接（jiē）觸區的Z小油膜厚度方程(Dowson公式（shì）)［4-5］：
　　h=2.65RG0.54U0.70W-0.13
　　式中U為速度參數，G為材料參（cān）數，W為載荷參數，R為（wéi）當（dāng）量曲率半（bàn）徑。
　　可見（jiàn），λ與接觸區內的粗（cū）糙度、速度、材料和載荷等參數都有非線（xiàn）性的關係，而且點接觸和線接（jiē）觸時Z小油膜厚度h的變化規律不一致，導致兩種摩（mó）擦副條件（jiàn）下的彈流條件沒有可比性。
　　所（suǒ）以， 如果條件許可（kě），盡量用與實際齒輪相同材料做成的四球，包括粗糙度的要求，這樣四球機的測試結果將能較準確（què）地估算油品在該類齒輪上的承載能力。
　　4　結論
　　(1)從實際應用來看，把PB值是（shì）否大於（yú）100kg作為衡（héng）量油品（pǐn）好壞的指標是不恰（qià）當的（de），許多知名品牌的GL-5齒輪（lún）油PB值未達到100kg。
　　(2)PB測定在不同實驗室之間的重現（xiàn）性不好，難於作為一（yī）個互相比較的指標（biāo）。
　　(3)理論上已經證明PB值不能表示齒輪油的承載能力，在實驗室評價手（shǒu）段有限的條件下，至少應從PB、PS、PD和WSD四方麵才能推測車輛齒輪油的承載能力，盡量用與實際齒輪相同材料做（zuò）成的四球，包括（kuò）粗糙度的要求（qiú）。
　　(4)提出一套（tào）估算齒輪油承（chéng）載能力的方法，可根（gēn）據四（sì）球機試驗中單位球（qiú）體麵積承受的負荷區，預報該齒輪油的Z佳工作（zuò）負荷區，在（zài）實際選擇齒輪油時根據齒輪的（de）齧合壓力來要求油品（pǐn）在四球機（jī）試驗（yàn）中應達到的比（bǐ）壓力PS。
　　作者（zhě）單位：中國石化集團長城潤滑（huá）油有限（xiàn）公司研究所（suǒ），北京100085
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來源：《潤滑與（yǔ）密封》