车辆齿轮油知识1.docx
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车辆齿轮油知识1
车辆齿轮油
1、齿轮系统的润滑原理
齿轮机构是机构中最主要的一种传动机构。
其传递功率范围大，传动效率较高，可传递任意两轴之间的运动和动力。
运动和动力的传递是在齿轮机构中每对啮合齿面的相互作用，相对运动中完成的，其间必然产生摩擦。
为避免机件直接摩擦在齿轮工作面之间形成，需要润滑剂将工作面隔开，以保持齿轮机构的工效和延长使用寿命。
齿轮油就是最主要的润滑剂。
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，有滚动也有滑动，恶化了油膜运转情况。
齿轮的润滑状态，总体来说有两种情况：
一是流体动力润滑和弹性流体润滑。
二是边界润滑。
2、齿轮的分类、摩擦与润滑
齿轮分为三类：
正齿轮、伞齿轮、斜齿轮
蜗轮蜗杆
双曲线齿轮
上述三类齿轮的几何形状不同，齿轮啮合方式不同，润滑油膜的形成有显著的差异。
正齿轮、伞齿轮、斜齿轮、人字齿轮、螺旋伞齿轮容易在齿面上形成润滑油膜。
蜗轮蜗杆齿面相对滑动速度大，摩擦热大，较难解决润滑问题，须使用高粘度并含有摩擦改进剂和抗磨剂的齿轮油。
双曲线齿轮体积较小，传递的动力大，齿面上难以形成润滑油膜，是最难润滑的摩擦副之一，须使用加有高活性积压剂的齿轮油。
近代汽车后桥传动装置多采用双曲线齿轮，须采用双曲线齿轮油，即重负荷车辆齿轮油。
重负荷车辆齿轮油是润滑性要求最高的汽车齿轮润滑材料。
3、车辆齿轮油的性质
a流变性
车辆齿轮油的粘度与承载能力有密切关系，由式
（1）可知，粘度增加，弹性流体动力润滑油膜厚度增加，有利于齿面保护，但是粘度不是越高越好。
齿轮工作时搅动齿轮油，液体内摩擦产生摩擦热，使油温升高。
齿轮油的低温粘度对齿轮工作有重要影响。
汽车后桥齿轮是喷溅式润滑，低温时齿轮油须具有足够的流动性，齿轮转动时才能将足够的油带到齿面及轴承，防止出现损伤。
车辆齿轮油在低温下的表观粘度和成沟点在一定程度上说明齿轮油在低温下的流动性。
车辆齿轮油必须有足够大的粘度指数，使得在摩擦面的高温下，有足够的润滑油膜。
B承载性
车辆齿轮在混合润滑状态下工作，由式
（1）可知，当低速高扭矩时，弹性流体动力润滑油膜很薄，齿面接触区中有相当多的边界润滑成分。
汽车在重载荷下启动，爬坡或遇到冲击载荷时，就属于这种类型。
C热氧化安定性
车辆齿轮油应具有良好的氧化安定性。
小轿车后桥和变速箱的操作温度不很高，齿轮油的氧化不是严重问题。
但重型卡车的齿轮装置操作温度相当高，齿轮油的氧化是一个突出问题。
氧化使油的粘度增加，生成油泥，影响油的流动。
氧化产生腐蚀性物质，加速金属的腐蚀和锈蚀。
氧化生成的沉淀物是极性物质，油中的添加剂也大都是极性化合物，添加剂容易吸附在沉淀上，随沉淀一起从油中析出。
沉淀还会影响密封件，使其硬化。
沉淀覆盖在零件表面，形成有机物薄膜，影响散热。
车辆齿轮油的热安定性在很大程度上取决于添加剂组分。
极压剂热安定性较差，易受热分解产生腐蚀性物质。
有些极压剂，例如分子中有不饱和键的，易产生热缩合或聚合反应，生成分子量大的物质，增加油的粘度或生成沉淀。
在热的作用下极压剂间也可能发生反应，产生协和效应或对抗效应。
D腐蚀性
车辆齿轮油应具有适度的化学活性，对金属的腐蚀性要小。
齿轮装置中的滑动轴承，同步器中的某些部件是用青铜或其他铜合金制成的，铜是活泼金属，容易与积压剂反应而被腐蚀。
车辆齿轮油的腐蚀性用铜片腐蚀试验评定。
由于昼夜的大气温差，大气中的水蒸气夜间会在齿轮装置中冷凝。
车辆齿轮油应具有良好的防锈性。
车辆齿轮油中加有多量的极压剂，容易引起金属的腐蚀和锈蚀。
因此，车辆齿轮油的添加剂配方必须仔细地平衡，兼顾极压性和腐蚀性。
E抗泡性
齿轮转动时将空气带入油中，形成泡沫。
泡沫如存在于齿面上，会破坏油膜的完整性，易造成润滑失效。
泡沫的导热性差易引起齿面过热，使油面破坏。
泡沫严重时，油常从齿轮箱的通气孔中逸出。
总之，泡沫对车辆齿轮油有百害而无一利，齿轮油要具有良好的抗泡性。
4、车辆齿轮油的分类
车辆齿轮油主要用于各种车辆的手动变速箱和后桥传动齿轮。
4.1车辆齿轮油的粘度分类
SAEJ306C粘度分类是车辆齿轮油的代表性粘度分类。
各国均参照采用。
我国参照SAE（美国汽车工程师协会）粘度分类，制订了驱动桥和手动变速器齿轮润滑油粘度分类（见表1）。
表1驱动桥和手动变速器齿轮润滑油粘度分类（GB7631.7-89）
粘度牌号
粘度为150,000mPa·s时最高温度/℃
运动粘度（100℃）/mm2·s-1
最小
最大
70W
75W
80W
85W
90
140
250
-55
-40
-26
-12
-
-
-
4.1
4.1
7.0
11.0
13.5
24.0
41.0
/
/
/
-
小于24.0
小于41.0
4.2车轮齿轮油的质量等级分类
API（美国石油学会）把车辆齿轮油分成不同质量水平的共六个等级列于表2中。
其中GL-5级车辆齿轮油符合美军规格MIL-L-2105D。
表2API汽车变速箱和驱动桥润滑剂使用分类
分类
使用说明
GL-1
低齿面压力、低滑动速度下运行的汽车螺旋伞齿轮的驱动桥以及各种手动传动箱规定用GL-1齿轮油，直馏矿油能满足这类情况的要求，可以加入抗氧剂、防锈剂和消泡剂改善其性能
GL-2
适用于汽车蜗轮后桥齿轮，由于其负荷温度和滑动变速的状况，使用GL-1齿轮油不能满足要求的蜗轮齿轮规定用GL-2的齿轮油，这种油通常都加有脂肪添加剂
GL-3
适用于速度和负荷化较苛刻的汽车手动传动箱和螺旋伞齿轮的驱动桥规定用GL-3类的油，这种油耐负荷能力比GL-1和GL-2要高，但比GL-4要低
GL-4
在低速高扭矩，高速低扭矩工况下的各种齿轮，特别是客车和其它车辆用准双曲面齿轮，规定用GL-4的油。
要求油品抗擦伤性能等于或优于CRC参考油RGO-105，并要通过试验程序，其性能水平达到1972年4月起用的ASTMSTP-512的要求
GL-5
在高速冲击负荷、高速低扭矩、低速高扭矩下操作的各种齿轮，特别是客车和其它车辆的准双曲面齿轮规定用GL-5油。
要求其抗擦伤性能等于或优于CRC参考油RGO-110，并要通过试验程序，其性能达到1972年4月起用的ASTMSTP-512规定的要求
GL-6
这个分类已经被废除，评价润滑油性能试验程序所用的设备已经不存在了
汽车后桥一般均使用GL-5水平车辆齿轮油。
手动变速器则主要使用GL-4，或GL-5水平的车辆齿轮油。
在车辆齿轮油使用分类中，同时还有一个美国军标分类。
MIL-L-2105A，始于40年代，约相当于GL-3。
MIL-L-2105始于50年代，相当于GL-4。
MIL-L-2105B出现于60年代初，约相当于GL-5，但现已废除。
其后于70年代和80年代中，先后出现MIL-L-2105C和MIL-L-2105D，均相当于GL-5水平。
其中MIL-L-2105D专门提出，可以适用于利用再生润滑油作基础油的GL-5齿轮油。
进入90年代，由于大功率长距离货运汽车对GL-5车辆齿轮油的热氧化安定性和抗擦伤和剥落等抗磨损性的特殊要求，先后提出了MT-1和PG-2两档水平的车辆齿轮油。
原美军标准出现了MIL-L-PREF-2105E。
我国参照API分类，订立了车辆齿轮油的详细分类（见表3）。
我国车辆齿轮油详细分类与API齿轮油使用分类的对应关系如表4所示。
表3车辆齿轮油的详细分类（GB7631.7-89）
代号
组成特性和使用说明
使用部位
CLC
精制矿油加抗氧剂、防锈剂、抗泡剂和少量极压剂等制成，适用于中等速度和负荷比较苛刻的手动变速器和螺旋伞齿轮的驱动桥
手动变速器、螺旋伞齿轮的驱动桥
CLD
精制矿油加抗氧剂、防锈剂、抗泡剂和极压剂等制成，适用于在低速高扭矩、高速低扭矩下操作的各种齿轮，特别是客车和其它各种车辆用的准双曲面齿轮
手动变速器、螺旋伞齿轮和使用条件不太苛刻的准双曲面齿轮驱动桥
CLE
精制矿油加抗氧剂、防锈剂、抗泡剂和极压剂等制成，适用于在高速冲击负荷，高速低扭矩和低速高扭矩下操作的各种齿轮，特别是客车和其它各种车辆的准双曲面齿轮
操作条件缓和或苛刻的准双曲面齿轮及其它各种齿轮的驱动桥，也可用于手动变速器
表4车辆齿轮油的详细分类与API使用分类的对应关系
车辆齿轮油的详细分类
相当API使用分类
CLC
CLD
CLE
GL-3
GL-4
GL-5
5、车辆齿轮油的规格标准
我国车辆齿轮油按质量等级分为普通车辆齿轮油、中负荷车辆齿轮油和重负荷车辆齿轮油三类，分别相当于API使用分类的GL-3、GL-4、GL-5。
其性能指标列于表5、表6、表7。
其中制订重负荷车辆齿轮油标准：
GB13895-92是参照美军MIL-L-2105D规格。
表8为美国军用车辆齿轮油规格。
表5普通车辆齿轮油（GL-3）规格（Q/SYRH2024-2001）
项目
质量指标
试验方法
80W/90
85W/90
90
运动粘度（100℃）/（mm2·s-1）
表观粘度达150Pa·s时温度/℃不高于
粘度指数不小于
倾点/℃不高于
闪点（开口）/℃不低于
水分/%不大于
锈蚀试验（15号钢棒、A法）
泡沫倾向性/泡沫稳定性/（mL/mL）
（24±0.5）℃不大于
（93±0.5）℃不大于
后（24±0.5）℃不大于
腐蚀（铜片,100℃,3h）/级不大于
最大无卡咬负荷PB/N不小于
糠醛或酚含量（未加剂）
机械杂质/%不大于
残炭（未加剂）/%
酸值（未加剂）/（mgKOH·g-1）
氯含量/%
锌含量/%
硫酸盐灰分/%
15～19
-26
-28
170
痕迹
无锈
100/10
100/10
100/10
1
785
无
0.05
15～19
-12
-18
180
痕迹
无锈
100/10
100/10
100/10
1
785
无
0.02
15～19
90
-10
190
痕迹
无锈
100/10
100/10
100/10
1
785
无
0.02
GB/T265-88
GB/T11145-89
GB/T1995-88
GB/T3535-83
GB/T267-88
GB/T260-77（88）
GB/T11143-89
GB/T12579-90
GB/T5096-85
GB/T3142-82（90）
SH/T0120-92
GB/T511-88
GB/T268-87
GB/T4945-85
SH/T0161-92
SH/T0226-92
GB/T2433-81（88）
均为报告
均为报告
均为报告
均为报告
均为报告
表6中负荷车辆齿轮油（GL-4）（Q/SYRH2024-2001）
项目
质量指标
试验方法
75W
80W/90
85W/90
90
85W/140
运动粘度（100℃）/（mm2·s-1）
粘度指数
闪点（开口）/℃不低于
成沟点/℃不高于
表观粘度（150Pa·s）/℃不高于
机械杂质/%不大于
不小于4.1
-
150
-45
-40
-
165
-35
-26
-
180
-20
-12
0.02
90
180
-17.0
-
180
-20
-12
GB/T265-88
GB/T2541-81（88）
GB/T3536-83
SH/T0030-90
GB/T11145-89
GB/T511-88
不大于
泡沫倾向性/泡沫稳定性/（mL/mL）
24℃不大于
93℃不大于
后24℃不大于
台架性能评定
痕迹
20/0
50/0
20/0
待定
GB/T260-77（88）
GB/T12579-90
表7重负荷车辆齿轮油（GL-5）标准（GB13895-92）
项目
质量指标
试验方法
75W
80W/90
85W/90
85W/140
90
140
运动粘度（100℃）/（mm2·s-1）
倾点/℃
表观粘度达150Pa·s时的温度/℃不高于
闪点（开）/℃不低于
成沟点/℃不高于
粘度指数不低于
≥4.1
报告
-40
150
-45
报告
13．5～
＜24．0
报告
-26
165
-35
报告
13．5～
＜24．0
报告
-12
165
-20
报告
24．0～
＜41．0
报告
-12
180
-20
报告
13．5～
＜24．0
报告
-
180
-17.8
75
24．0～
＜41．0
报告
-
200
-6.7
75
GB/T265-88
GB/T3535-83
GB/T11145-89
GB/T3536-83
SH/T0030-90
GB/T2541-81（88）
起泡性（泡沫倾向）/mL
24℃不大于
93.5℃不大于
后24℃不大于
腐蚀试验（铜片,121℃,3h）/级不大于
机械杂质/%不大于
水分/%不大于
戊烷不溶物/%
硫酸盐灰分/%
硫/%
磷/%
氮/%
钙/%
储存稳定性③
液体沉定物/%（体）不大于
固体沉淀物/%（质）不大于
锈蚀试验③
盖板锈蚀面积/%不大于
齿面，轴承及其它部件锈蚀情况不大于
抗擦伤试验③
承载能力试验③
热氧化稳定性③
100℃运动粘度增长/%不大于
戊烷不溶物/%不大于
甲苯不溶物/%不大于
20
50
20
3
0.05
痕迹
报告
报告
报告
报告
报告
报告
0.5
0.25
1
无锈
通过
通过
100
3
2
GB/T12579-90
GB/T5096-85
GB/T511-88
GB/T260-77（88）
GB/T8926-88A法
GB/T2433-81（88）
GB/T387-90
GB/T388-64（90）
GB/T11140-89
SH/T0172-92①
SH/T0296-92
SH/T0224-92
SH/T0270-92②
SH/T0037-90
SH/T0517
SH/T0519④
SH/T0518⑤
SH/T0520
GB/T265-88
GB/T8926-88A法
GB/T8926-88A法
①生产单位可根据添加剂配方不同选择适当的测定方法。
②如果有其它金属，应该测定并报告实测结果，允许用原子吸收光谱测定。
③保证项目，每五年评定一次。
④75W油在进行抗擦伤试验时，程序Ⅱ（高速）在79℃开始进行，程序Ⅳ（冲击）在93℃下开始进行；喷水冷却，最大温升不大于5.5-8.3℃。
⑤75W油在进行承载能力试验时，高速低扭矩在104℃下进行，低速高扭矩在93℃下进行。
表8美国军用车辆齿轮油规格
规格（发布时间）
MIL-L-2105B（1962）
MIL-L-2105C（1976）
MIL-L-2105D（1987）
试验方法
粘度级别
80
90
140
75W
80W-90
85W-140
75W
80W-90
85W-140
运动粘度（100℃），mm2/s
表观粘度达到150Pa·s的温度,℃最高
运动粘度（-18℃），mm2/s最大
闪点（开口），℃最低
成沟点，℃最高
铜片腐蚀，121℃，3h，级最大
抗泡性（ml/ml）最大
24℃
93℃
24℃
相容性
贮存稳定性
液体分离物，V%最大
固体沉淀物，m%最大
台架试验
CRCL-37
CRCL-42
CRCL-33
CRCL-60
8.8-11.6
-
10,850
163
-35
16.8-19.2
-
65,200
177
-18
25.7-34.3
-
-
191
-7
4.1最小
-40
-
150
-45
13.5-24.0
-26
-
165
-35
24.0-41.0
-12
-
180
-20
4.1最小
-40
-
150
-45
13.5-24.0
-26
-
165
-35
24.0-41.0
-12
-
180
-20
ASTMD445
ASTMD2983
ASTMD92
FTM3456
2C
300
50
300
合格
0.50
0.25
通过
通过
通过②
通过
3
20
50
20
合格
0.50
0.25
通过
通过
通过③
通过
3
20
50
20
合格
0.50
0.25
通过
通过
通过④
通过
ASTMD130
ASTMD892
FTM3430
FTM3440
FTM6506
FTM6507
FTM5326
FTM2504
①98.9℃运动粘度
②1天试验，如盖板上的锈点多于1个，则须做7天试验，以盖板锈蚀面积小于5%为合格。
③7天试验，以盖板锈蚀面积小于痕迹为合格。
④7天试验，以盖板锈蚀面积小于1%为合格。
由于GL-4车辆齿轮油的评定设备不再生产，性能评定无法进行，原产品规格MIL-L-2105已失去意义，所以现在没有统一的GL-4产品标准，只有各生产厂的企业标准，此类产品的生产，仿效国外GL-5配方剂量减半的方法。
据说美国有意重建GL-4的台架试验。
国内现正着手制定GL-4车辆齿轮油标准。
因此表6为GL-4暂定技术指标。
然而，许多设备制造商的要求超过这些技术规范，美国汽车工程师协会（SAE）和美国标准试验字会（ASTM）建议用新的等级表示，即MT-1和PG-2。
MT-1是手动变速箱用油，它的质量高于GL-4，改进了热安定性、抗氧性、清净剂、抗磨性和密封材料及青铜件的配伍性、规格指标见表9。
PG-2质量要求比GL-5高，用于驱动桥润滑，其特点是：
具有良好热安定性。
清净剂、抗剥落性、抗擦伤性，与密封材料和铜合金部件的配伍性优于GL-5。
规格指标见表10。
表9卡车手动变速箱油规格MT-1
性能
试验方法
指标
热安定性及部件清净度
L-60-1
大齿轮积炭、漆膜评分
不小于7.5
油泥评分不小于9.4
与密封材料的适应性
与铜部件目的地适应性
抗磨性
抗氧化性能
高温润滑稳定性
抗泡性能
相溶性/贮存稳定性
ASTMD5662
ASTMD130（121℃、3h）
ASTMD5182（FZG）
L-60
ASTMD5579
ASTMD892
FTM3430/FTM3440
通过
评级不大于2a
失败级不小于11
同MIL-L-2105D
循环次数不小于参考油
同MIL-L-2105D
同MIL-L-2105D
表10驱动桥油规格PG-2
性能
试验方法
指标
热安定性及部件清净度
与密封材料的适应性
与铜部件的适应性
齿轮齿面抗疲劳试验
APIGL-5性能
L-60-1
ASTMD5662
ASTMD130（121℃、3h）
强化CRCL-37
所有GL-5试验
大齿轮积炭、漆膜评分
不小于7.5
油泥评分不小于9.4
通过
评级不大于3b
未定
同MIL-L-2105D
6、车辆齿轮油评定台架
表11车辆齿轮油的试验方法
试验名称
CRCL—37
CRCL—42
CRCL—33
CRCL—60
试验目的
高速低扭矩和低速高扭矩下的承载性
高速、冲击载荷下的抗擦伤性
湿热条件下的防锈性
动态氧化安定性
试验设备
3/4吨军用卡车后桥
Dana公司的Spicer44-1型后桥
Dana公司的Spicer差速器总成
专用齿轮箱
试
验
方
法
程序1（高速）：
534Nm
440r/min
100min
146-149℃
程序2（高扭矩）：
2360Nm
80r/min
24h
135+6℃
程序1（磨合）：
160-711Nm
250r/min
107℃
程序2（高速）：
500—1100r/min循环四次以上
93℃（起始油温）
程序3（检查）：
程序4（冲击）：
600—550r/min循环九次以上
7.4Nm
138℃（起始油温）
1.2L试油
28.3mL
2500r/min
82℃,4h
52℃,162h
120ml试油
128W
2540r/min
163℃,50h
1.1L空气/h
冷轧电解铜片（催化剂）
（28.6Χ46.0Χ1.5910-3m）
评
定
项
目
（1）齿面抛光、磨损、疲劳损伤（点蚀、剥落、波纹、螺脊）和擦伤
（2）氧化安定性、腐蚀、锈蚀和零件变色
环形齿轮和驱动齿轮的驱动面和被驱动面的擦伤面积
盖板和零件上的锈蚀、腐蚀、油泥和沉淀
（1）粘度增长率
（2）戊烷不溶物
（3）甲苯不溶物
（4）催化剂重量损失
7、车辆齿轮油的组成与性能
车辆齿轮油使用分类或质量等级发展过程中，主要与极压抗磨添加剂的类型等有密切关系。
早期，在车辆齿轮油中以硫化矿油或硫化动植物油和环烷酸铅或氯化石蜡等添加剂为主，即所谓S-P型或S-Cl-Pb型车辆齿轮油。
随着负荷和抗擦伤性能的提高，从含磷酸酯类抗磨添加剂的S-P-Cl型，引入二烷基二硫代磷酸锌类添加剂，成为S-Cl-Zn四元素添加剂型。
由于以后热氧化安定性要求更苛刻，出现S-P型车辆齿轮油。
迄今已有了第二代、第三代S-P型车辆齿轮油。
在热氧化安定性、抗极压性、水解稳定性、耐冲击负荷等全面性能得到明显地提高。
表12中，汇总了这些演变与性能分类之间的关系。
表12车辆齿轮油发展过程和相应关系
年代
添加剂类型
美军规格
SAE粘度
API分类
30～40
S-Pb、S-Cl-Pb
2105A（1994）
GL-3
50
S-P-Cl
S-P-Cl-Zn
MIL-L-2105（1950）
75、80、90、140、250
GL-4
60
S-P（一代）
MIL-L-2105B（1962）
GL-5
70
S-P（二代）
MIL-L-2105C（1976）
70W、75W、80W、90、140、250、80W/90、85W/140
GL-5
80
S-P（三代）
MIL-L-2105D（1987）
GL-5
90
S-P
S-P-B
PG-2（GL-7）
8、车辆齿轮油的合理选用
车辆传动装置用齿轮油，一方面要根据齿轮类型、工况条件如负荷、速度等确定油品的使用等级如CLC、CLD、CLE、LGL-3、GL-4、GL-5等。
另一方面再根据最低使用环境温度和传动装置最高运行温度来确定油品的粘度等级。
例如普通车辆的手动变速箱、负荷小，使用温度低，可选用粘度较低的普通车辆齿轮油，而对于负荷较重的准双曲面齿轮油。
我国幅员辽阔，
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