汽车齿轮油的发展与选用

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    1 前言

    汽车齿轮油用于机械式变速器、驱动桥和转向器的齿轮、轴承等零件的润滑，起到润滑、冷却、防锈和缓冲的作用。由于汽车齿轮工作条件复杂，接触压力大(2.5GPa-4.0GPa)，圆周速度快(5m/s-10m/s，滑动速度高(2m/s-10m/s)，油温高(65℃-180℃)，故对齿轮油的要求较高。其中双曲线齿轮传动的工作条件更苛刻，对汽车齿轮油使用性能要求更高，使用中如果不能正确选用合适的齿轮油，就不能保证齿轮的正常润滑，容易导致齿轮的早期磨损和擦伤，甚至会造成大的车辆和人身事故。因此，汽车齿轮油的正确选用非常重要。

    2 汽车齿轮油的分类及发展

    2.1国外汽车齿轮油的分类与发展。

    一类是按SAE(美国汽车工程师协会)粘度分类，分为7种牌号：70W、75W、80W、85W、90、140、250。带尾缀W为冬季用齿轮油，它是根据齿轮油粘度达到150Pa ·s的最高温度和100℃时的最小运动粘度两项指标划分的。不带尾缀W的为夏季用齿轮油，它是根据100℃时的运动粘度范围划分的。另外，还有多级油，如80W/90、85W/90等。

    另一类是按API(美国石油协会)使用性能分类，依据工作条件的苛刻程度划分为GL-1--GL-6六级。近年来，随着汽车技术不断发展，许多汽车制造厂商对汽车齿轮油的要求超过这些技术规范。因此，SAE和ASTM(美国材料试验学会)建议用新的等级表示，即MT-1和PG-2。其中MT-1是机械变速器用油，它的质量高于GL-4，改善了热安定性、抗氧性、清净性、抗磨性、密封材料与青铜件的配伍性。PG-2质量要求比GL-5高，用于驱动桥润滑。

    2.2国内汽车齿轮油的分类

    目前国内汽车齿轮油分类也有两种，一种按粘度分类，其分类标准参照SAE粘度分类(SAE J306)执行，具体如表1所列。另一种是按使用性能分类，执行标准为GB/T7631.7一1995的附录B。

表 1  我国汽车齿轮油的粘度分类

粘度牌号	达到150Pa ·s的最高温度/℃	100℃时运动粘度/mm2·s-1
		最低	最高
70W	-55	4.1	--
75W	-40	4.1	--
80w	-26	7.0	--
85w	-12	11.0	--
90	--	13.5	24.0
140	--	24.0	41.0
250	--	41.0	--

    我国汽车齿轮油与API分类对应关系列于表2

表 2  我国汽车齿轮油与API分类对应关系

我国汽车齿轮油	相当API分类号
普通车辆齿轮油(SH/T0350-92)	GL-3
中负荷车辆齿轮油(GL-4)	GL-4
重负荷车辆齿轮油(GL-5)(GB13895-92)	GL-5

    在选用汽车齿轮油时，目前国内车辆齿轮油3类产品标准(GL-4为企业标准)中已有17种牌号的系列产品，如表3所列。

表 3  车辆齿轮油质量级别和粘度级别对照

质量级别	75W/90	80W/90	85W/90	85W/140	90	140
普通车辆齿轮油(GL-3)		●	●	●	●	●
中负荷车辆齿轮油(GL-4)	●	●	●	●	●	●
重负荷车辆齿轮油(GL-5)	●	●	●	●	●	●

    3 使用性能

    3.1润滑性和极压抗磨性

    汽车齿轮油应具有适宜的运动粘度，以保证形成较好的润滑状态。汽车齿轮多处于混合润滑和边界润滑状态，主要是油性剂的油膜和极压抗磨剂的反应膜起作用，从而减小磨损量，防止高负荷条件下的齿面擦伤和烧结。

    对于齿轮油的润滑性和极压抗磨性，其评定指标除运动粘度外，还要通过四球极压试验机或台架试验来评定。利用四球法在四球极压试验机上进行评定润滑油承载能力的模拟试验，通过试验确定出润滑油的最大无卡咬负荷(PB)、烧结负荷(PD)和综合磨损值(ZMZ)等指标。

    在试验条件下使钢球不发生卡咬最高负荷，即无卡咬负荷，它表示润滑油的油膜强度，在该负荷下摩擦表面间能保持完整的油膜。在该试验条件下，使钢球发生烧结的最低负荷，即烧结负荷，它表示润滑剂的极限工作能力。综合磨损值等于若干次校正负荷数学平均值，它表示润滑油从低负荷至烧结负荷整个过程的平均抗磨性能。

    3.2低温操作性和粘温性

    对于低温操作性，除规定倾点、成沟点和粘度指数等指标外，还特别采用了“表观粘度达150Pa·s时的温度”这一指标。在冬季严寒地区，要求汽车齿轮油在低温下保持必要的流动性，以保证轴承等零件的润滑和齿轮开始转动容易。汽车齿轮油的工作温度范围也比较宽，因此不但要求低温时流动性好，而且高温时粘度值不能太小，即具有良好粘温性。

    3.3热氧化安定性

    汽车齿轮油抵抗高温条件下氧化的能力为其热氧化安定性。在162℃高温下，强制氧化50h后，测定正戊烷不熔物、苯不溶物酸值和运动粘度等来评定。

    3.4抗腐蚀性和防锈性

    抗腐蚀性的评定采用GB/T5096-85《石油产品铜片腐蚀试验法》，防锈性评定采用GB/T11143-89《加抑制剂矿物油在水存在下防锈性能试验》。

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    4 汽车齿轮油的选用

    选用汽车齿轮油，主要是确定其粘度级别和使用性能级别，以此两项指标选用合适的汽车齿轮油。

    4.1粘度级别的选用

    选用汽车齿轮油的粘度级别主要根据使用环境的最低气温和最高气温，推荐参数列于表4。汽车齿轮油的粘度应保证低渴条件下的车辆起步，又能满足油温升高后的润滑要求，并考虑汽车齿轮油换油周期长短因素。 GL-3的换油周期为4.5万km，GL-4、GL-5的换油周期为5万km-6万km。

表 4  车辆齿轮油粘度级别选用表

环境温度/℃	车辆齿轮油粘度级别
-57-10	75W
-25-49	80W/90
-15~49	85W/90
-7-49	140

    4.2使用性能级别的选用

    主要根据齿面压力、滑移速度和油温等工作条件，而这些条件又取决于传动装置的类型，所以可按齿轮类型和传动装置的功能来选择使用性能的级别。一般来说，驱动桥主传动器工作条件苛刻，而双曲线齿轮主传动器更为苛刻，所以对齿轮油的使用性能要求更高，应选用更高级别的齿轮油。

    为减少用油级别，在汽车各传动装置对齿轮油使用性能要求相差不大的情况下，可选用同一级别使用性能的齿轮油。

    通常情况下，为保证齿轮的正常润滑，引进车型及进口汽车的驱动桥必须使用重负荷车辆齿轮油GL-5，机械变速器用中负荷车辆齿轮油GL-4。采用双曲线齿轮驱动桥的国产汽车，可以用GL-4或GL-5齿轮油，机械变速器用GL-4齿轮油。采用螺旋锥齿轮和圆柱齿轮驱动桥的国产汽车可以用GL-3普通车辆齿轮油或GL-4齿轮油，机械变速器用GL-3齿轮油。

    目前，GL-3是车辆齿轮油用量最多的一个品种，约占总量的46%；GL-4占35%；GL-5占19%。近几年不断引进国外先进车型，对车辆齿轮油要求越来越高，GL-4、GL-5用量也不断增加。

    5 结束语

    节能、环保仍是当今世界范围内的主题，据资料介绍，车辆中运动部件的摩擦、磨损占全部功率的三分之一，通过改善润滑条件来改善燃油经济性，已成为当今世界汽车行业研究的课题。在北美、西欧普遍采用低粘度的多级齿轮油，使变速器、驱动桥齿轮工作处于混合润滑，既有弹性流体动力润滑，又有边界润滑。齿轮油粘度高对弹性流体动力润滑有利，因为油膜厚度大，承载能力高，但粘度高产生的摩擦阻力大，消耗较多动力能源。随着科技发展，油品中加有各种极压抗磨剂、油性剂，以保证足够润滑性能。美国曾用34辆重型货车进行行车试验，比较各种不同粘度的节油效果，结果是低粘度车辆齿轮油75W/90节油效果明显，而80W/90节油效果不明显。

    我国上海大众、一汽、二汽等汽车制造厂也相继建立了自己的试验台架，进行各自认可的台架、行车试验，将考核认可的油品做为装车用油。

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