潤滑油檢測：降低負(fù)荷齒輪效率損失

 自機(jī)械時代開啟以后，機(jī)械工業(yè)一直利用齒輪傳送發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的功率，以及轉(zhuǎn)化扭矩以獲得前進(jìn)的動力和所需的速度。那么齒輪能否在更好地完成工作的同時，避免無效的功率損失？科學(xué)家認(rèn)為答案是肯定的，他們研究了現(xiàn)代齒輪箱內(nèi)部的工況——包括潤滑情況。旨在釋放重負(fù)荷齒輪更多的性能。托馬斯·洛納來自慕尼黑理工大學(xué)的齒輪設(shè)計研究所（FZG），他表示目前齒輪箱設(shè)計者主要面臨三大挑戰(zhàn)。其一是解決噪聲、振動與聲振粗糙度問題。其二是不斷追求高功率密度，讓輕小齒輪箱取代大型齒輪箱。其三是提高能效和降低損失的需求日益增長。

    第三個挑戰(zhàn)變得愈加重要，這是因為通過齒輪箱，可以從幾個根源上減少二氧化碳排放。降低齒輪、軸承、密封件和輔助裝置的損失都是可行的。效率更高的齒輪可以滿足環(huán)境需求，有利于保護(hù)稀有資源，并且開辟了長途電動汽車時代。

    喬治·塞亞布拉是葡萄牙波爾圖大學(xué)的教授，他指出：“綜合考慮齒輪箱涉及的各種情況后，提高齒輪箱的效率無疑是我們面臨的最大難題。”隨著齒輪發(fā)生滑動、嚙合、卡緊運(yùn)動，齒輪箱的負(fù)荷、速度和壓力點不斷改變。

提高效率的因素

    不只是機(jī)動車輛，工業(yè)設(shè)備、風(fēng)輪機(jī)和其他設(shè)備也在追求更高的效率。只有齒輪箱設(shè)計者和生產(chǎn)商在初期把齒輪油和添加劑考慮在內(nèi)，才能獲得最佳效果；而不是在齒輪箱設(shè)計完成后才來考慮這兩個因素，然后還奢望潤滑順利進(jìn)行。

    卡伊·D·克萊斯柯德是亞琛工業(yè)大學(xué)的電動車零件生產(chǎn)工程項目負(fù)責(zé)人。他預(yù)計提高齒輪效率的壓力將會加重，尤其在2020年后，此時電動傳動系統(tǒng)的使用提高了轉(zhuǎn)速。

    未來似乎將會出現(xiàn)兩種不同的汽車：用于短途通勤和城市配送的純電動“城市車輛”；具有電動傳動系統(tǒng)和用于長途行駛的混合動力車輛。

    這兩類汽車的關(guān)鍵零件都是齒輪�？巳R斯柯德表示，全電動汽車的變速箱和齒輪箱將發(fā)動機(jī)或電池產(chǎn)生的功率傳送到輪胎。對于串聯(lián)式/并聯(lián)式混合動力汽車而言，齒輪箱和離合也非常重要。

    研究人員早已致力于解決負(fù)荷齒輪損失問題。其中一個策略是找出這些損失的準(zhǔn)確來源，如齒輪、軸承、密封件或潤滑油的摩擦，然后循序漸進(jìn)地解決問題，提高效率。

    這也是FZG的校友——邁克爾·英特托瑟的目標(biāo)，他在2014年發(fā)表的博士論文就是洛納演說的框架。英特托瑟認(rèn)為正齒輪的損失與齒形、齒側(cè)面光潔度、潤滑油種類和供油緊密相關(guān)。他猜測在整個工況中，優(yōu)化上述任何一個因素就可以降低70%以上的功率損失。

    首先討論的是齒形：能否讓齒形變平滑從而降低嚙合程度？洛納表示，近年設(shè)計師已經(jīng)讓這種假想變成了現(xiàn)實，他們設(shè)計了“中度低損”和“極度低損”型齒輪，與傳統(tǒng)齒輪相比，它們的齒高較低。這種改變可以減少齒輪的端面重合度，讓齒輪的接觸區(qū)域集中在節(jié)點處。

    然而，這樣一來，相比于廣泛的接觸面積，接觸點承受著更大的壓力和負(fù)荷。同時也改變了油浴潤滑模式——齒輪的轉(zhuǎn)動帶動潤滑油飛濺，從而滿足各潤滑點的潤滑。

    洛納表示，其他研究人員推理得出在負(fù)荷工況下，中度低損型齒輪比傳統(tǒng)齒輪能夠提高69%的效率；如果使用極度低損型齒輪，那么可以提高85%的效率。

實現(xiàn)效率量化

   為了量化實際效率，F(xiàn)ZG使用改良FZG齒輪效率試驗臺架測試了各種齒形和潤滑油。該臺架將一個試驗齒輪箱和一個陪試齒輪箱通過兩根軸連接成閉合電路。先測試出電路的總損失功率，其平均值就是試驗齒輪箱或陪試齒輪箱的損失功率（首先應(yīng)減去臺架軸承所造成的損失功率）。

    上述測試采用了中度低損型齒輪（其端面重合度為1）和極度低損型齒輪（其中重合度元小于1）。研究人員采用乘用車手動變速箱的六檔齒輪（常規(guī)齒高，重合度稍高于2 的傳統(tǒng)產(chǎn)品）作為對照組。

    洛納表示不只有負(fù)荷工作體系才存在損失，無負(fù)荷工況的功率損失也有25%之多。然而，F(xiàn)ZG測試僅僅確定了齒形以及負(fù)荷相關(guān)損失的初步計算。

    試驗結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)齒輪，中度低損型齒輪能夠提高約61%的效率，極度低損型齒輪能夠提高約79%的效率。

    洛納表示，其他的測試表明“供油對功率損失具有巨大的影響，影響因素包括潤滑油的粘度和種類；也就是合成潤滑油與礦物潤滑油的區(qū)別”。洛納是FZG的彈流動力潤滑與摩擦與效率部門的負(fù)責(zé)人。他在埃斯靈根技術(shù)研究院舉辦的研討會上表示，由于潤滑油的種類影響甚深，因此需要仔細(xì)挑選適合該種齒輪箱及其工況的潤滑油。

    FZG試圖探討能否根據(jù)潤滑油對功率的貢獻(xiàn)來對其進(jìn)行排名。在下一輪測試中，F(xiàn)ZG使用了標(biāo)準(zhǔn)FZG齒輪效率臺架來詳細(xì)地測試了三種受歡迎的齒輪油：一種含有極壓劑的礦物油、一種PAO油和一種合成聚醚油（PAG油）。

    盡管這三種油在100℃下具有相同的ISO粘度（10厘斯），但是它們具有不同的表現(xiàn)。通過檢測FZG臺架測試中損失的功率，得知PAO基礎(chǔ)油在齒輪中的平均摩擦系數(shù)比礦物油的少35%。聚醚產(chǎn)品的表現(xiàn)更加優(yōu)秀，它的摩擦系數(shù)還額外減少了12%，也就是說聚醚的摩擦系數(shù)比礦物油的少47%。變速箱中的油量對功率也有相當(dāng)?shù)挠绊�。但事實上，摩擦系�?shù)太低也未必是好事。

   盡管冷卻齒輪箱所產(chǎn)生的熱量需要足量的潤滑油，但是過多的潤滑油會引起內(nèi)部摩擦，并降低運(yùn)動速度。淺齒低損的齒輪尤甚。洛納表示：“目前所有的測試表明設(shè)計師可以減少低損齒輪的油量，即使減少到輪齒不能浸泡在油浴的程度�！�

   把FZG齒輪效率臺架測試的所有結(jié)果按順序排列，便可知設(shè)計師可以按效率對幾個參數(shù)進(jìn)行輕重區(qū)分。首先應(yīng)建立一個基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，比如使用礦物基礎(chǔ)油潤滑的傳統(tǒng)齒輪。

    中度低損型齒輪是前進(jìn)的一大步，即便使用的還是礦物齒輪油。

    接下來可以通過齒輪側(cè)面精加工以及進(jìn)行試驗程序以獲得最佳的表面光潔度，從而實現(xiàn)提高效率的目標(biāo)。

    至于下一步，洛納建議設(shè)備設(shè)計者指定聚醚潤滑油以及能夠在少量該種合成潤滑油中工作的最新型低損齒輪。

    洛納表示：“在高轉(zhuǎn)速大扭矩的工作體系中，上述措施最多能減少87%的負(fù)荷相關(guān)損失，平均減少93%的齒輪摩擦�！边�想要更高的效率？“那么可以通過添加劑、DLC涂層和采取更有效的散熱措施來實現(xiàn)。”

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