Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Характеристика, виды и технологические особенности трансмиссионных масел

Климов Сергей Николаевич

Введение

Под трансмиссионными в широком смысле понимают масла, применяемые для смазывания различного рода механических и гидравлических трансмиссий. Трансмиссионные масла обычно рассматриваются вместе с редукторными маслами, так как условия их работы во многом близки между собой.

Агрегаты трансмиссий, отличающиеся друг от друга по конструкции и условиям работы, смазывают различными маслами. В зависимости от сезона, в течение которого применяются трансмиссионные масла, они делятся на зимние, летние и всесезонные. Различают масла, рекомендуемые для смазывания цилиндрических, конических, спирально-конических и гипоидных передач. Существуют универсальные масла, используемые одновременно для смазывания передач различных конструкций. Кроме того, трансмиссионные масла делятся на рабочие, консервационные и рабоче-консервационные.

Как и моторные, трансмиссионные масла классифицируются по вязкости и уровню эксплуатационных свойств. [5]

В отличие от гидродинамического режима смазки подшипников режим смазки зубчатых передач - прерывистый. В трансмиссиях наблюдается все три режима смазки: гидродинамический, контактно-гидродинамический и граничный. Условия качения или скольжения, зависящие от конфигурации зубьев, форма повреждений на поверхности зубьев, изменение эксплуатационных свойств масла во время работы - все это обусловливает работу большинства зубчатых передач в режиме смешанного трения. В зависимости от скорости скольжения большая часть нагрузки воспринимается слоем масла в зоне зацепления зубьев, остальная часть нагрузки передается через масло, заполняющее пространство у ножек зубьев. Величина усилия, передаваемого трансмиссиями, может быть значительно увеличена применением соответствующего смазочного материала.

На правильный выбор трансмиссионных масел влияют различные факторы:

конструкция и компоновка - передаваемая мощность, скорость, соотношение скорости скольжения и окружной скорости, передаточное число, неточная соосность, материал зубчатых колес, однородность этого материала;

технология производства - точность изготовления шестерен, класс обработки поверхности зубьев, термическая обработка, твердость поверхности;

коробка передач - жесткость, тепловые деформации, объем масла;

условия работы - скорость скольжения, нагрузка, вибрации, температура, нагрев извне;

совместимость с материалами - сталью, цветными металлами и легкими сплавами, пластиками, материалом сальников, лакокрасочными покрытиями.

В каждой новой разработке трансмиссионное масло должно рассматриваться как элемент конструкции.

Критериями выбора трансмиссионных масел служат вязкость, температура застывания, температура вспышки. Основные показатели качества: скорость износа, нагрузка заедания, коэффициент трения и приработочные свойства. Вспомогательные показатели: вязкостно-температурные характеристики, химические свойства (коррозия, агрессивность по отношению к неметаллам), вспениваемость, высоко- и низкотемпературные свойства, окислительная стабильность, деаэрация, совместимость с материалами уплотнений. [3]

1. Область применения трансмиссионных масел

трансмиссионный масло питтинг

Трансмиссионные масла используются для смазывания агрегатом трансмиссий, т. е. механических и гидромеханических передач машин различного назначения. Механические передачи, смазываемые трансмиссионными маслами - это коробки передач, раздаточные коробки, ведущие мосты автомобилей, трансмиссии тракторов и т. д. - т. е. зубчатые (цилиндрические прямозубые и косозубые шестерни, конические зубчатые передачи), гипоидные, спирально-конические зубчатые передачи. В гидромеханических трансмиссиях трансмиссионные масла являются рабочим телом, передающим крутящий момент с двигателя на исполнительный агрегат.

Условия работы агрегатов трансмиссий достаточно напряженные. Удельные нагрузки в зацеплении обычно составляют 0,5…1,5 ГПа, но подчас повышаются до 2 ГПа. Для гипоидных передач эта величина выше, как минимум вдвое. Скорости скольжения в зубчатых передачах составляют от 1,5…3 до 9…12 м/с, а для гипоидных передач скорость скольжения достигает 15 м/с и более; для червячных редукторов- 20…25 м/с. Температуры в контакте зубьев шестерен при таких условиях достигают 150-200ОС. В то же время начальная объемная температура трансмиссий, работающих на открытом воздухе, может быть очень низкой (от -10 до -60ОС). В гидромеханических трансмиссиях при меньших (в 1,5…3 раза) нагрузках и практически тех же скоростях (1,5…5 м/с) вследствие высоких скоростей потоков масла от быстро вращающихся рабочих колес (скорости масла доходят до 80…100 м/с) генерируются большие температуры, а контакт потоков масла с воздухом стимулирует усиленное пенообразование.

Основные виды повреждений рабочих поверхностей агрегатов трансмиссий - заедание, износ, питтинг. Такие условия работы трансмиссий предопределяют требования к трансмиссионным маслам. Они должны прежде всего обладать достаточными противоизносными и противозадирными свойствами, иметь высокий индекс вязкости и необходимый уровень вязкости при рабочей температуре масла (для обеспечения жидкостного режима смазки), достаточно низкой температурой застывания, не оказывать коррозионного воздействия на детали узла трения, иметь хорошие защитные свойства и высокую термоокислительную способность. Масла для гидромеханических трансмиссий должны быть маловязкими, чтобы уменьшить потери на внутреннее трение при высоких скоростях потоков масла. [4]

Таблица 1.1 - Группы трансмиссионных масел, используемых для смазывания различных передач в агрегатах трансмиссий транспортных машин

2. Классификация и маркировка трансмиссионных масел

Согласно отечественной классификации трансмиссионные масла разбиты по вязкости (таблица 2.2) на 4 класса, а по эксплуатационным свойствам их делят на 5 групп (таблица 2.1), каждая из которых имеет свою рекомендательную область применения. Эта область определяется типом зубчатой передачи, удельными контактными нагрузками в зоне зацепления и температурой масла в объеме. Следует иметь в виду, что температура в зоне контакта, как правило, на 150…200С выше температуры масла в объеме. [4]

трансмиссионный масло питтинг

Таблица 2.1 - Классификация трансмиссионных масел по эксплуатационным свойствам [4]

Таблица 2.2 - Отечественная классификация трансмиссионных масел по вязкости [5]

В классификации SAE (Общество автомобильных инженеров, США) деление осуществляется на семь классов (таблица 2.3), первые четыре из которых - с индексом W - являются зимними (северными, арктическими). Остальные масла относятся к числу летних. Всесезонные трансмиссионные масла по классификации SAE имеют соответственную маркировку SAE80W/90; SAE80W/140 и т.д. [5] Одно и тоже масло можно использовать в течение всего года; эти масла имеют более длительные сроки смены и обеспечивают низкие потери на трение. [3]

Соответствие классов масел для различных классификаций по вязкости представлено в таблице 2.4.

Таблица 2.3 - Классификация трансмиссионных масел по вязкости, принятая SAE [5]

Таблица 2.4 - Соответствие классов вязкости масел различных классификаций [5]

По классификации API (Американский нефтяной институт), принятой в США, трансмиссионные масла по уровню эксплуатационных свойств делятся на 6 групп GL1…GL6 (GL - смазочный материал для передач). Масла GL-4 и GL-5 являются универсальными, обеспечивающими работу автомобильных трасмиссий с гипоидными и другими типами главных передач. [5] Классификация API оценивает несущую способность масел по сравнению с эталонными маслами. Пригодность масел для практических целей испытывают в автомобильных трансмиссиях и путем лабораторных испытаний. Все свойства, в том числе и противозадирные, оценивают по методам CRC (Американского координационного исследовательского совета); испытания на при высоком крутящем моменте и низкой скорости - по CRCL-37; испытания при ударных нагрузках и высоких скорости - по методам CRCL-42; испытания на коррозию во влажной атмосфере - по CRCL-33. Условия работы и тип масел приведены в таблице 2.5. В настоящее время масла, отвечающие требованиям спецификаций API GL-3, GL-4 и SAE 80 W, применяют почти исключительно для коробок передач, а масла по API GL-5 и SAE 90 - для задних мостов. Применение специальных масел для задних мостов предотвращает явление заедания благодаря использованию соответствующих модификаторов трения. Производители коробок перемены передач и задних мостов часто предпочитают отдельные сорта масел и рекомендуют их для применения.

Существует также тенденция к использованию единого масла в задних мостах и коробках передач. [3]

Таблица 2.5 - Классификация API трансмиссионных масел по уровню эксплуатационных свойств [3, 5]

Соответствие между классификациями трансмиссионных масел по эксплуатационным свойствам представлено в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Соответствие эксплуатационных групп масел различных классификаций [5]

Отечественное обозначение трансмиссионных масел состоит из букв «ТМ» (трансмиссионное масло), цифр, обозначающих группу масла по эксплуатационным свойствам, и группы цифр, обозначающих класс вязкости. Допускается также уточняющие буквенные обозначения: например, «3» - загущенное и т.д. Так обозначение ТМ-5-93 характеризует трансмиссионное масло пятой эксплуатационной группы (т.е. с высокоэффективными противозадирными и противоизносными присадками многофункционального действия), принадлежащее к девятому классу по вязкости (кинематическая вязкость при температуре 100OC - 6,00…10,99 мм2/с), загущенное.

Однако марки трансмиссионных масел, выпускаемых отечественной промышленностью, во многих случаях имеют другие обозначения. Кроме того, в зависимости от сезона, для эксплуатации при котором оно предназначены, различают масла зимние (нигрол «З» и другие), летние (нигрол «Л»), всесезонные (ТАД-17И и другие). Их также делят на рабочие, рабоче-консервационные (РК) и консервационные (ТСЗ-9гип, ТМ-5-12рк). Отличают также северные сорта трансмиссионных масел. [4]

3. Присадки, добавляемые к трансмиссионным маслам

В трансмиссионные масла для повышения их служебных свойств добавляют композиции присадок (всего от 8 до 12 %). [4]. В зависимости от выполняемых функций присадки к трансмиссионным маслам делят на следующие группы:

модифицирующие трение и износ:

- противоизносные,

- противозадирные,

- антифрикционные,

- фрикционные,

- противопиттинговые,

- полимерообразующие;

антиокислительные;

противокоррозионные;

защитные;

противопенные;

моющие и диспергирующие;

загущающие;

депрессорные;

деэмульгирующие;

антисептические;

регулирующие набухание эластомеров;

регулирующие запах и стабилизирующие цвет, красители;

увеличивающие адгезию и другие.

Все присадки, вне зависимости от их назначения, должны удовлетворять следующим требованиям:

хорошо растворяться в смазочных маслах, к которым их добавляют, и сохранять растворимость в широком диапазоне температур;

не вымываться водой и не подвергаться гидролизу;

обладать малой летучестью, чтобы не испаряться из масла в процессе его работы;

не вступать в реакцию с металлами, из которых изготовлены детали машин, за исключением тех случаев, когда такие реакции являются проявлением механизма действия присадок;

не вступать в реакцию с другими присадками, присутствующими в масле, и не оказывать на них депрессивного действия;

не оказывать вредного действия на конструкционные неметаллические материалы. [1]

Наиболее велика доля (до 5…7 %) противозадирных и противоизносных присадок. В числе последних используются серо-, фосфор- и хлорсодержащие соединения различного химического состава и строения. Часто используют также антиокислительные, депрессоры и противопенные присадки. В масла гидромеханических и гидрообъемных трансмиссий добавляют моющие присадки. Масла же для механических трансмиссий не содержат в своем составе детергентов. В последнее время в трансмиссионные масла вводят высокотемпературные антифрикционные присадки в виде малорастворимых соединений или в виде суспензий графита или дисульфида молибдена (MoS2). Эти модификаторы обеспечивают снижение коэффициента трения в сопряжении при граничной смазке, что, с одной стороны, уменьшает энергетические затраты и, следовательно, экономит топливо, а, с другой стороны, снижает тепловыделение в контакте, и таким образом повышает нагрузочную способность трансмиссий. Суспензии графита и дисульфида молибдена одновременно повышают противозадирные и противопиттинговые свойства масел. [4]

При прочих равных условиях смазывающие свойства трансмиссионных масел зависят от многочисленных факторов, определяемых в том числе и условиями эксплуатации. Они снижаются при попадании в масло абразива, воды, при аэрации масла и пр. Склонность к изнашиванию и задиру возрастает вследствие снижения вязкости масла (в основном из-за деструкции загущающей присадки) и его утечек, приводящих к уменьшению объема масла в системе смазывания и увеличению тепловой нагрузки на него. Как и при использовании моторных масел, особое место занимают пусковые износы, особенно заметно проявляющиеся при низкой температуре окружающего воздуха.

Для улучшения смазывающих свойств масла регулируют его вязкостно-температурные характеристики. Увеличение вязкости приводит к повышению нагрузочной способности масла и, кроме того, уменьшает питтинг - специфический вид изнашивания, характерный для механических трансмиссий.

Повышение смазывающих свойств достигается введением в состав масла высокоэффективных гидролитически стабильных и противоизносных, противозадирных и антифрикционных присадок, а также удалением из масла воды, воздуха, механических примесей, продуктов изнашивания и т. п. [5]

4. Правила подбора трансмиссионных масел

Подбор масел для механических трансмиссий осуществляется с учетом особенностей конструкции смазываемого узла и условий его работы. Особенности конструкции характеризуются типом зацепления, удельными нагрузками, скоростями скольжения и т. д. Принимается во внимание классификация масел, регламентирующая их деление по вязкости н уровню эксплуатационных свойств. [5]

Требуемую вязкость масла предлагается устанавливать, руководствуясь нагрузочно-скоростным фактором KS/v. [5] Для цилиндрических зубчатых передач

KS/v=[F/(bd)][(u+1)/u]zn2ze2, (4.1)

где F - тангенциальная сила, Н; b - ширина зуба, мм; d - диаметр начальной окружности, мм; и - передаточное отношение; zn - коэффициент, учитывающий профиль зубьев; ze -коэффициент перекрытия.

Для червячных передач

KS/v=M/(a3/n), (4.2)

где М - передаточный крутящий момент, Н*м; a - расстояние между осями червяка и колеса, м; n - частота вращения червяка, мин -1.

Для приближенных расчетов величину вязкости в зависимости от полученного значения KS/v определяют по номограмме (рисунок 4.1).

KS/v, Н мин/м

10-2 10-1 100 101

KS/v, МПа с/м

Рисунок 4.1 - Номограмма для подбора масла по вязкости: а - для червячных редукторов; б - для редукторов с цилиндрическими зубчатыми колесами

5. Подбор трансмиссионного масла по параметрам узла трения

Исходные данные: F=10,2 Н; b=0,04 м; d=0,2 м; u=3,2; zn=3,2; ze=1,1.

По заданным параметрам узла трения произвести подбор трансмиссионного масла, рекомендовать марку отечественного трансмиссионного масла, дать анализ достоинств и недостатков используемой методики.

Определим требуемую вязкость трансмиссионного масла, руководствуясь нагрузочно-скоростным фактором. Согласно формуле 5.1 получим

KS/v=[10,2/(0,04*0,2)]*[(3,2+1)/3,2]*3,221,12=0,2*106 Па*с/м;

KS/v=0,2 МПа*с/м.

Требуемую вязкость трансмиссионного масла определим по номограмме (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 - Определение требуемой вязкости трансмиссионного масла

Согласно построениям получаем 40 95 мм2/с. Наиболее близкую к требуемой вязкость имеет масло SAE 80 W (40 =87 мм2/с, согласно [3], таблица 89). Данному маслу соответствует масло 21 класса вязкости по отечественной классификации (см. таблицу 2.4).

Требуемую группу трансмиссионного масла по эксплуатационным свойствам найдем, используя в качестве критерия величину контактных напряжений в зацеплении. Для нахождения этой величины воспользуемся формулой, известной из курса «Детали машин и основы конструирования». [2]

Итак, Н=0,3 МПа. Данное контактное напряжение соответствует первой группе трансмиссионных масел по эксплуатационным свойствам.

Примечание: значения всех коэффициентов в формуле 6.1 взяты из [2].

Окончательно, согласно расчетам получено, что масло должно относится к первой группе трансмиссионных масел по эксплуатационным свойствам, и иметь 12 класс вязкости. Таким образом, рекомендуется применить отечественное трансмиссионное масло марки ТМ-1-12.

6. Анализ достоинств и недостатков использованной методики

К достоинствам описанной методики относятся:

простота расчетов;

использование номограмм значительно облегчает определение требуемой вязкости;

подбор трансмиссионного масла не требует никаких дополнительных испытаний.

К недостаткам же данной методики можно отнести следующее:

описанная методика не учитывает условий работы трансмиссии, совместимости трансмиссионного масла с материалами агрегата трансмиссии и особенности конструкции самой коробки передач;

в результате расчета мы получаем требуемую кинематическую вязкость трансмиссионного масла при температуре 40ОС (40), в то время как в классификациях трансмиссионных масел по вязкости в основном указывается кинематическая вязкость трансмиссионных масел при 100ОС (100).

Литература

1. Виленкин А.В. Масла для шестереночных передач. Детали машин. Проектирование: Учеб. пособие / Л.В. Курмаз, А.Т. Скойбеда. - Мн.: УП «Технопринт», 2001. - 290 с.

2. Кламанн Д. Основы трибологии (трение, износ, смазка)/Э.Д. Браун, Н.А. Буше, И.А. Буяновский и др./Под ред. А.В.Чичинадзе: Учебник для технических вузов. - М.: Центр «Наука и техника», 1995. - 778 с.

3. Справочник по триботехнике /Под ред. М. Хебда, А.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, в 3-х томах. - 1990.

Размещено на Allbest.ru