齿轮油基础知识

齿轮油基础知识（中级经验可阅读）车辆齿轮油(中级版)1. 概述车辆齿轮油是润滑油重要产品，主要用于各种汽车手动变速器和驱动桥中。

自1925年Gleason Works 开发了第一个双曲线齿轮驱动桥以来，在短短几年间，几乎全部的美国制造商都推广使用。

接着，在欧洲也逐步得到应用。

为了满足双曲线齿轮驱动桥的润滑要求。

开发了极压车辆齿轮油，这种早期的齿轮油为S-Pb型或S-P-Cl型。

二次世界大战以后，为了制得具有高速冲击性能和高扭矩性能的多效齿轮油，引入了S-P-Cl型复合剂。

以后由于卡车载重和功率的提高，加上轴偏置增大，复合剂在原来的S-P-Cl基础上又引入了二烷基二硫代磷酸锌，大大提高了极压性能。

进入60年代，由于汽车工业不断追求高速度，大马力，需要热氧化安定性更高的润滑油，研制出第一代S-P型双曲线齿轮油，并逐渐在全世界得到普及。

硫磷型车辆齿轮油经过40年的使用，经久不衰，其主要是围绕着含磷添加剂和添加剂复配技术的发展。

第二代、第三代硫磷型齿轮油具有好的热稳定性和水解稳定性，解决了含磷剂消耗快的问题，并可作为车辆、工业齿轮通用油。

1.1国外车辆齿轮油情况代表着发达国家的欧洲，每年需要车辆齿轮油30万吨，其中75%为GL-5车辆齿轮油，其余为GL-4齿轮油。

见表1：表1 欧洲用车辆齿轮油长很小。

出现了全寿命油，要求汽车齿轮油的基础油越来越多地使用合成润滑油，同时有轻质化趋势，好处是改进了燃料经济性，也容易换档。

欧洲汽车生产商要求车辆齿轮油延长换油周期，甚至要求与车辆同寿命，目前汽车寿命约为75万公里，将来要延长到100万公里，因此齿轮油与橡胶密封材料配伍性受到特别重视，要求在长期运转中齿轮油对密封材料既不能使其硬化、收缩，又不能使其膨胀、降低强度。

目前欧洲轿车多为前桥驱动，前桥中装有同步器。

欧洲同步器设计与美国不同，美国的同步器由一组摩片组成，而欧洲的同步器由一组黄铜环组成，为使其同步器能正常工作，在要求使用GL-4、GL-5齿轮油时，还要补充进行密封件试验和同步器试验。

由此可见，欧洲车辆齿轮油规格高于相应的美国规格。

1.2 我国车辆齿轮油的发展概况从20世纪50-70年代，我国车辆齿轮油尚未形成完整的体系，只分为齿轮油和双曲线齿轮油这两种残渣型的黑色齿轮油和一种馏分型的合成双曲线齿轮油。

1960年公布我国第一个双曲线齿轮油的规格，基础油主要是残渣油，常用添加剂是硫化蓖麻油，也有用硫化松脂油。

1962年公布第一个用于汽车、拖拉机变速箱及后桥的齿轮油规格，其油品由残渣油或加入部分馏分油构成，使用性能差，寿命短，耗能大，还需用低粘度润滑油或低凝点柴油稀释，才能冷启动。

1967年开始生产渣油型S-P-Cl-Zn型双曲线齿轮油，主要添加剂是二烷基二硫代磷酸锌(T202)和氯化石蜡(T301)。

油品的主要特性如极压抗磨性有较大提高，但热氧化安定性、防锈性、颜色等均较差。

1971开始试制和生产精制型双曲线齿轮油，按添加剂类型又分硫磷氯锌型和硫磷型两种，其要性能相当于GL-4，用于“东风”汽车双曲线齿轮及大马力内燃机车牵引齿轮润滑。

80年代初，由中石化各炼厂及有关科研院组成的齿轮油攻关组，研制成功馏分型GL-3，这些油流变性、热氧化安定性、抗磨性、防锈性均优于渣油型，可以满足“解放”、“黄河”等非双曲面齿轮的汽车后桥润滑要求。

改革开放以来，我国引进了国外先进的汽车生产线，其中包括一汽、上汽引进德国大众轿车生产线；二汽引法国雪铁龙、广州引进日本本田、北京引进美国通用、济南引进奥地利技术生产“斯太尔“卡车，这些车辆驱动桥都要求使用GL-5。

为了实现车辆齿轮油的国产化，齿轮油攻关组，在“七五”期间完成了80W/90、85/90、85W/140 GL-5的研制并通过国家技术鉴定。

目前我国兰州润滑油研发中心和北京石化院开发出齿轮油通用复合剂，达到了国际先进水平。

目前我国GL-3、GL-4和GL-5各占齿轮油市场的1/3。

用于车辆齿轮装置的各类齿轮副形状不同，轮齿啮合方式不同，润滑油膜的形成有显著的差异，正齿轮、伞齿轮、斜齿轮、人字形齿轮和螺旋齿轮容易在齿面上形成润滑油膜，一般使用GL-3油润滑；双曲线齿轮体积较小，传递的动力大，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，需要使用GL-5油润滑。

车辆齿轮油主要作用在于减少齿轮副之间的摩擦与磨损。

摩擦润滑过程一般包含流体润滑、弹性润滑、混合润滑和边界润滑。

当润滑的齿面在负载下接触时，就发生塑性变形，润滑油陷入金属表面之间。

齿轮油的组成、性能和齿面的化学状态支配着摩擦润滑的全过程。

2.1齿轮油的性能为了完成运动和动力的传递，车辆齿轮油在以下几方面给予最佳配合：防止和减少齿面间的摩擦和磨损，均匀分布载荷；带走摩擦时产生的热量；将齿面与水、空气隔绝，避免生锈、腐蚀及尘袭；冲洗齿面上的磨粒的杂质；减缓齿轮震动，使运动平缓。

齿轮油在齿轮传动中的重要性决定了它必须具备以下性能：a 合适的粘度和良好的粘温性能：齿轮油的粘度和承载力有密切关系，粘度增加，容易形成流体动力膜和弹性流体润滑膜，有利于保护齿面。

但是粘度过高，齿轮工作时动力损耗大，使油温升高。

目前由于添加剂水平的提高，为了节能，齿轮油有低粘度化的发展趋势，另外，齿轮油的低温粘度对齿轮工作有重要影响，汽车驱动桥齿轮是飞溅式润滑，低温时齿轮油必须有足够的流动性，这样齿轮转动时才能将足够量的油带到齿面及轴承上，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表明齿轮油的低温流动性。

B 足够的承载性：齿轮油应在高速、低速重载或冲击负荷下迅速形成边界吸附膜或化学反应膜以防止齿面磨损、擦伤和胶合。

齿轮油的承载性是它最重要使用性能，需要CRCL-37和L-42全尺寸齿轮台架来评定油品的承载力和抗擦伤能力。

C 良好的热氧化安定性：齿轮油在工作中被剧烈搅动，在与空气、金属、杂质等接触中，特别是重型卡车驱动桥，齿轮装置工作温度相当高，齿轮油的氧化是一个突出的问题，直接影响到油品的使用寿命。

氧化产生的腐蚀性物质加速的腐蚀和锈蚀；氧化产生的沉淀物会影响密封性，沉淀物复盖在零件表面会影响散热，加速油品的氧化进程。

GL-5油需要做L-60热安定性齿轮台架试验。

D 良好的防锈防腐蚀性：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，变速箱的同步环都是由铜合金制成的，容易被腐蚀。

在水和空气的参与作用下，齿面和油箱会产生锈蚀，腐蚀和锈蚀不仅破坏了齿轮的几何学特点，破坏了润滑状态，严重时会影响正常的传动，而且腐蚀和锈蚀产物会进一步引起齿轮油变质。

E 良好的抗泡沫性：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，造成润滑失效。

泡沫的导热性差，容易引起齿面的过热，使油膜破坏，泡沫严重时，油常从齿轮箱的通气孔中溢出。

车辆齿轮油是由基础油和添加剂组成，基础油主要是矿物润滑油，也有少部分合成油。

低粘度车辆齿轮油的基础油是由低度矿物润滑油或合成润滑油，有时还加入剪切安定性好的低分子量聚合物构成，对低温粘度也有苛刻的要求。

配制高粘度车辆齿轮油时，需用较多的光亮油例如150BS做基础油，光亮油在原油中的含量小于5%，加工过程复杂，因此，车辆齿轮油的基础油不易生产。

添加剂的作用是增强基础油原有的某些性能或赋予基础油原来不具备的新的性能。

车辆齿轮油的添加剂主要是硫磷元素的化合物，含硫极压剂与金属反应生成硫化铁极压膜，摩擦系数小，耐热性高，在高速冲击负荷下，能有效防止齿面擦伤。

含磷化合物在金属表面上吸附，与金属反应生成磷酸铁，起防止磨损的作用，除此以外还要添加适量的防锈剂、抗氧剂和抗泡剂。

近代的车辆齿轮油使用最多的含硫极压剂是硫化烯烃。

硫化烯烃在高冲击载荷条件下能有效地防止齿面损伤。

含磷极压剂例如磷酸酯，在金属表面上吸附，由于加水分解反应变成酸性酯与金属反应生成磷酸盐，起防止磨损的作用。

含磷化合物经常被称做抗磨剂。

在高扭矩苛刻运转条件下能防止齿面磨损、点蚀和剥落。

根据其结构大体可分为亚磷酸酯及其胺盐、磷酸酯及其胺盐、硫代磷酸酯及其胺盐、硫磷酸复酯胺盐等。

为使限滑差速器正常工作，减少汽车转变时限滑差速器摩擦片的震动和噪音，车辆齿轮油中须加入摩擦改进剂。

在边界润滑条件下，摩擦改进剂的极性基因由于物理吸附或化学吸附作用吸附在金属表面上，形成吸附膜，降低摩擦系数。

极压剂、抗磨剂是化学活性高的化合物，效易引起金属的腐蚀和渗蚀，因此，车辆齿轮油中应加入腐蚀抑制剂。

杂环化合物如噻二唑及苯三唑衍生物是铜腐蚀抑制剂。

碱性和中性磺酸盐、烯基丁二酸、烯基十二酸半酯等齿轮油常用的防锈剂。

对于确定车辆齿轮油配方，必须仔细地平衡极压性和防锈性，因为防锈剂会降低极压剂的效果。

齿轮油的氧化与其它润滑油一样也是烃类退化分枝链代式反应，屏蔽酚型和芳香胺型抗氧剂在齿轮油中有一定的效果，硫磷型齿轮油中的极压剂，如硫烯、磷酸酯、亚磷酸酯、硫代磷酸酯及其衍生物，除极压性还具有抗氧化性，故硫磷型车辆齿轮油常常不另加抗氧剂。

清净剂和分散剂不是车辆齿轮油添加剂酸方的必要组分。

但加入清净剂或分散剂有助于提高齿轮油的清净性，防止油泥和沉淀的产生。

近年来，随着对车辆齿轮油的热氧化安定性要求的提高，有些车辆齿轮油添加剂配方中加入分散剂或清净剂，如碱土金属盐型清净剂或无灰分散剂，以保持齿轮装置的清洁。

配制低粘度多级车辆齿轮油，如75W/90车辆齿轮油须加粘度指改进剂。

齿轮油在使用过程中受到强烈剪切，剪切速率可达108S-1。

高分子粘度指数改进剂剪切安定性差，不能用于齿轮油，必须使用低分子量聚合物。

75W/90车辆齿轮油常用低分子量聚甲基丙烯酸酯做增粘剂，其低温粘度较小。

聚烯烃类粘度指数改进剂低温粘度大，不能用于75W/90车辆齿轮油，但可用于其它齿轮油。

硅油是常用的抗泡剂，硅油用量小，10-100ppm就有效，但贮存稳定性不好，易从油中析出，近年来齿轮油用非硅抗泡剂，是丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯聚合物，贮存稳定性较好。

润滑油的粘度是影响流体润滑、弹性润滑的主要参数。

极压抗磨剂的性能是改善边界润滑的主导因素。

此外，极压抗磨剂的活性基团有增加油膜强度的功能，齿轮油的有效润滑应从基础油和添加剂两方面综合平衡，努力使配方处于最佳状态，提高油品的各项性能。

以开发75W/90GL-5为例，介绍润滑油开发的步骤，揭示了齿轮油的组成，说明齿轮油开发系统性和完整性。

第一步，为了符合75W/90粘度级别的要求，需选用低温粘度小、粘温性能好的基础油，并加入粘度指数改进剂和降凝剂，以期符合多级油的高低温使用标准，并要考察其剪切安定性。

第二步，配方的筛选，重点考察硫、磷剂之间的极压性和抗磨性的平衡。