基于小型盤盤型摩擦試驗機的ATF油摩擦性能評定

(中國石油大連潤滑油研究開發中心 遼寧大連 116031)

隨著我國汽車工業的飛速發展，安裝自動變速器系統的汽車越來越多，在汽車自動變速器中起潤滑和傳遞能量作用的液體工作介質——自動傳動液(Automatic Transmission Fluid，ATF)的需求量也越來越大。目前ATF用量約占全球汽車潤滑油市場的35%，僅次于發動機油。近年來，隨著自動變速器的不斷更新換代及其裝車量的不斷增加，ATF的市場份額仍在持續擴大，與此同時，人們對汽車駕駛舒適性的要求也在不斷提高[1-3]。而抗顫性是評價汽車自動傳動液(ATF)在駕駛舒適度方面的一項重要指標。

為改善汽車的燃油經濟性，限滑鎖止離合器系統已在自動變速器中得到廣泛應用。而離合器系統中的鋼片與摩擦片在摩擦過程中產生黏連出現的震顫現象，將直接影響駕駛過程中的舒適性。研究表明，自動變速器中ATF的摩擦特性是控制抗震顫性能的主要因素[4-6]。

具備較佳的抗顫性能是ATF研發的主要目的之一。ATF的抗顫能力取決于摩擦因數(μ)和滑動速度(v)之間的特性關系。根據理論計算，當摩擦面之間能夠保持?μ/?v>0時(即正向的摩擦-速度曲線)，系統將處于過阻尼狀態，震顫則不會發生。即μ與v保持正斜率關系時，不會出現顫動；反之，μ與v呈現負斜率關系時，出現顫動的可能性大大增加[7-9]。

通常，ATF的抗顫能力(μ-v曲線)用低速摩擦磨損試驗機(Low Velocity Friction Apparatus，LVFA)模擬臺架試驗來評定。一般在試驗室中，評測某些昂貴的外購添加劑及少量化學合成添加劑的摩擦學特性時，需重復多次進行μ-v曲線測試，此時，要求摩擦試驗機應盡可能單次用油(劑)量少，且操作靈活簡便、試驗周期可自控。而LVFA單次試驗用油量大、操作相對復雜且試驗周期較長，不符合上述試驗室要求。因此，本文作者選用更加適合實際工況的、試驗用油量小且操作簡便的小型盤盤型摩擦試驗機(TRM5000，德國Wazau公司生產，以下簡稱WAZAU)為評價裝置，建立快速的試驗方法，用以評價ATF的抗顫性能。文中選取2種不同配方的ATF油品，分別采用LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機測得其μ-v曲線，比較其摩擦特性；同時，對摩擦試驗后的鋼片分別進行掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能量色散光譜儀(EDX)的聯合測試，觀測試驗鋼片表面摩擦形貌并分析其化學成分，用以研究WAZAU與LVFA摩擦試驗機試驗結果的相關性。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗選用已通過JASO 1A以及DEXRON Ⅲ行業標準的市售ATF油品(Oil A)和試驗室自配ATF油品(Oil B)來進行試驗對比分析。

對Oil A和Oil B分別進行了理化性能的檢測，其實測數據及配方信息如表1所示。

表1 Oil A和Oil B理化性能參數

1.2 試驗設備

采用LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機來進行Oil A和Oil B的抗顫性能(μ-v曲線)的評價，并使用SEM和EDX的聯合檢測方法來表征試驗片表面的摩擦形貌和化學成分。

試驗采用的LVFA摩擦試驗機(日本Automax公司生產)如圖1所示，其試驗原理是以縱向加載的方式,使浸在ATF中的摩擦片與鋼片進行齒合,通過測量齒合過程中的摩擦扭矩，計算出摩擦因數,從而分析摩擦因數(μ)與滑動速度(v)之間的關系來評價ATF的抗顫性能和耐久性能。

圖1 LVFA試驗機 (a)、油槽(b)、紙基摩擦片(c)、鋼片(d)

試驗采用的WAZAU試驗機(TRM5000，德國Wazau公司生產)如圖2所示，其試驗原理與LVFA試驗機相同，是LVFA試驗機的微型版，可測試不同溫度、速度和負載下旋轉滑動試驗部件間的摩擦因數。其摩擦試驗件的紙基摩擦片和鋼片的直徑均較LVFA摩擦試驗機大為縮小，試驗后的試驗件可直接用SEM觀測摩擦表面形貌，從而避免了因LVFA的試驗件在金屬切割流程中金屬碎末飛濺而造成的表面形貌污染，同時也縮短了試驗時長，更加適合大量試驗的基礎研究工作。

圖2 WAZAU試驗機(a)、油槽(b)、 紙基摩擦片(c)、鋼片(d)

LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機的性能參數如表2所示。

表2 LVFA和WAZAU試驗機性能參數

采用配有二次電子檢測器、背散射電子檢測器和X射線能量色散光譜儀(EDX)的場發射掃描電子顯微鏡(QUANTA250FEG，捷克FEI公司生產)觀測試驗后試驗件摩擦形貌，結合EDX分析儀進行微區元素的識別和解析。

1.3 試驗方法

為簡化操作和更好地對比試驗結果，首先為WAZAU試驗建立了與LVFA試驗標準JASO M349-2001[10]相當的Break in(磨合試驗)、μ-v程序(μ-v特性試驗)和Endurance(耐久試驗)3個試驗程序，用于模擬自動變速器離合器片的摩擦過程，進而測試ATF的摩擦特性。

WAZAU摩擦試驗機的試驗方法主要分為以下3個步驟：

(1)Break in 程序(磨合試驗):在80 ℃的油溫下，以1.0 MPa的壓力，使油槽中的摩擦片和鋼片進行齒合,后將摩擦片的轉速于1 min內提升至0.6 m/s，并以0.6 m/s的滑動速度持續旋轉,磨合30 min后，再于1 min 內將轉速回降至初始狀態。

(2)μ-v程序(μ-v特性試驗)：上述磨合試驗結束后，分別在40、80、120 ℃的油溫下，以1.0 MPa的壓力，將摩擦片的轉速于18 s內提升至1.5 m/s，并以1.5 m/s的滑動速度持續旋轉,磨合18 s，再于18 s內將轉速回降至初始狀態。通過檢測磨合過程中的摩擦因數，從而得到不同油溫下的μ-v曲線。

(3)Endurance程序(耐久試驗):上述μ-v曲線測試后,在120 ℃的油溫下，以1.0 MPa的壓力，將摩擦片的轉速于1 min內提升至0.9 m/s，并以0.9 m/s的滑動速度持續旋轉，磨合30 min，再于1 min 內將轉速回降至初始狀態，重復測定47次,即運行24 h后，再次進行μ-v曲線的測試。每個耐久性能試驗周期結束后，均需對其μ-v特性進行檢測。

2 試驗結果與討論

2.1 Oil A的摩擦性能測試

在40、80、120 ℃ 3種不同的油溫下，以相同的試驗條件，分別用LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機對Oil A進行了0、24、96 h的μ-v曲線測試。

以80和120 ℃的μ-v曲線為例，圖3示出了相同試驗條件下，Oil A在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機中測試時間t=0時的μ-v曲線。

圖3 LVFA與WAZAU試驗機得到的t=0時 的 Oil A的μ-v曲線

從圖3中可看出，LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機所測得摩擦片與鋼片間的靜摩擦因數值均為0.10左右；隨著滑動速度(v)的升高,動摩擦因數(μ)也均隨之增大，當0

圖4示出了相同試驗條件下，Oil A在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機中測試24 h的μ-v曲線。

從圖4中可看出，當0

圖4 LVFA與WAZAU試驗機得到的t=24 h時 的 Oil A的μ-v曲線

圖5示出了相同試驗條件下，Oil A在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機中測試96 h的μ-v曲線。

圖5 LVFA與WAZAU試驗機得到的t=96 h時 的 Oil A的μ-v曲線

從圖5中可看出，2種摩擦試驗機所測得摩擦片與鋼片間的動摩擦因數和滑動速度在0

上述測試結果表明，Oil A具有良好的抗顫性能。比較2種試驗機得到的Oil A的摩擦特性曲線可知，WAZAU摩擦試驗機在檢測抗顫性能優異的ATF油品時，與LVFA摩擦試驗機具有正相關性。

2.2 Oil B的摩擦性能測試

在40、80、120 ℃ 3種不同的油溫下，以相同的試驗條件，分別用LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機對Oil B進行了24、48 h的μ-v曲線測試。

以80 、120 ℃的μ-v曲線為例，圖6示出了相同試驗條件下，Oil B在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機中測試24 h的μ-v曲線。

圖6 LVFA與WAZAU試驗機得到的t=24 h時 的 Oil B的μ-v曲線

從圖6中可看出，LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機所測得摩擦片與鋼片間的靜摩擦因數均高于動摩擦因數，當滑動速度(v)升高時，動摩擦因數(μ)均隨之降低，兩圖中曲線均呈負斜率，且表現出大致相同的負斜率曲線走向，說明Oil B在24 h耐久性能試驗后的抗顫性能已經失效。

圖7示出了相同試驗條件下，Oil B在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機中測試48 h的μ-v曲線試驗結果。

圖7 LVFA與WAZAU試驗機得到的t=48 h時 的 Oil B的μ-v曲線

從圖7中可看出，LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機所測得摩擦片與鋼片間的靜摩擦因數均高于動摩擦因數，當滑動速度(v)升高時，動摩擦因數(μ)均持續大幅度降低，兩圖中曲線均呈負斜率，且表現出大致相同的負斜率曲線走向。上述結果表明Oil B的抗顫性能較差，無需繼續對其進行耐久性能試驗。2種摩擦試驗機所測得Oil B的初始靜摩擦因數值不同，是因為Oil B中的添加劑在摩擦過程中可能沒有發生物理的或化學的摩擦反應以提供抗顫性能。在壓力相同的情況下，此時的靜摩擦因數完全取決于摩擦材料自身的性質，由于兩種試驗機使用的摩擦片材料不同(如表2所示)，所以初始靜摩擦因數不同。

此外，Oil B 在WAZAU摩擦試驗機48 h耐久性能試驗的結束階段以及μ-v曲線的測試過程中，均可聽到清晰的摩擦噪聲。從而說明，WAZAU較LVFA可更好地檢測出NVH(Noise、Vibration、Harshnes，即噪聲、震動、舒適性,簡稱NVH)現象。

由Oil B的摩擦特性測試結果可看出，WAZAU摩擦試驗機在檢測抗顫性能不佳的ATF油品時，與LVFA摩擦試驗機同樣具有正相關性，且在檢測NVH方面，相較于LVFA摩擦試驗機表現更優。

2.3 Oil A試驗片表面形貌特征和化學成分分析

摩擦性能試驗結束后，選用抗顫性能優異的Oil A潤滑下，在LVFA和WAZAU 2種摩擦試驗機中測試后的試驗鋼片，分別進行了表面形貌的觀測和化學成分的分析。

圖8示出了在10 kV的加速電壓下、放大800倍、依次通過1 μs的快速掃描及20 μs的慢速掃描后，LVFA和WAZAU中試驗鋼片摩擦面的SEM微觀形貌圖。

圖8 Oil A中LVFA與WAZAU試驗鋼片的摩擦表面形貌

從圖8中可看出，2種摩擦試驗機中試驗后鋼片表面沿摩擦方向均附著黑色條紋狀的化學反應摩擦膜。采用EDX對2種摩擦試驗機中試驗后鋼片表面的摩擦膜分別進行微區定點分析檢測，結果如圖9所示。

從圖9中可看出，2種摩擦試驗機中試驗后鋼片表面附著的化學反應摩擦膜中，化學元素的組成和分布基本一致，說明Oil A在2種摩擦試驗機的評測過程中發生了相同的摩擦化學反應。

通過Oil A在2種摩擦試驗機中試驗后鋼片表面的SEM及EDX表征結果，進一步說明了WAZAU與LVFA 2種摩擦試驗機檢測結果的正相關性。

圖9 Oil A中LVFA與WAZAU試驗鋼片 表面摩擦膜的EDX圖譜

3 結論

WAZAU與LVFA 2種摩擦試驗機測得的μ-v曲線具有高擬合度，2種摩擦試驗機中試驗后鋼片表面發生摩擦化學反應成膜的主要成分也基本一致，從而證實了WAZAU與LVFA 2種摩擦試驗機的試驗結果具有很高的正相關性，并且WAZAU較LVFA在檢測NVH上更具有效性，可作為快速模擬評價手段用于ATF的摩擦特性研究。