摘要：從納米摩擦學角度考察了車輛齒輪油的四球機測定結果，發現最大無卡咬負荷PB和燒結負荷PD值不能很好地代表承載能力，闡明了由這兩個指標難於預測車輛齒輪油承載能力的原因是：(1)鋼球材質與實際摩擦副的不同；(2)鋼球的接觸方式是點接觸，而齒輪是線接觸；首次提出一套利用四球機測試估算車輛齒輪油承載能力的方法，指出在實際選擇齒輪油時可根據齒輪的嚙合壓力來確定油品在四球機試驗中應達到的比壓力(specific pressure at contact surfaces)。
關鍵詞：車輛齒輪油 納米摩擦學 薄膜潤滑 磨損
現代汽車齒輪最重要的進步是1925年出現了雙曲線齒輪，目前汽車後橋齒輪已基本上普及為雙曲線齒輪，而雙曲線齒輪體積較小，傳動的動力大，齒面相對滑動速度大，齒面上難以形成潤滑油膜，是最難潤滑的摩擦副之一，它要求齒輪油具有足夠高的極壓性能。30年代以來，美國開始採用全尺寸台架評價汽車齒輪油的極壓性能，如對GL-5重負荷車輛齒輪油的承載性能，必須通過全尺寸後橋台架試驗CRC L-37(油品在高速低扭矩和低速高扭矩條件下的承載性)和CRCL-42(高負荷衝擊測試)。與此同時，為降低評定費用人們試圖應用模擬試驗機評價齒輪油的極壓性能，例如用四球磨損試驗和FZG齒輪機試驗預報L-37試驗，用四球極壓試驗和Timken試驗預報L-42試驗等，雖然取得了某些結果，但由於摩擦副工作條件不同，在這些模擬試驗與後橋台架試驗之間，很難找到確切的關係。四球機用於油品潤滑性的評定已具有較長的歷史，由於其設備相對簡單，用油量少，試驗費用低，操作方便，已成為目前應用最為廣泛的模擬試驗設備之一。在我國的部分汽車廠，經常用四球機的PB值作為衡量車輛齒輪油承載能力的主要指標，以為PB值和燒結負荷PD值越大越好，這樣造成經過全套台架評定合格的油品由於在汽車廠測定的PB值小於規定值(如100kg)而被拒收。本文試圖從理論和實踐兩個方面闡明四球機的車輛齒輪油極壓性測試結果的意義，提出預測承載能力的方法。
1 潤滑狀態轉變的理論
潤滑油粘度η、轉速U和負荷P是決定潤滑狀況的三個因素，它們之間的聯繫可用無因次參數C來表示：C=ηU/P,C和摩擦係數μ的關係示於圖1，稱為潤滑狀態過渡圖或Stribeck曲線。在流體動力潤滑區，液體膜的厚度足以將固體表面隔開(即油膜厚度h?粗糙度δ)；在邊界潤滑區，微凸體發生連續的接觸，固體靠金屬表面吸附的極性物質或反應膜潤滑；介於兩條線中間的為混合潤滑區，摩擦係數μ隨著C值減少迅速增加。對於混合潤滑，迄今的研究並不充分。90年代后證實了混合潤滑是以納米量級的薄膜潤滑(thin film lubrication)狀態存在，以有序液體膜為特徵，流體膜減薄到表面粗糙峰之間的間隙為潤滑油分子尺度範圍，即粗糙峰頂已出現邊界膜。薄膜潤滑的物理模型為：靠近表面的是吸附膜，不具有流體性質；處於潤滑膜中間的是粘性流體膜，具有彈流潤滑特徵，介於粘性流體膜與吸附膜之間的有序液體膜，是由於液體分子在摩擦剪切過程中受表面能作用迫使分子有序排列而形成的。有序液體膜的有序度高於粘性液體膜，而低於靠近金屬表面的吸附膜。當潤滑膜厚減少到粘性液體膜完全消失時，潤滑膜由有序液體膜和吸附膜為主。薄膜潤滑伴隨表面磨損，以接觸疲勞和粘著機製為主要形式。如果液體膜更薄，則只有吸附膜存在時，為邊界潤滑，會出現微凸體間的直接接觸。在油中加入油性劑如長鏈的醇胺和脂肪酸等，其極性基吸附在金屬表面上，長鏈中的次甲基橫向吸附，構成牢固的吸附膜，代替了金屬的直接接觸，減輕了摩擦或磨損。在負荷和溫度更高的條件下，油性劑將失效，極壓添加劑與金屬反應，形成一些化合物較金屬易於剪切，熔點較低，可以防止金屬間的咬合從而保護金屬表面。
圖1 Stribeck 曲線
2 四球機試驗
四球機試驗為點接觸的滑動摩擦，其結構為一固定在上軸的球相對於固定在下軸上的三個球作旋轉運動。對於一定的試驗轉速，接觸處的滑動速度恆定，負荷P增加時磨損直徑d變化見圖2。當負荷增加到B點，在四球機試驗中到達了卡咬點，相應的負荷值為最大無卡咬負荷PB；當負荷進一步增大，達到D點時，邊界潤滑狀態失效，四球接觸處出現了燒結，相應的負荷值為最大燒結負荷PD。
圖2 四球機的磨損—負荷曲線
為了實際考察應用PB值判別齒輪油承載性的可行性，我們從可靠的專賣店收集了國內外知名品牌的GL-5齒輪油(國內油13個，編號為C1-C13；國外油5個，編號F1-F5)，包括長城、七星、海牌、南海、飛天、Mobil、Esso、Catex、Shell等，分別送往國內的權威測試機構進行測試，這些單位是：石油化工科學研究院、蘭州煉油化工總廠研究院、高橋石化公司煉油廠研究所、大連石化公司研究院、南京汽車研究所和長城潤滑油集團公司研究所，進行油品的PB值測定，考察這些油品的PB值是否大於100kg，以及測定的再現性。考慮到國內大多數汽車製造廠測定的慣例，試驗條件採用GB/T3142法，即轉速為1450r/min，測試溫度為室溫，鋼球為GB308II級。有關的測試結果見表1。
由表1可見：(1)對於中國市場知名品牌的GL-5齒輪潤滑油，半數左右其PB值小於100kg，說明PB值本身不能代表承載能力。(2)不同實驗室(lad)之間的測試結果，對於個別油品其再現性有超出國際規定的30%，缺乏可比性。可以認為，不同實驗室測量者本身是嚴格按照操作規程進行測試的，產生偏差的原因可能是鋼球的生產批次不同，造成其材質有差異，從而影響試驗結果的再現性。
3 討論
有人認為PB點為彈性流體動力潤滑的臨界點，也即在該點彈性流體動力潤滑膜將達到極小值，負荷再增大，該膜就將破裂，B點后反映了油性劑或減磨劑的貢獻。本文認為，AB點之間不可能是彈流潤滑，只可能是薄膜潤滑或邊界潤滑，否則不可能有磨痕。AB段的前面部分可能是有序膜起主要作用，後半部分邊界吸附膜起主要作用。BC之間是吸附膜逐漸消失、化學反應膜逐漸形成的時期；CD之間是化學反應膜起作用的階段。所以PB代表有序膜的終止點。只有這樣，才能解釋PB與油性劑、極壓添加劑的加入有關，這些添加劑的極性，可能增加了有序膜的厚度。PD值的大小，代表了化學反應膜的形成難易和抗磨性能，PD值高，表示化學膜失效的溫度高。但反應膜潤滑是以腐蝕磨損為代價的，但若腐蝕性太強，將影響其抗磨性。
齒輪油的承載能力是指其保護齒輪在高載荷下工作而無擦傷、咬合、焊接或其它高磨損癥狀的功能。根據圖3～6的四球機測試結果,顯然僅PB或PD一項不能作為評價油品極壓性抗磨性能的指標，例如，PB值高的油品，其PD值和抗磨作用並不一定好。利用四球機全面估算齒輪油極壓抗磨性能的程序應為：(1)測量PB，並計算在PB以前的比壓力PS(單位面積承受的負荷)，從而可以給出該齒輪油可以承受多大的壓力範圍；(2)測量PB以前某個負荷下的長期磨損值(磨斑直徑，Wear Scar Diameter)，從而給出在工作負荷區的磨損量；(3)測量PD，報出該油品的最高工作負荷。由這三個方面可以預報該油品的最佳工作負荷區。
圖3 不同潤滑油的磨損—負荷曲線
圖4 負荷與壓力的關係
圖5 四球機中摩擦係數與負荷的關係
圖6 負荷對磨痕直徑的影響
從納米紐擦學的角度來看，用四球機測試結果預測車輛齒輪油承載能力還應該注意：
(1)由於PB和PD都跟添加劑與鋼球之間的有序膜形成、化學吸附和反應有關，若實際齒輪與鋼球的材質不同，勢必導致潤滑油在兩種摩擦副上的作用不同，從而不存在對應關係；
(2)如果在某一負荷下，四球機所測得的磨痕幾乎為0，標誌著四球處於彈流潤滑狀態。但不能由此推論處在同樣負荷下的齒輪也處於彈流狀態，即兩種摩擦副之間的彈流條件沒有關聯性。這是由於兩者的接觸方式不同：鋼球為點接觸，而齒輪是線接觸。彈性流體動力潤滑的條件：λ(油膜厚度/表面粗糙度)=h／(δ21＋δ22)0.5≥2～3
式中：h為最小油膜厚度，δ1和δ2為兩摩擦面的均方根粗糙度。
對於球體摩擦副，點接觸區的最小油膜厚度方程：
h=1.83RG0.49U0.68W-0.073
對於齒輪摩擦副，線接觸區的最小油膜厚度方程(Dowson公式)：
h=2.65RG0.54U0.70W-0.13
式中U為速度參數，G為材料參數，W為載荷參數，R為當量曲率半徑。
可見，λ與接觸區內的粗糙度、速度、材料和載荷等參數都有非線性的關係，而且點接觸和線接觸時最小油膜厚度h的變化規律不一致，導致兩種摩擦副條件下的彈流條件沒有可比性。
所以， 如果條件許可，盡量用與實際齒輪相同材料做成的四球，包括粗糙度的要求，這樣四球機的測試結果將能較準確地估算油品在該類齒輪上的承載能力。
4 結論
(1)從實際應用來看，把PB值是否大於100kg作為衡量油品好壞的指標是不恰當的，許多知名品牌的GL-5齒輪油PB值未達到100kg。
(2)PB測定在不同實驗室之間的重現性不好，難於作為一個互相比較的指標。
(3)理論上已經證明PB值不能表示齒輪油的承載能力，在實驗室評價手段有限的條件下，至少應從PB、PS、PD和WSD四方面才能推測車輛齒輪油的承載能力，盡量用與實際齒輪相同材料做成的四球，包括粗糙度的要求。
(4)提出一套估算齒輪油承載能力的方法，可根據四球機試驗中單位球體面積承受的負荷區，預報該齒輪油的最佳工作負荷區，在實際選擇齒輪油時根據齒輪的嚙合壓力來要求油品在四球機試驗中應達到的比壓力PS。
