Трансмиссионные масла
Содержание
1. Введение
2.
Область применения трансмиссионных масел
3. Классификация и маркировка трансмиссионных масел
. Присадки, добавляемые к трансмиссионным маслам
. Правила подбора трансмиссионных масел
. Подбор трансмиссионного масла по параметрам узла трения
. Анализ достоинств и недостатков использованной методики
Список использованной литературы
1. 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]
2. Область применения трансмиссионных масел
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 [5]
Передача
|
Масло
|
Коробки передач, коробки
отбора мощности, раздаточные коробки и другое.
|
Трансмиссионное масло с
противоизносными, антиокислительными и другими присадками.
|
Ведущие мосты с гипоидной
главной передачей.
|
Гипоидное масло.
|
Ведущие мосты с червячной главной
передачей.
|
Трансмиссионное масло с
эффективной противоизносной присадкой, не корродирующей бронзу.
|
Ведущие мосты с
дифференциалами ограниченного проскальзывания.
|
Трансмиссионное или
гипоидное масло с повышенными фрикционными свойствами.
|
Гидромеханические передачи.
|
Масло для гидромеханических
коробок передач.
|
Гидрообъемные передачи.
|
Масло для гидрообъемных
передач.
|
3. 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…200°С выше температуры масла в объеме. [4]
Таблица 2.1 -
Классификация трансмиссионных масел по эксплуатационным свойствам [4]
Группа
|
Состав масла
|
Рекомендуемая область
применения
|
|
|
Тип передачи
|
Контактные давления, МПа
|
Температура масла в объеме,
°С
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
1
|
Нефтяные масла без присадок
|
Цилиндрические, конические
и червячные
|
900…1600
|
£ 90
|
2
|
Нефтяные масла с
противоизносными присадками
|
Цилиндрические, конические
и червячные
|
£ 2100
|
£ 130
|
3
|
Нефтяные масла с
противозадирными присадками умеренной эффективности
|
Цилиндрические, конические,
спирально конические и гипоидные
|
£ 2500
|
£ 150
|
4
|
Нефтяные масла с
противозадирными присадками высокой эффективности
|
£ 3000
|
£ 150
|
5
|
Нефтяные масла с
противозадирными присадками высокой эффективности и многофункционального
действия, а также универсальные масла
|
Гипоидные передачи (в том
числе работающие ударными нагрузками)
|
> 3000
|
> 150
|
Таблица 2.2 -
Отечественная классификация трансмиссионных масел по вязкости [5]
Класс вязкости
|
Кинематическая вязкость при
температуре 100°С, мм2/с
|
Температура, при которой
динамическая вязкость не превышает 150 МПа×с, °С, не выше
|
9
|
6,00…10,99
|
- 45
|
12
|
11,00…13,99
|
-35
|
18
|
14,00…24,99
|
-18
|
34
|
25,00…41,00
|
-
|
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]
Класс вязкости
|
Температура, при которой
динамическая вязкость не превышает 150 МПа×с, °С, не выше
|
Кинематическая вязкость,
мм2/с, при температуре 99°С
|
|
|
минимальная
|
максимальная
|
70 W
|
-
|
4,2
|
-
|
75 W
|
- 40
|
4,2
|
-
|
80 W
|
- 26
|
7,0
|
-
|
85 W
|
-12
|
11,0
|
-
|
90
|
-
|
13,5
|
24,0
|
140
|
-
|
24,0
|
41,0
|
250
|
-
|
41,0
|
|
Таблица 2.4 - Соответствие классов вязкости масел различных классификаций
[5]
Классификация
|
Класс вязкости
|
Россия
|
9
|
12
|
18
|
34
|
SAE
|
75 W
|
80 W/85 W
|
90
|
140
|
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]
Обозначение API
|
Условия работы
|
Рекомендуемая область
применения
|
Тип масла (спецификация)
|
1
|
2
|
3
|
4
|
GL-1
|
Легкие
|
Механические коробки
передач с ручным переключением, главные передачи ведущих мостов со
спирально-коническими и червячными шестернями
|
Обычные минеральные масла
без присадок или с антиокислительными, антикоррозионными и антипенными
присадками, но без противоизносных присадок
|
GL-2
|
Средние
|
Главные передачи ведущих
мостов грузовых автомобилей с червячными зацеплениями (нагрузки, скорости и
температуры те же, что и для GL-1, но более высокие требования по антифрикционным
свойствам)
|
Могут содержать
антифрикционные присадки
|
GL-3
|
Средние
|
Главные передачи ведущих
мостов автомобилей со спирально-коническими зубчатыми колесами, некоторые
механические коробки передач с ручным переключением
|
Могут содержать
противоизносные и противозадирные присадки
|
GL-4
|
От легких до жестких
|
Главные передачи ведущих
мостов легковых автомобилей с гипоидными зубчатыми колесами, некоторые
механические коробки передач, устанавливаемые на грузовых автомобилях
(условия большой скорости при малых крутящих моментах и малой скорости при
высоких крутящих моментах)
|
Обязательно наличие
высокоэффективных противозадирных присадок
|
GL-5
|
Жесткие
|
Главные передачи ведущих
мостов легковых и грузовых автомобилей с гипоидными зубчатыми колесами,
некоторые механические коробки передач (наличие ударных нагрузок на зубьях
колес при высоких скоростях скольжения)
|
Большое количество
серофосфорсодержащих присадок
|
GL-6
|
Очень жесткие
|
Главные передачи ведущих
мостов автомобилей с гипоидными зубчатыми колесами, характеризующимися
большим сдвигом осей (более 50 мм или до 25% диаметра ведомой шестерни)
(Высокие крутящие моменты при повышенных скоростях и ударных нагрузках)
|
Очень высокая концентрация S-
и P-содержащих противозадирных присадок
|
Соответствие между классификациями трансмиссионных масел по
эксплуатационным свойствам представлено в таблице 2.6.
Таблица 2.6 - Соответствие эксплуатационных групп масел различных
классификаций [5]
Классификация
|
Группа масел
|
Россия
|
ТМ-1
|
ТМ-2
|
ТМ-3
|
ТМ-4
|
ТМ-5
|
API
|
GL-1
|
GL-2
|
GL-3
|
GL-4
|
GL-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]
4. 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;
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]
5. 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,
(5.1)
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), (5.2)
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 5.1).
KS/v, Н×мин/м
10-2 10-1 100 101
а)
KS/v, МПа×с/м
б)
Рисунок 5.1 - Номограмма для подбора масла по вязкости:
а - для червячных редукторов; б - для редукторов с цилиндрическими
зубчатыми колесами [5]
6. 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 6.1).
10-2 10-1
100 101
Рисунок 6.1 - Определение требуемой вязкости трансмиссионного масла
Согласно построениям получаем n40 » 95 мм2/с. Наиболее
близкую к требуемой вязкость имеет масло SAE 80 W (n40 =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]
, (6.1)
где F=10,2 Н; zm=275; zn=3,2; ze=1,1; b=0,004 м; d=0,2 м; u=3,2;
wt - удельная
окружная сила, определяется по формуле wt=
(F× кb× кv )/b,
кb=1,8; кv=2,25. Тогда wt=(10,2×1,8×2,25)/0,004=10327,5 Н/м.
Итак, окончательно по формуле 6.1 получаем
»252004 Па.
Итак, sН»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.
7.
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 (n40), в то время как в классификациях трансмиссионных масел по вязкости в
основном указывается кинематическая вязкость трансмиссионных масел при 100ОС
(n100).
Список использованной литературы
трансмиссионное масло маркировка присадка
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.
. 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.
. Справочник по триботехнике /Под ред. М. Хебда, А.В.
Чичинадзе. - М.: Машиностроение, в 3-х томах. - 1990.