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液力传动油的应用

2014/6/6 22:41:53      点击:
液力变矩器多应用于车辆的主传动当中。通过将泵轮与发动机飞轮相联接,涡轮与传动装置输入轴相联接,液力变矩器在各种类型的车辆上得到了广泛的应用。
将液力变矩器与变速器组合,就可得到动力换档变速器。这种变速器被较多地用于工程机械(用于推土机、装载机、叉车)和重型运输车辆。若在动力换档变速器的基础上再加上自动变速控制系统,便得到液力自动变速器(Automatic Transmission,简称AT)。
美国GM公司、Ford 公司,日本丰田公司、日产公司,德国的奔驰公司、ZF公司及意大利的菲亚特公司等均生产了配备液力自动变速器的汽车。
在工程机械方面,卡特彼勒公司的950B和966D 装载机,日本小松的推土机,国内德工的装载机、宣工的推土机、其他品牌的叉车等都装备了液力传动装置。
在城市客车方面,液力自动变速器在欧洲的使用率达到90%,在美国更达到100%,在中国香港,全部城市双层公共汽车都装有液力自动变速器,其产品大部分是德国ZF公司及Voith 公司生产的。在我国大陆,液力自动变速器在城市客车中的应用可谓是方兴未艾:北京、深圳等地的公交企业已大批量使用美国通用公司生产的Allison 自动变速器,上海、南京、扬州也有少批量车辆使用。
德国Voith公司及ZF公司生产的自动变速器的结构,该自动变速器有5 部分组成, 即液力变矩器、变速机构、换档执行器、液压系统和电控系统。其中:变速机构多为行星传动变速结构;自动变速器是通过控制湿式离合器或换档制动器等摩擦元件的结合与分离来实现升档或降档操作的;液压系统用于接收电控系统控制信号,并最终实现换档操作以及对系统进行润滑与冷却等。

液力传动油的性能要求
液力传动系统的油路供变矩器、变速器操作系统使用。为了简化结构和便于密封,整个系统通常是共用同一种油品。因此,液力传动油不但是液力传动的传力介质,而且也是换档执行器如湿式换档离合器、换档制动器及自动控制换档液压系统中各种控制阀的液压控制用油。此外,液力传动油还可以为变矩器及齿轮变速器中的轴承、齿轮提供润滑和冷却。由此可见,液力传动油是一种多功能、多用途、各项使用性能要求较高的油品。
较大的密度
变矩器所传递的功率和扭矩与液力传动油的密度成正比,所以要求液力传动油的密度要尽可能大。液力传动油的密度愈大,变矩器所能传递的功率愈大,尺寸愈小,结构愈紧凑,机重也愈轻。
合适的摩擦特性
对液力传动油来说,摩擦特性是全部性能之中最重要的性能。油品的动摩擦系数对扭矩传递和换档时间有明显的影响。动摩擦系数过小,会影响传递功率和使湿式换档离合器和换档制动器打滑,并使换档时间延长,换档可靠性下降,换档点失控。良好的液力传动油还要求静摩擦与动摩擦的匹配也要得当。如果静摩擦系数过大,会使换档后期扭矩急剧增大,发出尖叫声, 使换档恶化。
在美国,GM公司的Dexron系列规格、Ford公司的Merxon 系列规格及 Allison C系列规格用SAE No.2摩擦试验机来评定油品的摩擦特性;Caterpillar TO-4 规格要求用 Link 摩擦试验机来评定油品的摩擦特性。
液力传动油应具有稳定的摩擦耐久性。其摩擦特性在全部操作温度和运行时间内要求能保持不变,以保证换档性能稳定和换档制动器、换档离合器的使用寿命。GM公司要求进行THCT 摩擦周期台架试验。
适当的高温黏度、较高的黏温指数和优良的低温性能
液力传动油的使用温度范围一般为-25~170℃,因此要求其具有较好的高、低温黏度。一般规格规定,液力传动油的黏度指数应在170以上。
液力传动油作为变矩器和耦合器的动力传递介质,必须要求低黏度。这是因为液力传动油黏度越小,液力传动的效率就越高,泵轮搅油动力损失也越小。但是,液力传动油的黏度过小又会导致自动换档控制液压系统的漏油量增大,特别是铝制自动变速器的液压自动控制阀体(内有换档信号阀、换档阀和主、次调压阀等)在高温、高速时膨胀量加大,不仅会使泄漏增大,自动控制液压降低,还会使各自动换档点失控。而且油品黏度过小也不易形成油膜,润滑性由此而变差。为了满足ATF油的润滑作用和液压自动控制作用,要求液力传动油应保持一定的黏度。但是油品黏度也不可过大,否则变矩器、耦合器的液力传动效率会降低,泵轮搅油损失加大。同时,由于泵轮、油泵和曲轴是直接传动的,曲轴只要转动,泵轮和油泵就会转动, 因此,油品黏度过大也会造成其在低温时的黏度更大,导致低温启动困难。
为了兼顾以上几方面对液力传动油黏度的不同要求,对于工程机械,液力传动油的100 ℃运动黏度一般要求控制在8~12mm2/s;对于小轿车和轻型卡车,要求100℃运动黏度为 7.O~8.5 mm2/s。
低温黏度也是液力传动油的重要特性。近年来,汽车制造商倾向于减少换档时间,尤其在冬季寒冷地区,减少或者排除换档时的停滞现象,改进燃油经济性,减小启动负荷,以及采用电子控制系统等,都要求油品进一步改善低温性能。国外各OEM规格中对低温布氏黏度均有要求。以GM公司推出的Dexron 系列规格为例,随着该规格的不断升级,其对低温布氏黏度的要求也越来越苛刻。

良好的抗泡沫性

液力变矩器中液体流动的速度很高,容易产生气蚀现象,因此要求油品具有良好的抗泡性能。
油中的气泡可造成以下危害:
1.降低自动控制液压系统的油压,使调压阀失去调压作用,影响各种液压自动控制阀的工作可靠性,导致换档点失灵失控;
2.大大降低变矩器的传动效率;
3.破坏轴承,特别是泵轮、涡轮上的高速扁形特种轴承和齿轮的正常润滑,减少其使用寿命 ;
4.不仅使油品对湿式换档制动器和换档离合器无法进行有效散热和冷却,还会使浸泡在油中的换档制动器和离合器的制动摩擦片产生早期磨损。

良好的抗氧化性

由于液力传动油在变矩器中的流通速度高达20m/s,工作温度也高达140~175℃,并且其不断与空气、铝(各种阀体均为铝合金制造)、铜等有色金属接触,易发生氧化变质,因此油品要具有良好的抗氧化性。
油品被氧化可造成如下危害:
1.使摩擦特性发生改变,从而造成换挡离合器制动器打滑或换档执行器失控失灵;
2.油品氧化产生的酸类和过氧化物可严重腐蚀液压自动控制系统中的各种液压元件,如手控制阀、换档阀、贮能器等;
3.油品严重的高温氧化会增大油品的黏度,造成液力传动效率降低;
4.油品高温氧化所产生的油泥、漆膜等胶状物会堵塞液力传动系统中的液压油道,甚至堵塞滤清器,使各种控制阀、调速器阀粘住,造成换档制动器和换档离合器打滑和发卡,导致自动液压控制系统失控;
5.使油品的抗泡性能下降。

良好的抗磨性

在变矩器中,泵轮、涡轮轴承及导轮的单向啮合器均需要润滑,与变矩器、耦合器串联的机械变速器中的齿轮、轴承也需要有效的润滑,因此要求液力传动油有良好的抗磨性。由于换挡离合器和换档制动器都是湿式的,并且均浸泡在油中,抗磨性良好的油品可延长摩擦片的使用寿命。

液力传动油的规格标准

OEM规格

液力传动油主要用于液力耦合器和液力传动装置,其中液力耦合器对油品的性能要求相对简单,而液力传动装置则对油品的性能要求较高。目前,国际上对液力传动油尚无统一的标准,主要由各OEM制订自己公司的规格。对于轿车用的自动传动液,主要规格有GM公司的 Dexron 系列规格、Ford 公司的Merxon系列规格。对于工程机械或重负荷的液力传动系统,主要规格有Allison C系列规格、Caterpillar TO系列规格。这些规格在国际上被普遍采用。

液力传动油的组成

随着自动变速或无级变速车辆的出现,液力传动油得到了进一步的发展,形成了专门用于自动变速器的液力传动油,又称为自动传动液ATF。ATF性能要求非常严格,评定、研究和开发也十分复杂,其性能几乎涵盖了发动机油和齿轮油的所有性能,所含功能剂有十多种,国外一家公司研制的配方组成如下,供参考。具有分散性的甲基丙烯酸酯5%;L-57-0.5%,T151 1.0%,T103 0.5%,磷酸酯/亚磷酸酯1.0%,T203 0.5%,减摩剂/油性剂1.0%;防锈剂/金属钝化剂0.1%。

内燃机车液力传动油要求

铁道部在1999年发布并实施了TB/T2957-1999《内燃机车液力传动油》行业标准。该标准等效采用日本铁路专用液力传动油标准(JRS),并参照 ASTM与API的液力传动油标准制定,由铁道部科学研究院金属及化学研究所负责起草,适用于各型液力传动机车。TB/T 2957-1999 的技术要求见表1。
表1 TB/T2957-1999《内燃机车液力传动油》行业标准
项目 质量指标 试验方法
运动黏度(100℃)/mm2·s-1 5.5~7.0 GB/T265
黏度指数 ≥ 110 GB/T2541
闪点(开口)/℃ ≥ 180 GB/T3536
倾点/℃ ≤ -23 GB/T3535
水分/% ≤ 痕迹 GB/T260
机械杂质/% ≤ 0.01 GB/T511
泡沫性(ml/ml) GB/T12579
24℃ ≤ 10/0
93.5℃ ≤ 20/0
后24℃ ≤ 10/0
液相锈蚀试验(蒸馏水) ≤ 无锈 GB/T11143
旋转氧弹/min ≥ 240 SH/T0193
四球试验
PB/N ≥ 784 GB/T3142
D(60min,40kg)/mm ≤ 0.50 SH/T0189
超声波剪切黏度下降率(40℃)/% ≤ 18 SH/T0505



由表1可见,TB/T2957-1999标准对油品的抗泡性能、极压抗磨性要求较为苛刻。但整体性能要求较ATF低,其组成为:T202-1.0%、T306-0.5%;T501/L-57 0.8%,T551 0.05%,T746 0.05%,T901 20ppv。

液力传动油应用广泛,对密度、黏度、氧化安定性、抗泡性等性能均有较高的要求。随着汽车、工程机械行业的快速发展,对液力元件的性能要求不断提高,也必将对液力传动油提出新的挑战。我国润滑油工作者应致力于研制出能满足液力行业需要的油品,更好的为生产实践服务。