01.08.2012
Трансмиссионные масла. Часть II

4. Трансмиссионные масла для автомобилей

Трансмиссионные масла для автомобилей отвечают специфическим требованиям приводов от зубчатых передач (сравни раздел 2, трансмиссионные масла, часть I). Эти зубчатые передачи передают крутящий момент от двигателя на проводные механизмы и состоят из коробки передач и ведущего моста, который использует дифференциалы для передачи силы на колеса. В Европе большинство коробок передач, которые служат для изменения передаточного отношения, представляют собой ручные трансмиссии с синхронизацией. В США и в Азиатско-Тихоокеанском регионе большинство коробок передач — автоматические и полуавтоматические трансмиссии или так называемые постоянно изменяемые трансмиссии.
     По отношению к этим автоматическим коробкам передач, или CVT, трансмиссионное масло не только ответственно за смазку зубчатой передачи, но и, кроме того, функционально (мокрые муфты сцепления, мокрые тормоза, а также гидротрансформаторы, демпфера и сдвоенные муфты сцепления).
     В настоящее время невозможно удовлетворить всем требованиям перечисленных типов трансмиссий с помощью только одной жидкости. Благодаря неуклонному технологическому прогрессу в сочетании с успешным проектированием новых компонентов зубчатых передач, например датчиков, тенденция развития становится все более ориентированной в сторону индивидуализации.
     В настоящее время разрабатывают новейшие индивидуальные масла специального назначения и семейства специальных трансмиссий. Аналогично разработкам новых моторных масел продолжаются интенсивные разработки автомобильных трансмиссионных масел, что обусловлено несколькими факторами:
      • владельцы автомобилей одобряют повышение надежности и удлинение сроков мены масла для сокращения эксплуатационных затрат;
      • требования к спецификациям, опубликованные производителями двигателей, трансмиссий и автомобилей, рассчитаны на значительное увеличение интервалов между заменами масла, сегодняшние требования заключаются в снабжении всех трансмиссий жидкостями на весь срок службы. В настоящее время большинство ручных коробок передач и трансмиссий ведущих мостов легковых автомобилей работают на жидкостях, заправляемых на весь срок службы (>300 000 км). Что касается автоматических трансмиссий в легковых автомобилях, то скоро и там будут достигнуты удлиненные интервалы смены жидкости. А в отношении коммерческих автомобилей наблюдается тенденция к увеличению интервалов между заменами масла до 50 000, 75 000 и вплоть до 1 000 000 км без слива масла;
     • законодательство в индустриально развитых странах влияет на композицию смазочного масла главным образом по экологическим соображениям — в целях создания экологически чистых жидкостей и их утилизации. Это означает снижение потребления минеральных масел. Сегодня для защиты окружающей среды часто применяют экологически безвредные синтетические базовые масла и масла на базе сложных эфиров. Благодаря более высокой стойкости к термическому окислению масла на основе сложных эфиров применяют в сочетании с ПАО и базовыми маслам гидрокрекинга.
     Кроме того, предпринимаются попытки к снижению токсичности смазочных масел, особенно в традиционных компонентах широко применяемых присадок. В этом отношении снижение содержания хлора имеет большое значение в связи с проблемой утилизации отработанных масел. Для снижения выброса твердых частиц, выбросов отработанных масел в окружающую среду и, следовательно, расхода масел будущие трансмиссионные масла для автомобилей должны тщательно испытываться на совместимость с эластомерами, применяемыми в качестве уплотнителей.
     Водитель автомобиля ожидает получить гарантии улучшенных эксплуатационных характеристик, снижения шума и расхода топлива от современного транспортного средства. Эта тенденция проявляется в усиленном применении маловязких масел в сочетании с их уменьшенным расходом. Кроме того, всесезонные масла в настоящее время применяются в широких масштабах в целях значительного снижения расхода топлива.

4.1. Смазочные масла для ведущей передачи коммерческих автомобилей

Коммерческие автомобили подразделяют на легкие грузовые автомобили с максимальной грузоподъемностью от 3 до 6 т и грузовые автомобили с максимальной грузоподъемностью более 6 т. В 2005 г. мировое годовое потребление трансмиссионных смазочных масел для коммерческих автомобилей составило приблизительно 800 000 т. В этом же году в Западной и Восточной Европе были произведены приблизительно 2 100 000 коммерческих автомобилей, что соответствует объему потребления 170 000 т трансмиссионных масел для коробок передач и главных передач грузовых автомобилей на европейском рынке. В 2005 г. было выпущено около 1 700 000 легких грузовых автомобилей. Важнейшими производителями этих автомобилей по их доле на рынке являются: PSA (22%), Ford (15%), VW(12%), Renault (12%), Daimler-Chrysler (8%), Fiat (8%), Daewoo (3%), Skoda (3%), Hyundai (2%), Mitsubishi (1 %), Iveco (1 %) и прочие (23%).
     Поскольку заправочный объем на каждую коробку передач грузового автомобиля от 2 до 6 раз больше, чем у легковых автомобилей, и составляет от 10 до 30 л, то грузовые автомобили представляют намного больший интерес для производителей трансмиссионных масел. Вместе с тем совершенствование трансмиссионных масел в целях удовлетворения требованиям, предъявляемым к жидкостям для трансмиссий коммерческих автомобилей, является серьезным вызовом для производителей этих масел. В 2005 г. во всех европейских странах были произведены приблизительно 450 000 грузовых автомобилей. По их доле на рынке важнейшими производителями являются Daimler—Chrysler (23%), Volvo (16%), Scania (13%), MAN (12%), Renault (10%), DAF(9%) и прочие (2%).
     Следует также упомянуть такие компании, как ZF и Getrag, поскольку они играют важную роль как производители трансмиссий для большого числа мировых автомобильных компаний, причем обе поставляют трансмиссии как для коммерческих, так и для легковых автомобилей. Особые требования к маслам для трансмиссий, поставляемых этими компаниями, оказывают большое влияние на текущие тенденции в разработке новых жидкостей для трансмиссий коммерческих автомобилей.
     В табл. 2 и 3 приведены важнейшие действующие (по состоянию на 2005 г.) спецификации на трансмиссионные масла, изданные производителями трансмиссий и автомобильными компаниями, раздельно для ручных коробок передач и шестеренных передач заднего моста. В отношении этих спецификаций следует учитывать модифицированные новые SAE классы. Главным образом речь идет о новой классификации SAE J2360, которая заменит старую спецификацию MIL-PRF-2105E. Кроме того, следует также учитывать новую «Классификацию вязко- сти автомобильных трансмиссионных масел» J306. В этой спецификации большое значение придается потерям жидкости на сдвиг после усилия сдвига (сохранению класса вязкости).

Таблица 2. Классификация вязкости и уровень эксплуатационных характеристик трансмиссионных масел  ISO   ISO 3448  SAE   SAE J300  SAE  SAE J306)  MIL  MIL-L-2105  AGMA    SAE  SAE J2360

Таблица 3. Применение трансмиссионных масел для ведущих мостов (коммерческих автомобилей, грузовых автомобилей, автобусов), работающих в тяжелых условиях  Chrysler  MS-9020  Daimler-Crysler   DC 235.8  API  GL-5  GM  8863370  Ford  SQM-2C9002-AA  Volvo  STD 1273.12  Scania  STO 1:0  Renault  RVI TDL  MAN  MAN 342  MAN  M 3343  VW  TL 727  ZF  ZFEcofluid X

Таблица 4. Применение трансмиссионных масел для ведущих мостов автомобилей, работающих в легких условиях (легковых автомобилей)  Chrysler   MS-9763  API   GL-4  Ford  M2C-119A  GM  9985476  Clak  MS-8 Rev. 1  Volvo  STD 1273.10  Volvo  STD 1273.13

Таблица 5. Применение трансмиссионных масел для синхронизированных трансмиссий (коммерческих автомобилей, грузовых автомобилей, автобусов), работающих в тяжелых условиях  Daimler-Crysler  DC 235.11  API  GL-1 API  GL-3  MACK  GO-J  MACK  GO-J PLUS  MAN  MAN 341  Volvo  STD 1273.07  ZF  ZF Ecofluid M

Таблица 6. Применение трансмиссионных масел для несинхронизированных ручных трансмиссий (коммерческих автомобилей, грузовых автомобилей), работающих в тяжелых условиях.  API  МТ-1  Eaton  PS- 164  Eaton Bulletin  2053

     Различные комбинации материалов, например металлокерамика-сталь, применяемые производителями в одном и том же семействе зубчатых передач, обнаруживают худшее (по сравнению с другими комбинациями) поведение в стендовых испытаниях. Индивидуальная операция по переключению в начале испытания, показанная на рис. 17 (переключение 10 000), все еще обнаруживает желаемый стабильный коэффициент трения во время всего процесса синхронизации (времени переключения передач). Однако через некоторое время такое поведение меняется, и к концу операций по переключению происходит резкое увеличение коэффициента трения.

Большая разница между статистическим коэффициентом трения и коэффициентом трения скольжения приводит к тряске во время переключения передач, что воспринимается как нежелательное явление. Этот эффект усиливается во время последующих операций по переключению передач и приводит к сталкиванию синхронизации, как показано на рис. 18 (переключение 48 500).

Таким образом, как видно из рисунка, в сравнении с синхронизацией молибден—сталь, требуемое число переключений (100 000) не было достигнуто. Испытания вынуждены были остановить после 48 500 переключений передач. Второе испытание в тех же рабочих условиях подтвердило первоначальные результаты. Технология разработки масла была отвергнута производителем коробок передач и признана им неудовлетворительной.

4.2. Трансмиссионные масла для легковых автомобилей

Разработка легковых автомобилей находится под влиянием ожесточенной мировой конкуренции среди многочисленных производителей. На фоне этой конкурентной борьбы многие автомобильные компании вынуждены образовывать альянсы с другими компаниями, производить слияния и поглощения с целью повысить конкурентоспособность. Это приводит к производству идентичных компонентов и трансмиссий в разных местах и для разных автомобилей. Для масляного производства это означает поставку допущенных к применению масел, доступных во всех регионах мира в одинаковом качестве, по меньшей мере для первичной заправки автомобилей в местах их сборки.
     Что касается потребителей, то основными критериями для них являются комфорт вождения легкового автомобиля, дизайн, экономичность и спортивность, которые определяют тенденцию к высоким показателям продаж. Указанные тенденции влияют на конструкции двигателя и трансмиссий и, следовательно, на масла, применяемые в этих трансмиссиях. Одновременно с этим благодаря требуемой экологичности масла должны оптимизировать общий КПД двигателя и всех трансмиссий без необходимости замены в течение всего срока службы, рассчитанного на более чем 300 000 км.
     Использование масел с самыми лучшими эксплуатационными характеристиками, однако, приводит к повышенному теплообразованию, что ускоряет старение трансмиссионных масел. Дизайн новых автомобилей ведет к разработке тщательно подобранных шасси, обычно с низким сопротивлением воздуха. Это часто бывает связано с ухудшением циркуляции воздуха и охлаждением трансмиссий. Для повышения комфортабельности вождения автомобили снабжают дополнительными шумопоглощающими капсулами. В то же время плохое рассеяние тепла приводит к аккумулированию его в капсульных пространствах. В частности, эти факторы по- вышают температуру трансмиссии автомобиля, ужесточая условия эксплуатации, и, следовательно, ускоряют старения жидкости.
     Новые легковые автомобили всегда снабжены коробками с большим числом передач, так что сегодня легковые автомобили с шестиступенчатыми коробками уже не диковинка. В этой области конструкторы обязаны использовать все технические возможности при определении размеров и материалов. Кроме того, необходимо учитывать влияние на соответствующие жидкости при применении в трансмиссиях более легких и более твердых материалов, характеристики трения и износа трущихся пар, некоторые из которых пока неизвестны.
     Все большее число автомобилей снабжено автоматическими коробками передач и полноприводными системами. Сегодня в трансмиссиях устанавливают элементы управления и системы датчиков, состоящих из электрических компонентов (измерительных устройств, датчиков и т. д.). В этом случае совместимость этих чуввысоких температурах масла в маслосборнике, имеет большое значение для удовлетворения требованиям, предъявляемым к жидкости и к ее разработке.
     В настоящее время доля легковых автомобилей с синхронизированными ручными коробками передач составляет приблизительно 90% на европейском рынке. Как было показано в разделе 4.1 для коммерческих автомобилей, все производители легковых автомобилей выдвигают очень высокие требования к синхронизации как элементу, обеспечивающему комфорт. Многообразие материалов трущихся пар, применяемых в синхронизации легковых автомобилей, неуклонно повышается, так что в отношении жидкостей для коробок передач требуется все больше и больше индивидуальных решений.
     Еще одно требование к трансмиссионным смазочным маслам для ручных трансмиссионных систем, а также для дифференциалов заднего моста заключается в очень высокой противозадирной несущей способности для защиты цилиндрических прямозубых передач. Такие масла должны обладать значительно более высоким коэффициентом скольжения по сравнению маслами, использующимися при зацеплениях в планетарных зубчатых передачах, обычно встречающихся в автоматических или вариаторных трансмиссиях.
     Все упомянутые тенденции развития вместе с требованиями к трансмиссионным маслам для легковых автомобилей отражены в спецификациях, опубликованных ведущими автомобильными компаниями. Последние, в свою очередь, выдвигают все новые и новые требования к отборочным и приемочным испытаниям. В настоящее время некоторые производители автомобилей и трансмиссий даже решили искусственно подвергать старению или окислять свежие масла, а затем испытывать их дополнительно в искусственно ускоренных условиях обычными методами испытаний.
     Некоторые важные спецификации на жидкости для ручных трансмиссий и главных передач легковых автомобилей приведены в табл. 7 и 8.

Таблица 7. Синхронизированные ручные трансмиссии и главные передачи (легковых автомобилей)   Volvo  STD 1273.08   DaimlerCrysler  DS 235.10   VW  TL 726

Во всем мире имеются спецификации на внедорожные строительные машины и коммерческие автомобили, имеющие значение для разработки трансмиссионных жидкостей (табл. 8).

Таблица 8. Синхронизированные ручные трансмиссии для легких условий эксплуатации (грузовых автомобилей малой грузоподъемности, легковых автомобилей)  API  РМ-1  Ford  SM-2C-1011A  Ford  M2С 200С  VW  TL 52512  VW  TL 52171  VW  TL 52178  BMW  602.00.0

4.3. Смазочные масла для автоматических трансмиссий и бесступенчатых коробок передач (CVT)

Важнейшими потребителями ATF и жидкостей для автоматических приводных систем являются внедорожные автомобили и машины, а также коммерческие автотранспортные средства — главным образом автобусы — городские и междугородные, кареты и мини- миди-автобусы. Кроме того, ATF также применяются для заправки систем рулевого управления с усилителем грузовых, коммерческих и легковых автомобилей.90% всех легковых автомобилей на североамериканских и азиатских автомобильных рынках снабжены автоматическими трансмиссионными системами. Общий оценочный объем мирового потребления ATF в 2006 г. составлял приблизительно I 200 000 т., из которых 61% приходятся на Северную Америку, 15,5% — на Азиатско-Тихоокеанский регион, 12,5% — на Европу, 8,8% — на Латинскую Америку и 2,2% — на Ближний Восток.
Большинство производителей автоматических трансмиссионных систем требуют для своих изделий жидкости, отвечающие требованиям спецификаций, приведенным в табл. 9.

Таблица 9. Автоматические трансмиссии для тяжелых условий работы (коммерческие автомобили, грузовые автомобили, автобусы)  Allison  С-4  Allison  TES-295  Chrysler  MS-9602  ZF  TE-ML 02  ZF  ZFN 13015

Эти спецификации относятся к азиатским, североамериканским и европейским рынкам, а также к бизнесу, связанному с заправкой на АЗС и заменой масла на автомобилях. В настоящее время ужесточаются спецификации на заводскую заправку трансмиссионными маслами (табл. 10).

 

     Испытание оригинальных систем «диск—пластины» возможно на стенде SAE-2 или на испытательной машине трения DKA. Эти машины работают с заданными центробежными массами, которые снижают скорость блоков «диск—пластина» при определенных условиях испытания. Определение синтетического и динамического коэффициента трения и фрикционных потерь возможно с помощью технологий с высокой разрешающей способностью.
     По определению, статическое трение измеряют во время испытания при малой разнице в скоростях (< 2 мин^-1) или ближе к концу операции переключения передач. В этом случае используют разновидность испытания на стенде по методу DKA-1В для определения эффективной суммарной нагрузки. Это позволяет определить зависимость статического и динамического трения и фрикционной стабильности от нагрузки в определенный период времени.
На рис. 20(А) показаны типичные коэффициенты трения при проведении испытания с четырехступенчатой нагрузкой.
     На рис. 20 (Б) показано сравнение фрикционных характеристик при первом и пятидесятом цикле двух ATF технологий.
 

     Для достижения плавного и мягкого переключения необходимо достичь сравнительно высокого динамического коэффициента трения в начале операции по переключению передач, который снизится во время торможения, а затем будет постепенно снижаться до несколько более низкого статического коэффициента трения. Во время испытания масло А сначала проявляет тенденцию к желаемой кривой трения в первом цикле. Однако масло не способно постоянно удерживать такой уровень, как показано на 50-м цикле. Долгосрочный коэффициент трения масла А также снижается к 50-му циклу. В этом случае пользователь отдаст предпочтение маслу Б, которое даже после 50-го цикла не обнаруживает такого сильного увеличения статического трения, и его долгосрочный коэффициент трения остается относительно постоянным на протяжении всего испытания.
     Для тестирования характеристик переключения передач и трения, особенно в случае перманентного скольжения трущейся пары, производитель зубчатых передач компания ZF разработала другой испытательный стенд. Так называемый GK-испытательный стенд, или CSTCC (непрерывно действующая предохранительная фрикционная муфта гидротрансформатора) позволяет моделировать почти любые условия эксплуатации. С помощью этого стенда можно имитировать даже фрикционные муфты с регулярным скольжением на гидродинамических муфтах и гидротрансформаторах.
     С точки зрения производителей смазочных масел, только применение очень дорогостоящих испытательных стендов, описанных выше, особенно DKA и GK, позволяет разработать оптимальные ATF для регулирования и совершенствования мокрых муфт, тормозов гидроконверторов с регулируемым скольжением применительно к конкретной паре «смазочное масло—материал». Решающее значение в этом вопросе имеют присадки и выбор соответствующих базовых масел. Применение этих технических тестеров значительно увеличивает затраты на разработку высококачественных жидкостей.

4.3.3. Требования к жидкостям для бесступенчатых коробок передач (CVT)

Бесступенчатые коробки передач в автомобиле позволяют двигателю внутреннего сгорания работать по предпочтительным характеристическим кривым на карте эксплуатации двигателя (карте воспламенения). В отличие от всех остальных автомобильных трансмиссий, CVT позволяет идеальное выравнивание между изгибающим крутящим моментом двигателя внутреннего сгорания и требующимся крутящим моментом автомобиля. Преимущества CVT в сравнении со всеми остальными трансмиссионными системами автомобиля заключаются в возможности эксплуатации двигателя на любой скорости по характеристической кривой максимального крутящего момента двигателя (спортивное вождение) и в достижении экономического эффекта благодаря эксплуатации двигателя по характеристической кривой с минимальным расходом топлива (экономичное вождение).
     На рис. 21 показана карта зажигания двигателя внутреннего сгорания легкового автомобиля мощностью 101 кВт. На нем изображены две характеристические кривые: кривая 1, описывающая максимальный крутящий момент, и кривая 2, описывающая минимальный расход топлива.

Только хорошо отрегулированная и оптимально управляемая CVTпозволяет эксплуатировать автомобиль в соответствии с характеристическими кривыми 1 или 2. Такие трансмиссии нуждаются в маслах высочайшего качества для обеспечения рабочего диапазона конечного элемента управления и эффективности. До настоящего времени только при концепции бесступенчатых коробок передач эти требования были успешно удовлетворены.

4.3.4. Ременные и зубчатые передачи для B-CVT

Для легковых автомобилей с двигателями малой или средней мощности до 150 кВт успешно применяется ременная передача, чаще всего ременная
передача «Ван-Дорна». На рис. 22 показан принцип действия этой ременной передачи. Ремень обертывает ступенчатые шкивы, которые гидростатически и аксиально приводят в движение ведущий и выходные валы. Таким образом, можно изменять курс и передаточное отношение радиусов ременной передачи.
 

Для нестационарных контактов скольжения качения между ременной передачей и поверхностью ступенчатого шкива жидкость является крайне важным компонентом. Контактные точки часто подвергаются очень высоким температурам в режиме смешанной смазки. В этом случае требуются достаточно хорошие противоизносные свойства масла с учетом экстремально закаленной поверхности шкивов. Кроме того, шлифованные поверхности шкивов нуждаются в очень высоких антипиттинговых характеристиках смазочной жидкости. С другой стороны, с помощью управляющих средств автоматики следует избегать проскальзывания ременной передачи, возникающего вследствие недостаточности сил контактного давления, хотя полностью исключить это невозможно. Следовательно, жидкость также должна обеспечивать достаточную противозадирную несущую способность в этих условиях эксплуатации.
    Почти все ременные передачи автомобилей снабжены ступенью зубчатой передачи, а также гидродинамической пусковой муфтой сцепления или гидротрансформатором. Для повышения комфорта при вождении автомобиля и снижения потерь применяют предохранительные фрикционные муфты, пробуксовывающие при превышении крутящего момента. Таким образом, этим требованиям должны отвечать жидкости как для бесступенчатых коробок передач (CVT), так и для автоматических коробок передач (ATF). В настоящее время CVT заправляют маслом для ATF в не- сколько модифицированном виде или индивидуально подогнанными под соответствующую CVT. Вязкость, присадки и базовые масла очень схожи по свойствам с жидкостями для ATF, однако модификаторы трения имеют большое значение.

4.3.5. T-CVT фрикционные передачи

Механизм ременных передаточных систем достиг предельных возможностей в силовых передачах некоторых автомобилей. Этот предел приблизительно достигнут при подводимой мощности несколько более, чем 150 кВт (420 Nm), т. е. на легковых автомобилях со средним режимом эксплуатации двигателя или лимузинах. В настоящее время концепции бесступенчатых коробок передач испытывают в этом отношении на основе так называемых фрикционных передач.
На рис. 23 схематически показан принцип действия фрикционной передачи.
Бесступенчатая регулировка фрикционных передач осуществляется опрокидыванием трансмиссии или холостых колец, которые, будучи максимально сжатыми, вместе катятся по половине полностью тороидальных дорожек в замкнутом силовом режиме.
В фрикционных передачах смазочный материал также рассматривается как важный конструкционный элемент, не менее важный, чем сам материал конструкции, обработка его поверхности и закалка роликов и тороидов. Среди всех типов трансмиссий полу- и полностью тороидные передачи выделяются благодаря самому высокому поверхностному давлению и окружным скоростям в точечных контактах.