齿轮油基础知识

齿轮油基础知识（中级经验可阅读）

车辆齿轮油(中级版)

1. 概述

车辆齿轮油是润滑油重要产品，主要用于各种汽车手动变速器和驱动桥中。自1925年Gleason Works 开发了第一个双曲线齿轮驱动桥以来，在短短几年间，几乎全部的美国制造商都推广使用。接着，在欧洲也逐步得到应用。为了满足双曲线齿轮驱动桥的润滑要求。开发了极压车辆齿轮油，这种早期的齿轮油为S-Pb型或S-P-Cl型。二次世界大战以后，为了制得具有高速冲击性能和高扭矩性能的多效齿轮油，引入了S-P-Cl型复合剂。以后由于卡车载重和功率的提高，加上轴偏置增大，复合剂在原来的S-P-Cl基础上又引入了二烷基二硫代磷酸锌，大大提高了极压性能。进入60年代，由于汽车工业不断追求高速度，大马力，需要热氧化安定性更高的润滑油，研制出第一代S-P型双曲线齿轮油，并逐渐在全世界得到普及。

硫磷型车辆齿轮油经过40年的使用，经久不衰，其主要是围绕着含磷添加剂和添加剂复配技术的发展。第二代、第三代硫磷型齿轮油具有好的热稳定性和水解稳定性，解决了含磷剂消耗快的问题，并可作为车辆、工业齿轮通用油。

1.1国外车辆齿轮油情况

代表着发达国家的欧洲，每年需要车辆齿轮油30万吨，其中75%为GL-5车辆齿轮油，其余为GL-4齿轮油。见表1：

表1 欧洲用车辆齿轮油

长很小。出现了全寿命油，要求汽车齿轮油的基础油越来越多地使用合成润滑油，同时有轻质化趋势，好处是改进了燃料经济性，也容易换档。欧洲汽车生产商要求车辆齿轮油延长换油周期，甚至要求与车辆同寿命，目前汽车寿命约为75万公里，将来要延长到100万公里，因此齿轮油与橡胶密封材料配伍性受到特别重视，要求在长期运转中齿轮油对密封材料既不能使其硬化、收缩，又不能使其膨胀、降低强度。

目前欧洲轿车多为前桥驱动，前桥中装有同步器。欧洲同步器设计与美国不同，美国的同步器由一组摩片组成，而欧洲的同步器由一组黄铜环组成，为使其同步器能正常工作，在要求使用GL-4、GL-5齿轮油时，还要补充进行密封件试验和同步器试验。由此可见，欧洲车辆齿轮油规格高于相应的美国规格。

1.2 我国车辆齿轮油的发展概况

从20世纪50-70年代，我国车辆齿轮油尚未形成完整的体系，只分为齿轮油和双曲线齿轮油这两种残渣型的黑色齿轮油和一种馏分型的合成双曲线齿轮油。1960年公布我国第一个双曲线齿轮油的规格，基础油主要是残渣油，常用添加剂是硫化蓖麻油，也有用硫化松脂油。1962年公布第一个用于汽车、拖拉机变速箱及后桥的齿轮油规格，其油品由残渣油或加入部分馏分油构成，使用性能差，寿命短，耗能大，还需用低粘度润滑油或低凝点柴油稀释，才能冷启动。1967年开始生产渣油型S-P-Cl-Zn型双曲线齿轮油，主要添加剂是二烷基二硫代磷酸锌(T202)和氯化石蜡(T301)。油品的主要特性如极压抗磨性有较大提高，但热氧化安定性、防锈性、颜色等均较差。1971开始试制和生产精制型双曲线齿轮油，按添加剂类型又分硫磷氯锌型和硫磷型两种，其要性能相当于GL-4，用于“东风”汽车双曲线齿轮及大

马力内燃机车牵引齿轮润滑。80年代初，由中石化各炼厂及有关科研院组成的齿轮油攻关组，研制成功馏分型GL-3，这些油流变性、热氧化安定性、抗磨性、防锈性均优于渣油型，可以满足“解放”、“黄河”等非双曲面齿轮的汽车后桥润滑要求。改革开放以来，我国引进了国外先进的汽车生产线，其中包括一汽、上汽引进德国大众轿车生产线；二汽引法国雪铁龙、广州引进日本本田、北京引进美国通用、济南引进奥地利技术生产“斯太尔“卡车，这些车辆驱动桥都要求使用GL-5。为了实现车辆齿轮油的国产化，齿轮油攻关组，在“七五”期间完成了80W/90、85/90、85W/140 GL-5的研制并通过国家技术鉴定。目前我国兰州润滑油研发中心和北京石化院开发出齿轮油通用复合剂，达到了国际先进水平。目前我国GL-3、GL-4和GL-5各占齿轮油市场的1/3。

用于车辆齿轮装置的各类齿轮副形状不同，轮齿啮合方式不同，润滑油膜的形成有显著

的差异，正齿轮、伞齿轮、斜齿轮、人字形齿轮和螺旋齿轮容易在齿面上形成润滑油膜，一般使用GL-3油润滑；双曲线齿轮体积较小，传递的动力大，齿轮的曲率半径小，润滑中形成油楔的条件差，轮齿的每一次啮合均须重新建立油膜。另外，啮合表面不相吻合，有滚动也有滑动，恶化了油膜运转情况，需要使用GL-5油润滑。车辆齿轮油主要作用在于减少齿轮副之间的摩擦与磨损。摩擦润滑过程一般包含流体润滑、弹性润滑、混合润滑和边界润滑。当润滑的齿面在负载下接触时，就发生塑性变形，润滑油陷入金属表面之间。齿轮油的组成、性能和齿面的化学状态支配着摩擦润滑的全过程。

2.1齿轮油的性能

为了完成运动和动力的传递，车辆齿轮油在以下几方面给予最佳配合：防止和减少齿面间的摩擦和磨损，均匀分布载荷；带走摩擦时产生的热量；将齿面与水、空气隔绝，避免生锈、腐蚀及尘袭；冲洗齿面上的磨粒的杂质；减缓齿轮震动，使运动平缓。齿轮油在齿轮传动中的重要性决定了它必须具备以下性能：

a 合适的粘度和良好的粘温性能：齿轮油的粘度和承载力有密切关系，粘度增加，容易形成流体动力膜和弹性流体润滑膜，有利于保护齿面。但是粘度过高，齿轮工作时动力损耗大，使油温升高。目前由于添加剂水平的提高，为了节能，齿轮油有低粘度化的发展趋势，另外，齿轮油的低温粘度对齿轮工作有重要影响，汽车驱动桥齿轮是飞溅式润滑，低温时齿轮油必须有足够的流动性，这样齿轮转动时才能将足够量的油带到齿面及轴承上，防止出现损伤。车辆齿轮油在低温下的表观粘度和成沟点在一定程度上表明齿轮油的低温流动性。

B 足够的承载性：齿轮油应在高速、低速重载或冲击负荷下迅速形成边界吸附膜或化学反应膜以防止齿面磨损、擦伤和胶合。齿轮油的承载性是它最重要使用性能，需要CRCL-37和L-42全尺寸齿轮台架来评定油品的承载力和抗擦伤能力。

C 良好的热氧化安定性：齿轮油在工作中被剧烈搅动，在与空气、金属、杂质等接触中，特别是重型卡车驱动桥，齿轮装置工作温度相当高，齿轮油的氧化是一个突出的问题，直接影响到油品的使用寿命。氧化产生的腐蚀性物质加速的腐蚀和锈蚀；氧化产生的沉淀物会影响密封性，沉淀物复盖在零件表面会影响散热，加速油品的氧化进程。GL-5油需要做L-60热安定性齿轮台架试验。

D 良好的防锈防腐蚀性：齿轮油应具有适度的化学活性，对金属的腐蚀性要小。齿轮装置中的滑动轴承，变速箱的同步环都是由铜合金制成的，容易被腐蚀。在水和空气的参与作用下，齿面和油箱会产生锈蚀，腐蚀和锈蚀不仅破坏了齿轮的几何学特点，破坏了润滑状态，严重时会影响正常的传动，而且腐蚀和锈蚀产物会进一步引起齿轮油变质。

E 良好的抗泡沫性：齿轮转动时将空气带入油中，形成泡沫，泡沫如存在于齿面上会破坏油膜的完整性，造成润滑失效。泡沫的导热性差，容易引起齿面的过热，使油膜破坏，泡沫严重时，油常从齿轮箱的通气孔中溢出。

车辆齿轮油是由基础油和添加剂组成，基础油主要是矿物润滑油，也有少部分合成油。低粘度车辆齿轮油的基础油是由低度矿物润滑油或合成润滑油，有时还加入剪切安定性好的低分子量聚合物构成，对低温粘度也有苛刻的要求。配制高粘度车辆齿轮油时，需用较多的光亮油例如150BS做基础油，光亮油在原油中的含量小于5%，加工过程复杂，因此，车辆齿轮油的基础油不易生产。添加剂的作用是增强基础油原有的某些性能或赋予基础油原来不具备的新的性能。车辆齿轮油的添加剂主要是硫磷元素的化合物，含硫极压剂与金属反应生成硫化铁极压膜，摩擦系数小，耐热性高，在高速冲击负荷下，能有效防止齿面擦伤。含磷化合物在金属表面上吸附，与金属反应生成磷酸铁，起防止磨损的作用，除此以外还要添加适量的防锈剂、抗氧剂和抗泡剂。近代的车辆齿轮油使用最多的含硫极压剂是硫化烯烃。硫化烯烃在高冲击载荷条件下能有效地防止齿面损伤。含磷极压剂例如磷酸酯，在金属表面上吸附，由于加水分解反应变成酸性酯与金属反应生成磷酸盐，起防止磨损的作用。含磷化合物经常被称做抗磨剂。在高扭矩苛刻运转条件下能防止齿面磨损、点蚀和剥落。根据其结构大体可分为亚磷酸酯及其胺盐、磷酸酯及其胺盐、硫代磷酸酯及其胺盐、硫磷酸复酯胺盐等。为使限滑差速器正常工作，减少汽车转变时限滑差速器摩擦片的震动和噪音，车辆齿轮油中须加入摩擦改进剂。在边界润滑条件下，摩擦改进剂的极性基因由于物理吸附或化学吸附作用吸附在金属表面上，形成吸附膜，降低摩擦系数。极压剂、抗磨剂是化学活性高的化合物，效易引起金属的腐蚀和渗蚀，因此，车辆齿轮油中应加入腐蚀抑制剂。杂环化合物如噻二唑及苯三唑衍生物是铜腐蚀抑制剂。碱性和中性磺酸盐、烯基丁二酸、烯基十二酸半酯等齿轮油常用的防锈剂。对于确定车辆齿轮油配方，必须仔细地平衡极压性和防锈性，因为防锈剂会降低极压剂的效果。齿轮油的氧化与其它润滑油一样也是烃类退化分枝链代式反应，屏蔽酚型和芳香胺型抗氧剂在齿轮油中有一定的效果，硫磷型齿轮油中的极压剂，如硫烯、磷酸酯、亚磷酸酯、硫代磷酸酯及其衍生物，除极压性还具有抗氧化性，故硫磷型车辆齿轮油常常不另加抗氧剂。清净剂和分散剂不是车辆齿轮油添加剂酸方的必要组分。但加入清净剂或分散剂有助于提高齿轮油的清净性，防止油泥和沉淀的产生。近年来，随着对车辆齿轮油的热氧化安定性要求的提高，有些车辆齿轮油添加剂配方中加入分散剂或清净剂，如碱土金属盐型清净剂或无灰分散剂，以保持齿轮装置的清洁。配制低粘度多级车辆齿轮油，如75W/90车辆齿轮油须加粘度指改进剂。齿轮油在使用过程中受到强烈剪切，剪切速率可达108S-1。高分子粘度指数改进剂剪切安定性差，不能用于齿轮油，必须使用低分子量聚合物。75W/90车辆齿轮油常用低分子量聚甲基丙烯酸酯做增粘剂，其低温粘度较小。聚烯烃类粘度指数改进剂低温粘度大，不能用于75W/90车辆齿轮油，但可用于其它齿轮油。硅油是常用的抗泡剂，硅油用量小，10-100ppm就有效，但贮存稳定性不好，易从油中析出，近年来齿轮油用非硅抗泡剂，是丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯聚合物，贮存稳定性较好。润滑油的粘度是影响流体润滑、弹性润滑的主要参数。极压抗磨剂的性能是改善边界润滑的主导因素。此外，极压抗磨剂的活性基团有增加油膜强度的功能，齿轮油的有效润滑应从基础油和添加剂两方面综合平衡，努力使配方处于最佳状态，提高油品的各项性能。以开发75W/90GL-5为例，介绍润滑油开发的步骤，揭示了齿轮油的组成，说明齿轮油开发系统性和完整性。第一步，为了符合75W/90粘度级别的要求，需选用低温粘度小、粘温性能好的基础油，并加入粘度指数改进剂和降凝剂，以期符合多级油的高低温使用标准，并要考察其剪切安定性。第二步，配方的筛选，重点考察硫、磷剂之间的极压性和抗磨性的平衡。第三步，做油品理化分析，确保达到该等级油的技术指标。第四步，做CRC四个全尺寸齿轮台架评定：CRC L-33锈蚀试验；CRC L-37承载能力试验；CRC L-42高速冲击试验和CRC L-60热氧化安定性试验，四个齿轮台架是研制GL-5油的关键。最后还要做实际行车试验，验证齿轮油组成的合理性。新一代齿轮油复合剂一般由以下添加剂组成：硫化异丁烯60-70%，含磷抗磨剂20-25%，防

锈剂及抗氧剂5-10%。只有按此范围搭配各类功能添加剂，才不至于出现齿轮油的某种性能的单项冠军，才有可能得到同时通过四个齿轮台架的“四项全能”GL-5齿轮油。

2.3车辆齿轮油的规格

国际上车辆齿轮油至今尚无统一的规格标准。这主要是由于欧洲与北美的汽车在设计上有所不同，汽车制造商对车辆用油的要求各有侧重，反映在油品规格上存在一些差异，难以统一。因此ISO也一直未发布车辆齿轮油的分类标准和产品规格，但世界各国广泛采用美国石油学会API的使用分类和美国军用齿轮油规格。API使用分类见表2，其中GL-1、GL-2、GL-3、GL-6已经过时不再使用，只有GL-4、GL-5和MT-1为有效分类。满足API GL-4使用要求的美军齿轮油规格MIL-L-2105制定于1950年，评定项目主要包括CRC L-13、L-19、L-20、L-21四个齿轮台架。1962年经修订后代号为MIL-L-2105B，其产品性能评定使用了新的齿轮台架CRC L-33、L-37、L-42和L-60取代了原先四个台架，提高了质量水平，达到了API GL-5，以后又经多次修订，目前成为MIL-L-2105E，相当于GL-5加上MT-1，为多用途车辆齿轮油规格，参见表3。从美军规格中看出为适应汽车工业升级换代，车辆齿轮油规格在不断更新，2015C取消了2015B的单级油，换成相应的多级油，并对低温性能、抗泡性和防锈性的要求越来越苛刻。2015D则允许使用再生油为基础油，并对环保给予特别关注。车辆齿轮油的粘度分类见表4。

齿轮油在石油产品的润滑剂和有关产品(L类)中列为C组，我国参照API车辆齿轮油的使用分类于1989年发布了C组产品的分类GB/T7631.7-89，该分类只包括车辆齿轮油内容，采用了L-CLC、L-CLD、L-CLE代替了GL-3、GL-4、GL-5。由于所涉及的品种代号是我国独创的在实践中无法使用，所以后来很快又修定了该标准，仍延用API分类。

表3 美国军用车辆齿轮油规格

在二十世纪六十年代，我国车辆均沿用苏联五十年代的设计与制造，因而润滑油方面也是沿用苏联品牌并制定相应的标准SY1103-59齿轮油和SY1102-60双曲线齿轮油。八十年代各润滑油生产大厂企业标准有“18#双曲线齿轮油”，其性能相当于GL-4水平；石化总公司制定SH0350-92普通车辆齿轮油，相当于GL-3水平；等效采用美国军用规格MIL-L-2105D制定GB13895-92 GL-5产品标准。鉴于GL-4油的台架评定设备国内没有，国外也不再生产，因此至今没有此档油的产品标准。GL-4与GL-5有一些内在联系，它们的台架评定比较如下：

前者高两倍；GL-5油还增加了热氧化安定性试验L-60。API使用分类说明中允许用通过GL-5四个齿轮台架评定的油其配方减半来生产GL-4油，几十年来国外石油公司普遍采用这一要求来生产GL-4，如EXXON、Lubrizol等大型石油公司均有GL-5复合添加剂减半生产GL-4的技术规定。中国石化总公司曾制定出“硫磷型中负荷车辆齿轮油GL-4”暂定技术条件，由于落实不了GL-4齿轮台架，只好在台架评定项目中注明“待定”。国内交通部也发布了中负荷车辆齿轮油GL-4的行业标准，使用了东风汽车集团的仿L-20齿轮台架，虽然对油品的承载有些区分性，但难以形成标准评定方法。大连石化公司的企业标准中负荷车辆油(GL-4) QJ/DSH 661-96，就是依托于GL-5制定产品标准，采用国际上通用的GL-5配方延伸技术生GL-4，保证了GL-4产品质量。

98．7版SAEJ306齿轮油粘度分类采用CEC L-45-T-99试验方法，要求多级齿轮油在KRL 齿轮机20小时剪切试验后，粘度必须留在级别内。这就要求调制车辆齿轮油时，必须提高油品100℃初始粘度，选用剪切安定性更好的稠化剂，更多的使用Ⅱ类、Ⅲ类基础油及聚α烯烃。我国车辆齿轮油按质量等级分为普通车辆齿轮油、中负荷车辆齿轮油和重负荷车辆齿轮油三类，其性能指标列于表5、表6、表7。其中制订重负荷车辆齿轮油标准：GB13895-92是参照美军MIL-L-2105D规格。

表5 普通车辆齿轮油（GL-3）规格（SH0350-92）

表6 中负荷车辆齿轮油（GL-4）暂定技术条件

①生产单位可根据添加剂配方不同选择适当的测定方法。

②如果有其它金属，应该测定并报告实测结果，允许用原子吸收光谱测定。

③保证项目，每五年评定一次。

④75W油在进行抗擦伤试验时，程序Ⅱ（高速）在79℃开始进行，程序Ⅳ（冲击）在93℃下开始进行；喷水冷却，最大温升不大于5.5-8.3℃。

⑤75W油在进行承载能力试验时，高速低扭矩在104℃下进行，低速高扭矩在93℃下进行。

2.4 评定车辆齿轮油的关键项目---齿轮台架

美国科学研究协作委员会(CRC)建立的四个全尺寸齿轮台架是评定车辆齿轮油的关键，它们分别代表了汽车在行驶时不同工况对齿轮油性能的不同要求，四个全尺寸齿轮台架见表8：表8 齿轮台架试验条件

后而确定，因此与实际行车有很好的相关性。研究表明，凡是通过四个齿轮台架评定的油，都能满足现代汽车润滑要求。美军于1952至1960年间开展“齿轮润滑剂质量试验方法开发”的研究课题，着手开始建立L-37/L-42齿轮台架，采用M-37军车，分别在美国亚利桑那州沙漠地区高速公路上及加利弗尼亚州山区进行高速行驶试验。在这两种情况下尽管载重量相同，但驱动桥齿轮承受负荷扭矩各不相同。根据这两种苛刻条件下实测的齿面承受负荷，滑动速度，油温等建立起L-37台架的两个试验程序，即高速低扭矩和低速高扭矩，特别是低速高扭矩程序要试验24小时，这比实际行车要苛刻得多，任何汽车不可能连续爬坡运行24小时。

车辆在不同地区不同道路上行驶时，承受着不同的齿面负荷和滑动速度，特别在山区道路行驶时，车辆爬山和下山时车辆换档减速以及刹车，在驱动桥齿轮的非传动齿面上承受巨大的冲击负荷，严重时引起齿面的擦伤破坏。为了在试验室模拟车辆这一行驶工况，考察油品的抗擦伤性能，建立了L-42台架试验条件。由于L-37/L-42台架所采用的是M-37整车体，相当于把一辆满载的M-37军车装在试验室内进行齿轮油的性能评定，所不同的是台架的扭矩由两台大功率的测功机来施加并替代车辆的负荷。

模拟汽车长期停放在海边潮湿环境中，因白天热呼吸，晚上气温降低时吸入的水分冷凝在齿轮表面，从而诱发了锈蚀而建立的L-33锈蚀试验台架。试验分运转期和贮存期，贮存期油温52℃--接近潮湿空气的露点，历经7d。

L-60热氧化安定性试验是用来评定车辆齿轮油在高温和通入空气情况下的抗氧化性能试验。在台架建立过程中，规定了油温在162℃下进行50h试验，此温度接近汽车在高速公路上车速相当于170km/h的油温。

上述四个台架试验相互影响，相互制约。要通过L-33锈蚀试验台架，就必须辅加防锈剂；而防锈剂会对极压抗磨剂的性能产生抑制，直接影响L-42、L-37台架的通过。此外，在L-42中最有效的含硫极压剂在L-37中几乎完全失效；而在L-37中效果最理想的含磷抗磨剂，则在L-42中效果最差。配方中某种添加剂过量加入，将会影响其它添加剂效能的发挥，致使配方无法同时通过四个台架。因此，车辆齿轮油配方研究工作异常复杂。

为了开发研制GL-5油，“七五”末期，北京石化院、兰州研发中心分别从美国西南研究院引进并建立了全套台架评定技术和装备，为我国齿轮油质量达到世界先进水平提供了保证。由于四个齿轮台架试验费用昂贵，从美国西南石油研究院引进的台架，做L-33台架试验需要一副DANA-30驱动后桥；做L-37台架需要一副DANA-60驱动后桥；做L-42台架需要一副DANA-44驱动后桥；做L-60台架则需要一套齿轮及轴承。这些标准配件除L-33外，都