Трансмиссионные и гидравлические масла

    Трансмиссионные масла предназначены для применения в узлах трения агрегатов трансмиссий легковых и грузовых автомобилей, автобусов, тракторов, тепловозов, дорожно-строительных и других машин, а также в различных зубчатых редукторах и червячных передачах промышленного оборудования.

    Трансмиссионные масла представляют собой базовые масла, легированные различными функциональными присадками.

    В качестве базовых компонентов используют минеральные, частично или полностью синтетические масла.

Общие требования

    В агрегатах трансмиссий смазочное масло является неотъемлемым элементом конструкции. Способность масла выполнять и длительно сохранять функции конструкционного материала определяется его эксплуатационными свойствами. Общие требования к трансмиссионным маслам определяются конструкционными особенностями, назначением и условиями эксплуатации агрегата трансмиссии.

    Трансмиссионные масла работают в режимах высоких скоростей скольжения, давлений и широком диапазоне температур. Их пусковые свойства и длительная работоспособность должны обеспечиваться в интервале температур от -60 до +150 °С. Поэтому к трансмиссионным маслам предъявляют довольно жесткие требования.

    Основные функции трансмиссионных масел:

    - предохранение поверхностей трения от износа, заедания, питгинга и других повреждений;

    - снижение до минимума потерь энергии на трение;

    - отвод тепла от поверхностей трения;

    - снижение шума и вибрации зубчатых колес, уменьшение ударных нагрузок.

    Масла не должны быть токсичными.

    Для обеспечения надежной и длительной работы агрегатов трансмиссий смазочные масла должны обладать определенными характеристиками:

    - иметь достаточные противозадирные, противоизносные и противопиттинговые свойства;

    - обладать высокой антиокислительной стабильностью;

    - иметь хорошие вязкостно-температурные свойства;

    - не оказывать коррозионного воздействия на детали трансмиссии;

    - иметь хорошие защитные свойства при контакте с водой;

    - обладать достаточной совместимостью с резиновыми уплотнениями;

    - иметь хорошие антипенные свойства;

    - иметь высокую физическую стабильность в условиях длительного хранения.

    Все эти свойства трансмиссионного масла могут быть обеспечены путем введения в состав базового масла соответствующих функциональных присадок: депрессорной, противозадирной, противоизносной, антиокислительной, антикоррозионной, противоржавейной, антипенной и др.

Важнейшие свойства трансмиссионных масел

• Смазывающая способность.
• Вязкость и потери энергии на трение.
• Термоокислительная стабильность.
• Антикоррозионные свойства.
• Защитные свойства.
• Стойкость к пенообразованию.

    Смазывающая способность. Главной функцией трансмиссионного масла является снижение износа и предотвращение задира. Это свойство называют смазывающей способностью масла. Смазывающая способность масла возрастает по мере увеличения вязкости (рис. 4.1).

    В режиме гидродинамического трения смазывающая способность обеспечивается вязкостью базового масла (т.е. толщиной масляной пленки). Однако гидродинамический режим трения может возникнуть только на периферии контакта зубчатых передач. Непосредственно в зоне контакта наблюдаются режимы смешанного и граничного трения.

    В режиме граничного трения, возникающего в трансмиссии под воздействием высоких температур и нагрузок, защита от износа и задира обеспечивается при помощи противозадирных и противоизносных присадок, в качестве которых обычно используют серу-фосфор-борсодержашие вещества.

    В режиме граничного трения пленка смазочного материала становится очень тонкой, при этом в точках микроконтактов зубчатых колес возникают очень высокие температуры, которые в десятитысячные доли секунды достигают и превосходят температуру плавления металла. При этом активные элементы противозадирных и противоизносных присадок вступают в химическое взаимодействие с металлом, образуя модифицированные слои (так называемые "эвтектические смеси") с более низким напряжением сдвига, чем у металлов. Эти модифицированные слои представляют собой сульфиды, оксиды, фосфаты или фосфиды железа (в зависимости от присадки, входящей в состав масла). Модифицированная пленка образуется мгновенно и предотвращает задир зубчатых колес. Далее, под воздействием сил, возникающих в агрегате трансмиссии, эта пленка может быть подвергнута частичному сдвигу7. При этом в точке контакта зубьев колес снова происходит быстрое повышение температуры, которое вызывает повторение реакции и повторное образование пленки. И так далее.

    Так, вкратце, выглядит механизм действия противозадирных и противоизносных присадок, входящих в состав трансмиссионного масла.

Зависимость смазывающих свойств масла от кинематической вязкости v при 100 °С:
1 - критическая нагрузка Рк; 2 - нагрузка спаривания Рс, 3 - диаметр пятна износа Dи

    Вязкость масла в этих условиях не имеет такого принципиального значения, как при режиме контактно-гидродинамического смазывания. Однако в очень тонком слое масла малой вязкости может содержаться недостаточное количество противозадирной присадки, вследствие чего возникает опасность непосредственного контакта металлических поверхностей. Поэтому при создании маловязких трансмиссионных масел их противозадирный потенциал повышают увеличением концентрации серу-фосфорсодержащих присадок в 1,5 раза.

    Вязкость и потери энергии на трение. Вязкостно-температурные свойства трансмиссионного масла имеют большое значение для его эксплуатационной характеристики. От вязкости зависят потери мощности на трение, а также способность масла удерживаться в смазываемом узле.

    Между вязкостью и потерями мощности в агрегатах трансмиссии автомобиля существует прямая связь. Чем меньше вязкость масла, тем меньше потери энергии на внутреннее трение, тем больше КПД трансмиссии.

    Общие потери энергии в трансмиссии значительны. Если 25 % полезной мощности автомобиля поступает от двигателя к трансмиссии, то в общей системе агрегатов трансмиссии вследствие собственных потерь эта мощность, передаваемая колесам, снижается уже до 12 %.

    Поэтому для обеспечения снижения расхода топлива понятно стремление разработчиков к созданию масла минимальной вязкости. Однако с уменьшением вязкости масла существует опасность увеличения задира, истирания и питтинга. Кроме этого, уменьшение вязкости масла ниже определенного уровня может привести к повышению его расхода из-за несовершенства уплотнений или недостаточной герметичности трансмиссии. В связи с этим к маслу при его разработке предъявляют противоречивые требования. Для обеспечения холодного пуска трансмиссии при возможно низких температурах и минимуме потерь на преодоление трения в передачах вязкость масла должна быть минимальной, а для обеспечения высокой несущей способности масляной пленки и для снижения утечек через уплотнения - максимальной. Однако по мере совершенствования конструкций агрегатов трансмиссий, повышения интенсивности их работы доминирующими режимами работы узлов становятся граничное и смешанное трение, при которых вязкость масла теряет свое прежнее значение, а первостепенное значение приобретает введение в масло эффективных функциональных присадок, благодаря которым осуществляется защита поверхностей трения от задира и износа. Улучшение материалов уплотнений также позволяет использовать маловязкие масла в агрегатах трансмиссий.

    Таким образом, при сочетании хороших низкотемпературных свойств и минимально допустимой вязкости при рабочей температуре трансмиссионного масла достигается заметная экономия топлива особенно в период пуска и разогрева автомобиля.

    Возможности снижения расхода топлива при применении энергосберегающих сортов трансмиссионных масел значительно ниже, чем при применении маловязких моторных масел. Однако в масштабах транспортного парка экономия топлива может быть достаточно велика. Годовая экономия топлива в результате применения трансмиссионных масел пониженной вязкости может составить 2-3 %. В отдельных случаях (при работе транспорта в городских условиях, на коротких дистанциях и при холодном запуске) этот показатель может возрасти до 5-6 %.

    Термоокислительная стабильность. Трансмиссионные масла в процессе работы в зубчатых передачах вследствие трения интенсивно разогреваются. Повышенная температура в сочетании с активным действием кислорода воздуха и каталитическим действием металлических поверхностей приводит к усиленному окислению масла, образованию в нем нерастворимых веществ, выпадающих в осадок.

    В результате окисления масла изменяются его физико-химические и эксплуатационные свойства: увеличивается вязкость, возрастает коррозионная агрессивность, ухудшаются противозадирные свойства. Скорость и глубина окисления масла зависят от длительности окисления, температуры масла, каталитического действия металла, концентрации кислорода. Наибольший ускоряющий эффект на окисление масла оказывает его температура. Состав базового масла также оказывает влияние на окисляемость трансмиссионного масла. Так, при уменьшении в основе содержания остаточного компонента наблюдается пропорциональное увеличение термоокислительной стабильности масла.

    При работе смазочного масла в трансмиссии окисляются все его компоненты, в том числе и содержащиеся в нем присадки. При этом эксплуатационные свойства масла ухудшаются. Особенно опасно уменьшение содержания в масле противозадирной присадки, что может привести к выходу механизма из строя. Для замедления процесса окисления в трансмиссионные масла вводят антиокислительные присадки.

    Антиокислители уменьшают степень окисления масла, вступая в реакцию со свободными радикалами и гидроперекисями, образуя неактивные вещества, растворимые в масле, или разлагая эти материалы, образуя менее реакционноспособные продукты.

    Антикоррозионные свойства. В агрегатах трансмиссии автомобилей используют детали, изготовленные из алюминия, меди и их сплавов свинца, стали, различных сплавов, содержащих олово. Детали из цветных металлов относительно легко подвергаются коррозии в результате их химического взаимодействия с кислыми продуктами, которые образуются в процессе окисления масла. Чем сильнее окисляется масло, тем интенсивнее оно коррелирует металл. Следовательно, коррозионная агрессивность масла зависит от тех же факторов, что и его окисление. Коррозия поверхности металла увеличивается также в присутствии воды.

    Для защиты деталей из цветных металлов от воздействия кислых продуктов в трансмиссионное масло вводят ингибиторы коррозии. Эти присадки или тормозят процесс окисления, снижая в масле концентрацию агрессивных элементов, или нейтрализуют образовавшиеся в масле кислые продукты, или образуют на поверхности металла плотную защитную пленку, которая предотвращает прямой контакт с ним агрессивных продуктов. Такая пленка одновременно пассивирует металл, предупреждая его каталитическое воздействие на окисление масла. Поэтому большинство ингибиторов коррозии являются также дезактиваторами металла.

    Защитные свойства. Во время эксплуатации автомобиля смазочное масло может обводняться. Это происходит вследствие поступления воды через зазоры в уплотнениях и вследствие конденсации паров воды из воздуха. Часто в воде содержатся неорганические соли и коррозионно-агрессивные компоненты. Все это создает условия для появления электрохимической коррозии, поскольку вода играет роль проводящего ток электролита.

    Электрохимическую коррозию частично устраняют введением в состав масла защитных присадок, называемых противоржавейными. Механизм действия защитных присадок сводится к вытеснению влаги и других электролитов с поверхности металла и образованию на нем прочной адсорбционной пленки, предотвращающей контакт металла с агрессивной средой. Таким образом, эта пленка, в отличие от пленки, образованной антикоррозионными присадками, устойчива к действию не только органических кислот, но и воды.

    Стойкость к пенообразованию. В процессе работы зубчатых передач смазочное масло подвергается интенсивному перемешиванию, вследствие чего в него попадает воздух и образуется пена. Стойкость масел к вспениванию в значительной степени зависит от углеводородного состава масла, способа и глубины его очистки, природы функциональных присадок, давления и температуры.

    В нафтеновых маслах растворимость воздуха больше, чем в парафиновых. Растворимость воздуха в масле снижается с уменьшением температуры и давления. При повышении температуры процесс образования пены интенсифицируется, причем тем эффективнее, чем меньше вязкость масла.

    Загрязняющие примеси и в некоторых случаях функциональные присадки увеличивают поверхностное натяжение пленки, повышая степень устойчивости пены, в результате чего зубчатые колеса смазываются только масловоздушной смесью, что приводит к отказам зубатых передач через короткий период времени.

    Основное назначение антипенных присадок - предупреждение образования стабильной пены в работающем агрегате. Антипенные присадки вызывают уменьшение поверхностного натяжения пленок, разделяющих мелкие пузырьки воздуха. Вследствие этого пузырьки объединяются в более крупные, легко разрываются, и пена гасится.