Масла для гидромеханических передач, кроме того, выполняют функцию рабочего тела в гидротурбине, передающей мощность.

В зависимости от конструктивных особенностей и назначения шестеренчатых передач к маслам могут предъявляться специфические требования. Так, масла для ведущих мостов с фрикционной блокировкой дифференциала должны обладать хорошими фрикционными свойствами, масла для трансмиссий автомобилей с периодической эксплуатацией— хорошими защитными свойствами и т. д.

Условия, в которых работает масло в шестеренчатой передаче, определяются следующими факторами: температурным режимом, частотой вращения шестерен (скоростью относительного скольжения трущихся поверхностей зубьев), удельным давлением в зоне контакта.

Рабочая температура масла в агрегатах трансмиссии меняется в широких пределах — от температуры окружающего воздуха в начале работы до 120—130 и даже 150 °С в процессе работы.

В температурном режиме работы в зубчатых передачах различают три наиболее характерные температуры: минимальную — в момент начала работы передачи, равную наиболее низкой температуре окружающего воздуха; максимальную — соответствующую экстремальным условиям работы; среднеэксплуатационную — наиболее вероятную во время эксплуатации.

Минимальная температура масла в агрегатах трансмиссии автомобилей в холодной климатической зоне может достигать —60 °С. Максимальная и среднеэксплуатационная температуры масла зависят от температуры воздуха, условий эксплуатации, вязкости масла и от других факторов. Среднеэксплуатационная температура в агрегатах трансмиссии автомобилей обычно составляет 60—90 °С. Фактическая температура масла в зоне контакта зубьев шестерен на 150—200 °С выше температуры масла в объеме. Заметное влияние на температуру оказывает скорость скольжения на поверхности зубьев в зоне их контакта. Скорости скольжения в цилиндрических и конических передачах составляют на входе в зацепление 1,5—3 м/с; в некоторых агрегатах они достигают 9—12 м/с; для гипоидных передач скорости скольжения составляют 15 м/с и более.

В цилиндрических и конических передачах удельные нагрузки в полюсе зацепления составляют обычно 0,5—1,5 ГПа, достигая в некоторых случаях 2 ГПа.

В гипоидных передачах они в два раза выше. Под действием таких нагрузок условия для гидродинамической смазки ухудшаются.

Трансмиссионные масла должны характеризоваться:
— высокими противоизносными, противозадирными и противопиттинговыми свойствами;
— хорошей термической и термоокислительной стабильностью; способностью защищать смазываемые поверхности от коррозионного воздействия агрессивных веществ;
— пологой вязкостно-температурной кривой и сравнительно малой вязкостью в области отрицательных температур; стойкостью к пенообразова-нию;
— высокой физической стабильностью в условиях применения и длительного хранения;
— способностью не оказывать вредного воздействия на резиновые уплот-нительные материалы.

Компоненты трансмиссионных масел

Трансмиссионные масла представляют собой сложную коллоидную систему, включающую две группы компонентов: первая — основа масла, вторая — функциональные присадки для улучшения эксплуатационных свойств масел.

Основой трансмиссионных масел обычно служат высококачественные дистиллятные или остаточные минеральные масла, подвергнутые специальной очистке и депарафинизации, фракции нефтей асфальтового основания, высокополимерные соединения и синтетические масла.

Однако дистиллятные масла (легкие сорта индустриальных масел, трансформаторные) имеют слишком малую вязкость при высоких температурах, а остаточные масла (МС-20, МК-22, АК-15) — высокую вязкость при низких температурах.

Поэтому для получения трансмиссионных масел с необходимыми вязкостно-температурными свойствами используются следующие методы:
— смешение высоковязких масел с маловязкими;
— загущение маловязких масел высокополимерными загущающими присадками;
— глубокая очистка масел для удаления из них компонентов с неудовлетворительными вязкостно-температурными свойствами.

Наиболее перспективным способом получения трансмиссионных масел с хорошими вязкостно-температурными свойствами является загущение маловязких масел типа АСВ-5, МС-8, И-12А и других высокополимерными присадками. В качестве загущающих присадок используют главным образом полиизобутилены, полиметакрилаты, виниполы и др. После добавления к данным маслам загущающих присадок может быть получено масло, работоспособное при самых низких температурах.

К числу перспективных следует отнести синтетические масла, которые характеризуются очень пологой вязкостно-температурной кривой. Для получения таких масел используют синтетические углеводородные масла, сложные эфиры двухосновных карбоновых кислот, сложные эфиры многоатомных спиртов, полисилоксановые жидкости и др. Типичное синтетическое масло имеет вязкость 7,1 мм2/с при 100 °С, 22 Па-с при — 40 °С, температуру вспышки 230 °С, температуру застывания —57 °С. Широкое применение синтетических масел сдерживает их высокая стоимость (в три-четыре раза выше, чем минеральных масел).

Обязательным компонентом современных трансмиссионных масел являются присадки, улучшающие их эксплуатационные свойства; как правило, они вводятся в масла при их изготовлении. Применяют антифрикционные, противоизносные, противозадирные, антиокислительные, антикоррозионные, защитные, моющие и диспергирующие, противопенные, депрессорные и другие типы присадок.

Противоизносные присадки в большинстве случаев — по-верхностно-активные вещества. К ним относятся животные и растительные жиры, жирные кислоты и их эфиры, мыла жирных кислот и др. Эти вещества адсорбируются на поверхностях трения, препятствуя их непосредственному контакту.

Хорошими противоизносными и противозадирными присадками являются серусодержащие соединения: осерненные минеральные масла, олефиновые полимеры, дисульфиды и полисульфиды и др. В условиях повышенных температур и нагрузок эти соединения взаимодействуют с металлом с образованием пленки сульфида железа на поверхностях трения, препятствующей износу и задиру.

Противозадирный эффект обеспечивается и при использовании хлор-содержащих присадок. К ним относятся гексахлорэтан, хлорированный парафин, ароматические -углеводороды, минеральные масла и др. Однако хлорсодержащие соединения коррозионно-агрессивны, особенно при контакте с водой. Хлорсодержащие присадки применяют, как правило, в сочетании с другими присадками, устраняющими этот недостаток.

Противозадирный и противоизносный эффекты достигаются также фосфорсодержащими присадками — органическими производными фосфорных и фосфористых кислот, их средними эфирами, солями кислых эфи-ров и др. Фосфорсодержащие присадки эффективно повышают нагрузку заедания трущихся поверхностей при малых скоростях скольжения, но недостаточно эффективны при высоких скоростях и ударном нагружении. В товарные масла вводят присадки с несколькими активными элементами (S—CI, S—Р, С1—Р). В этом случае действие одного активного элемента при изменении условий трения дополняется действием другого.

Трансмиссионные масла длительное время работают при высоких температурах и окисляются, что может привести к существенному изменению их свойств. Чтобы избежать этого, к маслам добавляют антиокислительные присадки. К ним относятся соединения типа фенолов, соединения, содержащие серу, фосфор, аминные и другие функциональные группы. Для защиты деталей от коррозии в масло добавляют антикоррозионные присадки — соединения, содержащие серу, фосфор, серу и фосфор одновременно, образующие каталитически неактивную пленку на поверхности металла, предохраняющую ее от воздействия продуктов окисления масла.

Для предотвращения пенообразования в масле используются противопенные присадки, в основном кремнийорганические соединения. Противопенные присадки добавляют к трансмиссионным маслам в количестве не более 0,01%.

Для понижения температуры застывания масел и улучшения их текучести при низких температурах применяют депрессорные присадки (полиметакрилаты, окисленный петролатум и др.). Эффективность действия этих присадок зависит от химической природы масла, его вязкости, содержания высокозастывающих углеводородов. Присадки могут понизить температуру застывания масел на 5—25 °С. Иногда в одном соединении содержится несколько различных функциональных групп, что делает присадку универсальной. Примером многофункциональных присадок являются соли кислых эфиров диалкилдитиофосфорной кислоты. Они обладают противоизносными, противозадирными, моющими, антикоррозионными, антиокислительными, депрессорными свойствами.

Классификация и ассортимент

В агрегатах трансмиссии автомобилей применяется широкий ассортимент масел. Согласно ГОСТ 17479.2—85 «Масла моторные, трансмиссионные и жидкости гидравлические. Система обозначений» масла классифицированы по классам и группам в зависимости от их вязкости и эксплуатационных свойств:

В зависимости от смазывающих свойств масла делят на пять групп. С учетом деления на классы и группы трансмиссионные масла имеют условные обозначения. Например, обозначение ТМ5-12 расшифровывается следующим образом: ТМ — трансмиссионное масло, цифра 5 — группа по эксплуатационным свойствам, цифра 12 — класс вязкости.

Представителями группы ТМ-1 являются нигролы зимний и летний (ТУ 38-101529—75), применявшиеся на старых моделях автомобилей. Нигролы — это неочищенные остатки от прямой перегонки нефти, характеризуются неудовлетворительными противоизносными, антиокислительными и низкотемпературными свойствами. На современных автомобилях не применяются. К этой же группе могут быть отнесены базовые масла (ТБ-20, ТС-14,5), служащие основой для изготовления автомобильных трансмиссионных масел.

К группе ТМ-2 относится масло для коробок передач и рулевого управления — ТС (ОСТ 38.01260—82, прежнее обозначение ГОСТ 4002—53), класс 18. Это масло имеет низкие эксплуатационные свойства, применяется в ограниченных масштабах только на старых моделях легковых автомобилей.

В группу ТМ-3 входят масла ТСп-10, ТАп-15В, ТСп-15К, выпускаемые по ГОСТ 23652—79.

ТСп-10 применяют для смазывания тяжелонагруженных цилиндрических, конических и спирально-конических передач грузовых автомобилей. Служит в качестве зимнего для умеренной климатической зоны и все-сезонного для северных районов страны.

ТАп-15В служит для смазывания тяжелонагруженных цилиндрических, конических и спирально-конических передач грузовых автомобилей.

ТСп-15К имеет улучшенные по сравнению с маслом ТАп-15В противоиз-носные, антиокислительные и низкотемпературные свойства. Служит в ка-чреве всесезонного для умеренной климатической зоны. Предназначено для тяжелонагруженных цилиндрических й спирально-конических передач, в том числе большегрузных автомобилей КамАЗ, КрАЗ, УралАЗ.

К группе 4 относятся масла ТСп-14гип (ГОСТ 23652—79), ТСз-9гип (ОСТ 38-101 i58….. 78), ТСгип (ОСТ 38-01260—82, прежнее название — масло по ГОСТ 4003—53).

ТСп-14гип (класс 18) применяется для гипоидных передав грузовых автомобилей всесезонно в умеренной и жаркой климатической зоне. Обладает высокими противозадирными, но недостаточными антиокислительными и антикоррозионными свойствами. Показатели масла резко ухудшаются при попадании в него воды; в этом случае масло следует немедленно заменить.

ТСз-9гип предназначено для применения в агрегатах трансмиссии грузовых автомобилей в районах Крайнего Севера при температуре воздуха до — (50—55) °С. Ввиду маЛой вязкости и ухудшения противо-износных свойств при высокой температуре это масло применяется только в зимний период.

ТСгип предназначено для гипоидных передач старых моделей легковых автомобилей. Ввиду недостаточных низкотемпературных, противоизнос-ных и антиокислительных свойств для новых моделей автомобилей не рекомендуется.

В группу 5 входят масла ТАД-17И (ГОСТ 23652—79) и ТМ5-12рк (ТУ 38.101844—80).

ТАД-17И (класс 18) получают смешением остаточного и дистиллятного масел с введением многофункциональной и депрессорной присадок. Масло обладает высокими эксплуатационными свойствами, является универсальным и может применяться в тяжелонагруженных цилиндрических, спирально-конических и гипоидных передачах грузовых и легковых автомобилей в умеренной и жаркой климатических зонах.

ТМ5-12рк (класс 12) получают из низкозастывающего масла селективной очистки, загущенного полимерной присадкой, с введением многофункциональной присадки. Масло относится к числу универсальных для эксплуатации и консервации цилиндрических, спирально-конических и гипоидных передач грузовых автомобилей. Предназначено для применения в качестве всесезонного, в первую очередь для эксплуатации в северных районах, однако пока в промышленных масштабах оно не производится.

Основным сортом, применяемым для автомобильных гидромеханических коробок передач, является масло марки А (ТУ 38.101179—79). Это масло имеет температуру застывания —40 °С, его применяют всесезонно в умеренной климатической зоне. Для автомобилей, эксплуатирующихся в северных районах страны, разработано масло МГТ (ТУ 38-401-494—84), которое по эксплуатационным свойствам соответствует маслу марки А, но имеет лучшие низкотемпературные показатели — работоспособно до — 50 °С.

В гидрообъемных передачах автомобилей, в частности в гидроусилителях рулей, используют масло марки Р, выпускаемое по тем же ТУ, что и масло марки А. Применяют в качестве всесезонного в умеренной климатической зоне.

Эксплуатационные свойства

Качество трансмиссионных масел оценивают по результатам их испытаний в лабораторных, стендовых и эксплуатационных условиях. Лабораторными методами определяют физико-химические показатели масел: плотность, кинематическую и динамическую вязкость, температуру вспышки, температуру застывания, термическую стабильность, содержание воды, механических примесей, коррозионное воздействие на медные и стальные пластины, кислотное число, смазывающие свойства и некоторые другие.

Стендовые испытания масел проводят на специальном оборудовании (машинах трения) или на агрегатах трансмиссии автомобилей. Этими испытаниями определяют влияние масел на износ и состояние деталей агрегатов при выбранных режимах, соответствующих наиболее напряженным условиям эксплуатации.

Испытания на автомобилях проводят для определения влияния масел на надежность работы агрегатов трансмиссии: краткосрочные — серия циклов на режиме «разгон — резкое замедление» для оценки противоза-дирных свойств масел и длительные — в условиях рядовой эксплуатации.

Вязкостно-температурные свойства. Одним из важнейших показателей, характеризующих эксплуатационные свойства масел, является вязкость. От вязкости масла зависят потери энергии на трение в агрегатах трансмиссии. Опыт эксплуатации показывает, что при температуре — 10 °С вязкость масла ТАп-15В достигает 30 ПА-с, при этом КПД заднего моста автомобиля ЗИЛ-130 снижается до 50 %, а расход топлива увеличивается в 2 раза по сравнению с нормой. При движении автомобиля температура масел в агрегатах трансмиссии возрастает по сравнению с температурой окружающего воздуха, но в зимний период остается низкой (рис. 1).

Интенсивность изменения температуры в агрегатах зависит от режима движения автомобиля и температуры окружающего воздуха. При частых остановках температура резко снижается, особенно в зимний период (см. рис. 1.8). Температура масла в коробке передач значительно выше, чем в ведущем мосту, ввиду прогрева от двигателя, а также вследствие более интенсивного охлаждения ведущего моста воздухом при движении автомобиля.

По данным об относительном увеличении потери энергии в агрегатах трансмиссии автомобилей в зависимости от температуры при использовании различных масел и экономии топлива, которая может быть получена в процессе эксплуатации автомобилей за счет применения масел с улучшенными низкотемпературными свойствами, наилучшие показатели имеют следующие масла: в умеренной климатической зоне — ТСп-15К для грузовых автомобилей и ТАД-17И для легковых автомобилей; в северных райи нах страны — масло ТМ5-12рк.

Применение в агрегатах трансмиссии маловязких масел, не рекомендованных автозаводами, недопустимо, так как может привести к утечкам масла через сальники, повышенному износу деталей и выходу агрегатов трансмиссии из строя. Минимальные значения вязкости масел в агрегатах трансмиссии должны быть 10—20 мм2/с, что определяется их противо-износными свойствами и способностью сальниковых уплотнений предотвращать утечку масла. Максимальная вязкость определяется возможностью преодоления сопротивления вращению застывшего масла в агрегатах при трогании автомобиля с места, зависит от конструкции автомобиля и составляет 300—600 Па-с.

Смазывающие свойства. Работа шестерен агрегатов трансмиссии происходит в основном в условиях граничного трения, при которых повышается износ зубьев шестерен. Интенсивность изнашивания во многом зависит от смазывающих свойств применяемых масел. Смазывающие свойства — способность масла адсорбироваться на рабочей поверхности с образованием граничного слоя — определяются совокупностью противо-износных, противозадирных и противопиттинговых показателей масла.

Смазывающие свойства оценивают на четырехшариковой машине трения по обобщенному показателю индекса задира Я3. Чем выше #„ тем лучше смазывающие свойства масла. При оценке противоизносных и противозадирных свойств принимают во внимание критическую нагрузку заедания Ркр и сваривания шаров Рс, а также диаметр пятна износа £)„. Значение Ркр характеризует нагрузку, при которой разрушается масляная пленка в зоне контакта, Рс — нагрузку, при которой происходит задир шаров, D„ — износ шаров после 1 ч испытаний.

Наиболее высокие требования по противозадирным свойствам предъявляются к маслам для гипоидных передач, в которых удельные давления в зоне контакта зубьев достигают 4000 МПа. Значение ИЗ для гипоидных масел составляет 60 ед., у масел для спирально-конических передач этот показатель должен быть не менее 50 ед. Для масел, используемых в коробках передач, противозадирные свойства имеют второстепенное значение.

Следует отметить, что выбор масел для гипоидных передач осуществляется с учетом режима работы агрегатов. Так, для гипоидных передач грузовых автомобилей эксплуатационный режим характеризуется постоянными повышенными удельными нагрузками на зубья шестерен и относительно небольшими скоростями вращения; для легковых автомобилей характерны высокие скорости вращения и переменные режимы по нагрузке. Это обстоятельство учтено при создании масел и выборе их рецептуры. Гипоидные масла ТС-14гип предназначены только для грузовых автомобилей, масла ТСгип — только для легковых автомобилей, а масло ТАД-17И — универсальное, может использоваться в агрегатах трансмиссии как грузовых, так и легковых автомобилей.

Противоизносные свойства масел влияют на интенсивность изнашивания зубьев шестерен. Масла со значением D„ = 0,4-^0,5 мм обеспечивают в 1,5 раза меньший износ деталей, чем масла с Ол = 0,84-0,9 мм. Наиболее эффективными маслами по этому показателю являются ТАД-17И и ТСп-15К.

Противопиттинговые свойства — склонность масел предотвращать усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев шестерен под влиянием циклических нагрузок — при оценке физико-химических показателей масел не нормируются, но для различных масел неодинаковы. Время наступления питтинга зубьев шестерен сокращается при повышении рабочих температур масла и снижении его вязкости. Наилучшими противопиттинговыми свойствами в условиях повышенных температур обладают масла ТАД-17И и ТСп-15К, наихудшими — ТСп-10.

Стабильность против окисления. В процессе работы в агрегатах трансмиссии в результате взаимодействия масла с кислородом воздуха при повышенной температуре в присутствии каталитически активных металлов происходит изменение физико-химических и эксплуатационных свойств масла — увеличиваются вязкость и кислотное число, в масле накапливаются продукты окисления.

Повышение вязкости сопровождается ухудшением вязкостно-темпера-турных свойств. Увеличение кислотного числа может вызвать коррозию подшипников и других деталей агрегатов трансмиссии.

Антиокислительные свойства масла оцениваются термоокислительной стабильностью на приборах, имитирующих условия работы масел при повышенных температурах. Наилучшие показатели имеют масла на очищенной основе ТАД-17И, ТСп-15К, ТСп-14гип, ТМ5-12рк (см. табл. 1.13), что позволяет использовать их в агрегатах с увеличенным сроком службы масел.

Коррозионная агрессивность. В результате накопления органических кислот, а также попадания в масло паров воды из атмосферы может возникнуть коррозия металлических деталей агрегатов трансмиссии. Коррозионная агрессивность масла характеризуется изменением кислотного числа, содержания водорастворимых кислот и щелочей. Наиболее наглядной проверкой масел на коррозионную агрессивность является проба на стальную и медную пластинки при температуре выше 100 °С. Наименьшую коррозионную агрессивность имеют масла ТСп-15К, ТМ5-12рк, ТАД-17И, наибольшую — ТСгип.

Сроки смены масла. Сроки службы масел в агрегатах трансмиссии различных автомобилей находятся в широких пределах: от 24 до 75 тыс. км пробега. Это обусловлено различным качеством масел, конструкцией трансмиссии, условиями и режимом эксплуатации автомобилей.

Смену масла производят при значительном изменении его показателей по сравнению с исходными: вязкости, кислотности, противоизносных, антикоррозионных, антиокислительных свойств. На изменение показателей масла в значительной степени влияют условия эксплуатации: нагружен-ность трансмиссии, температурный режим, интенсивность поступления продуктов загрязнения (пыль, вода, продукты износа деталей), механическое воздействие и т. д.

Одним из важных факторов, определяющих срок смены масел, являются условия эксплуатации автомобиля. Наиболее нагружены агрегаты трансмиссии при эксплуатации автомобиля на грунтовой дороге (нагру-женность характеризуется передаваемой энергией на 1 км пробега), в наименьшей степени — на скоростных магистралях. Если принять удельную энергию при движении на скоростной дороге за 1, то в других условиях движения она составит соответственно: по булыжной дороге — 1,66, в городских условиях — 1,89, в горных условиях — 1,94, на грунтовой дороге — 2,21.

При повышении рабочей температуры масла значительно ускоряются окислительные процессы, растет количество отложений, которые, ухудшая теплоотвод от деталей, ужесточают условия их работы. При этом происходит интенсивное снижение противоизносных, противозадирных и антиокислительных свойств масла.

Необходимым условием продолжительной работы масла является надежная защита агрегатов от проникновения пыли и влаги. Наличие в масле дорожной (кварцевой) пыли приводит к резкому снижению противоизносных свойств масла, которое невозможно компенсировать самыми эффективными присадками.

Поступление воды в масло также ухудшает его противоизносные и противозадирные свойства. В частности, при попадании в масло ТСгип 5 % воды нагрузка сваривания масла Рс снижается в 2 раза, а диаметр пятна износа D„ увеличивается в 2 раза. Срок службы масла в значительной степени зависит от его качества, и в первую очередь от термоокислительной и механической стабильности, противоизносных и антикоррозионных свойств.

В большинстве случаев критерием при установлении срока смены масла служит изменение его физико-химических показателей (вязкости, кислотности, содержания активных элементов присадки) или изменение противоизносных свойств масла, а также состояние деталей агрегатов трансмиссии после испытаний. Одним из параметров, опеределяющих необходимость замены масла, считают повышение вязкости на 50 %.

Сроки службы до замены трансмиссионных масел в современных легковых автомобилях различны и составляют 60—75 тыс. км пробега. В некоторых моделях легковых автомобилей смена масла не производится в течение всего срока службы. Чаще всего это практикуется в ведущих мостах с гипоидными передачами. Необходимым условием бессменной работы масла являются его высокие эксплуатационные свойства и надежная герметизация узла.

В трансмиссиях грузовых автомобилей смена масла осуществляется в зависимости от условий эксплуатации через 24—72 тыс. км, но, как правило, не реже 1 раза в год.