1、金屬V型皮帶式無級變速器潤滑油摩擦學性能研究成田圭一潤滑油研究實驗室,日本出光興產株式會社,24-4 Anesakikaigan,千葉市原市299-0107,日本通訊作者為成田圭一,keiichi.narita收到2012年7月26日,接受2012年9月11日學術編輯:菲利普Velex版權所有©2012成田圭一。這是知識共享署名許可下發布的開放獲取文章,它允許無限制地使用,分發和復制在任何媒體,所提供的原來的工作是正確的引用。用于金屬V型帶式無級變速器(B-CVTFs潤滑劑的性能應該優先傳送轉矩的提高皮帶和皮帶輪加在B-CVT所使用的鎖止離合器優良antishudder屬性之間的容量

2、。本研究擬調查潤滑油添加劑對于提高B超的CVT這些表演的效果。此外,表面分析技術被用來獲得一個新的洞察摩擦膜的化學復合物和形態。作為一個結果,它是一個更大的重要扭矩容量,得到金屬接觸界面之間較高的邊界摩擦系數,和邊界的此外,它是發現一種潤滑劑配方的給濕離合器優良antishudder性能保持較高的摩擦的金屬,這將導致提高的B-無級變速器的性能之間的系數。過程潤滑膜的形成從在B-CVTFs上的扭矩容量強烈影響使用抗磨添加劑而得。1.介紹有兩種類型的用于汽車的變速器的,自動和手動。自動變速器的市場份額簡稱AT的已超過所有傳輸的97 %安裝在日本汽車1。特別地,有越來越多的客車為特色的無級變速器(

3、CVT變速器,因為無級變速器實現更好的燃油經濟性。其中無級變速器,數汽車金屬壓帶式無級變速器( B-的CVT 具有穩定每年都在提高,目前應用于汽車的超過3升發動機排量。 B- CVT組成由大約400段和層疊鋼帶環,如圖1 。功率是由摩擦傳遞皮帶與皮帶輪之間產生的力。為了提高傳輸效率和蔓延的應用以無級變速器更大的汽車,帶式CVT潤滑油( B- CVTFs 必須出示之間更高的傳輸扭矩容量皮帶和滑輪。因此,優先級的性能CVT流體應側重于改善的扭矩容量。有一些報道關于潤滑劑的作用上的無級變速器2-4的性能。例如,該膜由二硫代磷酸鋅(型ZnDTP添加劑產生接觸區域是已知的有助于實現較高的金屬間摩擦系數2

4、。信息對于獲得的ZnDTP的摩擦膜是有用的,當考慮從潤滑油添加劑反應。型ZnDTP摩擦膜不要在滾動接觸或發展動力油膜厚度是顯著大于表面粗糙度5。大約100納米的有機化合物厚被確定為膜的最上層,以P2O5,硫化鋅,FeO的,硫化亞鐵,和H2O檢測下這種有機層6。后面這些化合物被認為包括玻璃狀磷酸鹽,這是密切與抗磨相關性能。還已經報道,膜型ZnDTP可以形成由玻璃狀磷酸鹽的墊狀結構以10nm的厚度的Zn多磷酸鹽的外層7, 8。含有油的摩擦速度特性型ZnDTP的摩擦膜和分析的報道9。除了在帶給予較高的轉矩容量系統,B-CVTFs必須與鎖止離合器的兼容裝在扭矩變換器。因此,CVTFs也應該給一個在鎖定

5、的參與略低的摩擦系數離合器通常由纖維素纖維,這是一般的所謂antishudder 的濕式離合器系統的特點,對于antishudder的提高,摩擦改進劑是需要被加入到B-CVTFs。這種趨勢是不希望用于金屬接觸之間的摩擦系數對如皮帶和皮帶輪的CVT,并讓潤滑油添加劑配方很復雜的無級變速器應用程序。本研究擬探討潤滑油添加劑如抗磨添加劑,洗滌劑,和摩擦改進劑(FM的效果,以改善這些表演B超CVTFs。此外,原子力顯微鏡(AFM和X-射線光電子能譜(XPS被用來考慮從得到的摩擦膜的性質候選添加劑。候選的實際表現油通過使用實際帶式CVT測試儀進行評價。2.實驗方法2.1。環塊摩擦磨損試驗機(LFW-1的

6、摩擦特性金屬之間使用基于塊的評價環型2.2。帶式CVT臺架試驗。影響傳送的參數使用CVT板凳扭矩容量進行了評估測試儀,如示于圖3。此測試裝置被設計成評估這也是造成的傳輸性能在所述帶的必不可少的CVT部件的摩擦特性和滑輪,它不是一個整體變速箱。帶組件和滑輪取出一個商業CVT 單元和設置在帶框。配套的滑輪軸的軸承持有枕頭塊。 AC電動機驅動器的主皮帶輪和驅動轉矩被傳遞到次級皮帶輪通過皮帶。從次級帶輪的輸出由測力計所吸收。速度和扭矩傳感器被連接到驅動器和輸出軸。由于受到relativemotion之間的滑移現象皮帶和滑輪。特別是,之間的一個大滑皮帶和皮帶輪可導致向帶一個顯著損壞側滑輪和滑輪面,因為接

7、觸壓力之間的皮帶和皮帶輪被估計超過100MPa的11。皮帶與皮帶輪之間的相對滑動在摩擦學研究進展將與輸入轉矩的增加而更顯著。它被定義為皮帶和皮帶輪之間的滑移率,SR所示12:其中,IL是速度比在一個加載狀態和IN是在無負載的特定值。速度比定義為N p和N是在初級的旋轉速度和第二輪,分別。在較低的驅動扭矩條件下,一些權力在帶由帶張力通過未通過壓縮在段,并且在一個非常小的增加滑移率。該滑移率突然上升約四分之一負載,其對應于轉變點在該壓縮側和松弛側變化兩側。當驅動扭矩達到側滑極限扭矩,一個macroslip發生,沒有更多的扭矩可以被發送。這macroslip已知發生的條件下,當滑移率達到4% -6%

8、12。扭矩容量測試是由控股進行的初級帶輪轉速穩定在14米/ s和低速比2.3。驅動扭矩逐步提高在每分鐘,直到在一個顯著的增長速度為5nm 被檢測到的滑移率。試油的扭矩容量當時定義為驅動轉矩的時刻時的打滑比達3%,使得皮帶系統不會顯著損壞。2.3。低速摩擦儀(LVFA。低速摩擦裝置(LVFA根據JASO M34913 用于antishudder屬性鎖止離合器的組成的摩擦片和鋼板。這種測試方法如在圖4中示出被廣泛用于評價摩擦行為的濕式離合器系統素的傳輸。磨合在操作中,持續30分鐘應根據進行與在1.0MPa的接觸壓力的條件下,0.6米/ s的滑動速度,和80C類油的溫度。完成后運行,在操作中,摩擦系

9、數的測試流體wasmeasured根據條件在圖4中指定。流體呈現出陽性-V曲線這意味著與摩擦系數增大滑動速度將能夠阻止不舒服的震動這是所謂的顫動現象。繼-V特性初始計量,耐久性試驗在圖4中規定的條件下,重復進行與然后,-V的性能進行測定時24小時的間隔。2.4。測試油。表1顯示了測試油的組合物。所使用的潤滑油是一個加氫裂化礦物組三油基混合含有各種添加劑。磷添加劑作為抗磨劑,加入相同濃度0.06質量%到所有被測試的油。鈣清凈劑和硼分散劑混合所有樣品中。這些添加劑通常用于CVTFs為了保持傳輸干凈,也已知發揮重要作用在控制-V特性進行鎖止離合器的14。在為了探索有效的摩擦改進劑(FMS,調頻(氮氣

10、型和調頻B(酯型分別加入到油乙andOil C。3。實驗結果3.1。由LFW-1測試金屬間摩擦特性。圖5示出的金屬- 金屬摩擦特性測試通過LFW-1。測定均重復3次每個樣品,并測得的標準偏差數據是在0.002。首先,油A組成的磷添加劑,鈣清凈劑和分散劑表現出最高的摩擦所有測試的油的水平。與調頻證明油B 幾乎相同的摩擦水平的石油A.在油C的情況下,含調頻B,有24%的跌幅在摩擦系數在1.0M / s的油A.調頻乙相比,給人以極大的在降低金屬間摩擦系數的影響。3.2。在后測座表面分析。X射線光電子光譜(喬爾JPS-9010MC XPS和原子力顯微鏡(Veeco公司口徑AFM來調查潛在聯系摩擦特性和

11、形態之間摩擦膜。表面分析之前,試樣都通過浸沒在己烷中,以除去殘留的洗滌石油和磨屑。XPS分析標識的元素一個摩擦膜,以約50 nm和分析的深度它們的化學粘合條件,通過檢測動能出院光電子的能量。在這項研究中,X-射線梁用Mg-K(10千伏的光子能量照射的測試表面的中心在1毫微米直徑光斑。后15秒通過濺射氬照射,對應約去除5nm厚的層,從表面上看,該XPS分析了重復獲得有關成分的信息和從所述表面變化粘接條件到新的深度。圖6示出了在對摩擦膜的XPS深度分布從樣品的試塊,油A,B和C對應的峰向碳酸鈣(CaCO 3和鈣磷酸鹽(磷酸氫鈣或Ca2P2O7是在347.3 eV和347.6 eV的分別。在油A的情

12、況下,有一個尖銳峰在347電子伏特,如示于圖6。允許誤差測量是在±0.5 EV,間隔為結合能。一些磷酸鈣和碳酸鈣可能在摩擦表面生成。這些品種的鈣從表面檢測到大于90nm的深度。與油B的XPS配置文件是非常相似的油A的,這意味著鈣的物種可能在形成面以及油答:有一個峰值347eV在殼體的油C.然而,鈣物質的存在是確定其外表面atmost40 nmand因此,從油C的鈣化合物厚度更薄比油A和B。原子力顯微鏡允許摩擦膜的表面實際調查形態在納米尺度15。在這項研究中,原子力顯微鏡圖像被記錄在contactmode與V形氮化硅懸臂。為確保一致性,相同的探針被用來用于掃描每個樣品在指定的分辨率的法

13、線方向1納米。這是不可能的針尖會損壞表面,因為這樣的接觸力水平是非常低,在接觸力比較摩擦測試和的預期的機械性能摩擦膜。接觸力模式用原子力顯微鏡表征的摩擦膜的上塊的性質。中央部后測塊上的磨痕被掃描過50微米×50微米,在200微米/秒的速率。圖7示出導出后測塊的原子力顯微鏡地形圖像從測試的油。需要注意的是在原子力顯微鏡的亮部分圖像表示的表面上的較高位置上。很有趣的是,后測表面油A呈現出清晰致密的沉積結構:具有1-5微米的供詞細長的滑動方向。此外,高密度沉積可以從油B的磨痕觀察碳酸鈣的這些沉積物可能是由和從所述XPS磷酸鈣結果如圖圖6。然而,從油C的表面不具有不同的沉積。此外,在中央存在

14、脊磨痕和兩側的部分被打磨, whichmight是由于缺少鈣化合物的生成膜的表面上。這些結果表明,該摩擦行為強烈依賴于的局部形態摩擦膜的潤滑劑“添加劑而得。更高的扭矩容量的液體會帶出一個潛在的為了提高在該無級變速器單元的傳輸效率。油A 給了比油C大于17%的扭矩容量36.8千牛帶輪夾緊力。當次級帶輪力為從36.8到25千牛(32%為油A,油A減少獲得相同的扭矩容量水平作為油C與滑輪36.8千牛的力。因此,應用更高的扭矩容量流體的CVT單元可有助于降低最大滑輪所需鎖模力。這將有可能有下油泵的負載,這將導致總的減少功率損耗的CVT裝置。3.4。Antishudder表現為閉鎖離合器。圖9(醇,胺,

15、酸,和酰胺減少摩擦系數較低的滑動速度。分散劑和清潔劑可以增加摩擦系數的較高的滑動速度。從這些影響,油B和C顯示一個正-V曲線中的LVFA。接著,測試油的antishudder耐久性示于圖10。較-V特性的近似式在40C的距離計算得到的摩擦由(3,而對于antishudder服務的判斷基準人生應D/ DV(0.3:在這項研究中,antishudder使用壽命的定義時,D/ DV(0.3的值達到零。如圖10中的結果包括antishudder 的JASO 參考輸送流體用TIII壽命評估相同的測試裝置中,并在D/ DV(0.3為TIII是零下168小時的耐久性。在另一方面,本D/ DV(0.3油B仍保

16、持正值亞特摩爾超過240小時,表明不再antishudder使用壽命比TIII。在商業使用的CVT液,兩種不同的潤滑油將不允許根據優化性能它們各自的用途。這意味著,該無級變速器的流體必須與整個無級變速器的組分相容單元,如皮帶和皮帶輪,濕式離合器,齒輪和軸承。從這些結果中,該添加劑制劑如油B.將屬性的提高antishudder性能保持金屬間摩擦系數。4.討論油B包括磷添加劑,鈣清凈劑,分散劑和調頻表現出較高的金屬間摩擦系數和良好的antishudder性能。這里,本原因為通過所得到的金屬之間的高摩擦油B進行了討論。從XPS分析的結果如圖在圖6中,更厚的鈣摩擦膜種類為確定的磨痕與油B比油的情況下C

17、.從油B導出的電影如圖7所示,因此表現在滑動方向致密的沉積,而表面與油C并不均勻和側部件分別累死了。泰勒和尖峰16表明,型ZnDTP反應膜似乎抑制潤滑劑夾帶進的接觸,從而導致降低的彈力與ZnDTPfree潤滑(EHL 膜厚度相比潤滑劑。據推測,該較厚的致密摩擦膜衍生fromOil 乙起著作用防止磨損和抑制潤滑劑的夾帶進入界面,導致更高的摩擦。此外,在摩擦膜的行為差異調頻中石油之間形成和摩擦特性B和中石油C FM乙方在LFW-1和LVFA進行了討論。調頻A和B可以在減少摩擦中發揮作用根據周圍0.06米/ s和下一個較低的速度系數接觸為1MPa,在LVFA 壓力。然而調頻和B介紹了金屬- 金屬摩擦

18、產生不同的影響在0.6 GPA在LFW-1更高的壓力。FM中的A 油B沒有驚動鈣摩擦膜的形成物種的摩擦表面上,如圖7中所示的AFM 地形。FM中的B油C可能會更強烈地吸附表面導致的形成鈣摩擦膜防止種,因而具有較低的摩擦。不同FM A和B對LFW-1和LVFA測試效果可能由摩擦條件,如接觸的影響壓力與兩個試驗之間的滑動速度。5。結論帶式CVT的潤滑油(B-CVTFs必須能夠產生皮帶之間有較大傳遞扭矩容量滑輪及鎖定一個很好的antishudder財產離合器系統的CVT單位。潤滑油添加劑的效果研究了改善BCVTs的這些表演。此外,表面分析技術,已動用獲得了一種新的洞察化學復合andmorpholog

19、y 的摩擦膜。該研究結果可歸納如下。(1潤滑油添加劑配方組成洗滌劑鈣,磷抗磨劑表現出了較高的金屬間摩擦系數,和的邊界潤滑膜的形成過程在B CVTFs使用的衍生fromthese添加劑對摩擦學性能強勁的影響。(2排序潤滑劑配方的發現給對于濕式離合器優良antishudder性能在保持兩者之間的較高的摩擦系數金屬,這將導致改善的性能B超的CVT參考文獻1日本汽車經銷商協會的年度報告新車注冊數量,31版,2008 。 2 H.三井,“趨勢和液體金屬的需求推動金屬部件之間， “碩士論文 972921 ，1997 。 5 H.藤田和 HA 尖峰，二硫代磷酸鋅形成“ 學會 ofMechanical 的抗磨

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