Вязкость

Вязкость - это объемное свойство жидкого, полужидкого или полутвердого вещества оказывать сопротивление при течении.

Вязкость масла h выступает важнейшим физико-химическим свойством, оказывающим влияние на силу трения F:

,

где V - относительная скорость движения поверхностей; h - толщина слоя смазки; S - площадь скольжения.

Вязкость зависит от химического состава масла, высших факторов температуры, давления (нагрузки) и скорости сдвига. Поэтому рядом с числовым значением вязкости всегда должны указываться условия определения вязкости.

Кинематическая вязкость характеризует текучесть масел при нормальной и высокой температурах. Стандартными температурами приняты 40 °С и 100°С. Определяется стандартным капиллярным вискозиметром по времени истечения масла при фиксированной температуре. Единицы измерения - стоке (Ст) или сантистокс (сСт) = мм²/с.

Динамическая вязкость характеризует текучесть масел в реальных условиях работы, обычно при крайних значениях температур и скорости сдвига.

Низкотемпературная вязкость выражается несколькими характеристиками:

- вязкость при наиболее низкой температуре, обеспечивающая работу трансмиссии в холодное время;

- вязкость при наиболее низкой температуре, обеспечивающая перекачку мас.ма без подогрева;

- вязкость при низкой температуре и низкой скорости сдвига;

- условная низкотемпературная вязкость при низкой скорости сдвига. Динамическая вязкость определяется ротационным вискозиметром. Единицы измерения динамической вязкости - h = ПУАЗ (П) или сантипуаз (сП), сП - мПа × с Высокотемпературная вязкость выражается несколькими характеристиками:

- кинематическая вязкость при низкой скорости сдвига;

- кинематическая вязкость при высокой температуре и высокой температуре и высокой скорости сдвига, определяемая при 150°С и скорости сдвига 10⁶-с^-1:

- сдвиговая стабильность или способность масла выдерживать стабильную вязкость при продолжительном действии высокой деформации сдвига.

Вязкость масла уменьшается при повышении температуры. Величина вязкости всецело определяется его групповым углеводородным и фракционным составом.

Низкотемпературные свойства трансмиссионного масла определяются температурой застывания. Это критическая точка, ниже которой масло теряет подвижность и не может выполнять функции смазывания. Температура застывания, хотя и не включена в комплекс вязкостных показателей по ЗАЕ, но является одной из важнейших характеристик-масел, особенно при -эксплуатации в условиях холодного климата.

Температурная зависимость вязкости

Температурный режим трансмиссионных масел тяжелый. Рабочая температура агрегатов трансмиссии достигает 150 °С и выше, а температура старта автомобиля может быть низкой, в зависимости от температуры окружающей среды. При высокой температуре масло должно быть достаточно вязким для поддержания прочности высоконагруженной масляной пленки. Индекс вязкости масел должен быть высоким. Повышение индекса вязкое 1и путем введения полимерных загустителей, для трансмиссионных масел не всегда приемлемо ввиду высоких деформаций сдвига в нагруженных элементах передач. Для повышения индекса вязкости высококачественных масел применяются минеральные базовые масла гидрокрекинга или синтетические.

Затраты энергии на трение зависят от величины вязкости и температуры застывания трансмиссионного масла.

Фактическая рабочая вязкость в агрегатах трансмиссии зависит от температуры окружающей среды и эксплуатационной температуры масла в объеме картера.

По минимальной температуре масла определяют предельное значение вязкости, обеспечивающее пуск механизма без подогрева масла. Это значение устанавливается жспериментально для каждого вида трансмиссии и мощности двигателя. Для автомобильных трансмиссий предельное значение вязкости составляет 4500 П.

Средняя эксплуатационная температура позволяет выбрать вязкость масла с минимальными потерями энергии на трение. Для автомобильных трансмиссий максимальная рабочая вязкость, не вызывающая значительных затрат на трение, составляет 10-20 П.

В гидромеханических трансмиссиях масло движется с большой скоростью (80— 100 м/с) в узких каналах между лопатками насосного и направляющего колес и турбины. Для снижения энергетических затрат на преодоление внутреннего трения, вязкость масла должна быть возможно более низкой во всем диапазоне рабочих температур. Практически вязкост масел для гидромеханических трансмиссий должна оьпь 4-8> сСт.

Максимальная температура масла предопределяет выбор минимально допустимой вязкости для предотвращения значительных утечек через неплотности агрегатов трансмиссии. Если вязкость масла в автомобильных трансмиссиях не ниже 25-30 сСт заметной утечки масла не происходит. Нижний предел вязкости масла для гидромеханических трансмиссий (который составляет 3-5 сСт) устанавливают по соображениям возникновения кавитации и подтекания масла через уплотнения.

По максимальному и минимальному значениям вязкости масла для агрегатов трансмиссий и кривой зависимости вязкости от температуры можно определить температурную область применения данного масла. Чем шире эта область, тем лучше эксплуатационное свойство масла.

Таким образом, вязкость трансмиссионных масел является комплексным показателем и характеризует поведение масла как при температуре установившегося режима работы, и при запуске холодного автомобиля. Она характеризуется двумя показателями:

1. Кинематической вязкостью при рабочей температуре, в сСт при 100 °С эквивалентной.

2. минимальной температурой работоспособности масла, ниже которой динамическая вязкость масла превышает 1 50000 сП (150 Па с) и не обеспечивает надежное смазывание трансмиссии.

Энергетические потери в трансмиссии составляют до 20 % всей потребляемой мощности автомобиля. Уменьшение вязкости трансмиссионных масел является одним из путей увеличения экономичности автомобиля. Вязкое масло затрудняет плавное движение холодного автомобиля, труднее проникает в узкие зазоры между поверхностями трения.

Термостабильность и стойкость к окислению

Углеводородные соединения масел способны окисляться. Окисление ускоряется при повышении температуры, увеличении доступа кислорода при перемешивании с воздухом, каталитическом воздействии ионов металлов (особенно цветных), механическом напряжении при большой скорости сдвига и др..

Окисление масла при высокой температуре называется термоокислением, а способность противостоять окислению - антиокислительной стабильностью (oxidation stsbility).

Окисление углеводородов является многостадийным процессом. В начале окисления накапливаются исходные продукты - перекиси, которые в последствии резко ускоряют процесс. Первый этап заметно не изменяет физических свойств масла и называется индукционным периодом. Его продолжительность служит показателем стойкости масла к окислению.

После индукционного периода начинаются самоускоряющиеся реакции окисления, заметно изменяющие химические и физические свойства масла. Образуются кислоты, смолы, увеличивается вязкость масла. На нагретых поверхностях образуются отложения, которые могут привести к повышенному износу. Кислые продукты окисления способствуют коррозии деталей.

В итоге термоокислительные процессы ухудшают эксплуатационные свойства и

поэтому стойкость к окислению является одним из основных эксплуатационных свойств масел.

Термоокисление масла в реальных условиях эксплуатации автомобиля является сложным и зависит от многих факторов: температуры масла и деталей двигателя (трансмиссии), взаимодействия с продуктами сгорания и др.

Для оценки окислительной стойкости моторных и трансмиссионных масел используются лабораторные, стендовые и моторные испытания.

Лабораторные испытания применяются для прогнозирования срока службы масла и поведения масла во время эксплуатации. Они проводятся при разработке новых масел с базовыми маслами и готовыми продуктами с целью определения эффективности присадок. Антиокислительная стабильность оценивается несколькими стандартными методами и большим числом методов, разработанных отдельными компаниями.

Основные характеристики термоокислительной стабильности:

• индукционный период окисления;

• стойкость к термоокислению;

• склонность к коксованию;

• изменение щелочного числа.

Индукционный период окисления определяется по скорости расхода кислорода и применяется для моторных масел. Метод ТFOUT, АSТМ D 4742 «Испытание окислительной стабильности моторных масел для бензиновых двигателей методом поглощения кислорода тонким слоем».

Стойкость к термоокислению (ГОСТ 23175-78) — показатель, оценивающий стойкость моторного масла к образованию нагара на горячих поверхностях ЦПГ. Измеряется временем в мин, в течение которого масло при температуре 250 °С превращается в остаток, состоящий из 50 % фракций масла и 50 % нагара.

Склонность к коксованию (коксуемость) - свойство образовывать твердый кокс при нагревании масла без доступа кислорода. Определяется по методу Конрадсона, стандарты: ГОСТ 19932-74, ISO/DIS 6617, DIN 51352, ГОСТ 8852-74, DIN 51551.

Трансмиссионное масло во время работы не подвергается такому перегреву как моторное, но рабочие условия являются жесткими:

• постоянно высокая температура до 150 °С;

• интенсивное перемешивание;

• наличие цветных металлов — возможных катализаторов окисления;

• влияние больших нагрузок и высокой скорости сдвига.

При стендовом испытании трансмиссионное масло легковых автомобилей подвергается окислению в шестеренчатой машине.

Американский стандарт CRС L-60 (FТМ 2504) «Метод испытания стойкости к термическому окислению ТОSТ» (Thermal Oxidation Stability TEST) оценивает изменение свойств трансмиссионного масла при воздействии сильного окисления. Определяется увеличение вязкости, общего кислотного числа и нерастворимой части масла. _г

В Европе стойкость к окислению трансмиссионных масел оцениваетсячггандартом СЕСL-48-А-95 «Определение окислительной стабильности масел, используемых в коробках передач автомобилей, путем искусственного старения».

Масла (жидкости) для автоматических коробок передач (АТР) должны иметь высокую стойкость к термоокислению. Как и в трансмиссионных маслах механических передач, рабочая температура жидкостей АТР достигает 150 °С и более. Жидкости подвергаются интенсивному перемешиванию в присутствии катализирующих окисление сплавов меди. При этом жидкости АТР должны иметь большой ресурс работы (интервал замены через 30 000—50 000 км пробега). Кроме того, автоматическая коробка передач — агрегат высокой точности, работа которого в значительной степени зависит от чистоты деталей. Любые отложения продуктов окисления масла могут испортить автоматическую коробку передач. Стойкость к термоокислению жидкостей Оехгоп определяется при помощи лабораторной машины «СМ» («Gеnегаl Моtors») окислением жидкости при 135 и 163 °С. Жидкости Меrсоn исследуются при помощи прибора АВОТ (luminium Beaker Oxidation Test) компании «Ford Моtor».

Антикоррозионные свойства

Коррозия металлов является основной причиной преждевременного разрушения конструкционных материалов трансмиссии. Коррозия сопровождает процессы образования отложений и изнашивания деталей механизмов. В конечном результате коррозия снижает эффективность и надежность техники, ухудшает эксплуатационные свойстве масла.

Трансмиссионные масла должны исключать коррозию не только в процессе работы машины, но и в нерабочем состоянии.

Коррозионная стойкость масел оценивается методикой в условиях переменного контактирования с воздухом. Результат коррозии оценивается потерей массы испытуемой пластинки металла относительно ее поверхности в г/м² в заданных условиях испытания.

Хорошими антикоррозионными свойствами обладают присадки, содержащие сульфонат кальция, окисленный петролатум, нейтрализованные нитрованные масла.

Лабораторными методами коррозионные свойства масла оцениваются по следующим характеристикам:

• содержанием водорастворимых кислот и оснований,

• кислотным числом,

• содержанием серы,

• содержанием воды,

• по характеру коррозии медной или другой металлической пластинки.

При моторных и стендовых испытаниях антикоррозионные свойства определяются совместно с другими характеристиками масла.

Коррозионность масла чаще всего определяется методом металлической пластинки. Коррозионные соединения не одинаково действуют на разные металлы. Испытанию подвергаются только те металлы, которые наиболее" чувствительны к коррозии и контактируют с маслом.

Коррозийность трансмиссионного масла определяется раздельно для меди, медных сплавов и стали. Коррозия цветных металлов оценивается на пластинах при выдерживании их в течение установленного времени в горячем масле с последующей визуальной оценкой повреждения поверхности и изменения цвета или структуры поверхности.

Противозадирные ЕР присадки трансмиссионного масла, содержащие активные соединения серы, хлора и фосфора, являются агрессивными в отношении медных сплавов.

Поэтому коррозийность трансмиссионного масла определяется пробой медной пластинки но ISО2160, АSТМ О 130, ГОСТ 2917-76 и др. Медный стержень выдерживается в течение 3 ч в масле мри температуре 150 °С (или в других стандартных условиях) с последующей оценкой в баллах поверхности на интенсивность коррозии и на цвет. Интенсивность побежалости обозначается в цифрах (1 - слабая побежалость, 2 - умеренная побежалость, 3 - сильная побежалость, 4 - коррозия), а цвет - в буквах (а,b,с, d е). Например, балл «2с» означает поверхность средней интенсивности (2) с фиолетово-синими и серебряными пятнами (с). Масло считается непригодным, если на поверхности медной пластины появляются зеленоватые, темно-серые, коричневые черные пятна, отложения или поверхность покрывается пленкой. Жидкости автоматической трансмиссии пригодны к применению, если повреждение медного стержня не превышает 1Ь.

При испытании стальной пластинки масло считается пригодным, если на поверхности нет точек и пятен коррозии, замечаемых невооруженным глазом (по АSТМ D 1748, ГОСТ 2917-76). Коррозийность масла в присутствии воды определяется по стандарту АS5ТМ D 665/Ргос.А и ГОСТ 19199-73 и оценивается терминами «соответствует» или «не соответствует».

Защитные свойства масел — способность масел предохранять от коррозии и ржавления определяются по двум методам:

• СRС L-33 (FТМ 5326.1) «Определение способности трансмиссионного масла подавлять коррозию, вызываемую влагой» (Ах1е test to determine corrosion protrction of gear lubricans); условия испытаний: дифференциал «Spiceг» прокручивается в течение 4 ч при частоте вращения 2500 об./мин и температуре 82 °С; в последующем узел выдерживается 7 дней при температуре 52 °С, масло сливается, узел разбирается и осматривается. Для соответствия требованиям по категориям качества трансмиссионного масла допускаются следы ржавчины на крышке и никакой ржавчины на шестернях.

• СКС L-13 (FТМ 5315.1) «Определение подавления коррозии в присутствии воды универсальными трансмиссионными маслами». Условия: два стальные стержня, очищенные струей песка, прокручиваются в масле, содержащем 2,5 % воды в течение 4 ч при температуре 83 °С. Степень ржавления определяется визуально.

Склонность к пенообразованию

Пенообразование — процесс образования пены при интенсивном перемешивании и взбалтывании работающего масла. Пена ухудшает смазывающие и защитные свойства масла, ускоряет окисление, уменьшает производительность масляного насоса. Интенсивность ценообразования и стабильность пены зависит от химического состава масла, вязкости, поверхностного натяжения, наличия присадок, условий эксплуатации и др. При повышении температуры и уменьшении плотности масла интенсивность пенообразования повышается, но стабильность пены уменьшается. Меньше пенятся масла низкой вязкости. Моющие, вязкостные, противоизносные, антикоррозионные присадки усиливают пенообразование. Пенообразование проявляется как в моторных, так и в трансмиссионных маслах и гидравлических жидкостях. Причина пенообразования трансмиссионных масел при высоких оборотах шестерен - интенсивное перемешивание с воздухом. Агрегаты трансмиссии рассчитаны на образование некоторого количества пены, которая не должна \ выходить через сапуны. Пенообразование усиливается при наличии в масле воды. Прорыв масляной попы является норным признаком присутствия волы в масле.

Пенообразование масла, определяемое по стандарту АSТМ D 892, оценивается двумя показателями - склонностью к пенообразованию и стабильностью пены. Количество пены (мл), образующееся в масле в градуированном мерном цилиндре, прогретом до 24 °С и продуваемом воздухом в течение 5 мин, называется склонностью к пенообразованию (foaming tendency).Оставшийся объем пены (мл) после 10 мин называется стабильностью пены.

Более строгие требования по пенообразованию предъявляются к жидкостям для автоматических коробок передач. Для Оехгоп 111 оно определяется по методике «General Motors» (GМ).

Пенообразование уменьшается в присутствии специальных присадок, особенно силиконовых жидкостей.

2.2.6. Совместимость с эластомерами

Стойкость эластомерных деталей (сальников, манжет, прокладок и др.) при продолжительном контакте с маслом оценивается в зависимости от состава и типа эластомера.

Так как в эластомеры вводят противоокислительные, антифрикционные и другие добавки, при воздействии масла и смазки эластомерные детали могут набухать или терять свою эластичность, и твердеть. Интенсивность старения зависит от свойств эластомеров, химического состава масла и температуры. Эластомеры быстро стареют при воздействии на них продуктов окисления масла. Отрицательное влияние на эластомеры.лэсобенно при повышенной температуре, оказывают противозадирные (ЕР) присадки. Сера, входящая и состав таких присадок, вулканизирует резину, которая от этого твердеет и уменьшается по объему. Воздействие масла для гипоидных передач на эластомеры всегда проверяется. В лучшем случае изменение объема эластомеров не должно превышать 6 %, на практике допускается до 15 %.

Воздействие масла на эластомеры определяется стандартными методами по СЕСL-39-Х-95, ISО 1817, DIN 53521, АSТМ D 471. АSТМ D 2240, IР 278, ГОСТ 9.030 и др. Оценивается, например, изменение свойств образцов четырех эталонных резин при выдерживании их в масле в течение установленного времени при определенных условиях. Оценочные показатели:

• увеличение твердости, ед. DIDС;

• изменение напряжения разрыва, %;

• изменение удлинения до разрыва, %;

• изменение объема, %, (увеличение (+), уменьшение (-)).

2.3. Оценка качества масел

Основные критерии при выборе масла для механической трансмиссии:

степень вязкости 5АЕ, класс качества и назначения.

При выборе масла в районах с холодным климатом следовало бы обратить внимание на температуру застывания.

В листах данных, в списке типовых характеристик трансмиссионных масел наряду с классом вязкости по SАЕ, обычно представляются следующие параметры:

• плотность,

• кинематическая вязкость при 40°С,

• Кинематическая вязкость при 100°С,

• индекс вязкости,

• вязкость по Брукфильду,

• температура вспышки,

• температура застывания.

Эти показатели не характеризуют эксплуатационных свойств масел и являются ориентационньши при выборе масла по вязкости и температуре замерзания, а также для идентификации.

При определении класса качества трансмиссионных масел определяются следующие эксплуатационные показатели:

•несущая способность:

повреждение шестерен при низкой скорости и большом вращающем моменте; задир шестерен при высокой скорости и ударных нагрузках; нагрузка, до появления задира прямозубой цилиндрической шестерни;

•термическая стойкость и стойкость к окислению:

термическая стойкость и стойкость к окислению;

чистота деталей;

высокотемпературная циклическая стойкость;

•пенообразование;

•антикоррозионная стойкость:

испытание на коррозию медной пластинки; защита от коррозии в присутствии воды;

•совместимость с уплотнителями;

•стойкость при хранении;

•взаимосмешиваемость.

Список обязательных испытаний по определению показателей качества, перечень

стандартных методов испытании, а также перечень спецификации на трансмиссию масла, представлены в Приложении D.