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等速万向节润滑脂的降解
CHUL-HEE LEE，JAE YOUNG CHOI，IN SIK JEON，WONOH CHO，and HYUKCHAE YUN
机械工程系
仁荷大学
韩国仁川402-751
Ramp;D中心地区
长安汽车公司，牙山市
韩国336-857
前言
等速万向节被广泛地应用于现代的车辆中。为使车辆长久使用，等速万向节的密封润滑脂必须提供低摩擦磨损保护性能。润滑脂的性能影响车辆里的振动和噪声。对于行驶了很长里程的车辆，车辆可能会承受机械负荷和热负荷，导致润滑脂由于在物理和化学性能上的变化而具备降解的属性。在本篇文章中，通过收集润滑脂样本来调查等速万向节的润滑脂降解现象，这些润滑脂样本来自于行驶各种里程车辆的三脚式等速万向节或球笼式等速万向节。为了分析润滑脂性能的变化，用渗透仪和红外光谱仪分别测量润滑脂渗透值和氧化诱导时间。氧化诱导时间出现在润滑脂氧化的地方。通过使用线性振荡测量仪（参数SRV，S：振荡；R：摩擦；V：磨痕）和四球磨损试验机测量摩擦磨损，从而研究润滑脂性能的变化。润滑脂在等速万向节中降解的性能由于其物理或化学变化被鉴别。
关键词：等速万向节；润滑脂降解；摩擦；磨损
简介
等速万向节位于传动轴的末端，它将动力从发动机传到车轮上。图1是等速万向节以及其在一个汽车转向系统的结构。尽管等速万向节提供轴的恒速旋转，它内部的摩擦通常会在它内部产生轴向力和纵向力，从而导致车辆振动并产生空转时隆隆的噪声。使用高性能的润滑脂，在摩擦和磨损方面，能够避免车辆在这方面的一小部分问题（Wagner）。应用在汽车上的润滑脂是一个至少包含两种成分的多相系统，这两种成分是增稠剂和液体润滑剂。大多数润滑脂使用矿物或合成的基础油作为液体润滑剂。润滑脂中的添加剂和增稠剂是汽车具备良好性能的一个重要因素。一般而言，润滑脂添加剂能够提升润滑的性能，例如抗氧化性、抗腐蚀性和抗磨损性；另外润滑脂增稠剂决定渗透的性能；这些都表现了润滑剂的稳定性。
图1 等速万向节结构图
在过去，等速万向节润滑脂的各方面研究已经在机械应用领域进行。润滑脂的三种主要成分是基础油、增稠剂和添加剂，这些润滑脂能够很好地影响其润滑连接体的性能（Fish）。对于等速万向节润滑脂的摩擦性能，就润滑脂的添加剂进行了调查（Fish和Jisheng）。在等速万向节需要满足的摩擦学要求方面做了报告和描述，内容为正常润滑脂的摩擦系数（Fish和Cole）。在其他的研究中，用精密的设备测量了汽车万向节中摩擦的数据和特征（Lee）。随后，建立了一个三脚式等速万向节的现象学的摩擦模型（Lee和Polycarpou）。另一种情形是，进行了一系列关于润滑脂降解的研究。研究了轴承试验用的润滑脂（Cann，Komatsuzaki等），并且研究了热老化润滑脂的润滑和回流性能（Hurley等）。通过实验，测量并分析了润滑脂在转动磨损连接处的影响（Mota和Ferreira），之后是研究了在转动摩擦关节处的润滑脂并对其进行了动力学研究（Melrsquo;nikov）。另外建立了测定润滑油机械稳定性的新方法（Lundberg和Hoglund）。然而，这个实验是第一个致力于收集实际车辆等速万向节润滑脂的研究。
在这部分章节，通过测量汽车行驶里程来测量润滑脂降解现象，使用的是我们从实际车辆里收集的等速万向节内部的润滑脂。为了测量这种降解现象，研究了润滑脂性能和外观的变化。使用一个渗透仪对润滑脂性能进行了分析测试，主要是润滑脂一致性上的变化，并使用红外光谱仪获取了润滑脂的氧化程度和其化学性能。另外，通过一个四球磨损试验机测量磨痕来分析了已经使用过的润滑脂的性能；通过线性振动测量仪获取摩擦系数；通过加压差速扫描量热仪记录氧化诱导时间。
等速万向节中的润滑脂
等速万向节可以被分类为三脚式等速万向节和球笼式等速万向节，它已经被广泛地使用在现代的车辆中。为使等速万向节长久使用，它内部密封的润滑脂必须提供低摩擦磨损保护。润滑脂的性能影响汽车的振动和噪声等级。车辆在行驶一段长的里程后可能出现机械负荷和热负荷，导致由于等速万向节润滑脂物理和化学性能的变化而使润滑脂降解。一般而言，三脚式等速万向节的润滑脂是由矿物油和含锂的皂制成（Fish和Cole）。因为三脚式等速万向节通常应用于传动轴的内侧关节，它设计的结构能够吸收振动。为了提高三脚式万向节润滑脂的抗摩擦磨损性能，添加抗磨损添加剂并使用摩擦修复器。同样，为了提高润滑脂抗氧化和抗腐蚀性能，添加抗氧化剂和抗腐蚀剂。球笼式等速万向节的润滑脂也是由矿物油和含锂的皂制成（Fish和Cole）。然而，与三脚式万向节的润滑脂不同，它需要更高的负荷抗性，因为它应用于外部关节。因此，为了增加它的负荷抗性，经常添加抗压添加剂来保证球笼式万向节润滑脂的耐久性。
这这次实验，为了分析等速万向节润滑脂的降解，选用了来自现代汽车公司容量为1.8L和2.0L的索纳塔汽车的等速万向节，这些汽车都是规则驱动的，用于三脚式万向节的润滑脂大约为130g，用于球笼式万向节的润滑脂大约为80g。用于实验的润滑脂总量三脚式和球笼式万向节一共大约25g。三脚式万向节由密封罩、三轴架和润滑脂组成，球笼式万向节由密封罩、球状体、内部的簇、外笼和油脂组成。润滑脂都是从三脚式和球笼式万向节分裂的密封罩中采样。图2显示的是三脚式和球笼式万向节密封罩润滑脂采集的地方。从三脚式和球笼式万向节采集的油脂用里程来表示，并且表格1展示了以规则驱动方式的4种润滑脂的数量分类。
图2 等速万向节密封罩：（a）三脚式万向节密封罩（b）球笼式万向节密封罩
表格1 等速万向节基于里程的样本数量表
润滑脂降解特性分析
为了以里程的方式测量润滑脂的降解，首先需分析被采样三脚式和球笼式万向节润滑脂的物理性能。使用渗透仪和红外光谱仪来分析等速万向节润滑脂在不同行驶里程下的性能变化。渗透仪通过测量润滑脂的渗透性来评估其刚性，并且10g的样品就足够了。渗透是测量润滑脂黏度的一种方法。低渗透值意味着高黏度，高渗透值意味着低黏度。使用的测试方法是ASTM D217，实现润滑油的锥进渗透。渗透仪被设置为25℃的实验条件温度。通过对润滑脂的未加工渗透度的测定，分析了它的刚度变化。图3显示了三脚式和球笼式万向节润滑脂的渗透测量结果。在图3中，x轴代表汽车行驶里程，y轴代表渗透值。三脚式和球笼式万向节润滑脂分别在图中以三角形和圆形表示。结果显示在较长里程行驶中，三脚式和球笼式万向节的润滑脂的渗透值都增加了。从三脚式和球笼式万向节润滑脂获取的P的渗透值显示了渗透数据的可靠性。三脚式和球笼式P点渗透值分别为0.003和0.047。由于两处的数值小于0.05，渗透数据被证明是可靠的。渗透值与刚度之间的关系明显显示了刚度随着里程增加而降低。
图3 三脚式和球笼式等速万向节润滑脂基于里程的渗透值
红外光谱仪用于测试是否有润滑脂被氧化了，它显示了氧化程度和化学性能。红外光谱仪被初始化的测量范围在400-4000cm-1，扫描次数为16，分辨率为4cm-1。这个测试是为了研究等速万向节润滑脂基于行驶里程的氧化程度。峰值在1150-1750cm-1表示润滑脂被氧化了。图4显示了三脚式和球笼式的氧化程度，x轴表示行驶里程，y轴表示氧化程度。
图4 三脚式和球笼式等速万向节润滑脂基于里程的氧化程度
图4显示三脚式氧化程度比球笼式更低。为了评估氧化数据的趋势，P数值是确定的。获取的三脚式和球笼式P数值分别为0.537和0.32。这些数据不在可靠的测试标准之中，所以来自三脚式和球笼式万向节润滑脂的氧化程度数据的趋势没有证明。然而，三脚式万向节润滑脂的氧化程度随行驶的里程呈现一直增长的趋势。
红外光谱仪也被用于分析含增稠剂的润滑脂。图5显示了未使用的三脚式和球笼式万向节润滑脂的红外图。一般而言，成分为Li-soap的峰值为1580cm-1。在图5a和5b获取的峰值三脚式和球笼式万向节润滑脂都是1592cm-1，因此在它们中的增稠剂是Li-soap。三脚式和球笼式万向节润滑脂中的基础油是用折射测试仪测量的。为了测量折射率，用折射测试仪使光穿过润滑脂。矿物油的折射率在1.48-1.50之间。从测量的结果，三脚式万向节润滑脂的折射率 为1.4812，球笼式万向节润滑脂的折射率为1.4883。因此，三脚式和球笼式万向节润滑脂的基础油被认为是矿物油。
图5 红外光谱图：（a）三脚式万向节润滑脂（b）球笼式万向节润滑脂
润滑脂降解表现分析
为了评估由于润滑脂降解导致的性能下降，选用了三脚式和球笼式万向节润滑脂作为样品，使用四球磨损测试仪、SRV和PDSC进行测试。四球磨损测试仪用来测量等速万向节润滑脂在不同行驶方式下的磨损痕迹。四球磨损测试仪使用的测试方法是ASTM D2266，用来测试各种特性的润滑脂。四球磨损测试仪置初始条件为：75℃的温度，1200rpm的转速，加载40kg。通过该仪器测量磨损痕迹的大小，也就是磨损长度和高度的平均值。图6显示了典型的三脚式万向节润滑脂的样本磨痕。图6a显示了三脚式万向节润滑脂在45000公里后的磨痕，图6b显示了其在18万公里后的磨痕。对比图6a和6b，当等速万向节经历更长的行驶里程，三脚式万向节润滑脂的磨痕会变得更大和更没有规则。
图6 磨痕典型样本：（a）45000km的三脚式万向节润滑脂（b）180000km的三脚式万向节润滑脂
图7显示了三脚式和球笼式万向节润滑脂基于里程的磨痕测量结果。结果表明，随着行驶里程的增加，球笼式万向节润滑脂的磨痕大小增加，而三脚式万向节润滑脂的磨痕几乎不变。从四球磨损测试仪结果可知，三脚式润滑脂比球笼式万向节润滑脂有更好的耐磨性。相对于图6，添加有抗磨损添加剂的三脚式万向节润滑脂有更好的性能。通过统计数据分析来获取P值。三脚式和球笼式万向节润滑脂的P值分别为0.601和0.479。由于可靠的标准值大约是0.05，数据分布在一个大的范围内。所以，P值显示三脚式和球笼式万向节润滑脂的可靠度没有证明。然而，三脚式万向节润滑脂的磨痕数据被证实随着行驶里程呈上升趋势。
图7 三脚式和球笼式万向节润滑脂的磨痕
在测量磨痕后，用SRV测量摩擦系数，以评估摩擦性能。SRV测试仪测试的方法为ASTM D5707，用来测量润滑脂的摩擦和磨损性能。SRV测试仪被置初值为：75℃的温度，加载200N，50Hz的频率。以里程的方式测量了摩擦阻力对降解的影响。图8显示了三脚式和球笼式万向节润滑脂相对于里程的摩擦系数数据。当行驶里程增加时，球笼式万向节润滑脂的摩擦系数增加，而三脚式万向节润滑脂的摩擦系数几乎不变。由SRV测量结果显示，三脚式润滑脂比球笼式万向节润滑脂有更好的摩擦性能。可以理论上认为，三脚式万向节润滑脂摩擦性能好是由于它里面的摩擦改良剂。从摩擦系数数据获取的P值三脚式和球笼式万向节润滑脂分别为0.823和0.478。由于P值比0.05的标准值高，摩擦系数数据的趋势无法通过数据证明。
图8 三脚式和球笼式万向节润滑脂的摩擦系数
最后，为了测量三脚式和球笼式万向节润滑脂基于里程的氧化诱导时间，使用了PDSC测试仪。PDSC测试仪使用ASTM D5483的测试方法测试润滑脂的氧化诱导时间。PDSC测试仪设置：190℃的温度，3.5MPa的压强。PDSC是在一个恒定的温度过程中测量的，在这个过程中早期的氧化诱导时间被打破，更早期的润滑脂的耐热性得到了证实。因此氧化诱导时间和耐热性相关，并且耐热性是可以分析的。图9显示了三脚式和球笼式万向节润滑脂基于里程的氧化诱导时间数据。很明显，三脚式万向节润滑脂的氧化诱导时间比球笼式万向节润滑脂的短。一般而言，球笼式万向节比三脚式万向节产生更多热量，因为球笼式万向节内部有更多的接触点。因此，球笼式万向节制造比三脚式更具有耐热性。所以，球笼式万向节润滑脂的热分解时间比三脚式万向节润滑脂更长。PDSC结果明显显示，球笼式万向节润滑脂比三脚式万向节润滑脂有更好的耐热性。据推测，三脚式万向节润滑脂的抗氧化添加剂有良好的抗热性能。接下来，获取氧化诱导时间的P值。三脚式万向节润滑脂的P值是0.006低于0.05，即它的数据被证实。然而，球笼式万向节润滑脂的P值是0.323高于0.05，所以它的氧化诱导时间趋势无法用数据证明。
图9 三脚式和球笼式万向节润滑脂的氧化诱导时间
结论
用渗透仪和红外光谱仪进行了基于里程的等速万向节润滑脂的性能分析。渗透仪用于获取三脚式和球笼式万向节润滑脂的渗透值。三脚式和球笼式万向节润滑脂随着行驶里程的增加渗透值增加，很明显润滑脂的刚度降低了。红外光谱仪用于测量三脚式和球笼式万向节润滑脂的氧化程度。从图4的结果可知，三脚式和球笼式万向节润滑脂基于行驶里程温度氧化程度都有所增加。这说明随着行驶里程的增加三脚式万向节润滑脂的氧化程度比球笼式低。润滑脂的化学性能是用红外光谱仪和折射测试仪测试的。三脚式和球笼式万向节润滑脂的基油被鉴定为矿物油，并且增稠剂被鉴定为Li-soap。在等速万向节润滑
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