齒輪在工業(yè)領域中的應用非常廣泛，齒輪的傳動效率直接關系到能耗和經(jīng)濟效益，因此齒輪油對工業(yè)齒輪傳動效率的影響越來越受到人們的重視。就基礎油，運動黏度和有機摩擦改進劑對齒輪傳動效率的影響進行了研究。與礦物齒輪油相比，聚α-烯烴合成齒輪油的牽引系數(shù)小，可以提高齒輪1.0%~8.0%的傳動效率，齒輪油的運動黏度與齒輪的功率損失呈正相關，低黏度齒輪油有助于提高齒輪的傳動效率，使用含有機摩擦改進劑的齒輪油可有效地降低齒輪油的摩擦因數(shù)約 25%，可起到降低能耗和提升齒輪傳動效率的作用。使用聚 α-烯烴合成齒輪油，低黏度齒輪油及含有機摩擦改進劑的齒輪油是提高齒輪傳動效率的有效途徑。

　　進入21世紀，經(jīng)濟發(fā)展與能源短缺矛盾尤為突出，在不斷開發(fā)可再生能源的同時，需要進一步減少現(xiàn)有工業(yè)領域的能源消耗。齒輪傳動在工業(yè)領域中的應用非常廣泛，齒輪的傳動效率直接關系到設備能耗和經(jīng)濟效益，越來越受到人們的重視。

　　在汽車領域，技術人員嘗試對車輛的所有部件進行優(yōu)化，包括減輕車體重量及優(yōu)化發(fā)動機效率等，以實現(xiàn)更低的燃料消耗。在車輛傳動系統(tǒng)中，雖然變速箱和后軸的絕對效率已經(jīng)很高，但減少動力系統(tǒng)末端的功率損失對整體優(yōu)化有很大的幫助，例如在變速箱中節(jié)省1kW 的能耗就意味著可減少4kW 的燃料消耗。因此進一步提升齒輪箱的傳動效率，不僅在汽車變速箱中很重要，在工業(yè)減速箱中也很有必要。以5MW 的風力發(fā)電機為例，其齒輪箱中有8個以上的齒輪和12個以上的軸承部件，如果齒輪傳動能耗減少50%，每臺風力發(fā)電機組將增加200kW的電力輸出。

　　為了降低齒輪的傳動能耗，國外多選用具有優(yōu)異摩擦學性能的節(jié)能型齒輪油，且取得了顯著的節(jié)能效果。節(jié)能型齒輪油有三種類型：一是低黏度的齒輪油;二是高黏度指數(shù)的齒輪油(主要是合成油);三是含有有機摩擦改進劑的齒輪油。國際上普遍采用低黏度多級齒輪油并輔以有機摩擦改進劑，使齒輪傳動裝置處于既有彈性流體潤滑又有邊界潤滑的混合潤滑狀態(tài)，此混合潤滑狀態(tài)具備較好的節(jié)能效果。

　　隨著現(xiàn)代齒輪技術的不斷發(fā)展，齒輪傳動裝置向著體積小、重量輕和效率高的方向發(fā)展，工業(yè)齒輪油的技術規(guī)格也推陳出新，對質量的要求不斷升級，對齒輪油傳動能效的性能要求也越來越高。因此研究齒輪油對工業(yè)齒輪箱傳動效率的影響，為齒輪傳動匹配高效的工業(yè)齒輪油將有助于降低能耗，實現(xiàn)國民經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展。

　　1 齒輪傳動效率的測定方法

　　齒輪箱的傳動效率一般采用《齒輪裝置效率測定方法》：GB/T 14231方法來測定，該方法適用于測定具有單獨箱體的閉式齒輪裝置的傳動效率，不適用于特殊的或輔助性的齒輪裝置，如與齒輪傳動裝置連成一體的壓縮機、泵、發(fā)動機以及不以傳遞動力為主要目的的齒輪裝置等。

　　《齒輪裝置效率測定方法》：GB/T 14231方法包括直測功率法和損失功率法。一般當齒輪裝置輸入輸出兩軸線位于同側平行且效率高于或等于 98% 時，應優(yōu)先采用損失功率法來測定齒輪的傳動效率;當不能采用損失功率法時，若設計效率不高于98%，或者具備高精度的測試設備時，也可采用直測功率法來測定齒輪的傳動效率。

　　直測功率法是將齒輪裝置安裝在兩臺轉矩轉速傳感器之間，然后采集傳感器測得的相關數(shù)據(jù)，計算齒輪的傳動效率，見圖1。

　　圖1 直測功率法

　　直測功率法測定齒輪裝置效率(η)的計算公式見公式(1)。

　　其中T_輸出為傳感器2測得的輸出軸轉矩，單位N·m;T_輸入為傳感器 1 測得的輸入軸轉矩，單位 N ·m;n_輸出為傳感器2測得的輸出軸轉速，單位r/min;n_輸入為傳感器1測得的輸入軸轉速，單位r/min。

　　損失功率法是通過測定齒輪裝置的損失功率來確定齒輪裝置的傳動效率，其測定是在封閉試驗臺上進行的，見圖2。

　　圖2 損失功率法

　　損失功率法中被測齒輪裝置的傳動效率(η)按 公式(2)計算。

　　其中T₁為傳感器1測得的轉矩，單位N·m;T₂為傳感器2測得的轉矩，單位N·m;n₁為傳感器1測得的轉速，單位r/min;n₂為傳感器2測得的轉速，單位r/min;ξ=0.5×(T₁×n₁)÷(T₂×n₂ )，為齒輪裝置傳動效率的損失率，即齒輪裝置的損失功率與輸入功率之比。

　　由于不同工業(yè)齒輪油自身組分的差異，其摩擦學性能各異，可用傳動效率試驗機測定工業(yè)齒輪油的傳動效率，為齒輪裝置選油用油提供參考。

　　2 齒輪油對齒輪傳動效率的影響

　　基礎油的影響：用 PAOs(聚 α-烯烴)基礎油和相同的工業(yè)齒輪油復合劑(復合劑H)調配了4個黏度等級為320號的工業(yè)齒輪油(分別以齒輪油A，齒輪油B，齒輪油C 和齒輪油D表示)，其典型理化性能見表1。

　　表1 320號工業(yè)齒輪油樣及參比油的典型理化性能

　　表1 中參比油Ⅰ和參比油Ⅱ的基礎油分別是 API Ⅰ類基礎油(礦物油)和 API Ⅴ類基礎油(非 PAOs合成油)，添加的也是復合劑H。

　　從表 1 中可以看到，4 個齒輪油和 2 個參比油的剪切安定性不同，這是因為添加的黏度指數(shù)改進劑不同的緣故，齒輪油 A 添加的是TA黏度指數(shù)改進劑，齒輪油B是TD黏度指數(shù)改進劑，齒輪油C是TC黏度指數(shù)改進劑，齒輪油D也是添加的TA黏度指數(shù)改進劑;參比油Ⅰ中沒有添加黏度指數(shù)改進劑，參比油Ⅱ添加的是TSC黏度指數(shù)改進劑。所有油樣均滿足《工業(yè)齒輪潤滑》：AGMA 9005-F16—2016 技術規(guī)格。

　　Basu等用MTM(Mini-Traction Machine，微牽引力試驗機)和齒輪箱傳動效率測定裝置分別對表1中油樣的摩擦學性能及傳動效率進行了測定，考察了基礎油對齒輪傳動效率的影響。

　　圖3和圖4分別是在40 ℃和100 ℃溫度下用MTM測定的齒輪油的牽引系數(shù)隨滑動比的變化曲線。

　　圖3 40 ℃時齒輪油牽引系數(shù)隨滑動比的變化　　

　　圖4 100 ℃時齒輪油牽引系數(shù)隨滑動比的變化

　　從圖 3 和圖 4 中可以看到，在 40 ℃溫度下，齒輪油 A 的牽引系數(shù)最小，參比油Ⅰ的牽引系數(shù)最大;在 100 ℃溫度下同樣如此，齒輪油 A 的牽引系數(shù)最小，參比油的牽引系數(shù)最大，且溫度升高后齒輪油A與參比油Ⅰ的牽引系數(shù)差值變大，即使溫升后參比油Ⅰ的運動黏度小于齒輪油 A 也對牽引系數(shù)沒有影響。

　　圖5是圓柱斜齒輪傳動效率試驗裝置。

　　圖5 圓柱斜齒輪傳動效率試驗裝置

　　用圖 5 的傳動效率試驗裝置和直測功率法比較了牽引系數(shù)較小的齒輪油(齒輪油 A 和齒輪油 B)與牽引系數(shù)較大的齒輪油(參比油Ⅰ)的傳動效率的差異。

　　圖6是齒輪油A，齒輪油B和參比油Ⅰ在40 ℃，高扭矩條件下齒輪從低轉速到高轉速的傳動效率。

　　圖6 40 ℃高扭矩下齒輪的傳動效率區(qū)間

　　從圖 6 中可以看到，在 40 ℃溫度下，從低轉速到高轉速，3種齒輪油的傳動效率均在93%以上(斜齒輪的傳動效率較高，在90%以上)，且齒輪油A和齒輪油B的傳動效率均高于參比油Ⅰ約1.0%，說明合成齒輪油(PAOs)可以小幅提高齒輪的傳動效率。

　　圖 7 是齒輪油 A，齒輪油 B 和參比油Ⅰ在高扭矩下齒輪油的溫度隨齒輪從低轉速到高轉速的變化情況。

　　圖7 高扭矩下齒輪油溫度隨轉速的變化

　　從圖 7 中可以看到，不論是低轉速還是高轉速，參比油Ⅰ(礦物齒輪油)的溫度始終高于用 PAOs 調配的齒輪油 A 和齒輪油 B，表明 PAOs 合成齒輪油的熱傳動效果優(yōu)于礦物油，可節(jié)省能耗。

　　由于斜齒輪有較高的傳動效率，合成齒輪油和礦物齒輪油對斜齒輪傳動效率的提升幅度有限，兩者的差別還不明顯;而蝸輪蝸桿齒輪的傳動效率一般相對較低(約60%)，因此對合成齒輪油和礦物齒輪油在蝸輪蝸桿齒輪中的傳動效率進行了考察，分別見圖8和圖9。

　　圖8 高扭矩高轉速下油溫與傳動效率的關系

　　圖9 低扭矩高轉速下油溫與傳動效率的關系

　　從圖8和圖9中可以看到，在蝸輪蝸桿齒輪中，合成齒輪油和礦物齒輪油的傳動效率相差較大，不論是在高扭矩或者低扭矩的條件下，合成齒輪油(齒輪油A和齒輪油B均為PAOs齒輪油)的傳動效率要比礦物齒輪油(參比油Ⅰ)的傳動效率高 8.0% 以上。同時還可以看到，盡管均是 PAOs 合成齒輪油，但齒輪油A的傳動效率要比齒輪油D的傳動效率高約5.0%。

　　運動黏度的影響： 前面討論了黏度等級相同(均為 VG320)的工業(yè)齒輪油的基礎油對傳動效率的影響，下面討論齒輪油運動黏度對齒輪傳動效率的影響。

　　在齒輪箱中，齒輪要對齒輪油進行攪動，會使功率有所損失。這種攪動直接與齒輪油的運動黏度有關，Terekhov就齒輪油運動黏度對齒輪功率損失的影響進行了研究，見圖10。

　　圖10 齒輪油運動黏度對于功率損失的影響

　　從圖 10 中可以看到，隨著齒輪油運動黏度的增加，齒輪的功率損失呈正相關增加，因此有效控制齒輪油的運動黏度有助于提升齒輪的傳動效率。因此在可控范圍內，工業(yè)齒輪油的低黏度化對提高齒輪的傳動效率和降低能耗大有裨益。

　　有機摩擦改進劑的影響:使用添加了有機摩擦改進劑的工業(yè)齒輪油來降低齒輪副的摩擦因數(shù)是改善齒輪傳動效率和達 到節(jié)能目的的一種有效方法。

　　目前比較認同的有機摩擦改進劑的作用機理是有機摩擦改進劑分子中的極性基團對金屬表面有很強的親和力，極性基團強有力地吸附在金屬表面形成一層保護膜，阻止金屬直接接觸，從而降低了摩擦與磨損。吸附主要分為物理吸附與化學吸附兩種，其作用機理見圖11。

　　圖11 有機摩擦改進劑的作用機理

　　有機摩擦改進劑主要通過分子間的范德華力(Vander Waals Force)或氫鍵相互作用形成致密的吸附膜，但這層吸附膜難以壓縮，而烴基在摩擦過程中很容易被剪斷，所以能夠提供較低的摩擦因數(shù)。

　　可用MTM微牽引力試驗機來測定工業(yè)齒輪油的摩擦因數(shù)以考察有機摩擦改進劑的效果，MTM 微牽引力試驗機見圖12。

　　圖12 MTM微牽引力試驗機

　　現(xiàn)有IGO 68和IGO 320兩種常規(guī)重負荷工業(yè)齒輪油，分別在IGO 68和IGO 320齒輪油的基礎上添加了1.0%的有機摩擦改進劑(OFM)，得到了IGO 68-1 和 IGO 320-1兩種含有機摩擦改進劑的齒輪油。用 MTM 微牽引力試驗機對比測定了這 4 種齒輪油的摩擦因數(shù)，見圖13。

　　圖13 MTM微牽引力試驗

　　從圖13的結果中可以看到，加入OFM后，IGO 68 和 IGO 320 的摩擦因數(shù)均下降了約 25%。因此，選用含有機摩擦改進劑的工業(yè)齒輪油可有效地降低齒輪油的摩擦因數(shù)，改善摩擦副的潤滑狀況，達到降低能耗和提升齒輪傳動效率的作用。

　　3 結束語

　　與礦物齒輪油相比，PAOs合成齒輪油的牽引系數(shù)小，可以提高齒輪1.0%~8.0%的傳動效率;齒輪油的運動黏度與齒輪的功率損失呈正相關，低黏度齒輪油有助于提高齒輪的傳動效率;使用含有機摩擦改進劑的齒輪油可有效地降低齒輪油的摩擦因數(shù)約 25%，可起到降低能耗和提升齒輪傳動效率的作用。

　　齒輪傳動裝置在鋼鐵、水泥、煤炭等眾多工業(yè)領域中有廣泛的應用，如何提升齒輪的傳動效率對節(jié)能降耗具有重要的意義。使用合成齒輪油，低黏度齒輪油及含有機摩擦改進劑的齒輪油是提高齒輪傳動效率的有效途徑。