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本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
翻譯資料
中文題目：發(fā)展中的新一代輪軸流動性：第一部分—測量輪軸齒輪潤滑油耐久力和溫度減少量裝置的試驗方法
英文題目：Developing Next Generation Axle Fluids :Part 1—Text Methodology to Measure Durability and Temperature Reduction Properties of Axle Gear Oils
學(xué)生姓名：邊旭
學(xué) 號：14020931
班 級：140209班
專 業(yè)：機械工程及自動化
指導(dǎo)教師：李風(fēng)
發(fā)展中的新一代輪軸流動性：第一部分—測量輪軸齒輪潤滑油耐久力和溫度減少量裝置的試驗方法
摘要：
近幾年來，輕型卡車和運動實用車輛（SUV`s）美國是異常地流行，但是這種轉(zhuǎn)變給大型客車的齒輪潤滑油提出了新的要求。在美國北部，汽車制造商所面對的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是在保證汽車一定耐久力的前提下，滿足政府的燃料節(jié)約要求。齒輪潤滑油必須能夠提供長時間的耐久力，并且能夠?qū)囟冗M行操控，以便在惡劣的條件下，既能保持燃料效率又能增加設(shè)備的使用壽命。
這篇論文描述了在整個范圍內(nèi)輕型承載輪軸的發(fā)展。它模擬了多種不同的駕駛條件，以便根據(jù)齒輪潤滑油公式來測量溫度的減少。這里介紹的工作略述了一種試驗方法論，既在考慮由于磨損和試驗條件不同的情況下，對幾種齒輪潤滑油公式進行了對比。試驗結(jié)果是從多種不同的輪軸結(jié)構(gòu)和裝載條件下獲得的。這種試驗方法論表明：當(dāng)對比試驗結(jié)果時，如果遇到惡劣的條件，考慮輪軸變化的重要性。
介紹：
過去的幾年里，在北美的社會生活中，再次興起了提高輕型卡車和使用運動車（SUV`s）燃油節(jié)約效率的要求。汽車制造商們也把提高燃油效率作為他們改革汽車的一個戰(zhàn)略性目標。基于這一點，廠家們生產(chǎn)齒輪潤滑油時的目的就是希望能夠幫助應(yīng)用其潤滑油的設(shè)備改善燃油節(jié)約的狀況。
這項任務(wù)看似簡單，實際并不是這樣。除了節(jié)約燃油外，人們還需要齒輪潤滑油能夠在不同的壓力條件下保護輪軸構(gòu)件。這些不同條件包括高速磨傷、低速重載磨損、腐蝕和氧化。在輕型卡車和賽車中，齒輪潤滑油必須能夠提供常時間的耐久力，并能夠在極端的條件下實現(xiàn)對溫度的控制，例如拖車的牽引支架或超高速的行駛。但是為了延長周期而使溫度升高，相反也會影響裝置材料并且減少了薄膜厚度的流動性。這些都會導(dǎo)致設(shè)備過早失效。以我們的觀點，溫度的控制是耐久力的一個重要的指標。
然而，現(xiàn)在節(jié)約燃料已經(jīng)成為了新一代潤滑油的一個新的驅(qū)動力。任何燃料節(jié)約方面的改善都不可以犧牲輪軸耐久力或性能，這一點已經(jīng)越來越明顯。
提高燃料節(jié)約率可以通過U.S. EPA 55/45操縱循環(huán)來測量。汽車制造商通過這種試驗來保證汽車的節(jié)能性能。這種試驗同樣也可以用于檢驗齒輪潤滑油的節(jié)能效果。
許多制造商都感覺到在合適的可控的條件下，穩(wěn)定工作溫度在是不同的條件下潤滑油耐久力性能的一個重要指標。在估計工作溫度的條件下，是沒有試驗方法或方法論的。當(dāng)在實驗室里應(yīng)用時，可以通過反復(fù)試驗同規(guī)格的輪軸的強度來評估許多種潤滑油，這是一個典型的試驗。
在惡劣的條件下，每次用在輪軸上的給定參考潤滑油的穩(wěn)定工作溫度都會降低。隨著輪軸運轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，給定潤滑油的穩(wěn)定工作溫度都會有所降低。這在評估候選潤滑油時又造成了新的問題。伴隨著這個變化的目標，怎樣才能精確地評估潤滑油的指標呢？
這篇論文描述了一種實驗室的測試方法。這種方法考慮了各種試驗間相互影響對輪軸造成的改變，并且給出了精確的比較試驗結(jié)構(gòu)的潤滑油公式。另外，論文也對這種方法的一些共同的缺陷和操作指導(dǎo)方針做出了解釋。
這篇論文被分為四部分。第一部分，描述了這種試驗臺的發(fā)展及應(yīng)用的程序；第二部分，詳細討論了試驗方法論；第三部分，通過運用這種試驗方法得出結(jié)論；最后，第四部分總結(jié)了論文的發(fā)現(xiàn)并且給出了一些結(jié)論。
第一部分—輪軸實驗臺結(jié)構(gòu)
研究人員設(shè)計了能夠測量整體范圍的輪軸功率計實驗臺，并且建立了用于模擬多種操縱的條件。圖1是這種實驗臺的示意圖。這個圖表闡明了輪軸的索具設(shè)備和它的主要組成部分。實驗臺示意圖見圖2。
圖1 輪軸實驗臺示意圖
圖2 實驗臺照片
實驗臺配置—動力是通過以汽油為燃料的7.4升V8引擎提供給輪軸的。引擎能夠承受重載，有4種速度的自動變速傳動。這就可以通過獲得的數(shù)據(jù)來進行速度的自動轉(zhuǎn)換并且來控制（DAC）系統(tǒng)。用于評估潤滑油性能的輪軸是嚴格地被固定在實驗臺上的。驅(qū)動輪軸的能量是被兩個空氣旋渦流功率計吸收的。在輪軸的末端和功率計之間放置了一個加速器，這樣可以獲得較高的輸出速度，來代替輸入功率計的較低速度。目前，習(xí)慣上用的實驗臺是柔性的，并且配有一個能夠迅速變化的扭矩測量儀?；蛘哒f從小型客車輪軸到大型高速公路運貨車輪軸，輪軸工具夾可以適應(yīng)很大范圍的輪軸型號。
扭矩測量儀—連在驅(qū)動軸上的單線整體式扭矩測量儀能夠測量由小齒輪輸入輪軸的扭矩。利用兩個扭矩測量儀可以測量由輪軸輸出到功率計的扭矩。在輪軸軸端和速度加速器之間也放置了一個輸出扭矩測量儀。
另外，常用的扭矩測量儀是提高了精確度的直流操縱模型。這樣可以提高并保持一個高的精度等級，還可重復(fù)精度性。為了保證測量的精準程度，這些扭矩測量儀是需要周期性校準的。
輪軸冷卻及溫度監(jiān)測系統(tǒng)—我們在輪軸的后面放置了一個風(fēng)扇，并向輪軸吹進空氣流，用以模擬在實際曠地工作臺上從輪軸測得數(shù)據(jù)相匹配。
另外，在輪軸的周圍還放置兩個噴霧水管，他們可起到兩個作用。第一，當(dāng)輪軸停止運轉(zhuǎn)時，噴霧水管可以控制潤滑油的溫度。第二，它們對輪軸潤滑油的高溫可起到保護作用。根據(jù)潤滑油的評估結(jié)果，這個試驗程序具有承受較高輪軸潤滑油的溫度的能力。為了保護輪軸，在每個實驗臺邊都標有最高溫度的極限。
另一個主要問題是對周圍空氣以及輪軸潤滑油溫度的測量。因此，我們必須注意熱電偶的放置位置。輪軸潤滑油溫度是通過直接放置在輪軸環(huán)狀齒輪邊的一個熱電偶來測量的。熱電偶是通過臨時改造的輪軸蓋子放在那里。在由風(fēng)扇產(chǎn)生的空氣流中，周圍溫度是通過放置在那里的熱電偶測得的，為了保證精確的溫度測量結(jié)果，兩個熱電偶都需要進行周期性的校準。
獲得數(shù)據(jù)及控制系統(tǒng)—ADAPT/MRTP數(shù)字信號系統(tǒng)用于操控實驗臺并且通過試驗獲得結(jié)果。除了周圍環(huán)境和潤滑油的溫度，這套系統(tǒng)還可以監(jiān)控并記錄其它試驗結(jié)果，如溫度（發(fā)動機油、傳動機油、齒輪箱、燃料及冷卻劑溫度等），扭矩（一個輸入及兩個輸出扭矩），速度（發(fā)動機、小齒輪、輪軸桿）以及輪軸效率（輸出扭矩與輸入扭矩比）。這些數(shù)據(jù)都是需要研究人員周期性記錄的。
這個系統(tǒng)是通過5個控制回路來控制實驗臺的。
用兩個控制回路來維持小齒輪所需要的速度。通過調(diào)整功率計的電流來達到每個小齒輪所需轉(zhuǎn)速。
通過調(diào)整發(fā)動機來維持加在小齒輪上的負載。
第四個控制回路用來控制輪軸在停止運轉(zhuǎn)時的輪軸潤滑油溫度。在評估潤滑油時，還可以用這個回路防止高溫損壞輪軸。
最后，第五個控制回路可以保證自動傳輸裝置通過實驗臺上每一個合適的齒輪。
自動傳動裝置要能恰當(dāng)能夠地控制的小齒輪，這一點是非常重要的。在此試驗的某些階段，運行處于重載狀態(tài)。在給定的試驗階段中，如果傳動沒有控制在合適的小齒輪上，就會產(chǎn)生早期失效。
第二部分—試驗方法
一般說來，對于潤滑油耐久力的評估是通過對確定其穩(wěn)定工作溫度和輪軸效率來評定的。這些評定是在一些不連續(xù)的速度扭矩條件下進行的。參考機油----相關(guān)機油是這個試驗方法論的關(guān)鍵。在這個試驗程序的編制以及對潤滑油的評估中，應(yīng)用了兩種相關(guān)機油。其參數(shù)如下：
優(yōu)質(zhì)潤滑油：人造SAE75W-140
劣質(zhì)潤滑油：人造SAE75W-90
這種優(yōu)良的參考機油在多種惡劣的使用條件下已經(jīng)顯示出了顯著的工作性能。在惡劣環(huán)境條件的試驗中，這種機油在降低溫度方面的功能十分突出，它用于輪軸的暫停運轉(zhuǎn)條下，并且在一給定的輪軸上進行周期性地試驗，以次來追蹤在穩(wěn)定工作溫度方面發(fā)生的任何改變。
低質(zhì)潤滑油同樣可以用于野外試驗，但與優(yōu)質(zhì)潤滑油相比，它不能提供相同水平的耐久力，在惡劣條件下減少溫度升高的能力也不如優(yōu)質(zhì)潤滑油。然而，試驗表明，這種潤滑油在節(jié)約燃料方面的貢獻卻更突出。這種參考機油用于核實區(qū)分在野外提供不同性能的機油的試驗程序。
輪軸斷裂—輪軸在用于評估潤滑油之前要進行一個斷裂試驗。這個試驗在一系列被控制的負載和速度條件下進行的。通過斷裂試驗程序（這里敘用溫度不得超過250°F，即121°C），可以確定輪軸潤滑油溫度。優(yōu)質(zhì)參考機油可以用于斷裂試驗。
試驗階段—在斷裂試驗之后，可以通過確定穩(wěn)定工作溫度及在五種不同速度和負載的組合下來評估備選潤滑油的性能。
表1五種試驗條件
試驗階段
通常條件
相關(guān)條件
1
高轉(zhuǎn)矩/低轉(zhuǎn)速
重載-加速
2
中等轉(zhuǎn)矩/高轉(zhuǎn)速
高速-平整路面
3
中等轉(zhuǎn)矩/中等偏高轉(zhuǎn)速
重載-平整路面
4
中等偏高轉(zhuǎn)矩/中等轉(zhuǎn)速
重載-中級
5
高轉(zhuǎn)矩/中等偏下轉(zhuǎn)速
重載-高級
每一負載試驗階段都要進行潤滑油的穩(wěn)定工作溫度點為止。這一般喲啊進行1.5到2.5個小時。一旦達到了穩(wěn)定工作溫度，下一階段試驗便開始了。直到評估了所有試驗階段，這個循環(huán)才能停止。在每個試驗階段結(jié)束時，記錄周圍空氣溫度，穩(wěn)定的潤滑油溫度以及穩(wěn)定的輪軸效率。
周圍空氣溫度調(diào)整裝置----周圍空氣溫度的變化會影響輪軸潤滑油的穩(wěn)定工作溫度，這一點已經(jīng)可以觀察到。由于這種試驗方法是在實驗室里進行的，這里周圍空氣溫度可能會發(fā)生變化，所以必須考慮周圍空氣溫度的變化。將輪軸潤滑油的溫度作適當(dāng)調(diào)整以適應(yīng)周圍空氣的變化是按下述等式進行的：
這里，----由于周圍空氣而修正的潤滑油溫度（°F）
----測得的潤滑油溫度（°F）
----測得周圍空氣的溫度（°F）
在應(yīng)用下述方法論之前，要根據(jù)周圍空氣溫度的不同來調(diào)整輪軸潤滑油的溫度。
相關(guān)溫度變化—隨著在輪軸上的試驗數(shù)目的增加，對于給定的任意單一油源的負載條件下，穩(wěn)定工作溫度會有所降低。這一實際情況給備選潤滑油有提出了新的難題。
過去為了解決這個問題，可以周期性地測試參考機油，并將備選機油的試驗結(jié)果與參考機油的實驗結(jié)果進行了對比。然而，如果每次試驗后，和上次參考結(jié)果相比都有所降低，那么實際上，備選機油比參考機油更好。
圖3表明了在輪軸上測試優(yōu)質(zhì)機油時，在五種不同階段條件下穩(wěn)定工作溫度的變化。對于這個試驗程序，這種趨勢會發(fā)生在所有五種試驗階段。
圖3試驗輪軸的優(yōu)質(zhì)參考既有在五種不同試驗階段條件下的穩(wěn)定工作溫度
參考目標溫度—為了能夠在參考機油與備選集中有之間做出較正確的比較，用于比較的參考機油的穩(wěn)定工作溫度需要按照輪軸運轉(zhuǎn)次數(shù)進行調(diào)整。調(diào)整的參考機油溫度或稱為“參考目標溫度”可以與備選機油穩(wěn)定工作溫度進行比較。
基于參考試驗數(shù)據(jù)，考慮隨著在輪軸上的測試轉(zhuǎn)速的增加而使參考穩(wěn)定工作溫度的減少量，可獲得每一試驗階段的等式。對于每一根被測試的輪軸都需要做這樣的工作。一旦生成恰當(dāng)?shù)墓剑瑐溥x機油結(jié)果能夠與參考機油性能進行精確的比較。圖4是優(yōu)質(zhì)參考機油的穩(wěn)定工作溫度在五種不同試驗條件階段的曲線。
圖4 優(yōu)質(zhì)參考機油在第5種試驗條件下的穩(wěn)定工作溫度曲線
從圖4中的等式可以看出，在每一試驗階段中，輪軸每次運轉(zhuǎn)后，參考目標溫度都可以計算出來?，F(xiàn)在，備選試驗結(jié)果就可以參考試驗結(jié)果進行精確的比較了。
另外，既然我們的比較與參考機油有關(guān)，可以通過這個方法中的公式與更多不同輪軸上的試驗獲得的結(jié)果進行精確的比較。
輪軸效率變化—隨著穩(wěn)定工作溫度的變化，在試驗輪軸上同樣的作喲功能也會產(chǎn)生在輪軸功率的測量上。輪軸效率會隨著在輪軸上進行試驗次數(shù)的增加而逐漸增加的。圖5試驗結(jié)果表明了輪軸效率的變化以及參考目標效率等式。
圖5在第二階段條件時試驗輪軸的壽命條件下對優(yōu)質(zhì)參考機油穩(wěn)定輪軸效率的評估
在試驗的每一階段，穩(wěn)定輪軸效率與穩(wěn)定工作溫度都是成反比的。這一點在我們的試驗程序中已經(jīng)得到了證明。效率越高，工作溫度就越低。因此，這篇論文中闡述的方法論是可以應(yīng)用與兩者的。
重復(fù)試驗的估計—我們可以從在每個輪軸上的參考試驗結(jié)果來估計試驗的重復(fù)性。這是通過比較給定試驗階段的輪軸的每個參考試驗中實際穩(wěn)定工作溫度與計算參考目標溫度的不同來完成的。例如，在圖4中，第五階段條件計算出的試驗重復(fù)性是5.9°F。而根據(jù)在實驗階段運行中，對輪軸和潤滑油的測試中，我們估計這個重復(fù)性是在0.5到8.0°F范圍內(nèi)。
任何給定輪軸的試驗重復(fù)性都受到試驗備選機油質(zhì)量很大影響。若在試驗中采用質(zhì)量差的機油，將對試驗輪軸的結(jié)果產(chǎn)生影響。這里額外介紹了實驗臺之中的可變性。因此，為了達到最小的變化程度，在運行中采用高質(zhì)量的機油是十分重要的。
第三部分—試驗結(jié)果
這篇論文所呈現(xiàn)的試驗結(jié)果主要論證了這種試驗程序的有效性。這個試驗程序是作為惡劣的工作條件下，檢驗潤滑油減少溫度升高的能力。這部分主要分成三個小部分來闡述。
野外試驗相關(guān)性—試驗階段的數(shù)據(jù)是要比野外試驗數(shù)據(jù)早些得到。為了模擬車輛實際的運行環(huán)境我們設(shè)計了這個實驗臺。我們將實驗臺上獲得的結(jié)果與野外工作獲得結(jié)果進行比較，然后對實驗臺上輪軸氣流系統(tǒng)進行修改直到輸出結(jié)果與野外試驗結(jié)果一致。對在野外試驗車輛和實驗臺上的已知機油進行比較。在這個試驗里，我們將優(yōu)質(zhì)機油和劣質(zhì)機油都進行了這方面的比較測試。
比較方法差異—從上述等式看出，每次試驗運行結(jié)果的參考目標溫度都可以計算出來。圖6表明了參考目標方法在機油評估方面的改進，以及兩種等式方法之間的比較。
兩種方法比較了在單次試驗階段中優(yōu)質(zhì)機油的備選試驗結(jié)果。
方法1是將備選的機油的穩(wěn)定潤滑溫度與上一個參考機油穩(wěn)定溫度結(jié)果進行比較。
方法2是將備選機油穩(wěn)定潤滑溫度與經(jīng)備選輪軸運轉(zhuǎn)次數(shù)所得的目標溫度進行比較。
圖6兩種數(shù)據(jù)等式方法的比較
第四部分—概要
關(guān)于這篇論文中描述的試驗方法論的應(yīng)用實現(xiàn)了在惡劣條件下，對齒輪潤滑油更多精確的評估。當(dāng)遇到惡劣的工作狀況時，應(yīng)用這些技術(shù)需要首先介紹能夠提供一定耐久力性能的高質(zhì)量潤滑油。
試驗結(jié)果表明在評估潤滑油質(zhì)量時這種試驗方法的可行性。就像由U.S. EPA 55/45所測得的駕駛循環(huán)在惡劣的工作環(huán)境也提供一定的耐久力一樣，我們希望這種試驗程序在發(fā)展燃料推進潤滑方面也可以發(fā)揮作用。