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技术探讨
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关于润滑问题
润滑的功能

不管采用何种齿轮机构,润滑剂主要的功能是:

-减小齿轮磨损

-防止精密零件锈蚀

-齿轮散热,据估计,只有2%-3%的润滑剂是用来满足齿轮间的润滑作用,而余下的97%-98%都是充当冷却剂。

-提高齿轮效率

润滑剂一般可以有液体,脂/聚合物和固体的形式,在我们涉及到的齿轮箱中,行星减速机通常都是用脂/聚合物润滑剂润滑的。

液体润滑油一般是矿物油加上用于改善机械和化学特性的添加剂。同样,润滑脂主要有两个成份,即基础油和能通过毛细作用保持油相的稠化剂,稠化剂能以一定的速率析出润滑油以满足齿轮的润滑需要,同时能吸收多余的油,其工作机理至今不甚明了。聚合物润滑剂和润滑脂类似,由基础油和填充基体组成,但其含油量比脂更高。固体润滑一般用于真空环境和太空应用。

基础油主要有两种:矿物油和合成油。稠化剂也分为两大类:皂基类和非皂基类。皂基指的是脂肪酸和金属化合物。绝大多数商用润滑剂使用皂基类,其中锂基脂使用最广泛。非皂基类是有机物,包括尿素,

胺类,染料类,其高温性能和氧化稳定性比金属皂基类好。

一般稠化剂的温度上限为110140℃,而下限为-20℃至-30℃。这也是为什么供应商对使用温度低于-30℃十分谨慎的原因。

另一个值得特别注意的是不同的润滑剂混合可能导致不相容,使得润滑失败。如果把皂基和非皂基或者不同类型的皂基混合在一起,会造成稠度发生很大变化,不是太稠不适宜于做润滑剂,就是太稀而流失。同样,把不同基油(比如石油和硅油)的脂混合会造成两相流体而影响连续润滑,我们有时需要更换齿轮箱内的润滑脂以适应客户的特别需求,务必需要彻底清洗干净再加入新润滑脂。

对运动控制技术人员来说,这里有太多的新名词,不解释一下无法继续:

1.润滑油膜:

这是润滑理论中非常重要的概念,其实润滑理论要讨论的就是油膜的建立,维持和失效。在一定速度,载荷条件下,一对摩擦体之间存在一层油膜,将接触表面有效隔开。

2.粘度:

润滑剂的粘度是对切应力作用下液体流动阻力的一种度量,它对形成润滑油膜起到决定性作用。要注意的是,同一牌号的润滑剂,其粘度随着压力的增大呈指数增大,而随着温度的减小呈指数下降。

良好的润滑粘度有助于缓冲齿轮间的作用力以及限制运转噪音.过高粘度的润滑会导致额外的摩擦阻尼以及润滑高温特性的退化.粘度的选择取决于工作的速度

粘度是润滑最重要的特性指标,它必须是高到足够满足载荷的需求而即使在低温环境下还要保持一定的流动性。

3.倾点:

倾点与润滑剂将要开始流动的最低温度有关,这个值和低温粘度一起代表了油的耐低温特性。在低温环境下,润滑剂的倾点下限值必须要低于环境温度.通常要低5

4.闪点:

闪点指使润滑剂中的油蒸发变成可燃气体的最低温度。

5.滴点:

滴点指脂变为液体时的温度,也称熔点。

6.油膜强度:

良好的油膜强度,有助于防止金属齿轮间的接触而导致的刮痕

7.附着剂:

能帮助防止因重力或离心力作用而损失润滑,特别是在高速运动状态下

8.极压(EP):

EP润滑为重载荷齿轮提供额外的磨损?;?,特别当油膜失效时。EP润滑也可用于苛刻的(双曲面齿轮)的应用

9.极压润滑:Extreme Pressure Gear Oils (EP)

EP齿轮润滑通常被推荐于:高载荷工况下,高滑动摩擦,高功率输出条件下的正之论,螺旋伞齿轮,斜齿轮以及双曲面型的齿轮机构。

需要注意的是,EP润滑剂通常含有某些化学活性的添加剂,所以当用于重载荷的涡轮蜗杆系统时,特别要注意他对青铜或者黄铜的腐蚀。

由于EP润滑还可能包含固体悬浮物,诸如石墨或者二硫化钼等,所以EP润滑不适用于需要制动的场合。当离合(抱闸)作用是,EP润滑的化学物质会引起齿轮咬合的滑动从而导致机械机构的滑动,容易引起安全事故。

齿轮箱绝大多数的损耗来自于三个部分:润滑油()搅动损耗,密封阻力以及齿轮间的摩擦,在一定程度上这三个要素都取决于润滑。

密封圈润滑通常采用轻质油,在考虑齿轮箱润滑剂时,要注意其相容性。

我们重点来看看齿轮间的摩擦和润滑的关系。

我们知道渐开线齿形在啮合过程中并不是完全的滚动关系,同时带有微量的滑动,磨耗主要和这种滑动相关。

油膜起到分隔的作用,这种分隔可以是全部的和部分的。全部分隔是,摩擦力主要取决于接触温度和压力条件下润滑剂的性能,部分分隔时,滚动/滑动表面的波峰在边界润滑条件下相互接触。总之,在接触表面建立润滑油膜是很重要的。

20世纪60年代,引入了润滑油膜参数(相对油膜厚度)Λ,用来表示润滑膜隔开接触表面的程度。Λ≥3为完全油膜隔离。

h为油膜厚度,为两个接触表面的粗糙度均方根值。

先讨论一下不同的接触状态和油膜的关系

Stribeck曲线

斯特里白克曲线清楚显示承载表面之间的摩擦和相对油膜厚度(Λ)及润滑体系之间的关系。

参数Λ指出了在一定油膜厚度下粗糙的表面相互接触的可能性。

具体分为:

1)  边界摩檫

边界摩擦指承载面互相啮合的情况,当啮合表面的相对速度较低,而且有较大的载荷和改变运动方向时,容易有这种情况发生。

此时,应该选择含抗磨损(AW)或者极压(EP)添加剂的润滑,可以减少摩擦力。

2)  全油膜隔离下的摩擦力(Λ≥3

当润滑油膜完全隔离了两个承载面,这时没有机械与机械的接触,机械的寿命取决于润滑的纯净度,摩擦力随着油膜厚度的增加而相应增加

3)  部分油膜情况下的摩檫(Λ<3

此种情况是指当润滑油膜不足以完全隔开接触面,表面的一些凸峰会穿透油膜而彼此接触,这时油膜的厚度高于边界润滑,而介乎于边界润滑和全油膜润滑之间。

齿轮在运动过程中是一个滑动和滚动相结合的过程,这两种运动到底哪一种占据主导地位?是由齿轮的机构类型决定的

齿轮类型

特性

主导运动模式

直轮(含齿轮齿条)

非常常用,在齿轮交合与非咬合状态时呈现滑动摩擦。高速状态下可能产生高噪音

滚动

双曲面齿

除了轴中心线不相交外,双曲面齿和螺旋伞齿轮相近。此类全金属机构的传动齿轮需求特殊的润滑条件,即含有油性添加剂以及抗抱轴(antiweld)添加剂的润滑,以承受高齿压以及高摩擦速度

滑动

涡轮蜗杆

涡轮蜗杆的工作原理类似于螺钉。齿面的压力被均匀分布,因此可以选择相对摩擦系数较小的青铜作为涡轮。其润滑依靠流体膜的形成,同时需求大量的润滑以提升润滑性能以及防止金属间的接触。所以Dynabox使用液体润滑剂

滑动

螺旋齿

相对于直齿轮,更低的噪音和震动。在任何状态下,螺旋齿轮上的载荷被分布于多个齿牙从而降低齿轮磨损;但齿轮咬合时产生的轴向力需要止推轴承来消化。

滚动+滑动

齿轮的种类,特性以及润滑的注意事项

因素

需求

齿轮类型

 

1,直齿轮,伞齿;

低速滑动

2,螺旋齿

中速滑动,中高带载能力

3,双曲面齿轮

高速滑动,高载荷能力

4,涡轮蜗杆

极高滑动速度,中高带载能力

 

 

载荷能力

高载荷工业齿轮需要EP润滑,即极压(extreme pressure)润滑

表面粗糙度

表面粗糙,需要高粘度的润滑而平滑的齿轮表面仅需低粘度润滑

功率传递

随着负载的增大,粘度上升

齿轮速度

速度要求越高,粘度越低

添加剂的兼容性

有些极压润滑含有的添加剂会腐蚀黄铜,青铜类部件

温度

工业润滑粘度的选择必须要依据实际工作中的高低温条件。

润滑选择总的原则:

对齿轮箱的使用者来说,其实我们并没有很多机会来选择内部的润滑剂。我们只有在特别环境(通常是特别温度)下,以及因为高速低扭矩导致齿轮箱效率很低时,才有可能涉及,所以在这里不需要进行详细的讨论,只需要大概了解就可以了。

1)  根据齿轮箱的类型,传递功率选择润滑类型

2)  根据线速度选择润滑剂粘度,齿轮的线速度是选择润滑粘度的非常重要的因素,齿轮线速度决定了齿轮与齿轮接触的时间长短,即高的线速度对应于齿轮较轻的载荷以及较短的接触时间,对于这类齿轮,低粘度的润滑是优先选择的;而低的线速度通常对应于较高的齿轮载荷及较长的齿轮接触时间,对于这类齿轮,高粘度的润滑优先选择,当负载非常高时,应该考虑EP(极压)添加剂。

3)温度

环境和齿轮的工作温度也决定了齿轮润滑的选择。通常情况下,工业齿轮润滑的工作温度范围从50550不等,一般高于环境的温度。当在高温应用是,需要润滑具有良好的粘度,极强的抗氧化和抗起泡特性。必须要考虑非正常情况下的高温环境,润滑粘度过大,过多的润滑,非正常的过载都有可能引起温度的升高。低温应用时,需要润滑具有高流动性的同时还必须提供足够的粘度,因此,这些润滑必须具有高粘度指数和低倾点。

4)化学稳定性和抗氧化能力

防止润滑稠化以及油污的形成。特别在齿轮高速运转时,这个要求显得特别重要。

润滑选型的总览:

润滑类型

直齿轮

螺旋齿

涡轮蜗杆

伞齿

防锈抗氧化剂润滑

标配

标配

轻载荷,低速

标配

极压(EP)润滑

重载&冲击载荷

重载&冲击载荷

最常用

最常用

混合润滑油

不常用

不常用

nc

轻载荷

合成润滑

重载&冲击载荷

工作温度超过82

重载&冲击载荷

nc

润滑选择总结:

1)选择齿轮润滑剂时,需要考虑载荷,线速度,温度,齿轮的类型,齿轮表面光洁度以及应用类型.

一般情况下,高粘度的润滑通常针对于:

-高载荷

-高温度

-低速度

-齿轮表面粗糙

-涡轮蜗杆应用

EP极压润滑通常用于重载荷,中等温度环境,但不适用于黄色金属(青铜,黄铜)

2)在工业用途的粘度等级选择上,宁愿选择高一粘度等级的润滑而不要选择低一粘度等级的润滑,因为高粘度的润滑可以提供相对较高的带载能力并保持较好的油膜强度;粘度较低的润滑可能导致粘着磨损,低的带载能力以及加快齿轮的磨损.确保润滑不是非常的粘稠足以分布于各个齿轮啮合出处.

3)注意齿轮箱体的密封,控制空气中的粉尘进入壳体,至少可以减速50%的齿轮磨损

4)过量的添加润滑也不可取.过量的润滑会导致润滑气泡,齿轮过热而导致润滑的泄漏,随着时间的推移,可能产生润滑氧化.

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