齿轮在工业领域中的应用非常广泛，齿轮的传动效率直接关系到能耗和经济效益，因此齿轮油对工业齿轮传动效率的影响越来越受到人们的重视。就基础油，运动黏度和有机摩擦改进剂对齿轮传动效率的影响进行了研究。与矿物齿轮油相比，聚α-烯烃合成齿轮油的牵引系数小，可以提高齿轮1.0%~8.0%的传动效率，齿轮油的运动黏度与齿轮的功率损失呈正相关，低黏度齿轮油有助于提高齿轮的传动效率，使用含有机摩擦改进剂的齿轮油可有效地降低齿轮油的摩擦因数约 25%，可起到降低能耗和提升齿轮传动效率的作用。使用聚 α-烯烃合成齿轮油，低黏度齿轮油及含有机摩擦改进剂的齿轮油是提高齿轮传动效率的有效途径。

　　进入21世纪，经济发展与能源短缺矛盾尤为突出，在不断开发可再生能源的同时，需要进一步减少现有工业领域的能源消耗。齿轮传动在工业领域中的应用非常广泛，齿轮的传动效率直接关系到设备能耗和经济效益，越来越受到人们的重视。

　　在汽车领域，技术人员尝试对车辆的所有部件进行优化，包括减轻车体重量及优化发动机效率等，以实现更低的燃料消耗。在车辆传动系统中，虽然变速箱和后轴的绝对效率已经很高，但减少动力系统末端的功率损失对整体优化有很大的帮助，例如在变速箱中节省1kW 的能耗就意味着可减少4kW 的燃料消耗。因此进一步提升齿轮箱的传动效率，不仅在汽车变速箱中很重要，在工业减速箱中也很有必要。以5MW 的风力发电机为例，其齿轮箱中有8个以上的齿轮和12个以上的轴承部件，如果齿轮传动能耗减少50%，每台风力发电机组将增加200kW的电力输出。

　　为了降低齿轮的传动能耗，国外多选用具有优异摩擦学性能的节能型齿轮油，且取得了显著的节能效果。节能型齿轮油有三种类型：一是低黏度的齿轮油;二是高黏度指数的齿轮油(主要是合成油);三是含有有机摩擦改进剂的齿轮油。国际上普遍采用低黏度多级齿轮油并辅以有机摩擦改进剂，使齿轮传动装置处于既有弹性流体润滑又有边界润滑的混合润滑状态，此混合润滑状态具备较好的节能效果。

　　随着现代齿轮技术的不断发展，齿轮传动装置向着体积小、重量轻和效率高的方向发展，工业齿轮油的技术规格也推陈出新，对质量的要求不断升级，对齿轮油传动能效的性能要求也越来越高。因此研究齿轮油对工业齿轮箱传动效率的影响，为齿轮传动匹配高效的工业齿轮油将有助于降低能耗，实现国民经济持续健康发展。

　　1 齿轮传动效率的测定方法

　　齿轮箱的传动效率一般采用《齿轮装置效率测定方法》：GB/T 14231方法来测定，该方法适用于测定具有单独箱体的闭式齿轮装置的传动效率，不适用于特殊的或辅助性的齿轮装置，如与齿轮传动装置连成一体的压缩机、泵、发动机以及不以传递动力为主要目的的齿轮装置等。

　　《齿轮装置效率测定方法》：GB/T 14231方法包括直测功率法和损失功率法。一般当齿轮装置输入输出两轴线位于同侧平行且效率高于或等于 98% 时，应优先采用损失功率法来测定齿轮的传动效率;当不能采用损失功率法时，若设计效率不高于98%，或者具备高精度的测试设备时，也可采用直测功率法来测定齿轮的传动效率。

　　直测功率法是将齿轮装置安装在两台转矩转速传感器之间，然后采集传感器测得的相关数据，计算齿轮的传动效率，见图1。

　　图1 直测功率法

　　直测功率法测定齿轮装置效率(η)的计算公式见公式(1)。

　　其中T_输出为传感器2测得的输出轴转矩，单位N·m;T_输入为传感器 1 测得的输入轴转矩，单位 N ·m;n_输出为传感器2测得的输出轴转速，单位r/min;n_输入为传感器1测得的输入轴转速，单位r/min。

　　损失功率法是通过测定齿轮装置的损失功率来确定齿轮装置的传动效率，其测定是在封闭试验台上进行的，见图2。

　　图2 损失功率法

　　损失功率法中被测齿轮装置的传动效率(η)按 公式(2)计算。

　　其中T₁为传感器1测得的转矩，单位N·m;T₂为传感器2测得的转矩，单位N·m;n₁为传感器1测得的转速，单位r/min;n₂为传感器2测得的转速，单位r/min;ξ=0.5×(T₁×n₁)÷(T₂×n₂ )，为齿轮装置传动效率的损失率，即齿轮装置的损失功率与输入功率之比。

　　由于不同工业齿轮油自身组分的差异，其摩擦学性能各异，可用传动效率试验机测定工业齿轮油的传动效率，为齿轮装置选油用油提供参考。

　　2 齿轮油对齿轮传动效率的影响

　　基础油的影响：用 PAOs(聚 α-烯烃)基础油和相同的工业齿轮油复合剂(复合剂H)调配了4个黏度等级为320号的工业齿轮油(分别以齿轮油A，齿轮油B，齿轮油C 和齿轮油D表示)，其典型理化性能见表1。

　　表1 320号工业齿轮油样及参比油的典型理化性能

　　表1 中参比油Ⅰ和参比油Ⅱ的基础油分别是 API Ⅰ类基础油(矿物油)和 API Ⅴ类基础油(非 PAOs合成油)，添加的也是复合剂H。

　　从表 1 中可以看到，4 个齿轮油和 2 个参比油的剪切安定性不同，这是因为添加的黏度指数改进剂不同的缘故，齿轮油 A 添加的是TA黏度指数改进剂，齿轮油B是TD黏度指数改进剂，齿轮油C是TC黏度指数改进剂，齿轮油D也是添加的TA黏度指数改进剂;参比油Ⅰ中没有添加黏度指数改进剂，参比油Ⅱ添加的是TSC黏度指数改进剂。所有油样均满足《工业齿轮润滑》：AGMA 9005-F16—2016 技术规格。

　　Basu等用MTM(Mini-Traction Machine，微牵引力试验机)和齿轮箱传动效率测定装置分别对表1中油样的摩擦学性能及传动效率进行了测定，考察了基础油对齿轮传动效率的影响。

　　图3和图4分别是在40 ℃和100 ℃温度下用MTM测定的齿轮油的牵引系数随滑动比的变化曲线。

　　图3 40 ℃时齿轮油牵引系数随滑动比的变化　　

　　图4 100 ℃时齿轮油牵引系数随滑动比的变化

　　从图 3 和图 4 中可以看到，在 40 ℃温度下，齿轮油 A 的牵引系数最小，参比油Ⅰ的牵引系数最大;在 100 ℃温度下同样如此，齿轮油 A 的牵引系数最小，参比油的牵引系数最大，且温度升高后齿轮油A与参比油Ⅰ的牵引系数差值变大，即使温升后参比油Ⅰ的运动黏度小于齿轮油 A 也对牵引系数没有影响。

　　图5是圆柱斜齿轮传动效率试验装置。

　　图5 圆柱斜齿轮传动效率试验装置

　　用图 5 的传动效率试验装置和直测功率法比较了牵引系数较小的齿轮油(齿轮油 A 和齿轮油 B)与牵引系数较大的齿轮油(参比油Ⅰ)的传动效率的差异。

　　图6是齿轮油A，齿轮油B和参比油Ⅰ在40 ℃，高扭矩条件下齿轮从低转速到高转速的传动效率。

　　图6 40 ℃高扭矩下齿轮的传动效率区间

　　从图 6 中可以看到，在 40 ℃温度下，从低转速到高转速，3种齿轮油的传动效率均在93%以上(斜齿轮的传动效率较高，在90%以上)，且齿轮油A和齿轮油B的传动效率均高于参比油Ⅰ约1.0%，说明合成齿轮油(PAOs)可以小幅提高齿轮的传动效率。

　　图 7 是齿轮油 A，齿轮油 B 和参比油Ⅰ在高扭矩下齿轮油的温度随齿轮从低转速到高转速的变化情况。

　　图7 高扭矩下齿轮油温度随转速的变化

　　从图 7 中可以看到，不论是低转速还是高转速，参比油Ⅰ(矿物齿轮油)的温度始终高于用 PAOs 调配的齿轮油 A 和齿轮油 B，表明 PAOs 合成齿轮油的热传动效果优于矿物油，可节省能耗。

　　由于斜齿轮有较高的传动效率，合成齿轮油和矿物齿轮油对斜齿轮传动效率的提升幅度有限，两者的差别还不明显;而蜗轮蜗杆齿轮的传动效率一般相对较低(约60%)，因此对合成齿轮油和矿物齿轮油在蜗轮蜗杆齿轮中的传动效率进行了考察，分别见图8和图9。

　　图8 高扭矩高转速下油温与传动效率的关系

　　图9 低扭矩高转速下油温与传动效率的关系

　　从图8和图9中可以看到，在蜗轮蜗杆齿轮中，合成齿轮油和矿物齿轮油的传动效率相差较大，不论是在高扭矩或者低扭矩的条件下，合成齿轮油(齿轮油A和齿轮油B均为PAOs齿轮油)的传动效率要比矿物齿轮油(参比油Ⅰ)的传动效率高 8.0% 以上。同时还可以看到，尽管均是 PAOs 合成齿轮油，但齿轮油A的传动效率要比齿轮油D的传动效率高约5.0%。

　　运动黏度的影响： 前面讨论了黏度等级相同(均为 VG320)的工业齿轮油的基础油对传动效率的影响，下面讨论齿轮油运动黏度对齿轮传动效率的影响。

　　在齿轮箱中，齿轮要对齿轮油进行搅动，会使功率有所损失。这种搅动直接与齿轮油的运动黏度有关，Terekhov就齿轮油运动黏度对齿轮功率损失的影响进行了研究，见图10。

　　图10 齿轮油运动黏度对于功率损失的影响

　　从图 10 中可以看到，随着齿轮油运动黏度的增加，齿轮的功率损失呈正相关增加，因此有效控制齿轮油的运动黏度有助于提升齿轮的传动效率。因此在可控范围内，工业齿轮油的低黏度化对提高齿轮的传动效率和降低能耗大有裨益。

　　有机摩擦改进剂的影响:使用添加了有机摩擦改进剂的工业齿轮油来降低齿轮副的摩擦因数是改善齿轮传动效率和达 到节能目的的一种有效方法。

　　目前比较认同的有机摩擦改进剂的作用机理是有机摩擦改进剂分子中的极性基团对金属表面有很强的亲和力，极性基团强有力地吸附在金属表面形成一层保护膜，阻止金属直接接触，从而降低了摩擦与磨损。吸附主要分为物理吸附与化学吸附两种，其作用机理见图11。

　　图11 有机摩擦改进剂的作用机理

　　有机摩擦改进剂主要通过分子间的范德华力(Vander Waals Force)或氢键相互作用形成致密的吸附膜，但这层吸附膜难以压缩，而烃基在摩擦过程中很容易被剪断，所以能够提供较低的摩擦因数。

　　可用MTM微牵引力试验机来测定工业齿轮油的摩擦因数以考察有机摩擦改进剂的效果，MTM 微牵引力试验机见图12。

　　图12 MTM微牵引力试验机

　　现有IGO 68和IGO 320两种常规重负荷工业齿轮油，分别在IGO 68和IGO 320齿轮油的基础上添加了1.0%的有机摩擦改进剂(OFM)，得到了IGO 68-1 和 IGO 320-1两种含有机摩擦改进剂的齿轮油。用 MTM 微牵引力试验机对比测定了这 4 种齿轮油的摩擦因数，见图13。

　　图13 MTM微牵引力试验

　　从图13的结果中可以看到，加入OFM后，IGO 68 和 IGO 320 的摩擦因数均下降了约 25%。因此，选用含有机摩擦改进剂的工业齿轮油可有效地降低齿轮油的摩擦因数，改善摩擦副的润滑状况，达到降低能耗和提升齿轮传动效率的作用。

　　3 结束语

　　与矿物齿轮油相比，PAOs合成齿轮油的牵引系数小，可以提高齿轮1.0%~8.0%的传动效率;齿轮油的运动黏度与齿轮的功率损失呈正相关，低黏度齿轮油有助于提高齿轮的传动效率;使用含有机摩擦改进剂的齿轮油可有效地降低齿轮油的摩擦因数约 25%，可起到降低能耗和提升齿轮传动效率的作用。

　　齿轮传动装置在钢铁、水泥、煤炭等众多工业领域中有广泛的应用，如何提升齿轮的传动效率对节能降耗具有重要的意义。使用合成齿轮油，低黏度齿轮油及含有机摩擦改进剂的齿轮油是提高齿轮传动效率的有效途径。