Готовая к эксплуатации коробка передач, рабочая жидкость для нее и способ для ее первичного ввода в эксплуатацию

Изобретение относится к коробке передач, в частности к смазке высоконагруженных зубчатых колес коробки передач. Готовая к эксплуатации коробка передач с зубчатыми колесами должна эксплуатироваться со смазочным и охлаждающим средством, с лучшим теплоотводом и с независимой от температуры вязкостью. Смазочное и охлаждающее средство коробки передач содержит смесь воды и алифатического углеводорода, в которой суспендированы частицы графита. Преимущественно смесь содержит от 40 до 60 весовых процентов алифатического углеводорода или же содержащего такие углеводороды соединения, и от 2 до 20 весовых процентов графита в форме хлопьевидных частиц графита с размером зерен менее 12 микрометров. Остаток - вода и другие примеси и/или присадки. Достигается повышение надежности и компактности путем применения заявленной рабочей жидкости для смазки и охлаждения коробки передач. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к готовой к эксплуатации коробке передач с высоконагруженными зубчатыми колесами, корпус которой образует содержащий смазочное и охлаждающее средство поддон, в который погружается по меньшей мере одно зубчатое колесо. Подобные коробки передач используются в самых разных целях, в частности в транспортных средствах в качестве ступенчатой коробки передач, раздаточной коробки полноприводных автомобилей, а также в качестве главной или же дифференциальной передачи.

Даже при самой лучшей смазке в высоконагруженных зубчатых колесах создаются тепловые потери, которые необходимо отводить. Это происходит посредством либо охлаждающего и смазочного циркуляционного контура с насосом и внешним охладителем, либо посредством отвода тепла в окружающую среду через корпус коробки передач. Для этого он должен иметь максимально большую поверхность. Обычно в транспортных средствах он оснащен снаружи ребрами для того, чтобы увеличить обтекаемую мимо ветром поверхность теплопередачи. При отсутствии большего конструктивного пространства для коробки передач при необходимости увеличения мощности двигателя быстро достигается предел.

В настоящее время также и в коробках передач используются исключительно смазочные масла, в высоконагруженных это обычно полностью синтетические масла. Однако все масла имеют следующие недостатки:

- относительно низкая теплоемкость, теплопроводность и низкий коэффициент теплопередачи (для сравнения: примерно в половину меньше, чем коэффициент теплопередачи воды);

- сильная зависимость вязкости от температуры, вследствие этого - повышенные потери в холодном состоянии, а следовательно - увеличение расхода топлива;

- не являются экологически безвредными (утилизация!), и подвержены временному старению.

Поэтому уже давно ведется поиск альтернатив и для этого проводятся испытания, но пока такие альтернативы не зарекомендовали себя на практике. При этом рассматривается вода в силу ее прекрасных термических свойств. Ее вязкость в основном постоянна, что с одной стороны является преимуществом, однако с другой стороны не является достаточной для образования прочной смазочной пленки между боковыми поверхностями зубьев. С этим пытались бороться за счет подходящего покрытия зубчатых колес. Но какое бы покрытие не испытывалось, до сих пор оно либо не соответствовало давлению боковых поверхностей или скорости скольжения, или вообще исчезало уже после короткого периода эксплуатации. Последнее было выявлено также для углеродных покрытий.

Поиск альтернатив отражен также и в патентной литературе. Например, из US 4714414 известен способ смазки зубчатых колес ступени компрессора для сжатого не содержащего масла воздуха с помощью распыленной воды. То, что при этом зубчатые колеса могут быть выполнены из пластика, указывает на малую, подлежащую передаче мощность. Следовательно, речь идет не о высоконагруженных зубчатых колесах.

В немецком патенте DE 19605162 C1 описана синтетическая рабочая жидкость, которая в основном состоит только из алкиленгликоля, в который добавлены антикоррозийные и антиокислительные присадки. Хотя термические свойства алкиленгликоля и лучше чем термические свойства масла, однако они не достигают соответствующих параметров воды. Прежде всего его вязкость выше, и опять же зависит от температуры.

Тем самым задачей изобретения является создание готовой к эксплуатации коробки передач, которая позволит избежать недостатков смазочного масла, и будет максимально использовать преимущества воды, без ее недостатков.

Согласно изобретению в качестве смазочного и охлаждающего средства используется смесь воды и алифатического углеводорода с по меньшей мере двумя гидроксильными группами или же содержащего такие углеводороды соединения, в которой суспендированы частицы графита с размером зерен менее 50 микрометров. Алифатические углеводороды с по меньшей мере двумя гидроксильными группами являются многоатомными спиртами, такими как, например, алкиленгликоли, в частности этиленгликоль, 1,2-пропиленгликоль, триэтиленгликоль и т.п. Содержащие такие спирты соединения могут, например, быть их полимеризатами, оксидами, простыми или сложными эфирами.

Смазочное и охлаждающее средство в основном является смесью гликоля и воды такого типа, которое используется в двигателях внутреннего сгорания с водяным охлаждением в качестве охлаждающего средства, которое дополнительно содержит мелкие частицы графита. Удивительное действие этой смеси основывается на том, что графит при таком размере частиц, несмотря на присутствие воды, объединяется с гликолем и образует на зубчатых колесах покрытие, которое также при максимальных усилиях зубьев и максимальной скорости скольжения обеспечивает наилучшую смазку, и посредством которого постоянно обновляется и «омолаживается» количество, необходимое по меньшей мере одному погружаемому зубчатому колесу.

Это действие прошло проверку в длительных испытаниях и тестах и сравнивалось с подобной коробкой передач с серийным масляным заполнением. Это представляется подробнее в описанных ниже примерах осуществления. Предварительно следует указать, что в серийных коробках передач с предлагаемой рабочей жидкостью потери без нагрузки были на 50% ниже, чем в такой же коробке с обычным масляным заполнением, и их температура при идентичном движении была по меньшей мере на 15 градусов ниже. Износ выявлен не был. Достигнутое посредством предлагаемого смазочного и охлаждающего средства высокое теплопотребление и теплоотвод также позволяет ближе располагать корпус коробки передач к зубчатым колесам, за счет чего коробка передач при той же производительности требует меньше конструктивного пространства.

Таким образом удалось использовать термические преимущества воды. При этом присутствие гликоля во флюиде устраняет большой недостаток воды: теперь она больше не может замерзнуть. Дополнительное преимущество - гликоль способен к биологическому расщеплению, а графит абсолютно инертен, и поэтому также экологически безвреден. Следует подчеркнуть, что конструктивные изменения в обычных коробках передач необходимы только в особых случаях. Следует только обеспечить, что отсутствует агрессивное воздействие на пластик уплотнительных колец, и что смазочный циркуляционный контур работает также со средой с низкой вязкостью.

Оптимальное соотношение смешивания компонентов очень сильно зависит от конструкции коробки передач и типа зубчатых колес, а также от эксплуатационных условий. Предпочтительно смазочное и охлаждающее средство содержит от 25 до 75 весовых процентов алифатического углеводорода или содержащего такие углеводороды соединения, и от 1 до 30 весовых процентов графита в форме хлопьевидных частиц графита с размером зерен менее 20 микрометров, остаток - вода и другие примеси и/или присадки (пункт 2 формулы). Более высокие значения доли графита предусмотрены для зубчатых колес с гипоидным зацеплением.

Для коробки передач смазочное и охлаждающее средство предпочтительным образом содержит от 40 до 60 весовых процентов алифатического углеводорода или содержащего такие углеводороды соединения, и от 2 до 20 весовых процентов графита в форме хлопьевидных частиц графита с размером менее 12 микрометров, остаток - вода и другие примеси и/или присадки (пункт 3 формулы).

При усовершенствовании изобретения смазочное и охлаждающее средство в качестве дополнительного компонента содержит диспергирующую присадку (пункт 4 формулы). Она обеспечивает длительное покрытие не только непосредственно смазываемых частей (зубчатых колес, подшипников), но и всех конструктивных элементов, а также стен корпуса, которые таким образом защищены от коррозии. Диспергирующая присадка обеспечивает запуск зубчатых колес без сухого трения также и после длительного простоя. Диспергирующие присадки, как правило, являются высокомолекулярными блок-сополимерами. Предпочтительным образом концентрация диспергирующей присадки в смазочном и охлаждающем средстве в весовых процентах составляет от половины до приблизительно полной концентрации частиц углеводорода (пункт 5 формулы).

Смеси графита, воды и гликоля иногда склонны к вспениванию, что при небольших размерах корпуса является помехой. Поэтому в смазочное и охлаждающее средство можно добавить в качестве дополнительного компонента антипенное средство (пункт 6 формулы) и/или в качестве дополнительного компонента также антикоррозийную присадку (пункт 7 формулы).

Изобретение также относится к рабочей жидкости для коробки передач с высоконагруженными зубчатыми колесами, корпус которой образует поддон, содержащий смазочное и охлаждающее средство, в который погружается по меньшей мере одно зубчатое колесо, смазочное и охлаждающее средство которого представляет собой смесь по одному из пп. с 8 по 14.

И, наконец, изобретение также относится к способу для первичного ввода в эксплуатацию коробки передач, например, перед ее установкой в машину или транспортное средство. Цель этого способа - по возможности немедленное проявление преимуществ предлагаемой рабочей жидкости без стартовых потерь и повышенного износа.

Способ заключается в том, что сухую коробку передач, поступающую с механического производства, заполняют замешанным ранее вне коробки передач смазочным и охлаждающим средством по пункту 1 формулы изобретения по меньшей мере до рабочего уровня стояния настолько, чтобы по меньшей мере одно из зубчатых колес погружалось в смазочное и охлаждающее средство, затем без нагрузки прокручивают до тех пор, пока не будут смочены все зубчатые колеса и прочие смазываемые и защищаемые элементы, при этом на зубчатых колесах и везде в коробке передач образуется устойчивая смазочная и защитная пленка (пункт 15 формулы).

Для того чтобы еще больше усилить последний эффект, ускорить его и использовать также и на труднодоступных участках, в усовершенствованном варианте способа в качестве шага а) коробка передач сначала заполняется смазочным и охлаждающим средством по пункту 1 до уровня осей, причем оно содержит более высокую долю графита (от 5 до 30 весовых процентов), затем вал медленно прокручивают, после чего смазочное и охлаждающее средство по меньшей мере частично сливают и коробку передач, наконец, заполняют смазочным и охлаждающим средством по пункту 1 формулы до рабочего уровня, при этом оно при данных условиях содержит в соответствии с остаточным количеством уменьшенную долю частиц графита (пункт 16 формулы).

В качестве дополнительной защиты несмоченных мест, например, от посадочной ржавчины во вставных зубчатых соединениях, при монтаже их можно смачивать за счет погружения или смазывания смесью.

Далее изобретение описывается и поясняется на примере чертежей. На чертежах показаны:

- фиг.1 - схематическое представление примера предлагаемой коробки передач;

- фиг.2 - диаграмма с результатами сравнительных измерений на взятой в качестве примера коробке передач.

На фиг.1 представлена любая серийная коробка передач, в данном случае это коробка передач передней оси транспортного средства с гипоидной передачей и дифференциалом. Также это вполне могла бы быть раздаточная коробка или понижающий редуктор для привода двигателя, например, в пищевой промышленности. В корпусе 1 находится гипоидная передача 2 и дифференциал 3. Гипоидная передача 2 состоит из расположенной на валу 6 ведущей шестерни 4 и ведомого конического зубчатого колеса 5. Вал 6 установлен на подшипниках 7, снаружи к которым примыкает уплотнительное кольцо 8. Дифференциал 3 имеет также обычную конструкцию, и поэтому не показан в разрезе. Виден ведущий к колесу полувал 9.

Внизу внутри корпуса находится масляный поддон 10, уровень жидкости которого в состоянии покоя обозначен 11. Ведомое коническое зубчатое колесо погружается в масляный поддон 10. Кроме того, показано заправочное отверстие и вытяжная вентиляция 13, и слив 14 для смазочного и охлаждающего средства, а также температурный датчик (установлен только для испытаний).

Однако эта коробка передач вместо трансмиссионного масла заполнена смазочным и охлаждающим средством, которое в основном состоит из алифатического углеводорода с по меньшей мере двумя гидроксильными группами или же содержащего такие углеводороды соединения, в которой суспендированы частицы графита с размером зерен менее 50 микрометров и воды. В качестве алифатического углеводорода с по меньшей мере двумя гидроксильными группами могут, например, использоваться: алкиленгликоли, в частности этиленгликоль, 1,2-пропиленгликоль или триэтиленгликоль. С различными такими соединениями, соотношениями смешивания и другими присадками были успешно опробованы, также во время испытания в движении, различные серийно заполняемые маслом коробки передач. Например:

Смесь 1:

Glysantin® G48:	100 грамм
ПО* вода:	100 грамм	VE*: полностью обессоленная
Графит FL 1199	4 грамма	FL 1199: хлопья графита, это пластинки, с размером частиц в 11 микрон (µ) и чистотой 99%.

В протоколе испытаний отмечено: низкое образование пены, отсутствие в течение короткого периода распада смеси, низкое смачивание.

Смесь 2:

Этиленгликоль:	100 грамм
ПО вода:	100 грамм
Антипенное средство:	1 грамм	Противопенное вещество 150 фирмы Kluthe, состав согласно паспорту данных безопасности.
Диспергирующая присадка:	16 грамм	Additol® VXW6394 фирмы Cytek, состав согласно технической инструкции.
Антикоррозийная присадка:	4 грамма	BWT CW-CS 8 фирмы BWT, согласно
		инструкции фирмы BWT.
Graphit FL 1199:	16 грамм	как в смеси 1.

В протоколе испытаний отмечено: отсутствие образования пены, дисперсия стабильна, отличное и стабильное смачивание, после смачивания отсутствие коррозии не постоянно смачиваемых участков, отличные температурные параметры в раздаточной коробке и запуск длительного тестирования, отсутствие достаточной смазки в главной передаче с гипоидным зацеплением.

Смесь 3:

Этиленгликоль:	100 грамм
ПО вода:	100 грамм
Антипенное средство:	1 грамм	Противопенное вещество 150 фирмы Kluthe, состав согласно паспорту данных безопасности.
Диспергирующая присадка:	20 грамм	Additol® VXW6394 фирмы Cytek, состав согласно технической инструкции.
Антикоррозийная присадка:	2 грамма	BWT CW-CS 8 фирмы BWT, согласно инструкции фирмы BWT.
Graphit FL 1199:	40 грамм	как в смеси 1.

В протоколе испытаний отмечено: низкое образование пены, дисперсия очень стабильна, отличное и стабильное смачивание, после смачивания отсутствие коррозии не постоянно смачиваемых участков, хорошие температурные и смазочные параметры в дифференциале передней оси.

Смесь 2 в испытании в движении прошла сравнение с обычным и серийным масляным заполнением в раздаточной коробке, при этом одна и та же коробка передач (раздаточная коробка передач полноприводного автомобиля класса «люкс», включающая в себя цилиндрическую ступень и планетарный дифференциал) была один раз заполнена одной и один раз - другой рабочей жидкостью.

Были пройдены по меньшей мере 150 км с соответственно постоянной скоростью 100 км/ч и 140 км/ч на ровной автостраде для того, чтобы определить значение установившейся температуры в коробке передач. При этом температура рабочей жидкости в поддоне измерялась с помощью измерительного термощупа. Средняя установившаяся температура при смеси 2 независимо от температуры окружающей среды была прим. на 13°С ниже, чем при серийном масляном заполнении. Это касается для обеих скоростей.

Смесь 3 в испытании в движении прошла сравнение с обычным и серийным масляным заполнением в раздаточной коробке, причем одна и та же коробка передач (раздаточная коробка передач полноприводного автомобиля класса «люкс», включающая в себя гипоидную коническую зубчатую передачу и дифференциал) была один раз заполнена одной и один раз - другой рабочей жидкостью.

Были пройдены по меньшей мере 150 км с соответственно постоянной скоростью 100 км/ч и 140 км/ч на ровной автостраде для того, чтобы определить значение установившейся температуры в коробке передач. При смеси 4 средняя установившаяся температура независимо от температуры окружающей среды была ниже прим. на 16°С при 100 км/ч и прим. на 13°С при 140 км/ч, чем при серийном масляном заполнении.

Кроме того, на испытательном стенде дифференциал передней оси со смесью 3 проработал в течение получаса с постоянной частотой вращения на входе в 1700 оборотов в минуту, что соответствует прим. 70 км/ч, и были измерены температурные параметры и остаточный момент.

Фиг.2 показывает динамику двух измеренных величин при 1700 об/мин - температуры Т рабочей жидкости в градусах Цельсия и остаточного момента S в Нм на оси ординат, время - на оси абсцисс. Испытание было начато при температуре коробки передач прим. в 23°С. Соответствующие кривые: Т1 и S1 для коробки передач, заполненной маслом, и Т2 и S2 для коробки передач, заполненной предлагаемой рабочей жидкостью. Можно распознать, что во время работы температура Т1 возрастает намного круче и достигает 57°С, а температура Т2 напротив возрастает медленно до немногим более 36°С. Остаточный момент является суммой всех потерь без нагрузки в коробке передач (в основном потери на трение и разбрызгивание). Остаточный момент S1 в коробке передач с масляным заполнением из-за сильно зависящей от температуры вязкости масла сначала очень высок (более 5,5 Нм), и в ходе работы снижается до примерно 1,4 Нм. Остаточный момент 82 начиная с первого момента приблизительно постоянен и составляет от 1,3 до 1,0 Нм. В результате этого получают в качестве потери в работе за период в 1800 секунд 0,173 кВтч для масла и 0,106 кВтч для предлагаемой рабочей жидкости, а тем самым снижение потерь без нагрузки в 38,6%. При запуске непрогретого двигателя зимой (при -30°С) было определено снижение теряемой мощности более чем на 50%.

Из примечаний в протоколах испытаний можно распознать, насколько важно смачивание всех частей коробки передач. Кроме того, при подготовке испытаний наблюдалось, что перемешивающее движение в течение определенного времени улучшает внутреннее впитывание пластин графита в смесь жидкости (однородная суспензия). На основании этого был разработан способ, учитывающий эти факторы, для первичного ввода в эксплуатацию коробки передач, заполняемой предлагаемой рабочей жидкостью.

Заполненная ранее обычным смазочным средством коробка передач была опорожнена и тщательно очищена так, что она была приравнена к новой коробке передач, поступающей после механического производства. Иначе при серийном производстве была изготовлена сухая коробка передач без проверки на выходе с производственной линии. Сухая коробка передач была заполнена замешанной ранее в емкости рабочей жидкостью смеси 2 или 3 настолько, чтобы одно из зубчатых колес погружалось в смазочное и охлаждающее средство. Затем коробка передач была зафиксирована в соответствующем устройстве и без нагрузки прокручивалась до тех пор, пока смазочное и охлаждающее средство, подаваемое и распространяемое дальше этим одним зубчатым колесом, не смочило все зубчатые колеса и прочие внутренние поверхности и части. Через 5 минут на боковых поверхностях зубьев образовалась устойчивая смазочная пленка.

В одном варианте сухая коробка передач сначала на шаге а) была заполнена вплоть до расположенного выше по меньшей мере одной из осей уровня рабочей жидкостью, которая содержала по меньшей мере 10 весовых процентов графита. После прокручивания согласно шагу b) рабочая жидкость была полностью слита, и затем коробка передач была заполнена рабочей жидкостью до рабочего уровня 11. В качестве альтернативы жидкость можно сливать также только частично и заполнять жидкостью без или лишь с очень небольшим содержанием графита. Тогда правильное смешивание образуется во время работы.

1. Готовая к эксплуатации коробка передач с высоконагруженными зубчатыми колесами, корпус которой образует содержащий смазочное и охлаждающее средство поддон, в который погружаются зубчатые колеса, отличающаяся тем, что она содержит в качестве смазочного и охлаждающего средства смесь воды и алифатического углеводорода с, по меньшей мере, двумя гидроксильными группами или же содержащего такие углеводороды соединения, в которой суспендированы частицы графита с размером зерен менее 50 мкм.

2. Готовая к эксплуатации коробка передач по п.1, отличающаяся тем, что смазочное и охлаждающее средство содержит от 25 до 75 вес.% алифатического углеводорода или же содержащего такие углеводороды соединения и от 1 до 30 вес.% графита в форме хлопьевидных частиц графита с размером зерен менее 20 мкм, остаток - вода и другие примеси и/или присадки.

3. Готовая к эксплуатации коробка передач по п.2, отличающаяся тем, что смазочное и охлаждающее средство содержит от 40 до 60 вес.% алифатического углеводорода или же содержащего такие углеводороды соединения и от 2 до 20 вес.% графита в форме хлопьевидных частиц графита с размером зерен менее 12 мкм, остаток - вода и другие примеси и/или присадки.

4. Готовая к эксплуатации коробка передач по п.2, отличающаяся тем, что смазочное и охлаждающее средство содержит в качестве дополнительного компонента диспергирующую присадку.

5. Готовая к эксплуатации коробка передач по п.4, отличающаяся тем, что концентрация диспергирующей присадки в смазочном и охлаждающем средстве в весовых процентах составляет от половины до приблизительно полной концентрации частиц углеводорода.

6. Готовая к эксплуатации коробка передач по п.2, отличающаяся тем, что смазочное и охлаждающее средство содержит в качестве дополнительного компонента антипенное средство.

7. Готовая к эксплуатации коробка передач по п.2, отличающаяся тем, что смазочное и охлаждающее средство содержит также в качестве дополнительного компонента антикоррозийную присадку.

8. Рабочая жидкость для коробки передач с высоконагруженными зубчатыми колесами, корпус которой образует содержащий смазочное и охлаждающее средство поддон, в который погружаются зубчатые колеса, отличающаяся тем, что в качестве смазочного и охлаждающего средства используется смесь воды и алифатического углеводорода с, по меньшей мере, двумя гидроксильными группами или же содержащего такие углеводороды соединения, в которой суспендированы частицы графита с размером зерен менее 50 мкм.

9. Рабочая жидкость по п.8, отличающаяся тем, что смазочное и охлаждающее средство содержит от 25 до 75 вес.% алифатического углеводорода или же содержащего такие углеводороды соединения и от 1 до 30 вес.% графита в форме хлопьевидных частиц графита с размером менее 20 мкм, остаток - вода и другие примеси и/или присадки.

10. Рабочая жидкость по п.9, отличающаяся тем, что смазочное и охлаждающее средство содержит от 40 до 60 вес.% алифатического углеводорода или же содержащего такие углеводороды соединения и от 2 до 25 вес.% графита в форме хлопьевидных частиц графита с размером менее 12 мкм, остаток - вода и другие примеси и/или присадки.

11. Рабочая жидкость по п.9, отличающаяся тем, что смазочное и охлаждающее средство содержит в качестве дополнительного компонента диспергирующую присадку.

12. Рабочая жидкость по п.11, отличающаяся тем, что концентрация диспергирующей присадки в смазочном и охлаждающем средстве в весовых процентах составляет от половины до приблизительно полной концентрации частиц углеводорода.

13. Рабочая жидкость по п.9, отличающаяся тем, что смазочное и охлаждающее средство содержит в качестве дополнительного компонента антипенное вещество.

14. Рабочая жидкость по п.9, отличающаяся тем, что смазочное и охлаждающее средство содержит в качестве дополнительного компонента также антикоррозийную присадку.

15. Способ для первичного ввода в эксплуатацию коробки передач, исходя из сухой коробки передач, состоящий из следующих шагов: а) смешивание воды, алифатического углеводорода с, по меньшей мере, двумя гидроксильными группами или же содержащим такие углеводороды соединением и частицами графита в емкости вне коробки передач; б) заполнение коробки передач смазочным и охлаждающим средством по п.1, по меньшей мере, настолько, чтобы, по меньшей мере, одно из зубчатых колес погружалось в смазочное и охлаждающее средство; с) прокручивание коробки передач без нагрузки до тех пор, пока все зубчатые колеса не будут смочены смазочным и охлаждающим средством, при этом на них образуется устойчивая смазочная пленка.

16. Способ для первичного ввода в эксплуатацию коробки передач по п.15, отличающийся тем, что в качестве шага а) коробку передач заполняют до расположенного выше, по меньшей мере, одной из осей уровня смазочным и охлаждающим средством по п.1, при этом оно содержит от 5 до 20 вес.% графита, и что после шага б) смазочное и охлаждающее средство, по меньшей мере, частично сливают, и коробку передач заполняют смазочным и охлаждающим средством по п.1 до рабочего уровня, при этом это смазочное и охлаждающее средство при данных условиях содержит в соответствии с остаточным количеством уменьшенную долю частиц графита.