Performance classification of automotive gear oils using the gear scuffing shock test

Jednym z istotnych problemów współczesnej tribologii jest różnicowanie olejów smarowych o wysokich właściwościach przeciwzatarciowych (EP – extreme-pressure). Przykładem takich olejów są samochodowe oleje przekładniowe wysokich klas jakości – API GL-3 do GL-5. W artykule przedstawiono nową metodę rozróżniania właściwości takich olejów, a przez to ich jakościowego klasyfikowania, zwaną "metodą zacierania szokowego" i oznaczoną symbolem S-A10/16,6R/120. Dotyczy badań z wykorzystaniem testowej przekładni zębatej i została opracowana w Gear Research Center (FZG) Uniwersytetu w Monachium. Nowa metoda wykonywana jest w znacznie zaostrzonych warunkach (mniejsza szerokość zębów, wyższa prędkość obrotowa i początkowa temperatura badanego oleju, odwrócony kierunek obrotów) niż najczęściej dotychczas stosowana testowa metoda zacierania przekładni, także opracowana przez FZG, oznaczona symbolem A/8,3/90. Dodatkowo, w odróżnieniu od innych przekładniowych testów zacierania, w metodzie zacierania szokowego obciążenia nie zwiększa się stopniowo od wartości najmniejszej, ale obciąża się testowe koła zębate od razu takim obciążeniem ("szokowym"), pod którym spodziewane jest zatarcie. Unika się w ten sposób dotarcia kół, a przez to zwiększa ich podatność na zacieranie. Dokonano weryfikacji nowej metody, badając wiele samochodowych olejów przekładniowych różnych klas jakości API: GL-3, GL-4, GL-4/5, GL-5 i GL-5(LS). Dla odniesienia wykonano badania także olejów najniższej klasy GL-1. Do badań wykorzystano stanowisko przekładniowe o symbolu T-12U, opracowane i wytwarzane w ITeE – PIB. Stwierdzono, że metoda "szokowa" pozwala bez problemu rozróżnić oleje klasy GL-3 od olejów klas wyższych. Chociaż nie ma możliwości różnicowania olejów należących do najwyższych klas jakości – GL-4, GL-4/GL-5 i GL-5, to można różnicować oleje wewnątrz poszczególnych klas. Co bardzo istotne, żaden z badanych olejów nie pozwolił na osiągnięcie stopnia obciążenia niszczącego (będącego miarą właściwości EP badanych olejów) wyższego niż 11, co wskazuje, że wymuszenia w metodzie zacierania szokowego są wystarczające dla różnicowania współczesnych samochodowych olejów przekładniowych. Metoda zacierania szokowego może znaleźć zastosowanie w laboratoriach przemysłu petrochemicznego, ale również w laboratoriach ośrodków zajmujących się pracami rozwojowymi z dziedziny inżynierii powierzchni i inżynierii materiałów na koła zębate.Nowadays, one of the important current problems of tribology is differentiating between oils of high EP (extreme-pressure) properties. Examples of such oils are automotive gear oils of high performance levels API GL-3 to GL-5. The author presents a new test method intended for differentiating between such oils from the point of view of their API performance level. The method is called "scuffing shock test" and denoted as S-A10/16,6R/120. It concerns gear testing and has been developed in the Gear Research Centre (FZG) at the Technical University of Munich. The shock test is carried out under much severer conditions (reduced face width, double rotational speed, higher initial temperature of the tested oil, reverse sense of rotations) than the most often employed FZG gear scuffing test denoted as A/8,3/90. Unlike the other FZG gear scuffing tests, in which the load is increased in stages from the lowest value, in S-A10/16,6R/120 test the expected failure load is applied to an unused gear flank, hence the name "shock test". This prevents the test gears from running-in and in turn increases their susceptibility to scuffing. The shock test has been verified using a series of automotive gear oils of the following API performance levels: GL-3, GL-4, GL-4/5, GL-5 and GL-5(LS). For reference, API GL-1 gear oils, showing the poorest performance, were also tested. A test rig denoted as T-12U, designed and manufactured by ITeE-PIB in Radom, was used. It has been shown that the shock test makes it possible to differentiate between automotive gear oils of API GL-3 performance level and oils of higher levels. Although it is impossible to differentiate between automotive gear oils of the highest specifications (GL-4, GL-4/GL-5, GL-5), one can distinguish between oils belonging to the same performance level. What is particularly important is that none of the tested oil exhibited the failure load stage (being a measure of EP properties of oils tested) higher than 11. This implies that the test conditions in the shock test are severe enough to differentiate between modern automotive gear oils. The presented gear scuffing shock test can be implemented in the R&D laboratories of the petroleum industry, but also in the laboratories of the R&D centres devoted to surface engineering and engineering of advanced materials intended for modern toothed gears