1、前言
近年來，商用車逐漸向大型化、高速化和節能化方向發展，動力總成的安全診斷，特別是健康管理技術快速發展。變速器和驅動橋均屬商用車三大總成之一，其故障率與齒輪油污染密切相關。當前采用的定周期或里程的保養模式存在齒輪油利用不充分的問題，易造成油品性能浪費。另外，當箱橋總成出現異常磨損時，齒輪油存在提前失效的風險，從而帶來安全隱患。
在線監測技術可為變速器和驅動橋提供主動性的潤滑保護，及時發現故障并發出預警，從而根據齒輪油的實際劣化程度為用戶提供準確的換油周期，降低傳動系總成故障風險的同時避免因商用車的實際工況不同而造成的浪費。現有的齒輪油在線監測技術控制模型及功能過于單一，缺乏對換油指標的反饋，未能反映齒輪油的劣化程度，影響了診斷結果的可靠性和準確性，且存在技術成熟度低、電控系統成本高的問題，阻礙了其在商用車上的推廣應用。
FPS2800 傳感器是當前較為先進的在線監測傳感器，利用其特有的音叉技術可實現流體的溫度、密度、介電常數、粘度的實時監測。音叉的主要材料是壓電晶體，晶體表面有電極，當傳感器處于供電狀態時，音叉會以一定的頻率諧振。當音叉浸沒在潤滑油中時，其表面所附油介質的有效質量發生變化，諧振頻率也隨之發生變化，利用密度與有效質量的關系、有效質量與諧振頻率偏差的關系即可實現對油介質密度的測量。隨著油品粘度的變化，音叉的等效電路的阻抗特性也會產生相應的改變，通過電容值與介電常數之間的映射關系可測得油液的介電常數。潤滑油的溫度通過傳感器內部的電阻式溫度計測得。FPS2800 系列傳感器基于控制器局域網(Controller Area Network，CAN)總線 的 J1939 協議進行數據傳輸，便于與主控設備之間通信。
針對現有技術存在的問題，本研究選用 FPS2800 油品品質傳感器，實現對齒輪油粘度、密度、介電常數、溫度的多通道全方位監測，從而分析齒輪油在運行過程中的變化特性。
2、試驗研究
根據重負荷車輛齒輪油換油指標，造成油品失效的主要指標有運動粘度(100 ℃)變化率、水含量、Fe 含量、酸值等。運動粘度(100 ℃)是齒輪油高溫性能的指標，是流體動力潤滑最為重要的物理特性，粘度大則耐負荷能力強，但給循環潤滑帶來困難，增加運動阻力，導致發熱和動力損失。因此，車輛齒輪油粘度需控制在合理范圍內，使齒面溫度及摩擦熱量保持在合理的水平，確保對齒輪的有效保護，從而延長油品壽命。
水分會促進齒輪油乳化，降低粘度和油膜強度，促使齒輪油氧化變質，加重酸性物質對齒輪表面的腐蝕，同時使油品中的添加劑失效。Fe 是齒輪油中常見的金屬成分，主要來源于齒輪的磨損， Fe 含量過高會導致齒輪表面出現鐵銹和磨損，鐵銹會沉淀在齒輪表面，影響潤滑效果，降低齒輪的使用壽命，監測 Fe 含量可直觀反映出齒輪的磨損程度。酸值是保證齒輪不受腐蝕的指標之一，在使用過程中，因氧化分解作用，酸值不斷提高，當酸值過高時，齒輪油的腐蝕性會隨著酸值的提高而變大，傳動系統的損耗也會隨之增大，因此，應及時更換新油。
本研究搭建了齒輪油在線監測系統，分別對油樣進行理化性能檢測和在線監測，評價齒輪油衰變程度。實驗室齒輪油在線監測系統包括傳感器模塊、信號轉換模塊、上機位等。當油液流過傳感器時，完成數據的采集，再通過 CAN 總線發送到主板上，經過主板上的 485 信號將數據傳到上機位，通過監測軟件實時查看油液的狀態參數，如圖 1 所示。
3、試驗結果及分析
不同溫度下齒輪油動力粘度與運動粘度的關系
粘度是衡量齒輪油潤滑能力的一個重要指標，當油液流過齒輪表面時，持續的局部高溫會使油品氧化，機油的粘度變化是反映齒輪油質量狀態及剩余壽命的重要指標之一。實際應用中，在線監測的齒輪油粘度是某一工況溫度下的實時粘度，目前國標 GB/T 30034—2013《重負荷車輛齒輪油(GL-5)換油指標》是參照 100 ℃時的運動粘度規定的，因此，需要把在線監測的齒輪油實時粘度換算成 100 ℃時的運動粘度。
由于 FPS2800 傳感器所測粘度為動力粘度，因此，需要研究不同溫度下齒輪油動力粘度與運動粘度之間的關系。取不同溫度下的動力粘度與運動粘度值，同一溫度點多次測量后取平均值，將二者的數據進行線性擬合，計算線性關系的回歸系數，如圖 2 所示。
由圖 2 可知，不同溫度下齒輪油的動力粘度與運動粘度之間呈現很強的線性關系，線性擬合的回歸系數 R2 達到 99.73%。因此，在后續粘度建模中可用動力粘度直接取代運動粘度，降低在線監測系統的計算量，提高了系統粘度測量的精確度。
100 ℃實時粘度測量
目前黏溫模型較多，經試驗驗證，標準 ASTM D341-17 Standard Practice For Viscosity-Temperature Charts For Liquid Petroleum Products 中 Walther 公式在在線監測系統中有較強的通用性：
式中：v 為運動粘度，T 為溫度，a、b 為常數。
當 FPS2800 傳感器在溫度 T1時測得粘度值 vT1 后，可得到第 1 組黏溫方程：
當 FPS2800 傳感器在溫度 T2時測得粘度值 vT2 后，可得到第 2 組黏溫方程：
由式(2)和式(3)可得 a、b 的值，記作 a1、b1，即式(1)換算為：
將 T=100 ℃代入式(4)中，即可得到 100 ℃時齒輪油油質改變狀態下的粘度值 v1。
多次循環采用以上方法，即當系統 FPS2800 傳感器在溫度為 T3時測得粘度值 vT3，再將數值代入 Walther 公式，然后與上一溫度下的公式聯合求解即可得到新一組的 a、b 常數值，再將 T=100 ℃代入新得到的公式中，依此類推，即可得到 100 ℃時任意時刻齒輪油油質改變狀態下的粘度值。
圖 3、圖 4 為 2 款換油里程為 20×104 km 的油品 A 與油品 B 新油黏溫曲線，均為某主機廠變速箱及車橋現生產使用油品。受限于 FPS2800 傳感器的粘度測量范圍，二者黏溫曲線的溫度范圍為 60～130 ℃，由圖 3、圖 4 可知，油品 A 與油品 B 的黏溫曲線變化趨勢大致相同，油品 A 的粘度略高于油品 B，與使用離線儀器所測的粘度結果相吻合。另外，在線所測新油粘度數據為后續行車油品粘度的判定提供了很好的參考，提高了粘度數據的可信度。
由于不同溫度下齒輪油的動力粘度和運動粘度間呈現很好的線性關系，因此，可用動力粘度代替運動粘度進行判定。結合之前大量行車試驗的經驗值以及相關標準的規定確定系統粘度的預警值 PV和報警值 AV：
式中：v2為 100 ℃時齒輪油實時狀態下的粘度值，v1 為 100 ℃時齒輪油新油狀態下的粘度值。
齒輪油狀態參數對介電常數的影響
通過試驗研究溫度對齒輪油介電常數的影響，將齒輪油從 50 ℃加熱至 100 ℃，采用 FPS2800 傳感器測得溫度和介電常數，繪制齒輪油介電常數與溫度的關系，如圖 5 所示。
由圖 5 可知，介電常數隨溫度的升高緩慢減小。在溫度小幅度變化時，介電常數變化較小，可忽略溫度的影響。當溫度變化較大時，對介電常數和溫度進行線性擬合，利用關系式將不同溫度下的介電常數進行線性轉換即可。
當車輛在潮濕環境中行駛時，因存在熱呼吸，停車氣溫降低，吸入的水分冷凝在齒輪表面，造成齒輪表面銹蝕和添加劑損失。水的介電常數比齒輪油的介電常數大，如果齒輪油中混入少量水分，會引起介電常數的明顯變化。采用 FPS2800 測得齒輪油介電常數與水含量的關系如圖 6 所示。
由圖 6 可知，隨著水含量的增大，齒輪油的介電常數增大。當水含量小于 0.5% 時，介電常數隨水含量的增長而急劇增長，二者基本上呈線性增長關系。當水含量大于 0.5% 時，隨著水含量的增長，介電常數的增長趨勢逐漸變緩。FPS2800 傳感器對水含量的靈敏度很高，水含量的微小增加就會造成傳感器介電常數讀數的迅速增大。
隨著車輛行駛里程的增加，齒輪表面的摩擦磨損不斷加劇，從而造成齒輪油中 Fe 含量的不斷上升。Fe 是影響齒輪油性能的重要污染因素，其以 Fe 離子的形式分布在齒輪油中，造成介電常數的改變。齒輪油介電常數與 Fe 含量的關系如圖 7 所示。
由圖 7 可知，隨著強導電性的 Fe 元素含量增大，齒輪油的介電常數呈上升趨勢。與水相比，Fe 含量對介電常數的影響并不明顯，這是由于雖然 Fe 為良性導體，但其擴散能力和表面的附著能力都遠不如水。另外，隨著齒輪油中 Fe 含量的增加，介電常數的增加趨勢有所放緩。
變速器和車橋在運行過程中，齒輪油中的部分碳氫化合物分子被氧化生成酸，添加劑也被逐漸消耗，使得油中的游離酸含量增加，加重了對齒輪表面的腐蝕，并在金屬的催化作用下繼續加速油品老化，不利于其正常工作。隨著齒輪油中游離酸含量增加，在外電場作用下，酸中的 H+和 RCOO- 離子發生離子極化，形成內電場抵消外電場強度，從而對齒輪油的介電常數產生影響。齒輪油介電常數與酸值含量的關系如圖 8 所示。
由圖 8 可知，隨著齒輪油酸值的上升，齒輪油的介電常數呈緩慢上升趨勢。雖然酸值同樣造成介電常數的增大，但相對水含量和 Fe 含量，酸值對介電常數的影響可以忽略不計。FPS2800 傳感器對酸值的靈敏性不高，酸值的上升并不會引起介電常數的明顯升高。
通過上述試驗分析，確定了齒輪油介電常數與常用理化性能指標之間的變化規律，驗證了齒輪油水含量、Fe 含量以及酸值與齒輪油介電常數變化趨向的一致性，證明了用介電常數作為評價齒輪油衰變程度的綜合指標是可行的，可采用容錯率好的反向傳播(Back Propagation，BP)神經網絡對齒輪油品質進行綜合判斷。在本模型中，第 1 級建立 4 個子神經網絡，分別將校正后的粘度、酸值、Fe 含量和水含量作為輸入參數，第 2 級是對不同類型參數進行特征提取與 FPS2800 傳感器實測參數建立映射關系，根據試驗得到的閾值進行正常、預警、報警 3 個等級劃分，從而得到齒輪油品質的判定結果。
4、結論
a. 不同溫度下齒輪油的動力粘度與運動粘度之間呈現強線性關系，粘度計算的過程中可以用動力粘度取代運動粘度，大幅降低在線監測系統的計算量。
b. 隨齒輪油水含量、Fe 含量和酸值升高，介電常數呈現上升趨勢，三者對介電常數的影響程度依次為：水含量、Fe 含量、酸值含量。
c. 齒輪油水含量、Fe 含量以及酸值與介電常數的變化趨向一致，證明了用介電常數作為評價齒輪油衰變程度的綜合指標是可行的。
參考文獻略.