Oleje przekładniowe służą w samochodach do smarowania wszelkiego rodzaju przekładni zębatych takich jak: skrzynie biegów (mechaniczne i automatyczne), przekładnie główne, mechanizmy różnicowe oraz przekładnie kierownicze. Olej musi tworzyć na zębach przekładni film smarowy, który zmniejsza tarcie i jednocześnie zdolny jest do przenoszenia nacisków w pełnym zakresie temperatur pracy.
Smarowanie przekładni zębatych jest zróżnicowane, stosownie do ich konstrukcji i rodzaju zazębienia, obciążeń, prędkości i innych warunków. Oleje przekładniowe mogą pochodzić zarówno z przerobu ropy naftowej, jak i być produktami syntetycznymi. W zależności od warunków pracy przekładni do smarowania zalecane są środki smarowe o zróżnicowanym składzie chemicznym dodatków i różnych bazach olejowych. W olejach do przekładni samochodowych w charakterze syntetycznych komponentów bazy olejowej stosowane są głównie oleje polialfaolefinowe, w mniejszym stopniu estrowe.
Wysoka trwałość eksploatacyjna olejów syntetycznych umożliwia radykalne wydłużenie przebiegów pomiędzy kolejnymi wymianami oleju, a nawet wprowadzenia do pojazdów samochodowych przekładni bezobsługowych napełnionych fabrycznie olejem bez konieczności jego wymiany w całym zakresie eksploatacji samochodu.
Oleje syntetyczne charakteryzują się znacznie lepszymi właściwościami niskotemperaturowymi oraz wyższą stabilnością termiczną. Okupione to jest ich wyższą ceną w stosunku do olejów mineralnych, około 5-cio krotnie w odniesieniu do olejów polialfaolefinowych oraz 10-cio krotnie dla olejów estrowych. Doskonałe właściwości niskotemperaturowe olejów syntetycznych umożliwiają wytworzenie olejów wielosezonowych:
- klasy SAE 75W/80 (trudniej do osiąg-nięcia przy zastosowaniu olejów mineralnych;
- klasy SAE 75W/90 i 75W/140 (niemożliwych do osiągnięcia przy użyciu olejów mineralnych, bez dużego udziału modyfikatorów lepkości.

Warunki pracy oleju w nowoczesnych przekładniach

Oleje do przekładni samochodowych stanowią wąsko wyspecjalizowaną grupę olejów smarowych. Stosowane są w przekładniach głównych oraz w przekładniach redukcyjnych ręcznie sterowanych, automatycznych oraz w przekładniach o ciągłej zmianie obrotów. W Europie dominującym typem przekładni redukcyjnych w samochodach są ręcznie sterowane przekładnie – rys. 1, natomiast w USA przekładnie automatyczne – rys. 2.
Ze względu na specyfikę pracy, każda z wymienionych typów przekładni wymaga wyspecjalizowanego oleju.
Stosowane oleje w nowoczesnych przekładniach samochodowych muszą spełniać następujące zadania:
- zmniejszyć zużycie części;
- zmniejszyć straty energii na pokonanie oporów ruchu;
- odprowadzić ciepło z powierzchni tarcia;
- chronić części mechanizmu przed korozją.
Największy wpływ na warunki pracy oleju w przekładniach wywierają naciski jednostkowe między współpracującymi częściami, szybkość poślizgu zębów w miejscach ich zetknięcia i temperatura. Przekładnie zębate w nowoczesnych samochodach charakteryzują wysokie naciski jednostkowe na warstwę oleju, które w zwykłych przekładniach zębatych wynoszą ok. 20-25 tys. kg/cm2, a w przekładniach hipoidalnych są znacznie wyższe.
Oprócz tego w przekładniach o zębach śrubowych równocześnie z poślizgiem profilowanym występuje także poślizg wzdłuż stycznych zębów, którego szybkość wzrasta ze zwiększeniem przesunięcia osi przekładni. Poślizg skierowany wzdłuż zębów pogarsza warunki tarcia, a znaczne naciski jednostkowe uniemożliwiają utrzymanie dostatecznie grubej warstwy oleju na smarowanych powierzchniach, co sprawia, że koła zębate przekładni pracują przeważnie w warunkach tarcia granicznego.
W przekładniach zębatych występuje na ogół tarcie półpłynne. Zależnie od warunków pracy przekładni (prędkości, obciążenia) proces tarcia może ulegać zmianie.
Przy dużych obciążeniach, zwłaszcza w przekładniach hipoidalnych, zaznacza się obecność tarcia granicznego, a wtedy decydują rolę w procesie smarowania odgrywają własności smarne oleju. W warunkach tarcia granicznego w punktach stykania się powierzchni współpracujących następuje gwał-towny wzrost temperatury. Jeżeli temperatura ta jest wyższa od maksymalnej, którą wytrzymuje zaadsorbowana warstwa oleju, wtedy film olejowy przerywa się i zęby zaczynają się ścierać. W przypadku dużych nacisków rozerwanie filmu olejowego może nastąpić na znacznej powierzchni zębów, co natychmiast powoduje ich zatarcie i bardzo szybkie zużycie. W celu zwiększenia trwałości filmu olejowego wytworzonego na roboczych powierzchniach zębów do olejów przekładniowych dodaje się specjalne substancje chemiczne (dodatki uszlachetniające. W charakterze dodatków uszlachetniających, w syntetycznych olejach przekładniowych, stosowane są odporne termicznie dodatki nowej generacji typu siarka-fosfor. Dodatki te stanowią złożoną kompozycję, zawierającą w charakterze głównych komponentów:
- dodatki smarne o działaniu przeciwzużyciowym i przeciwzatarciowym, stanowiące organiczne związki siarki i fosforu;
- inhibitory utleniania;
- inhibitory korozji.
Nowa jakość dodatków smarnych typu siarka-fosfor, detergentów i dyspergatorów oraz zwiększony udział inhibitorów utleniania podnosi zdecydowanie jakość oleju przekład-niowego. Trwałość oleju w warunkach eksploatacji ograniczona jest zmianami jego właściwości reologicznych, oraz utratą właściwości smarnych, w wyniku zużywania się dodatków smarnych.

Klasyfikacja jakościowa olejów przekładniowych

Skrzynia biegów sterowana ręcznie.

Skrzynia biegów automatyczna.

Rozwój konstrukcji pojazdów samochodowych sprawił, że nastąpiło wyraźne rozróżnienie jakości olejów do przekładni samochodów osobowych i ciężarowych. W samochodach osobowych i małych dostawczych dominującym stał się napęd przedni. Zblokowano układ przekładni głównej i skrzyni biegów i, co za tym idzie, wyeliminowano wysokoobciążoną przekładnię tylnego mostu.
Postęp w konstrukcji przekładni zblokowanych wraz z postępem w zakresie trwałości eksploatacyjnej olejów przekładniowych umożliwił wyeliminowanie wymiany oleju w trakcie użytkowania i wprowadzenie jednorazowego fabrycznego napełniania “for life”, czyli na przebieg rzędu 150 do 300 tys. km, typowy dla większości samochodów osobowych. Dla określenia jakości olejów do przekładni samochodowych, stosowane są specyfikacje stowarzyszeń producentów środków smarowych oraz specyfikacje producentów samochodów. W latach 60-tych Amerykański Instytut Naftowy (API) opracował klasyfikację olejów do przekładni samochodowych, dzieląc je na pięć grup, oznaczonych GL-1 do GL-5. W późniejszym okresie wprowadzono grupę GL-6.
W Europie najczęściej stosowaną specyfikacją jest norma DIN 51517 cz. 3 precyzująca wymagania olejów przekładniowych klasy CLP.
Klasyfikacja API GL została utrzymana jako przydatna w samochodach osobowych. W Polsce oleje do przekładni samochodowych produkowane są w klasie GL-4 i GL-5 wg wymagań jakościowych deklarowanych przez ich producentów.
Przy braku danych fabrycznych klasę oleju przekładniowego dobieramy następująco: silnie obciążone hipoidalne przekładnie główne o znacznym przesunięciu osi kół zębatych wymagają olejów z grupy GL-5 wg klasyfikacji API, natomiast pozostałe przekładnie i synchronizowane skrzynie biegów oleju klasy GL-4. Należy podkreślić, że pomyłkowa zmiana tych klas spowoduje hałaśliwą pracę i przedwczesne zużycie silnie obciążonych przekładni głównych, zaś w synchronizowanych skrzyniach biegów uniemożliwi prawidłowe działanie synchronizatorów.
W latach 80-tych w Stanach Zjednoczonych SAE (Stowarzyszenie Inżynierów Samochodowych) i ASTM (Amerykańskie Stowarzyszenie Badań i Materiałów) opracowały propozycję wymagań dla nowej klasy olejów przekładniowych oznaczonych PG-1 i PG-2 (określanych także MT-1 i MT-2) w miejsce dotychczasowych olejów klasy GL-4 i GL-5. Specyfikacja ta precyzuje wymagania dla olejów przekładniowych do ręcznie sterowanych skrzyń biegów (PG-1) oraz przekładni głównej (PG-2) dużych samochodów ciężarowych, eksploatowanych przy dużych przebiegach, głównie po autostradach.
W specyfikacjach tych, oprócz typowych wymagań stosowanych dla olejów GL-4 i GL-5, wprowadzono dodatkowe wymagania. Dla oleju PG-1 wprowadzono wysokotemperaturowy test cykliczny, określający zachowanie się oleju po przebiegu eksploatacyjnym 65 tys. km. Natomiast dla oleju PG-2 wprowadzono test odporności na zużycie przekładni przez łuszczenie. Ponadto zmodyfikowano badanie odporności na utlenianie wprowadzając dodatkowo ocenę czystości przekładni po badaniu.
W grupie specyfikacji producentów, na szczególne podkreślenie zasługuje specyfikacja PS-163 amerykańskiego producenta przekładni samochodowych Eaton-Fuller, opracowana dla syntetycznych olejów do przekładni głównych z okresem wymiany 800 tys. km (500 tys. mil) przebiegu samochodu. Specyfikacja ta stwarza znacznie ostrzejsze wymagania stabilności termooksydacyjnej olejów w porównaniu ze specyfikacją opracowaną dla olejów PG-2.
W Europie ACEA (Stowarzyszenie Producentów Samochodów) do chwili obecnej nie określiło wymagań jakościowych dla olejów do przekładni samochodowych. Obowiązują w tym zakresie wymagania poszczególnych producentów samochodów (Mercedes Benz: MB 235.6 oraz MB 235.5, Zahnradfabrik: Friedrichschafen ZF TE ML 02 oraz ZF TE ML 05, MAN 341 i MAN 342, Renault 03-80-100). Wymagania pod adresem samochodowych olejów przekładniowych formują również instytucje wojskowe (norma amerykańska MIL-L-2105, MIL-L-2105B, MIL-L-2105C, MIL-L-2105D, MIL-PRF-2105E), oraz producenci przekładni i samochodów.

Klasyfikacja lepkościowa olejów przekładniowych

Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Samochodowych (SAE) opracowało klasyfikację lepkościową olejów do sterowanych ręcznie skrzyń biegów i przekładni mostu tylnego, oznakowaną SAE J306 Axle and Manual Transmission Lubricant Viscosity Classification. Klasyfikacja ta przyjęta na całym świecie jest bieżąco aktualizowana, stąd każdorazowo należy podawać miesiąc i rok wydania. Obowiązującą aktualnie wersję klasyfikacji oznaczono SAE J306 OCT 91.
Według klasyfikacji SAE J306 OCT 91 wprowadzono cztery klasy oleju zimowego (70W, 75W, 80W i 85W) oraz trzy klasy oleju letniego (90, 140 i 250) z określonymi wartościami lepkości w 100OC. W kraju nie opracowano normy dotyczącej klasyfikacji lepkościowej i powszechne zastosowanie znalazła klasyfikacja SAE J306 (oleje silnikowe).

Oleje ATF do przekładni automatycznych

Według opracowania literaturowego prof. Wierzyckiego różne oleje ATF przewiduje się do zastosowania w przekładniach samochodów osobowych i ciężarowych. Wynika to głównie z poziomu przenoszonej masy oraz zastosowanych odmiennych materiałów konstrukcyjnych i uszczelniających. Normy ujmujące wymagania (specyfikacje) pod adresem ATF zostały opracowane przez amerykańskie koncerny samochodowe, gdyż w USA stosowanie przekładni automatycznych jest bardzo rozpowszechnione (ok. 90% wszystkich samochodów amerykańskich jest wyposażone w automatyczne skrzynie biegów).
Specyfikacje olejów ATF dla samochodów osobowych, najbardziej znane i stosowane w świecie zostały opracowane przez:
- General Motors (specyfikacje DEXRON®);
- Forda (specyfikacje MERCON®).
Znak ® został zastrzeżony dla tych olejów ATF, które spełniają wymagania odpowiedniej normy oraz przeszły specjalną, nadzorowaną procedurę weryfikacyjną. Oleje ATF dla samochodów osobowych spełniające powyższe normy są to lekkie oleje mineralne w klasie lepkości SAE 5W. Cechują się dużą płynnością (dobra pompowalnością) w niskich temperaturach. Zawierają pakiet dodatków uszlachetniających: inhibitory utleniania, dodatki przeciwpienne, przeciwzużyciowe i antykorozyjne, modyfikatory tarcia (istotne ze względu na mokre sprzęgła hamulcowe), wiskozatory oraz dodatki łagodzące negatywny wpływ na elastomery uszczelnień.
Oleje ATF dla przekładni samochodów ciężarowych produkuje się w różnych klasach lepkości (dobór lepkości wynika z warunków eksploatacji. Do samochodów osobowych stosuje się tylko jedną klasę lepkościową oleju ATF, niezależnie od warunków eksploatacji.

Wymogi ochrony środowiska wobec coraz większej ilości eksploatowanych samochodów wymuszają proekologiczne zmiany w ich konstrukcji i jakości środków smarowych, w tym olejów przekładniowych. W celu sprostania warunkom pracy, główne zmiany jakościowe olejów przekładniowych zmierzają w dwóch kierunkach:
- podwyższenia stabilności termicznej oleju;
- obniżenia tendencji do tworzenia szlamów i laków;
Zmiany te prowadzą do radykalnego wydłużenia trwałości eksploatacyjnej olejów przekładniowych dzięki szerszemu stosowaniu do ich wytwarzania syntetycznych olejów bazowych oraz nowej generacji dodatków uszlachetniających. Syntetsyczne oleje do przekładni samochodowych są coraz częściej zalecane są przez producentów samochodów, mimo kilkakrotnie wyższej ceny w stosunku do mineralnych olejów przekładniowych. Spowodowane jest to ich zaletami wynikającymi z dobrych właściwości reologicznych rzutujących na energooszczędność oraz wysoką trwałość eksploatacyjną.

Tab. 1.Porównanie podstawowych właściwości olejów syntetycznych i oleju mineralnego.

Tab. 2.Klasyfikacja jakościowa olejów przekładniowych wg API.

Tab. 3.Proponowane wymagania dla olejów przekładniowych MT-1(PG-1),(skrzynia biegów).

Tab. 4.Proponowane wymagania dla olejów przekładniowych PG-2(przekładnia główna).

Tab. 5.Klasyfikacja olejów od przekładni głównych i ręcznie sterowanych skrzyń biegów SAE J306 OCT 91.

Janusz Jakóbiec
Instytut Technologii Nafty – Kraków