Nghiên cứu đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt theo ASTM của một số loại dầu bôi trơn

Tạp chí Khoa học và Công nghệ 137 (2019) 033-037 
33 
Nghiên cứu đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt 
theo ASTM của một số loại dầu bôi trơn 
Study on the Characteristics of Surface Contacted Friction According to Astm of Different Lubricants 
Trần Đức Toàn, Phạm Văn Hùng 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội 
Đến Tòa soạn: 10-9-2018; chấp nhận đăng: 27-9-2019 
Tóm tắt 
Bài báo trình bày nghiên cứu về đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt theo ASTM của một số loại dầu thương mại 
có cùng chỉ tiêu độ nhớt công bố, khi làm việc ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Kết quả cho thấy có sự 
thay đổi đáng kể của đặc tính ma sát theo nhiệt độ của các loại dầu bôi trơn có độ nhớt tương đương. Sự thay 
đổi đặc tính ma sát dầu sẽ quyết định tính chống mòn và tuổi thọ của cặp ma sát làm việc. Vì vậy lựa chọn 
dầu bôi trơn theo các chỉ tiêu độ nhớt là chưa đầy đủ, cần phải căn cứ thêm vào đặc tính ma sát tiếp xúc bề 
mặt của dầu mới đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy cho cặp ma sát được bôi trơn. 
Từ khóa: Bôi trơn; Ma sát; ASTM D4172; Đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt. 
Abstract 
This paper presents the study on the characteristics of surface contacted friction according to ASTM of 
different commercial lubricants with the same viscosity index working at different temperature conditions. The 
results show that there ere significant changes in the friction characteristics following the temperature of 
lubricants with equivalent viscosities. The changes in lubricant friction characteristics decide the wear resistant 
ability and longevity of the working friction pair. Therefore, choosing lubricant according to the viscosity index 
was not sufficient. It must also be based on the lubricant friction characteristic to ensure the longevity and 
reliability of the lubricated friction pair. 
Keywords: Lubrication, Friction, ASTM D4172; Characteristic of surface contacted friction. 
1. Đặt vấn đề 
 Độ*nhớt của dầu bôi trơn thay đổi theo nhiệt độ 
với quan hệ phi tuyến, như hình 1. Đa số dầu bôi trơn 
thương mại độ nhớt chỉ được công bố ở một mức nhiệt 
độ quy định. Điều này không thuận lợi cho người sử 
dụng, do độ nhớt dầu ở nhiệt độ làm việc của máy trong 
các điều kiện cụ thể cần phải thông qua các tính toán 
với các hệ số rút ra từ thực nghiệm. 
Hình 1. Đồ thị nguyên tắc sự phụ thuộc độ nhớt vào 
nhiệt độ [1,2] 
Trên hình: 
t: Độ nhớt ở mức nhiệt t 
o: Độ nhớt ở mức nhiệt to 
: Hệ số (0,02-0,03 với dầu) 
* Địa chỉ liên hệ: Tel: (+84) 988215333 
Email: toan.tranduc@hust.edu.vn 
 Về nguyên tắc, khi nhiệt độ tăng độ nhớt dầu 
giảm, tính năng bôi trơn – chống mòn giảm. Các kết 
quả thực nghiệm về thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ 
được tiến hành trên các loại dầu bôi trơn đa cấp từ SAE 
5W - 30 đến SAE 20W - 50 thể hiện trên hình 2 [3] 
 Do đó, dầu có độ bền nhiệt tốt là dầu có độ nhớt 
thay đổi theo nhiệt độ ít nhất và là dầu có tính bôi trơn 
tốt, tuổi thọ cao. Để đánh giá độ bền nhiệt của dầu bôi 
trơn hiện nay căn cứ vào chỉ số độ nhớt VI (Viscosity 
Index). Chỉ số VI càng cao thì độ nhớt dầu càng ít thay 
đổi theo nhiệt độ. Hiện nay, chỉ tiêu VI được đánh giá 
theo tiêu chuẩn ASTM D2270, TCVN 6019 - 1995 và 
ISO2909, một số dầu bôi trơn được bổ sung phụ gia và 
các dầu tổng hợp có thể đạt VI>100. Đồ thị xác định 
chỉ số VI được thể hiện trên hình 3 và công thức (1)[4]. 
VI =


 (1) 
Trong đó: 
U: Độ nhớt động học của dầu ở 400C 
L, H: Độ nhớt động học ở 400C của dầu VI=0 và VI=100 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 137 (2019) 033-037 
34 
Hình 2. Biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ của một số loại 
dầu [3] 
Hình 3. Đồ thị xác định chỉ số VI của dầu [4] 
 Trong công nghiệp thường dùng công thức 
Walther [4] 
Log log (  + a) = b - c. log T 
Trong đó: 
: độ nhớt động học 
a: hằng số (a = 0,6-0,8 xác định từ thực nghiệm) 
b, c: hằng số phụ thuộc dầu 
 Trên thực tế, độ nhớt và chỉ số nhớt của dầu bôi 
trơn chưa thể hiện được đầy đủ tính chống mòn của 
dầu trên bề mặt ma sát tiếp xúc. Tính chống mòn của 
bề mặt ma sát tiếp xúc là chỉ tiêu quan trọng quyết định 
tới tuổi thọ và độ tin cậy của cặp ma sát khi làm việc. 
Vì vậy, đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt theo tiêu chuẩn 
ASTM của các dầu bôi trơn thương mại trong điều kiện 
nhiệt độ thay đổi là cơ sở cho việc lựa chọn dầu bôi 
trơn theo quan điểm ma sát tiếp xúc bề mặt. Đây là căn 
cứ quan trọng để đưa ra các lựa chọn, sử dụng dầu bôi 
trơn phù hợp chi tiết máy, thiết bị theo quan điểm 
chống mòn, tuổi thọ và độ tin cậy trong các điều kiện 
làm việc cụ thể, đồng thời cũng là cơ sở cho việc điều 
chỉnh tính toán thiết kế các cặp ma sát nói riêng và thiết 
bị công nghiệp nói chung. 
2. Giải quyết vấn đề 
2.1. Tiêu chuẩn ASTM về đánh giá đặc tính ma sát 
tiếp xúc bề mặt của dầu bôi trơn [5,6]: 
 Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn ASTM D4172 
bao gồm các loại dầu bôi trơn cho các cặp ma sát trong 
điều kiện bôi trơn giới hạn, nửa ướt và ướt. Chỉ tiêu 
đánh giá là đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt, cụ thể là 
đường kính vết mòn trong điều kiện thử nghiệm. 
 Sơ đồ thử nghiệm theo ASTM D4172 được thể 
hiện như hình 4 – Sơ đồ bố trí các bi khảo sát đặc tính 
ma sát tiếp xúc 
Hình 4. Sơ đồ khảo sát đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt 
của dầu theo ASTM D4172 
Hình 5. Thiết bị thử nghiệm dầu bôi trơn theo phương 
pháp 4 bi của a: Koehler; b: Falex [7,8] 
 Theo tiêu chuẩn ASTM D4172, điều kiện và thiết 
bị thực hiện thí nghiệm được xác định như sau: 
* Các viên bi thực hiện thử nghiệm: 
 - Đường kính: 12,7 mm 
 - Vật liệu: Theo ASTM số E 52100 
 - Độ cứng: 64-66 HRC 
 - Các bi đôi một tiếp xúc nhau. 
 - Bi dưới cố định, bi trên quay quanh tâm cố định 
* Nhiệt độ dầu bôi trơn thí nghiệm: t = 75 ± 2 0C 
* Tốc độ: n = 1200 ± 60 vòng/phút 


H
U
L
Dầu thử nghiệm 
4 viên bi 
 (độ nhớt động học) 
 =

r
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 137 (2019) 033-037 
35 
* Thời gian thí nghiệm: 60 ± 1 phút 
* Tải trọng: 
 - Phương án thử nghiệm 1: F = 147 ± 2 N 
(có đồ gá đo kết hợp các viên bi theo hướng dẫn). 
 - Phương án thử nghiệm 2: F = 392 ± 2 N 
(đo kích thước vết mòn từng viên bi và lấy giá trị trung 
bình) 
* Độ chính xác thiết bị đo: = 0,01 mm 
 Dựa trên tiêu chuẩn thử đặc tính ma sát tiếp xúc 
của dầu: ASTM D4172, nhiều công ty trên thế giới đã 
sản xuất ra các thiết bị thử nghiệm theo phương pháp 
4 bi. Một số thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị được 
trình bày trong bảng 1 và hình ảnh thiết bị trên hình 5. 
Bảng 1. Thông số kỹ thuật thiết bị thử nghiệm theo 
phương pháp 4 bi của một số công ty [7,8] 
 Koehler Falex 
Tuân thủ tiêu chuẩn 
ASTM 
D2266; D2596; 
D2783; D4172; 
D5183; IP 239. 
D2266; D2596; 
D2783; D4172; 
D5183; IP 300. 
Công suất 1,5 kW 0,5 HP (0,4kW) 
Tốc độ (min/max) 300/3000 vg/ph 1200 vg/ph 
Tải max N/(vg/ph) 
10000/3000 
12000/1800. 
60kg 
Nhiệt độ 750C 
Tự động, 
max 1710C 
Thời gian 1-999’ Rơ le thời gian 
Bi (mm) 12,7 mm 
2.2. Mục đích và phạm vi của thử nghiệm xác định 
đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt của dầu bôi trơn trong 
điều kiện nhiệt độ thay đổi 
 Nghiên cứu được tiến hành trên cơ sở thiết bị 
được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM D4172, có thể 
điều chỉnh mức nhiệt độ khác nhau để nghiên cứu đặc 
tính ma sát tiếp xúc bề mặt thay đổi theo biến thiên của 
nhiệt độ: 
- Xác định đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt thông qua 
kích thước vết mòn của các viên bi trong tiếp xúc ma 
sát với các loại dầu thông dụng có cùng đặc tính nhớt 
theo ISO hoặc SAE 
- Đánh giá sự tương quan của chỉ tiêu độ nhớt đặc trưng 
với chỉ tiêu ma sát tiếp xúc bề mặt thông qua kích 
thước vết mòn. 
 Thử nghiệm được tiến hành trong điều kiện nhiệt 
độ thay đổi trong phạm vi làm việc thực tế của các cặp 
ma sát (từ 400C – 1000C). 
2.3. Một số thông số thử nghiệm cơ bản trong nghiên 
cứu trên cơ sở tiêu chuẩn ASTM 
 Lựa chọn các thông số cơ bản của thiết bị và dầu 
bôi trơn trong thử nghiệm: 
* Chọn phương án đặt tải: 40kg (392N); 
* Tốc độ quay của viên bi: 1200 vòng/phút, 
* Thời gian mỗi lần thử: 60 phút; 
* Nhiệt độ thử: 400C ÷ 1000C (có to tiêu chuẩn 750C 
theo ASTM D4172) 
 Thử nghiệm được thực hiện với ba loại dầu 
thương mại có chung thông số đặc trưng 20W-50 – 
Đây là loại dầu đa cấp có độ nhớt ở nhiệt độ 1000C là 
17,5÷21 cSt, và độ nhớt cũng ổn định theo nhiệt độ. 
Bảng 2 thể hiện một số thông số kỹ thuật được công bố 
của ba loại dầu. 
Bảng 2. Một số thông số kỹ thuật của dầu được chọn 
thí nghiệm 
 Dầu 1 Dầu 2 Dầu 3 
Thành 
phần 
Dầu gốc khoáng + 
Phụ gia 
Dầu khoáng 
+ Phụ gia 
Dầu gốc 
khoáng 
Đạt tiêu 
chuẩn 
API SG; Jaso MA 
API SJ; 
Jaso MA2 
API SG; Jaso 
MA 
Khuyến 
nghị 
Động cơ 4T 
Công bố 
khả năng 
đặc biệt 
Bảo vệ pittong -
xilanh ở nhiệt độ 
cao, ngăn ngừa 
mài mòn. 
Siêu chống 
nhiệt; Ổn 
định độ 
nhớt 
- 
 Như vậy các thông số kỹ thuật không có dữ liệu 
về VI, do đó đánh giá bền nhiệt của dầu bôi trơn theo 
VI là chưa có. Nhiệt độ tiến hành thử nghiệm được 
trình bày trong bảng 3 
Bảng 3. Bảng thông số thí nghiệm 
 Dầu 1 Dầu 2 Dầu 3 
400C 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
500C 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
750C 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
1000C 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
392N; 
60’; 
1200 vg/ph. 
Thiết bị thí nghiệm 
 Trên cơ sở tiêu chuẩn ASTM D4172 và yêu cầu 
cụ thể của thử nghiệm, thiết bị được thiết kế chế tạo 
đảm bảo các yêu cầu của tiêu chuẩn quy định, và có 
thể thay đổi các thông số thí nghiệm theo mong muốn: 
Nhiệt độ, Tải, Tốc độ quay, Thời gian thí nghiệm. 
 Thiết bị thử nghiệm BK-MSBT.2017 được thiết 
kế, chế tạo, có kết cấu cơ khí theo nguyên tắc 4 bi thể 
hiện trên hình 6. 
 Hệ thống điều khiển của thiết bị được kết nối với 
máy tính. Hình ảnh tổng thể của thiết bị BK-MSBT-
2017 được thể hiện trên hình 7 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 137 (2019) 033-037 
36 
Hình 6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động và điều khiển thiết 
bị BK-MSBT-2017. 
Trên hình: 
C/D: Bộ chuyển đổi tín hiệu 
1: Đầu kẹp bi chuyển động (quay) 
2: Vòng kẹp bi cố định 
3: Các viên bi trong thí nghiệm 
4: Dầu sử dụng trong thí nghiệm 
5: Gia nhiệt cảm ứng 
6: Cảm biến nhiệt độ 
7: Chốt chống xoay 
8: Tải trọng (tạo tải, có thể thay đổi) 
Hình 7. Hình dáng chung của thiết bị thí nghiệm BK-
MSBT.2017 
4. Kết quả thử nghiệm, xử lý số liệu và thảo luận 
 Thực nghiệm được tiến hành ở các mức nhiệt độ 
khác nhau với tải trọng, số vòng quay và thời gian 
tương thích tiêu chuẩn ASTM 4172. Tiến hành đo vết 
mòn viên bi sau mỗi thí nghiệm trên kính hiển vi soi 
nổi Mitutoyo (Japan) độ chính xác 0,01 mm. Hình 8 
thể hiện ảnh chụp vết mòn của viên bi dưới, vết mòn 
có biên dạng tròn có đường kính thay đổi theo nhiệt 
độ. Hình 9 thể hiện ảnh chụp vết mòn của viên bi trên, 
vết mòn có biên dạng vành khăn, kích thước tương ứng 
với vết mòn bi dưới 
Hình 8. Hình ảnh vết mòn của bi dưới 
Hình 9. Hình ảnh vết mòn bi trên 
 Tổng hợp kết quả đo kích thước vết mòn các viên 
bi được thể hiện trong bảng 4. 
Bảng 4. Đường kính vết mòn các viên bi dưới trong 
các thí nghiệm Đơn vị: (mm) 
400C 500C 750C 1000C 
d TB d TB d TB d TB 
D
ầu
 1
 0,565 
0,
56
 0,566 
0,
56
8 
0,569 
0,
57
0 
0,576 
0,
57
8 
0,553 0,571 0,561 0,572 
0,562 0,566 0,580 0,584 
D
ầu
 2
 0,599 
0,
59
6
 0,628 
0,
62
9
 0,648 
0,
66
1
 0,700 
0,
70
3
0,596 0,629 0,663 0,702 
0,594 0,630 0,672 0,708 
D
ầu
 3
 0,565 
0,
56
3
 0,580 
0,
58
5
 0,602 
0,
60
0
 0,629 
0,
62
6
0,565 0,588 0,599 0,630 
0,559 0,587 0,600 0,620 
d-đường kính vết mòn; TB-Trung bình đường kính vết mòn 
 Căn cứ vào bảng kết quả thực nghiệm, xây dựng 
được đồ thị biến thiên của diện tích vết mòn phụ thuộc 
nhiệt độ tương thích với tiêu chuẩn ASTM thể hiện 
trên hình 10. 
Nhận xét: 
- Đường kính vết mòn là đại lượng đặc trưng cho lượng 
mòn tổng hợp của bi thử nghiệm 
- Lượng mòn tăng tuyến tính theo nhiệt độ (y=ax+b) 
cho thấy thử nghiệm nằm trong phạm vi mòn bình 
thường của các viên bi 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 137 (2019) 033-037 
37 
- Hệ số ảnh hưởng của “a” cho thấy tốc độ mòn của ba 
loại dầu là: 0,0002; 0,0017 và 0,001 – có sự khác biệt 
đáng kể, cho thấy có khả năng do ảnh hưởng của chất 
phụ gia 
- Thừa số “b” của phương trình tại t = 400C là 0,563; 
0,604; 0,570 cho thấy sự khác biệt về tính chống mòn 
của các loại dầu không phụ thuộc vào nhiệt độ, thể hiện 
có khả năng do ảnh hưởng của dầu gốc ban đầu khi 
chưa bổ sung phụ gia. 
Hình 10. Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường 
kính vết mòn 
Thảo luận: 
 Độ nhớt của dầu bôi trơn biến đổi phi tuyến theo 
nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì độ nhớt giảm và khả 
năng bôi trơn giảm, tính chống ma sát càng kém. Tuy 
nhiên, hiện nay dầu bôi trơn hiện đại đều được bổ sung 
thêm các chất phụ gia ổn định nhiệt, chống tạo bọt, 
chống bám cặn,  để giảm mức độ ảnh hưởng nhiệt 
độ đến độ nhớt. Điều này được thể hiện ở chỉ tiêu chỉ 
số VI của ba loại dầu đều lớn hơn 100. 
 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ đến vết mòn trên 
hình 10 cho thấy: 
- Các loại dầu thực nghiệm có cùng chỉ tiêu độ nhớt 
công bố là 20W-50 nhưng đặc tính ma sát tiếp xúc bề 
mặt của dầu thể hiện bằng đường kính vết mòn là rất 
khác nhau. Như vậy tính chống mòn của bề mặt là khác 
nhau 
- Ở 400C sự khác biệt đặc tính ma sát tiếp xúc của ba 
loại dầu bôi trơn trong phạm vi khoảng 1,07 lần, ở 
1000C sự khác biệt lên đến 1,23 lần. 
 Cặp ma sát nói riêng và thiết bị nói chung được 
thiết kế với điều kiện làm việc cụ thể tương ứng với 
loại dầu bôi trơn có đặc tính kỹ thuật phù hợp. Nó 
thường được thể hiện bằng chỉ tiêu độ nhớt của dầu 
theo ISO hoặc SAE hoặc có thêm chỉ số VI trong điều 
kiện có yêu cầu kỹ thuật cao hơn. Như vậy chỉ tiêu ma 
sát tiếp xúc bề mặt ảnh hưởng trực tiếp tới mòn và tuổi 
thọ chưa được quan tâm công bố. 
 Tiêu chuẩn ASTM quy định mức nhiệt độ thử chỉ 
tiêu ma sát tiếp xúc bề mặt ở 750C chưa bao quát hết 
điều kiện làm việc cụ thể của thiết bị. Trên thực tế cần 
có các thử nghiệm đánh giá dầu bôi trơn ở 1000C (Ví 
dụ nhiệt độ làm việc của động cơ) để đảm bảo gần với 
điều kiện làm việc để xác định được đường kính vết 
mòn. Như vậy, đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt của dầu 
bôi trơn là cơ sở quan trọng trong đánh giá tính chống 
mòn, tuổi thọ và độ tin cậy của dầu cần lựa chọn, nhất 
là sử dụng cho động cơ đốt trong. 
Kết luận: 
- Các dầu bôi trơn thương mại chỉ công bố chỉ tiêu độ 
nhớt theo ISO hoặc SAE hoặc bổ sung thêm chỉ số VI 
là chưa đủ thông tin cần thiết để chọn dầu tối ưu theo 
quan điểm ma sát tiếp xúc. 
- Việc bổ sung thêm các loại chất phụ gia với thành 
phần và hàm lượng khác nhau tùy thuộc vào các mác 
dầu bôi trơn của các công ty, dẫn tới sự thay đổi đặc 
tính ma sát tiếp xúc bề mặt – cụ thể là đường kính vết 
mòn của các viên bi tiếp xúc ma sát theo nhiệt độ là 
khác nhau, tuy nhiên, trên thực tế nó không được công 
bố trong chỉ tiêu kỹ thuật của dầu bôi trơn. 
- Nghiên cứu đưa ra mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ 
tới đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt của các loại dầu bôi 
trơn, phù hợp với tiêu chuẩn ASTM D4172 là căn cứ 
quan trọng để đánh giá chất lượng dầu bôi trơn theo 
quan điểm mòn, độ tin cậy và tuổi thọ. 
Lời cảm ơn 
 Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học 
Bách khoa Hà Nội trong đề tài mã số T2017-PC-043 
Tài liệu tham khảo 
[1]. Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Văn Hùng (2006). Ma sát 
học. NXB Khoa học và kỹ thuật; 
[2]. Nguyễn Doãn Ý (2010) Giáo trình Ma sát, Mòn, Bôi 
trơn Tribology. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật 
[3]. oilandenergy. com. au / wp - content /uploads/2016/06/ 
vistemp.jpeg 
[4]. researchgate.net/figure/Schematic-representation – of 
- the-viscosity-index-definition_fig2_ 281243055 
[5]. ASTM D4172 – 94(2016). Standard Test Method for 
Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid 
(Four-Ball Method); 
[6]. ASTM D2266 -01 (2007). Standard Test Method for 
Wear Preventive Characteristics of Lubricating Grease 
(Four-Ball Method). 
[7]. koehlerinstrument.com/products/four-ball-tester. 
[8]. falex.com/wp-content/uploads / 2017/ 05/ Falex - 
4Ball Wear-6page.pdf