以聚α-烯烴為基礎(chǔ)油的自動變速器油性能試驗研究

王 穩(wěn)，李 維

(西京學院機械工程學院，西安 710123)

隨著城市公共交通安全和公交車輛技術(shù)配置的提高，公交車裝配自動變速器的比例逐年提高?，F(xiàn)階段國內(nèi)公交車自動變速器主要有液力自動變速器AT和電控機械式自動變速器AMT兩種，如德國ZF公司的AS Tronic Lite、Allison公司的AT545、Allison公司的3000 T325R、德國ZF公司的HP、福伊特公司的DIWA等系列產(chǎn)品。各變速器廠家對用油要求嚴格，并指定了相應(yīng)規(guī)格。如Allison公司指定使用嘉實多公司生產(chǎn)的TranSynd 艾里遜變速器專用油，ZF公司指定使用ZF-ECOFLUID A+專用油，福伊特公司指定使用美孚、殼牌等品牌油品，而國產(chǎn)潤滑油品牌幾乎處于空白狀態(tài)[1]，造成自動變速器換油成本過高。為了研制一種適合于公交車自動變速器性價比較高的油品，節(jié)省保養(yǎng)成本，試制了一種自動變速器油進行行車試驗，考察在行車過程中油品指標整體的變化趨勢，為車輛自動變速器油的配方改進和產(chǎn)品應(yīng)用提供參考和試驗驗證，同時，進行實驗室模擬試驗對比，試圖探索一種成本低、可靠性高、模擬性好的實驗室方案。

1 實 驗

1.1 材 料

1.1.1 試驗油 所研制變速器油(簡稱研制油)的基礎(chǔ)油為聚α-烯烴(PAO)，由90%(w，下同)PAO6與10% PAO8構(gòu)成，添加劑包括：聚甲基丙烯酸酯型黏度指數(shù)改進劑3.8%，酚型抗氧化劑0.4%，胺型抗氧化劑0.4%，高堿值合成磺酸鈣0.5%，聚異丁烯丁二酰亞胺3%，二烷基二硫代氨基甲酸鋅0.3%，硫代磷酸復酯胺鹽0.2%，防銹劑苯并三氮唑0.05%。表1為研制油和參比油的技術(shù)指標。

表1 研制油和參比油的技術(shù)指標

1)試驗條件為：196 N，60 min，1 200 r/min，54 ℃。

1.1.2 試驗車輛及工況 試驗車輛為3輛裝配福伊特公司DIWA型自動變速器的海格公交客車，平均已行駛里程約為1.1×105km，每月平均行駛里程為5 500～6 000 km，3輛車同一固定線路行駛。對比試驗采用曲軸箱模擬試驗儀進行，儀器為上海墨迪儀器有限公司生產(chǎn)的C-9型內(nèi)燃機油成焦傾向試驗儀。

1.2 試驗方案

試驗編號為1068號、1061號的兩輛車裝研制油，編號為1070號的車裝參比油，檢測行車過程中油品黏度、黏度指數(shù)、閃點、黏度變化率、PB、WSD等指標的整體變化趨勢，計劃換油里程為6×104km(目前換油里程)。同時，通過曲軸箱模擬試驗儀對研制油和參比油進行高溫模擬試驗，試驗條件為：運行時間58 h，試驗油溫150 ℃，鋁板溫度320 ℃，電機轉(zhuǎn)速800 r/min。分不同時間對曲軸箱試驗后的油品取樣，檢測其性能指標變化趨勢，并與行車試驗指標進行對比分析，討論油品各指標變化趨勢的原因，探討指標變化是否具有一定的相關(guān)性。

2 結(jié)果與討論

2.1 運動黏度的變化

圖1為40 ℃運動黏度隨車輛行駛里程的變化，圖2為40 ℃運動黏度隨模擬試驗時間的變化。由圖1可見：隨行駛里程的增加，試驗油40 ℃運動黏度不斷下降，2×104km后趨于穩(wěn)定；其中研制油的黏度下降較參比油緩慢，研制油中使用的聚甲基丙烯酸酯型黏度指數(shù)改進劑抗剪切性能較優(yōu)，同時全合成基礎(chǔ)油較好地保持了油品的基礎(chǔ)黏度，黏度在車輛行駛2×104km時降至較低值，之后下降趨緩；參比油黏度變化趨勢與研制油基本一致。圖2中曲軸箱試驗顯示研制油黏度持續(xù)升高，是因為曲軸箱試驗的高溫條件對其影響較大，其中黏度指數(shù)改進劑的抗高溫熱降解性能較好，未出現(xiàn)明顯的黏度下降，黏度上升主要是因為基礎(chǔ)油氧化生成焦質(zhì)物使油品變稠；參比油在試驗時間16 h時黏度下降至最低后逐漸上升，主要是參比油中的黏度指數(shù)改進劑先熱降解至其相對分子質(zhì)量最低，而后與基礎(chǔ)油一起被氧化造成黏度上升。由圖1和圖2對比來看：行車試驗中未出現(xiàn)黏度上升現(xiàn)象，行車試驗后期黏度保持穩(wěn)定，主要因為自動變速器正常工作溫度一般不超過150 ℃，對黏度指數(shù)改進劑的熱降解影響較小，主要是機械剪切作用明顯，行車試驗后期高分子黏度指數(shù)改進劑被剪切至不再變化，油品黏度也趨于穩(wěn)定；而曲軸箱模擬試驗溫度為150 ℃，鋁板溫度為320 ℃，試驗條件較為苛刻，參比油黏度下降主要受高溫條件下黏度指數(shù)改進劑熱降解的影響。

圖1 40 ℃運動黏度隨車輛行駛里程的變化◆—1068號； ■—1061號； ▲—1070號。圖3、圖5、圖7、圖9同

圖2 40 ℃運動黏度隨模擬試驗時間的變化◆—研制油； ■—參比油。圖4、圖6、圖8、圖10同

圖3為100 ℃運動黏度隨車輛行駛里程的變化，圖4為100 ℃運動黏度隨模擬試驗時間的變化。由圖3可見：研制油的100 ℃運動黏度隨行駛里程增加而逐漸下降，2×104km時趨穩(wěn)；參比油黏度下降明顯，考慮其中黏度指數(shù)改進劑受剪切后相對分子質(zhì)量變化較大導致油品黏度下降較多。張雪濤等[2]通過圓錐滾子軸承試驗機試驗也得出黏度指數(shù)改進劑對自動變速器油剪切安定性的影響最為顯著，隨著聚甲基丙烯酸酯黏度指數(shù)改進劑添加量的增加，其剪切安定性變差。圖4中曲軸箱試驗顯示研制油100 ℃運動黏度在極短時間內(nèi)下降至最低值，再平穩(wěn)至26 h后持續(xù)升高，因為基礎(chǔ)油氧化形成焦質(zhì)物使黏度上升，由于試驗取樣第一點為8 h時，也有可能油品中的黏度指數(shù)改進劑在更短時間內(nèi)已熱降解至相對分子質(zhì)量最低值。與圖1和圖2對比來看，100 ℃運動黏度與40 ℃運動黏度變化趨勢相似，黏度下降主要是黏度指數(shù)改進劑受剪切和熱降解的作用，油品氧化后導致黏度增大。

圖3 100 ℃運動黏度隨車輛行駛里程的變化

圖4 100 ℃運動黏度隨模擬試驗時間的變化

2.2 黏度指數(shù)的變化

圖5為黏度指數(shù)隨車輛行駛里程的變化，圖6為黏度指數(shù)隨模擬試驗時間的變化。為保證自動變速器內(nèi)各制動器、離合器、摩擦片具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，要求油品黏度受溫度影響較小，一般黏度指數(shù)達到155以上。由圖5可見：油品黏度指數(shù)隨車輛行駛里程增加而下降，參比油較研制油黏度指數(shù)下降更大，進一步說明參比油中黏度指數(shù)改進劑在行車條件下的相對分子質(zhì)量減小速率較快，6×104km時黏度指數(shù)下降值接近30。由圖6可見：研制油黏度指數(shù)下降快，主要是研制油經(jīng)過模擬試驗后，其40 ℃運動黏度隨模擬試驗時間的增加而增加，100 ℃運動黏度隨模擬試驗時間的增加先降低后增加，在40 h之后，40 ℃和100 ℃運動黏度的增長速率和變化趨勢接近，黏度指數(shù)變化不大，油品進入正常高溫氧化階段；參比油黏度指數(shù)先降后升，主要是100 ℃運動黏度比40 ℃運動黏度增長快。

圖5 黏度指數(shù)隨車輛行駛里程的變化

圖6 黏度指數(shù)隨模擬試驗時間的變化

2.3 四球試驗指標變化對比

一般自動變速器油摩擦性能采用SAE2.0低速摩擦試驗機進行試驗[3]，但由于試驗條件所限，研究采用四球機法。圖7和圖8為四球機試驗結(jié)果，試驗條件為：196 N，60 min，1 200 r/min。由圖7可見：行駛里程達1.5×104km時對應(yīng)WSD值均有所增大，說明更換新油后行駛初期油品抗磨性有較大幅度的下降；行駛里程達到2.5×104km時，WSD值又有所減小，研制油作用下的WSD值在2.5×104km后較為穩(wěn)定，維持在0.58 mm，而參比油作用下在行駛里程2.5×104km后又有所上升，最高達到0.85 mm，可見低添加量的二烷基二硫代氨基甲酸鋅與硫代磷酸復酯胺鹽配合在研制油中能夠保持穩(wěn)定的抗磨性能。圖8中WSD值隨模擬時間的延長變化比較平緩，而且變化程度不大，主要是曲軸箱試驗僅僅是高溫和甩濺動作，對抗磨劑的消耗和性能影響不大，而自動變速器中摩擦片實際運行中對油品中的元素有所消耗，油中抗磨元素含量下降。Li Shaohui等[4]指出，自動變速器運行過程中，自動變速器油中的P和Ca元素在鋼片表面發(fā)生化學反應(yīng)，油中添加劑的抗磨元素是不斷被消耗而含量降低的，由此油品的抗磨性能也隨之下降。

圖7 WSD隨車輛行駛里程的變化

圖8 WSD隨模擬試驗時間的變化

圖9為PB隨車輛行駛里程的變化，圖10為PB隨模擬試驗時間的變化。由圖9可見，PB隨行車里程增加至2.5×104km時先下降至550～650 N之間，然后有所提升并趨于穩(wěn)定，兩種油的PB變化趨勢相近，總體變化較大。圖10中經(jīng)過曲軸箱試驗后油品PB下降較大，表明油品中極壓抗磨劑的作用受高溫影響較大，極壓值不斷下降，可能是因為極壓抗磨劑中S元素的存在形式受高溫影響發(fā)生較大變化，在極端條件下無法提供較好的極壓性能。李韶輝等[5]曾通過SAE No.2試驗指出自動變速器油基礎(chǔ)油中微量的含硫化合物會影響潤滑油的高溫摩擦特性。

圖9 PB隨車輛行駛里程的變化

圖10 PB隨模擬試驗時間的變化

2.4 閃點的變化

圖11為油品閃點隨車輛行駛里程的變化趨勢。由圖11可見，閃點隨車輛行駛里程的增加而下降，主要原因是基礎(chǔ)油長期在高溫條件下裂解出烴類使其閃點降低，行駛里程達到2×104km以后閃點變化趨緩，維持在一個穩(wěn)定水平。由于曲軸箱模擬試驗儀裝油量有限，每次取樣量較少，所以未進行閃點分析。

圖11 油品閃點隨車輛行駛里程的變化

綜合以上對比試驗結(jié)果，認為自動變速器油的曲軸箱模擬試驗并不能準確預期行車試驗的指標變化趨勢，可能是因為曲軸箱150 ℃的試驗溫度過高，后期又補充了油溫分別為100 ℃和120 ℃、鋁板溫度為150 ℃的長周期試驗，發(fā)現(xiàn)油品黏度、黏度指數(shù)、WSD值和PB變化程度不大，與新油指標接近，與行車試驗的相關(guān)性更差，可見不同溫度下曲軸箱試驗的結(jié)果模擬效果不佳，也可能與評價指標的選取有較大關(guān)系。Grisanti等[6]用中紅外光譜分析了存儲條件下自動變速器油的老化速率，模擬效果較好，后期可以采用紅外光譜對行車后油樣進行測試。

3 結(jié) 論

(1)在行車試驗里程6×104km內(nèi)，研制油作為全合成自動變速器油配方，與參比油相比具有更好的黏度控制性能，抗氧化效果較好，其他指標如WSD、PB、閃點變化趨勢相近。

(2)雖然曲軸箱模擬試驗與行車試驗結(jié)果有部分的相似性，但是由于試驗條件相差較大，曲軸箱模擬試驗條件更加苛刻，需要尋找與行車試驗相接近的試驗條件，或者采用更適合的模擬試驗儀器。

(3)曲軸箱能夠達到溫度控制的目的，但不能模擬出變速器中零部件對油品的剪切效果。

(4)短期行車試驗內(nèi)油品部分理化指標正常，并不能保證油品長期的質(zhì)量穩(wěn)定，需要繼續(xù)進行和延長行車試驗，以檢驗油品的可靠性。

(5)考慮到自動變速器制造商對自動變速器油中部分添加劑所含元素含量的限制，需繼續(xù)降低添加劑量進行研究。