張雪濤，張春雷，黃東升，樊爽，徐晶晶，劉洋，董瑩

(1.中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032；2.中國石油潤滑油公司， 北京 100028)

0 引言

自動(dòng)傳動(dòng)液(Automatic Transmission Fluid，簡稱ATF)是一種配方組成復(fù)雜，性能要求高的多功能、多用途潤滑油[1-2]，其規(guī)格眾多，主要有適用于轎車自動(dòng)變速器的通用汽車公司的Dexron規(guī)格和福特汽車的Mercon規(guī)格[3]，適用于重負(fù)荷動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的Allison C-4規(guī)格以及適用于差速器、濕式盤式剎車、卷揚(yáng)機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)的Caterpillar TO-4規(guī)格[4]。隨著自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)從手動(dòng)操縱桿到電子操控的改進(jìn)和汽車排放性能要求的提高，近年來這些規(guī)格的發(fā)展相當(dāng)迅速，各規(guī)格對(duì)低溫流動(dòng)性、抗氧性、抗磨性、耐久性以及剪切安定性的要求越來越高。對(duì)于ATF的剪切安定性，其評(píng)價(jià)方法按照苛刻度排序?yàn)閳A錐滾子軸承剪切法(KRL，NB/SH/T 0845)>FZG齒輪剪切法>超聲波剪切法(SH/T 0505)，目前應(yīng)用最為廣泛的是KRL法[5]。ATF在液力變矩器中傳遞動(dòng)力時(shí)，會(huì)受到高強(qiáng)度的剪切力，油品中的黏度指數(shù)改進(jìn)劑等高分子化合物因剪切而發(fā)生斷鏈，使油品黏度降低，油壓下降，最后導(dǎo)致離合器打滑，這是非常危險(xiǎn)的，因此需要選擇合適的添加劑來調(diào)配ATF。由于良好的低溫性能及黏度指數(shù)提升能力，聚甲基丙烯酸酯類(PAMA)黏度指數(shù)改進(jìn)劑被廣泛應(yīng)用于ATF中[6]。

本文采用圓錐滾子軸承試驗(yàn)機(jī)研究了PAMA添加量、基礎(chǔ)油黏度以及ATF中常用的高分子類添加劑復(fù)合劑F、多功能劑M和無灰分散劑D對(duì)ATF剪切安定性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料及其主要性能參數(shù)

原材料的主要性能參數(shù)如表1～表5所示。

表1 基礎(chǔ)油的主要性能參數(shù)

表2 黏度指數(shù)改進(jìn)劑的主要性能參數(shù)

表3 ATF復(fù)合劑F的主要性能參數(shù)

表4 多功能添加劑M的主要性能參數(shù)

表5 無灰分散劑D的主要性能參數(shù)

1.2 測試與表征

剪切安定性采用圓錐滾子軸承試驗(yàn)機(jī)(KRL)測試，方法為NB/SH/T 0845，具體如下：將40 mL試驗(yàn)油加入到樣品池中，溫度為60 ℃，載荷為5000 N，轉(zhuǎn)速為1475 r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)20 h，測量試驗(yàn)油剪切前后的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，以黏度下降率(VL)或者剪切穩(wěn)定性指數(shù)(SSI)來表征剪切安定性。

VL=100×(VB-VA)/VB

SSI=(VB-VA)/(VB-V0)

式中：

VL——黏度下降率，單位%；

VB——剪切前試驗(yàn)油樣的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，單位mm2/s；

VA——剪切后試驗(yàn)油樣的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，單位mm2/s；

SSI——剪切穩(wěn)定性指數(shù)；

V0——所用基礎(chǔ)油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，單位mm2/s。

分子量及分子量分布采用凝膠滲透色譜(GPC)表征，配備Wyatt DAWN8+光散射檢測器、Wyatt Optilab示差檢測器和Wyatt ViscoStar-Ⅱ黏度檢測器，流動(dòng)相為色譜級(jí)四氫呋喃，流速為1.0 mL/min。

2 結(jié)果與討論

影響自動(dòng)傳動(dòng)液(ATF)剪切安定性的主要因素是添加到油品中的高分子類添加劑，這是因?yàn)樵诟邚?qiáng)度的剪切條件下，只有高分子鏈段才發(fā)生分子鏈的斷裂而引起黏度損失。添加到ATF中的高分子類添加劑一般包括黏度指數(shù)改進(jìn)劑、復(fù)合劑、多功能添加劑和無灰分散劑等。

2.1 PAMA添加量對(duì)剪切安定性的影響

為了考察PAMA添加量對(duì)剪切安定性的影響，將PAMA分別按照3.0%、6.0%、10.0%和15.0%加入到VHVI4中，測試其KRL(20 h)，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，隨著PAMA添加量的增加，SSI和黏度下降率均呈上升趨勢，并且，黏度下降率的上升速度更快。這是因?yàn)?，隨著PAMA添加量的增加，溶液中的高分子濃度升高，在高強(qiáng)度剪切條件下，高分子鏈被剪斷的幾率升高，因此SSI和黏度下降率呈上升趨勢。

圖1 PAMA添加量對(duì)剪切安定性的影響

2.2 基礎(chǔ)油黏度對(duì)剪切安定性的影響

為了考察基礎(chǔ)油黏度對(duì)剪切安定性的影響，選擇不同運(yùn)動(dòng)黏度的基礎(chǔ)油VHVI4、150N、VHVI6和VHVI8，其100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度分別為4.28 mm2/s、5.18 mm2/s、6.42 mm2/s和8.01 mm2/s，將PAMA按照10%溶解在所選基礎(chǔ)油中，測試其KRL(20 h)，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，隨著基礎(chǔ)油運(yùn)動(dòng)黏度的增加，SSI和黏度下降率均呈下降趨勢。這可能是因?yàn)樵诟邚?qiáng)度剪切條件下，基礎(chǔ)油對(duì)剪切應(yīng)力有一定的消耗作用，相當(dāng)于分散了對(duì)黏度指數(shù)改進(jìn)劑的剪切作用，并且，這種作用隨著基礎(chǔ)油黏度的增加而增強(qiáng)。所以，基礎(chǔ)油黏度越大，消耗的剪切作用越多，高分子鏈段斷裂的程度越小，對(duì)應(yīng)的SSI和黏度下降率越小。綜上，在比較PAMA型黏度指數(shù)改進(jìn)劑的剪切安定性時(shí)，不僅要注明方法，而且也要注明選擇的基礎(chǔ)油以及黏度指數(shù)改進(jìn)劑的加入量，這樣的數(shù)據(jù)才更有比較性。

圖2 PAMA在不同運(yùn)動(dòng)黏度基礎(chǔ)油中的剪切安定性

2.3 其他添加劑對(duì)剪切安定性的影響

考察了ATF復(fù)合劑F、多功能添加劑M和無灰分散劑D對(duì)剪切安定性的影響，結(jié)果列于表6和表7。表6為不添加PAMA黏度指數(shù)改進(jìn)劑時(shí)各添加劑對(duì)油品剪切安定性的影響，從表中可以看出，在常規(guī)加劑量的情況下，多功能劑M和無灰分散劑D對(duì)油品的剪切安定性沒有影響，剪切前后油品黏度幾乎無變化；而復(fù)合劑F會(huì)引起油品剪切后一定的黏度下降，但下降率也不超過0.3%。

表6 其他添加劑對(duì)剪切安定性的影響(不添加PAMA)

表7為添加了PAMA黏度指數(shù)改進(jìn)劑時(shí)各添加劑對(duì)油品剪切安定性的影響，從表中可以看出，各添加劑基本不會(huì)改變黏度下降率。由此可見，在高強(qiáng)度剪切過程中，主要是黏度指數(shù)改進(jìn)劑發(fā)生了分子鏈斷裂，其他高分子類添加劑并未或極少發(fā)生斷鏈，這一點(diǎn)也可以通過圖3進(jìn)行佐證。圖3為各樣品剪切前后的GPC曲線，從圖中可以看出，剪切后，歸屬為PAMA黏度指數(shù)改進(jìn)劑的GPC曲線往高保留時(shí)間方向移動(dòng)，而歸屬為其他添加劑的GPC曲線幾乎未發(fā)生變化。

表7 其他添加劑對(duì)剪切安定性的影響(添加PAMA)

圖3 各樣品剪切前后的GPC曲線

3 結(jié)論

(1)黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)ATF的剪切安定性影響最為顯著，隨著PAMA添加量的增加，其剪切安定性變差；

(2)基礎(chǔ)油黏度對(duì)ATF剪切安定性也有一定影響，隨著基礎(chǔ)油黏度的增加，其剪切安定性變好；

(3)ATF常用的其他高分子類添加劑對(duì)ATF剪切安定性的影響很小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳慧卿，申寶武，楊華.汽車自動(dòng)傳動(dòng)液的發(fā)展現(xiàn)狀及配方篩選[J].汽車工藝與材料，2005(1)：29-35.

[2]武玉玲.自動(dòng)傳動(dòng)液的組成與特性[J].潤滑油，1991(6)：9-13.

[3]頡敏杰，文志民，雷愛蓮，等.國外汽車自動(dòng)傳動(dòng)液的發(fā)展及評(píng)定[J].汽車工藝與材料，2005(4)：4-8.

[4]湯濤，陳慧卿.重負(fù)荷自動(dòng)傳動(dòng)液的研制[J].合成潤滑材料，2010，37(3)：1-3.

[5]孫東.含聚合物油剪切安定性測定法研究[C]//潤滑油科技情報(bào)站年會(huì)論文專輯，2005：283-285.

[6] Alex Tsay, Bernard Kinker. Tailor-Made PAMA VII to Optimize Automatic Transmission Fluid Rheological Requirements[J].Lubricating Oil, 2008, 23(2): 27-32.