王 穩(wěn)，李 維

(西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)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(dòng)變速器的比例逐年提高?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)公交車自動(dòng)變速器主要有液力自動(dòng)變速器AT和電控機(jī)械式自動(dòng)變速器AMT兩種，如德國(guó)ZF公司的AS Tronic Lite、Allison公司的AT545、Allison公司的3000 T325R、德國(guó)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(duì)用油要求嚴(yán)格，并指定了相應(yīng)規(guī)格。如Allison公司指定使用嘉實(shí)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(guó)產(chǎn)潤(rùn)滑油品牌幾乎處于空白狀態(tài)[1]，造成自動(dòng)變速器換油成本過(guò)高。為了研制一種適合于公交車自動(dòng)變速器性價(jià)比較高的油品，節(jié)省保養(yǎng)成本，試制了一種自動(dòng)變速器油進(jìn)行行車試驗(yàn)，考察在行車過(guò)程中油品指標(biāo)整體的變化趨勢(shì)，為車輛自動(dòng)變速器油的配方改進(jìn)和產(chǎn)品應(yīng)用提供參考和試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)對(duì)比，試圖探索一種成本低、可靠性高、模擬性好的實(shí)驗(yàn)室方案。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

1.1.1 試驗(yàn)油 所研制變速器油(簡(jiǎn)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(jìn)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(fù)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(biāo)。

表1 研制油和參比油的技術(shù)指標(biāo)

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

1.1.2 試驗(yàn)車輛及工況 試驗(yàn)車輛為3輛裝配福伊特公司DIWA型自動(dòng)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(duì)比試驗(yàn)采用曲軸箱模擬試驗(yàn)儀進(jìn)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(jī)油成焦傾向試驗(yàn)儀。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)編號(hào)為1068號(hào)、1061號(hào)的兩輛車裝研制油，編號(hào)為1070號(hào)的車裝參比油，檢測(cè)行車過(guò)程中油品黏度、黏度指數(shù)、閃點(diǎn)、黏度變化率、PB、WSD等指標(biāo)的整體變化趨勢(shì)，計(jì)劃換油里程為6×104km(目前換油里程)。同時(shí)，通過(guò)曲軸箱模擬試驗(yàn)儀對(duì)研制油和參比油進(jìn)行高溫模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：運(yùn)行時(shí)間58 h，試驗(yàn)油溫150 ℃，鋁板溫度320 ℃，電機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min。分不同時(shí)間對(duì)曲軸箱試驗(yàn)后的油品取樣，檢測(cè)其性能指標(biāo)變化趨勢(shì)，并與行車試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，討論油品各指標(biāo)變化趨勢(shì)的原因，探討指標(biāo)變化是否具有一定的相關(guān)性。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)動(dòng)黏度的變化

圖1為40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨車輛行駛里程的變化，圖2為40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨模擬試驗(yàn)時(shí)間的變化。由圖1可見(jiàn)：隨行駛里程的增加，試驗(yàn)油40 ℃運(yùn)動(dòng)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(jìn)劑抗剪切性能較優(yōu)，同時(shí)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(shí)降至較低值，之后下降趨緩；參比油黏度變化趨勢(shì)與研制油基本一致。圖2中曲軸箱試驗(yàn)顯示研制油黏度持續(xù)升高，是因?yàn)榍S箱試驗(yàn)的高溫條件對(duì)其影響較大，其中黏度指數(shù)改進(jìn)劑的抗高溫?zé)峤到庑阅茌^好，未出現(xiàn)明顯的黏度下降，黏度上升主要是因?yàn)榛A(chǔ)油氧化生成焦質(zhì)物使油品變稠；參比油在試驗(yàn)時(shí)間16 h時(shí)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(jìn)劑先熱降解至其相對(duì)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(duì)比來(lái)看：行車試驗(yàn)中未出現(xiàn)黏度上升現(xiàn)象，行車試驗(yàn)后期黏度保持穩(wěn)定，主要因?yàn)樽詣?dòng)變速器正常工作溫度一般不超過(guò)150 ℃，對(duì)黏度指數(shù)改進(jìn)劑的熱降解影響較小，主要是機(jī)械剪切作用明顯，行車試驗(yàn)后期高分子黏度指數(shù)改進(jìn)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(yàn)溫度為150 ℃，鋁板溫度為320 ℃，試驗(yàn)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(jìn)劑熱降解的影響。

圖1 40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨車輛行駛里程的變化◆—1068號(hào)； ■—1061號(hào)； ▲—1070號(hào)。圖3、圖5、圖7、圖9同

圖2 40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨模擬試驗(yàn)時(shí)間的變化◆—研制油； ■—參比油。圖4、圖6、圖8、圖10同

圖3為100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨車輛行駛里程的變化，圖4為100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨模擬試驗(yàn)時(shí)間的變化。由圖3可見(jiàn)：研制油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨行駛里程增加而逐漸下降，2×104km時(shí)趨穩(wěn)；參比油黏度下降明顯，考慮其中黏度指數(shù)改進(jìn)劑受剪切后相對(duì)分子質(zhì)量變化較大導(dǎo)致油品黏度下降較多。張雪濤等[2]通過(guò)圓錐滾子軸承試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)也得出黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)自動(dòng)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(jìn)劑添加量的增加，其剪切安定性變差。圖4中曲軸箱試驗(yàn)顯示研制油100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度在極短時(shí)間內(nèi)下降至最低值，再平穩(wěn)至26 h后持續(xù)升高，因?yàn)榛A(chǔ)油氧化形成焦質(zhì)物使黏度上升，由于試驗(yàn)取樣第一點(diǎn)為8 h時(shí)，也有可能油品中的黏度指數(shù)改進(jìn)劑在更短時(shí)間內(nèi)已熱降解至相對(duì)分子質(zhì)量最低值。與圖1和圖2對(duì)比來(lái)看，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度與40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢(shì)相似，黏度下降主要是黏度指數(shù)改進(jìn)劑受剪切和熱降解的作用，油品氧化后導(dǎo)致黏度增大。

圖3 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨車輛行駛里程的變化

圖4 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨模擬試驗(yàn)時(shí)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(yàn)時(shí)間的變化。為保證自動(dòng)變速器內(nèi)各制動(dòng)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(dá)到155以上。由圖5可見(jiàn)：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(jìn)一步說(shuō)明參比油中黏度指數(shù)改進(jìn)劑在行車條件下的相對(duì)分子質(zhì)量減小速率較快，6×104km時(shí)黏度指數(shù)下降值接近30。由圖6可見(jiàn)：研制油黏度指數(shù)下降快，主要是研制油經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)后，其40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨模擬試驗(yàn)時(shí)間的增加而增加，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨模擬試驗(yàn)時(shí)間的增加先降低后增加，在40 h之后，40 ℃和100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的增長(zhǎng)速率和變化趨勢(shì)接近，黏度指數(shù)變化不大，油品進(jìn)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(yùn)動(dòng)黏度比40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度增長(zhǎng)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(yàn)時(shí)間的變化

2.3 四球試驗(yàn)指標(biāo)變化對(duì)比

一般自動(dòng)變速器油摩擦性能采用SAE2.0低速摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)[3]，但由于試驗(yàn)條件所限，研究采用四球機(jī)法。圖7和圖8為四球機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)條件為：196 N，60 min，1 200 r/min。由圖7可見(jiàn)：行駛里程達(dá)1.5×104km時(shí)對(duì)應(yīng)WSD值均有所增大，說(shuō)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(dá)到2.5×104km時(shí)，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(dá)到0.85 mm，可見(jiàn)低添加量的二烷基二硫代氨基甲酸鋅與硫代磷酸復(fù)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(shí)間的延長(zhǎng)變化比較平緩，而且變化程度不大，主要是曲軸箱試驗(yàn)僅僅是高溫和甩濺動(dòng)作，對(duì)抗磨劑的消耗和性能影響不大，而自動(dòng)變速器中摩擦片實(shí)際運(yùn)行中對(duì)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(dòng)變速器運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)變速器油中的P和Ca元素在鋼片表面發(fā)生化學(xué)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(yàn)時(shí)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(yàn)時(shí)間的變化。由圖9可見(jiàn)，PB隨行車?yán)锍淘黾又?.5×104km時(shí)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(shì)相近，總體變化較大。圖10中經(jīng)過(guò)曲軸箱試驗(yàn)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?yàn)闃O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(wú)法提供較好的極壓性能。李韶輝等[5]曾通過(guò)SAE No.2試驗(yàn)指出自動(dòng)變速器油基礎(chǔ)油中微量的含硫化合物會(huì)影響潤(rùn)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(yàn)時(shí)間的變化

2.4 閃點(diǎn)的變化

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

圖11 油品閃點(diǎn)隨車輛行駛里程的變化

綜合以上對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為自動(dòng)變速器油的曲軸箱模擬試驗(yàn)并不能準(zhǔn)確預(yù)期行車試驗(yàn)的指標(biāo)變化趨勢(shì)，可能是因?yàn)榍S箱150 ℃的試驗(yàn)溫度過(guò)高，后期又補(bǔ)充了油溫分別為100 ℃和120 ℃、鋁板溫度為150 ℃的長(zhǎng)周期試驗(yàn)，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(biāo)接近，與行車試驗(yàn)的相關(guān)性更差，可見(jiàn)不同溫度下曲軸箱試驗(yàn)的結(jié)果模擬效果不佳，也可能與評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取有較大關(guān)系。Grisanti等[6]用中紅外光譜分析了存儲(chǔ)條件下自動(dòng)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(duì)行車后油樣進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié) 論

(1)在行車試驗(yàn)里程6×104km內(nèi)，研制油作為全合成自動(dòng)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(biāo)如WSD、PB、閃點(diǎn)變化趨勢(shì)相近。

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

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

(4)短期行車試驗(yàn)內(nèi)油品部分理化指標(biāo)正常，并不能保證油品長(zhǎng)期的質(zhì)量穩(wěn)定，需要繼續(xù)進(jìn)行和延長(zhǎng)行車試驗(yàn)，以檢驗(yàn)油品的可靠性。

(5)考慮到自動(dòng)變速器制造商對(duì)自動(dòng)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(jìn)行研究。