以聚α-烯烃为基础油的自动变速器油性能试验研究

王 稳，李 维

(西京学院机械工程学院，西安 710123)

随着城市公共交通安全和公交车辆技术配置的提高，公交车装配自动变速器的比例逐年提高。现阶段国内公交车自动变速器主要有液力自动变速器AT和电控机械式自动变速器AMT两种，如德国ZF公司的AS Tronic Lite、Allison公司的AT545、Allison公司的3000 T325R、德国ZF公司的HP、福伊特公司的DIWA等系列产品。各变速器厂家对用油要求严格，并指定了相应规格。如Allison公司指定使用嘉实多公司生产的TranSynd 艾里逊变速器专用油，ZF公司指定使用ZF-ECOFLUID A+专用油，福伊特公司指定使用美孚、壳牌等品牌油品，而国产润滑油品牌几乎处于空白状态[1]，造成自动变速器换油成本过高。为了研制一种适合于公交车自动变速器性价比较高的油品，节省保养成本，试制了一种自动变速器油进行行车试验，考察在行车过程中油品指标整体的变化趋势，为车辆自动变速器油的配方改进和产品应用提供参考和试验验证，同时，进行实验室模拟试验对比，试图探索一种成本低、可靠性高、模拟性好的实验室方案。

1 实 验

1.1 材 料

1.1.1 试验油 所研制变速器油(简称研制油)的基础油为聚α-烯烃(PAO)，由90%(w，下同)PAO6与10% PAO8构成，添加剂包括：聚甲基丙烯酸酯型黏度指数改进剂3.8%，酚型抗氧化剂0.4%，胺型抗氧化剂0.4%，高碱值合成磺酸钙0.5%，聚异丁烯丁二酰亚胺3%，二烷基二硫代氨基甲酸锌0.3%，硫代磷酸复酯胺盐0.2%，防锈剂苯并三氮唑0.05%。表1为研制油和参比油的技术指标。

表1 研制油和参比油的技术指标

1)试验条件为：196 N，60 min，1 200 r/min，54 ℃。

1.1.2 试验车辆及工况 试验车辆为3辆装配福伊特公司DIWA型自动变速器的海格公交客车，平均已行驶里程约为1.1×105km，每月平均行驶里程为5 500～6 000 km，3辆车同一固定线路行驶。对比试验采用曲轴箱模拟试验仪进行，仪器为上海墨迪仪器有限公司生产的C-9型内燃机油成焦倾向试验仪。

1.2 试验方案

试验编号为1068号、1061号的两辆车装研制油，编号为1070号的车装参比油，检测行车过程中油品黏度、黏度指数、闪点、黏度变化率、PB、WSD等指标的整体变化趋势，计划换油里程为6×104km(目前换油里程)。同时，通过曲轴箱模拟试验仪对研制油和参比油进行高温模拟试验，试验条件为：运行时间58 h，试验油温150 ℃，铝板温度320 ℃，电机转速800 r/min。分不同时间对曲轴箱试验后的油品取样，检测其性能指标变化趋势，并与行车试验指标进行对比分析，讨论油品各指标变化趋势的原因，探讨指标变化是否具有一定的相关性。

2 结果与讨论

2.1 运动黏度的变化

图1为40 ℃运动黏度随车辆行驶里程的变化，图2为40 ℃运动黏度随模拟试验时间的变化。由图1可见：随行驶里程的增加，试验油40 ℃运动黏度不断下降，2×104km后趋于稳定；其中研制油的黏度下降较参比油缓慢，研制油中使用的聚甲基丙烯酸酯型黏度指数改进剂抗剪切性能较优，同时全合成基础油较好地保持了油品的基础黏度，黏度在车辆行驶2×104km时降至较低值，之后下降趋缓；参比油黏度变化趋势与研制油基本一致。图2中曲轴箱试验显示研制油黏度持续升高，是因为曲轴箱试验的高温条件对其影响较大，其中黏度指数改进剂的抗高温热降解性能较好，未出现明显的黏度下降，黏度上升主要是因为基础油氧化生成焦质物使油品变稠；参比油在试验时间16 h时黏度下降至最低后逐渐上升，主要是参比油中的黏度指数改进剂先热降解至其相对分子质量最低，而后与基础油一起被氧化造成黏度上升。由图1和图2对比来看：行车试验中未出现黏度上升现象，行车试验后期黏度保持稳定，主要因为自动变速器正常工作温度一般不超过150 ℃，对黏度指数改进剂的热降解影响较小，主要是机械剪切作用明显，行车试验后期高分子黏度指数改进剂被剪切至不再变化，油品黏度也趋于稳定；而曲轴箱模拟试验温度为150 ℃，铝板温度为320 ℃，试验条件较为苛刻，参比油黏度下降主要受高温条件下黏度指数改进剂热降解的影响。

图1 40 ℃运动黏度随车辆行驶里程的变化◆—1068号； ■—1061号； ▲—1070号。图3、图5、图7、图9同

图2 40 ℃运动黏度随模拟试验时间的变化◆—研制油； ■—参比油。图4、图6、图8、图10同

图3为100 ℃运动黏度随车辆行驶里程的变化，图4为100 ℃运动黏度随模拟试验时间的变化。由图3可见：研制油的100 ℃运动黏度随行驶里程增加而逐渐下降，2×104km时趋稳；参比油黏度下降明显，考虑其中黏度指数改进剂受剪切后相对分子质量变化较大导致油品黏度下降较多。张雪涛等[2]通过圆锥滚子轴承试验机试验也得出黏度指数改进剂对自动变速器油剪切安定性的影响最为显著，随着聚甲基丙烯酸酯黏度指数改进剂添加量的增加，其剪切安定性变差。图4中曲轴箱试验显示研制油100 ℃运动黏度在极短时间内下降至最低值，再平稳至26 h后持续升高，因为基础油氧化形成焦质物使黏度上升，由于试验取样第一点为8 h时，也有可能油品中的黏度指数改进剂在更短时间内已热降解至相对分子质量最低值。与图1和图2对比来看，100 ℃运动黏度与40 ℃运动黏度变化趋势相似，黏度下降主要是黏度指数改进剂受剪切和热降解的作用，油品氧化后导致黏度增大。

图3 100 ℃运动黏度随车辆行驶里程的变化

图4 100 ℃运动黏度随模拟试验时间的变化

2.2 黏度指数的变化

图5为黏度指数随车辆行驶里程的变化，图6为黏度指数随模拟试验时间的变化。为保证自动变速器内各制动器、离合器、摩擦片具有稳定的摩擦系数，要求油品黏度受温度影响较小，一般黏度指数达到155以上。由图5可见：油品黏度指数随车辆行驶里程增加而下降，参比油较研制油黏度指数下降更大，进一步说明参比油中黏度指数改进剂在行车条件下的相对分子质量减小速率较快，6×104km时黏度指数下降值接近30。由图6可见：研制油黏度指数下降快，主要是研制油经过模拟试验后，其40 ℃运动黏度随模拟试验时间的增加而增加，100 ℃运动黏度随模拟试验时间的增加先降低后增加，在40 h之后，40 ℃和100 ℃运动黏度的增长速率和变化趋势接近，黏度指数变化不大，油品进入正常高温氧化阶段；参比油黏度指数先降后升，主要是100 ℃运动黏度比40 ℃运动黏度增长快。

图5 黏度指数随车辆行驶里程的变化

图6 黏度指数随模拟试验时间的变化

2.3 四球试验指标变化对比

一般自动变速器油摩擦性能采用SAE2.0低速摩擦试验机进行试验[3]，但由于试验条件所限，研究采用四球机法。图7和图8为四球机试验结果，试验条件为：196 N，60 min，1 200 r/min。由图7可见：行驶里程达1.5×104km时对应WSD值均有所增大，说明更换新油后行驶初期油品抗磨性有较大幅度的下降；行驶里程达到2.5×104km时，WSD值又有所减小，研制油作用下的WSD值在2.5×104km后较为稳定，维持在0.58 mm，而参比油作用下在行驶里程2.5×104km后又有所上升，最高达到0.85 mm，可见低添加量的二烷基二硫代氨基甲酸锌与硫代磷酸复酯胺盐配合在研制油中能够保持稳定的抗磨性能。图8中WSD值随模拟时间的延长变化比较平缓，而且变化程度不大，主要是曲轴箱试验仅仅是高温和甩溅动作，对抗磨剂的消耗和性能影响不大，而自动变速器中摩擦片实际运行中对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，自动变速器运行过程中，自动变速器油中的P和Ca元素在钢片表面发生化学反应，油中添加剂的抗磨元素是不断被消耗而含量降低的，由此油品的抗磨性能也随之下降。

图7 WSD随车辆行驶里程的变化

图8 WSD随模拟试验时间的变化

图9为PB随车辆行驶里程的变化，图10为PB随模拟试验时间的变化。由图9可见，PB随行车里程增加至2.5×104km时先下降至550～650 N之间，然后有所提升并趋于稳定，两种油的PB变化趋势相近，总体变化较大。图10中经过曲轴箱试验后油品PB下降较大，表明油品中极压抗磨剂的作用受高温影响较大，极压值不断下降，可能是因为极压抗磨剂中S元素的存在形式受高温影响发生较大变化，在极端条件下无法提供较好的极压性能。李韶辉等[5]曾通过SAE No.2试验指出自动变速器油基础油中微量的含硫化合物会影响润滑油的高温摩擦特性。

图9 PB随车辆行驶里程的变化

图10 PB随模拟试验时间的变化

2.4 闪点的变化

图11为油品闪点随车辆行驶里程的变化趋势。由图11可见，闪点随车辆行驶里程的增加而下降，主要原因是基础油长期在高温条件下裂解出烃类使其闪点降低，行驶里程达到2×104km以后闪点变化趋缓，维持在一个稳定水平。由于曲轴箱模拟试验仪装油量有限，每次取样量较少，所以未进行闪点分析。

图11 油品闪点随车辆行驶里程的变化

综合以上对比试验结果，认为自动变速器油的曲轴箱模拟试验并不能准确预期行车试验的指标变化趋势，可能是因为曲轴箱150 ℃的试验温度过高，后期又补充了油温分别为100 ℃和120 ℃、铝板温度为150 ℃的长周期试验，发现油品黏度、黏度指数、WSD值和PB变化程度不大，与新油指标接近，与行车试验的相关性更差，可见不同温度下曲轴箱试验的结果模拟效果不佳，也可能与评价指标的选取有较大关系。Grisanti等[6]用中红外光谱分析了存储条件下自动变速器油的老化速率，模拟效果较好，后期可以采用红外光谱对行车后油样进行测试。

3 结 论

(1)在行车试验里程6×104km内，研制油作为全合成自动变速器油配方，与参比油相比具有更好的黏度控制性能，抗氧化效果较好，其他指标如WSD、PB、闪点变化趋势相近。

(2)虽然曲轴箱模拟试验与行车试验结果有部分的相似性，但是由于试验条件相差较大，曲轴箱模拟试验条件更加苛刻，需要寻找与行车试验相接近的试验条件，或者采用更适合的模拟试验仪器。

(3)曲轴箱能够达到温度控制的目的，但不能模拟出变速器中零部件对油品的剪切效果。

(4)短期行车试验内油品部分理化指标正常，并不能保证油品长期的质量稳定，需要继续进行和延长行车试验，以检验油品的可靠性。

(5)考虑到自动变速器制造商对自动变速器油中部分添加剂所含元素含量的限制，需继续降低添加剂量进行研究。