自動傳動液剪切安定性的影響因素

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

自動傳動液(Automatic Transmission Fluid，簡稱ATF)是一種配方組成復雜，性能要求高的多功能、多用途潤滑油[1-2]，其規格眾多，主要有適用于轎車自動變速器的通用汽車公司的Dexron規格和福特汽車的Mercon規格[3]，適用于重負荷動力轉向系統的Allison C-4規格以及適用于差速器、濕式盤式剎車、卷揚機和直接驅動傳動的Caterpillar TO-4規格[4]。隨著自動變速器結構從手動操縱桿到電子操控的改進和汽車排放性能要求的提高，近年來這些規格的發展相當迅速，各規格對低溫流動性、抗氧性、抗磨性、耐久性以及剪切安定性的要求越來越高。對于ATF的剪切安定性，其評價方法按照苛刻度排序為圓錐滾子軸承剪切法(KRL，NB/SH/T 0845)>FZG齒輪剪切法>超聲波剪切法(SH/T 0505)，目前應用最為廣泛的是KRL法[5]。ATF在液力變矩器中傳遞動力時，會受到高強度的剪切力，油品中的黏度指數改進劑等高分子化合物因剪切而發生斷鏈，使油品黏度降低，油壓下降，最后導致離合器打滑，這是非常危險的，因此需要選擇合適的添加劑來調配ATF。由于良好的低溫性能及黏度指數提升能力，聚甲基丙烯酸酯類(PAMA)黏度指數改進劑被廣泛應用于ATF中[6]。

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

1 實驗部分

1.1 原材料及其主要性能參數

原材料的主要性能參數如表1～表5所示。

表1 基礎油的主要性能參數

表2 黏度指數改進劑的主要性能參數

表3 ATF復合劑F的主要性能參數

表4 多功能添加劑M的主要性能參數

表5 無灰分散劑D的主要性能參數

1.2 測試與表征

剪切安定性采用圓錐滾子軸承試驗機(KRL)測試，方法為NB/SH/T 0845，具體如下：將40 mL試驗油加入到樣品池中，溫度為60 ℃，載荷為5000 N，轉速為1475 r/min，運轉20 h，測量試驗油剪切前后的100 ℃運動黏度，以黏度下降率(VL)或者剪切穩定性指數(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——剪切前試驗油樣的100 ℃運動黏度，單位mm2/s；

VA——剪切后試驗油樣的100 ℃運動黏度，單位mm2/s；

SSI——剪切穩定性指數；

V0——所用基礎油的100 ℃運動黏度，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，流動相為色譜級四氫呋喃，流速為1.0 mL/min。

2 結果與討論

影響自動傳動液(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，這是因為在高強度的剪切條件下，只有高分子鏈段才發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改進劑、復合劑、多功能添加劑和無灰分散劑等。

2.1 PAMA添加量對剪切安定性的影響

為了考察PAMA添加量對剪切安定性的影響，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。這是因為，隨著PAMA添加量的增加，溶液中的高分子濃度升高，在高強度剪切條件下，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添加量對剪切安定性的影響

2.2 基礎油黏度對剪切安定性的影響

為了考察基礎油黏度對剪切安定性的影響，選擇不同運動黏度的基礎油VHVI4、150N、VHVI6和VHVI8，其100 ℃運動黏度分別為4.28 mm2/s、5.18 mm2/s、6.42 mm2/s和8.01 mm2/s，將PAMA按照10%溶解在所選基礎油中，測試其KRL(20 h)，結果如圖2所示。從圖中可以看出，隨著基礎油運動黏度的增加，SSI和黏度下降率均呈下降趨勢。這可能是因為在高強度剪切條件下，基礎油對剪切應力有一定的消耗作用，相當于分散了對黏度指數改進劑的剪切作用，并且，這種作用隨著基礎油黏度的增加而增強。所以，基礎油黏度越大，消耗的剪切作用越多，高分子鏈段斷裂的程度越小，對應的SSI和黏度下降率越小。綜上，在比較PAMA型黏度指數改進劑的剪切安定性時，不僅要注明方法，而且也要注明選擇的基礎油以及黏度指數改進劑的加入量，這樣的數據才更有比較性。

圖2 PAMA在不同運動黏度基礎油中的剪切安定性

2.3 其他添加劑對剪切安定性的影響

考察了ATF復合劑F、多功能添加劑M和無灰分散劑D對剪切安定性的影響，結果列于表6和表7。表6為不添加PAMA黏度指數改進劑時各添加劑對油品剪切安定性的影響，從表中可以看出，在常規加劑量的情況下，多功能劑M和無灰分散劑D對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；而復合劑F會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 其他添加劑對剪切安定性的影響(不添加PAMA)

表7為添加了PAMA黏度指數改進劑時各添加劑對油品剪切安定性的影響，從表中可以看出，各添加劑基本不會改變黏度下降率。由此可見，在高強度剪切過程中，主要是黏度指數改進劑發生了分子鏈斷裂，其他高分子類添加劑并未或極少發生斷鏈，這一點也可以通過圖3進行佐證。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黏度指數改進劑的GPC曲線往高保留時間方向移動，而歸屬為其他添加劑的GPC曲線幾乎未發生變化。

表7 其他添加劑對剪切安定性的影響(添加PAMA)

圖3 各樣品剪切前后的GPC曲線

3 結論

(1)黏度指數改進劑對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)基礎油黏度對ATF剪切安定性也有一定影響，隨著基礎油黏度的增加，其剪切安定性變好；

(3)ATF常用的其他高分子類添加劑對ATF剪切安定性的影響很小。

參考文獻：

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

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

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

[4]湯濤，陳慧卿.重負荷自動傳動液的研制[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]//潤滑油科技情報站年會論文專輯，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.