一種節能型手動變速箱油的開發及評定

鞏亞

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

本文開發了一種節能型低黏度手動變速箱油（MTF）。實驗室理化分析、變速箱耐久性、同步器耐久性等臺架試驗及OEM 整車耐久性試驗結果表明，開發油品可滿足OEM 使用要求；整車油耗試驗結果表明，開發的油品（100℃運動黏度6.5 mm2/s）具有較好的燃油經濟性，與參比油75W-85（100 ℃運動黏度13.41 mm2/s）相比，可降低油耗3%左右。

近年來，隨著汽車工業的快速發展，節能減耗越來越受到關注。我國對第3 階段乘用車燃料消耗量限值提出了更苛刻的要求，見表1。

因為不同變速箱在整車油耗及駕駛操縱上的表現不同，變速箱市場份額發生著巨大變化。在中國，雖然傳統手動變速箱的市場地位在不斷地受到自動變速箱的沖擊，但與自動變速箱相比，手動變速箱結構簡單，性能可靠，維護成本也低，在操縱感上具有獨有的優勢；因此手動變速箱在國內依然占據主要的市場份額，與國外尤其是美國相比存在巨大差異。中美手動/自動變速箱比例對比見圖1。

為順應市場及政策需求，手動變速箱的結構、性能都在不停地發展變化，潤滑條件也越來越苛刻。例如，因節能的要求，手動變速箱體積變小，傳動功率密度明顯增加，使得潤滑油用量減少，油品的運轉溫度和負荷增加；同時因空氣動力學設計，變速箱周圍流動的空氣減少，散溫效果下降等。這些變化都對手動變速箱油(Manual Transmission Fluid，以下簡稱MTF)的使用性能提出了苛刻的要求。MTF 是一種專門用于手動變速箱的齒輪油，其要求具有優良的承載能力、抗擦傷能力、防腐防銹性能、氧化安定性及良好的油耗表現。低黏度油品可以明顯提升手動變速箱的傳遞效率，降低能耗。美國曾用多輛重型卡車比較不同黏度級別的車輛齒輪油的節能效果，結果也顯示低黏度油品的節能效果明顯比高黏度油品好[1]。現今為了滿足各汽車OEM（原始設備制造商）在環保及燃油經濟性方面的使用要求，油品的低黏化設計趨勢日漸明顯。

表1 第3階段乘用車燃料消耗量限值（GB 19578—2014）

圖1 中美手動/自動變速箱比例對比

在國際市場上，大部分汽車OEM 的 MTF 已經從 80W-90 GL-4的產品升級到75W-80 或75W- 90級別的專用MTF 產品。由于燃油經濟性的推動，少數OEM 已經開發出了全合成低黏度的MTF（其100 ℃運動黏度低于7 mm2/s，低于75W-80 級別產品的 7～11 mm2/s），如歐寶等。

隨著燃油經濟性要求的不斷提高，國內自主品牌已經將MTF 逐漸升級為75W-85 或75W-80，但更低黏度的75W 油品應用較少。

為使車輛更為節能降耗，油品低黏化是一種趨勢。油品的低溫性能主要取決于基礎油、黏度指數改進劑等的組成。使用黏度指數較高和傾點優良的基礎油調制的低黏度MTF 可以滿足OEM 使用要求，但成本較高，市場適用性受限。使用一般基礎油，經濟性有優勢，但低溫性能不能滿足要求。本文通過篩選合適的基礎油和添加劑，研制出一種節能型低黏度MTF。實驗室理化分析、模擬臺架試驗結果表明，研制的節能型低黏度MTF 具有較好的低溫流動性、極壓抗磨性能、抗氧防腐蝕性能及燃油經濟性，滿足了市場需求。低黏度MTF 產品將很有可能成為今后市場MTF 的主要的參考油品和發展趨勢，研制產品很可能成為國內的領先產品。

性能要求及試驗方法

常規車輛齒輪油具有潤滑、冷卻、密封等基本功能。而MTF 因所包含的不同設備部件要求具有相應的性能要求：

◇變速箱齒輪系統，要求油品具備防止齒輪咬合、合適的高溫黏度、抗磨損和抗點蝕等關鍵性能；

◇同步器系統，要求油品具備一定的摩擦特性、抗銅片腐蝕性、防咬合、抗磨損等關鍵性能；

◇換擋系統，要求油品具備合適的低溫黏度；

◇其他的軸承和油封部分，要求油品可以使軸承疲勞壽命長、與密封件有良好的兼容性、良好的抗氧化穩定性以及防銹、抗泡性。

目前，MTF 依然沒有國際統一的質量標準。隨著汽車設備技術的不斷發展，各整車OEM 都有自己的變速箱油指標規格，并不斷地加入新的特殊性能要求。例如，為了達到整車燃油經濟性要求，進一步降低產品黏度，部分產品100 ℃運動黏度達到6 mm2/s 左右，低溫布氏黏度不高于10000 mPa ? s，對抗剪切安定性也有要求，且需要通過相應的變速箱相關臺架試驗，如變速箱總成疲勞耐久試驗、同步器耐久試驗和整車耐久試驗等。

油品研制過程中涉及的試驗方法見表2。

油品研制

基礎油的選擇

本文研制的產品為SAE 75W 低黏度MTF，SAE J306《汽車齒輪潤滑油黏度分類》要求100 ℃運動黏度不小于4.1 mm2/s，并要求20 h KRL 剪切試驗（CEC L-45-A-99）后油品100 ℃運動黏度不小于4.1 mm2/s。同時，油品的低溫性能要求為-40 ℃表觀黏度不大于10 000 mPa ? s。為了同時達到油品的100 ℃運動黏度和-40 ℃表觀黏度目標值要求，對不同基礎油及其組合的不同效果進行了考察，并與不同來源的基礎油進行了對比。試驗中，除基礎油外，所用到的其他功能添加劑的種類不變，黏度指數改進劑的配比將根據配方黏度變化進行調整。不同基礎油的典型數據見表3。

表3的基礎油中，100 ℃運動黏度由高至低的順序為：J4＞J3=G2＞J2=G1=H＞J1。試驗中將根據黏度要求進行不同基礎油添加比例的調配，相同黏度的油品在黏度指數、傾點上是存在差別的，例如J2、G1、H。從基礎油性能分析數據可知，H 的低溫性能優于J和G 系列基礎油。不同的J 和G 系列基礎油，黏度指數、高低溫性能也存在差異。采用不同基礎油加入功能復合劑、黏度指數改進劑調配了油品，基礎油篩選的結果見表4。

從表4 可以看出：

◇采用 G1、G2、J2 和 J3 基礎油及黏度指數改進劑進行配比，不能同時滿足100 ℃運動黏度和-40 ℃表觀黏度的指標要求，這與所用基礎油重組分含量較高有關；

表2 油品研制過程中涉及的試驗方法

表3 基礎油典型數據

◇通過增加輕組分G1 和J2 基礎油的比例可以改善低溫性能，但改善的效果有限；

◇繼續使用J1 更輕組分基礎油與J4 重組分基礎油復配，并通過調整黏度指數改進劑配比達到所需運動黏度，發現-40 ℃表觀黏度得到明顯改善，并可通過J4 重組分基礎油與黏度指數改進劑配比的調整進一步優化-40 ℃表觀黏度值；

◇比較而言，采用J 系列基礎油，油品在低溫性能上表現更佳，并與黏度指數改進劑的配伍性更好。性能表現上，G1/G2 組合＜J2/J3組合＜J1/J4 組合。因此，將優選J系列基礎油進行高低溫等性能的進一步優化，并根據實際運動黏度的需要調整J1～J4 之間的添加比例，或不添加。

由于H 基礎油具有較好的高低溫性能、抗氧化性能及抗剪切性能等。因此，引進了H 基礎油并對其與J 系列基礎油的配伍性進行了試驗考察。根據油品的運動黏度要求及不同基礎油的運動黏度高低順序，主要選擇G1、G2、J2、J3 基礎油與H 基礎油調配油品，進行性能考察，結果見表5。

從表5 可以看出：

◇由于H 基礎油的傾點較低，引進H 基礎油可以明顯改善油品的低溫性能，尤其是-40 ℃表觀黏度。

◇較低劑量的H 基礎油與G1/G2 基礎油或與J2/J3 基礎油復配使用時，不能同時滿足100 ℃運動黏度和-40 ℃表觀黏度的指標要求；隨著H 基礎油使用比例的增加，-40 ℃表觀黏度逐漸得到優化，并可以達到性能要求，相應成本也會增加，100% 使用H 基礎油時-40 ℃表觀黏度的優化效果最好。綜合考慮，確定采用H 基礎油與J3基礎油組合，進行油品其他性能的考察。

剪切穩定性考察

一般車輛齒輪油配方中會使用黏度指數改進劑以降低重質基礎油使用比例，提升油品的高低溫性能。但是由于黏度指數改進劑為大分子長鏈聚合物，使用中在高速剪切作用下容易斷鏈成為小分子物質，使油品黏度及油膜厚度降低，影響油品的潤滑性及使用壽命。不同油品的剪切工況苛刻程度為：發動機油＜液壓油＜齒輪油，齒輪油在使用時的剪切速率最高，達到108s-1[2]。因此，選擇合適的黏度指數改進劑與基礎油配伍，可以使油品具有較高的高低溫性能及良好的抗剪切性能。

常規使用黏度指數改進劑的種類包括：聚甲基丙烯酸酯（PMA）類、聚異丁烯（PIB）類、氫化苯乙烯雙烯共聚物（HSD）和烯烴共聚物（OCP）。一般而言，PMA 類黏度指數改進劑對提升油品的黏度指數及改善油品低溫流動性效果明顯，但在提升油品黏度方面效果一般；PIB 主要對提升油品的黏度效果明顯，而對油品的黏度指數及高低溫性能效果一般；HSD 和 OCP 不用于車輛齒輪潤滑油中[3]。市場上用于車輛齒輪油中的黏度指數改進劑品種很多，本文通過篩選在MTF 中最常用的黏度指數改進劑E（PMA類型）和黏度指數改進劑F（PIB 類型）進行考察。

表4 基礎油篩選數據

試驗中，配方以LV-8 方案為基礎，除黏度指數改進劑外，考察內容所用到的其他功能添加劑的種類和用量不變，剪切穩定性試驗的油樣調配方案具體見表6，剪切穩定性試驗考察結果見圖2[為了更好地比較，圖中對-40 ℃表觀黏度（BV-40） 和KRL 20h 剪切后 100℃運動黏度變化(KV100 變化)數據分別進行了縮小100 倍和擴大100 倍處理 ]。

圖2 不同黏度指數改進劑對油品高低溫性能及抗剪切性能的影響

從圖2 可以看出，在同樣的基礎油配方體系中，100 ℃運動黏度相當時，黏度指數改進劑E 對油品的黏度指數和低溫性能改善更加明顯，使產品具有更好的黏溫性能。KRL 抗剪切試驗后100 ℃運動黏度下降值可以滿足使用要求（剪切后100 ℃運動黏度大于4.1 mm2/s）。比較而言，黏度指數改進劑F 具有更好的增稠能力（即100 ℃運動黏度相同時40 ℃運動黏度更高），對油品的抗剪切性能改善效果也更好，但對油品的低溫性能改善不佳。因此，從對黏度指數和低溫性能改善角度出發，選定黏度指數改進劑E 繼續進行其他性能考察。

潤滑性能考察

對于變速箱油，降低油品黏度可以有效提高傳動效率，但油品的黏度降低會導致潤滑油膜厚度減弱，油品的潤滑性會受到極大的挑戰，造成摩擦磨損等問題。通過使用一定量的含硫極壓抗磨劑可以在邊界潤滑狀態下形成穩定化學膜，使油品具有足夠的潤滑性，但過多的含硫極壓抗磨劑會對設備部件造成腐蝕。因此，尋求以上油品性能之間的平衡并保持在較高的性能水平將是油品研制的關鍵。

本文選擇幾種專門用于低黏度MTF，兼具一定的抗氧化、防銹防腐蝕、抗泡等性能的硫磷型極壓抗磨復合劑進行了篩選。不同的硫磷比（S/P）會對兩種元素在摩擦表面的吸附并形成化學膜的速度有影響，并最終影響油品的極壓抗磨性[4]。參加篩選的幾種極壓抗磨復合劑所包含的硫磷比不同。試驗中通過控制極壓抗磨復合劑的加劑量來控制油品的P 含量，并考察不同硫磷比的極壓抗磨復合劑對油品極壓抗磨性能的影響。試驗用添加劑的信息見表7。

FZG 齒輪試驗機試驗主要用于齒輪油（尤其添加劑）的抗磨損、抗承載能力等試驗，可以快速、高效地對齒輪油及添加劑的極壓抗磨性能做出評價。FZG 常規試驗方法包括 A/8.3/90 和 A10/16.6R/90 不同程序試驗。目前車輛OEM 主要采用后者對車用潤滑劑進行潤滑性能的評價。

本工作中復合劑的篩選采用A10/16.6R/90 FZG 分步負載試驗（試驗方法CEC L-84-02）進行評價，結果評級越高越好，研制油品要求通過級不小于10 級。同時根據市場要求，油品要通過相應的變速箱總成耐久臺架試驗。總成耐久試驗（齒軸耐久）是一種考察變速箱抗疲勞強度的試驗，該試驗通過進行變速箱換擋撥叉總成試驗，模擬車輛使用中的換擋撥叉工作過程；通過交變加載進行變速箱駐車棘輪，棘爪及棘爪彈簧，變速箱各軸等零部件試驗，考核各試驗件是否滿足設計要求。該試驗是通過汽車OEM變速箱臺架試驗考察的關鍵測試項目，對油品全面潤滑性能具有較高的要求。考察方案采用以LV-8 為基礎油的配方，并與以LV-4 為基礎油的配方進行對比。具體考察結果見表8。

從表8 可以看出：

◇不同硫磷比的極壓抗磨復合劑在本文研制的配方體系中表現各異。在LV-4 配方和LV-8 配方中，隨著硫磷比降低，FZG 試驗結果評級越高，油品的極壓抗磨性能越好。其中，使用極壓抗磨復合劑C 的油品，磷含量達到950 mg/kg，硫磷比為5 時，FZG 試驗評級最高，LV-4-4 和 LV-8-5 的結果 均 達 到11 級。

◇LV-4-4 方案油品未能通過總成疲勞耐久試驗。這可能與LV-4-4 方案中J1 基礎油的使用有關，J1 基礎油組分較輕，高溫油膜強度達不到使用要求。而使用H 基礎油的LV-8-5 方案油品高低溫性能穩定，在總成疲勞耐久試驗中表現良好。LV-4-4 和 LV-8-5 油品總成疲勞耐久試驗后箱體拆檢圖片見圖3、圖4。

表7 硫磷型極壓抗磨復合劑

表8 潤滑性能考察

圖3 LV-4-4油品總成耐久試驗后箱體拆檢圖片

圖4 LV-8-5油品總成耐久試驗后箱體拆檢圖片

油品性能評定

理化及臺架試驗

通過以上油品的性能考察，確定采用H 基礎油與J3 基礎油組合作為配方的基礎油，同時加入黏度指數改進劑E 和極壓抗磨復合劑C 及一定量的PMA 型降凝劑。實驗室對研制油品進行了理化性能評價，結果見表9。

由表9 可以看出，研制油品具有優良的低溫使用性能，可使冷啟動平穩，操作舒適；具有優良的熱氧化穩定性、抗腐防銹性，可以有效減少沉積物和漆膜的生成，防止齒面出現腐蝕和銹蝕；具有優良的KRL 抗剪切性能，可有效保證油品在設備高速運轉情況下的油膜厚度，

確保苛刻工況的潤滑性能。研制油品順利通過了同步器耐久、變速箱臺架、整車臺架等試驗，說明油品在黏度極低的情況下仍然具有優良的同步器換檔性能，增加了駕乘舒適感，并具有良好的承載能力，防止齒輪擦傷和磨損，可以滿足市場主流手動變速箱的使用要求。

表9 研制油品理化性能分析數據

整車油耗試驗

為了驗證所開發的低黏度手動變速箱油對整車燃油經濟性的影響，對配方油品進行了整車油耗等試驗。試驗中，采用某品牌75W-85 油品作為參比油，同時從市場上及其他渠道分別獲取了75W-80 和75W 兩個黏度級別的油品作為對比油品一同進行整車（整備質量在1 500 ～1 600 kg）油耗試驗。試驗過程分別采用了歐Ⅳ和歐Ⅴ兩個排放標準的試驗車況。除油品外，試驗中每種車況下采用的試驗參數設置一致并可以忽略試驗條目之間的誤差。油耗試驗結果見表10，節油幅度結果對比見圖5。

由圖5 可以看出，與75W-85參比油的油耗試驗結果相比，節能型低黏度MTF 在歐Ⅳ和歐Ⅴ兩個車況下，節油幅度分別達到了3.06%和 2.92%。 與 75W-80 和 75W 對比油樣品在歐Ⅳ車況下對比，依然有一定的優勢，節油率分別超過2.4和1.3 個百分點。在歐Ⅴ車況下與75W-85 和75W 對比油相比，節能型低黏度MTF 的節油效果更加明顯，節油幅度分別超過3.8 和2.8 個百分點。因此，所開發的節能型低黏度MTF 具有良好的燃油經濟性，符合目前市場的節能發展趨勢。

表10 油耗試驗結果

圖5 不同樣品的節油幅度對比

結論

通過對基礎油、黏度指數改進劑、極壓抗磨復合劑的考察，研制了具有較好的低溫流動性、極壓抗磨性能、抗氧防腐蝕性能及燃油經濟性的節能型低黏度MTF。理化性能、臺架試驗及整車油耗試驗結果表明，研制的節能型低黏度MTF 具有良好的極壓抗磨性能及較低油耗，可以在達到OEM 特殊燃油經濟性要求的同時保證油品對手動變速箱各零部件的潤滑保護，滿足了市場的要求。