PMA黏指劑在CVTF中的摩擦特性研究

李 媛 狄澤超 黃東升 張偉光 趙治宇 李韶輝 徐晶晶

(中國石油大連潤滑油研究開發中心 遼寧大連 116032)

隨著汽車產業的飛速發展，無級變速器(CVT)憑借駕駛舒適性和燃油經濟性等優勢迅速得到消費者青睞[1]。無級變速箱油(CVTF)作為CVT的專用傳動液不僅要起到潤滑和冷卻的作用，還要具有優異的摩擦特性以提高CVT的傳動效率和使用壽命[2]。

黏指劑在CVTF中起到的主要作用是改善黏溫性能[3-5]，常用的類型有聚異丁烯(PIB)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙烯-丙烯共聚物(OCP)和苯乙烯-雙烯共聚物(HSD)[6-7]，其分子結構如圖1所示[8]。其中，PIB、OCP和HSD是碳氫系高聚物，而PMA是含極性基的聚合物，相較其他3種黏指劑，PMA改善黏溫性的作用優異，同時兼具降凝作用[8-9]。基于上述優點，PMA在CVTF中得到了廣泛應用。

圖1 不同種類黏度指數改進劑的結構

在CVTF中，PMA的用量為5%～10%，占成本近20%。PMA生產主要由酯化反應和聚合反應兩部分組成[8]，其中烷基側鏈長度控制、不同序列單體的組合等關鍵工藝難度高且流程復雜[10]，長期被國外壟斷[11]。其中德國贏創公司和日本三洋化成公司是全球PMA的主要供應商[12]。目前國產PMA難以達到與進口產品同等的性能，導致PMA作為一種高技術附加值的添加劑主要依賴進口。近年來，為了減少對國外供應商的依賴，構建自主可控的供應鏈，實現PMA的自主生產和供應已是勢在必行。

此外，傳統上認為PMA只起到改善油品的黏溫性能的作用，然而近期有研究表明PMA對油品的摩擦性能也會產生不可忽視的影響[13]。而CVTF優異的摩擦性能保證了CVT的傳動效率和工作平穩性，摩擦特性的微小改變可能導致傳動失效。因此，有必要研究比對PMA對油品摩擦特性的影響。

CVT的主要傳動部件為液力變矩器和無級變速結構，如圖2所示[1，14-15]。其中，液力變矩器中(見圖2(a))的鎖止離合器是通過一對相對旋轉的鋼-紙盤的摩擦來傳遞動力。兩盤嚙合時，盤-盤間的動摩擦因數μ與旋轉速度v的變化率(dμ/dv)為大于0或接近0的負數，離合器就不會發生顫抖，動力傳遞具有平穩性[16]。在無級變速結構中(見圖2(b))，動力是通過鋼帶與鋼制滑輪之間的摩擦力傳遞的[17-18]，CVTF要提供鋼帶-鋼制滑輪之間較高的摩擦因數以保證扭矩的傳遞效率。根據上述CVT這2個主要動力傳遞部件的工作特點，CVTF的摩擦特性主要包括鋼-紙摩擦的抗顫性和鋼-鋼摩擦的摩擦因數。

圖2 無級變速器結構

基于上述背景，本文作者自主研發了黏指劑PMA-3，并與某CVTF配方中常用的進口黏指劑PMA-1和PMA-2的黏溫性能和摩擦特性進行比較。

1 實驗材料

文中以某商用CVTF為基礎，其中CVTF-A、CVTF-B為原商業配方，分別使用了2種進口黏指劑PMA-1和PMA-2，而CVTF-C中將原配方中的進口黏指劑用自主研制的PMA-3進行了替代。3種PMA黏指劑的性能參數見表1，3種CVTF配方及性能參數見表2，表中比例均為質量百分比。

表1 3種PMA黏指劑性能參數

表2 3種CVTF配方及性能參數

從表1中可以看出，自主研制的PMA-3與進口黏指劑的分子量、分子量分布和剪切穩定指數基本相當。由表2可知，在改善黏溫性能方面，自主研制的PMA-3也達到了與進口黏指劑相當的水平。

基于此，文中進而比對自主研制的PMA-3與進口黏指劑(PMA-1和PMA-2)對CVTF摩擦特性的影響。

2 實驗設備

使用德國WAZAU公司的可高度模擬鎖止離合器工況的TRM5000小型鋼-紙盤盤式摩擦試驗機來評測CVTF的抗顫性，其原理如圖3所示。實驗時在50 mL的油槽中放置一對環狀的鋼盤-紙盤摩擦副，其中鋼盤被固定在油槽底端，在一定的壓力下，電機帶動上方的紙盤相對鋼盤做旋轉運動，從而使鋼盤與紙盤之間產生摩擦力。記錄摩擦因數-旋轉速度μ-v曲線，用曲線的斜率來評測CVTF鋼-紙摩擦的抗顫性能。

圖3 WAZAU試驗機(a)、油槽(b)、鋼片(c)、紙基摩擦片(d)

CVTF的鋼-鋼摩擦特性由美國FALEX公司的環-塊摩擦磨損試驗機來評測。如圖4所示，在一定的壓力下，旋轉的鋼環與固定的鋼塊產生線接觸摩擦，用以模擬無級變速結構中鋼帶與鋼制滑輪的傳動。

圖4 FALEX環塊摩擦磨損試驗機(a)、油盒內部(b)、鋼塊(c)和鋼環(d)

摩擦副的摩擦形貌以及摩擦轉移膜的元素組成用捷克FEI公司生產的QUANTA 250 FEG掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDX)進行分析。

3 實驗方法

3.1 抗顫性試驗

參照JASO M349—2001[19]標準設置WAZAU盤-盤摩擦試驗機的磨合程序—摩擦因數-轉速(μ-v)測試程序—耐久性測試程序，以評測CVTF的抗顫性。具體如下：

(1)磨合程序：在80 ℃、1 MPa的條件下，紙盤以0.6 m/s的轉速與固定鋼片進行30 min的磨合。

(2)μ-v測試程序：磨合程序結束之后，在壓力1 MPa，溫度分別為40、80、120 ℃(分別模擬CVTF的低、中、高溫工況)的條件下，將紙盤的轉速(v)在18 s內從0提升至1.5 m/s，記錄該過程的摩擦因數(μ)，從而得到40、80、120 ℃下的3條μ-v曲線。通過μ-v曲線的斜率正負來判定此時CVTF是否具有抗顫性。

(3)耐久性測試程序：在1 MPa、120 ℃條件下，紙盤的轉速在18 s內從0上升到0.9 m/s，保持該速度30 min，然后在18 s內轉速從0.9 m/s下降到0。重復這個循環47次(即總耐磨時間為24 h)，隨后進行μ-v測試。μ-v測試后，開始下一階段24 h的耐久性測試。由此得到每間隔24 h耐久實驗后的μ-v曲線(標記為0、24、48、72 h…μ-v曲線)。該測試程序用來判斷CVTF抗顫性可維持的時間。

3.2 鋼-鋼摩擦試驗

采用JASO M358—2005[20]中的高負載法來評測CVTF的鋼-鋼摩擦性能。具體如下：

(1)磨合程序：溫度設定110 ℃，載荷890 N，旋轉的鋼環以0.5 m/s轉速與固定的鋼塊進行5 min的磨合；載荷增加到1 112 N，鋼環速度增加到1.0 m/s，磨合25 min。

(2)運行程序：磨合程序結束后，在110 ℃、1 112 N條件下，鋼環以1 m/s的速度與固定的鋼塊摩擦5 min，記錄5 min內摩擦因數的平均值μ。同理，再分別記錄鋼環速度為0.5、0.25、0.125、0.075、0.025 m/s的平均摩擦因數，通過比較不同CVTF在相同速度下的摩擦因數大小判斷油品的鋼-鋼摩擦性能優劣。

4 實驗結果與討論

4.1 抗顫性試驗結果分析

圖5所示為WAZAU試驗機測得的3種CVTF在80 ℃下的μ-v曲線。從圖5(a)可以看出，在時間t=0時摩擦因數μ在速度0～1.5 m/s范圍內逐漸增大，表現出正斜率曲線走向，說明t=0時CVTF-A具備抗顫性；t=24 h的μ-v曲線中，摩擦因數μ在整個速度范圍內明顯比t=0時下降，但是曲線上所有點的斜率仍為正值，所以經過24 h耐久實驗CVTF-A仍然具有抗顫性；t=48 h的μ-v曲線中，摩擦因數μ隨著速度v的增加而減少，μ-v曲線表現出明顯負斜率，此時CVTF-A失去抗顫性；而t=72 h的μ-v曲線不僅具有更為陡峭的負斜率，且初始點出現了由于動摩擦因數遠小于靜摩擦因數而產生的尖銳的“黏滑峰”，同時伴隨著較大的噪聲[21]，此時油品不僅完全失去抗顫性，并且發生了黏滑抖動。

圖5 WAZAU測得80 ℃下CVTF-A(a)，CVTF-B (b)和CVTF-C (c)的μ-v曲線

參照上述分析，可知CVTF-B在t=0 和t=24 h時具有抗顫性；在t=48 h和t=72 h的μ-v曲線中，摩擦因數μ隨著速度v的增加而略微減少，μ-v曲線表現出接近于0的微小負斜率，理論上48 和72 h時CVTF-B可能具備抗顫性；在t=96 h的μ-v曲線中，摩擦因數μ在0～1.5 m/s范圍內隨著速度v的增加而迅速減小，μ-v曲線上所有點均為很大的負斜率，此時CVTF-B抗顫性失效。

同樣參照上述分析，可知CVTF-C在t=48 h可能具備抗顫性，在t=72 h時失去抗顫性。40和120 ℃下油品μ-v曲線表現出的抗顫性能與80 ℃下規律一致，不再贅述。

按照間隔24 h耐久實驗的μ-v曲線斜率的判斷方法，3種CVTF的抗顫性耐久性如表3所示。各CVTF油樣在24 h長磨測試后均具備良好的抗顫性；但是JASO M349標準的μ-v曲線分析方法無法對CVTF-B和CVTF-C抗顫性優劣做進一步的判斷。

表3 通過μ-v曲線判定的3種CVTF抗顫性失效時間

基于課題組提出的用長磨耐久實驗中摩擦因數-摩擦時間曲線(μ-t曲線)來判斷油品抗顫性的精準失效時間的方法[21]，對3種CVTF進行耐久性測試，結果如圖6所示。

圖6 CVTF-A (a)，CVTF-B (b)和CVTF-C (c)的長磨μ-t曲線

如圖6(a)所示，在CVTF-A的耐久性測試過程中，長磨時間超過35.5 h后，μ-t曲線上方開始出現密集的“黏滑峰毛刺”(如圖6(a)中紅色框所示)，這是由于在每個耐久性測試周期(每周期30 min)開始的鋼片與紙片嚙合瞬間，動摩擦因數均遠小于靜摩擦因數而出現了黏滑抖動。可以用μ-t曲線上開始出現黏滑峰對應的橫坐標來判斷油品失去抗顫性的精準時間。

利用μ-t曲線判斷3種CVTF的抗顫性失效時間如表4所示。CVTF-C的抗顫性失效時間為51.0 h，長于CVTF-A、B的35.5和49.0 h。

表4 通過μ-t曲線判定的3種CVTF抗顫性失效時間和扭矩失效時間

按照經驗，文中實驗的摩擦因數低于0.11時，扭矩傳遞可能失效。如圖6所示，CVTF-A、B、C的扭矩傳遞失效時間分別為60.0、61.0、70.0 h，說明自主研發的PMA-3的綜合摩擦特性高于進口劑，能使該配方體系具有最優的抗顫耐久性和扭矩耐久性。

4.2 抗顫性試驗鋼盤表面SEM和EDX分析

課題組之前的研究發現，傳動油中含P的摩擦改進劑與含Ca的清凈劑發生摩擦化學反應生成了 P-Ca型的摩擦膜，該膜的厚度和致密度直接影響摩擦特性[22]。將抗顫性實驗后的鋼盤表面進行SEM和EDX分析，如圖7所示。可以看到，對應3種CVTF的3個鋼盤摩擦面未發現明顯磨損的痕跡，但均有黑色的摩擦反應膜，CVTF-A和CVTF-B的摩擦膜分布較為稀疏，CVTF-C的摩擦膜則更為連續、均勻。

圖7 3種CVTF對應的鋼盤表面電鏡圖、能譜圖及元素含量

在黑色摩擦膜上選多點進行元素EDS能譜分析，結果表明，3種CVTF的摩擦膜中均含有P、Ca和O元素，三者摩擦膜的P/Ca的原子數量比均約為1，O/P的原子數量比均約為4，這與文獻中報道的P-Ca型摩擦膜成分一致[22]，說明3種CVTF在鋼盤表面生成的黑色摩擦膜也是在摩擦過程中由含P的摩擦改進劑與含Ca的清凈劑反應生成的P-Ca反應膜。由此可以推測，文中使用的3種PMA可能因為分子結構不同，會不同程度地影響配方中含P摩擦改進劑與Ca清凈劑摩擦化學反應的速度，從而導致不同的摩擦膜覆蓋率，最終使3種CVTF表現出不同的抗顫和扭矩耐久性。這涉及到復雜的摩擦學的物理吸附和化學反應，有待于更進一步研究探索。

4.3 鋼-鋼摩擦試驗結果分析

圖8所示為3種CVTF的鋼-鋼摩擦試驗結果。在測試速度為0～1.0 m/s范圍內，當速度相同時，不同測試油樣的摩擦因數差別不大，3個測試油樣的鋼-鋼摩擦副的扭矩傳遞能力相當，均可避免扭矩傳遞時鋼-鋼摩擦副間打滑。

圖8 3種CVTF的鋼-鋼摩擦試驗結果

4.4 鋼-鋼摩擦試驗SEM和EDX分析

為了探究黏指劑對鋼-鋼摩擦特性影響的原因，對實驗后的鋼塊表面進行SEM和EDX分析，結果如圖9所示。3個油樣對應的鋼塊摩擦表面均密布著由于疲勞剝落以及黏著磨損而形成的微小凹坑，比較好地反映了在循環變化的接觸應力作用下，CVT摩擦表面的實際磨損態。即使在全膜潤滑條件下這種疲勞磨損也會發生，嚴重時會導致摩擦片斷裂[23]。為了降低這種疲勞磨損，在摩擦材料不能改變的條件下，需要提高摩擦面的硬度和硬化層的深度[23]。

圖9 3種CVTF對應和鋼盤表面電鏡圖、能譜圖及元素含量

從掃描電鏡圖還可以看到，3種CVTF均在摩擦表面形成黑色摩擦膜，摩擦膜覆蓋處便不會產生疲勞剝落的微坑。能譜結果顯示，該摩擦膜也均是由P、Ca和O元素構成，且P/Ca的原子數量比約為2，O/P的原子數量比約為4。說明鋼-鋼摩擦試驗中3種CVTF中含P的摩擦改進劑與含Ca的清凈劑也會反應生成P-Ca反應膜。但由于摩擦方式以及苛刻度的不同，鋼-鋼摩擦膜的成分比例與紙-鋼摩擦膜有所不同。

CHIBA等[24]報道，在油品摩擦過程中，油中的添加劑可在磨斑上形成Ca-PO4型化合物，該化合物會阻礙摩擦表面之間的直接接觸從而降低磨損。在文中，鋼-鋼表面形成的P-Ca摩擦膜很可能與上述研究報道起到相同的保護摩擦表面、降低磨損的作用。

5 結論

(1)分子結構不同的PMA會影響CVTF配方體系的紙-鋼摩擦特性。當黏溫性能相同時，2種進口劑PMA-1與PMA-2的抗顫耐久性相差較大，自主研發的PMA-3抗顫耐久性超過進口劑。影響紙-鋼摩擦特性的原因可能是不同分子結構的PMA對油品中含P劑與含Ca清凈劑間的摩擦化學反應速度不同，導致在鋼盤摩擦表面形成的摩擦膜覆蓋率不同，最終使各CVTF油樣表現出不同的紙-鋼摩擦特性。

(2)自主研發的PMA-3與2種進口產品的鋼-鋼摩擦性能相當。各油樣在鋼-鋼摩擦表面均形成了P-Ca摩擦膜，該摩擦膜能夠起到保護摩擦表面、降低磨損的作用。但由于紙-鋼與鋼-鋼摩擦方式及苛刻度的差異，在摩擦表面形成的摩擦膜成分比例不同。

(3)在黏溫性能相同時，自主研發的PMA-3的紙-鋼摩擦特性(抗顫和扭矩耐久性)最優，鋼-鋼摩擦性能也與進口劑水平相當。因此，PMA-3可作為該CVTF配方中黏指劑國產化替代最優選擇。