汽车变速器油液乳化原因分析

刘小辰，肖淑华，俞进涛，韦 丽

(1.北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；3.中航工业失效分析中心，北京 100095；4.南昌航空大学，南昌 330063)



汽车变速器油液乳化原因分析

刘小辰1,2,3，肖淑华1,2,3，俞进涛4，韦 丽4

(1.北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；3.中航工业失效分析中心，北京 100095；4.南昌航空大学，南昌 330063)

变速器是汽车关键部件，直接影响汽车的驾驶性能和行驶安全。变速器中润滑油乳化，会使油膜变薄、金属腐蚀、磨损严重，对变速器造成损害。本研究针对变速器润滑油乳化失效，分析混入物质的成分及含量。采用X射线荧光光谱(XRF)对新油与乳化油液的元素种类及含量进行了测定。利用红外光谱(FT-IR)对两油液中主要物质进行了对比。并且，根据pH测试与气相色谱质谱联用(GC-MS)结果，确定了H2O的混入导致变速器油液发生乳化。对两油液中H2O含量进行测定，新油液中H2O的质量分数为0.08%，乳化油液中H2O的质量分数为2.66%。

变速器；油液；乳化；水

0 引言

变速器中润滑油需要满足其齿轮、轴承等零件的润滑以及同步摩擦特性的要求[1]。由于存在变速器齿轮啮合摩擦损失、各种轴承摩擦损失、齿轮搅油损失等，变速器工作过程中将产生较多热量[2]。产生的大部分热量都将被润滑油吸收，但润滑油使用过程中常常出现乳化变质现象。乳化是由两种不相溶的液体经过强烈地搅拌后形成乳液状的过程。乳化形成的危害主要有4种：一是腐蚀金属面，润滑油具有适当粘附性和粘度，润滑油乳化将使其粘附性变差，油膜变得很薄，油对摩擦面的附着力不够，使金属表面的温度急剧上升，导致金属面腐蚀；二是造成润滑油的浪费，润滑油一经乳化很难恢复，也无法继续使用，势必造成润滑油的浪费；三是污染环境；四是容易造成机械事故，润滑油乳化后造成油路运行不畅，影响内部零件散热，易引发机械事故[3]。

目前国内外为避免润滑油乳化已开展了多方面的研究和改进，王宏伟通过对L-TSA油品的调合过程进行分析，发现提高基础油的白土吸附深度可提升基础油的抗乳化性能，H2O含量对基础油的抗乳化性能负面影响较大，H2O含量大于30 μg/g必须对基础油进行脱水处理。金属减活剂和防锈剂浓度过高时会使油品的抗乳化性能变差[4]。国外汽车生产商从发动机设计上进行改进，改善了在温差作用下气缸盖罩内易出现水凝结的现象。但目前所作工作多针对水的混入导致油液乳化的单一情况进行研究，而汽车行驶过程中遇到的情况是复杂的，可能混入且造成润滑油乳化的成分也是多样的，因此就需要快速便捷的检测方法来确定混入物质的成分与含量，进而确定混入物质的来源。

某型汽车试车要求行使104 km无故障，但行使3 000 km左右时变速器发生故障，将变速器拆解检查，发现变速器油液发生乳化，乳液静置后始终保持均匀状态，未发生分层的情况。在混入物未知的情况下，对乳化油液进行一系列测试，最终确定润滑油中混入物质的成分以及含量。汽车变速器结构如图1所示。

图1 汽车变速器

1 试验过程与结果

1.1 外观检查

送检油液外观形貌见图2所示。可见，1#新油液呈亮红色，油液清澈不混浊，2#为从变速箱中取出的油液，呈灰粉色、乳液状，油液混浊，确定变速箱中油液发生了乳化。

1.2 X射线荧光光谱分析

为对比新油液与乳化油液元素种类及含量的异同，采用X射线荧光光谱对新油液与乳化油液分别进行测试。测试仪器为Panalytical AXIOS Petro波长色散X射线荧光光谱仪，配端窗铑靶X射线管。液体样品盒(37 mm，6 μm Mylar样品支持膜)。光管功率：2.4 kW，75 μm超薄铂窗，最大工作电压60 kV，最大工作电流100 mA。

图2 送检油液外观

测试结果见表1，两油液元素种类及含量基本相同，仅乳化油液中多出微量的Fe、Zn，分析与使用过程中的磨损有关[5-6]。

1.3 红外分析

对新油液、乳化油液分别进行红外光谱测试，以确定润滑油中混入物质的主要成分。采用Bruker公司的TENSOR 27型红外光谱仪进行红外光谱分析，测试参数分别为：光谱分辨率4 cm-1，样品扫描次数设置为32，光谱扫描范围为4 000～400 cm-1。油液红外曲线见图3。

对比两油液红外结果发现，乳化油液在3 398 cm-1位置存在—OH吸收峰，而新油液曲线上未见—OH峰[7]。其余吸收峰位置基本相同，分析油液中可能含有水、醇类或羧酸类等含有羟基的成分。图3a中圈出位置出现了向上的吸收峰，分析与测试过程中空气背景的干扰或制样过程中研磨的均匀程度有关。

表1 油液中元素含量 (质量分数 /%)

图3 油液红外谱图

1.4 油液pH测试

为确定混入的是否为酸类物质，对两种油液pH值进行测试，pH试纸颜色相同，均呈中性，判断油液中没有羧酸类物质，混入物质可能为水或醇类。

1.5 气相色谱质谱联用分析

为确定是否存在醇类物质混入，将新油液与乳化油液在300 ℃汽化，气相色谱结果见图4所示。由于H2O易汽化，且进样时会混入较高比例的CO2，二者形成的色谱峰较大，会对其他成分造成干扰，因此两曲线已截去水与CO2峰，保留了分子量大于44即分子量大于CO2的成分的色谱峰。对比两曲线出峰位置、吸收峰个数基本均相同。用峰面积归一化法测量了各个峰的相对百分含量，核对质谱标准库[8]，再对比两油液的质谱检索结果，两油液成分基本相同，无明显差别。结果中没有检索到C2H5OH(分子量46)、(CH2OH)2(分子量62)这两种常见小分子醇，以及其他长链醇。

1.6 含H2O量测试

根据GB/T 7600—2014[9]采用微库伦分析仪对两油液中水分含量进行测定，新油液中H2O质量分数为0.08%，乳化油液中H2O质量分数为2.66%，可见乳化油液中H2O含量远高于新油液。

图4 两种油液气相色谱图

1.7 加热除水试验

为验证水的混入导致油液发生乳化，将乳化油液加热搅拌去除水分后油液变为清亮的红棕色液体，不再呈乳液状态，其形貌见图5所示。

图5 乳化油液加热除去水分后形貌

新油液加热前后与乳化油液加热前后形貌分别见图6所示。可见新油液加热除颜色稍变深外，无明显变化。而乳化油液变澄清，表明与油液不相容的水分已挥发。乳化油液加热后颜色，较新油液加热后深。

再进行红外光谱分析，对比新油液、乳化油液和乳化油液加热后组分红外曲线，结果见图7所示。可见乳化油液加热后羟基吸收峰消失，其余吸收峰位置不变，且乳化油液加热后红外曲线与新油液基本相同。表明除去水后，乳化油液与新油液成分基本相同。

图6 油液加热前后形貌对比

图7 新油液、乳化油液和乳化油液加热后液体红外对比图

2 分析与讨论

本研究首先通过外观检查确定了变速箱中油液已发生乳化，再利用X射线荧光光谱分析，对比了乳化油液与新油液元素种类及含量，发现乳化油液中含有磨损引入的微量Fe、Zn，其他元素种类及含量与新油液基本相同。红外光谱对比结果显示，乳化油液中混入物质含有羟基，可能为水、醇或酸类物质。pH值测试结果显示乳化油液呈中性，排除了乳化油液中含有羧酸的可能性。再根据气相色谱质谱联用分析的结果判断乳化油液中不含有醇类物质。因此确定乳化油液中混入物质应为H2O。H2O含量测定结果也显示，乳化油液中H2O质量分数为2.66%，而新油液中H2O质量分数仅为0.08%[10]。

将乳化油液加热去除H2O，得到清亮的红棕色油液，不再呈乳液状态。对加热后的乳化油液进行红外光谱分析，发现羟基峰消失，红外曲线与新油液相同，进一步证明了水的混入导致了变速箱油液发生乳化。

润滑油形成乳液状必须具有3个必要条件：一是必须有互不相溶的两种液体；二是混合液中存在乳化剂即能降低界面张力的表面活性剂；三是要有形成乳化液的能量，如强烈的搅拌、循环、流动等。当水分进入变速器润滑油中后，形成了两种不相容的液体。润滑油本身的添加剂如抗氧化剂、防锈剂等，大多是具有表面活性的化合物或混合物，这些物质的分子结构中，一端是具有亲油性的非极性基团，另一端是亲水性的极性基团。当汽车行驶时，润滑油在变速器内部流动、循环同时伴有振动，促使表面活性物质将混入的水包裹成小液滴均匀的分散于润滑油中，最终导致乳液的形成。

3 结论

变速器油液发生乳化是由于H2O的混入导致，乳化油液中H2O的质量分数为2.66%，超出新油液水含量3倍多。

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[2] 阮登芳,刘波,陈志约,等. 重型汽车变速器滑油系统热平衡仿真与实验[J]. 中国机械工程,2011,22(10):1242-1246.

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Reason Analysis of Emulsification of Machine Oil for Car Transmission

LIU Xiao-chen1,2,3，XIAO Shu-hua1,2,3，YU Jin-tao4，WEI Li4

(1.BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China;2.BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China;3.AVICFailureAnalysisCenter,Beijing100095,China;4.NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

Transmission is the key unit of cars. It directly influences driving performance and safety. The emulsification of oil in transmission would cause oil film to get thinner, and thus metal would be corroded and wear would become more serious. In order to find out the cause of the emulsification failure of oil in transmission, the ingredient content of the oil was analyzed. The elements and their content in new oil and emulsified oil were tested by using X-ray fluorescence spectroscopy (XRF). The main constituent parts in the two kinds of oil were compared by infrared spectroscopy (FT-IR). And based on the results of pH test and pyrolysis gas chromatography combined with mass spectrum (PGC-MS) test, it is found that the entering of water is the main cause for emulsification of oil. Finally, water content in the two kinds of oil was tested, and it is found that the mass faction of water in new oil was 0.08% and that in emulsified oil was 2.66%.

transmission; machine oil; emulsification; water

2016年5月30日

2016年7月3日

刘小辰(1987年-)，男，硕士，工程师，主要从事非金属失效分析等方面的研究。

U473.74

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.005

1673-6214(2016)04-0223-04