自动传动液剪切安定性的影响因素

张雪涛，张春雷，黄东升，樊爽，徐晶晶，刘洋，董莹

(1.中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116032；2.中国石油润滑油公司， 北京 100028)

0 引言

自动传动液(Automatic Transmission Fluid，简称ATF)是一种配方组成复杂，性能要求高的多功能、多用途润滑油[1-2]，其规格众多，主要有适用于轿车自动变速器的通用汽车公司的Dexron规格和福特汽车的Mercon规格[3]，适用于重负荷动力转向系统的Allison C-4规格以及适用于差速器、湿式盘式刹车、卷扬机和直接驱动传动的Caterpillar TO-4规格[4]。随着自动变速器结构从手动操纵杆到电子操控的改进和汽车排放性能要求的提高，近年来这些规格的发展相当迅速，各规格对低温流动性、抗氧性、抗磨性、耐久性以及剪切安定性的要求越来越高。对于ATF的剪切安定性，其评价方法按照苛刻度排序为圆锥滚子轴承剪切法(KRL，NB/SH/T 0845)>FZG齿轮剪切法>超声波剪切法(SH/T 0505)，目前应用最为广泛的是KRL法[5]。ATF在液力变矩器中传递动力时，会受到高强度的剪切力，油品中的黏度指数改进剂等高分子化合物因剪切而发生断链，使油品黏度降低，油压下降，最后导致离合器打滑，这是非常危险的，因此需要选择合适的添加剂来调配ATF。由于良好的低温性能及黏度指数提升能力，聚甲基丙烯酸酯类(PAMA)黏度指数改进剂被广泛应用于ATF中[6]。

本文采用圆锥滚子轴承试验机研究了PAMA添加量、基础油黏度以及ATF中常用的高分子类添加剂复合剂F、多功能剂M和无灰分散剂D对ATF剪切安定性的影响。

1 实验部分

1.1 原材料及其主要性能参数

原材料的主要性能参数如表1～表5所示。

表1 基础油的主要性能参数

表2 黏度指数改进剂的主要性能参数

表3 ATF复合剂F的主要性能参数

表4 多功能添加剂M的主要性能参数

表5 无灰分散剂D的主要性能参数

1.2 测试与表征

剪切安定性采用圆锥滚子轴承试验机(KRL)测试，方法为NB/SH/T 0845，具体如下：将40 mL试验油加入到样品池中，温度为60 ℃，载荷为5000 N，转速为1475 r/min，运转20 h，测量试验油剪切前后的100 ℃运动黏度，以黏度下降率(VL)或者剪切稳定性指数(SSI)来表征剪切安定性。

VL=100×(VB-VA)/VB

SSI=(VB-VA)/(VB-V0)

式中：

VL——黏度下降率，单位%；

VB——剪切前试验油样的100 ℃运动黏度，单位mm2/s；

VA——剪切后试验油样的100 ℃运动黏度，单位mm2/s；

SSI——剪切稳定性指数；

V0——所用基础油的100 ℃运动黏度，单位mm2/s。

分子量及分子量分布采用凝胶渗透色谱(GPC)表征，配备Wyatt DAWN8+光散射检测器、Wyatt Optilab示差检测器和Wyatt ViscoStar-Ⅱ黏度检测器，流动相为色谱级四氢呋喃，流速为1.0 mL/min。

2 结果与讨论

影响自动传动液(ATF)剪切安定性的主要因素是添加到油品中的高分子类添加剂，这是因为在高强度的剪切条件下，只有高分子链段才发生分子链的断裂而引起黏度损失。添加到ATF中的高分子类添加剂一般包括黏度指数改进剂、复合剂、多功能添加剂和无灰分散剂等。

2.1 PAMA添加量对剪切安定性的影响

为了考察PAMA添加量对剪切安定性的影响，将PAMA分别按照3.0%、6.0%、10.0%和15.0%加入到VHVI4中，测试其KRL(20 h)，结果如图1所示。从图中可以看出，随着PAMA添加量的增加，SSI和黏度下降率均呈上升趋势，并且，黏度下降率的上升速度更快。这是因为，随着PAMA添加量的增加，溶液中的高分子浓度升高，在高强度剪切条件下，高分子链被剪断的几率升高，因此SSI和黏度下降率呈上升趋势。

图1 PAMA添加量对剪切安定性的影响

2.2 基础油黏度对剪切安定性的影响

为了考察基础油黏度对剪切安定性的影响，选择不同运动黏度的基础油VHVI4、150N、VHVI6和VHVI8，其100 ℃运动黏度分别为4.28 mm2/s、5.18 mm2/s、6.42 mm2/s和8.01 mm2/s，将PAMA按照10%溶解在所选基础油中，测试其KRL(20 h)，结果如图2所示。从图中可以看出，随着基础油运动黏度的增加，SSI和黏度下降率均呈下降趋势。这可能是因为在高强度剪切条件下，基础油对剪切应力有一定的消耗作用，相当于分散了对黏度指数改进剂的剪切作用，并且，这种作用随着基础油黏度的增加而增强。所以，基础油黏度越大，消耗的剪切作用越多，高分子链段断裂的程度越小，对应的SSI和黏度下降率越小。综上，在比较PAMA型黏度指数改进剂的剪切安定性时，不仅要注明方法，而且也要注明选择的基础油以及黏度指数改进剂的加入量，这样的数据才更有比较性。

图2 PAMA在不同运动黏度基础油中的剪切安定性

2.3 其他添加剂对剪切安定性的影响

考察了ATF复合剂F、多功能添加剂M和无灰分散剂D对剪切安定性的影响，结果列于表6和表7。表6为不添加PAMA黏度指数改进剂时各添加剂对油品剪切安定性的影响，从表中可以看出，在常规加剂量的情况下，多功能剂M和无灰分散剂D对油品的剪切安定性没有影响，剪切前后油品黏度几乎无变化；而复合剂F会引起油品剪切后一定的黏度下降，但下降率也不超过0.3%。

表6 其他添加剂对剪切安定性的影响(不添加PAMA)

表7为添加了PAMA黏度指数改进剂时各添加剂对油品剪切安定性的影响，从表中可以看出，各添加剂基本不会改变黏度下降率。由此可见，在高强度剪切过程中，主要是黏度指数改进剂发生了分子链断裂，其他高分子类添加剂并未或极少发生断链，这一点也可以通过图3进行佐证。图3为各样品剪切前后的GPC曲线，从图中可以看出，剪切后，归属为PAMA黏度指数改进剂的GPC曲线往高保留时间方向移动，而归属为其他添加剂的GPC曲线几乎未发生变化。

表7 其他添加剂对剪切安定性的影响(添加PAMA)

图3 各样品剪切前后的GPC曲线

3 结论

(1)黏度指数改进剂对ATF的剪切安定性影响最为显著，随着PAMA添加量的增加，其剪切安定性变差；

(2)基础油黏度对ATF剪切安定性也有一定影响，随着基础油黏度的增加，其剪切安定性变好；

(3)ATF常用的其他高分子类添加剂对ATF剪切安定性的影响很小。

参考文献：

[1] 陈慧卿，申宝武，杨华.汽车自动传动液的发展现状及配方筛选[J].汽车工艺与材料，2005(1)：29-35.

[2]武玉玲.自动传动液的组成与特性[J].润滑油，1991(6)：9-13.

[3]颉敏杰，文志民，雷爱莲，等.国外汽车自动传动液的发展及评定[J].汽车工艺与材料，2005(4)：4-8.

[4]汤涛，陈慧卿.重负荷自动传动液的研制[J].合成润滑材料，2010，37(3)：1-3.

[5]孙东.含聚合物油剪切安定性测定法研究[C]//润滑油科技情报站年会论文专辑，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.