商用车液压转向系统用油与橡胶的相互作用考察

闫瑾，许扬，徐小鹏，汪玉瑄，王彦冬

(一汽解放汽车有限公司，吉林 长春 130011)

0 引言

汽车转向系统是用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，商用车通常采用液压动力转向系统[1]，为确保液压动力系统正常工作，需要向系统中加注能够起到液压、传动双重作用的合适油品。目前采用的油品通常为自动传动液、专用动力转向油及8号液力传动油。

液压动力转向系统在使用过程中，常出现转向油罐中油品液位下降现象，排除机械因素，通常是由系统密封不良引起的。为避免系统漏油现象发生，需要进行橡胶相容性试验。现有的橡胶相容性试验标准[2]对于试验后的油品没有考察，无法评定油品与橡胶件之间的相互作用关系。

本文依据转向系统的使用情况，结合国内外润滑油橡胶相容性试验标准，设定了橡胶相容性试验条件，考察不同类型转向系统用油与橡胶件的相互影响。并在综合分析试验结果的基础上，提出转向系统用油建议。

1 试验过程

1.1 试验条件设定

商用车液压动力转向系统通常由转向泵、转向油罐、转向器及连接管路组成，各总成件所用油封以丁腈橡胶(NBR)、氟橡胶(FKM)为主，连接管路以聚丙烯酸脂橡胶(ACM)为主。转向系统用油常处于13～17 MPa的高压状态，工作温度一般在120 ℃左右；在频繁转向等苛刻工况下，油温可达150～160 ℃。某企业液压动力转向系统用油橡胶相容性试验条件，见表1。

表1 某企业液压动力转向系统用油橡胶相容性试验条件

对比以上试验条件，专用动力转向油的试验温度最符合商用车液压动力转向系统非极端条件下的实际工况。

另外，为增加橡胶件在冷热交变下的变化情况考察，在参考专用动力转向油橡胶相容性试验条件基础上，作以下改进：

(1)试验前后用试验油浸泡橡胶件各24 h，保证油品与橡胶件的充分融合；

(2)试验过程采取间断试验法，以每加热8 h后置于室温16 h为一个循环，共进行12个循环，模拟橡胶件在冷热交变下的变化情况。

1.2 试验样品

橡胶试片选取某企业商用车液压动力转向系统使用的丁腈橡胶(NBR)、氟橡胶(FKM)及聚丙烯酸酯橡胶(ACM)，基本情况如表2所示。

表2 试验橡胶试片基本情况

选取不同种类的商用车液压动力转向系统用油作为试验油，基本情况如表3所示。

表3 试验油基本情况

1.3 试验步骤

试验前，将丁腈橡胶(NBR)、氟橡胶(FKM)及聚丙烯酸酯橡胶(ACM)裁剪为10 mm×20 mm的试验片各3片，测定试验片在空气中的质量、在水中的质量及A型邵尔表观硬度。用棉线将试验片捆扎后，置于试验油中24 h。

试验中，将试验油与试验片置于(130±0.5)℃烘箱中，以每加热8 h后自然冷却于室温16 h为一个循环，共进行12个循环。

试验后，试验片继续置于试验油中24 h后，用棉花将试验片表面油渍擦净，测定试验片在空气中的质量、在水中的质量及A型邵尔表观硬度，测定试验油的运动黏度及黏度指数。按照式(1)计算试验前后的试验片质量变化率、体积变化率、硬度变化率及试验油运动黏度变化率、黏度指数变化率。

η=B-AA×100%

(1)

式中：

A——试验前试验项目数值，如质量、体积、硬度、运动黏度、黏度指数等；

B——试验后试验项目数值，如质量、体积、硬度、运动黏度、黏度指数等。

2 结果讨论

2.1 试验油对橡胶试验片的影响

参考某企业液压动力转向系统用油橡胶相容性质量指标对橡胶试验片物理变化进行评定，各项质量指标如表4所示。

表4 某企业商用车液压动力转向系统用油橡胶相容性试验质量指标

2.1.1 质量变化

试验后，试验片质量变化率如图1所示。

图1 橡胶试片的质量变化率

橡胶件浸泡在润滑油中，发生溶剂小分子与橡胶大分子的相互融合。较短时间内，溶剂小分子向橡胶大分子间隙扩散，橡胶件质量增加、体积膨胀，当橡胶大分子交联点间的分子链成无干扰伸展时，橡胶大分子的分子间作用力为零，达到溶胀平衡。随着浸泡时间的延长，未交联到网格中的分子链成为游离分子，逐渐从橡胶中溶出，橡胶的质量、体积随游离大分子溶出逐渐变小，变化幅度与游离分子及橡胶网格的大小有关。

由图1可得，丁腈橡胶(NBR)质量变化率为-5.10%～-2.58%，氟橡胶(FKM)质量变化率为

-0.07%～0.65%，聚丙烯酸酯橡胶(ACM)质量变化率为-0.36%～2.16%，三种试验橡胶件的质量变化幅度呈现一定规律: 丁腈橡胶(NBR)>聚丙烯酸酯橡胶(ACM)>氟橡胶(FKM)。

丁腈橡胶(NBR)在ATF-3中的质量变化幅度最小；氟橡胶(FKM)在TF-4中的质量变化幅度最小；聚丙烯酸酯橡胶(ACM)在TF-2中的质量变化幅度最小。综合三种试验橡胶试片的质量变化幅度，ATF-3试验油和PSF-1试验油对橡胶件的质量变化影响最小。

2.1.2 体积变化

试验后，试验片体积变化率如图2所示。

图2 橡胶试片的体积变化率

由于溶剂小分子与橡胶大分子的相互融合作用，试验橡胶件的体积变化率与质量变化率存在相似规律。由图2可知，丁腈橡胶(NBR)体积变化率为-6.48%～-3.87%，；氟橡胶(FKM)体积变化率为 -0.05%～1.45%；聚丙烯酸酯橡胶(ACM)体积变化率为-1.10%～2.24%。橡胶试验片的体积变化幅度为丁腈橡胶(NBR)>聚丙烯酸酯橡胶(ACM)>氟橡胶(FKM)。

丁腈橡胶(NBR)在ATF-3中体积变化幅度最小；氟橡胶(FKM)在TF-4中体积变化幅度最小；聚丙烯酸酯橡胶(ACM)在ATF-1中体积变化幅度最小。综合三种橡胶试片的体积变化幅度，在ATF-3和PSF-1中三种橡胶试验件的体积变化幅度均很小，能够较好地预防油品泄露风险。

2.1.3 硬度变化

试验后，试验片硬度变化率如图3所示。

图3 橡胶试片的硬度变化率

橡胶在润滑油中浸泡，润滑油进入到橡胶分子网格中，橡胶溶胀，硬度下降。溶胀平衡后，橡胶中的游离分子溶出，橡胶体积缩小，硬度变大。同时，橡胶在高温环境下浸泡在润滑油中会发生热氧化，硬度变大。

由图3可得，丁腈橡胶(NBR)硬度变化率为4.88%～12.20%, 氟橡胶(FKM)硬度变化率为-2.38%～7.14%，聚丙烯酸酯橡胶(ACM)硬度变化率为11.11%～29.63%。三种橡胶的硬度变化幅度呈现一定规律，硬度变化幅度: 聚丙烯酸酯橡胶(ACM)> 丁腈橡胶(NBR)>氟橡胶(FKM)。

其中丁腈橡胶(NBR)在ATF-3和TF-3中硬度变化最小；氟橡胶(FKM)在TF-3中硬度变化最小；聚丙烯酸酯橡胶(ACM)在ATF-1中硬度变化最小。综合三种橡胶的硬度变化情况， 在ATF-1中三种橡胶的硬度变化均很小。

2.2 橡胶试验片对试验油的影响

为考察橡胶对试验油的影响，按照设定的试验条件进行试验，用空白试验油(不加入橡胶件，其他试验条件相同)作参比，来扣除热氧化对试验油的影响，计算试验油100 ℃运动黏度变化率与黏度指数变化率。

2.2.1 黏度变化

橡胶相容性试验后，试验油与空白试验油100 ℃运动黏度变化率如图4所示，η-100-1为试验油的100 ℃运动黏度变化率，η-100-0为空白试验油100 ℃运动黏度变化率。

图4 试验油的100 ℃运动黏度变化率

试验油的100 ℃运动黏度变化率为-3.05%～0.50%。试验油与空白试验油100 ℃运动黏度变化率绝对值差值为0.03%～0.3%，说明橡胶试验片对试验油的黏度变化影响十分微小，可以忽略不计。

2.2.2 黏度指数变化

橡胶相容性试验后，试验油与空白试验油的运动黏度指数变化率如图5所示，η-VI-1为试验油黏度指数变化率，η-VI-0为空白试验油的黏度指数变化率。

图5 试验油的黏度指数变化率

试验油黏度指数变化率为-1.11%～1.84%。试验油与空白试验油的黏度指数变化率绝对值差值为0.7%～2.2%，远小于常见指标，橡胶试片对试验油黏度指数变化率的影响可以忽略不计。

由图4、图5可得，橡胶试验片对试验油的100 ℃运动黏度变化率、黏度指数变化率影响均很小，远小于常见的要求，说明橡胶试验片对试验油的影响可以忽略不计。

2.3 转向系统用油建议

汇总图1至图3数据得到图6，根据图6所示结果给出转向系统用油建议。

图6 橡胶试片与试验油橡胶相容性试验结果

仅从橡胶相容性方面考虑，如果转向系统密封件材料为丁腈橡胶(NBR)，由图6(a)中所示，丁腈橡胶(NBR)与ATF-3和TF-3的橡胶相容性最好(质量变化率、体积变化率、硬度变化率三者综合结果最低)，而ATF-3的价格远高于TF-3，考虑性价比，选用TF-3作为转向系统用油最优；同理，如果转向系统密封件材料为氟橡胶(FKM)，由图6(b)中所示，选用TF-3最优；如果转向系统密封件材料为聚丙烯酸酯橡胶(ACM)，由图6(c)中所示，选用ATF-1作为转向系统用油最优。

3 结论

根据商用车液压动力转向系统用油与橡胶相互作用试验结果，得到以下结论：

(1)在8种试验油中，丁腈橡胶(NBR)的质量变化率为-5.10%～-2.58%，体积变化率为-6.48%～-3.87%，硬度变化率为4.88%～12.20%。聚丙烯酸酯橡胶(ACM)质量变化率为-0.36%～2.16%，体积变化率为-1.10%～2.24%, 硬度变化率为11.11%～29.63%。氟橡胶(FKM)的质量变化率为-0.07%～0.65%，体积变化率为-0.05%～1.45%，硬度变化率为-2.38%～7.14%。

(2)橡胶试片与8种试验油的橡胶相容性: 氟

橡胶(FKM)>丁腈橡胶(NBR)>聚丙烯酸酯橡胶(ACM)。

(3)丁腈橡胶(NBR)与ATF-3和TF-3的橡胶相容性相对最好，氟橡胶(FKM)与TF-3的橡胶相容性相对最好，聚丙烯酸酯橡胶(ACM)与ATF-1的橡胶相容性相对最好。

(4)橡胶试片对油的影响十分微小，可以忽略不计。