我国重负荷车辆齿轮油规格的最新发展

王明明，石顺友

(1.华航环境发展有限公司， 北京 100071；2.中国石化润滑油有限公司茂名分公司，广东 茂名 525011)

0 引言

重负荷车辆齿轮油是重要的车用润滑剂，用于汽车传动系中驱动后桥的齿轮润滑。随着汽车工业的快速发展，车辆设备特别是各类重载运输车辆设备性能结构的不断改进和车辆齿轮技术的革新，对重负荷车辆齿轮油提出了新的更高的性能要求，相应的重负荷车辆齿轮油的规格也在不断演变和发展，以期推出最合适的油品性能，以满足车辆驱动桥齿轮的润滑要求和应用市场需求。

1 我国重负荷车辆齿轮油规格的现状

我国车辆齿轮油经过发展、产品升级换代，质量水平不断提升。20世纪60年代，参考前苏联制定了车辆齿轮油产品标准，因均属于渣油型，产品的质量水平较低，70年代开发了馏分型车辆齿轮油，80年代为了节能和改变汽车仍使用渣油型齿轮油的落后状况，废止了渣油型车辆齿轮油，并大力推广馏分型产品。为满足我国汽车工业发展的需要，在“六五”、“七五”期间，经过科研攻关，研制生产了完全符合API GL-5质量水平的重负荷车辆齿轮油，且参照美军MIL-L-2105B(单级油)和MIL-L-2105D(多级油)车辆齿轮油规格，制定了GB 13895-92《重负荷车辆齿轮油(GL-5)》国家强制性标准[1]，并一直沿用至今。

在GB 13895-92实施长达将近30年的时间里，车辆润滑剂技术得到了飞速发展，车用润滑剂特别是内燃机油的质量水平到得了质的提升，其规格进行了多次更新升级，如柴油机油API规格已更新升级了七代，从API CD发展到了API CK-4规格和节能型规格API FA-4[2]。国外重负荷车辆齿轮油规格也进行了多次更新升级，如GB 13895-92等效采用的美军MIL-L-2105B和MIL-L-2105D规格经多次修订升级为MILPRF-2105E(1995)《多效齿轮油》，而MILPRF-2105E在2005年被美国军方取消，以SAE J2360标准替代。SAE J2360标准由军用标准演变而来，于1998年编制而成，是与MILPRF-2105E规格同等的技术标准，并于2012年进行了更新升级，以确保与市场的需求同步[3-4]。与此同时，我国重负荷车辆齿轮油的应用市场也发生了诸多深刻变化，比如要求更长的换油周期、更多的黏度等级、更好的燃油经济性和更高的低温性能等，显然GB 13895-92已无法满足我国重负荷车辆齿轮油更新换代和质量升级的要求，急需修订和升级更新。

2 重负荷车辆齿轮油(GL-5)GB 13895-2018

为满足设备的润滑要求和新的市场需求，改变现有标准严重滞后的现实情况，在参照美国材料与试验协会ASTM D7450 -2013标准基础上，并结合应用市场的需求情况，由中国石化润滑油有限公司牵头负责修订GB 13895-1992，制定了GB 13895-2018重负荷车辆齿轮油(GL-5)标准，该标准由国家市场监督管理局和国家标准化管理委员会联合发布，并于2019年02月01日正式实施，其技术要求和试验方法[5]如表1。重负荷车辆齿轮油国家标准的此次更新升级，顺应了市场趋势，对进一步推动我国重负荷车辆齿轮油的质量升级和规范市场用油具有重要意义。

表1 GB 13895-2018重负荷车辆齿轮油(GL-5)的技术要求和试验方法

表1(续)

3 GB 13895-2018相比GB 13895-92标准的主要变化

3.1 应用范围

GB 13895-2018标准适用于重负荷车辆齿轮油(GL-5)，该产品主要适用于汽车驱动桥，特别适用于在高速冲击负荷、高速低扭矩工况下应用的双曲线面齿轮。GB 13895-2018所属产品不再适用于手动变速器，也就是说，如果将重负荷车辆齿轮油应用到手动变速器里导致变速箱出现了故障将不再受到保护，因此手动变速器建议选用专用的变速器油。

3.2 SAE黏度等级

为了满足市场需求，GB 13895-2018标准中扩展了GL-5重负荷车辆齿轮油的黏度级别，即共设置了75W-90、80W-90、80W-110、80W-140、85W-90、85W-110、85W-140、90、110和140共10个SAE黏度级别，相比GB 13895-92增加了75W-90、80W-110、80W-140、85W-110以及110等5个黏度级别。在实际应用中的选择范围将更广，使用者可以选择更合适的黏度级别油品满足各种车辆和工况需求。同时，因国内市场上重负荷车辆齿轮油以多级油为主，故新标准中删除了GB 13895-1992标准中并无市场应用的75W单级油黏度级别，且多级油中W前后的黏度以连接符“-”链接，与国际标准一致。如75W/90改为75W-90，连接符的修改对产品性能本身没有影响。

3.3 新增性能指标

相比GB 13895-92，GB 13895-2018标准最显著的变化是新增了KRL(德语“KugelRollenLager”的缩写)剪切安定性(20 h)性能指标，即对油品的黏度保持性能提出了新的要求，要求所有油品在经过20 h的KRL试验后，油品黏度依然处于原来的SAE黏度等级范围内。

3.4 性能指标要求变化

3.4.1 运动黏度

GB 13895-2018标准中新增了75W-90、80W-110、80W-140、85W-110以及110等5个黏度级别，因此对各黏度级别的运动黏度范围以100 ℃运动黏度进行了重新划分，如XW-90和90的运动黏度(100 ℃)上限由原来的小于24.0 mm2/s调整为小于18.5 mm2/s、XW-140和140的运动黏度(100 ℃)上限由原来的小于41.0 mm2/s调整为小于32.5 mm2/s，而110黏度级别的运动黏度(100 ℃)在18.5～24.0 mm2/s之间。具体情况如下：

75W-90、80W-90、85W-90和90黏度级别油品的100 ℃运动黏度范围为13.5～<18.5 mm2/s；

80W-110、85W-110和110黏度级别油品的100 ℃运动黏度范围为18.5～<24.0 mm2/s；

80W-140、85W-140和140黏度级别油品的100 ℃运动黏度范围为24.0～<32.5 mm2/s。

在实际应用中，使用者可能会感觉到90和140黏度级别油品的黏度较之前的油品的黏度小，但无须担心，这是因为新标准对黏度范围进行了重新划分。

3.4.2 黏度指数

黏度指数是润滑油十分重要的指标，反映了油品在使用过程中黏度随温度变化的变化情况，黏度指数越大，黏温性能越好，说明油品黏度随温度变化的程度越小。GB 13895-2018标准提高了单级油的黏度指数指标，即要求90、110和140黏度级别油品的黏度指数不小于90，为高黏度指数润滑油品。提高油品的黏度指数要求，可以保证油品在高温下的油膜厚度，能够为齿轮提供良好的润滑保护，同时，也进一步提高了油品的质量；75W-90、80W-90、80W-110、80W-140、85W-90、85W-110以及85W-140黏度级别油品的黏度指数要求为报告，但多级油中添加了黏度指数改进剂，黏度指数一般都在120以上，为超高黏度指数产品，有利于油品在高低温下保持良好的润滑状态，避免设备因温度变化造成的异常磨损。

3.4.3 倾点和凝点

倾点是指油品在规定的试验条件下，被冷却的试样能够流动的最低温度；凝点指油品在规定的试验条件下，被冷却的试样油面不再移动时的最高温度，均以℃表示，是用来衡量润滑油低温流动性的常规指标，同一油品的倾点一般比凝点略高几度。因SAE J2360规格更新时取消了成沟点项目，新标准修订参照的ASTM D7450规格也未要求该项目，因此，GB 13895-2018标准中删除了对油品凝点的要求，同时对90、110和140单级油品的倾点提出了具体要求，即要求90黏度级别的要求不高于-12 ℃、110黏度级别的要求不高于-9 ℃、140黏度级别的要求不高于-6 ℃，而GB 13895-92中对90、110和140单级油品倾点的要求是报告。

3.4.4 闪点

闪点是考察油品挥发性和可能发生火灾危险程度的安全性指标，表征油品着火燃烧的危险程度。闪点决定了油品在运输和储存过程中的安全要求，且闪点愈低愈危险。GB 13895-2018标准中提高各黏度级别油品的闪点要求，提高了油品的安全性能。具体要求如下：

75W-90黏度级别的油品要求闪点不低于170 ℃；

80W-90、80W-110、80W-140、85W-90、85W-110、85W-140、90和110等黏度级别的油品要求闪点不低于180 ℃；

140黏度级别的油品要求闪点不低于200 ℃。

3.4.5 表观黏度

齿轮油的低温流动性对齿轮工作有重要影响，汽车后桥齿轮是飞溅式润滑，低温时齿轮油必须具有足够的流动性，齿轮转动时才能将足够量的油带到齿面及轴承，防止出现损伤。车辆齿轮油在低温下的表观黏度和倾点在一定程度上说明齿轮油在低温下的流动性。GB 13895-2018对表观黏度项目的指标描述进行了修订，要求列出油品低温下表观黏度的具体数值，能够更好地区分不同油品低温性能的差异性，有效提升产品的低温性能特性。具体要求如下：

75W-90：表观黏度(-40 ℃)，不大于150000 mPa·s；

80W-90、80W-110、80W-140：表观黏度(-26 ℃)，不大于150000 mPa·s；

85W-90、85W-110、85W-140：表观黏度(-12 ℃)，不大于150000 mPa·s。

3.5 试验方法

相比GB 13895-92，GB 13895-2018标准中的试验方法修订情况如下：

增加了黏度指数的测试方法GB/T 1995；

增加了硫含量的测试方法GB/T 17040和SH/T 0303，删除了GB/T 387、GB/T 388和SH/T 0172方法；

增加了磷含量的测试方法GB/T 17476和NB/SH/T 0822;

增加了氮含量的测试方法NB/SH/T 0704和GB/T 17476；

增加了钙含量的测试方法GB/T 17476和NB/SH/T 0822；

增加了热氧化稳定性的测试方法SH/T 0755。

3.6 台架试验

相比GB 13895-92，GB 13895-2018标准中对这四个关键台架试验的具体通过指标进行了部分修订，具体如下：

锈蚀性试验，GB 13895-92要求盖板锈蚀面积不大于1%，齿面、轴承和其他部件锈蚀情况不大于无锈，而GB 13895-2018标准中要求最终的锈蚀性能评价不小于9.0。

承载能力试验，GB 13895-92要求通过即可，而GB 13895-2018标准中有了具体指标规定，即要求螺脊评分不小于8、波纹评分不小于8、磨损评分不小于5、点蚀/剥落评分不小于9.3、擦伤评分不小于10。同时对于75W-90黏度等级的油品要求同时满足标准版和加拿大版的承载能力试验。

抗擦伤试验，GB 13895-92要求通过即可，而GB 13895-2018标准中试验结果要求优于参比油或与参比油性能相当。同时对于75W-90黏度等级的油品要求同时满足标准版和加拿大版的抗擦伤试验。

热氧化稳定性，GB 13895-2018标准对该项台架试验增加了其测试方法SH/T 0755。

3.7 检验规则

随着科技的不断发展与创新，越来越多企业都意识到油品检测的重要性，齿轮油检测，能让产品质量更有保障性。同时，对于消费者来说也更有说服力，并能对其提出更专业的指导意见。GB 13895-2018增加第五章“检验规则”，更加有利于市场的规范用油。

4 GB 13895-2018解析

4.1 黏度等级

重负荷车辆齿轮油的黏度等级根据其在高温和低温下的黏度进行划分，并采用含字母W(冬季“Winter”的首字母)和不含W的两组黏度等级系列，含字母的黏度等级代号由一组数字和字母W组成(如75W、80W和85W)，且以低温黏度达150000 mP·s时的最高温度和100 ℃时最小运动黏度划分；不含字母的黏度等级代号由一组数字组成(如80、90、110和140)，且以100 ℃时运动黏度划分，如表2。同时，重负荷车辆齿轮油的黏度等级有单级和多级之分。一个多级重负荷车辆齿轮油，其低温黏度满足表2中含W级的要求，并且100 ℃运动黏度在一个不含W级规定的黏度范围之内，两个标记之间用连号“-”链接。

表2 车辆齿轮润滑剂黏度分类[6]

当前，燃油经济性法规要求车辆具有更好的燃油经济性，而终端使用者却要求同时具有更好的设备性能。随着汽车工业技术的飞速发展，发动机马力得到了大幅提升，但齿轮尺寸却变化不大，油箱容量降低的同时要求延长换油周期，因此在取得燃油经济性的同时获得良好的设备耐久性，更加合理地选用润滑油就显得尤为重要。

在GB 13895-92中，90黏度等级的100 ℃运动黏度范围为13.5～24.0 mm2/s，140黏度等级的100 ℃运动黏度范围为24.0～41.0 mm2/s，可以看到，二者的100 ℃运动黏度跨度较大，分别达到了10.5 mm2/s和17.0 mm2/s之多，较大的黏度跨度范围很容易导致虽然是同属于同一黏度级别的产品，但不同的产品生产商生产的油品黏度差异非常大，从而使OEM很难确保终端油品在使用性能上达到其设计的使用要求。此外，车辆的燃油经济性法规要求更好的燃油经济性，OEM和终端客户要求对设备良好的润滑保护和耐久性，而使用低黏度的油品可提高燃油经济性，达到节能效果，但由此造成的油膜强度降低会对设备的润滑保护性能变差，因此，选择一个合适的黏度等级的油品对兼顾设备的耐久性和燃油经济性十分重要。

GB 13895-2018增加设置了75W-90、80W-110、80W-140、85W-110以及110等5个黏度级别，新增设的油品黏度级别，在兼顾油品低黏化趋势的同时，可使OEM和终端客户更加严谨的选择合适的油品，以确保在给定应用条件下油品具有预期的理化性质。

在GB 13895-92中，如果对某一设备来说，最佳的油品黏度是19.5 mm2/s，OEM一般会推荐使用90黏度等级的油品。然而，从GB 13895-92中可以看出，此油品的实际黏度可能会低至13.5 mm2/s，如此低的实际黏度显然不利于设备的润滑保护，很容易因黏度不够而造成设备磨损，缩短设备的使用寿命；同时，此设备也可以选用140黏度等级的油品，该油品黏度不低于19.5 mm2/s，但该油品的实际黏度又有可能高至41.0 mm2/s，过高的油品黏度给设备的燃油经济性和传动性能带来不良影响。GB 13895-2018增设110黏度等级油品，OEM和终端客户可以选用110黏度等级油品，既可以保证19.5 mm2/s的黏度要求，又不至于使油品黏度太小或太大，可以确保设备的正常运行。

GB 13895-2018新增设的油品黏度等级对OEM和终端客户为设备选择最佳黏度等级的油品提供了更大的方便性，如110黏度等级的油品可应用于SUV或轻负荷卡车上，不但满足提高车辆燃油经济性的要求，而且满足高速运转条件下高扭矩或耐久性的要求。

4.2 剪切安定性[7]

现代齿轮油要求能够在不同的苛刻条件下为齿轮提供良好的润滑保护，避免出现磨损和故障。然而，如果油膜强度一旦遭到破坏，在极压和极限温度条件下将大大减弱对齿轮的保护，从而出现严重的磨损，导致设备使用寿命的缩短。黏度是保证有效油膜的关键，因此，在车辆齿轮润滑中，优异的黏度保持性是保证齿轮获得良好润滑的关键。随着对车辆齿轮油的燃油经济性和长换油周期等关注，多级齿轮油的应用越来越广泛，相比传统的SAE 80W-90和SAE 85W-140齿轮油，SAE 75W-90和SAE 80W-140等齿轮油需加入更多的黏指剂。车辆齿轮油受到的剪切速率高达108/s，加入黏指剂的油品在使用过程中，由于机械剪切作用，油品中的高分子聚合物被剪断，使油品黏度下降，达不到使用黏度要求，影响正常润滑，因此多级车辆齿轮油的剪切安定性更显得重要，它直接影响齿轮油的黏度级别。目前，测定剪切安定性的方法很多，根据应用场合剪切力的不同，逐步建立了适用于不同需求的试验方法，常见的测试方法如表3，各测试方法的相对苛刻度如图1。

表3 测定含聚合物润滑油永久剪切损失的常见试验方法

图1 各剪切测定试验方法的相对苛刻度

不同测试方法测定油品的剪切安定性由于测试的苛刻度不同，其测试的结果有明显差异，如表4(表中黏度为油品的100 ℃运动黏度)。

从表4可以看出，不同测试方法测定的永久剪切损失率存在明显差异，而为了确定这些测试方法对车辆齿轮油的有效性，需要对其测试结果与实际行车试验结果的关联性进行分析。在实际行车试验过程中，油品的剪切安定性十分重要，因剪切导致的黏度下降会加剧设备磨损，图2和图3的试验结果充分说明了这一点。

表4 不同试验方法的测试结果比较

图2 剪切稳定性好的SAE 75W-90齿轮油行车试验结果

图3 剪切稳定性差的SAE 75W-90齿轮油行车试验结果

图2表明剪切安定性好的SAE 75W-90齿轮油在轻负荷驱动桥运行16×104km后的磨损相对较低，图3是剪切安定性差的SAE 75W-90齿轮油在同等条件下的测试结果，结果表明磨损量明显增加。

上述试验中的两种齿轮油的添加剂性能和加剂量均相同，因此能够有效预测油品剪切的台架试验方法对于确保行车过程中的油品表现以及设备的寿命具有十分重要的意义。

为评价剪切安定性台架试验对预测油品行车性能的表现，选用除了黏指剂不同而其他组分都相同的4种SAE 75W-90齿轮油在轻负荷驱动桥上进行行车试验，试验结果如图4，可以看出，采用20 h的KRL剪切与实际的轻负荷驱动桥的行车试验结果存在良好的相关性。

KRL剪切也可以很好地预测车辆齿轮油在重负荷行车过程中的剪切安定性。同样采用了除了黏指剂不同而其他组分都相同的2种SAE 75W-90齿轮油进行重负荷驱动桥的行车试验，结果如表5。

表5 重负荷车辆齿轮油KRL剪切损失与行车试验永久剪切损失的关联性

注：* 四台重卡车辆行车试验结果的平均值。

从表5可以看出，KRL剪切不仅能够很好地预测实际行车的剪切，而且表明多数的黏指剂被剪切都发生在行车考察的初期(如不超过4.8×104km)。因此，油品的剪切稳定性对于车辆齿轮油特别是长寿命车辆齿轮油来说十分重要，因剪切稳定性差的油品会在较短的时间内就出现较大的剪切损失，造成设备磨损或故障。

鉴于KRL剪切与车辆的实际工况具有非常好的关联性，已经广泛地被全球OEM及SAE J306齿轮油规格所采用，以满足油品黏度稳定性的要求，如：褔特Mercon Ⅴ规定KRL 20 h的剪切；MAN 341-1、MAN 341-2和MAN 342规格均规定KRL 20 h的剪切；Scania STO 1：0要求KRL 20 h的剪切；通用Dexron Ⅵ规定40 h，采埃孚的一些油品要求100 h甚至192 h的测试等。因我国市场上存在采用剪切稳定性差的黏指剂调合后桥齿轮油产品的情况，此类油品在使过程中黏度下降较快，不利于提供充足的油膜保护。GB 13895-2018引入了KRL(20 h)剪切的要求，与国际标准接轨。新的剪切安定性要求对齿轮油的市场将会产生较大影响，因要满足GB 13895-2018的要求需使用剪切安定性更好的黏度指数改进剂，更多的使用Ⅱ类、Ⅲ类基础油和合成基础油。同时，对规范市场用油和提升重负荷车辆齿轮油的整体水平有一定的推动作用。

4.3 台架试验

台架试验与油品的使用性能具有良好的相关性。CRC(美国科学研究协作委员会)的四个全尺寸台架是评定重负荷车辆齿轮油(GL-5)性能的关键，它们分别代表了汽车在行驶时的不同工况对齿轮油性能的不同要求，即CRC L-33锈蚀试验、L-37承载能力试验、L-42抗擦伤性能试验和L-60热氧化安定性试验[8]。

随着齿轮设备对油品性能的要求越来越高，用于评定重负荷车辆齿轮油的4个关键台架试验的试验方法也在不断发展。GB 13895-2018标准中，防锈性能的评定方法用L-33-1法替代L-33法，L-33-1与L-33的差异在于将纸质的板状垫片变为特富龙垫片(比纸质更为统一化)，试验开始时对硬件进行清洁/喷砂处理进行了严格规定，并要求试验结束后对硬件的评分必须由经过认证的评分员进行等，评价方法更加精确。热氧化安定性评定试验增加了试验方法SH/T 0755，即L-60-1法，L-60-1方法详细规定了台架试验各部件的确切尺寸，空气流量计如何校准等细节。

对于75W-90黏度等级的油品，新标准要求同时满足标准版和加拿大版的承载能力试验L-37法和抗擦伤试验L-42法。标准版和加拿大版的承载能力试验和抗擦伤试验均采用相同的试验程序、负荷和转速条件，但试验温度不同，加拿大版本的试验温度更低，并设有额外的温控装置，主要是考察低温条件下的齿面保护情况，试验条件更苛刻，如表6、表7所示。

表6 L-37法的标准版与加拿大版的差异

表7 L-42法的标准版与加拿大版的差异

加拿大版L-37和L-42台架试验与标准版相结合，针对更宽的工作温度下，考察主减速齿轮在低速高负荷和高速冲击负荷条件下的承载能力，对硬件保护的要求更全面、更苛刻。

5 结束语

随着车辆齿轮技术的发展，以及应对环保要求和燃油经济性法规的压力，对车辆驱动桥齿轮油提出了更高的性能要求，如更好的氧化安定性、燃油经济性、更佳的抗擦伤能力和更长的换油周期等。与GB 13895-1992相比，GB 13895-2018标准在油品承载能力、剪切安定性、热氧化安定性等方面的要求有较大提升，并具有更多的黏度等级，以选择更合适的黏度级别满足各种车辆和工矿需求，顺应了重负荷车辆齿轮油的发展趋势。

GB 13895-2018对重负荷车辆齿轮油的要求更加严格，满足了重负荷车辆齿轮油应用市场的最新需求。重负荷车辆齿轮油(GL-5)GB 13895-2018标准的实施，对进一步规范我国车辆齿轮油的市场应用，提升重负荷车辆齿轮油的产品质量和促进重负荷车辆齿轮油产品的更新换代发挥了十分重要的作用。