汽车玻璃升降器专用润滑脂的研制

2020-12-14吴凤华李聪康军吴宝杰

润滑油 2020年6期

吴凤华，李聪，康军，吴宝杰

(中国石化润滑油有限公司润滑脂研究院，天津 300480)

0 引言

玻璃升降器是保证汽车玻璃灵活调整的机构，也是汽车安全和舒适性的一个重要部件。车窗玻璃升降的速度、声音以及操作的便捷性决定了升降器的品质，直接关系到车内乘员的乘车感受。随着人们对汽车舒适性、安全环保性和可靠性要求的提高，对玻璃升降器的使用问题愈来愈重视[1-9]。润滑脂对于玻璃升降器的使用寿命及效果有着非常重要的影响，若润滑脂选择不当，容易引起磨损、异响、振动、卡滞等问题，破坏车窗玻璃移动的稳定性，极大影响着乘车的舒适性及安全性[10]。因此，选用适宜的汽车玻璃升降器专用润滑脂产品非常必要。

本文介绍了汽车玻璃升降器润滑脂的研制、评价及应用，研究人员通过理化性能评定、性能模拟试验和环保评价测试了该润滑脂的性能。该产品成功通过客户的玻璃升降器耐久台架试验和技术认可，四年多的汽车玻璃升级器厂家实际使用证明效果良好。

1 玻璃升降器的主要结构及润滑要求

1.1 玻璃升降器的主要结构

车门玻璃升降器作为车门附件，其作用是保证车门玻璃平稳升降、门窗能随时并顺利地开启和关闭，并能使玻璃停留在任意位置，不随外力作用或汽车的颠簸而上下跳动。因此要求玻璃升降器结构可靠、操纵轻便省力，并需有防止玻璃升降器倒转的制动装置。

从结构特点上分，汽车玻璃升降机构有绳轮式、交臂式和软轴式[11-12]。其中绳轮式和交臂式应用较多(见图1)。绳轮式门窗玻璃升降器由滑轮、钢丝绳、张力器、张力滑轮等组成。它通过驱动电动机拉钢丝绳来控制门窗玻璃的升降，电动机的输出部分是一个塑料绳轮，绳轮上绕上钢丝绳，钢丝绳上装有滑块，电动机驱动绳轮，带动钢丝绳卷绕，钢丝绳上的滑块带动玻璃，使之沿导轨做上下运动。交臂式门窗玻璃升降器主要由扇形齿板、玻璃导轨及调节器等组成。它的工作原理是：扇形齿板利用驱动电动机的棘轮进行转动，从而带动X臂运动，而使窗玻璃做上下移动。随着电器元件的应用和发展，汽车玻璃升降机构已发展为电动模式。

(a)单轨绳轮式升降器 (b)交叉臂升降器

玻璃升降器有多个润滑部位：升降器电动机上的蜗杆与蜗轮、缆索、滑轮和滑动轴承，以及车窗滑轨，见图2。这些润滑点的摩擦副材料是聚甲醛与涂漆的钢板或镀锌板。电动玻璃升降器是整车中故障率较高的部件之一，其中很大一部分故障与玻璃升降器滑轨、电动机、传动机构等处的脂润滑问题紧密相关[5]。

图2 玻璃升降器摩擦部位

1.2 玻璃升降器的润滑要求

关于玻璃升降器的润滑，市场使用反映的常见问题有：

(1)玻璃升降器润滑脂低温性能差，出现润滑不良，导致异响；(2)玻璃升降器脂蒸发损失或渗漏油过大，在车窗玻璃开关的往复循环运动过程中，升降板和导轨之间的润滑脂变得干涸，导致窗玻璃运行不畅或出现异响；(3)玻璃升降器脂防锈防腐蚀效果差，滚轴出现锈蚀现象。玻璃升降器故障件见图3。

图3 玻璃升降器故障件

由图3可以看出，玻璃升降器的润滑和防护不当，容易引起阻滞力增加，造成电机等驱动元件紧张，引起早期失效。此外，玻璃升降器是和外界环境接触最多的汽车零部件之一，使用较为频繁，容易受潮气、雨雪水以及灰尘的侵蚀，对润滑脂的性能要求较高。

综合以上分析，得出玻璃升降器对润滑脂的具体润滑要求有[13-14]：

(1)满足气味和有毒有害物质等环保要求；

(2)低温性能好，工作温度范围满足：-40～80 ℃。

(3)防腐保护和抗水性能佳；

(4)蒸发损失小，胶体安定性和储存安定性好；

(5)有效抗氧化，使用寿命长；

(6)低摩擦系数，耐磨和消音效果好。

2 玻璃升降器专用润滑脂的研制

为了更好地满足玻璃升降器的工况要求，将稠度、高温性能(滴点、蒸发损失)、低温性能(低温转矩)、胶体安定性能(钢网分油、储存分油)、抗水性能、防腐蚀性能(铜片腐蚀、钢片腐蚀)作为重点理化指标。

2.1 基础脂的筛选与考察

基础脂是由基础油与稠化剂两部分组成。它是构成成品润滑脂的基础组成部分，同时也决定了最终产品的基本性能。基础油影响着润滑脂的耐低温性、抗氧化性、与材料相容性和耐高温性等重要方面，而稠化剂又决定着润滑脂的耐高温性、抗水性、长寿命性能等，两者共同作用对润滑脂的胶体安定和防腐蚀性也会产生重要影响，因此需要将两者制备成基础脂进行考察和筛选。

基础脂的选择要根据具体场合和成本要求进行综合优选。玻璃升降器本身使用温度范围为-40～80 ℃，因此基础油重点考虑能满足-40 ℃低温要求的调配基础油，稠化剂选择通用性好的锂基稠化剂。试验分别以锂皂稠化剂稠化不同类型基础油制备基础脂进行考察，结果见表1。

表1 不同基础脂样品考察结果

由表1可见，通过滴点、蒸发损失量、钢网分油量和储存分油量等性能数据对比，G1#脂和G2#脂在抗高温、抗蒸发损失、胶体安定性和储存安定性等方面较好。从基础油倾点和基础脂流动压力测试数据来看，G1#脂的表现更优于G2#脂。由于玻璃升降器使用较为频繁，滑轮和滑轨常与粉尘接触，高黏度油脂比低黏度油脂更容易黏附灰尘，引起故障。因此综合考虑，最终选取G1#脂作为玻璃升降器专用润滑脂的基础脂。

2.2 制备工艺

采用常压釜工艺生产，脂肪酸与氢氧化锂水溶液在90～100 ℃进行皂化反应。缓慢升温至200～220 ℃，急冷降温，加入所需的添加剂，进行后处理后罐装成品。

2.3 添加剂筛选

结合玻璃升降器的润滑要求，润滑脂往往需要与升降器实现同寿命润滑，因此需要在基础脂中添加抗氧剂、防锈剂和增黏剂。为了提高润滑脂的抗氧化稳定性，除采用精选的基础油以外，还要借助抗氧剂和防锈剂的协同作用。确定玻璃升降器专用润滑脂的添加剂配方如下：

(1)酚类抗氧添加剂A：0.5%(质量分数)，无灰抗氧添加剂B：0.5%(质量分数)；

(2)防锈添加剂C：1.0%(质量分数)；

(3)聚甲基丙烯酸酯：0.5%(质量分数)。

2.4 理化性能评价

玻璃升降器专用润滑脂与用户原用润滑脂的理化性能对比，见表2。

表2 玻璃升降器专用润滑脂与用户原用脂的性能数据

由表2的对比数据可以看出，用户原用脂的流压值略小，但其蒸发损失量、钢网分油量和储存分油量较大，在实际使用中不能很好地满足用户使用要求。玻璃升降器专用润滑脂在满足客户成本需求的前提下，其耐低温性、胶体安定性、储存安定性、蒸发损失、防腐蚀、防锈蚀和抗水性等主要指标上均表现优良。

3 玻璃升降器专用润滑脂的性能评价

3.1 低温流变性能试验

本测试有助于分析玻璃升降器润滑脂在低温状态下的微观结构变化情况，一定条件下比较产品的低温特性。试验采用MCR302型流变仪，分别评定玻璃升降器专用润滑脂和用户原用润滑脂在不同温度下的模量随应变的变化，其中G′为弹性模量，与材料的弹性相对应，表现材料的固体特性；G″为黏性模量，指形变时以热的形式消耗的能量，表现材料的流体特性。

试验得到两种产品在25 ℃、0 ℃、-20 ℃和-40 ℃下的弹性模量和黏性模量随应变变化，见图4。

图4 两种润滑脂的模量随应变变化

如图4所示，与用户原用润滑脂相比，玻璃升降器专用润滑脂在温度降低时，同一低温条件下流体性质更为明显，流动性更好，可见其低温性上面表现得更为突出。

3.2 氧化安定性试验

试验采用压力差示扫描量热法(PDSC)评价玻璃升降器专用润滑脂的抗氧化安定性。试验在一定的压力氧气气氛中，使润滑脂样品快速升温至设定温度并保持恒定，测试自恒温开始至氧化放热峰出现为止的时间，即氧化诱导期(OIT)。氧化诱导期越长，表明样品的氧化安定性越好。

试验测定玻璃升降器专用润滑脂和用户原用润滑脂的结果，见图5。

图5 氧化诱导期(OIT)试验对比结果

由图5所示，同一温度和压力试验条件下，玻璃升降器专用润滑脂的氧化诱导期(OIT)时间更长，表明其氧化安定性更好。

3.3 摩擦磨损性能试验

试验采用高频线性(SRV)振动试验机对玻璃升降器专用润滑脂的抗摩擦磨损性能进行评价。试验后平均磨斑直径越小，磨斑表面的磨损程度越小，试验样品的抗微动磨损性能就越好，反之则越差。摩擦系数直接表征润滑脂的抗摩擦性能，摩擦系数越小，表明样品的抗摩擦性能越好。评价结果见表3和图6～图8。

表3 SRV试验评价的摩擦系数和磨痕直径

图6 玻璃升降器专用润滑脂摩擦系数

图7 用户原用润滑脂的摩擦系数

(a)玻璃升降器润滑脂SRV圆盘 (b)用户原用润滑脂SRV圆盘

如表3及图6～图8所示，玻璃升降器专用润滑脂的摩擦系数和磨痕均小于用户原用脂；在相同倍数显微镜下，SRV试件的磨痕直径较小且较浅，可见其抗摩擦磨损性能较好；用户原用脂的SRV试件磨痕较大且较深，出现明显的犁沟现象，磨损较为严重。

3.4 表面形貌测试

试验采用白光干涉仪对SRV试验后的顶球和圆盘试件的表面形貌进行测试，得到试验球磨斑和试验盘表面磨痕的磨损信息，对磨损损失体积进行测量计算，从而更直观地得到其磨损情况。结果见图 9～图11。

图9 SRV试验球-圆盘磨损表面形貌(玻璃升降器专用润滑脂)

图10 SRV试验球-圆盘磨损表面形貌(用户原用润滑脂)

图11 SRV试验盘磨损体积

如图9～图10所示，由SRV顶球-圆盘磨痕的三维表面形貌可以看出，采用用户原脂球盘的表面犁沟现象清晰可见，磨损情况更为严重。

如图11所示，由SRV顶球表面的磨损损失体积(Net Missing Volume)显示，玻璃升降器润滑脂顶球的磨损损失体积(Net Missing Volume)为0.02 mm3，用户原用脂顶球的磨损体积为0.069 mm3，前者数值小于后者，显示玻璃升降器专用润滑脂的耐磨性要好于用户原用润滑脂。