车辆齿轮油规格与技术发展趋势.docx

车辆齿轮油规格与技术发展趋势张龙华 ,伏喜胜(中国石油兰州润滑油研究开发中心 ,甘肃 兰州 730060)摘要 :介绍了车辆齿轮油的发展历程和车辆齿轮油规格的演变 ,阐述了车辆齿轮油的技术发展趋势及其对市场的推动作用 ,认为新一代车辆齿轮油规格的推出将加速齿轮油性能的提升 ,促进全球标准的统一 ; 油品市场也将在 新规格的基础之上发展符合 o em 要求和地区特色的高性能车辆齿轮油 。关键词 :车辆齿轮油 ;规格 ;技术中图分类号 : te626. 32文献标识码 : a0 前言在过去 30年中 ,齿轮润滑油的发展动力是在降 低系统成本的同时提高油品性能 。从最初的硫化鲸鱼脂 ,到如今的高性能全合成齿轮油 ,它的发展变化 是一个非常有趣的课题 。在此期间直接导致齿轮油 配方变化的原因是各类载重运输车辆的发展 ,同时 也受到环境保护要求和政策法规的压力 。伴随着车 辆齿轮油性能的提升 ,各种不同组织不同地区制定的车辆齿轮油规格也在不断演化发展 ,用以描述和 评价车辆齿轮油的使用性能 。而且车辆齿轮油规格 中的技术含量不断提高 ,要求越来越苛刻 ,以适应原 始设备制造商和最终用户的要求 ,这使得车辆齿轮 油的研发与制造面临着更高的挑战 。1 车辆齿轮油规格的发展历程从 1925 年试制成功双曲线齿轮以来 ,车辆齿轮 油取得了非常迅速的发展 1 。第二次世界大战后 , 为了制得 兼 备高 速性 能 和高 扭矩 性能 的 多效 齿 轮 油 ,引入了含磷极压剂 ,发展了 s - p - c l型多效齿轮油 ,美军于 1950 年制订了 m il - l - 2105a 规格 , 极压剂在 原 来的 基础 上 引入 了二 烷基 二 硫代 磷 酸 锌 ,大大提高了高速性能和高扭矩性能 ;由于汽车工业不断追求高速度 、大马力 ,到 60 年代初 ,需要热安定性和氧化安定性更高的润滑油 , 1962年 ,以 m il - l - 2105b 规格为对象配制出了硫 - 磷型双曲线齿轮油 。这种齿轮油经过多年使用 ,得到市场好评 ,在 高速抗擦伤性 、防锈性 、高速高温耐久性等方面均优 于 s - p - c l - zn四元素双曲线齿轮油 。 1978 年以 来的能源 危机 促使 各 国致 力于 节 能 。在 齿 轮 油 方 面 ,采用 降 低 粘 度 及 加 减 摩 剂 的 对 策 。由 于 sa ej306粘度分类的制订 ,多级齿轮油的表示成为了可 能 , 1976年 m il - l - 2105c开始生效 ,使 50 年代提 出的多级齿轮油概念得以实现 ,同时硫 - 磷型齿轮 油的低 温 性 能 、抗 泡 沫 性 能 及 防 锈 性 得 以 提 高 。1987 年 ,由于环保的要求 , 出现了 m il - l - 2105d规格的硫 - 磷 型 齿 轮 油 , m il - l - 2105d 规 格 与 m il - l - 2105c规格之不同是允许使用再生油为基 础油 ,并且对所用基础油和添加剂的毒性给予特别 关注 ,明确规定致癌物质和潜在的致癌物质不得用 于配制车辆齿轮油 2 - 3 。表 1 列出了 a p i (美 国石油学会 )以往和正在使用的车辆齿轮油规格 。表 2为美军 m il - l - 2105d 车辆齿轮油规格 。表 1 a p i驱动桥和手动变速箱齿轮润滑油的质量分类 4 - 5a p i分类油品类型应用场合gl - 1 (已废除 )gl - 2 (已废除 )纯矿物油含动植物油的复合油卡车手动变速箱涡轮蜗杆 、工业齿轮油收稿日期 : 2007 - 02 - 07。作者简介 :张龙华 ( 1977 - ) ,男 ,工程师 , 1999 年毕业于西安交通大 学化学工程专业 ,现从事润滑油添加剂研究工作 ,已公开发表论文 数篇 。60润 滑 油2007年第 22卷续表a p i分类油品类型应用场合gl - 3 (已废除 )gl - 4gl - 5gl - 6 (已废除 )含温和极压剂与已淘汰的 m il - l - 2105 规格相当 与现行的 m il - l - 2105d 规格相当手动变速箱 、后桥螺旋伞齿轮手动变速箱 、现代汽车的螺旋伞齿轮和双曲线齿轮 双曲线齿轮及其他类型齿轮 ,也可用于小汽车和卡车的手动变速箱 偏心轴双曲线齿轮美军车辆齿轮油规格 m il - l - 2105d - 1987 6 - 7表 2项目75w80w /9085w /140试验方法锈蚀试验 (l - 33 )低速高扭矩试验 (l - 37 ) 高冲击试验 (l - 42 ) 热氧化安定性试验 (l - 60 )粘度增长 , % 戊烷不溶物 , % 甲苯不溶物 , %100 运动粘度 /mm2 s - 1通过通过 通过通过通过 通过通过通过 通过crc l - 33crc l - 37crc l - 42crc l - 60不大于不大于 不大于 不小于 不大于 不大于 不大于 不小于1003. 02. 04. 11003. 02. 013. 524. 0- 26- 351651003. 02. 024. 041. 0- 12- 20180a stm d445粘度为 150000m pas时的最高温度 / 成沟点 / 闪点 (开口 ) / 泡沫倾向 /ml /ml24 0. 5 93 0. 5 后 24 0. 5 铜片腐蚀 ( 121 , 3 h) /级 贮存稳定性试验固体物 , %不溶物 (体积分数 ) , %相容性试验- 40- 45150a stm d2983ftm 3456a stm d92a stm d892不大于不大于 不大于 不大于20 /050 /020 /0320 /050 /020 /0320 /050 /020 /03a stm d130ftm 3440不大于不大于通过通过通过ftm 34302 车辆性能的提升对车辆齿轮油规格的推动随着汽车工业的发展 , 车辆设备性能结构的变 化使车辆传动部位的润滑条件较过去更为苛刻 ,这就对齿轮油性能提出了新的要求 ,主要表现在以下三点 8 :( 1 )齿轮箱体积更小 。 由于使用者对燃油经济性的要求 ,车辆制造厂商提高了后桥及变速箱传动功率密度 ,使齿轮箱内 润滑油的容量变小 ,从而引起齿轮温度和负荷提高 。( 2 )空气动力学设计 。 空气动力学设计可以有效提高燃油效率 ,但同时使后桥及变速箱周围的空气流速降低 ,有 o em 报道由于采用空气动力学设计可能使重负荷卡车手动 变速箱的工作温度提高 2530 ) 。( 3 )缓冲器的使用容易在齿轮齿尖产生剥坑 。满足 m il - l - 2105d 规格的 a p i gl - 5 油在实际使用过程 中 , 出 现了 油泥 及 沉 积 , 导 致 密 封 泄 漏 ,已不能满足实际使用要求 ,需要对 a p i gl - 5 油以下几个方面的性能加以改进 :高温操作条件下与密封材料的相容性 。延长重负荷卡车齿轮油的换油周期 。提高多级油的剪切稳定性 。为此 a p i(美国石油学会 )为手动变速箱及驱动 桥油制定了两个新的推荐性使用分类 。这种分类把手动变速箱油定为 pg - 1 ,把重负荷双曲线后桥齿 轮用油定为 pg - 2 , 其性 能要 高于 a p i gl - 5 油 。1997 年 m t - 1 ( pg - 1 ) 规格正式公布 , pg - 2 规格 主要由于 m ack剥落台架的重复性有问题 ,可能用强 化的 crc l - 37 台架替代 , 正式公布将推迟几年 ,第 5期张龙华等 . 车辆齿轮油规格与技术发展趋势61同时 m il - l - 2105 e规格生效 , m il - l - 2105 e 规格在 m il - l02105d 基础上补加了 m t - 1规格 。满 足 m il - l - 2105 e规格的 a p i gl - 5 驱动桥和 m t- 1手动变速箱油是目前世界上水平最高的通用车辆齿轮油 。表 3为 a p i制定的 m t - 1、pg - 2规格 。m t - 1 (a p i pg - 1) 、pg - 2规格 6 - 7表 3项 目性 能指 标试验方法m t - 1 (a p i pg - 1 )热安定性及部件清净度抗磨耐久性 与密封材料的适应性 与铜部件的适应性 抗磨性抗氧化性能 高温润滑稳定性 抗泡性能 贮存稳定性试验 相容性试验 热安定性及部件清净度 与密封材料的适应性 与铜部件的适应性 齿轮齿面抗疲劳试验a p i gl - 5 性能大齿轮积炭 、漆膜评分不小于 7. 5 ,油泥评分不小于 9. 4fo rk磨损大于 0. 075 为失效 通过评级不大于 2 a失败级不大于 11同 m il - l - 2105d 循环次数不小于参考油 同 m il - l - 2105d同 m il - l - 2105d同 m il - l - 2105d大齿轮积炭 、漆膜评分不小于 7. 5 ,油泥评分不小于 9. 4通过 评级不大于 3 b 未定同 m il - l - 2105dcrc l - 60 - 1m ack 循环试验台架a stm d5662a stm d130 ( 121 3 h) a stm d5182 ( fzg)crc l - 60a stm d5579a stm d892ftm 3440ftm 3430crc l - 60 - 1a stm d5662a stm d130 ( 121 3 h)强化 crc l - 37所有 gl - 5 试验pg - 22. 1 手动变速箱油的发展趋势现今世界范围内使用最为广泛的手动变速箱油 是 gl - 4 规格的油品 ,但是用于评定 gl - 4 油品的试验台架大部分已经不复存在 。虽然 a p i已推出了 m t - 1 手动变速箱规格 ,但是其只在北美地区得到 了推广 ,而且由于它只适用于轻型车辆手动变速箱 油 ,对于保有 数 量日 益增 长的 重 型 车 辆 无 法 兼 顾 。从图 1可知在北美和欧洲中型和重型卡车的齿轮油消耗量占车辆齿轮油总消耗量的主要部分 ,其中重 型卡车所消耗的齿轮油量都接近总量的一半 ,而小轿车齿轮油用量仅占齿轮油总量的很小部分 8 。因 此 ,车辆齿轮油规格的重点也就放在满足中 、重型车 辆的使用要求上 。图 1 北美和欧洲不同车型齿轮油消耗构成随着同步器在新型手动变速箱和驱动桥上的广泛使用 ,原有的变速箱油已不能满足使用要求 ,新的 手动变速箱油呼之欲出 ,与之相关的评定方法和规 格制定也都在积极制定中 。 sa e (美国汽车工程师学会 )暂时将该规格的油品称之为 pm - 1 和 pm -2。新的手动 变速 箱 油规 格 将 在 同 步 耐 久 性 、抗 点蚀 、抗擦伤性能上对油品有进一步的要求 。 pm - 1主要适用于带有同步器的轻型车辆手动变速箱 , pm- 2适用于带有同步器的中 、重型卡车手动变速箱 和前驱动桥 。表 4 列出了拟定中 pm - 1 规格的测62润 滑油2007年第 22卷试方法 , pm - 1 和性能比较见表 5。表 4pm - 2 与 a p i gl - 4 及 m t - 1车厂商普遍支持 pm - 2 规格 ,因为其在抗点蚀和抗擦伤性能方面远优于 pm - 1 规格 ,完全可以取代后 者 ,更可能成为全球通用的手动变速箱油规格 。 pm- 2 手动变速箱油将在性能上全面超越 a p i gl - 4规格产品 , a p i gl - 4 规格退出历史舞台的时候也 为期不远了 。2. 2 车辆齿轮油粘度规格的发展纵观全世界各地区车用齿轮油的发展 ,无论是 卡车还是轿车 ,有三点是共同的发展方向 ,即( 1 )良好的热氧化安定性 , 降 低油 泥和 漆 膜厚 度 ,延长油品使用寿命达到终生不换油 。( 2 )开发专用的手动变速箱油 , 具 有良 好 的摩 擦特性 ,满足驾驶的舒畅性 。( 3 )为了满足低温换档 、高温 有粘 膜保 护 和燃 油的经济性要求 ,使用多级齿轮油 ,油品中含有剪切 安定性能良好的粘度指数改进剂 。由于燃料经济性要求和重型车辆低温流动性及 氧化安定性能的要求 ,低粘度大跨度多级齿轮油的 用量和比 例明 显增 加 。为 了 适应 车 辆 齿 轮 油 的 发 展 ,美国汽车工程师学会 ( sa e)推出了新的规格 ,其拟定中的 pm - 1规格性能试验方法同步器试验抗磨性 抗氧化性能 锥形滚柱轴承剪切试验 倾点布氏粘度ccs 低温粘度 抗泡性能锈蚀 与密封材料的适应性ssp - 180 synch ron izer w /a ud i b80 p artsa stm d5182 ( fzg) gfc o xida tion te st cec - l - 45 - t - 93a stm d97a stm d2983a stm d5293a stm d892 或 a stm d6082a stm d665a stm d5662表 5 不同规格手动变速箱油性能比较同步性抗点蚀抗擦伤抗磨抗剪切热安定性密封性抗腐蚀种类a p i gl - 4a p im t - 1pm - 1pm - 2好中等 中等 好好好好 好好好 好中等中等 好好好好好中比较重要的有 1998年 7 月公布的齿轮油粘度等级规格 ,见表 6。sa e j306 车辆好好虽然pm - 1 与pm - 2 规格尚未出台 ,但各大汽表 6sa e j306粘度等级项目70w75w80w85w808590140250100 运动粘度 /mm2 s - 1最小 3最大 不高于4. 14. 17. 011. 07. 011. 011. 013. 513. 524. 024. 041. 041. 0表观粘度达 150 pas时的温度 / - 55- 40- 26- 12注 : 3 粘度指标必须在通过 cec l - 45 - t - 93 ( 20 h)剪切试验后仍然满足 。从表 6 中可看到这个面向 o em 和用户的齿轮油粘度划 分 规 格 增 加 了 两 个 新 的 粘 度 级 别 : 80 和85 ,且低粘度级别粘度指标降低 ,顺应了车用齿轮油 朝着低粘度多级方向的发展趋势 ,使润滑油产品具有更好的质量划分 。此外该规格还增加了剪切安定性的指标 ,以保证齿轮油在使用过程中保持有效的 粘度 。3 双向发展的车辆齿轮油从世界范围看车辆齿轮油规格不断变化 ,技术 含量不断提高 ,要求越来越苛刻 ,但是面对不同的需求 ,不同的市场环境 ,并不是最高水平的齿轮油就是最具需求的油 ,而是应对不同的要求呈现两种不同 的发展趋势 。其一是对满足基本使用性能而成本很低油品的需求 ,其中基础油和添加剂的成本都必须处于最低水平 ,因而需要添加剂在低剂量下仍很有效 。另一方面 ,则需要具有耐久性 ,燃料经济性和可 靠性的高度专一的特种油 。对于这种油品 ,基础油 往往比添加剂起更大的作用 。需要采用优质的合成 油以达到所要求的技术水平 9 。3. 1 经济有效的齿轮油在亚太和我国绝大部分区域 ,经济有效性是车 用齿轮油 的主 要要 求 之一 。受 短 期 市 场 作 用 的 驱动 ,基础油和添加剂体系的选择只是一个基本性能 和价格问题 。各大润滑油和添加剂经销商都为在竞争中扩大市场份额而尽一切努力降低成本 。齿轮油只要达到 a p i gl - 4 或 a p i gl - 5 规格即可 ,更高 的性能要求若需增加成本则是不被期望的 。这一类第 5期张龙华等 . 车辆齿轮油规格与技术发展趋势63齿轮油大多采用 类矿物油作为基础油 ,只有很少的油品采用 、类基础油 。所以为该地区所开 发的复合剂必须在适应矿物油的基础上再向其他各 类基础油扩展 。3. 2 特种油品与亚太及国内情况相反 ,北美 、欧洲和日本对于 高性能齿轮油有着强烈的要求 。这些地区的原始设 备制造商越来越要求具有同寿命性能的油品 ,制定 了他们自己的齿轮油性能规格和要求 ,要求这些油 品具有三个关键的特性 :延长换油期 、耐久性和燃料 经济性 。目前 ,欧洲的换油期已延长到 30 40 万 km ,且 每隔几年就有所增加 。美军的齿轮油规格 m il - l- 2105 e曾是可接受的标准 , 现在除了这些标准外 各大 o em 还加入了他们自己的要求 ,以保证其可靠 性和支撑延长换油周期 。表 7列出了欧洲和美国几家 o em 重负 荷 后桥 齿轮 油 的 换 油 期 及 相 关 规 格 。 这些规格包括通过延时的高温氧化试验 ,冲击和点 蚀试验 ,延时的腐蚀试验 ,动态密封试验 ,行车试验 和 o em 自己的台架试验等 。所使用油品的粘温性能 。表 8商用及试验用合成油的粘温性能100 粘度/mm2 s - 1- 40 布氏粘度 /m pas油编号sa e级别v i商用o em a 装车油 o em b 装车油 o em c装车油exxonmob il方案 emcc油 a emcc油 b75w /14075w / 9075w / 9025141717614015114000014000012000070w / 9070w / 8513. 511. 022722780005000使用超高粘度指数的合成基础油使成品油在低温下粘度更低以有利于燃料经济性 ,在高温下保持 性能更好以有利于耐久性 。润滑油厂商可把这些特 种油投放到日益发展的多功能运动车 ( suv )和轻卡市场 ,以满足用户对燃油经济性的要求 。4 结束语随着汽车工业的发展 ,车辆设备性能结构的变 化对齿轮油性能提出了新的要求 ,新一代车辆齿轮 油规格的推出将加速齿轮油性能的提升 ,促进全球标准的统一 ,油品市场也将在新规格的基础之上发 展符合 o em 要求和地区特色的高性能车辆齿轮油 。 参考文献 : 1 马先贵 . 从齿轮油的发展史看齿轮油的发展 c . 第七届全国设备润滑与液压油学术会议论文集 , 2001. 2 吕兆岐 , 谢宗 . 润滑油品研究与应用指南 m . 北京 :中国石化出版社 , 1997. 3 王汝霖 . 润滑剂摩擦化学 m . 北京 : 中国石化出版社 ,1995: 234 - 235. 4 王成勇 . 车用润滑剂的发展历程 j . 润滑油 , 2000, 15 ( 5 ) : 7 - 15. 5 李亮耀 . 中国润滑油标准与技术规范的发展 j . 石油商技 , 2001, 19 ( 5) : 44 - 48. 6 张 青 蔚 . 工 业 润 滑 油 现 状 及 发 展 趋 势 j . 润 滑 油 ,2001, 16 ( 4) : 1 - 11. 7 伏 喜 胜 . 国 内 外 车 辆 齿 轮 油 发 展 动 态 j . 润 滑 油 ,1995, 10 ( 3) : 11 - 18. 8 robe rt ca in. gea r o il c la ssifica tion - a xle and m anua l tran sm ission p ro jec t : pa st, p re sen t and fu tu re c . p ro2 ceed ings of the 8 th a nnua l fue ls & l ube s a sia confe rence& exh ib ition, 2002. 9 e llen b b rande s. d riving in two d irec tion s w ith a u tomo tivegea r o il m . ch ina in te rna tiona l l ub rican t sem ina r,2002.表 7 主要 o em 后桥齿轮油换油周期和规格o em换油期 /万 km适用规格欧洲d a im le r - ch rysle rvo lvo man rv i美国m ack25403235235. 897312342 sl03. 08. 4002go - j +80 d ana / ea ton 80 ps 163 ea ton (伊顿 ) 、d ana (达纳 ) 和 m e rito r (玛瑞特 )在美国重 负 荷车 辆后 桥 和变 速箱 市场 处 于主 导 地 位 。这些厂商要求在一定类型的设备上使用指定的密封件和润滑油 。这类指定的重负荷车辆后桥和变速箱润滑油需要进行延长使用寿命的试验及比单一 常规的 gl - 5和 m t - 1具有更优良的抗氧化性能 。为了满足 o em 对齿轮油延长换油期和燃料经济性的要求 ,高性能齿轮油都使用全合成或半合成 油来提高产品的热氧化安定性 、油膜厚度和高低温 性能 。这些基础油都具有很高的粘度指数 ,甚至超 高粘度指数 ,与合适的添加剂复配在一起为油品提 供优良的性能 。表 8 列举了一些 o em 和油品厂商64润 滑 油2007年第 22卷the d evelo pm ent trend o f veh icl e gea r o ilspec if ica t io n a nd tec hnolo gyzhan g long - hua, fu x i - sheng( petroch ina l anzhou l ubrica ting o il r & d institu te, l anzhou 730060, ch ina )a b stra c t: the deve lopm en t cou rse and sp ec ifica tion evo lvem en t of veh ic le gea r o il a re in troduced, and itstechn ique deve lopm en t trend and an imp u lse to m a rke t a re exp a tia ted. it is con side red tha t the new sp ec ifica tion w ill acce le ra te the up grade of veh ic le gea r o il and the un ifica tion of globa l standa rd. the h igh p e rfo rm ance p roduc tswh ich acco rd w ith o em s reque sts and a rea cha rac te ristic w ill be deve lop ed ba sed on the new sp ec ifica tion.key w ord s: veh ic le gea r o il; spec if ica t ion; techn o logygf - 5磷含量指标和挥发性磷测定方法讨论gf - 5公布的指标草案中 ,关于改善润滑油与催化剂配伍性的指标主要是油中的磷含量和磷挥发 度指标及其测定方法 。草案提出磷含量为 0. 06 % 0. 07 % ,对于此指标仍然有放宽到 0. 08 %的呼声 ; 而对于磷挥发度的测定方法还没有确定 ,更谈不上定出指标 。2007年 4月 17日 , sa e举行了“改善发动机油与排放系统配伍性 ”论坛 , o em 及各研究机构就油中的磷含量和磷挥发度指标及其测定方法展开了深入讨论 。o em 们通过试验数据指出尽管磷与催化剂的结合可使催化剂受 到致 命伤 害 , 从而 使 hc、co 和 no x排放加重 ,但在行车