聚脲潤滑脂在汽車行業(yè)的應用

嚴飛

(廣州機械科學研究院有限公司汽車零部件研究所,廣東廣州 510700)

聚脲潤滑脂在汽車行業(yè)的應用

嚴飛

(廣州機械科學研究院有限公司汽車零部件研究所,廣東廣州 510700)

為滿足汽車行業(yè)減少摩擦降低油耗、減少磨損延長壽命、增強密封防止泄漏、減少振動消除噪聲等要求，聚脲潤滑脂在潤滑脂總用量中所占比例逐年遞增。介紹通用聚脲潤滑脂在轎車底盤、輪轂軸承和萬向節(jié)的應用；提出在開發(fā)聚脲潤滑脂新產(chǎn)品時，更要注重潤滑脂結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從微觀層面了解聚脲潤滑脂的作用機制，以滿足不同的使用要求；為了減少車用潤滑脂品種，應研發(fā)具有優(yōu)異的耐高溫性能和長壽命的汽車多用途通用聚脲潤滑脂。

聚脲潤滑脂；輪轂軸承；萬向節(jié)；底盤

0 引言

潤滑脂作為汽車的主要潤滑材料之一，遍布在汽車的200 多個部位，包括發(fā)動機、底盤、車身和電器等，在汽車的安全、環(huán)保、節(jié)能等方面發(fā)揮著重要作用。潤滑脂屬于非牛頓流體，具有獨特的流變特性，與潤滑油相比，潤滑脂存在使用壽命長，適用于高溫潤滑，具有較高的承載能力以及良好的阻尼特性，具備良好的黏附性，可以吸附在摩擦副的表面起到潤滑和密封防塵的雙重作用等優(yōu)點[1]。

汽車行業(yè)早期使用的潤滑脂為鈣基潤滑脂(俗稱黃油)。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，能延長潤滑周期、減少磨損、降低消耗等的汽車通用鋰潤滑脂應運而生，并逐步取代鈣基潤滑脂用于汽車輪轂軸承、底盤等部件。通用鋰潤滑脂的使用溫度范圍為-25～120 ℃，相比鈣基潤滑脂使用溫度范圍已大幅提高，但隨著汽車行駛速度的加快和負荷的增加，鋰基脂或復合鋰基脂已很難完全滿足潤滑要求。1954年德國科學家Swaken發(fā)現(xiàn)了聚脲潤滑脂，標志著汽車潤滑脂進入新的時期。聚脲潤滑脂以其優(yōu)異的抗氧化性能、高溫性能及使用壽命長和可應用于苛刻工況的特點，被譽為21世紀最有發(fā)展前景的潤滑脂品種之一[2]。

近年來，為滿足汽車行業(yè)減少摩擦降低油耗、減少磨損延長壽命、增強密封防止泄漏、減少振動消除噪聲等要求，聚脲潤滑脂在潤滑脂總用量中所占比例逐年遞增。根據(jù)汽車用潤滑脂使用部位的不同，主要可分為底盤潤滑脂、輪轂軸承潤滑脂、萬向節(jié)傳動部位潤滑脂、車身附件及電器用潤滑脂等[3]。汽車底盤和輪轂軸承、萬向節(jié)用潤滑脂，一般為通用潤滑脂；而汽車電器和輔助設備軸承用潤滑脂，一般為專用潤滑脂。下面主要介紹用于轎車底盤、輪轂軸承和萬向節(jié)通用聚脲潤滑脂的性能要求及應用。

1 聚脲潤滑脂在輪轂軸承中的應用

1.1 輪轂軸承對潤滑脂的性能要求

在車輛行駛過程中，汽車輪轂軸承要承受徑向、軸向和沖擊載荷的作用，而在非工作狀態(tài)下會因外部振源引起微振動而發(fā)生磨耗。因此轎車輪轂軸承潤滑要求具有以下性能：

(1)良好的潤滑性能。并能滿足苛刻工況下的長壽命潤滑要求。隨著轎車輪轂軸承向單元化、小型化和整體密封化方向發(fā)展，現(xiàn)代輪轂軸承成為一個集輪轂軸承、剎車盤、等速萬向節(jié)(CVJ)、ABS等于一體的復雜單元，其接觸潤滑狀態(tài)更為復雜，主要以彈性流體動力潤滑為主[4]，對潤滑脂的要求更高。

(2)良好的抗微動磨損及高溫長壽命性能。由于微動磨損會導致軸承疲勞強度降低和產(chǎn)生噪聲等問題，因此潤滑脂應具有較好的抗微動磨損性能。受汽車行駛過程中產(chǎn)生的剪切力或制動器制動產(chǎn)生的高溫的影響，潤滑脂會出現(xiàn)高溫軟化、基礎(chǔ)油分離、潤滑脂泄漏等問題，因此，汽車輪轂軸承用潤滑脂應具有優(yōu)異的耐高溫性能。

(3)良好的耐水性能。汽車輪轂軸承的工況較為苛刻，而輪轂軸承的密封性一般較差，一般很容易混入水、灰塵等，而水有可能導致潤滑脂軟化，因此輪轂軸承用潤滑脂應具有良好的耐水性能，并具有一定的密封性能。

1.2 輪轂軸承聚脲潤滑脂的應用

聚脲潤滑脂具有高滴點、高性能、多效、長壽命的特點，可應用于苛刻工況，完全能夠滿足汽車輪轂軸承對潤滑脂的性能要求，已成為轎車輪轂軸承的主要用脂之一。其主要特點有：

(1)良好的高低溫性能。聚脲潤滑脂可在較寬的溫度范圍內(nèi)(-40～250 ℃)使用，且具有理想的低溫扭矩和泵送性、膠體安定性好、分油小，在南北方溫差較大的情況下可通用，特別是在嚴寒地區(qū)使用具有明顯的優(yōu)越性。

(2)高的剪切安定性。在車輪的高速運轉(zhuǎn)中潤滑脂會遭受強烈的機械剪切作用，從而導致潤滑脂軟化、流失。聚脲潤滑脂具有優(yōu)良的機械安定性，長時間使用不軟化、不流失。

(3)良好的密封性能。聚脲潤滑脂可改進軸承的密封性，防止雜物進入軸承，避免軸承表面的點蝕，減少磨損，降低維修費用。

(4)良好的氧化安定性和熱穩(wěn)定性。聚脲潤滑脂中的聚脲稠化劑是由有機胺和異氰酸酯合成的，其中不含金屬離子，對基礎(chǔ)油無催化氧化作用，并具有耐高溫、使用壽命長等特點。此外，脲基稠化劑為有機化合物, 有很強的憎水性, 并可抗酸、堿介質(zhì)的侵蝕。

(5)聚脲潤滑脂具有多效、通用的特點, 可用于汽車輪轂軸承、底盤、等速萬向節(jié)(CVJ)、電器等部件的潤滑,減少潤滑脂品種。

轎車前輪負責驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，通常選用角接觸軸承，容易磨損，對潤滑脂要求更加苛刻，抗微動磨損和終身潤滑是其主要目標，選用聚脲潤滑脂，可滿足其高溫、高速、安全、終身不維修的要求。表 1 中對幾種常用的聚脲輪轂軸承潤滑脂和復合鋰基潤滑脂性能進行了比較。

表1 幾種輪轂軸承潤滑脂性能比較

表1數(shù)據(jù)顯示：聚脲潤滑脂相對于鋰基潤滑脂有很大的優(yōu)點，同時也看出不同種類聚脲潤滑脂相互之間差別很大。因此，通常推薦聚脲潤滑脂為轎車輪轂軸承配套用脂。

目前，我國汽車輪轂軸承用脂主要為通用鋰基脂，聚脲潤滑脂使用仍不太普遍。而國外特別是日本聚脲潤滑脂的使用已占到80%以上。表 2 給出了日本 NTN 公司推薦的汽車輪轂軸承聚脲潤滑脂的產(chǎn)品性能[5]。

隨著輪轂軸承、制動器和其他汽車技術(shù)的發(fā)展，對于輪轂軸承潤滑脂的要求也更苛刻。而聚脲潤滑脂的應用，輪轂軸承的再潤滑周期已不斷延長，終生潤滑的目標正逐步實現(xiàn)。

表2 日本NTN汽車輪轂軸承推薦用脂

2 聚脲潤滑脂在汽車底盤中的應用

2.1 汽車底盤對潤滑脂的性能要求

汽車底盤由傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動系等組成，其主要的潤滑裝置有離合器、變速器、傳動軸、懸掛裝置、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、制動器等。汽車底盤的這些部件在隨汽車從一種環(huán)境轉(zhuǎn)移到另一種環(huán)境的過程中，一般要承受不規(guī)則的載荷和沖擊負荷。另外，由于底盤突出部分多，離地面近，因此潤滑脂與沙塵、水等接觸機會多，其工況十分苛刻。通常，汽車底盤對潤滑脂的性能要求如下:

(1)極壓抗磨性。汽車承載較大負荷時，受沖擊和振動的影響，底盤部位承受的壓力很大，尤其是鋼板、彈簧等部位容易出現(xiàn)微動磨損，這就要求汽車底盤用潤滑脂具有良好的極壓性和抗磨性。

(2)抗水性能和防銹性。汽車行駛在雨水雪水中及清洗保養(yǎng)時，汽車底盤均會接觸水，因而要求底盤潤滑脂具有良好的抗水性;另外，水還會造成金屬生銹，因而要求潤滑脂能在潮濕多水環(huán)境中保護潤滑表面不生銹。

(3)氧化安定性。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，許多新車底盤零件是封閉的，其使用的潤滑脂要求具有和底盤零件同等的壽命，這就要求底盤用潤滑脂的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，具有良好的氧化安定性。

(4)泵送性。許多汽車底盤采用集中潤滑系統(tǒng)，要求潤滑脂要具有良好的泵送性，一般選用低黏度基礎(chǔ)油潤滑脂。

(5)抗微動磨損。汽車底盤的配件中，緊配合件的微幅振動對底盤零件損害十分嚴重，要求底盤用潤滑脂具有良好的抗微動磨損能力。

除上述性能外，還要求底盤用潤滑脂具有降低噪聲和良好的橡膠相容性等性能。

2.2 汽車底盤聚脲潤滑脂的應用

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，底盤的滑動摩擦節(jié)點，如轉(zhuǎn)向節(jié)主銷、轉(zhuǎn)向拉桿球銷、鋼板彈簧銷等的工況更為苛刻，為滿足這些部位的用脂要求，聚脲基潤滑脂已得到普遍采用。表3比較了幾種常用的復合鋰基脂和聚脲基脂的性能。

表3 汽車底盤聚脲潤滑脂性能比較

可見，聚脲基脂相比復合鋰基脂，具有較高的耐高溫性能、抗磨和抗水性能，更能滿足汽車底盤十分苛刻的工況。我國從1995年起推薦底盤潤滑脂選用汽車通用鋰基潤滑脂(GB 5761-1995《汽車通用鋰基潤滑脂》)，但執(zhí)行情況不太理想，目前常用的仍是通用鈣基脂和鈣鈉基脂。而國外大多采用多效通用鋰基脂和聚脲基潤滑脂，我國中高擋車型或主機配套的潤滑脂也大多采用指定的進口產(chǎn)品，如日本道康寧、德國倍可等公司潤滑脂產(chǎn)品，因此開發(fā)國產(chǎn)的汽車底盤聚脲潤滑脂對提高我國汽車技術(shù)水平意義重大。

3 聚脲潤滑脂在等速萬向節(jié)( CVJ)中的應用

3.1 CVJ潤滑脂的性能要求

隨著前輪驅(qū)動而發(fā)展的等速萬向節(jié)目前已得到廣泛應用。汽車等速萬向節(jié)(CVJ) 用于汽車底盤傳動系統(tǒng)，其作用是在兩軸間夾角及位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)動軸之間傳遞動力和扭矩，由于處于高速和高轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，它具有滾動和滑動的混合運動形式。現(xiàn)代轎車追求車輛的耐久性和舒適性，要求等速萬向節(jié)振動低、噪聲低和壽命長，并能夠平穩(wěn)地傳遞動力，從而推動了CVJ結(jié)構(gòu)和技術(shù)的發(fā)展。如隨著汽車排氣量增加，固定型CVJ安裝角度越來越大，已由傳統(tǒng)的46.5°增加至目前的50°；隨著CVJ小型輕量化的發(fā)展，CVJ滾珠直徑減小，而為了保證負荷容量不變滾珠數(shù)量已由6個增加到8個。而滑動型CVJ的結(jié)構(gòu)也有了較大的變化，如為滿足人們對汽車小型輕量化日益增長的要求，滑動型CVJ的滾珠外徑減小了5%左右，使得滾珠的質(zhì)量下降13%左右。CVJ的小型化和高速化，對潤滑脂提出了更為苛刻的要求，主要包括：

(1)耐高低溫性。前輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動轎車 CVJ的高力矩、小型化特點，使其在運行過程中因內(nèi)部摩擦會產(chǎn)生大量的熱；而在寒冷地區(qū)要求極低的啟動性，以保證低溫時操縱靈活，因此CVJ潤滑脂要求具有良好的高低溫性能。

(2)抗震動和抗磨性。CVJ 由于內(nèi)部產(chǎn)生摩擦力并受行駛中路況、載荷影響，要求潤滑脂具有低摩擦因數(shù)、良好的耐微動磨損性和極壓抗磨性，一般需加入 MoS2和極壓抗磨劑等。

（三）文化氛圍營造及衍生產(chǎn)品不夠，土家風情濃郁度不足。目前全縣以文化旅游為核心的景區(qū)尚處于規(guī)劃策劃階段，缺乏有檔次、有特色的土家飾品專賣店，土家文化展示館，土家美食體驗店，土家娛樂項目等，外地游客來到石柱縣后，感受不到土家文化的“土”到底體現(xiàn)在什么地方，尤其是能讓游客看了還想看、來了不想走、走了還想來的景區(qū)景點目前還沒有。

(3)良好的橡膠密封性。CVJ 采用橡膠套，要求對橡膠適應性強，相容性差的潤滑脂會造成橡膠套膨脹、歪斜甚至破損，因此要求對不同的橡膠套通過橡膠相容性試驗。

(4)長壽命和穩(wěn)定性。CVJ用潤滑脂都是預先裝入潤滑部件表面，并長時間運行后才更換，要求潤滑脂穩(wěn)定性好，具有和 CVJ 配件相同的壽命。目前，通常要求 CVJ 用潤滑脂滿足3×104km 使用壽命，對于高性能、免維護等速萬向節(jié)，則要求裝配與之同壽命的潤滑脂，如10×104km 以上長壽命潤滑脂。

除以上要求外，CVJ 潤滑脂還要求優(yōu)良的機械安定性、抗水性、防銹性以及低噪聲等。因此，未來 CVJ 潤滑脂將向著更好的抗磨性能、更高使用溫度、更長壽命、更低用量和環(huán)保方向發(fā)展。

3.2 汽車CVJ聚脲潤滑脂的應用

針對 CVJ 對潤滑脂的特殊要求，聚脲潤滑脂成為CVJ潤滑脂的主要品種之一，在日本CVJ用潤滑脂 80%以上為聚脲潤滑脂。聚脲潤滑脂稠化劑不含金屬離子，與其他皂基潤滑脂相比沒有氧化催化作用，因而壽命是皂基潤滑脂的幾倍；相比鋰基潤滑脂，聚脲潤滑脂在降低軸向力方面，效果更為顯著，配合MoS2、MoDTC、MoDDP 等極壓抗磨劑的聚脲潤滑脂已成為高檔車用潤滑脂的主流產(chǎn)品。

表4給出了幾種汽車CVJ潤滑脂的性能比較。

表4 幾種汽車CVJ潤滑脂性能比較

可見，CVJ聚脲潤滑脂相比鋰基脂具有更好的耐高低溫性能、更好的抗磨性能，并具有更高的承載能力。

4 車用聚脲酯發(fā)展方向

聚脲潤滑脂具有優(yōu)越的性能，產(chǎn)品應用潛力巨大，但聚脲潤滑脂在使用過程中也存在抗剪切性能差、對溫度較為敏感、反應可控性較差等問題[6]。針對這些問題，研發(fā)人員進行了研究改進：

(1)在產(chǎn)品配方方面，研究了基礎(chǔ)油、稠化劑、添加劑等的選擇和配伍問題。如在配方設計時，根據(jù)具體工況選擇基礎(chǔ)油種類及相應的黏度，根據(jù)工況對潤滑脂的性能要求選擇合適的異氰酸酯和有機胺稠化劑。另外，因聚脲潤滑脂對添加劑感受性較差，在選擇添加劑時要考慮配伍性問題。此外，聚脲對不同基礎(chǔ)油具有不同的稠化能力，如聚脲對酯類油的稠化能力較差，對烷基苯的稠化能力最好，在選擇稠化劑時要考慮和基礎(chǔ)油的配伍性。郭小川等[7]采用預制稠化劑法制備脲基潤滑脂，首先篩選出有效的溶劑體系，使有機胺和異氰酸酯進行有效反應，得到預制稠化劑，進而研制出性能優(yōu)良的脲基潤滑脂。結(jié)果表明：基于預制稠化劑制備的脲基潤滑脂具有較高的滴點，并具有良好的成脂性、膠體安定性、氧化安定性和熱安定性。

(2)在工藝方面，研究聚脲潤滑脂生產(chǎn)工藝及后處理工藝的改善。如廖順等人[8]考察了煉制溫度和后處理工藝對聚脲潤滑脂性能的影響，表明潤滑脂的最高煉制溫度對產(chǎn)品性能有較大的影響，且產(chǎn)品性能也與后處理工藝條件密切相關(guān)。

(3)在聚脲潤滑脂減摩性能和極壓性能改善方面，主要研究各種極壓抗磨劑在聚脲潤滑脂中的應用。張遂心等[9]研究了硫磷伯仲辛烷基鋅鹽、亞磷酸二正丁酯、酸性硫代磷酸酯銨鹽極壓抗磨劑對聚脲潤滑脂摩擦學性能的影響。結(jié)果表明,添加少量極壓抗磨劑可明顯提高聚脲潤滑脂的極壓和抗磨性能。劉志卓[10]將納米微粒添加到脲基潤滑脂中對脲基潤滑脂進行改性，結(jié)果表明,納米微粒如納米二氧化硅、納米聚四氟乙烯和碳酸鈣、稀土復合微粒等均具有很好的減摩抗磨作用。

(4)復合聚脲潤滑脂的研發(fā)。不同的潤滑脂具有不同的優(yōu)越性能，但在某些性能方面又存在一些不足，如：復合鋰基潤滑脂高溫潤滑性好，但高溫下易流失；磺酸鈣基潤滑脂防銹性能突出，但要求有水環(huán)境；復合鋁基潤滑脂泵送性好，但易軟化漏失；膨潤土潤滑脂滴點高，但耐磨性差；聚脲潤滑脂使用壽命長，但抗剪切性能差及存在硬化。為滿足不同工況的需求，可把2種或2種以上潤滑脂復合在一起，取長補短。孫洪偉等[11]將基礎(chǔ)油與氫氧化鈣或氧化鈣、水以及有機酸混合，加入二異氰酸酯和有機胺進行皂化，研制一種復合聚脲潤滑脂，具有優(yōu)良的高溫性能、膠體安定性、機械安定性及極壓抗磨性，可用于高溫、高速、重負荷工況。因此，為滿足汽車運行的苛刻工況，復合聚脲潤滑脂是今后潤滑脂的發(fā)展方向之一。

5 結(jié)束語

聚脲潤滑脂作為一種性能優(yōu)良的潤滑脂，可滿足汽車技術(shù)快速發(fā)展的要求。但隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對潤滑脂的要求也將隨之提高，在開發(fā)聚脲潤滑脂新產(chǎn)品時，更要注重潤滑脂結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從微觀層面了解聚脲潤滑脂的作用機制，從而指導實際應用，以滿足不同的使用要求。另外，為了減少車用潤滑脂品種，需要研發(fā)具有優(yōu)異的耐高溫性能和長壽命的汽車多用途通用聚脲潤滑脂，應用于汽車輪轂軸承、汽車底盤、CVJ等部位。

【1】鄧磊,于玫，黎桂華，等.脂潤滑輪轂軸承彈流潤滑數(shù)值分析[J].潤滑與密封,2009,34(10):21-22.

【2】孫霞,李新年,鄭發(fā)正.聚脲潤滑脂的研究現(xiàn)狀[J].潤滑與密封,2004,29(2):120-122.

【3】盧培剛,姚立丹,孫東寧.聚脈潤滑脂在汽車行業(yè)的應用[J].汽車技術(shù)，1994(12)：40-42.

【4】嚴飛.轎車輪轂軸承聚脲潤滑脂研究綜述[J].汽車零部件，2011(11):77-79.

【5】潘元青，周惠娟，劉翠香.汽車行業(yè)潤滑用脂現(xiàn)狀及發(fā)展[J].潤滑油與燃料，2014,24(1):1-10.

【6】栗志彬，董祿虎，高艷青.聚脲潤滑脂研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油商技，2013(10)：18-22.

【7】郭小川，蔣明俊，施航，等.預制稠化劑法制備聚脲潤滑脂的研究[J].石油煉制與化工，2012，43(2)：71-75.

【8】廖順，彭翔，曾海.聚脲潤滑脂生產(chǎn)工藝對產(chǎn)品性能影響的探討[J].石油商技，2013(5)：54-59.

【9】張遂心，王曉波，趙改青，等.硼酸鹽在聚脲潤滑脂中摩擦學性能的研究[J].潤滑與密封，2010，25(11)：77-81.

【10】劉志卓.含納米微粒的脲基潤滑脂摩擦學性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學機電學院,2006.

【11】孫洪偉,姚智勤,楊瑋.聚脲-復合鈣潤滑脂的制備方法：中國，02146384[P].2004-05-05.

ApplicationofPolyureaGreaseinAutomotiveIndustry

YAN Fei

( Auto Parts Institute, Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510700, China)

In order to satisfy the requirement of decreasing friction and reducing oil consumption, reducing wear and extending service life, enhancing seal and preventing leakage, and decreasing vibration and eliminating noises, and etc, the usage of polyurea grease in automotive industry is increased yearly. Application of polyurea grease in car chassis, axle hub bearing and universal bearing was introduced. It was proposed that: in order to understand the functional mechanism of polyurea grease from microscopic level and to meet the demand in different application of grease, more attention should be paid to the relationship between grease performance and structure during development of new products of polyurea grease; in order to cut down varieties of automotive greases, multi-usage general purpose automotive polyurea greases with excellent high temperature performance and long service life should be developed.

Polyurea grease; Hub bearings; Joint; Chassis

2015-03-23

廣州機械科學研究院有限公司科技發(fā)展基金項目(14300014)

嚴飛(1966—)，男，碩士，高級工程師，主要從事科技期刊的編輯出版工作。E-mail:yanfei@gmeri.com。