商用車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油與橡膠的相互作用考察

閆瑾，許揚，徐小鵬，汪玉瑄，王彥冬

(一汽解放汽車有限公司，吉林 長春 130011)

0 引言

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來改變或恢復汽車行駛方向的專設機構，商用車通常采用液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1]，為確保液壓動力系統(tǒng)正常工作，需要向系統(tǒng)中加注能夠起到液壓、傳動雙重作用的合適油品。目前采用的油品通常為自動傳動液、專用動力轉(zhuǎn)向油及8號液力傳動油。

液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在使用過程中，常出現(xiàn)轉(zhuǎn)向油罐中油品液位下降現(xiàn)象，排除機械因素，通常是由系統(tǒng)密封不良引起的。為避免系統(tǒng)漏油現(xiàn)象發(fā)生，需要進行橡膠相容性試驗。現(xiàn)有的橡膠相容性試驗標準[2]對于試驗后的油品沒有考察，無法評定油品與橡膠件之間的相互作用關系。

本文依據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的使用情況，結合國內(nèi)外潤滑油橡膠相容性試驗標準，設定了橡膠相容性試驗條件，考察不同類型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油與橡膠件的相互影響。并在綜合分析試驗結果的基礎上，提出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油建議。

1 試驗過程

1.1 試驗條件設定

商用車液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向器及連接管路組成，各總成件所用油封以丁腈橡膠(NBR)、氟橡膠(FKM)為主，連接管路以聚丙烯酸脂橡膠(ACM)為主。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油常處于13～17 MPa的高壓狀態(tài)，工作溫度一般在120 ℃左右；在頻繁轉(zhuǎn)向等苛刻工況下，油溫可達150～160 ℃。某企業(yè)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油橡膠相容性試驗條件，見表1。

表1 某企業(yè)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油橡膠相容性試驗條件

對比以上試驗條件，專用動力轉(zhuǎn)向油的試驗溫度最符合商用車液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)非極端條件下的實際工況。

另外，為增加橡膠件在冷熱交變下的變化情況考察，在參考專用動力轉(zhuǎn)向油橡膠相容性試驗條件基礎上，作以下改進：

(1)試驗前后用試驗油浸泡橡膠件各24 h，保證油品與橡膠件的充分融合；

(2)試驗過程采取間斷試驗法，以每加熱8 h后置于室溫16 h為一個循環(huán)，共進行12個循環(huán)，模擬橡膠件在冷熱交變下的變化情況。

1.2 試驗樣品

橡膠試片選取某企業(yè)商用車液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的丁腈橡膠(NBR)、氟橡膠(FKM)及聚丙烯酸酯橡膠(ACM)，基本情況如表2所示。

表2 試驗橡膠試片基本情況

選取不同種類的商用車液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油作為試驗油，基本情況如表3所示。

表3 試驗油基本情況

1.3 試驗步驟

試驗前，將丁腈橡膠(NBR)、氟橡膠(FKM)及聚丙烯酸酯橡膠(ACM)裁剪為10 mm×20 mm的試驗片各3片，測定試驗片在空氣中的質(zhì)量、在水中的質(zhì)量及A型邵爾表觀硬度。用棉線將試驗片捆扎后，置于試驗油中24 h。

試驗中，將試驗油與試驗片置于(130±0.5)℃烘箱中，以每加熱8 h后自然冷卻于室溫16 h為一個循環(huán)，共進行12個循環(huán)。

試驗后，試驗片繼續(xù)置于試驗油中24 h后，用棉花將試驗片表面油漬擦凈，測定試驗片在空氣中的質(zhì)量、在水中的質(zhì)量及A型邵爾表觀硬度，測定試驗油的運動黏度及黏度指數(shù)。按照式(1)計算試驗前后的試驗片質(zhì)量變化率、體積變化率、硬度變化率及試驗油運動黏度變化率、黏度指數(shù)變化率。

η=B-AA×100%

(1)

式中：

A——試驗前試驗項目數(shù)值，如質(zhì)量、體積、硬度、運動黏度、黏度指數(shù)等；

B——試驗后試驗項目數(shù)值，如質(zhì)量、體積、硬度、運動黏度、黏度指數(shù)等。

2 結果討論

2.1 試驗油對橡膠試驗片的影響

參考某企業(yè)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油橡膠相容性質(zhì)量指標對橡膠試驗片物理變化進行評定，各項質(zhì)量指標如表4所示。

表4 某企業(yè)商用車液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油橡膠相容性試驗質(zhì)量指標

2.1.1 質(zhì)量變化

試驗后，試驗片質(zhì)量變化率如圖1所示。

圖1 橡膠試片的質(zhì)量變化率

橡膠件浸泡在潤滑油中，發(fā)生溶劑小分子與橡膠大分子的相互融合。較短時間內(nèi)，溶劑小分子向橡膠大分子間隙擴散，橡膠件質(zhì)量增加、體積膨脹，當橡膠大分子交聯(lián)點間的分子鏈成無干擾伸展時，橡膠大分子的分子間作用力為零，達到溶脹平衡。隨著浸泡時間的延長，未交聯(lián)到網(wǎng)格中的分子鏈成為游離分子，逐漸從橡膠中溶出，橡膠的質(zhì)量、體積隨游離大分子溶出逐漸變小，變化幅度與游離分子及橡膠網(wǎng)格的大小有關。

由圖1可得，丁腈橡膠(NBR)質(zhì)量變化率為-5.10%～-2.58%，氟橡膠(FKM)質(zhì)量變化率為

-0.07%～0.65%，聚丙烯酸酯橡膠(ACM)質(zhì)量變化率為-0.36%～2.16%，三種試驗橡膠件的質(zhì)量變化幅度呈現(xiàn)一定規(guī)律: 丁腈橡膠(NBR)>聚丙烯酸酯橡膠(ACM)>氟橡膠(FKM)。

丁腈橡膠(NBR)在ATF-3中的質(zhì)量變化幅度最??；氟橡膠(FKM)在TF-4中的質(zhì)量變化幅度最?。痪郾┧狨ハ鹉z(ACM)在TF-2中的質(zhì)量變化幅度最小。綜合三種試驗橡膠試片的質(zhì)量變化幅度，ATF-3試驗油和PSF-1試驗油對橡膠件的質(zhì)量變化影響最小。

2.1.2 體積變化

試驗后，試驗片體積變化率如圖2所示。

圖2 橡膠試片的體積變化率

由于溶劑小分子與橡膠大分子的相互融合作用，試驗橡膠件的體積變化率與質(zhì)量變化率存在相似規(guī)律。由圖2可知，丁腈橡膠(NBR)體積變化率為-6.48%～-3.87%，；氟橡膠(FKM)體積變化率為 -0.05%～1.45%；聚丙烯酸酯橡膠(ACM)體積變化率為-1.10%～2.24%。橡膠試驗片的體積變化幅度為丁腈橡膠(NBR)>聚丙烯酸酯橡膠(ACM)>氟橡膠(FKM)。

丁腈橡膠(NBR)在ATF-3中體積變化幅度最?。环鹉z(FKM)在TF-4中體積變化幅度最?。痪郾┧狨ハ鹉z(ACM)在ATF-1中體積變化幅度最小。綜合三種橡膠試片的體積變化幅度，在ATF-3和PSF-1中三種橡膠試驗件的體積變化幅度均很小，能夠較好地預防油品泄露風險。

2.1.3 硬度變化

試驗后，試驗片硬度變化率如圖3所示。

圖3 橡膠試片的硬度變化率

橡膠在潤滑油中浸泡，潤滑油進入到橡膠分子網(wǎng)格中，橡膠溶脹，硬度下降。溶脹平衡后，橡膠中的游離分子溶出，橡膠體積縮小，硬度變大。同時，橡膠在高溫環(huán)境下浸泡在潤滑油中會發(fā)生熱氧化，硬度變大。

由圖3可得，丁腈橡膠(NBR)硬度變化率為4.88%～12.20%, 氟橡膠(FKM)硬度變化率為-2.38%～7.14%，聚丙烯酸酯橡膠(ACM)硬度變化率為11.11%～29.63%。三種橡膠的硬度變化幅度呈現(xiàn)一定規(guī)律，硬度變化幅度: 聚丙烯酸酯橡膠(ACM)> 丁腈橡膠(NBR)>氟橡膠(FKM)。

其中丁腈橡膠(NBR)在ATF-3和TF-3中硬度變化最??；氟橡膠(FKM)在TF-3中硬度變化最??；聚丙烯酸酯橡膠(ACM)在ATF-1中硬度變化最小。綜合三種橡膠的硬度變化情況， 在ATF-1中三種橡膠的硬度變化均很小。

2.2 橡膠試驗片對試驗油的影響

為考察橡膠對試驗油的影響，按照設定的試驗條件進行試驗，用空白試驗油(不加入橡膠件，其他試驗條件相同)作參比，來扣除熱氧化對試驗油的影響，計算試驗油100 ℃運動黏度變化率與黏度指數(shù)變化率。

2.2.1 黏度變化

橡膠相容性試驗后，試驗油與空白試驗油100 ℃運動黏度變化率如圖4所示，η-100-1為試驗油的100 ℃運動黏度變化率，η-100-0為空白試驗油100 ℃運動黏度變化率。

圖4 試驗油的100 ℃運動黏度變化率

試驗油的100 ℃運動黏度變化率為-3.05%～0.50%。試驗油與空白試驗油100 ℃運動黏度變化率絕對值差值為0.03%～0.3%，說明橡膠試驗片對試驗油的黏度變化影響十分微小，可以忽略不計。

2.2.2 黏度指數(shù)變化

橡膠相容性試驗后，試驗油與空白試驗油的運動黏度指數(shù)變化率如圖5所示，η-VI-1為試驗油黏度指數(shù)變化率，η-VI-0為空白試驗油的黏度指數(shù)變化率。

圖5 試驗油的黏度指數(shù)變化率

試驗油黏度指數(shù)變化率為-1.11%～1.84%。試驗油與空白試驗油的黏度指數(shù)變化率絕對值差值為0.7%～2.2%，遠小于常見指標，橡膠試片對試驗油黏度指數(shù)變化率的影響可以忽略不計。

由圖4、圖5可得，橡膠試驗片對試驗油的100 ℃運動黏度變化率、黏度指數(shù)變化率影響均很小，遠小于常見的要求，說明橡膠試驗片對試驗油的影響可以忽略不計。

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油建議

匯總圖1至圖3數(shù)據(jù)得到圖6，根據(jù)圖6所示結果給出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油建議。

圖6 橡膠試片與試驗油橡膠相容性試驗結果

僅從橡膠相容性方面考慮，如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)密封件材料為丁腈橡膠(NBR)，由圖6(a)中所示，丁腈橡膠(NBR)與ATF-3和TF-3的橡膠相容性最好(質(zhì)量變化率、體積變化率、硬度變化率三者綜合結果最低)，而ATF-3的價格遠高于TF-3，考慮性價比，選用TF-3作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油最優(yōu)；同理，如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)密封件材料為氟橡膠(FKM)，由圖6(b)中所示，選用TF-3最優(yōu)；如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)密封件材料為聚丙烯酸酯橡膠(ACM)，由圖6(c)中所示，選用ATF-1作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油最優(yōu)。

3 結論

根據(jù)商用車液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油與橡膠相互作用試驗結果，得到以下結論：

(1)在8種試驗油中，丁腈橡膠(NBR)的質(zhì)量變化率為-5.10%～-2.58%，體積變化率為-6.48%～-3.87%，硬度變化率為4.88%～12.20%。聚丙烯酸酯橡膠(ACM)質(zhì)量變化率為-0.36%～2.16%，體積變化率為-1.10%～2.24%, 硬度變化率為11.11%～29.63%。氟橡膠(FKM)的質(zhì)量變化率為-0.07%～0.65%，體積變化率為-0.05%～1.45%，硬度變化率為-2.38%～7.14%。

(2)橡膠試片與8種試驗油的橡膠相容性: 氟

橡膠(FKM)>丁腈橡膠(NBR)>聚丙烯酸酯橡膠(ACM)。

(3)丁腈橡膠(NBR)與ATF-3和TF-3的橡膠相容性相對最好，氟橡膠(FKM)與TF-3的橡膠相容性相對最好，聚丙烯酸酯橡膠(ACM)與ATF-1的橡膠相容性相對最好。

(4)橡膠試片對油的影響十分微小，可以忽略不計。