汽車玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂的研制

吳鳳華，李聰，康軍，吳寶杰

(中國石化潤(rùn)滑油有限公司潤(rùn)滑脂研究院，天津 300480)

0 引言

玻璃升降器是保證汽車玻璃靈活調(diào)整的機(jī)構(gòu)，也是汽車安全和舒適性的一個(gè)重要部件。車窗玻璃升降的速度、聲音以及操作的便捷性決定了升降器的品質(zhì)，直接關(guān)系到車內(nèi)乘員的乘車感受。隨著人們對(duì)汽車舒適性、安全環(huán)保性和可靠性要求的提高，對(duì)玻璃升降器的使用問題愈來愈重視[1-9]。潤(rùn)滑脂對(duì)于玻璃升降器的使用壽命及效果有著非常重要的影響，若潤(rùn)滑脂選擇不當(dāng)，容易引起磨損、異響、振動(dòng)、卡滯等問題，破壞車窗玻璃移動(dòng)的穩(wěn)定性，極大影響著乘車的舒適性及安全性[10]。因此，選用適宜的汽車玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂產(chǎn)品非常必要。

本文介紹了汽車玻璃升降器潤(rùn)滑脂的研制、評(píng)價(jià)及應(yīng)用，研究人員通過理化性能評(píng)定、性能模擬試驗(yàn)和環(huán)保評(píng)價(jià)測(cè)試了該潤(rùn)滑脂的性能。該產(chǎn)品成功通過客戶的玻璃升降器耐久臺(tái)架試驗(yàn)和技術(shù)認(rèn)可，四年多的汽車玻璃升級(jí)器廠家實(shí)際使用證明效果良好。

1 玻璃升降器的主要結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑要求

1.1 玻璃升降器的主要結(jié)構(gòu)

車門玻璃升降器作為車門附件，其作用是保證車門玻璃平穩(wěn)升降、門窗能隨時(shí)并順利地開啟和關(guān)閉，并能使玻璃停留在任意位置，不隨外力作用或汽車的顛簸而上下跳動(dòng)。因此要求玻璃升降器結(jié)構(gòu)可靠、操縱輕便省力，并需有防止玻璃升降器倒轉(zhuǎn)的制動(dòng)裝置。

從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上分，汽車玻璃升降機(jī)構(gòu)有繩輪式、交臂式和軟軸式[11-12]。其中繩輪式和交臂式應(yīng)用較多(見圖1)。繩輪式門窗玻璃升降器由滑輪、鋼絲繩、張力器、張力滑輪等組成。它通過驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)拉鋼絲繩來控制門窗玻璃的升降，電動(dòng)機(jī)的輸出部分是一個(gè)塑料繩輪，繩輪上繞上鋼絲繩，鋼絲繩上裝有滑塊，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)繩輪，帶動(dòng)鋼絲繩卷繞，鋼絲繩上的滑塊帶動(dòng)玻璃，使之沿導(dǎo)軌做上下運(yùn)動(dòng)。交臂式門窗玻璃升降器主要由扇形齒板、玻璃導(dǎo)軌及調(diào)節(jié)器等組成。它的工作原理是：扇形齒板利用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的棘輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)X臂運(yùn)動(dòng)，而使窗玻璃做上下移動(dòng)。隨著電器元件的應(yīng)用和發(fā)展，汽車玻璃升降機(jī)構(gòu)已發(fā)展為電動(dòng)模式。

(a)單軌繩輪式升降器 (b)交叉臂升降器

玻璃升降器有多個(gè)潤(rùn)滑部位：升降器電動(dòng)機(jī)上的蝸桿與蝸輪、纜索、滑輪和滑動(dòng)軸承，以及車窗滑軌，見圖2。這些潤(rùn)滑點(diǎn)的摩擦副材料是聚甲醛與涂漆的鋼板或鍍鋅板。電動(dòng)玻璃升降器是整車中故障率較高的部件之一，其中很大一部分故障與玻璃升降器滑軌、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等處的脂潤(rùn)滑問題緊密相關(guān)[5]。

圖2 玻璃升降器摩擦部位

1.2 玻璃升降器的潤(rùn)滑要求

關(guān)于玻璃升降器的潤(rùn)滑，市場(chǎng)使用反映的常見問題有：

(1)玻璃升降器潤(rùn)滑脂低溫性能差，出現(xiàn)潤(rùn)滑不良，導(dǎo)致異響；(2)玻璃升降器脂蒸發(fā)損失或滲漏油過大，在車窗玻璃開關(guān)的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中，升降板和導(dǎo)軌之間的潤(rùn)滑脂變得干涸，導(dǎo)致窗玻璃運(yùn)行不暢或出現(xiàn)異響；(3)玻璃升降器脂防銹防腐蝕效果差，滾軸出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。玻璃升降器故障件見圖3。

圖3 玻璃升降器故障件

由圖3可以看出，玻璃升降器的潤(rùn)滑和防護(hù)不當(dāng)，容易引起阻滯力增加，造成電機(jī)等驅(qū)動(dòng)元件緊張，引起早期失效。此外，玻璃升降器是和外界環(huán)境接觸最多的汽車零部件之一，使用較為頻繁，容易受潮氣、雨雪水以及灰塵的侵蝕，對(duì)潤(rùn)滑脂的性能要求較高。

綜合以上分析，得出玻璃升降器對(duì)潤(rùn)滑脂的具體潤(rùn)滑要求有[13-14]：

(1)滿足氣味和有毒有害物質(zhì)等環(huán)保要求；

(2)低溫性能好，工作溫度范圍滿足：-40～80 ℃。

(3)防腐保護(hù)和抗水性能佳；

(4)蒸發(fā)損失小，膠體安定性和儲(chǔ)存安定性好；

(5)有效抗氧化，使用壽命長(zhǎng)；

(6)低摩擦系數(shù)，耐磨和消音效果好。

2 玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂的研制

為了更好地滿足玻璃升降器的工況要求，將稠度、高溫性能(滴點(diǎn)、蒸發(fā)損失)、低溫性能(低溫轉(zhuǎn)矩)、膠體安定性能(鋼網(wǎng)分油、儲(chǔ)存分油)、抗水性能、防腐蝕性能(銅片腐蝕、鋼片腐蝕)作為重點(diǎn)理化指標(biāo)。

2.1 基礎(chǔ)脂的篩選與考察

基礎(chǔ)脂是由基礎(chǔ)油與稠化劑兩部分組成。它是構(gòu)成成品潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)組成部分，同時(shí)也決定了最終產(chǎn)品的基本性能?；A(chǔ)油影響著潤(rùn)滑脂的耐低溫性、抗氧化性、與材料相容性和耐高溫性等重要方面，而稠化劑又決定著潤(rùn)滑脂的耐高溫性、抗水性、長(zhǎng)壽命性能等，兩者共同作用對(duì)潤(rùn)滑脂的膠體安定和防腐蝕性也會(huì)產(chǎn)生重要影響，因此需要將兩者制備成基礎(chǔ)脂進(jìn)行考察和篩選。

基礎(chǔ)脂的選擇要根據(jù)具體場(chǎng)合和成本要求進(jìn)行綜合優(yōu)選。玻璃升降器本身使用溫度范圍為-40～80 ℃，因此基礎(chǔ)油重點(diǎn)考慮能滿足-40 ℃低溫要求的調(diào)配基礎(chǔ)油，稠化劑選擇通用性好的鋰基稠化劑。試驗(yàn)分別以鋰皂稠化劑稠化不同類型基礎(chǔ)油制備基礎(chǔ)脂進(jìn)行考察，結(jié)果見表1。

表1 不同基礎(chǔ)脂樣品考察結(jié)果

由表1可見，通過滴點(diǎn)、蒸發(fā)損失量、鋼網(wǎng)分油量和儲(chǔ)存分油量等性能數(shù)據(jù)對(duì)比，G1#脂和G2#脂在抗高溫、抗蒸發(fā)損失、膠體安定性和儲(chǔ)存安定性等方面較好。從基礎(chǔ)油傾點(diǎn)和基礎(chǔ)脂流動(dòng)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)來看，G1#脂的表現(xiàn)更優(yōu)于G2#脂。由于玻璃升降器使用較為頻繁，滑輪和滑軌常與粉塵接觸，高黏度油脂比低黏度油脂更容易黏附灰塵，引起故障。因此綜合考慮，最終選取G1#脂作為玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)脂。

2.2 制備工藝

采用常壓釜工藝生產(chǎn)，脂肪酸與氫氧化鋰水溶液在90～100 ℃進(jìn)行皂化反應(yīng)。緩慢升溫至200～220 ℃，急冷降溫，加入所需的添加劑，進(jìn)行后處理后罐裝成品。

2.3 添加劑篩選

結(jié)合玻璃升降器的潤(rùn)滑要求，潤(rùn)滑脂往往需要與升降器實(shí)現(xiàn)同壽命潤(rùn)滑，因此需要在基礎(chǔ)脂中添加抗氧劑、防銹劑和增黏劑。為了提高潤(rùn)滑脂的抗氧化穩(wěn)定性，除采用精選的基礎(chǔ)油以外，還要借助抗氧劑和防銹劑的協(xié)同作用。確定玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂的添加劑配方如下：

(1)酚類抗氧添加劑A：0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，無灰抗氧添加劑B：0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；

(2)防銹添加劑C：1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；

(3)聚甲基丙烯酸酯：0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

2.4 理化性能評(píng)價(jià)

玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂與用戶原用潤(rùn)滑脂的理化性能對(duì)比，見表2。

表2 玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂與用戶原用脂的性能數(shù)據(jù)

由表2的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，用戶原用脂的流壓值略小，但其蒸發(fā)損失量、鋼網(wǎng)分油量和儲(chǔ)存分油量較大，在實(shí)際使用中不能很好地滿足用戶使用要求。玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂在滿足客戶成本需求的前提下，其耐低溫性、膠體安定性、儲(chǔ)存安定性、蒸發(fā)損失、防腐蝕、防銹蝕和抗水性等主要指標(biāo)上均表現(xiàn)優(yōu)良。

3 玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂的性能評(píng)價(jià)

3.1 低溫流變性能試驗(yàn)

本測(cè)試有助于分析玻璃升降器潤(rùn)滑脂在低溫狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)變化情況，一定條件下比較產(chǎn)品的低溫特性。試驗(yàn)采用MCR302型流變儀，分別評(píng)定玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂和用戶原用潤(rùn)滑脂在不同溫度下的模量隨應(yīng)變的變化，其中G′為彈性模量，與材料的彈性相對(duì)應(yīng)，表現(xiàn)材料的固體特性；G″為黏性模量，指形變時(shí)以熱的形式消耗的能量，表現(xiàn)材料的流體特性。

試驗(yàn)得到兩種產(chǎn)品在25 ℃、0 ℃、-20 ℃和-40 ℃下的彈性模量和黏性模量隨應(yīng)變變化，見圖4。

圖4 兩種潤(rùn)滑脂的模量隨應(yīng)變變化

如圖4所示，與用戶原用潤(rùn)滑脂相比，玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂在溫度降低時(shí)，同一低溫條件下流體性質(zhì)更為明顯，流動(dòng)性更好，可見其低溫性上面表現(xiàn)得更為突出。

3.2 氧化安定性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用壓力差示掃描量熱法(PDSC)評(píng)價(jià)玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂的抗氧化安定性。試驗(yàn)在一定的壓力氧氣氣氛中，使?jié)櫥瑯悠房焖偕郎刂猎O(shè)定溫度并保持恒定，測(cè)試自恒溫開始至氧化放熱峰出現(xiàn)為止的時(shí)間，即氧化誘導(dǎo)期(OIT)。氧化誘導(dǎo)期越長(zhǎng)，表明樣品的氧化安定性越好。

試驗(yàn)測(cè)定玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂和用戶原用潤(rùn)滑脂的結(jié)果，見圖5。

圖5 氧化誘導(dǎo)期(OIT)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

由圖5所示，同一溫度和壓力試驗(yàn)條件下，玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂的氧化誘導(dǎo)期(OIT)時(shí)間更長(zhǎng)，表明其氧化安定性更好。

3.3 摩擦磨損性能試驗(yàn)

試驗(yàn)采用高頻線性(SRV)振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂的抗摩擦磨損性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)后平均磨斑直徑越小，磨斑表面的磨損程度越小，試驗(yàn)樣品的抗微動(dòng)磨損性能就越好，反之則越差。摩擦系數(shù)直接表征潤(rùn)滑脂的抗摩擦性能，摩擦系數(shù)越小，表明樣品的抗摩擦性能越好。評(píng)價(jià)結(jié)果見表3和圖6～圖8。

表3 SRV試驗(yàn)評(píng)價(jià)的摩擦系數(shù)和磨痕直徑

圖6 玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂摩擦系數(shù)

圖7 用戶原用潤(rùn)滑脂的摩擦系數(shù)

(a)玻璃升降器潤(rùn)滑脂SRV圓盤 (b)用戶原用潤(rùn)滑脂SRV圓盤

如表3及圖6～圖8所示，玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂的摩擦系數(shù)和磨痕均小于用戶原用脂；在相同倍數(shù)顯微鏡下，SRV試件的磨痕直徑較小且較淺，可見其抗摩擦磨損性能較好；用戶原用脂的SRV試件磨痕較大且較深，出現(xiàn)明顯的犁溝現(xiàn)象，磨損較為嚴(yán)重。

3.4 表面形貌測(cè)試

試驗(yàn)采用白光干涉儀對(duì)SRV試驗(yàn)后的頂球和圓盤試件的表面形貌進(jìn)行測(cè)試，得到試驗(yàn)球磨斑和試驗(yàn)盤表面磨痕的磨損信息，對(duì)磨損損失體積進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，從而更直觀地得到其磨損情況。結(jié)果見圖 9～圖11。

圖9 SRV試驗(yàn)球-圓盤磨損表面形貌(玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂)

圖10 SRV試驗(yàn)球-圓盤磨損表面形貌(用戶原用潤(rùn)滑脂)

圖11 SRV試驗(yàn)盤磨損體積

如圖9～圖10所示，由SRV頂球-圓盤磨痕的三維表面形貌可以看出，采用用戶原脂球盤的表面犁溝現(xiàn)象清晰可見，磨損情況更為嚴(yán)重。

如圖11所示，由SRV頂球表面的磨損損失體積(Net Missing Volume)顯示，玻璃升降器潤(rùn)滑脂頂球的磨損損失體積(Net Missing Volume)為0.02 mm3，用戶原用脂頂球的磨損體積為0.069 mm3，前者數(shù)值小于后者，顯示玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂的耐磨性要好于用戶原用潤(rùn)滑脂。

3.5 環(huán)保性能評(píng)價(jià)

VDA270《汽車內(nèi)飾材料的氣味性質(zhì)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是描述在各種氣候條件下(溫度、濕度)對(duì)氣味進(jìn)行定性評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法[15]。ELV是由歐盟立法制定的一項(xiàng)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，在所有的汽車部件和材料中對(duì)有害物質(zhì)的含量及使用進(jìn)行限制。非金屬檢測(cè)六項(xiàng)包括鉛、鎘、汞、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚。

根據(jù)客戶指定要求，玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂分別通過了客戶指定的VDA270氣味測(cè)試和ELV六項(xiàng)檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果分別見表4和表5。

表4 VDA270氣味檢測(cè)結(jié)果

表5 ELV六項(xiàng)有毒有害物質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

3.6 玻璃升降器耐久試驗(yàn)

玻璃升降器脂耐久試驗(yàn)是指在專用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑條件下，通過脂潤(rùn)滑耐久性試驗(yàn)臺(tái)模擬玻璃升降器全壽命周期磨損及潤(rùn)滑過程，檢測(cè)其專用潤(rùn)滑脂的工作特性并得出性能評(píng)價(jià)[10]。玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂通過某客戶的玻璃升降器壽命耐久試驗(yàn)(3萬次)，得到客戶的認(rèn)可。

4 應(yīng)用情況

玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂產(chǎn)品得到國內(nèi)知名玻璃升降器廠家的認(rèn)可，成功替代原有在用產(chǎn)品，在膠體安定性、儲(chǔ)存安定性、抗氧化性、抗蒸發(fā)損失以及耐磨性等方面，均好于原有產(chǎn)品，近四年市場(chǎng)反饋使用效果良好。

5 結(jié)論

研制的玻璃升降器專用潤(rùn)滑脂，滿足VDA270氣味和歐盟ELV六項(xiàng)有毒有害物質(zhì)檢測(cè)等環(huán)保要求，產(chǎn)品具有優(yōu)良的耐低溫性能、抗氧化安定性、抗摩擦磨損性能、膠體安定性能、儲(chǔ)存安定性能、抗水性能和防腐蝕防銹性能，具備良好的耐磨減摩、潤(rùn)滑和防護(hù)作用，且環(huán)保性好，能夠較好地滿足汽車玻璃升降器的潤(rùn)滑要求。