汽車座椅絲桿潤(rùn)滑脂的研制

趙先明

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司合成油脂分公司

隨首人們對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，高檔汽車銷售比例在逐步提高，而高檔汽車往往配備電動(dòng)座椅來(lái)提高舒適性和便利性。電動(dòng)座椅一般配備多個(gè)位置電動(dòng)調(diào)節(jié)功能，按功能劃分有前后位置、高度、傾斜角度、靠背角度、腰部支撐和頭枕調(diào)節(jié)等，越是高端的座椅具備的調(diào)節(jié)功能越豐富。座椅前后位置調(diào)節(jié)是電動(dòng)座椅的必備功能，其核心件為蝸輪蝸桿和絲桿組成。座椅前后位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中絲桿工況相對(duì)較苛刻，對(duì)油脂的耐磨性要求較高。某汽車座椅零件制造商座椅絲桿上現(xiàn)用潤(rùn)滑脂為國(guó)外某競(jìng)品，長(zhǎng)時(shí)間使用有一定程度變干跡象，現(xiàn)提出國(guó)產(chǎn)化需求，我公司現(xiàn)有產(chǎn)品均不能很好地滿足座椅絲桿的潤(rùn)滑要求，根據(jù)客戶提出的需求進(jìn)行全新開發(fā)。本文參考某競(jìng)品性能特點(diǎn)和座椅絲桿工況，制定了汽車座椅絲桿潤(rùn)滑脂（下稱CSR合成脂）的研制目標(biāo)，加強(qiáng)了膠體安定性，并對(duì)稠化劑進(jìn)行了和抗磨劑進(jìn)行了考察，研制的樣品具有優(yōu)異的綜合性能。

汽車座椅絲桿潤(rùn)滑脂的研制

座椅絲桿工況

座椅前后位置電動(dòng)調(diào)節(jié)是由齒輪箱驅(qū)動(dòng)固定于座椅骨架上的絲桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的，齒輪箱由蝸輪蝸桿組成（見圖1），蝸桿材質(zhì)為聚甲醛樹脂，蝸輪材質(zhì)為鋼，蝸輪內(nèi)絲套在絲桿上，絲桿與蝸輪內(nèi)絲屬于鋼對(duì)鋼滑動(dòng)摩擦，并有一定的負(fù)載。

圖1 座椅前后位置電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

其對(duì)潤(rùn)滑脂的性能要求如下：

◇良好的低溫性能：使用溫度-40～120 ℃，座椅絲桿由齒輪箱帶動(dòng)，要求低溫下的啟動(dòng)力矩小。

◇優(yōu)良的膠體安定性：潤(rùn)滑脂黏附在絲桿上，屬于開放式，要求油脂長(zhǎng)時(shí)間使用不變干，不能有油漬滴落，油脂不變稀流失。

◇良好的潤(rùn)滑脂性能：絲桿與蝸輪內(nèi)絲屬于純滑動(dòng)摩擦，摩擦副表面粗糙，因而對(duì)潤(rùn)滑脂的耐磨性能要求較高。

研制目標(biāo)

市場(chǎng)上用于座椅絲桿潤(rùn)滑的油脂大多為鋰皂稠化中低黏度的烴類油，因而研制的CSR合成脂技術(shù)路線為鋰皂稠化低黏度合成烴并添加抗磨、防腐和抗氧劑組成。根據(jù)汽車座椅絲桿的潤(rùn)滑工況要求，并參考同類產(chǎn)品性能水平，制定了錐入度、腐蝕、蒸發(fā)、壓力分油、鋼網(wǎng)分油、低溫性能、四球等共12項(xiàng)指標(biāo)，見表1。

表1 座椅絲桿潤(rùn)滑脂研制指標(biāo)

配方研制

基礎(chǔ)油黏度對(duì)低溫性能和膠體安定性有較大影響。本文選擇PAO6作為研制產(chǎn)品的基礎(chǔ)油，同時(shí)可以兼顧良好膠體安定性和低溫性能。本文主要對(duì)稠化劑和抗磨添加劑進(jìn)行了考察。

稠化劑的選擇

稠化劑為脂肪酸與氫氧化鋰反應(yīng)而成，考察采用三種不同組成的脂肪酸制備的基礎(chǔ)脂性能，結(jié)果見表2。

表2 不同組成脂肪酸制備的基礎(chǔ)脂性能對(duì)比

由表2可以看出，隨首硬脂酸含量的增加，制備相同稠度的潤(rùn)滑脂，稠化劑量會(huì)逐漸增加，低溫性能逐漸降低，鋼網(wǎng)分油逐漸增加，壓力分油逐漸降低?；A(chǔ)脂A低溫性能相對(duì)最優(yōu)，鋼網(wǎng)分油相對(duì)最低。綜合上述考察，選定12-羥基硬脂酸作為研制產(chǎn)品的稠化劑脂肪酸。

抗磨劑考察

絲桿脂屬于滑動(dòng)摩擦，雖然負(fù)載不高，但絲桿工件加工精度并不算高，金屬表面較為粗糙，容易造成局部應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致磨損，因而需要選擇合適的抗磨添加劑。常見抗磨添加劑有含硫添加劑、含磷添加劑、有機(jī)鉬等，抗磨機(jī)理如下：含硫添加劑首先吸附在摩擦副表面降低摩擦，隨首載荷增加，溫度升高，含硫化合物與金屬形成硫醇鐵膜或FeS化學(xué)反應(yīng)膜，從而起到抗擦傷和抗燒結(jié)作用，但硫化亞鐵膜脆性大，抗磨性能也較差。含磷添加劑“化學(xué)拋光作用”[1]作用機(jī)理得到較為廣泛的認(rèn)同，含磷添加劑在應(yīng)對(duì)粗糙不平和緩慢滑動(dòng)的金屬表面接觸摩擦是極其有效的。磷類添加劑與鐵形成亞磷酸鐵混合物，磷化合物首先在鐵表面發(fā)生吸附，生成亞磷酸鐵膜或磷酸鐵有機(jī)膜，在極壓條件下進(jìn)一步反應(yīng)生成無(wú)機(jī)磷酸鐵膜，起動(dòng)極壓作用[2]。有機(jī)鉬分子內(nèi)極性基團(tuán)在金屬表面發(fā)生吸附，當(dāng)摩擦金屬表面溫度升高后，有機(jī)鉬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成二硫化鉬、磷酸鐵、氧化鉬等產(chǎn)物，二硫化鉬是典型的層狀結(jié)構(gòu)，粒度小，吸附能力強(qiáng)，二氧化鉬也是固體潤(rùn)滑材料[3]。本文在基礎(chǔ)脂A的基礎(chǔ)上對(duì)減磨劑1、減磨劑2、含硫防腐劑并配合一定的防銹劑進(jìn)行考察。考察方案及結(jié)果見表3。主要借助于四球設(shè)備測(cè)試負(fù)載294 N下磨痕直徑和摩擦系數(shù)，并采用OLYMPUS DSX1000光學(xué)數(shù)碼顯微鏡對(duì)四球磨斑表面形貌以及表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)量，見圖2和表4。

表3 抗磨劑考察

表4 四球磨斑面粗糙度對(duì)比

圖2 四球摩擦形貌對(duì)比

由表3可見，所有樣品銅片腐蝕均能達(dá)到1b水平；樣品200921燒結(jié)負(fù)荷最高，磨痕直徑也最大，超出研制指標(biāo)要求，可能與其含硫量高有關(guān)，樣品210922的磨痕直徑最小。

從圖2中四球磨斑的纖維形貌可以看出，樣品210922磨痕最淺，競(jìng)品的磨痕最深。從表4中磨斑的粗糙度可以看出，210922的粗糙度最小，其次是210924B，競(jìng)品的粗糙度最大。210922和210924B均添加了含磷減磨劑1，可能與磷元素對(duì)摩擦副表面的“拋光效應(yīng)”有關(guān)。

不同添加劑方案樣品的四球摩擦系數(shù)對(duì)比見圖3。

圖3 四球摩擦系數(shù)對(duì)比

從圖3可以看出：

◇210922初始摩擦系數(shù)與競(jìng)品接近，約7 min后，210922摩擦系數(shù)略小于競(jìng)品，摩擦系數(shù)基本維持在0.05～0.065之間。

◇210924A 摩擦系數(shù)起初較高，但4 min后開始下降，到10 min后基本維持在0.04～0.05之間，該樣品添加了減磨劑2，其中的鉬元素只有在一定溫度下才會(huì)分解產(chǎn)生二硫化鉬[4]，二硫化鉬片層結(jié)構(gòu)迅速降低摩擦系數(shù)。

◇210924B起初摩擦系數(shù)在0.06左右，后續(xù)一直持續(xù)增長(zhǎng)，最高到達(dá)0.1，可能與其燒結(jié)負(fù)荷過(guò)低有關(guān)。

綜合上述考察結(jié)果，210922樣品的四球磨痕直徑最小，且磨痕表面粗糙度最小，且摩擦系數(shù)總體低于競(jìng)品，因而確定為最佳配方。

配方確定

根據(jù)前述考察結(jié)果，確定了CSR合成脂配方，并對(duì)210922樣進(jìn)行了全分析，見表5。

表5 CSR合成脂與競(jìng)品性能對(duì)比

由表5可以看出，研制的CSR合成脂所有性能均滿足技術(shù)指標(biāo)要求；CSR合成脂與競(jìng)品相比，膠體安定性以及抗磨性能更優(yōu)，低溫性能略低。

總成耐久測(cè)試

研制的CSR合成脂與競(jìng)品進(jìn)行了絲桿總成耐久臺(tái)架對(duì)比測(cè)試（示意圖見圖4）。總成耐久試驗(yàn)要求試驗(yàn)前后絲桿磨損間隙不大于0.15 mm，且整個(gè)測(cè)試過(guò)程無(wú)異常噪音。耐久臺(tái)架參數(shù)及試驗(yàn)步驟如下：

圖4 汽車座椅絲桿耐久臺(tái)架

絲桿兩端與滑軌相連，可在滑軌上前后游走，齒輪箱通過(guò)軟軸與固定在底座上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，齒輪箱套在絲桿上，絲桿轉(zhuǎn)速500 r/min，移動(dòng)速度約2.6 cm/s，單端加載130 N，耐久試驗(yàn)過(guò)程為：

◇首先將絲桿置于最左端（記錄位置A）；

◇在負(fù)載下由齒輪箱驅(qū)動(dòng)絲桿向右運(yùn)動(dòng)到最右端并停留3 s（記錄位置B）；

◇齒輪箱反向運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)絲桿運(yùn)轉(zhuǎn)到最左端。

上述過(guò)程為一次循環(huán)，耐久試驗(yàn)要求15 000次循環(huán)。耐久試驗(yàn)結(jié)束后記錄最左端位置A1和最右端位置B1。正向磨損間隙為位置B1與B之間的差值，反向磨損間隙為位置A 與A1之間的差。

CSR合成脂正反磨損間隙分別為0.11 mm和0.10 mm，競(jìng)品正反磨損間隙分別為0.13 mm和0.09 mm，研制樣正向摩擦間隙略小于競(jìng)品，反向磨損間隙與競(jìng)品相當(dāng)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程未見異響，滿足耐久試驗(yàn)技術(shù)要求。

結(jié)論

☆結(jié)合座椅絲桿工況以及在用產(chǎn)品性能，制定了研制的座椅絲桿潤(rùn)滑脂的技術(shù)要求，通過(guò)對(duì)稠化劑和抗磨添加劑考察確定了最終配方，研制的產(chǎn)品性能達(dá)到預(yù)定技術(shù)要求且膠體安定性、抗磨等性能優(yōu)于競(jìng)品。

☆研制產(chǎn)品通過(guò)了絲桿總成耐久臺(tái)架測(cè)試，滿足使用要求，填補(bǔ)了我公司在電動(dòng)汽車座椅絲桿潤(rùn)滑脂產(chǎn)品方面的空白。