PMA黏指劑在CVTF中的摩擦特性研究

李 媛 狄澤超 黃東升 張偉光 趙治宇 李韶輝 徐晶晶

(中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心 遼寧大連 116032)

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，無級(jí)變速器(CVT)憑借駕駛舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)迅速得到消費(fèi)者青睞[1]。無級(jí)變速箱油(CVTF)作為CVT的專用傳動(dòng)液不僅要起到潤(rùn)滑和冷卻的作用，還要具有優(yōu)異的摩擦特性以提高CVT的傳動(dòng)效率和使用壽命[2]。

黏指劑在CVTF中起到的主要作用是改善黏溫性能[3-5]，常用的類型有聚異丁烯(PIB)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙烯-丙烯共聚物(OCP)和苯乙烯-雙烯共聚物(HSD)[6-7]，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。其中，PIB、OCP和HSD是碳?xì)湎蹈呔畚?，而PMA是含極性基的聚合物，相較其他3種黏指劑，PMA改善黏溫性的作用優(yōu)異，同時(shí)兼具降凝作用[8-9]?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，PMA在CVTF中得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 不同種類黏度指數(shù)改進(jìn)劑的結(jié)構(gòu)

在CVTF中，PMA的用量為5%～10%，占成本近20%。PMA生產(chǎn)主要由酯化反應(yīng)和聚合反應(yīng)兩部分組成[8]，其中烷基側(cè)鏈長(zhǎng)度控制、不同序列單體的組合等關(guān)鍵工藝難度高且流程復(fù)雜[10]，長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷[11]。其中德國(guó)贏創(chuàng)公司和日本三洋化成公司是全球PMA的主要供應(yīng)商[12]。目前國(guó)產(chǎn)PMA難以達(dá)到與進(jìn)口產(chǎn)品同等的性能，導(dǎo)致PMA作為一種高技術(shù)附加值的添加劑主要依賴進(jìn)口。近年來，為了減少對(duì)國(guó)外供應(yīng)商的依賴，構(gòu)建自主可控的供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)PMA的自主生產(chǎn)和供應(yīng)已是勢(shì)在必行。

此外，傳統(tǒng)上認(rèn)為PMA只起到改善油品的黏溫性能的作用，然而近期有研究表明PMA對(duì)油品的摩擦性能也會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響[13]。而CVTF優(yōu)異的摩擦性能保證了CVT的傳動(dòng)效率和工作平穩(wěn)性，摩擦特性的微小改變可能導(dǎo)致傳動(dòng)失效。因此，有必要研究比對(duì)PMA對(duì)油品摩擦特性的影響。

CVT的主要傳動(dòng)部件為液力變矩器和無級(jí)變速結(jié)構(gòu)，如圖2所示[1，14-15]。其中，液力變矩器中(見圖2(a))的鎖止離合器是通過一對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的鋼-紙盤的摩擦來傳遞動(dòng)力。兩盤嚙合時(shí)，盤-盤間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ與旋轉(zhuǎn)速度v的變化率(dμ/dv)為大于0或接近0的負(fù)數(shù)，離合器就不會(huì)發(fā)生顫抖，動(dòng)力傳遞具有平穩(wěn)性[16]。在無級(jí)變速結(jié)構(gòu)中(見圖2(b))，動(dòng)力是通過鋼帶與鋼制滑輪之間的摩擦力傳遞的[17-18]，CVTF要提供鋼帶-鋼制滑輪之間較高的摩擦因數(shù)以保證扭矩的傳遞效率。根據(jù)上述CVT這2個(gè)主要?jiǎng)恿鬟f部件的工作特點(diǎn)，CVTF的摩擦特性主要包括鋼-紙摩擦的抗顫性和鋼-鋼摩擦的摩擦因數(shù)。

圖2 無級(jí)變速器結(jié)構(gòu)

基于上述背景，本文作者自主研發(fā)了黏指劑PMA-3，并與某CVTF配方中常用的進(jìn)口黏指劑PMA-1和PMA-2的黏溫性能和摩擦特性進(jìn)行比較。

1 實(shí)驗(yàn)材料

文中以某商用CVTF為基礎(chǔ)，其中CVTF-A、CVTF-B為原商業(yè)配方，分別使用了2種進(jìn)口黏指劑PMA-1和PMA-2，而CVTF-C中將原配方中的進(jìn)口黏指劑用自主研制的PMA-3進(jìn)行了替代。3種PMA黏指劑的性能參數(shù)見表1，3種CVTF配方及性能參數(shù)見表2，表中比例均為質(zhì)量百分比。

表1 3種PMA黏指劑性能參數(shù)

表2 3種CVTF配方及性能參數(shù)

從表1中可以看出，自主研制的PMA-3與進(jìn)口黏指劑的分子量、分子量分布和剪切穩(wěn)定指數(shù)基本相當(dāng)。由表2可知，在改善黏溫性能方面，自主研制的PMA-3也達(dá)到了與進(jìn)口黏指劑相當(dāng)?shù)乃健?/p>

基于此，文中進(jìn)而比對(duì)自主研制的PMA-3與進(jìn)口黏指劑(PMA-1和PMA-2)對(duì)CVTF摩擦特性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

使用德國(guó)WAZAU公司的可高度模擬鎖止離合器工況的TRM5000小型鋼-紙盤盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)來評(píng)測(cè)CVTF的抗顫性，其原理如圖3所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)在50 mL的油槽中放置一對(duì)環(huán)狀的鋼盤-紙盤摩擦副，其中鋼盤被固定在油槽底端，在一定的壓力下，電機(jī)帶動(dòng)上方的紙盤相對(duì)鋼盤做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使鋼盤與紙盤之間產(chǎn)生摩擦力。記錄摩擦因數(shù)-旋轉(zhuǎn)速度μ-v曲線，用曲線的斜率來評(píng)測(cè)CVTF鋼-紙摩擦的抗顫性能。

圖3 WAZAU試驗(yàn)機(jī)(a)、油槽(b)、鋼片(c)、紙基摩擦片(d)

CVTF的鋼-鋼摩擦特性由美國(guó)FALEX公司的環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來評(píng)測(cè)。如圖4所示，在一定的壓力下，旋轉(zhuǎn)的鋼環(huán)與固定的鋼塊產(chǎn)生線接觸摩擦，用以模擬無級(jí)變速結(jié)構(gòu)中鋼帶與鋼制滑輪的傳動(dòng)。

圖4 FALEX環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(a)、油盒內(nèi)部(b)、鋼塊(c)和鋼環(huán)(d)

摩擦副的摩擦形貌以及摩擦轉(zhuǎn)移膜的元素組成用捷克FEI公司生產(chǎn)的QUANTA 250 FEG掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDX)進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 抗顫性試驗(yàn)

參照J(rèn)ASO M349—2001[19]標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置WAZAU盤-盤摩擦試驗(yàn)機(jī)的磨合程序—摩擦因數(shù)-轉(zhuǎn)速(μ-v)測(cè)試程序—耐久性測(cè)試程序，以評(píng)測(cè)CVTF的抗顫性。具體如下：

(1)磨合程序：在80 ℃、1 MPa的條件下，紙盤以0.6 m/s的轉(zhuǎn)速與固定鋼片進(jìn)行30 min的磨合。

(2)μ-v測(cè)試程序：磨合程序結(jié)束之后，在壓力1 MPa，溫度分別為40、80、120 ℃(分別模擬CVTF的低、中、高溫工況)的條件下，將紙盤的轉(zhuǎn)速(v)在18 s內(nèi)從0提升至1.5 m/s，記錄該過程的摩擦因數(shù)(μ)，從而得到40、80、120 ℃下的3條μ-v曲線。通過μ-v曲線的斜率正負(fù)來判定此時(shí)CVTF是否具有抗顫性。

(3)耐久性測(cè)試程序：在1 MPa、120 ℃條件下，紙盤的轉(zhuǎn)速在18 s內(nèi)從0上升到0.9 m/s，保持該速度30 min，然后在18 s內(nèi)轉(zhuǎn)速?gòu)?.9 m/s下降到0。重復(fù)這個(gè)循環(huán)47次(即總耐磨時(shí)間為24 h)，隨后進(jìn)行μ-v測(cè)試。μ-v測(cè)試后，開始下一階段24 h的耐久性測(cè)試。由此得到每間隔24 h耐久實(shí)驗(yàn)后的μ-v曲線(標(biāo)記為0、24、48、72 h…μ-v曲線)。該測(cè)試程序用來判斷CVTF抗顫性可維持的時(shí)間。

3.2 鋼-鋼摩擦試驗(yàn)

采用JASO M358—2005[20]中的高負(fù)載法來評(píng)測(cè)CVTF的鋼-鋼摩擦性能。具體如下：

(1)磨合程序：溫度設(shè)定110 ℃，載荷890 N，旋轉(zhuǎn)的鋼環(huán)以0.5 m/s轉(zhuǎn)速與固定的鋼塊進(jìn)行5 min的磨合；載荷增加到1 112 N，鋼環(huán)速度增加到1.0 m/s，磨合25 min。

(2)運(yùn)行程序：磨合程序結(jié)束后，在110 ℃、1 112 N條件下，鋼環(huán)以1 m/s的速度與固定的鋼塊摩擦5 min，記錄5 min內(nèi)摩擦因數(shù)的平均值μ。同理，再分別記錄鋼環(huán)速度為0.5、0.25、0.125、0.075、0.025 m/s的平均摩擦因數(shù)，通過比較不同CVTF在相同速度下的摩擦因數(shù)大小判斷油品的鋼-鋼摩擦性能優(yōu)劣。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 抗顫性試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5所示為WAZAU試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的3種CVTF在80 ℃下的μ-v曲線。從圖5(a)可以看出，在時(shí)間t=0時(shí)摩擦因數(shù)μ在速度0～1.5 m/s范圍內(nèi)逐漸增大，表現(xiàn)出正斜率曲線走向，說明t=0時(shí)CVTF-A具備抗顫性；t=24 h的μ-v曲線中，摩擦因數(shù)μ在整個(gè)速度范圍內(nèi)明顯比t=0時(shí)下降，但是曲線上所有點(diǎn)的斜率仍為正值，所以經(jīng)過24 h耐久實(shí)驗(yàn)CVTF-A仍然具有抗顫性；t=48 h的μ-v曲線中，摩擦因數(shù)μ隨著速度v的增加而減少，μ-v曲線表現(xiàn)出明顯負(fù)斜率，此時(shí)CVTF-A失去抗顫性；而t=72 h的μ-v曲線不僅具有更為陡峭的負(fù)斜率，且初始點(diǎn)出現(xiàn)了由于動(dòng)摩擦因數(shù)遠(yuǎn)小于靜摩擦因數(shù)而產(chǎn)生的尖銳的“黏滑峰”，同時(shí)伴隨著較大的噪聲[21]，此時(shí)油品不僅完全失去抗顫性，并且發(fā)生了黏滑抖動(dòng)。

圖5 WAZAU測(cè)得80 ℃下CVTF-A(a)，CVTF-B (b)和CVTF-C (c)的μ-v曲線

參照上述分析，可知CVTF-B在t=0 和t=24 h時(shí)具有抗顫性；在t=48 h和t=72 h的μ-v曲線中，摩擦因數(shù)μ隨著速度v的增加而略微減少，μ-v曲線表現(xiàn)出接近于0的微小負(fù)斜率，理論上48 和72 h時(shí)CVTF-B可能具備抗顫性；在t=96 h的μ-v曲線中，摩擦因數(shù)μ在0～1.5 m/s范圍內(nèi)隨著速度v的增加而迅速減小，μ-v曲線上所有點(diǎn)均為很大的負(fù)斜率，此時(shí)CVTF-B抗顫性失效。

同樣參照上述分析，可知CVTF-C在t=48 h可能具備抗顫性，在t=72 h時(shí)失去抗顫性。40和120 ℃下油品μ-v曲線表現(xiàn)出的抗顫性能與80 ℃下規(guī)律一致，不再贅述。

按照間隔24 h耐久實(shí)驗(yàn)的μ-v曲線斜率的判斷方法，3種CVTF的抗顫性耐久性如表3所示。各CVTF油樣在24 h長(zhǎng)磨測(cè)試后均具備良好的抗顫性；但是JASO M349標(biāo)準(zhǔn)的μ-v曲線分析方法無法對(duì)CVTF-B和CVTF-C抗顫性優(yōu)劣做進(jìn)一步的判斷。

表3 通過μ-v曲線判定的3種CVTF抗顫性失效時(shí)間

基于課題組提出的用長(zhǎng)磨耐久實(shí)驗(yàn)中摩擦因數(shù)-摩擦?xí)r間曲線(μ-t曲線)來判斷油品抗顫性的精準(zhǔn)失效時(shí)間的方法[21]，對(duì)3種CVTF進(jìn)行耐久性測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 CVTF-A (a)，CVTF-B (b)和CVTF-C (c)的長(zhǎng)磨μ-t曲線

如圖6(a)所示，在CVTF-A的耐久性測(cè)試過程中，長(zhǎng)磨時(shí)間超過35.5 h后，μ-t曲線上方開始出現(xiàn)密集的“黏滑峰毛刺”(如圖6(a)中紅色框所示)，這是由于在每個(gè)耐久性測(cè)試周期(每周期30 min)開始的鋼片與紙片嚙合瞬間，動(dòng)摩擦因數(shù)均遠(yuǎn)小于靜摩擦因數(shù)而出現(xiàn)了黏滑抖動(dòng)。可以用μ-t曲線上開始出現(xiàn)黏滑峰對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)來判斷油品失去抗顫性的精準(zhǔn)時(shí)間。

利用μ-t曲線判斷3種CVTF的抗顫性失效時(shí)間如表4所示。CVTF-C的抗顫性失效時(shí)間為51.0 h，長(zhǎng)于CVTF-A、B的35.5和49.0 h。

表4 通過μ-t曲線判定的3種CVTF抗顫性失效時(shí)間和扭矩失效時(shí)間

按照經(jīng)驗(yàn)，文中實(shí)驗(yàn)的摩擦因數(shù)低于0.11時(shí)，扭矩傳遞可能失效。如圖6所示，CVTF-A、B、C的扭矩傳遞失效時(shí)間分別為60.0、61.0、70.0 h，說明自主研發(fā)的PMA-3的綜合摩擦特性高于進(jìn)口劑，能使該配方體系具有最優(yōu)的抗顫耐久性和扭矩耐久性。

4.2 抗顫性試驗(yàn)鋼盤表面SEM和EDX分析

課題組之前的研究發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)油中含P的摩擦改進(jìn)劑與含Ca的清凈劑發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成了 P-Ca型的摩擦膜，該膜的厚度和致密度直接影響摩擦特性[22]。將抗顫性實(shí)驗(yàn)后的鋼盤表面進(jìn)行SEM和EDX分析，如圖7所示?？梢钥吹剑瑢?duì)應(yīng)3種CVTF的3個(gè)鋼盤摩擦面未發(fā)現(xiàn)明顯磨損的痕跡，但均有黑色的摩擦反應(yīng)膜，CVTF-A和CVTF-B的摩擦膜分布較為稀疏，CVTF-C的摩擦膜則更為連續(xù)、均勻。

圖7 3種CVTF對(duì)應(yīng)的鋼盤表面電鏡圖、能譜圖及元素含量

在黑色摩擦膜上選多點(diǎn)進(jìn)行元素EDS能譜分析，結(jié)果表明，3種CVTF的摩擦膜中均含有P、Ca和O元素，三者摩擦膜的P/Ca的原子數(shù)量比均約為1，O/P的原子數(shù)量比均約為4，這與文獻(xiàn)中報(bào)道的P-Ca型摩擦膜成分一致[22]，說明3種CVTF在鋼盤表面生成的黑色摩擦膜也是在摩擦過程中由含P的摩擦改進(jìn)劑與含Ca的清凈劑反應(yīng)生成的P-Ca反應(yīng)膜。由此可以推測(cè)，文中使用的3種PMA可能因?yàn)榉肿咏Y(jié)構(gòu)不同，會(huì)不同程度地影響配方中含P摩擦改進(jìn)劑與Ca清凈劑摩擦化學(xué)反應(yīng)的速度，從而導(dǎo)致不同的摩擦膜覆蓋率，最終使3種CVTF表現(xiàn)出不同的抗顫和扭矩耐久性。這涉及到復(fù)雜的摩擦學(xué)的物理吸附和化學(xué)反應(yīng)，有待于更進(jìn)一步研究探索。

4.3 鋼-鋼摩擦試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8所示為3種CVTF的鋼-鋼摩擦試驗(yàn)結(jié)果。在測(cè)試速度為0～1.0 m/s范圍內(nèi)，當(dāng)速度相同時(shí)，不同測(cè)試油樣的摩擦因數(shù)差別不大，3個(gè)測(cè)試油樣的鋼-鋼摩擦副的扭矩傳遞能力相當(dāng)，均可避免扭矩傳遞時(shí)鋼-鋼摩擦副間打滑。

圖8 3種CVTF的鋼-鋼摩擦試驗(yàn)結(jié)果

4.4 鋼-鋼摩擦試驗(yàn)SEM和EDX分析

為了探究黏指劑對(duì)鋼-鋼摩擦特性影響的原因，對(duì)實(shí)驗(yàn)后的鋼塊表面進(jìn)行SEM和EDX分析，結(jié)果如圖9所示。3個(gè)油樣對(duì)應(yīng)的鋼塊摩擦表面均密布著由于疲勞剝落以及黏著磨損而形成的微小凹坑，比較好地反映了在循環(huán)變化的接觸應(yīng)力作用下，CVT摩擦表面的實(shí)際磨損態(tài)。即使在全膜潤(rùn)滑條件下這種疲勞磨損也會(huì)發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致摩擦片斷裂[23]。為了降低這種疲勞磨損，在摩擦材料不能改變的條件下，需要提高摩擦面的硬度和硬化層的深度[23]。

圖9 3種CVTF對(duì)應(yīng)和鋼盤表面電鏡圖、能譜圖及元素含量

從掃描電鏡圖還可以看到，3種CVTF均在摩擦表面形成黑色摩擦膜，摩擦膜覆蓋處便不會(huì)產(chǎn)生疲勞剝落的微坑。能譜結(jié)果顯示，該摩擦膜也均是由P、Ca和O元素構(gòu)成，且P/Ca的原子數(shù)量比約為2，O/P的原子數(shù)量比約為4。說明鋼-鋼摩擦試驗(yàn)中3種CVTF中含P的摩擦改進(jìn)劑與含Ca的清凈劑也會(huì)反應(yīng)生成P-Ca反應(yīng)膜。但由于摩擦方式以及苛刻度的不同，鋼-鋼摩擦膜的成分比例與紙-鋼摩擦膜有所不同。

CHIBA等[24]報(bào)道，在油品摩擦過程中，油中的添加劑可在磨斑上形成Ca-PO4型化合物，該化合物會(huì)阻礙摩擦表面之間的直接接觸從而降低磨損。在文中，鋼-鋼表面形成的P-Ca摩擦膜很可能與上述研究報(bào)道起到相同的保護(hù)摩擦表面、降低磨損的作用。

5 結(jié)論

(1)分子結(jié)構(gòu)不同的PMA會(huì)影響CVTF配方體系的紙-鋼摩擦特性。當(dāng)黏溫性能相同時(shí)，2種進(jìn)口劑PMA-1與PMA-2的抗顫耐久性相差較大，自主研發(fā)的PMA-3抗顫耐久性超過進(jìn)口劑。影響紙-鋼摩擦特性的原因可能是不同分子結(jié)構(gòu)的PMA對(duì)油品中含P劑與含Ca清凈劑間的摩擦化學(xué)反應(yīng)速度不同，導(dǎo)致在鋼盤摩擦表面形成的摩擦膜覆蓋率不同，最終使各CVTF油樣表現(xiàn)出不同的紙-鋼摩擦特性。

(2)自主研發(fā)的PMA-3與2種進(jìn)口產(chǎn)品的鋼-鋼摩擦性能相當(dāng)。各油樣在鋼-鋼摩擦表面均形成了P-Ca摩擦膜，該摩擦膜能夠起到保護(hù)摩擦表面、降低磨損的作用。但由于紙-鋼與鋼-鋼摩擦方式及苛刻度的差異，在摩擦表面形成的摩擦膜成分比例不同。

(3)在黏溫性能相同時(shí)，自主研發(fā)的PMA-3的紙-鋼摩擦特性(抗顫和扭矩耐久性)最優(yōu)，鋼-鋼摩擦性能也與進(jìn)口劑水平相當(dāng)。因此，PMA-3可作為該CVTF配方中黏指劑國(guó)產(chǎn)化替代最優(yōu)選擇。