多级齿轮油对汽车节能环保的作用 - 文章

多级齿轮油对汽车节能环保的作用

作者：郑州大学吴晓铃甘学辉

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摘要：本文论述了节能环保对于21 世纪的汽车工业发展的重要意义，介绍了25 年来有关多级齿轮油的研究和发展以及其应用效果。最后、作者从可持续发展的观点出发，分析了应用多级齿轮油具有的深远的社会意义和巨大的经济效益。
关键词：汽车多级油车辆齿轮油燃油经济性润滑添加剂

引言

大家知道，汽车工业的飞速发展是人类文明的一大骄傲、与此同时、汽车对能源的消耗和废气的排放也日渐成为人类发展的一大障碍。2002 年地球峰会大会的主要目的就是敦促各国在可持续发展领域采取实际行动。各国政府在大会上纷纷提出行动计划、时间表和伙伴关系项目，特别是中国总理朱镕基在大会上宣布中国已核准旨在延缓全球变暖的《京都议定书》，受到与会代表们的高度赞扬。汽车工业对可持续发展应作出的贡献就是减少燃油的消耗量、降底排放。减少汽车C02 排放的措施之一是提高燃油经济性，而降低由于汽车传动系的摩擦引起的能量损失将有助于改善燃油的经济性。

可以用不同的方法来评价润滑油的组成对齿轮摩擦性能的影响。这其中包括从理论计算，车队行车试验和温控室内的轿车底盘试验到齿轮箱或后桥的台架试验。本文介绍了25 年来有关多级齿轮油的研究和发展以及其应用效果。所有这些研究表明、齿轮的效率取不仅取决于载荷，速度，温度等工况参数，还取决于润滑油的粘度及组成。形成的共识为、多级齿轮油极大地改善了汽车燃油经济性。最后、作者从可持续发展的观点出发，分析了推广应用多级齿轮油带来的巨大的经济效益和深远的社会意义。

1 国内外对降低汽车油耗、减少排放的要求

欧共体规定(EMISSIONS STANDARDS PASSENGER CARS WORLDWIDE， DELPHI AUTOMOTIVESYSTEMS， JANUARY 2000)，对于2.5 吨以下的汽车2000 年即达到欧洲III 号排放标准，2005 年即达到欧洲IV 号排放标准；对于2.5 吨以上的汽车2001 年即达到欧洲III 号排放标准， 2006 年即达到欧洲IV 号排放标准。

中国规定汽车排放2004 年达到欧洲II 号标准，从2000 年起对达标的汽车大幅度降低销售税。北京市计划出台使用汽车燃油质量等级的规定。要求汽车排放2003 年达到欧洲II 号标准，2005 年达到欧洲III 号标准，2008 年达到欧洲IV 号标准。

美国政府对每个汽车制造商所生产的汽车的平均燃油消耗量都有着严格的限制（CAFE：公司平均燃油经济性）：小轿车每100 公里的汽油消耗量控制在8.55公升以内，轻型卡车每100公里的汽油消耗量控制在11.8公升以内。在欧洲，汽车制造商自行承诺把CO2的排放量从186g/100km(7.75 升/100km) 降低到140g/100km(5.85 升/100km) 汽车燃油消耗量用汽车底盘功率计依照由政府专门规定的程序来测量。美国的测评程序已由环境保护局（EPA）批准，而欧洲的测评程序已由机动车排放组织批准（MVEG）。美国和欧洲的测评程序都包括市内周期和市外周期两部分 (图1，图2) 。

图1 MVEG 市内周期

图 2 MVEG 市外周期(EUDC)

2 多级齿轮油的研究与开发

2.1 多级齿轮油降低汽车油耗、减少排放的机理

当前汽车齿轮传动设计的主要目标是高效率、大功率和小尺寸。为了实现这些目标，可以采取很多种方法。一般人们容易想到选用好的材料，进行优化设计，选用好的设备进行加工（包括热处理），再采购高质量的轴承、密封等外购件，精心安装、调试，即可得到一台好的齿轮箱。其实、这里面忽略了润滑油的问题。正确的做法是在设计、选材之初，就把润滑油作为一个机械零件来对待。据统计，大约有75％的设备故障是由润滑不良引起的。但人们往往容易忽视润滑油的重要性，对润滑油的选用和应用不重视，反而更乐意维修和更换零件，使设备的运行成本大大提高。工业实践从正反两方面回答了这个问题。摩擦学的研究从理论上解释了这个问题。

以齿轮传动为例，齿轮传动由于传动扭矩增大，常常使小尺寸的传动装置的工作温度升高。随着降噪设备和减小设备周围空气流动的空气动力学设备的使用，这种状况会更严重。摩擦传动会引起温度的升高和效率的降低，因此减小摩擦是提高效率和保持较低的工作温度的主要方式。

润滑油的润滑效果受所有的工作条件的影响。若工作温度过高会引起摩擦改进剂、极压剂、抗磨剂的高消耗，产生很高的腐蚀率和氧化率、以至于隔离零件表面的油膜厚度很薄。如果润滑油不能承受这些恶劣的情况、齿轮传动就会受到破坏。反之，选择正确的润滑油及添加剂则可以减小扭矩传递的损失，这样、工作温度也就降了下来。

为了提高效率，汽车传动设计主要考虑以下几个方面：减小轴承和旋转轴密封的摩擦、齿轮啮合副的滑动以及润滑油的飞溅和搅动[1]。对用在动力设备上的单级高速齿轮传动而言，由高速旋转齿轮搅动润滑油和齿轮油在啮合副的挤压引起的损失大约占能量损失的40％，而齿轮啮合副的摩擦损失仅占10％[2]。因此优化组分的润滑油对于节约能源是十分重要的[3]。

多级齿轮油的特点是粘温性能好，它能使汽车在低温环境下或者启动温度低的时候，油的粘度不致太高；而在高温环境下启动或工作温度较高时，油的粘度不致太低。这样、使得汽车齿轮变速箱和后桥齿轮的工作温升小，摩擦损失小、效率高，从而使得发动机的油耗减少，排放降低。

2.2 多级齿轮油的开发

齿轮油粘度牌号中含有字母W 的则表示多级齿轮油。含W 字母的牌号是基于最大的低温粘度、最高的边界泵送温度以及最小的100℃运动粘度和最小的高温/高剪切粘度。不含字母W 的则基于100℃时的运动粘度。总之，多级油的粘温性能好，具有良好的低温启动性能和高温工作性能。

目前，开发多级齿轮油的关键在于基础油和添加剂两方面。世界上许多研究机构和厂商都进行了卓有成效的工作。其中以德国的RohMax 公司最有代表性。RohMax 是VI 改进剂的著名生产者，它使用VW测试方法来证实和量化流体粘度、基础油类型以及VI 改进剂的化学性能对效率和工作温度的影响[15，16]。

用ARKL 试验、研究基础油、粘度以及VI 的分子结构和重量对润滑油工作温度的影响，结果证明含有聚甲基丙烯酸酯粘度指数改进剂的润滑油使工作温度明显降低。又用FZG 试验、研究多级油对传动效率的影响。模拟MVEG 的FZG 试验表明，含有聚甲基丙烯酸酯粘度指数改进剂的多级油SAE 75W-90 明显地提高了传动效率。RohMax 证实了VW 在基础油方面的发现。但是RohMax 的进一步研究表明，利用高粘度指数可以获得低的工作温度和高的工作效率。其中，利用合成油是一个途径，但不是唯一的途径。利用聚甲基丙烯酸酯粘度指数改进剂、不失为一个具有价格优势的配方。试验表明，根据不同的温度和加载转矩，用含有部分合成油加上聚甲基丙烯酸酯VI 的SAE 75W-90 齿轮油取代SAE 90 齿轮油，齿轮效率会增加0.4％～6％。试验中，模拟MVEG（欧洲机动车辆排放）试验来设定参数。最近中国发布了一个根据1998年7月以来最新的SAE J 306 用以调配这种油的指导性文件[17]。

3 多级齿轮油的应用研究

可以用不同的方法来评价润滑油的组成对齿轮摩擦性能的影响。这其中包括从理论计算，车队行车试验和温控室内的轿车底盘试验到齿轮箱或后桥的台架试验[2-16]。

德国教授Wilfried J. Bartz[18]对依靠齿轮油来提高汽车燃油经济性，作了大量的理论分析。得出了行车程序的定义，节省燃油与减少摩擦的关系，换档及后桥的减摩量引起的燃油节省量的理论计算值，自动变速及后桥的减摩量引起的燃油节省量的理论计算值等，而且理论计算与实际测试结果相吻合。

在台架试验中，Achsial-Rillen-Kugel-Lager(ARKL)试验和FZG 效率试验都是快速、高效测定齿轮润滑油的摩擦水平的有效工具。这些实验方法都是由VW[11，14]开发的，它们都和1.6L、55kW 的VW Polo 及装在具有三个发动机台架上的齿轮箱试验有良好的一致性。VW 表示，和简单的第一组矿物油相比，高VI油能够明显的降低这些装备中的摩擦，这样工作温度降低了，效率提高了。

Castrol 进行的MVEG 市内周期研究表明[4] ，用合成油代替齿轮油SAE 90 能增加燃油经济性，当起动温度在–7℃时MVEG 市内行驶可增加3.5％，在市外行驶可增加3.3％。

GM 进行了在齿轮油EPA 试验[5]，即后桥室内运行试验程序研究润滑油粘度降低的效果。在EPA 实验中，当把粘度从SAE 80 减小到SAE 75 时，燃油量可减少0.3％；在GM在市内周期试验中，当起动温度为0℃时，可减少2.6％～5.1％，在工作温度条件下，可减少0.3％～3.1％。但是作者指出，在100℃的条件下，根据行车条件和车辆种类的不同，由于齿轮油的粘度的降低会导致齿轮磨损量超过许可限度。

在一个卡车车队行车试验中，Stambough [6，7]发现，用以矿物油为基础油，含有聚甲基丙烯酸酯（PAMA）粘度指数改进剂的多级齿轮油SAE 75W-90 代替单级齿轮油SAE 90，可以明显的降低燃油消耗量：在气候偏冷的威斯康星州南部，这个减少量大约有5%，而在气候稍微温暖的伊利诺伊州南部减少量约为1.4%。另外，在寒冷的气候中，汽车空转需要消耗较多的燃油。

Graham [8]用改进的MVEG 市内周期程序实施了测力计试验。在试验中，用合成油SAE 75W-90 替代SAE90，对不同的汽车、燃油消耗量可以减少2.86%～4.32%，用75W 矿物油可以降低燃油消耗量约1.62%～2.53%。

据Cuijpers[9]报导，在一次模拟爬坡条件（即大转矩低转速）的汽车后桥试验中，与SAE 85W-140 矿物油相比，只有适当的合成油配方才能降低工作温度20°，并且提高燃油经济性0.8%；然而，使用配方不佳的SAE 75W-90 型合成齿轮油，汽车将获得较低的燃油经济性能，而且工作温度也较高。所以在应用当中，油的粘度应保持SAE 140 在100°C 时的粘度水平。

德国变速器制造商[10]ZF 降低了轿车的自动传动液的粘度，温度范围为–40～100℃。在100℃时，运动粘度从7.2mm2/s 降低到 5.5mm2/s。这种油较小的粘度使得搅拌损失降低了30%，燃油消耗量降低了2%，而增加的泵油损失增加了燃油消耗量1%。这样，燃油总的消耗能降低1% 。这里，作者指出，为避免磨损的增加，在100℃时降低齿轮油粘度需要提高油中抗磨剂和极压剂的含量。

4 推广多级齿轮油的效益分析

近25 年来国内外有关多级齿轮油试验和研究的成果表明，多级齿轮油使齿轮的效率明显提高，使燃油经济性明显改善。将单级油齿轮油换成多级齿轮油，使齿轮的效率明显提高，一般可节约1%的汽车燃油，起到节约能源、降低排放的作用。欧美国家用多级齿轮油已形成制度。

目前在中国的齿轮油市场中矿物型单级齿轮油占主导地位（90％以上）。考虑到中国的一般气候条件和驾驶条件，如果用多级齿轮油替代单级齿轮油。全国至少可以节约1％的汽车燃油。中国2001 年的燃油消耗量大约为1 亿吨，按每公升价格为3.3 元人民币计算，在不考虑汽车数量增加的情况下(2001 年中国汽车保有量为18 020 000 辆)，节约1%的汽车燃油，在中国就意味着每年节约了10 亿公斤的燃料，价值33亿元人民币。

中国政府在2002 年地球峰会上承诺批准京都议定书。这是中国政府对国际社会环境保护和可持续发展的贡献。我国将承办2008 年北京奥运会和2010 年上海世博会。从国家的经济利益出发和环保要求考虑，将单级油齿轮油换成多级齿轮油有至关重要的意义。

5 结论

（1）高规格的排放标准将被强制实行；减少汽车C02 排放的措施之一是提高燃油经济性，而降低由于汽车传动系的摩擦引起的能量损失将有助于改善燃油的经济性。
（2）工作温度是润滑状况或摩擦状况的一种反映。高温将缩短润滑油的使用周期。利用高粘度指数可以获得低的工作温度和高的工作效率。
（3）研究结果证明，用多级齿轮油取代单级齿轮油能降低汽车的燃油消耗。使用SAE 75W-90 齿轮油比SAE 90 齿轮油能减少燃油消耗0.4％～5％。汽车燃油的消耗量对气候条件和驾驶条件的依赖性很强。
（4）简单的降低粘度可能是个误导，其中潜伏着过度磨损的危险。取代单级齿轮油保险的做法是、通过增加VI 将粘度保持在单级齿轮油在100℃时候的水平，同时在低温情况下、润滑油粘度也能降低。
（5）目前在中国的齿轮油市场中矿物型单级齿轮油占主导地位，从国家的经济利益出发和环保要求考虑，将单级油齿轮油换成多级齿轮油有至关重要的意义。

参考文献
1 Eberspächer R., Heber K., Hornung R., Marx P., Neft K., Oetgen W., Rink A, Schmidtmann M. Der Antriebsstrang der neuen E-Klasse. ATZ and MTZ special edition D 58922: Die neue Mercedes-Benz E-Klasse (2002) 130~141.
2 Weiss T., Hirt M.. Efficiency Improvements for High Speed Gears of the 100 MW Class VDI-Berichte Nr. 1665 (2002) 1161~1174.
3 Matsuo K., Yoshida A., Obata F.. Antiwear Performance of Modern Industrial Gear Oils. Lubrication Science (1) 51 0954~0075
4 Güsmer S.F.. Können moderne synthetische Transmission Fluids Getriebeöltemperaturen absenken? in Bartz W.J.: Industrial and Automotive Lubrication: 11th International Colloquium Tribology, ISBN 3-924813-39-6 Ostfildern: TAE (1998)1587~1600.
5 Goodwin, M.C., Haviland, M.L., Fuel Economy Improvements in EPA and Poad Tests with Engine Oil and Rear Axle Lubricant Viscosity Reduction, SAE paper 780596
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8 Graham, R.; O´Connor, B.M.; Ross,A.R.: Some Aspects of Driveline Lubricant Selection. Proc. Driveline 84, Conf. I. Mech. Engineering, London 1984, C9/84, 71~80.
9 Cujpers M.: Lubrication of Rear Axles for Trucks – Its Influence on Efficiency and Temperature in Bartz W.J.: Industrial and Automotive Lubrication: 11th International Colloquium Tribology, ISBN 3-924813-39-6 Ostfildern: TAE (1998)1679~1686.
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12 Wienecke. D.; Kluge R.: Einfluß der Art und Zusammensetzung von Schmierölen auf die Verlustleistung in PKW-Schaltgetrieben Tribologie + Schmierungstechnik 46 (1999) 4~13.
13 PV 1454: Getriebeöle: Prüfung der Temperaturentwicklung im Axialrillenkugellager Temperatur Adapter VW. Wolfsburg.
14 PV 1456 Getriebeöle: Prüfung des Wirkungsgradeinflusses von Getriebeölen VW. Wolfsburg.
15 Wincierz C.; Schweder R.; Kreutzer I., Neveu C.: Influence of VI Improvers on the Operating Temperature of Multi-grade Gear Oils SAE paper 2000-01-2029.
16 Wincierz, C.; Neveu, C: Influence of Viscosity Index Improvers on Tribological Behaviour of Modern Gear Oils in Qin, D., Chen, X.; Chen, B; Lin, C.: Proceedings of the International Conference on Mechanical Transmissions, Chongqing 2001, ISBN 7-900066-14-4/TH .01, 549~555.
17 Wincierz, C.; Neveu, C; Bartholomae, I: Gear oil formulation according to SAE J 306 JUL98 in Qin, D., Chen, X.; Chen, B; Lin, C.: Proceedings of the International Conference on Mechanical Transmissions, Chongqing 2001, ISBN 7-900066-14-4/TH .01, 544~548.
18 W.J. Bartz,Technische Akademie Esslingen, Ostfildern Germany，Fuel economy improvement by engine and gear oils，5th CEC International Symposium on the Performance Evaluation of Automotive Fuels and Lubricants, Göteborg, Sweden May 1997(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/16/2005)


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