燃油经济性对自动传动液组成的影响

黄东升，赵治宇，徐晶晶，姜禹，张伟光，崔海涛

(中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116032)

0 引言

在全球市场，自动挡乘用车市场越来越广。AT在北美市场占有主导地位，CVT在日本市场占据主流，DCT出现后也逐渐改变了欧洲市场手动变速箱的主导地位。在中国市场，自动变速箱一直是国产汽车厂商的软肋。近年来，为了改变自动变速箱受制于人的状况，诸多厂商都在不断投入对自动变速箱的研发，三种类型的自动变速箱都处在爆发发展的前期。

自动传动液是自动变速箱传递动力的介质，除了要具备良好的摩擦特性外，也要求其具备良好的高低温性能。

近年来，全球对节能环保的追求也对自动传动液的组成和性能产生了影响。自动传动液不断朝低黏度发展，新式ATF的低黏度不但可以为汽车节能做出贡献，同时也让其具备更好的低温特性和剪切安定性。同时根据评测，新式ATF在抗磨性也保持了卓越的性能。

本文主要讨论ATF低黏度化发展趋势，以及其对组分中基础油和黏度指数改进剂选择的影响。

1 燃油经济性对自动传动液黏度和低温性能的影响

自动传动液产品和规格对黏温性能和低温性能的要求主要表现在100 ℃的运动黏度、黏度指数和-40 ℃布氏黏度。

以最有影响力的通用Dexron ATF 规格为例，自从电控自动变速箱问世后，1990年通用公司颁布了Dexron ⅡE规格，要求100 ℃运动黏度为6.0～8.0 mm2/s，-40 ℃布氏黏度不大于20000 mPa·s。1995年通用公司颁布Dexron Ⅲ规格，对黏度和-40 ℃的低温性能要求没有变化。

此后十年中，这个要求成为汽车AT自动传动液的基本性能。直到2006年，通用公司发布Dexron Ⅵ规格，对黏度要求变成100 ℃运动黏度不大于6.4 mm2/s，-40 ℃布氏黏度不大于15000 mPa·s。自动传动液降低黏度对节能的作用日益引起全球市场的重视，在节能方面一向重视和敏感的日本厂商这次走在了美国的前面。2010年以后，日本丰田WS ATF 100 ℃黏度已经下降到5.5 mm2/s左右。

不仅AT自动传动液黏度降低，低温性能提升。无级变速箱CVT用油也是如此，2012年以前，市场主要CVTF 100 ℃运动黏度也在7.0 mm2/s左右。2012年以后，日本变速箱厂商像在ATF上一样，推行CVTF产品更新换代，100 ℃运动黏度降低到6.0 mm2/s左右，-40 ℃布氏黏度通常小于10000 mPa·s。

双离合器变速箱DCT是大众在2003年以后才推向市场的。DCT对油品的抗磨性能要求更高，市场主流DCTF 100 ℃运动黏度在7.0 mm2/s左右，-40 ℃布氏黏度一般小于15000 mPa·s。同样出于节能环保和变速箱设计对油品低温性能要求的提高，目前国内厂商对DCTF也有降低黏度的需求。见表1。

表1 市场主要自动传动液的黏度发展趋势

总体来说，燃油经济性对自动传动液低黏化发展推进非常明显，同时由于黏度的降低，同样使用Ⅲ类基础油，自动传动液的低温性能也得到了显著的提高。

2 油品低黏化对基础油选择的影响

自从ATF ⅡE规格推广后，通常情况下自动传动液会选用Ⅱ、Ⅲ类以上基础油，基础油运动黏度在4.0 mm2/s左右。为了调整油品的低温性能，让油品在低温条件中不会因为石蜡结晶而导致ATF固化，一般会加入降凝剂和黏度指数改进剂控制结晶的影响。

GM Dexron Ⅲ要求100℃运动黏度约为7.0 mm2/s，-40 ℃布氏黏度不大于20000 mPa·s。在这种情况下，选用运动黏度在4.0 mm2/s的Ⅲ类基础油和甲基丙烯酸脂类型黏度指数改进剂设计产品，基本可以满足其对低温性能的要求。

但是随着变速箱设计对节能环保以及对舒适性的要求。在以 GM Dexron Ⅵ规格为标志性的产品升级中，自动传动液除了降低了黏度，对低温性能要求进一步提高，并增加了剪切安定性。 Dexron Ⅵ要求-40 ℃布氏黏度不大于15000 mPa·s，油品在20 h圆锥辊子剪切后油品100 ℃运动黏度下降不得大于10%。

此时，100 ℃运动黏度在4.0 mm2/s左右的Ⅲ类基础油在调节油品低温性能的能力上就显得不足了。在这种情况下，自动传动液在基础油的选择上出现了一些变化。运动黏度为2.0 mm2/s的Ⅱ类基础油逐渐被应用到油品中，增加更多的黏度指数改进剂，以调节油品的低温性能。

自动变速箱换油周期很长，设计换油里程基本在10万公里以上。低黏度基础油使用后，自动传动液中轻组分含量过多可能导致在长时间高温使用环境中蒸发损失过大，从而影响油品的低温性能。

为了规避这个问题，随后自动传动液产品设计要求中出现了蒸发损失要求，甚至有对蒸发损失后布氏黏度变化值技术指标的要求。这样逐渐限制了低黏度基础油的使用。为了达到油品规格的新要求，部分厂商开始使用PAO，增加了油品的成本。

为了应对市场变化，2005年以后，运动黏度在3.0 mm2/s左右基础油开始出现。新的基础油资源几乎是专门应对传动油对低温性能稳定要求产生的。它很好地满足了自动传动液对低温性能要求，并能够保证产品在长周期使用过程中的稳定性。

迄今为止，运动黏度在3.0 mm2/s已经被广泛应用在自动传动液中。

表2列出了世面上几种ATF蒸发损失和低温性能的测试数据。可以看出，低黏度ATF几乎表现出相同的蒸发损失值，并且低温性能与五年前相比，都有了很大的提高。但低黏化并没有降低油品的抗磨性能。

表2 几种市售ATF测试结果

3 油品低黏化对黏度指数改进剂选择的影响

除了给基础油市场带来变化，自动传动液性能的提高对油品中黏度指数改进剂的选择也带来了很大的影响。

在GM Dexron Ⅲ之前的规格中，并没有对黏度指数改进剂的剪切性能提出要求。高分子的黏度指数改进剂在油品中大量应用，造成油品在变速箱内应用长时间之后随着高分子被剪切黏度大幅下降，从而给变速箱传扭稳定性造成影响。

2006年通用公司颁布GM Dexron Ⅵ规格规格后，对油品随着剪切黏度的下降提出要求，要求油品20 h圆锥辊子剪切后黏度下降率不大于10%，剪切后黏度5.5 mm2/s。

新的技术要求对黏度指数改进剂的性能做出严格的限定。为了保证变速箱运行的稳定，日本在后来的自动传动液的低黏度化中，对剪切性能的要求更加苛刻，要求20 h圆锥辊子剪切后油品100 ℃运动黏度下降不得大于5%。部分产品剪切测试数据见表2。

苛刻的剪切安定性对自动传动液中的高分子黏度指数改进剂成为一种挑战。低黏度的ATF中需要加入的黏度指数改进剂相对较少，相对更容易解决这个问题。2010年之后中国市场兴起的双离合器自动变速箱油开发中，出于对齿轮的保护要求油品黏度在7.0 mm2/s左右，同时要具备严苛的剪切安定性要求，这导致部分油公司在油品开发过程中选用了两种不同类型的黏度指数改进剂。一种分子量较大的黏度指数改进剂起增黏作用，另一种黏度指数改进剂分子量较小，抗剪切性能非常好。

图1为市场两种双离合器传动油GRC测试数据。结合LS和DRI数据可以看出，DCTF-A 采用了一种黏度指数改进剂，DCTF-B则采用了两种不同的黏度指数改进剂。又测试两种DCTF的剪切和低温性能，见表3。

表3 两种双离合器油品的测试数据

图1 两种DCTF GPC测试数据

从表3数据可以看出，两种油品黏度相当，低温性能也相当。DCTF-A蒸发损失较低，说明基础油采用较少的轻组分，可能需要更小改进黏度要求，但实际测试剪切后黏度下降率却更大。与图1 GPC测试数据对应，与其采用了一种黏度指数改进剂不无关系。

新一代的双离合器变速箱同样因为燃油经济性的原因，对润滑油产品提出低黏度化的要求。就目前市场产品开发来看，新一代油品DCTF 黏度将在5.0～6.0 mm2/s之间。由于变速箱换油周期基本在8万公里以上，参照ATF的要求，为了保证变速箱稳定工作，低黏度DCTF KRL剪切黏度下降率要控制在5%左右。

4 结论

全球市场对燃油经济性的追求引发了自动传动油朝低黏度方向发展。在这个趋势中，对油品的低温性能和剪切稳定性能要求也越来越高。

为了提高油品低温性能，同时保证长周期使用过程中油品性能的稳定，出现了运动黏度为3.0 mm2/s的Ⅱ类基础油替代了原来的加氢基础油，并很快在传动油中大范围得以应用。

与此同时，自动传动液对剪切性能要求的提高对高分子黏度指数改进剂的使用变得苛刻，甚至出现使用两种不同的黏度指数改进剂的情况。