汽車工業(yè)的飛速發(fā)展是人類文明的一大驕傲、與此同時、汽車對能源的消耗和廢氣的排放也日漸成為人類發(fā)展的一大障礙。2002 年地球峰會大會的主要目的就是敦促各國在可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域采取實際行動。各國政府在大會上紛紛提出行動計劃、時間表和伙伴關(guān)系項目，特別是中國總理朱镕基在大會上宣布中國已核準旨在延緩全球變暖的《京都議定書》，受到與會代表們的高度贊揚。汽車工業(yè)對可持續(xù)發(fā)展應作出的貢獻就是減少燃油的消耗量、降底排放。減少汽車C02 排放的措施之一是提高燃油經(jīng)濟性，而降低由于汽車傳動系的摩擦引起的能量損失將有助于改善燃油的經(jīng)濟性。
可以用不同的方法來評價潤滑油的組成對齒輪摩擦性能的影響。這其中包括從理論計算，車隊行車試驗和溫控室內(nèi)的轎車底盤試驗到齒輪箱或后橋的臺架試驗。本文介紹了25 年來有關(guān)多級齒輪油的研究和發(fā)展以及其應用效果。所有這些研究表明、齒輪的效率取不僅取決于載荷，速度，溫度等工況參數(shù)，還取決于潤滑油的粘度及組成。形成的共識為、多級齒輪油極大地改善了汽車燃油經(jīng)濟性。最后、作者從可持續(xù)發(fā)展的觀點出發(fā)，分析了推廣應用多級齒輪油帶來的巨大的經(jīng)濟效益和深遠的社會意義。
1 國內(nèi)外對降低汽車油耗、減少排放的要求
歐共體規(guī)定(EMISSIONS STANDARDS PASSENGER CARS WORLDWIDE， DELPHI AUTOMOTIVESYSTEMS， JANUARY 2000)，對于2.5 噸以下的汽車2000 年即達到歐洲III 號排放標準，2005 年即達到歐洲IV 號排放標準；對于2.5 噸以上的汽車2001 年即達到歐洲III 號排放標準， 2006 年即達到歐洲IV 號排放標準。
中國規(guī)定汽車排放2004 年達到歐洲II 號標準， 從2000 年起對達標的汽車大幅度降低銷售稅。北京市計劃出臺使用汽車燃油質(zhì)量等級的規(guī)定。要求汽車排放2003 年達到歐洲II 號標準，2005 年達到歐洲III 號標準，2008 年達到歐洲IV 號標準。
美國政府對每個汽車制造商所生產(chǎn)的汽車的平均燃油消耗量都有著嚴格的限制（CAFE：公司平均燃油經(jīng)濟性）：小轎車每100 公里的汽油消耗量控制在8.55公升以內(nèi)，輕型卡車每100公里的汽油消耗量控制在11.8公升以內(nèi)。在歐洲，汽車制造商自行承諾把CO2的排放量從186g/100km(7.75 升/100km) 降低到140g/100km(5.85 升/100km) 汽車燃油消耗量用汽車底盤功率計依照由政府專門規(guī)定的程序來測量。美國的測評程序已由環(huán)境保護局（EPA）批準，而歐洲的測評程序已由機動車排放組織批準（MVEG）。美國和歐洲的測評程序都包括市內(nèi)周期和市外周期兩部分 (圖1， 圖2) 。
圖1 MVEG 市內(nèi)周期
圖 2 MVEG 市外周期(EUDC)
2 多級齒輪油的研究與開發(fā)
2.1 多級齒輪油降低汽車油耗、減少排放的機理
當前汽車齒輪傳動設(shè)計的主要目標是高效率、大功率和小尺寸。為了實現(xiàn)這些目標，可以采取很多種方法。一般人們?nèi)菀紫氲竭x用好的材料，進行優(yōu)化設(shè)計，選用好的設(shè)備進行加工（包括熱處理），再采購高質(zhì)量的軸承、密封等外購件，精心安裝、調(diào)試，即可得到一臺好的齒輪箱。其實、這里面忽略了潤滑油的問題。正確的做法是在設(shè)計、選材之初，就把潤滑油作為一個機械零件來對待。據(jù)統(tǒng)計，大約有75％的設(shè)備故障是由潤滑不良引起的。但人們往往容易忽視潤滑油的重要性，對潤滑油的選用和應用不重視，反而更樂意維修和更換零件，使設(shè)備的運行成本大大提高。工業(yè)實踐從正反兩方面回答了這個問題。摩擦學的研究從理論上解釋了這個問題。
以齒輪傳動為例，齒輪傳動由于傳動扭矩增大，常常使小尺寸的傳動裝置的工作溫度升高。隨著降噪設(shè)備和減小設(shè)備周圍空氣流動的空氣動力學設(shè)備的使用，這種狀況會更嚴重。摩擦傳動會引起溫度的升高和效率的降低，因此減小摩擦是提高效率和保持較低的工作溫度的主要方式。
潤滑油的潤滑效果受所有的工作條件的影響。若工作溫度過高會引起摩擦改進劑、極壓劑、抗磨劑的高消耗，產(chǎn)生很高的腐蝕率和氧化率、以至于隔離零件表面的油膜厚度很薄。如果潤滑油不能承受這些惡劣的情況、齒輪傳動就會受到破壞。反之，選擇正確的潤滑油及添加劑則可以減小扭矩傳遞的損失，這樣、工作溫度也就降了下來。
為了提高效率，汽車傳動設(shè)計主要考慮以下幾個方面：減小軸承和旋轉(zhuǎn)軸密封的摩擦、齒輪嚙合副的滑動以及潤滑油的飛濺和攪動[1]。對用在動力設(shè)備上的單級高速齒輪傳動而言，由高速旋轉(zhuǎn)齒輪攪動潤滑油和齒輪油在嚙合副的擠壓引起的損失大約占能量損失的40％，而齒輪嚙合副的摩擦損失僅占10％[2]。因此優(yōu)化組分的潤滑油對于節(jié)約能源是十分重要的[3]。
多級齒輪油的特點是粘溫性能好，它能使汽車在低溫環(huán)境下或者啟動溫度低的時候，油的粘度不致太高；而在高溫環(huán)境下啟動或工作溫度較高時，油的粘度不致太低。這樣、使得汽車齒輪變速箱和后橋齒輪的工作溫升小，摩擦損失小、效率高，從而使得發(fā)動機的油耗減少，排放降低。
2.2 多級齒輪油的開發(fā)
齒輪油粘度牌號中含有字母W 的則表示多級齒輪油。含W 字母的牌號是基于最大的低溫粘度、最高的邊界泵送溫度以及最小的100℃運動粘度和最小的高溫/高剪切粘度。不含字母W 的則基于100℃時的運動粘度。總之，多級油的粘溫性能好，具有良好的低溫啟動性能和高溫工作性能。
目前，開發(fā)多級齒輪油的關(guān)鍵在于基礎(chǔ)油和添加劑兩方面。世界上許多研究機構(gòu)和廠商都進行了卓有成效的工作。其中以德國的RohMax 公司最有代表性。RohMax 是VI 改進劑的著名生產(chǎn)者，它使用VW測試方法來證實和量化流體粘度、基礎(chǔ)油類型以及VI 改進劑的化學性能對效率和工作溫度的影響[15，16]。
用ARKL 試驗、研究基礎(chǔ)油、粘度以及VI 的分子結(jié)構(gòu)和重量對潤滑油工作溫度的影響，結(jié)果證明含有聚甲基丙烯酸酯粘度指數(shù)改進劑的潤滑油使工作溫度明顯降低。又用FZG 試驗、研究多級油對傳動效率的影響。模擬MVEG 的FZG 試驗表明，含有聚甲基丙烯酸酯粘度指數(shù)改進劑的多級油SAE 75W-90 明顯地提高了傳動效率。RohMax 證實了VW 在基礎(chǔ)油方面的發(fā)現(xiàn)。但是RohMax 的進一步研究表明，利用高粘度指數(shù)可以獲得低的工作溫度和高的工作效率。其中，利用合成油是一個途徑，但不是唯一的途徑。利用聚甲基丙烯酸酯粘度指數(shù)改進劑、不失為一個具有價格優(yōu)勢的配方。試驗表明，根據(jù)不同的溫度和加載轉(zhuǎn)矩，用含有部分合成油加上聚甲基丙烯酸酯VI 的SAE 75W-90 齒輪油取代SAE 90 齒輪油，齒輪效率會增加0.4％～6％。試驗中，模擬MVEG（歐洲機動車輛排放）試驗來設(shè)定參數(shù)。最近中國發(fā)布了一個根據(jù)1998年7月以來最新的SAE J 306 用以調(diào)配這種油的指導性文件[17]。
3 多級齒輪油的應用研究
可以用不同的方法來評價潤滑油的組成對齒輪摩擦性能的影響。這其中包括從理論計算，車隊行車試驗和溫控室內(nèi)的轎車底盤試驗到齒輪箱或后橋的臺架試驗[2-16]。
德國教授Wilfried J. Bartz[18]對依靠齒輪油來提高汽車燃油經(jīng)濟性，作了大量的理論分析。得出了行車程序的定義，節(jié)省燃油與減少摩擦的關(guān)系，換檔及后橋的減摩量引起的燃油節(jié)省量的理論計算值，自動變速及后橋的減摩量引起的燃油節(jié)省量的理論計算值等，而且理論計算與實際測試結(jié)果相吻合。
在臺架試驗中，Achsial-Rillen-Kugel-Lager(ARKL)試驗和FZG 效率試驗都是快速、高效測定齒輪潤滑油的摩擦水平的有效工具。這些實驗方法都是由VW[11，14]開發(fā)的，它們都和1.6L、55kW 的VW Polo 及裝在具有三個發(fā)動機臺架上的齒輪箱試驗有良好的一致性。VW 表示，和簡單的第一組礦物油相比，高VI油能夠明顯的降低這些裝備中的摩擦，這樣工作溫度降低了，效率提高了。
Castrol 進行的MVEG 市內(nèi)周期研究表明[4] ，用合成油代替齒輪油SAE 90 能增加燃油經(jīng)濟性，當起動溫度在–7℃時MVEG 市內(nèi)行駛可增加3.5％，在市外行駛可增加3.3％。
GM 進行了在齒輪油EPA 試驗[5]，即后橋室內(nèi)運行試驗程序研究潤滑油粘度降低的效果。在EPA 實驗中，當把粘度從SAE 80 減小到SAE 75 時，燃油量可減少0.3％；在GM在市內(nèi)周期試驗中，當起動溫度為0℃時，可減少2.6％～5.1％，在工作溫度條件下，可減少0.3％～3.1％。但是作者指出，在100℃的條件下，根據(jù)行車條件和車輛種類的不同，由于齒輪油的粘度的降低會導致齒輪磨損量超過許可限度。
在一個卡車車隊行車試驗中，Stambough [6，7]發(fā)現(xiàn)，用以礦物油為基礎(chǔ)油，含有聚甲基丙烯酸酯（PAMA）粘度指數(shù)改進劑的多級齒輪油SAE 75W-90 代替單級齒輪油SAE 90，可以明顯的降低燃油消耗量：在氣候偏冷的威斯康星州南部，這個減少量大約有5%，而在氣候稍微溫暖的伊利諾伊州南部減少量約為1.4%。另外，在寒冷的氣候中，汽車空轉(zhuǎn)需要消耗較多的燃油。
Graham [8]用改進的MVEG 市內(nèi)周期程序?qū)嵤┝藴y力計試驗。在試驗中，用合成油SAE 75W-90 替代SAE90，對不同的汽車、燃油消耗量可以減少2.86%～4.32%，用75W 礦物油可以降低燃油消耗量約1.62%～2.53%。
據(jù)Cuijpers[9]報導，在一次模擬爬坡條件（即大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速）的汽車后橋試驗中，與SAE 85W-140 礦物油相比，只有適當?shù)暮铣捎团浞讲拍芙档凸ぷ鳒囟?/SPAN>20°，并且提高燃油經(jīng)濟性0.8%；然而，使用配方不佳的SAE 75W-90 型合成齒輪油，汽車將獲得較低的燃油經(jīng)濟性能，而且工作溫度也較高。所以在應用當中，油的粘度應保持SAE 140 在100°C 時的粘度水平。
德國變速器制造商[10]ZF 降低了轎車的自動傳動液的粘度，溫度范圍為–40～100℃。在100℃時，運動粘度從7.2mm2/s 降低到 5.5mm2/s。這種油較小的粘度使得攪拌損失降低了30%，燃油消耗量降低了2%，而增加的泵油損失增加了燃油消耗量1%。這樣，燃油總的消耗能降低1% 。這里，作者指出，為避免磨損的增加，在100℃時降低齒輪油粘度需要提高油中抗磨劑和極壓劑的含量。
4 推廣多級齒輪油的效益分析
近25 年來國內(nèi)外有關(guān)多級齒輪油試驗和研究的成果表明，多級齒輪油使齒輪的效率明顯提高，使燃油經(jīng)濟性明顯改善。將單級油齒輪油換成多級齒輪油，使齒輪的效率明顯提高，一般可節(jié)約1%的汽車燃油，起到節(jié)約能源、降低排放的作用。歐美國家用多級齒輪油已形成制度。
目前在中國的齒輪油市場中礦物型單級齒輪油占主導地位（90％以上）?？紤]到中國的一般氣候條件和駕駛條件，如果用多級齒輪油替代單級齒輪油。全國至少可以節(jié)約1％的汽車燃油。中國2001 年的燃油消耗量大約為1 億噸，按每公升價格為3.3 元人民幣計算，在不考慮汽車數(shù)量增加的情況下(2001 年中國汽車保有量為18 020 000 輛)，節(jié)約1%的汽車燃油，在中國就意味著每年節(jié)約了10 億公斤的燃料，價值33億元人民幣。
中國政府在2002 年地球峰會上承諾批準京都議定書。這是中國政府對國際社會環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的貢獻。我國將承辦2008 年北京奧運會和2010 年上海世博會。從國家的經(jīng)濟利益出發(fā)和環(huán)保要求考慮，將單級油齒輪油換成多級齒輪油有至關(guān)重要的意義。
5 結(jié)論
（1）高規(guī)格的排放標準將被強制實行；減少汽車C02 排放的措施之一是提高燃油經(jīng)濟性，而降低由于汽車傳動系的摩擦引起的能量損失將有助于改善燃油的經(jīng)濟性。
（2）工作溫度是潤滑狀況或摩擦狀況的一種反映。高溫將縮短潤滑油的使用周期。利用高粘度指數(shù)可以獲得低的工作溫度和高的工作效率。
（3）研究結(jié)果證明，用多級齒輪油取代單級齒輪油能降低汽車的燃油消耗。使用SAE 75W-90 齒輪油比SAE 90 齒輪油能減少燃油消耗0.4％～5％。汽車燃油的消耗量對氣候條件和駕駛條件的依賴性很強。
（4）簡單的降低粘度可能是個誤導，其中潛伏著過度磨損的危險。取代單級齒輪油保險的做法是、通過增加VI 將粘度保持在單級齒輪油在100℃時候的水平，同時在低溫情況下、潤滑油粘度也能降低。
（5）目前在中國的齒輪油市場中礦物型單級齒輪油占主導地位，從國家的經(jīng)濟利益出發(fā)和環(huán)保要求考慮，將單級油齒輪油換成多級齒輪油有至關(guān)重要的意義。
（轉(zhuǎn)載）
