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(shí)、汽車對(duì)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(huì)大會(huì)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(shí)際行動(dòng)。各國政府在大會(huì)上紛紛提出行動(dòng)計(jì)劃、時(shí)間表和伙伴關(guān)系項(xiàng)目，特別是中國總理朱镕基在大會(huì)上宣布中國已核準(zhǔn)旨在延緩全球變暖的《京都議定書》，受到與會(huì)代表們的高度贊揚(yáng)。汽車工業(yè)對(duì)可持續(xù)發(fā)展應(yīng)作出的貢獻(xiàn)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(jì)性，而降低由于汽車傳動(dòng)系的摩擦引起的能量損失將有助于改善燃油的經(jīng)濟(jì)性。
可以用不同的方法來評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的組成對(duì)齒輪摩擦性能的影響。這其中包括從理論計(jì)算，車隊(duì)行車試驗(yàn)和溫控室內(nèi)的轎車底盤試驗(yàn)到齒輪箱或后橋的臺(tái)架試驗(yàn)。本文介紹了25 年來有關(guān)多級(jí)齒輪油的研究和發(fā)展以及其應(yīng)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(rùn)滑油的粘度及組成。形成的共識(shí)為、多級(jí)齒輪油極大地改善了汽車燃油經(jīng)濟(jì)性。最后、作者從可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)出發(fā)，分析了推廣應(yīng)用多級(jí)齒輪油帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)效益和深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。
1 國內(nèi)外對(duì)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(duì)于2.5 噸以下的汽車2000 年即達(dá)到歐洲III 號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)，2005 年即達(dá)到歐洲IV 號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于2.5 噸以上的汽車2001 年即達(dá)到歐洲III 號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)， 2006 年即達(dá)到歐洲IV 號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)。
中國規(guī)定汽車排放2004 年達(dá)到歐洲II 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)， 從2000 年起對(duì)達(dá)標(biāo)的汽車大幅度降低銷售稅。北京市計(jì)劃出臺(tái)使用汽車燃油質(zhì)量等級(jí)的規(guī)定。要求汽車排放2003 年達(dá)到歐洲II 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，2005 年達(dá)到歐洲III 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，2008 年達(dá)到歐洲IV 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。
美國政府對(duì)每個(gè)汽車制造商所生產(chǎn)的汽車的平均燃油消耗量都有著嚴(yán)格的限制（CAFE：公司平均燃油經(jīng)濟(jì)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(jì)依照由政府專門規(guī)定的程序來測(cè)量。美國的測(cè)評(píng)程序已由環(huán)境保護(hù)局（EPA）批準(zhǔn)，而歐洲的測(cè)評(píng)程序已由機(jī)動(dòng)車排放組織批準(zhǔn)（MVEG）。美國和歐洲的測(cè)評(píng)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(jí)齒輪油的研究與開發(fā)
2.1 多級(jí)齒輪油降低汽車油耗、減少排放的機(jī)理
當(dāng)前汽車齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是高效率、大功率和小尺寸。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用好的設(shè)備進(jìn)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(tái)好的齒輪箱。其實(shí)、這里面忽略了潤(rùn)滑油的問題。正確的做法是在設(shè)計(jì)、選材之初，就把潤(rùn)滑油作為一個(gè)機(jī)械零件來對(duì)待。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有75％的設(shè)備故障是由潤(rùn)滑不良引起的。但人們往往容易忽視潤(rùn)滑油的重要性，對(duì)潤(rùn)滑油的選用和應(yīng)用不重視，反而更樂意維修和更換零件，使設(shè)備的運(yùn)行成本大大提高。工業(yè)實(shí)踐從正反兩方面回答了這個(gè)問題。摩擦學(xué)的研究從理論上解釋了這個(gè)問題。
以齒輪傳動(dòng)為例，齒輪傳動(dòng)由于傳動(dòng)扭矩增大，常常使小尺寸的傳動(dòng)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(dòng)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)備的使用，這種狀況會(huì)更嚴(yán)重。摩擦傳動(dòng)會(huì)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(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果受所有的工作條件的影響。若工作溫度過高會(huì)引起摩擦改進(jìn)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(rùn)滑油不能承受這些惡劣的情況、齒輪傳動(dòng)就會(huì)受到破壞。反之，選擇正確的潤(rùn)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(dòng)設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：減小軸承和旋轉(zhuǎn)軸密封的摩擦、齒輪嚙合副的滑動(dòng)以及潤(rùn)滑油的飛濺和攪動(dòng)[1]。對(duì)用在動(dòng)力設(shè)備上的單級(jí)高速齒輪傳動(dòng)而言，由高速旋轉(zhuǎn)齒輪攪動(dòng)潤(rùn)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(rùn)滑油對(duì)于節(jié)約能源是十分重要的[3]。
多級(jí)齒輪油的特點(diǎn)是粘溫性能好，它能使汽車在低溫環(huán)境下或者啟動(dòng)溫度低的時(shí)候，油的粘度不致太高；而在高溫環(huán)境下啟動(dòng)或工作溫度較高時(shí)，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(dòng)機(jī)的油耗減少，排放降低。
2.2 多級(jí)齒輪油的開發(fā)
齒輪油粘度牌號(hào)中含有字母W 的則表示多級(jí)齒輪油。含W 字母的牌號(hào)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(yùn)動(dòng)粘度和最小的高溫/高剪切粘度。不含字母W 的則基于100℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度?？傊嗉?jí)油的粘溫性能好，具有良好的低溫啟動(dòng)性能和高溫工作性能。
目前，開發(fā)多級(jí)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(jī)構(gòu)和廠商都進(jìn)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(jìn)劑的著名生產(chǎn)者，它使用VW測(cè)試方法來證實(shí)和量化流體粘度、基礎(chǔ)油類型以及VI 改進(jìn)劑的化學(xué)性能對(duì)效率和工作溫度的影響[15，16]。
用ARKL 試驗(yàn)、研究基礎(chǔ)油、粘度以及VI 的分子結(jié)構(gòu)和重量對(duì)潤(rùn)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(jìn)劑的潤(rùn)滑油使工作溫度明顯降低。又用FZG 試驗(yàn)、研究多級(jí)油對(duì)傳動(dòng)效率的影響。模擬MVEG 的FZG 試驗(yàn)表明，含有聚甲基丙烯酸酯粘度指數(shù)改進(jìn)劑的多級(jí)油SAE 75W-90 明顯地提高了傳動(dòng)效率。RohMax 證實(shí)了VW 在基礎(chǔ)油方面的發(fā)現(xiàn)。但是RohMax 的進(jìn)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(gè)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(jìn)劑、不失為一個(gè)具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的配方。試驗(yàn)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(huì)增加0.4％～6％。試驗(yàn)中，模擬MVEG（歐洲機(jī)動(dòng)車輛排放）試驗(yàn)來設(shè)定參數(shù)。最近中國發(fā)布了一個(gè)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(dǎo)性文件[17]。
3 多級(jí)齒輪油的應(yīng)用研究
可以用不同的方法來評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的組成對(duì)齒輪摩擦性能的影響。這其中包括從理論計(jì)算，車隊(duì)行車試驗(yàn)和溫控室內(nèi)的轎車底盤試驗(yàn)到齒輪箱或后橋的臺(tái)架試驗(yàn)[2-16]。
德國教授Wilfried J. Bartz[18]對(duì)依靠齒輪油來提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)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(jì)算值，自動(dòng)變速及后橋的減摩量引起的燃油節(jié)省量的理論計(jì)算值等，而且理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相吻合。
在臺(tái)架試驗(yàn)中，Achsial-Rillen-Kugel-Lager(ARKL)試驗(yàn)和FZG 效率試驗(yàn)都是快速、高效測(cè)定齒輪潤(rùn)滑油的摩擦水平的有效工具。這些實(shí)驗(yàn)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(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上的齒輪箱試驗(yàn)有良好的一致性。VW 表示，和簡(jiǎn)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(jìn)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(jì)性，當(dāng)起動(dòng)溫度在–7℃時(shí)MVEG 市內(nèi)行駛可增加3.5％，在市外行駛可增加3.3％。
GM 進(jìn)行了在齒輪油EPA 試驗(yàn)[5]，即后橋室內(nèi)運(yùn)行試驗(yàn)程序研究潤(rùn)滑油粘度降低的效果。在EPA 實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)把粘度從SAE 80 減小到SAE 75 時(shí)，燃油量可減少0.3％；在GM在市內(nèi)周期試驗(yàn)中，當(dāng)起動(dòng)溫度為0℃時(shí)，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(huì)導(dǎo)致齒輪磨損量超過許可限度。
在一個(gè)卡車車隊(duì)行車試驗(yàn)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(jìn)劑的多級(jí)齒輪油SAE 75W-90 代替單級(jí)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(gè)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(jìn)的MVEG 市內(nèi)周期程序?qū)嵤┝藴y(cè)力計(jì)試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，用合成油SAE 75W-90 替代SAE90，對(duì)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(bào)導(dǎo)，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(yàn)中，與SAE 85W-140 礦物油相比，只有適當(dāng)?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(jì)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(jì)性能，而且工作溫度也較高。所以在應(yīng)用當(dāng)中，油的粘度應(yīng)保持SAE 140 在100°C 時(shí)的粘度水平。
德國變速器制造商[10]ZF 降低了轎車的自動(dòng)傳動(dòng)液的粘度，溫度范圍為–40～100℃。在100℃時(shí)，運(yùn)動(dòng)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(shí)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(jí)齒輪油的效益分析
近25 年來國內(nèi)外有關(guān)多級(jí)齒輪油試驗(yàn)和研究的成果表明，多級(jí)齒輪油使齒輪的效率明顯提高，使燃油經(jīng)濟(jì)性明顯改善。將單級(jí)油齒輪油換成多級(jí)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(jí)齒輪油已形成制度。
目前在中國的齒輪油市場(chǎng)中礦物型單級(jí)齒輪油占主導(dǎo)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(jí)齒輪油替代單級(jí)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(jià)格為3.3 元人民幣計(jì)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(jià)值33億元人民幣。
中國政府在2002 年地球峰會(huì)上承諾批準(zhǔn)京都議定書。這是中國政府對(duì)國際社會(huì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的貢獻(xiàn)。我國將承辦2008 年北京奧運(yùn)會(huì)和2010 年上海世博會(huì)。從國家的經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)和環(huán)保要求考慮，將單級(jí)油齒輪油換成多級(jí)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(biāo)準(zhǔn)將被強(qiáng)制實(shí)行；減少汽車C02 排放的措施之一是提高燃油經(jīng)濟(jì)性，而降低由于汽車傳動(dòng)系的摩擦引起的能量損失將有助于改善燃油的經(jīng)濟(jì)性。
（2）工作溫度是潤(rùn)滑狀況或摩擦狀況的一種反映。高溫將縮短潤(rùn)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(jí)齒輪油取代單級(jí)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(duì)氣候條件和駕駛條件的依賴性很強(qiáng)。
（4）簡(jiǎn)單的降低粘度可能是個(gè)誤導(dǎo)，其中潛伏著過度磨損的危險(xiǎn)。取代單級(jí)齒輪油保險(xiǎn)的做法是、通過增加VI 將粘度保持在單級(jí)齒輪油在100℃時(shí)候的水平，同時(shí)在低溫情況下、潤(rùn)滑油粘度也能降低。
（5）目前在中國的齒輪油市場(chǎng)中礦物型單級(jí)齒輪油占主導(dǎo)地位，從國家的經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)和環(huán)保要求考慮，將單級(jí)油齒輪油換成多級(jí)齒輪油有至關(guān)重要的意義。
（轉(zhuǎn)載）
