雙離合器自動變速器潤滑油性能要求和試驗方法

王穩，王庫房，尹興林，賈文

（1.西京學院機電工程系，陜西西安 710123;2.西安工程技術學校，陜西西安 710054;

3.西安公共交通總公司第二公司，陜西西安 710043;4.長安大學汽車學院，陜西西安 710064）

雙離合器自動變速器潤滑油性能要求和試驗方法

王穩1，王庫房2，尹興林3，賈文4

（1.西京學院機電工程系，陜西西安 710123;2.西安工程技術學校，陜西西安 710054;

3.西安公共交通總公司第二公司，陜西西安 710043;4.長安大學汽車學院，陜西西安 710064）

綜述了雙離合器自動變速器（dual clutch transmission，簡稱DCT）的發展現狀，介紹了離合器、液壓系統、齒輪傳動系統的工作特點，并與AT、MT、CVT、AMT變速系統進行對比，提出了DCT用潤滑油（dual clutch transm ission fluid，簡稱DCTF）的性能要求，并介紹了DCTF的試驗方法，隨著汽車節能及駕駛舒適對變速系統的要求，研制專用化、國產化高質量DCTF是DCT推廣和工作穩定的重要保證。

雙離合器自動變速器;濕式離合器;雙離合器自動變速器油;摩擦;潤滑;磨損

0 引言

隨著汽車技術水平的提高，節能減排的限制以及人們對汽車駕駛性能的不斷要求，汽車變速箱技術水平也在不斷進步。雙離合器自動變速器（DCT）技術對汽車燃油經濟性和換擋平順性有較大的提高，所以其在汽車上的裝配率不斷上升，有關機構預測DCT市場需求在2015年將達到10%［1］，國外DCT技術發展較早，如保時捷PDK（Porsche Dual Klutch）技術;大眾DSG（Direct Shift Gearbox）技術，福特歐洲公司GETRAG－Ford技術，沃爾沃Powershift技術，三菱TC－SST技術均屬于雙離合器自動變速箱技術;我國汽車技術發展較晚，汽車變速箱技術較為落后，DCT的發展基本屬于起步階段，一汽汽車、上汽汽車、浙江吉利汽車、江淮汽車、杭州前進齒輪箱集團、重慶青山、吉林大學等企業與高校開展了DCT的研究，國家863計劃對DCT的研發也正式立項，2009年，博格華納（中國）投資有限公司與中國中發聯投資有限公司（由一汽、上汽、東風、長安、奇瑞、華晨、江淮、長豐、吉利、廣汽、北汽、天海、長城組成）共同投資成立合資公司，生產和開發雙離合器自動變速器中的核心產品:雙離合器模塊、扭振減震器模塊和控制模塊。國產車裝配雙離合變速器的類型較少，大眾的DSG雙離合技術應用最廣，如:一汽大眾邁騰2.0TSI、高爾夫第六代1.4TSI、GTI、新帕薩特、均可配備6速DSG變速箱，速騰1.4TSI、新寶來、途安、斯柯達新明銳、昊銳1.4TSI均配備7速 DSG變速箱，此外，沃爾沃S40、長安福特2011款蒙迪歐－致勝GTDi200配備6速Poworshift變速器，國產奧迪Q5采用7速S－tronic雙離合變速器，部分民族汽車企業也在向雙離合技術不斷靠攏。由于DCT在國內應用的時間不長，在實際中也出現了一定的問題，如大眾裝配DSG的汽車使用過程中出現了以下故障:換擋時出現明顯間斷或連續的異響;換擋時頓挫感明顯超出正常范疇;低速或勻速行駛時突然加速或轉速突然升高;行駛時擋位只能停留在1、3、5、7四個奇數擋上等，這些故障的造成除了DSG本身的設計外，它所使用的潤滑油對其有很大影響［2－3］。DCT系統的工作特點不同于已有的AT、MT、CVT和AMT系統，相比傳統的自動變速器油（ATF），雙離合器自動變速器油（DCTF）需要滿足齒輪、軸承、軸類等零件的潤滑以及同步器摩擦特性的要求，用于DCT的潤滑油要同時具有手動變速器油和自動變速器油的功能和技術要求。

因此，研發DCT專用的自動變速器油是保證DCT可靠運行的迫切需求。

1 雙離合器自動變速器油發展概況

DCTF和ATF發展類似，沒有統一的標準，不同的變速器，各OEM廠商、汽車廠商、潤滑油公司都有不同的要求。BP石油與德國格特拉克（GETRAG）、美國福特發動機制造公司共同開發了BOT 341DCT專用油，該油可在高、低溫條件下正常工作，并滿足離合器、液壓、齒輪等機構的要求。路博潤公司2003年就申請了用于雙離合器油的專利US6528458［4］，主要成分為適宜黏度的基礎油、摩擦改進劑、清凈分散劑、專用DMTD添加劑，該發明在日本（JP2010196063 （A））［5］、歐洲（EP1499701（A1）、EP1499701（B1））、世界知識產權局（WO 03089553（A1））均已申請專利;美國雅富頓公司2006年在中國申請了《用于雙離合器傳動裝置的流體組合物》，潤滑流體包括基礎油、琥珀酰亞胺無灰分散劑、琥珀酰亞胺摩擦改進劑和磷酸酯，分散劑中含有磷和硼元素，并提出該油品對同步器的抗磨損保護性能明顯，減小了摩擦系數［6］。在DCTF的研發和應用方面，國外也沒有形成統一的標準體系，德國的Pentosin公司在DCTF的生產應用中較為領先，并針對不同的雙離合變速箱生產了不同系列的DCTF（如表1所示）。

表1 德國Pentosin公司不同系列DCTF

續表

國內適用于雙離合器自動變速器的潤滑油種類較少，而且大部分以路博潤、殼牌、BP等國外公司的產品為主，國產品牌較少，中國石油化工集團面市有雙離合器自動變速器專用油，地方企業更是寥寥無幾。中國石化北京石油化工科學院、中國石油蘭州潤滑油研發中心、中國石油大連潤滑油研發中心均有自動變速器油的研發體系?？傮w上講，國內對DCTF的研發較晚，基本處于開始階段，國內裝配率相對較高的雙離合變速箱技術屬大眾的DSG技術，DCTF的標準應該以適應DSG為主，并輔以兼顧其他變速箱技術。

2 DCT結構與油循環系統［7］

研究適合的DCT用油必須對DCT工作原理及其油循環系統有充分的認識。其中國內大眾的直接換擋雙離合變速器DSG最為著名，普及程度最高，DSG分為DQ250和DQ200兩種類型，分別是采用濕式離合器的6速和采用干式離合器7速，7速與6速變速箱相比所裝的變速箱油量較少，6速變速箱中標準裝油7.2 L，以下主要以6速DQ250變速箱為例介紹其工作結構及原理，如圖1所示。DSG主要由輸入軸、輸出軸、離合器、冷卻液壓系統、電控單元組成。有個預掛擋的步驟:一個離合控制1、3、5、倒擋，另一個離合控制2、4、6擋。當變速器處于工作狀態時，例如變速器在3擋運行時，那么2擋和4擋已經處于待命狀態，在整個換擋期間能確保最少有一組齒輪在輸出動力，從而不會出現手動擋換擋時的動力中斷的狀況，動力便會由其中一條傳動軸作無間斷的傳送，使換擋更平順，響應更快。

雙離合器模塊、扭振減震器模塊和控制模塊的技術是雙離合自動變速箱的核心技術，這些模塊及關鍵零部件的工作狀態及控制精度對DCT的工作影響較大，油系統的性能好壞對DCT的潤滑、冷卻、壓力傳遞都有相當大的影響，DCT對所有的傳動功能有共同的循環油路，需要用DCTF潤滑的部件主要有:雙離合器、齒輪、軸、軸承、同步器、油泵等。

圖1 大眾6速DSG工作結構

2.1 DCT離合器冷卻油系統［8］

片式離合器中的機械摩擦提高了雙離合器的溫度，但是溫度不得過高，否則必須進行冷卻，在循環油系統內部，有獨立的離合器冷卻油循環系統，變速器通過接收油溫傳感器檢測的油溫，控制冷卻油滑閥的打開，進行冷卻油流量控制，從而降低離合器片的溫度。大眾6速DSG離合器冷卻油系統如圖2所示，DSG最大冷卻油壓為0.2 MPa，片式離合器中流出的油溫較高，測其溫度的油溫傳感器的工作范圍在－55～180℃之間;變速器電控機構上也安裝有油溫傳感器，檢測機電控制機構上的溫度，當油溫超過138℃時，機電機構使發動機轉速下降，當超過145℃時，不再向片式離合器供油，使離合器脫開，導致汽車動力中斷，所以離合器工作溫度不能過高。

圖2 大眾6速DSG離合器冷卻油系統

2.2 DCT液壓控制系統

離合器片結合程度的高低，直接影響發動機扭矩傳遞的效率。離合器主要分為干式離合器與濕式離合器，干式雙離合片之間在結合時沒有油液潤滑，片的摩擦系數較大，離合器片間不易發生滑轉，變速箱反應更加靈敏，但離合器片的溫度容易上升，磨損較為嚴重;濕式雙離合器由于有油液的潤滑，減少了離合器片的磨損，但是片之間的潤滑油會使其發生打滑，一定程度上降低了反應的靈敏度，并且液力系統在傳遞力時會有一定的延遲。大眾6速DSG油循環系統見圖3。DSG通過壓力傳感器檢測液壓系統油壓，保證離合器片之間的壓力，使油壓系統的壓力等于離合器片上的壓力，控制離合器結合時力的大小，所以要求潤滑油具有一定的承載減摩能力和扭矩傳遞能力。

圖3 大眾6速DSG油循環系統

2.3 其他潤滑部分

除了離合器的冷卻、潤滑及壓力控制以外，各齒輪、軸、軸承、同步器、襯墊也需要潤滑油的潤滑與保護，與手動變速器、自動變速器對潤滑油的要求基本相同，但由于油溫的升高和扭矩控制的不同，潤滑油工作條件更加苛刻，對潤滑油的要求也更高。

3 雙離合器自動變速器對DCTF的要求

3.1 適宜的黏度和黏溫性能

DCTF在高溫條件下要保證良好的潤滑、冷卻性能，防止離合器片過熱，并且在低溫下要保證啟動性能和泵送性能。

ATF的發展從DexronⅡD、DexronⅡE、M115、DexronⅢ、DexronⅥ、Mer LV、ATF3353、ATF134、ZF1375.4到福特的MER SP規格，油品的黏度總體上是變小的。低黏度油品在保證形成足夠油膜厚度的前提下可降低系統傳動阻力和功率損耗，增加流體流動速度，使系統散熱更快，DCT系統工作溫度較高，液壓、冷卻循環系統的效率對DCT工作穩定性影響很大，一般要求DCTF比手動變速箱齒輪油黏度小，高、低溫黏度性能與ATF的黏度相當［9］。DCTF在滿足要求的前提下，黏度應該越小越好，如果幾組研制油通過其他性能測試，那么選擇黏度最小的配方組成。

3.2 相宜的靜、動摩擦特性

摩擦特性是DCTF的重要特性之一，由于回轉部件具有轉動慣量，離合器在結合時需要把這些轉動慣量吸收，當摩擦片間相對轉速接近于0時會出現瞬時高轉矩，即瞬時高摩擦系數，這往往會引起離合器和制動器的振動和噪聲，直接影響到換擋及制動的平穩性［10］。這可以通過靜摩擦系數和動摩擦系數評價，動摩擦系數過小，離合器結合時滑動增大，啟動轉矩損失大;靜摩擦系數過大，離合器在結合最后階段會引起轉矩的激烈增大，使換擋感覺不夠平順。所以，DCTF應具有與摩擦材料相匹配的靜摩擦系數和動摩擦系數［11］。

在減少扭矩傳遞中損失的同時，離合器在結合時要盡量提高離合器片間的摩擦系數，但摩擦系數不能太大，以免增大離合器間的摩擦，產生磨損，降低了接觸時的平滑性，增加了接觸扭振，在DCTF中加入摩擦改進劑時既要考慮離合器的平滑接合、減小扭振，又要考慮結合時的扭矩損失，使兩者達到一個平衡。DCTF也要求具有與ATF相當的濕式離合器的摩擦穩定特性、滿足離合器接合特征。

摩擦耐久性也是DCTF抗磨減摩的一個重要指標，主要通過循環試驗檢驗。

3.3 較高抗磨減摩性能

抗磨性是機械傳動時對油品的基本性能要求，變速器中的行星齒輪、軸瓦、防震墊、油泵、離合器圓盤、制動閘帶要保證不發生異常磨損現象。DCT是以手動變速器作為基礎，加上離合器和液壓及電控系統，所以基本的齒輪潤滑要滿足MTF要求，符合耐承載特性、抗疲勞磨損特性。但MT/AT在換擋時，同步器將輸入軸齒輪和輸出軸齒輪嚙合，而DCT的輸入齒輪與輸出齒輪是常嚙合狀態，同步器一直在輸入與輸出齒輪上結合，僅僅通過離合器動作接合動力，使換擋更快，同步器工作更為苛刻，所以DCTF的抗點蝕、抗擦傷、抗磨損保護要至少達到MTF的同等性能，與MTF相當的同步器摩擦特性，并且要配合同步器材料、結構，使同步器發揮較高性能的同時保持穩定性。

3.4 較好的抗氧化性能

因為DCT離合器在工作時會產生較大的熱量，所以DCTF的熱穩定性和高溫下的抗剪切穩定性是非常重要的，而高溫條件下油品的氧化速度對其有很大影響，潤滑油分子在高溫條件下氧化速度過快，油中容易產生油泥等高分子聚合物，增大油品的黏度、降低流動性，同時，黏度指數改進劑之類的高分子化合物分子結構容易在載荷變化下發生破裂，承載能力降低，減小了油品的抗剪切性能，由于DCT具有三根軸，中間輸入軸和兩根輸出軸同時接觸，中間軸齒輪較AT、MT齒輪工作條件更為苛刻，在齒輪齒面接觸時要避免油膜在齒面剪切作用下發生破裂，以保證能夠承受高的機械負荷。DCT與AT相比溫度更高，DCTF的抗氧化性能至少與ATF性能相當。

3.5 其他性能要求

液壓系統中油品含有氣泡會引起系統主油壓降低，導致離合器打滑、換擋滯后，齒輪磨損嚴重等故障發生，為了保證離合器控制和液壓控制安全可靠，DCTF必須具有一定的抗泡性，選擇合適的抗泡添加劑解決;同時DCTF要有一定的防腐性能，防止銅、鋼、鋁等金屬在低溫下產生腐蝕。

與MTF和ATF相比，國內DCTF沒有明確的產品規格標準，綜合以上，DCTF的開發仍參照ATF標準，在某些性能上至少要與AT/MT用變速箱油分別相等，要具有適宜的黏度和黏溫性能，相宜的靜、動摩擦特性，摩擦耐久性，較高抗磨減摩性能，較好的抗氧化性能，抗剪切性能，一定的抗泡性和防腐性。

4 DCTF主要性能測試方法及要求［12－13］

DCTF性能兼顧了AT與MT的性能特點，在某些性能方面要求更高，各指標試驗方法與ATF大致相同，主要包括黏度、閃點、燃點、腐蝕、泡沫、磨損等基本試驗，以及摩擦特性、循環試驗和氧化試驗等重要嚴格試驗項目。

4.1 黏度與黏溫性

福特公司Mercon規格要求100℃運動黏度不低于6.8 mm2/s，一般規定黏度指數在170以上，在不同的低溫條件下布氏黏度有相應的限值。SAEJ306對車輛用齒輪油黏度分類還要求經CEC L－45－T－93試驗，20 h KRL圓錐滾子軸承剪切試驗后，仍需符合該級油品100℃最低黏度規范的要求，評定高溫黏度的方法采用ASTM D445（GB/T 265）方法，低溫黏度一般采用ASTM D2983（GB/T 11145）方法測定。

4.2 閃點與燃點

閃點、燃點與DCTF所選用的基礎油中輕質成分的多少有很大關系，通用汽車DEXⅡE，DEXⅢ規格的閃點分別不低于160℃和170℃，福特Mercon規格不低于180℃，通用DexronⅡE，DexronⅢ規格燃點分別不低于175℃和185℃，試驗方法采用ASTM－92。由于DCT中片式離合器的油溫要求在－30～150℃之間，所以DCTF的閃點、燃點至少應達到ATF的水平。

4.3 腐蝕試驗

通用Dexron和福特Mercon規格通過銅片腐蝕和銹蝕實驗來評價抗腐蝕性，分別采用ASTM D130和ASTM D665試驗標準，DEXⅡE規格要求銅片在150℃下保持3 h后無黑色、表面剝落。DexronⅢ和Mercon規格要求銅片腐蝕等級小于1b。DCT與AT的密封性相近，抗腐蝕性能要求基本相同。

4.4 抗泡性

通用汽車采用GM6137－M方法G測試抗泡沫性，DEXⅢE規格要求95℃時無泡沫，135℃時泡沫高度不超過10 mm，消泡時間不超過23 s;福特汽車采用ASTM D－892測起泡特性，New Mercon規格要求在24℃、93℃、150℃時100 mL中無氣泡。

4.5 磨損試驗

通用、福特和埃列遜公司均采用葉片泵磨損失重試驗評價抗磨損性能，試驗標準為ASTM D2882，以試驗后葉片泵和定子總失重的毫克數來表示，最大磨損不超過15 mg。我國SH/T 0307石油基液壓油磨損特性測定法（葉片泵法），英國IP 281 V－104葉片泵試驗法也可評價。中國石油蘭州潤滑油研發中心頡敏杰［14］等也采用四球法對ATF進行抗磨試驗，與葉片泵法的相關度較高，DCTF建議使用葉片泵法。

4.6 摩擦特性試驗

摩擦特性是全部性能中最重要、又最難達到的性能，它是換擋感覺、動力矩負荷和摩擦耐久性的綜合平衡性能。摩擦特性試驗主要包含:靜摩擦試驗、動周期摩擦試驗、臺架實機周期試驗、行車試驗。

通過實際摩擦片、摩擦帶和鼓的嚙合試驗來測定靜摩擦扭矩、動摩擦扭矩、最大扭矩和嚙合時間來評價油液的摩擦特性。對紙質、鋼片、石墨等類型離合器的摩擦特性，GM公司的DexronⅡD、ⅡE、Ⅲ及Ford公司的Mercon、NewMercon和埃里遜公司的A11ison C－3、C－4規格都要求用SAE No.2摩擦試驗機來評定，通用與福特的標準為SD－1777。德國國家在歐洲理事會DKA也有相應的試驗方法，與SAE No.2非常相似。

對離合器的低速滑動性能，通用公司用LVFA低速摩擦試驗機評價，它的改進型速度可變式摩擦試驗儀（VSFT）、μ－v試驗臺也可用來評價［15］。日本JASO M349自動傳動液防抖動性能試驗方法也采用LVFA試驗機，該方法利用摩擦系數μ與滑動速度v特性來評價自動傳動液的抗抖動性能的好壞［16］。我國早期還通過中國船舶總公司第七研究院七一一研究所的離合器摩擦元件動態性能試驗臺測試過ATF的摩擦特性，并具有良好的區分性［17］。中科院蘭州化學物理研究所胡盛學等人采用改進后的Flax－I型摩擦磨損試驗機進行了ATF試驗［18］。

對齒輪的摩擦特性，通過齒輪及齒輪箱研究所FZG刮擦試驗測試齒輪耐負重性能，通過FZG點蝕試驗測試抗疲勞性能。將一對直齒輪浸沒在試驗油池（約為1200 m L）中，并開始加熱至90℃。試驗齒輪在1450 r/mm下運轉，所加負荷共分12級（98～15680 N）每級運行15 min。在各級試驗結束時，檢查齒輪的膠合痕跡，并稱量齒輪質量，確定因磨損而失掉的金屬量，根據質量損失判定失效，并且該實驗可考察齒輪的擦傷、點蝕和微點蝕。

對于同步器摩擦特性，可以采用μ－comb同步器測試臺和FZG SSP180臺架測試同步器性能，FZG SSP180同步器單體測試機應用較廣泛，試驗標準為CEC L－66－T－99。

軸承磨損采用FAG實驗法，通過FE8試驗臺測試齒輪撞擊、同步器磨損、同步器黏著的程度，標準為DIN51819。

4.7 循環試驗

循環試驗指THCT透平液壓自動循環臺架試驗，它模擬汽車在城市停停開開的工況，考察變速箱油的抗氧化性能、摩擦穩定性、潤滑性、黏度穩定性和對冷卻器青銅的腐蝕情況，測試自動變速箱整個運行周期及使用溫度范圍內摩擦特性的變化，考察摩擦耐久性。

該試驗是用發動機驅動一臺自動變速器，經20000周期循環試驗后，檢測自動變速器各部件狀態，并測定換擋時間和油品性能變化，Dexron和Ford Mercon均要求順利通過20000次循環。

為了試驗尤其在摩擦副持久滑動情況時的換擋和摩擦行為，傳動裝置制造廠商ZF研制了GK試驗臺，它可以將被測油溫降低至－20℃，檢測油品的低溫啟動性能;連續滑動扭矩轉換離合器臺架（CSTCC）也可以很好地模擬相應的工作條件，評價摩擦穩定性。

4.8 氧化試驗

氧化試驗方法較多，GM公司通過THOT（Turbo hydramatic oxidation test）氧化臺架來評定，采用一臺THM－350或4L－60自動變速箱，在163℃通空氣90 mL/min下運轉300 h，測定試樣酸值、碳基吸收峰變化、高、低溫黏度，并檢查傳動部件狀態及冷卻器青銅合金腐蝕情況，但GM的THOT臺架試驗每次需消耗一臺自動變速箱，評定費用較高;Ford的Mercon規格要求采用ABOT（Aluminum Beaker Oxidation Test）鋁杯氧化試驗來評定，每次試驗裝油250 mL，在155℃下通空氣5 mL/min運轉300 h，測定油品黏度、酸值、戊烷不溶物、碳基吸收峰變化以及銅、鋁片外觀。

5 建議

開發新的適用于DCT系統的油品是非常必要的，既要滿足質量的要求，也要不斷的降低成本，它的開發特性在于要達到齒輪油和自動變速器油的兩方面性能，鑒于DCTF的開發成本及技術難度較大，潤滑油生產商、變速器企業、汽車生產商、高校以及科研單位應共同協作，引入國外較先進的評價方法和設備，建立DCTF開發流程和質量標準，為DCT的應用提供保證。

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Quality Requirem ents and Test Methods of Dual Clutch Transm ission Fluid

WANGWen1，WANG Ku－fang2，YIN Xing－lin3，JIAWen4
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Xijing University，Xi＇an 710123，China;2.Xi＇an Institute of Engineering and Technology，Xi＇an 710054，China;3.The Second Company of Xi＇an Public Transport Company，Xi＇an 710043，China;4.College of Automobile，Chang＇an University，Xi＇an 710061，China）

The development statusof dual clutch transmission（DCT）is described.Theworking characteristics of clutch，hydraulic system and gear transmission system are introduced，which is compared with AT，MT，CVT and AMT systems.Quality requirements and testmethods for the dual clutch transmission fluid（DCTF）are presented also.With the growing requirements of automobile energy saving and driving com fort to the transmission system，developing a special，domestic and premium DCTF becomes very important to the DCT＇s promotion and stability work.

DCT;wet clutch;DCTF;friction;lubrication;wear

U473.74

A

1002-3119（2012）01-0050-06

2011－06－28。

王穩（1984－），男，助教，2009年畢業于長安大學汽車學院載運工具運用系，現任西京學院機電工程系教師，研究方向為發動機潤滑與節能。