商用車液壓轉向系統用油與橡膠的相互作用考察

閆瑾，許揚，徐小鵬，汪玉瑄，王彥冬

(一汽解放汽車有限公司，吉林 長春 130011)

0 引言

汽車轉向系統是用來改變或恢復汽車行駛方向的專設機構，商用車通常采用液壓動力轉向系統[1]，為確保液壓動力系統正常工作，需要向系統中加注能夠起到液壓、傳動雙重作用的合適油品。目前采用的油品通常為自動傳動液、專用動力轉向油及8號液力傳動油。

液壓動力轉向系統在使用過程中，常出現轉向油罐中油品液位下降現象，排除機械因素，通常是由系統密封不良引起的。為避免系統漏油現象發生，需要進行橡膠相容性試驗。現有的橡膠相容性試驗標準[2]對于試驗后的油品沒有考察，無法評定油品與橡膠件之間的相互作用關系。

本文依據轉向系統的使用情況，結合國內外潤滑油橡膠相容性試驗標準，設定了橡膠相容性試驗條件，考察不同類型轉向系統用油與橡膠件的相互影響。并在綜合分析試驗結果的基礎上，提出轉向系統用油建議。

1 試驗過程

1.1 試驗條件設定

商用車液壓動力轉向系統通常由轉向泵、轉向油罐、轉向器及連接管路組成，各總成件所用油封以丁腈橡膠(NBR)、氟橡膠(FKM)為主，連接管路以聚丙烯酸脂橡膠(ACM)為主。轉向系統用油常處于13～17 MPa的高壓狀態，工作溫度一般在120 ℃左右；在頻繁轉向等苛刻工況下，油溫可達150～160 ℃。某企業液壓動力轉向系統用油橡膠相容性試驗條件，見表1。

表1 某企業液壓動力轉向系統用油橡膠相容性試驗條件

對比以上試驗條件，專用動力轉向油的試驗溫度最符合商用車液壓動力轉向系統非極端條件下的實際工況。

另外，為增加橡膠件在冷熱交變下的變化情況考察，在參考專用動力轉向油橡膠相容性試驗條件基礎上，作以下改進：

(1)試驗前后用試驗油浸泡橡膠件各24 h，保證油品與橡膠件的充分融合；

(2)試驗過程采取間斷試驗法，以每加熱8 h后置于室溫16 h為一個循環，共進行12個循環，模擬橡膠件在冷熱交變下的變化情況。

1.2 試驗樣品

橡膠試片選取某企業商用車液壓動力轉向系統使用的丁腈橡膠(NBR)、氟橡膠(FKM)及聚丙烯酸酯橡膠(ACM)，基本情況如表2所示。

表2 試驗橡膠試片基本情況

選取不同種類的商用車液壓動力轉向系統用油作為試驗油，基本情況如表3所示。

表3 試驗油基本情況

1.3 試驗步驟

試驗前，將丁腈橡膠(NBR)、氟橡膠(FKM)及聚丙烯酸酯橡膠(ACM)裁剪為10 mm×20 mm的試驗片各3片，測定試驗片在空氣中的質量、在水中的質量及A型邵爾表觀硬度。用棉線將試驗片捆扎后，置于試驗油中24 h。

試驗中，將試驗油與試驗片置于(130±0.5)℃烘箱中，以每加熱8 h后自然冷卻于室溫16 h為一個循環，共進行12個循環。

試驗后，試驗片繼續置于試驗油中24 h后，用棉花將試驗片表面油漬擦凈，測定試驗片在空氣中的質量、在水中的質量及A型邵爾表觀硬度，測定試驗油的運動黏度及黏度指數。按照式(1)計算試驗前后的試驗片質量變化率、體積變化率、硬度變化率及試驗油運動黏度變化率、黏度指數變化率。

η=B-AA×100%

(1)

式中：

A——試驗前試驗項目數值，如質量、體積、硬度、運動黏度、黏度指數等；

B——試驗后試驗項目數值，如質量、體積、硬度、運動黏度、黏度指數等。

2 結果討論

2.1 試驗油對橡膠試驗片的影響

參考某企業液壓動力轉向系統用油橡膠相容性質量指標對橡膠試驗片物理變化進行評定，各項質量指標如表4所示。

表4 某企業商用車液壓動力轉向系統用油橡膠相容性試驗質量指標

2.1.1 質量變化

試驗后，試驗片質量變化率如圖1所示。

圖1 橡膠試片的質量變化率

橡膠件浸泡在潤滑油中，發生溶劑小分子與橡膠大分子的相互融合。較短時間內，溶劑小分子向橡膠大分子間隙擴散，橡膠件質量增加、體積膨脹，當橡膠大分子交聯點間的分子鏈成無干擾伸展時，橡膠大分子的分子間作用力為零，達到溶脹平衡。隨著浸泡時間的延長，未交聯到網格中的分子鏈成為游離分子，逐漸從橡膠中溶出，橡膠的質量、體積隨游離大分子溶出逐漸變小，變化幅度與游離分子及橡膠網格的大小有關。

由圖1可得，丁腈橡膠(NBR)質量變化率為-5.10%～-2.58%，氟橡膠(FKM)質量變化率為

-0.07%～0.65%，聚丙烯酸酯橡膠(ACM)質量變化率為-0.36%～2.16%，三種試驗橡膠件的質量變化幅度呈現一定規律: 丁腈橡膠(NBR)>聚丙烯酸酯橡膠(ACM)>氟橡膠(FKM)。

丁腈橡膠(NBR)在ATF-3中的質量變化幅度最小；氟橡膠(FKM)在TF-4中的質量變化幅度最小；聚丙烯酸酯橡膠(ACM)在TF-2中的質量變化幅度最小。綜合三種試驗橡膠試片的質量變化幅度，ATF-3試驗油和PSF-1試驗油對橡膠件的質量變化影響最小。

2.1.2 體積變化

試驗后，試驗片體積變化率如圖2所示。

圖2 橡膠試片的體積變化率

由于溶劑小分子與橡膠大分子的相互融合作用，試驗橡膠件的體積變化率與質量變化率存在相似規律。由圖2可知，丁腈橡膠(NBR)體積變化率為-6.48%～-3.87%，；氟橡膠(FKM)體積變化率為 -0.05%～1.45%；聚丙烯酸酯橡膠(ACM)體積變化率為-1.10%～2.24%。橡膠試驗片的體積變化幅度為丁腈橡膠(NBR)>聚丙烯酸酯橡膠(ACM)>氟橡膠(FKM)。

丁腈橡膠(NBR)在ATF-3中體積變化幅度最小；氟橡膠(FKM)在TF-4中體積變化幅度最小；聚丙烯酸酯橡膠(ACM)在ATF-1中體積變化幅度最小。綜合三種橡膠試片的體積變化幅度，在ATF-3和PSF-1中三種橡膠試驗件的體積變化幅度均很小，能夠較好地預防油品泄露風險。

2.1.3 硬度變化

試驗后，試驗片硬度變化率如圖3所示。

圖3 橡膠試片的硬度變化率

橡膠在潤滑油中浸泡，潤滑油進入到橡膠分子網格中，橡膠溶脹，硬度下降。溶脹平衡后，橡膠中的游離分子溶出，橡膠體積縮小，硬度變大。同時，橡膠在高溫環境下浸泡在潤滑油中會發生熱氧化，硬度變大。

由圖3可得，丁腈橡膠(NBR)硬度變化率為4.88%～12.20%, 氟橡膠(FKM)硬度變化率為-2.38%～7.14%，聚丙烯酸酯橡膠(ACM)硬度變化率為11.11%～29.63%。三種橡膠的硬度變化幅度呈現一定規律，硬度變化幅度: 聚丙烯酸酯橡膠(ACM)> 丁腈橡膠(NBR)>氟橡膠(FKM)。

其中丁腈橡膠(NBR)在ATF-3和TF-3中硬度變化最小；氟橡膠(FKM)在TF-3中硬度變化最小；聚丙烯酸酯橡膠(ACM)在ATF-1中硬度變化最小。綜合三種橡膠的硬度變化情況， 在ATF-1中三種橡膠的硬度變化均很小。

2.2 橡膠試驗片對試驗油的影響

為考察橡膠對試驗油的影響，按照設定的試驗條件進行試驗，用空白試驗油(不加入橡膠件，其他試驗條件相同)作參比，來扣除熱氧化對試驗油的影響，計算試驗油100 ℃運動黏度變化率與黏度指數變化率。

2.2.1 黏度變化

橡膠相容性試驗后，試驗油與空白試驗油100 ℃運動黏度變化率如圖4所示，η-100-1為試驗油的100 ℃運動黏度變化率，η-100-0為空白試驗油100 ℃運動黏度變化率。

圖4 試驗油的100 ℃運動黏度變化率

試驗油的100 ℃運動黏度變化率為-3.05%～0.50%。試驗油與空白試驗油100 ℃運動黏度變化率絕對值差值為0.03%～0.3%，說明橡膠試驗片對試驗油的黏度變化影響十分微小，可以忽略不計。

2.2.2 黏度指數變化

橡膠相容性試驗后，試驗油與空白試驗油的運動黏度指數變化率如圖5所示，η-VI-1為試驗油黏度指數變化率，η-VI-0為空白試驗油的黏度指數變化率。

圖5 試驗油的黏度指數變化率

試驗油黏度指數變化率為-1.11%～1.84%。試驗油與空白試驗油的黏度指數變化率絕對值差值為0.7%～2.2%，遠小于常見指標，橡膠試片對試驗油黏度指數變化率的影響可以忽略不計。

由圖4、圖5可得，橡膠試驗片對試驗油的100 ℃運動黏度變化率、黏度指數變化率影響均很小，遠小于常見的要求，說明橡膠試驗片對試驗油的影響可以忽略不計。

2.3 轉向系統用油建議

匯總圖1至圖3數據得到圖6，根據圖6所示結果給出轉向系統用油建議。

圖6 橡膠試片與試驗油橡膠相容性試驗結果

僅從橡膠相容性方面考慮，如果轉向系統密封件材料為丁腈橡膠(NBR)，由圖6(a)中所示，丁腈橡膠(NBR)與ATF-3和TF-3的橡膠相容性最好(質量變化率、體積變化率、硬度變化率三者綜合結果最低)，而ATF-3的價格遠高于TF-3，考慮性價比，選用TF-3作為轉向系統用油最優；同理，如果轉向系統密封件材料為氟橡膠(FKM)，由圖6(b)中所示，選用TF-3最優；如果轉向系統密封件材料為聚丙烯酸酯橡膠(ACM)，由圖6(c)中所示，選用ATF-1作為轉向系統用油最優。

3 結論

根據商用車液壓動力轉向系統用油與橡膠相互作用試驗結果，得到以下結論：

(1)在8種試驗油中，丁腈橡膠(NBR)的質量變化率為-5.10%～-2.58%，體積變化率為-6.48%～-3.87%，硬度變化率為4.88%～12.20%。聚丙烯酸酯橡膠(ACM)質量變化率為-0.36%～2.16%，體積變化率為-1.10%～2.24%, 硬度變化率為11.11%～29.63%。氟橡膠(FKM)的質量變化率為-0.07%～0.65%，體積變化率為-0.05%～1.45%，硬度變化率為-2.38%～7.14%。

(2)橡膠試片與8種試驗油的橡膠相容性: 氟

橡膠(FKM)>丁腈橡膠(NBR)>聚丙烯酸酯橡膠(ACM)。

(3)丁腈橡膠(NBR)與ATF-3和TF-3的橡膠相容性相對最好，氟橡膠(FKM)與TF-3的橡膠相容性相對最好，聚丙烯酸酯橡膠(ACM)與ATF-1的橡膠相容性相對最好。

(4)橡膠試片對油的影響十分微小，可以忽略不計。