我國重負荷車輛齒輪油規格的最新發展

王明明，石順友

(1.華航環境發展有限公司， 北京 100071；2.中國石化潤滑油有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525011)

0 引言

重負荷車輛齒輪油是重要的車用潤滑劑，用于汽車傳動系中驅動后橋的齒輪潤滑。隨著汽車工業的快速發展，車輛設備特別是各類重載運輸車輛設備性能結構的不斷改進和車輛齒輪技術的革新，對重負荷車輛齒輪油提出了新的更高的性能要求，相應的重負荷車輛齒輪油的規格也在不斷演變和發展，以期推出最合適的油品性能，以滿足車輛驅動橋齒輪的潤滑要求和應用市場需求。

1 我國重負荷車輛齒輪油規格的現狀

我國車輛齒輪油經過發展、產品升級換代，質量水平不斷提升。20世紀60年代，參考前蘇聯制定了車輛齒輪油產品標準，因均屬于渣油型，產品的質量水平較低，70年代開發了餾分型車輛齒輪油，80年代為了節能和改變汽車仍使用渣油型齒輪油的落后狀況，廢止了渣油型車輛齒輪油，并大力推廣餾分型產品。為滿足我國汽車工業發展的需要，在“六五”、“七五”期間，經過科研攻關，研制生產了完全符合API GL-5質量水平的重負荷車輛齒輪油，且參照美軍MIL-L-2105B(單級油)和MIL-L-2105D(多級油)車輛齒輪油規格，制定了GB 13895-92《重負荷車輛齒輪油(GL-5)》國家強制性標準[1]，并一直沿用至今。

在GB 13895-92實施長達將近30年的時間里，車輛潤滑劑技術得到了飛速發展，車用潤滑劑特別是內燃機油的質量水平到得了質的提升，其規格進行了多次更新升級，如柴油機油API規格已更新升級了七代，從API CD發展到了API CK-4規格和節能型規格API FA-4[2]。國外重負荷車輛齒輪油規格也進行了多次更新升級，如GB 13895-92等效采用的美軍MIL-L-2105B和MIL-L-2105D規格經多次修訂升級為MILPRF-2105E(1995)《多效齒輪油》，而MILPRF-2105E在2005年被美國軍方取消，以SAE J2360標準替代。SAE J2360標準由軍用標準演變而來，于1998年編制而成，是與MILPRF-2105E規格同等的技術標準，并于2012年進行了更新升級，以確保與市場的需求同步[3-4]。與此同時，我國重負荷車輛齒輪油的應用市場也發生了諸多深刻變化，比如要求更長的換油周期、更多的黏度等級、更好的燃油經濟性和更高的低溫性能等，顯然GB 13895-92已無法滿足我國重負荷車輛齒輪油更新換代和質量升級的要求，急需修訂和升級更新。

2 重負荷車輛齒輪油(GL-5)GB 13895-2018

為滿足設備的潤滑要求和新的市場需求，改變現有標準嚴重滯后的現實情況，在參照美國材料與試驗協會ASTM D7450 -2013標準基礎上，并結合應用市場的需求情況，由中國石化潤滑油有限公司牽頭負責修訂GB 13895-1992，制定了GB 13895-2018重負荷車輛齒輪油(GL-5)標準，該標準由國家市場監督管理局和國家標準化管理委員會聯合發布，并于2019年02月01日正式實施，其技術要求和試驗方法[5]如表1。重負荷車輛齒輪油國家標準的此次更新升級，順應了市場趨勢，對進一步推動我國重負荷車輛齒輪油的質量升級和規范市場用油具有重要意義。

表1 GB 13895-2018重負荷車輛齒輪油(GL-5)的技術要求和試驗方法

表1(續)

3 GB 13895-2018相比GB 13895-92標準的主要變化

3.1 應用范圍

GB 13895-2018標準適用于重負荷車輛齒輪油(GL-5)，該產品主要適用于汽車驅動橋，特別適用于在高速沖擊負荷、高速低扭矩工況下應用的雙曲線面齒輪。GB 13895-2018所屬產品不再適用于手動變速器，也就是說，如果將重負荷車輛齒輪油應用到手動變速器里導致變速箱出現了故障將不再受到保護，因此手動變速器建議選用專用的變速器油。

3.2 SAE黏度等級

為了滿足市場需求，GB 13895-2018標準中擴展了GL-5重負荷車輛齒輪油的黏度級別，即共設置了75W-90、80W-90、80W-110、80W-140、85W-90、85W-110、85W-140、90、110和140共10個SAE黏度級別，相比GB 13895-92增加了75W-90、80W-110、80W-140、85W-110以及110等5個黏度級別。在實際應用中的選擇范圍將更廣，使用者可以選擇更合適的黏度級別油品滿足各種車輛和工況需求。同時，因國內市場上重負荷車輛齒輪油以多級油為主，故新標準中刪除了GB 13895-1992標準中并無市場應用的75W單級油黏度級別，且多級油中W前后的黏度以連接符“-”鏈接，與國際標準一致。如75W/90改為75W-90，連接符的修改對產品性能本身沒有影響。

3.3 新增性能指標

相比GB 13895-92，GB 13895-2018標準最顯著的變化是新增了KRL(德語“KugelRollenLager”的縮寫)剪切安定性(20 h)性能指標，即對油品的黏度保持性能提出了新的要求，要求所有油品在經過20 h的KRL試驗后，油品黏度依然處于原來的SAE黏度等級范圍內。

3.4 性能指標要求變化

3.4.1 運動黏度

GB 13895-2018標準中新增了75W-90、80W-110、80W-140、85W-110以及110等5個黏度級別，因此對各黏度級別的運動黏度范圍以100 ℃運動黏度進行了重新劃分，如XW-90和90的運動黏度(100 ℃)上限由原來的小于24.0 mm2/s調整為小于18.5 mm2/s、XW-140和140的運動黏度(100 ℃)上限由原來的小于41.0 mm2/s調整為小于32.5 mm2/s，而110黏度級別的運動黏度(100 ℃)在18.5～24.0 mm2/s之間。具體情況如下：

75W-90、80W-90、85W-90和90黏度級別油品的100 ℃運動黏度范圍為13.5～<18.5 mm2/s；

80W-110、85W-110和110黏度級別油品的100 ℃運動黏度范圍為18.5～<24.0 mm2/s；

80W-140、85W-140和140黏度級別油品的100 ℃運動黏度范圍為24.0～<32.5 mm2/s。

在實際應用中，使用者可能會感覺到90和140黏度級別油品的黏度較之前的油品的黏度小，但無須擔心，這是因為新標準對黏度范圍進行了重新劃分。

3.4.2 黏度指數

黏度指數是潤滑油十分重要的指標，反映了油品在使用過程中黏度隨溫度變化的變化情況，黏度指數越大，黏溫性能越好，說明油品黏度隨溫度變化的程度越小。GB 13895-2018標準提高了單級油的黏度指數指標，即要求90、110和140黏度級別油品的黏度指數不小于90，為高黏度指數潤滑油品。提高油品的黏度指數要求，可以保證油品在高溫下的油膜厚度，能夠為齒輪提供良好的潤滑保護，同時，也進一步提高了油品的質量；75W-90、80W-90、80W-110、80W-140、85W-90、85W-110以及85W-140黏度級別油品的黏度指數要求為報告，但多級油中添加了黏度指數改進劑，黏度指數一般都在120以上，為超高黏度指數產品，有利于油品在高低溫下保持良好的潤滑狀態，避免設備因溫度變化造成的異常磨損。

3.4.3 傾點和凝點

傾點是指油品在規定的試驗條件下，被冷卻的試樣能夠流動的最低溫度；凝點指油品在規定的試驗條件下，被冷卻的試樣油面不再移動時的最高溫度，均以℃表示，是用來衡量潤滑油低溫流動性的常規指標，同一油品的傾點一般比凝點略高幾度。因SAE J2360規格更新時取消了成溝點項目，新標準修訂參照的ASTM D7450規格也未要求該項目，因此，GB 13895-2018標準中刪除了對油品凝點的要求，同時對90、110和140單級油品的傾點提出了具體要求，即要求90黏度級別的要求不高于-12 ℃、110黏度級別的要求不高于-9 ℃、140黏度級別的要求不高于-6 ℃，而GB 13895-92中對90、110和140單級油品傾點的要求是報告。

3.4.4 閃點

閃點是考察油品揮發性和可能發生火災危險程度的安全性指標，表征油品著火燃燒的危險程度。閃點決定了油品在運輸和儲存過程中的安全要求，且閃點愈低愈危險。GB 13895-2018標準中提高各黏度級別油品的閃點要求，提高了油品的安全性能。具體要求如下：

75W-90黏度級別的油品要求閃點不低于170 ℃；

80W-90、80W-110、80W-140、85W-90、85W-110、85W-140、90和110等黏度級別的油品要求閃點不低于180 ℃；

140黏度級別的油品要求閃點不低于200 ℃。

3.4.5 表觀黏度

齒輪油的低溫流動性對齒輪工作有重要影響，汽車后橋齒輪是飛濺式潤滑，低溫時齒輪油必須具有足夠的流動性，齒輪轉動時才能將足夠量的油帶到齒面及軸承，防止出現損傷。車輛齒輪油在低溫下的表觀黏度和傾點在一定程度上說明齒輪油在低溫下的流動性。GB 13895-2018對表觀黏度項目的指標描述進行了修訂，要求列出油品低溫下表觀黏度的具體數值，能夠更好地區分不同油品低溫性能的差異性，有效提升產品的低溫性能特性。具體要求如下：

75W-90：表觀黏度(-40 ℃)，不大于150000 mPa·s；

80W-90、80W-110、80W-140：表觀黏度(-26 ℃)，不大于150000 mPa·s；

85W-90、85W-110、85W-140：表觀黏度(-12 ℃)，不大于150000 mPa·s。

3.5 試驗方法

相比GB 13895-92，GB 13895-2018標準中的試驗方法修訂情況如下：

增加了黏度指數的測試方法GB/T 1995；

增加了硫含量的測試方法GB/T 17040和SH/T 0303，刪除了GB/T 387、GB/T 388和SH/T 0172方法；

增加了磷含量的測試方法GB/T 17476和NB/SH/T 0822;

增加了氮含量的測試方法NB/SH/T 0704和GB/T 17476；

增加了鈣含量的測試方法GB/T 17476和NB/SH/T 0822；

增加了熱氧化穩定性的測試方法SH/T 0755。

3.6 臺架試驗

相比GB 13895-92，GB 13895-2018標準中對這四個關鍵臺架試驗的具體通過指標進行了部分修訂，具體如下：

銹蝕性試驗，GB 13895-92要求蓋板銹蝕面積不大于1%，齒面、軸承和其他部件銹蝕情況不大于無銹，而GB 13895-2018標準中要求最終的銹蝕性能評價不小于9.0。

承載能力試驗，GB 13895-92要求通過即可，而GB 13895-2018標準中有了具體指標規定，即要求螺脊評分不小于8、波紋評分不小于8、磨損評分不小于5、點蝕/剝落評分不小于9.3、擦傷評分不小于10。同時對于75W-90黏度等級的油品要求同時滿足標準版和加拿大版的承載能力試驗。

抗擦傷試驗，GB 13895-92要求通過即可，而GB 13895-2018標準中試驗結果要求優于參比油或與參比油性能相當。同時對于75W-90黏度等級的油品要求同時滿足標準版和加拿大版的抗擦傷試驗。

熱氧化穩定性，GB 13895-2018標準對該項臺架試驗增加了其測試方法SH/T 0755。

3.7 檢驗規則

隨著科技的不斷發展與創新，越來越多企業都意識到油品檢測的重要性，齒輪油檢測，能讓產品質量更有保障性。同時，對于消費者來說也更有說服力，并能對其提出更專業的指導意見。GB 13895-2018增加第五章“檢驗規則”，更加有利于市場的規范用油。

4 GB 13895-2018解析

4.1 黏度等級

重負荷車輛齒輪油的黏度等級根據其在高溫和低溫下的黏度進行劃分，并采用含字母W(冬季“Winter”的首字母)和不含W的兩組黏度等級系列，含字母的黏度等級代號由一組數字和字母W組成(如75W、80W和85W)，且以低溫黏度達150000 mP·s時的最高溫度和100 ℃時最小運動黏度劃分；不含字母的黏度等級代號由一組數字組成(如80、90、110和140)，且以100 ℃時運動黏度劃分，如表2。同時，重負荷車輛齒輪油的黏度等級有單級和多級之分。一個多級重負荷車輛齒輪油，其低溫黏度滿足表2中含W級的要求，并且100 ℃運動黏度在一個不含W級規定的黏度范圍之內，兩個標記之間用連號“-”鏈接。

表2 車輛齒輪潤滑劑黏度分類[6]

當前，燃油經濟性法規要求車輛具有更好的燃油經濟性，而終端使用者卻要求同時具有更好的設備性能。隨著汽車工業技術的飛速發展，發動機馬力得到了大幅提升，但齒輪尺寸卻變化不大，油箱容量降低的同時要求延長換油周期，因此在取得燃油經濟性的同時獲得良好的設備耐久性，更加合理地選用潤滑油就顯得尤為重要。

在GB 13895-92中，90黏度等級的100 ℃運動黏度范圍為13.5～24.0 mm2/s，140黏度等級的100 ℃運動黏度范圍為24.0～41.0 mm2/s，可以看到，二者的100 ℃運動黏度跨度較大，分別達到了10.5 mm2/s和17.0 mm2/s之多，較大的黏度跨度范圍很容易導致雖然是同屬于同一黏度級別的產品，但不同的產品生產商生產的油品黏度差異非常大，從而使OEM很難確保終端油品在使用性能上達到其設計的使用要求。此外，車輛的燃油經濟性法規要求更好的燃油經濟性，OEM和終端客戶要求對設備良好的潤滑保護和耐久性，而使用低黏度的油品可提高燃油經濟性，達到節能效果，但由此造成的油膜強度降低會對設備的潤滑保護性能變差，因此，選擇一個合適的黏度等級的油品對兼顧設備的耐久性和燃油經濟性十分重要。

GB 13895-2018增加設置了75W-90、80W-110、80W-140、85W-110以及110等5個黏度級別，新增設的油品黏度級別，在兼顧油品低黏化趨勢的同時，可使OEM和終端客戶更加嚴謹的選擇合適的油品，以確保在給定應用條件下油品具有預期的理化性質。

在GB 13895-92中，如果對某一設備來說，最佳的油品黏度是19.5 mm2/s，OEM一般會推薦使用90黏度等級的油品。然而，從GB 13895-92中可以看出，此油品的實際黏度可能會低至13.5 mm2/s，如此低的實際黏度顯然不利于設備的潤滑保護，很容易因黏度不夠而造成設備磨損，縮短設備的使用壽命；同時，此設備也可以選用140黏度等級的油品，該油品黏度不低于19.5 mm2/s，但該油品的實際黏度又有可能高至41.0 mm2/s，過高的油品黏度給設備的燃油經濟性和傳動性能帶來不良影響。GB 13895-2018增設110黏度等級油品，OEM和終端客戶可以選用110黏度等級油品，既可以保證19.5 mm2/s的黏度要求，又不至于使油品黏度太小或太大，可以確保設備的正常運行。

GB 13895-2018新增設的油品黏度等級對OEM和終端客戶為設備選擇最佳黏度等級的油品提供了更大的方便性，如110黏度等級的油品可應用于SUV或輕負荷卡車上，不但滿足提高車輛燃油經濟性的要求，而且滿足高速運轉條件下高扭矩或耐久性的要求。

4.2 剪切安定性[7]

現代齒輪油要求能夠在不同的苛刻條件下為齒輪提供良好的潤滑保護，避免出現磨損和故障。然而，如果油膜強度一旦遭到破壞，在極壓和極限溫度條件下將大大減弱對齒輪的保護，從而出現嚴重的磨損，導致設備使用壽命的縮短。黏度是保證有效油膜的關鍵，因此，在車輛齒輪潤滑中，優異的黏度保持性是保證齒輪獲得良好潤滑的關鍵。隨著對車輛齒輪油的燃油經濟性和長換油周期等關注，多級齒輪油的應用越來越廣泛，相比傳統的SAE 80W-90和SAE 85W-140齒輪油，SAE 75W-90和SAE 80W-140等齒輪油需加入更多的黏指劑。車輛齒輪油受到的剪切速率高達108/s，加入黏指劑的油品在使用過程中，由于機械剪切作用，油品中的高分子聚合物被剪斷，使油品黏度下降，達不到使用黏度要求，影響正常潤滑，因此多級車輛齒輪油的剪切安定性更顯得重要，它直接影響齒輪油的黏度級別。目前，測定剪切安定性的方法很多，根據應用場合剪切力的不同，逐步建立了適用于不同需求的試驗方法，常見的測試方法如表3，各測試方法的相對苛刻度如圖1。

表3 測定含聚合物潤滑油永久剪切損失的常見試驗方法

圖1 各剪切測定試驗方法的相對苛刻度

不同測試方法測定油品的剪切安定性由于測試的苛刻度不同，其測試的結果有明顯差異，如表4(表中黏度為油品的100 ℃運動黏度)。

從表4可以看出，不同測試方法測定的永久剪切損失率存在明顯差異，而為了確定這些測試方法對車輛齒輪油的有效性，需要對其測試結果與實際行車試驗結果的關聯性進行分析。在實際行車試驗過程中，油品的剪切安定性十分重要，因剪切導致的黏度下降會加劇設備磨損，圖2和圖3的試驗結果充分說明了這一點。

表4 不同試驗方法的測試結果比較

圖2 剪切穩定性好的SAE 75W-90齒輪油行車試驗結果

圖3 剪切穩定性差的SAE 75W-90齒輪油行車試驗結果

圖2表明剪切安定性好的SAE 75W-90齒輪油在輕負荷驅動橋運行16×104km后的磨損相對較低，圖3是剪切安定性差的SAE 75W-90齒輪油在同等條件下的測試結果，結果表明磨損量明顯增加。

上述試驗中的兩種齒輪油的添加劑性能和加劑量均相同，因此能夠有效預測油品剪切的臺架試驗方法對于確保行車過程中的油品表現以及設備的壽命具有十分重要的意義。

為評價剪切安定性臺架試驗對預測油品行車性能的表現，選用除了黏指劑不同而其他組分都相同的4種SAE 75W-90齒輪油在輕負荷驅動橋上進行行車試驗，試驗結果如圖4，可以看出，采用20 h的KRL剪切與實際的輕負荷驅動橋的行車試驗結果存在良好的相關性。

KRL剪切也可以很好地預測車輛齒輪油在重負荷行車過程中的剪切安定性。同樣采用了除了黏指劑不同而其他組分都相同的2種SAE 75W-90齒輪油進行重負荷驅動橋的行車試驗，結果如表5。

表5 重負荷車輛齒輪油KRL剪切損失與行車試驗永久剪切損失的關聯性

注：* 四臺重卡車輛行車試驗結果的平均值。

從表5可以看出，KRL剪切不僅能夠很好地預測實際行車的剪切，而且表明多數的黏指劑被剪切都發生在行車考察的初期(如不超過4.8×104km)。因此，油品的剪切穩定性對于車輛齒輪油特別是長壽命車輛齒輪油來說十分重要，因剪切穩定性差的油品會在較短的時間內就出現較大的剪切損失，造成設備磨損或故障。

鑒于KRL剪切與車輛的實際工況具有非常好的關聯性，已經廣泛地被全球OEM及SAE J306齒輪油規格所采用，以滿足油品黏度穩定性的要求，如：褔特Mercon Ⅴ規定KRL 20 h的剪切；MAN 341-1、MAN 341-2和MAN 342規格均規定KRL 20 h的剪切；Scania STO 1：0要求KRL 20 h的剪切；通用Dexron Ⅵ規定40 h，采埃孚的一些油品要求100 h甚至192 h的測試等。因我國市場上存在采用剪切穩定性差的黏指劑調合后橋齒輪油產品的情況，此類油品在使過程中黏度下降較快，不利于提供充足的油膜保護。GB 13895-2018引入了KRL(20 h)剪切的要求，與國際標準接軌。新的剪切安定性要求對齒輪油的市場將會產生較大影響，因要滿足GB 13895-2018的要求需使用剪切安定性更好的黏度指數改進劑，更多的使用Ⅱ類、Ⅲ類基礎油和合成基礎油。同時，對規范市場用油和提升重負荷車輛齒輪油的整體水平有一定的推動作用。

4.3 臺架試驗

臺架試驗與油品的使用性能具有良好的相關性。CRC(美國科學研究協作委員會)的四個全尺寸臺架是評定重負荷車輛齒輪油(GL-5)性能的關鍵，它們分別代表了汽車在行駛時的不同工況對齒輪油性能的不同要求，即CRC L-33銹蝕試驗、L-37承載能力試驗、L-42抗擦傷性能試驗和L-60熱氧化安定性試驗[8]。

隨著齒輪設備對油品性能的要求越來越高，用于評定重負荷車輛齒輪油的4個關鍵臺架試驗的試驗方法也在不斷發展。GB 13895-2018標準中，防銹性能的評定方法用L-33-1法替代L-33法，L-33-1與L-33的差異在于將紙質的板狀墊片變為特富龍墊片(比紙質更為統一化)，試驗開始時對硬件進行清潔/噴砂處理進行了嚴格規定，并要求試驗結束后對硬件的評分必須由經過認證的評分員進行等，評價方法更加精確。熱氧化安定性評定試驗增加了試驗方法SH/T 0755，即L-60-1法，L-60-1方法詳細規定了臺架試驗各部件的確切尺寸，空氣流量計如何校準等細節。

對于75W-90黏度等級的油品，新標準要求同時滿足標準版和加拿大版的承載能力試驗L-37法和抗擦傷試驗L-42法。標準版和加拿大版的承載能力試驗和抗擦傷試驗均采用相同的試驗程序、負荷和轉速條件，但試驗溫度不同，加拿大版本的試驗溫度更低，并設有額外的溫控裝置，主要是考察低溫條件下的齒面保護情況，試驗條件更苛刻，如表6、表7所示。

表6 L-37法的標準版與加拿大版的差異

表7 L-42法的標準版與加拿大版的差異

加拿大版L-37和L-42臺架試驗與標準版相結合，針對更寬的工作溫度下，考察主減速齒輪在低速高負荷和高速沖擊負荷條件下的承載能力，對硬件保護的要求更全面、更苛刻。

5 結束語

隨著車輛齒輪技術的發展，以及應對環保要求和燃油經濟性法規的壓力，對車輛驅動橋齒輪油提出了更高的性能要求，如更好的氧化安定性、燃油經濟性、更佳的抗擦傷能力和更長的換油周期等。與GB 13895-1992相比，GB 13895-2018標準在油品承載能力、剪切安定性、熱氧化安定性等方面的要求有較大提升，并具有更多的黏度等級，以選擇更合適的黏度級別滿足各種車輛和工礦需求，順應了重負荷車輛齒輪油的發展趨勢。

GB 13895-2018對重負荷車輛齒輪油的要求更加嚴格，滿足了重負荷車輛齒輪油應用市場的最新需求。重負荷車輛齒輪油(GL-5)GB 13895-2018標準的實施，對進一步規范我國車輛齒輪油的市場應用，提升重負荷車輛齒輪油的產品質量和促進重負荷車輛齒輪油產品的更新換代發揮了十分重要的作用。