双离合器自动变速器油性能要求和试验方法
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摘要：综述了双离合器自动变速器(dual dutch transmission，简称DCT)的发展现状，介绍了离合器、液压系统、齿轮传动系统的工作特点，并与AT、MT、CVT、AMT变速系统进行对比，提出了DCT用油(dual dutch transmission fluid，简称DCTF)的性能要求，并介绍了DCTF的试验方法，随着汽车节能及驾驶舒适对变速系统的要求，研制专用化、国产化高质量DCTF是DCT推广和工作稳定的重要保证。
关键词：双离合器自动变速器；湿式离合器；双离合器自动变速器油；摩擦；；磨损
中图分类号：U473.74 文献标识码：A
0 引言
随着汽车技术水平的提高，节能减排的限制以及人们对汽车驾驶性能的不断要求，汽车变速箱技术水平也在不断进步。双离合器自动变速器(DCT)技术对汽车燃油经济性和换挡平顺性有较大的提高，所以其在汽车上的装配率不断上升，有关机构预测DCT市场需求在2015年将达到10％，国外DCT技术发展较早，如保时捷PDK(Porsche DualKlutch)技术；大众DSG(Direct Shift Gearbox)技术，福特欧洲公司GETRAG-Ford技术，沃尔沃Power-shift技术，三菱TC-SST技术均属于双离合器自动变速箱技术；我国汽车技术发展较晚，汽车变速箱技术较为落后，DCT的发展基本属于起步阶段，一汽汽车、上汽汽车、浙江吉利汽车、江淮汽车、杭州前进齿轮箱集团、重庆青山、吉林大学等企业与高校开展了DCT的研究，国家863计划对DCT的研发也正式立项，2009年，博格华纳(中国)投资有限公司与中国中发联投资有限公司(由一汽、上汽、东风、长安、奇瑞、华晨、江淮、长丰、吉利、广汽、北汽、天海、长城组成)共同投资成立合资公司，生产和开发双离合器自动变速器中的核心产品：双离合器模块、扭振减震器模块和控制模块。国产车装配双离合变速器的类型较少，大众的DSG双离合技术应用最广，如：一汽大众迈腾2.0TSI、高尔夫第六代1.4TSI、GTI、新帕萨特、均可配备6速DSG变速箱，速腾1.4TSI、新宝来、途安、斯柯达新明锐、昊锐1.4TSI均配备7速DSG变速箱，此外，沃尔沃S40、长安福特2011款蒙迪欧-致胜GTDi200配备6速Poworshift变速器，国产奥迪Q5采用7速S-tronie双离合变速器，部分民族汽车企业也在向双离合技术不断靠拢。由于DCT在国内应用的时间不长，在实际中也出现了一定的问题，如大众装配DSG的汽车使用过程中出现了以下故障：换挡时出现明显间断或连续的异响；换挡时顿挫感明显超出正常范畴；低速或匀速行驶时突然加速或转速突然升高；行驶时挡位只能停留在1、3、5、7四个奇数挡上等，这些故障的造成除了DSG本身的设计外，它所使用的油对其有很大影响。DCT系统的工作特点不同于已有的AT、MT、CVT和AMT系统，相比传统的自动变速器油(ATF)，双离合器自动变速器油(DCTF)需要满足齿轮、轴承、轴类等零件的以及同步器摩擦特性的要求，用于DCT的油要同时具有手动变速器油和自动变速器油的功能和技术要求。
因此，研发DCT专用的自动变速器油是保证DCT可靠运行的迫切需求。
1 双离合器自动变速器油发展概况
DCTF和ATF发展类似，没有统一的标准，不同的变速器，各OEM厂商、汽车厂商、油公司都有不同的要求。BP石油与德国格特拉克(GETRAG)、美国福特发动机制造公司共同开发了BOT 341DCT专用油，该油可在高、低温条件下正常工作，并满足离合器、液压、齿轮等机构的要求。路博润公司2003年就申请了用于双离合器油的专利US6528458，主要成分为适宜黏度的基础油、摩擦改进剂、清净分散剂、专用DMTD添加剂，该发明在日本(JP2010196063(A))、欧洲(EP1499701(A1)、EP1499701(B1))、世界知识产权局(WO 03089553(A1))均已申请专利；美国雅富顿公司2006年在中国申请了《用于双离合器传动装置的流体组合物》，流体包括基础油、琥珀酰亚胺无灰分散剂、琥珀酰亚胺摩擦改进剂和磷酸酯，分散剂中含有磷和硼元素，并提出该油品对同步器的抗磨损保护性能明显，减小了摩擦系数。在DCTF的研发和应用方面，国外也没有形成统一的标准体系，德国的Pentosin公司在DCTF的生产应用中较为领先，并针对不同的双离合变速箱生产了不同系列的DCTF(如表1所示)。
国内适用于双离合器自动变速器的油种类较少，而且大部分以路博润、壳牌、BP等国外公司的产品为主，国产品牌较少，中国石油化工集团面市有双离合器自动变速器专用油，地方企业更是寥寥无几。中国石化北京石油化工科学院、中国石油兰州油研发中心、中国石油大连油研发中心均有自动变速器油的研发体系。总体上讲，国内对DCTF的研发较晚，基本处于开始阶段，国内装配率相对较高的双离合变速箱技术属大众的DSG技术，DCTF的标准应该以适应DSG为主，并辅以兼顾其他变速箱技术。
2 DCT结构与油循环系统
研究适合的DCT用油必须对DCT工作原理及其油循环系统有充分的认识。其中国内大众的直接换挡双离合变速器DSG最为著名，普及程度最高，DSG分为DQ250和DQ200两种类型，分别是采用湿式离合器的6速和采用干式离合器7速，7速与6速变速箱相比所装的变速箱油量较少，6速变速箱中标准装油7.2 L，以下主要以6速DQ250变速箱为例介绍其工作结构及原理，如图1所示。DSG主要由输入轴、输出轴、离合器、冷却液压系统、电控单元组成。有个预挂挡的步骤：一个离合控制1、3、5、倒挡，另一个离合控制2、4、6挡。当变速器处于工作状态时，例如变速器在3挡运行时，那么2挡和4挡已经处于待命状态，在整个换挡期间能确保最少有一组齿轮在输出动力，从而不会出现手动挡换挡时的动力中断的状况，动力便会由其中一条传动轴作无间断的传送，使换挡更平顺，响应更快。
双离合器模块、扭振减震器模块和控制模块的技术是双离合自动变速箱的核心技术，这些模块及关键零部件的工作状态及控制精度对DCT的工作影响较大，油系统的性能好坏对DCT的、冷却、压力传递都有相当大的影响，DCT对所有的传动功能有共同的循环油路，需要用DCTF的部件主要有：双离合器、齿轮、轴、轴承、同步器、油泵等。
2.1 DCT离合器冷却油系统
片式离合器中的机械摩擦提高了双离合器的温度，但是温度不得过高，否则必须进行冷却，在循环油系统内部，有独立的离合器冷却油循环系统，变速器通过接收油温传感器检测的油温，控制冷却油滑阀的打开，进行冷却油流量控制，从而降低离合器片
的温度。大众6速DSG离合器冷却油系统如图2所示，DSG最大冷却油压为0.2MPa，片式离合器中流出的油温较高，测其温度的油温传感器的工作范围在-55～180℃之间；变速器电控机构上也安装有油温传感器，检测机电控制机构上的温度，当油温超过138℃时，机电机构使发动机转速下降，当超过145℃时，不再向片式离合器供油，使离合器脱开，导致汽车动力中断，所以离合器工作温度不能过高。
2.2 DCT液压控制系统
离合器片结合程度的高低，直接影响发动机扭矩传递的效率。离合器主要分为干式离合器与湿式离合器，干式双离合片之间在结合时没有油液，片的摩擦系数较大，离合器片间不易发生滑转，变速箱反应更加灵敏，但离合器片的温度容易上升，磨损较为严重；湿式双离合器由于有油液的，减少了离合器片的磨损，但是片之间的油会使其发生打滑，一定程度上降低了反应的灵敏度，并且液力系统在传递力时会有一定的延迟。大众6速DSG油循环系统见图3。DSG通过压力传感器检测液压系统油压，保证离合器片之间的压力，使油压系统的压力等于离合器片上的压力，控制离合器结合时力的大小，所以要求油具有一定的承载减摩能力和扭矩传递能力。
2.3其他部分
除了离合器的冷却、及压力控制以外，各齿轮、轴、轴承、同步器、衬垫也需要油的与保护，与手动变速器、自动变速器对油的要求基本相同，但由于油温的升高和扭矩控制的不同，油工作条件更加苛刻，对油的要求也更高。
3 双离合器自动变速器对DCTF的要求
3.1适宜的黏度和黏温性能
DCTF在高温条件下要保证良好的、冷却性能，防止离合器片过热，并且在低温下要保证启动性能和泵送性能。
ATF的发展从DexronⅡD、DexronⅡE、M115、DexronⅢ、DexronⅥ、Mer LV、ATF3353、ATF134、ZF1375.4到福特的MER SP规格，油品的黏度总体上是变小的。低黏度油品在保证形成足够油膜厚度的前提下可降低系统传动阻力和功率损耗，增加流体流动速度，使系统散热更快，DCT系统工作温度较高，液压、冷却循环系统的效率对DCT工作稳定性影响很大，一般要求DETF比手动变速箱齿轮油黏度小，高、低温黏度性能与ATF的黏度相当。DCTF在满足要求的前提下，黏度应该越小越好，如果几组研制油通过其他性能测试，那么选择黏度最小的配方组成。
3.2相宜的静、动摩擦特性
摩擦特性是DCTF的重要特性之一，由于回转部件具有转动惯量，离合器在结合时需要把这些转动惯量吸收，当摩擦片间相对转速接近于0时会出现瞬时高转矩，即瞬时高摩擦系数，这往往会引起离合器和制动器的振动和噪声，直接影响到换挡及制动的平稳性。这可以通过静摩擦系数和动摩擦系数评价，动摩擦系数过小，离合器结合时滑动增大，启动转矩损失大；静摩擦系数过大，离合器在结合最后阶段会引起转矩的激烈增大，使换挡感觉不够平顺。所以，DCTF应具有与摩擦材料相匹配的静摩擦系数和动摩擦系数。
在减少扭矩传递中损失的同时，离合器在结合时要尽量提高离合器片间的摩擦系数，但摩擦系数不能太大，以免增大离合器间的摩擦，产生磨损，降低了接触时的平滑性，增加了接触扭振，在DCTF中加入摩擦改进剂时既要考虑离合器的平滑接合、减小扭振，又要考虑结合时的扭矩损失，使两者达到一个平衡。DCTF也要求具有与ATF相当的湿式离合器的摩擦稳定特性、满足离合器接合特征。
摩擦耐久性也是DCTF抗磨减摩的一个重要指标，主要通过循环试验检验。
3.3较高抗磨减摩性能
抗磨性是机械传动时对油品的基本性能要求，变速器中的行星齿轮、轴瓦、防震垫、油泵、离合器圆盘、制动闸带要保证不发生异常磨损现象。DCT是以手动变速器作为基础，加上离合器和液压及电控系统，所以基本的齿轮要满足MTF要求，符合耐承载特性、抗疲劳磨损特性。但MT/AT在换挡时，同步器将输入轴齿轮和输出轴齿轮啮合，而DCT的输入齿轮与输出齿轮是常啮合状态，同步器一直在输入与输出齿轮上结合，仅仅通过离合器动作接合动力，使换挡更快，同步器工作更为苛刻，所以DCTF的抗点蚀、抗擦伤、抗磨损保护要至少达到MTF的同等性能，与MTF相当的同步器摩擦特性，并且要配合同步器材料、结构，使同步器发挥较高性能的同时保持稳定性。
3.4较好的抗氧化性能
因为DCT离合器在工作时会产生较大的热量，所以DCTF的热稳定性和高温下的抗剪切稳定性是非常重要的，而高温条件下油品的氧化速度对其有很大影响，油分子在高温条件下氧化速度过快，油中容易产生油泥等高分子聚合物，增大油品的黏度、降低流动性，同时，黏度指数改进剂之类的高分子化合物分子结构容易在载荷变化下发生破裂，承载能力降低，减小了油品的抗剪切性能，由于DCT具有三根轴，中间输入轴和两根输出轴同时接触，中间轴齿轮较AT、MT齿轮工作条件更为苛刻，在齿轮齿面接触时要避免油膜在齿面剪切作用下发生破裂，以保证能够承受高的机械负荷。DCT与AT相比温度更高，DCTF的抗氧化性能至少与ATF性能相当。
3.5其他性能要求
液压系统中油品含有气泡会引起系统主油压降低，导致离合器打滑、换挡滞后，齿轮磨损严重等故障发生，为了保证离合器控制和液压控制安全可靠，DCTF必须具有一定的抗泡性，选择合适的抗泡添加剂解决；同时DCTF要有一定的防腐性能，防止铜、钢、铝等金属在低温下产生腐蚀。
与MTF和ATF相比，国内DCTF没有明确的产品规格标准，综合以上，DCTF的开发仍参照ATF标准，在某些性能上至少要与AT/MT用变速箱油分别相等，要具有适宜的黏度和黏温性能，相宜的静、动摩擦特性，摩擦耐久性，较高抗磨减摩性能，较好的抗氧化性能，抗剪切性能，一定的抗泡性和防腐性。
4 DCTF主要性能测试方法及要求
DCTF性能兼顾了AT与MT的性能特点，在某些性能方面要求更高，各指标试验方法与ATF大致相同，主要包括黏度、闪点、燃点、腐蚀、泡沫、磨损等基本试验，以及摩擦特性、循环试验和氧化试验等重要严格试验项目。
4.1黏度与黏温性
福特公司Mercon规格要求100℃运动黏度不低于6.8mm2/s，一般规定黏度指数在170以上，在不同的低温条件下布氏黏度有相应的限值。SAEJ306对车辆用齿轮油黏度分类还要求经CEC L-45-T-93试验，20h KRL圆锥滚子轴承剪切试验后，仍需符合该级油品100℃最低黏度规范的要求，评定高温黏度的方法采用ASTM D445(GB/T265)方法，低温黏度一般采用ASTM D2983(GB/T11145)方法测定。
4.2闪点与燃点
闪点、燃点与DCTF所选用的基础油中轻质成分的多少有很大关系，通用汽车DEXⅡE，DEXⅢ规格的闪点分别不低于160℃和170℃，福特Mer-con规格不低于180℃，通用DexronⅡE，DexronⅢ规格燃点分别不低于175℃和185℃，试验方法采用ASTM-92。由于DCT中片式离合器的油温要求在-30～150℃之间，所以DCTF的闪点、燃点至少应达到ATF的水平。
4.3腐蚀试验
通用Dexron和福特Mercon规格通过铜片腐蚀和锈蚀实验来评价抗腐蚀性，分别采用ASTM D130和ASTN D665试验标准，DEXⅡE规格要求铜片在150℃下保持3h后无黑色、表面剥落。DexronⅢ和Mercon规格要求铜片腐蚀等级小于1b。DCT与AT的密封性相近，抗腐蚀性能要求基本相同。
4.4抗泡性
通用汽车采用GM6137-M方法G测试抗泡沫性，DEX ⅢE规格要求95℃时无泡沫，135℃时泡沫高度不超过10mm，消泡时间不超过23s；福特汽车采用ASTM D-892测起泡特性，New Mercon规格要求在24℃、93℃、150℃时100mL中无气泡。
4.5磨损试验
通用、福特和埃列逊公司均采用叶片泵磨损失重试验评价抗磨损性能，试验标准为ASTM D2882，以试验后叶片泵和定子总失重的毫克数来表示，最大磨损不超过15mg。我国SH/T 0307石油基液压油磨损特性测定法(叶片泵法)，英国IP 281 V-104叶片泵试验法也可评价。中国石油兰州油研发中心颉敏杰等也采用四球法对ATF进行抗磨试验，与叶片泵法的相关度较高，DCTF建议使用叶片泵法。
4.6摩擦特性试验
摩擦特性是全部性能中最重要、又最难达到的性能，它是换挡感觉、动力矩负荷和摩擦耐久性的综合平衡性能。摩擦特性试验主要包含：静摩擦试验、动周期摩擦试验、台架实机周期试验、行车试验。
通过实际摩擦片、摩擦带和鼓的啮合试验来测定静摩擦扭矩、动摩擦扭矩、最大扭矩和啮合时间来评价油液的摩擦特性。对纸质、钢片、石墨等类型离合器的摩擦特性，GM公司的DexronⅡD、ⅡE、Ⅲ及Ford公司的Mercon、NewMercon和埃里逊公司的Allison C-3、C-4规格都要求用SAE No.2摩擦试验机来评定，通用与福特的标准为SD-1777。德国国家在欧洲理事会DKA也有相应的试验方法，与SAE No.2非常相似。
对离合器的低速滑动性能，通用公司用LVFA低速摩擦试验机评价，它的改进型速度可变式摩擦试验仪(VSFT)、μ-ν试验台也可用来评价。日本JASO M349自动传动液防抖动性能试验方法也采用LVFA试验机，该方法利用摩擦系数μ与滑动速度ν特性来评价自动传动液的抗抖动性能的好坏。我国早期还通过中国船舶总公司第七研究院七一一研究所的离合器摩擦元件动态性能试验台测试过ATF的摩擦特性，并具有良好的区分性。中科院兰州化学物理研究所胡盛学等人采用改进后的Flax-I型摩擦磨损试验机进行了ATF试验。
对齿轮的摩擦特性，通过齿轮及齿轮箱研究所FZG刮擦试验测试齿轮耐负重性能，通过FZG点蚀试验测试抗疲劳性能。将一对直齿轮浸没在试验油池(约为1200 mL)中，并开始加热至90℃。试验齿轮在1450r/mm下运转，所加负荷共分12级(98～15680N)每级运行15min。在各级试验结束时，检查齿轮的胶合痕迹，并称量齿轮质量，确定因磨损而失掉的金属量，根据质量损失判定失效，并且该实验可考察齿轮的擦伤、点蚀和微点蚀。
对于同步器摩擦特性，可以采用μ-comb同步器测试台和FZG SSP180台架测试同步器性能，FZGSSP180同步器单体测试机应用较广泛，试验标准为CEC L-66-T-99。
轴承磨损采用FAG实验法，通过FE8试验台测试齿轮撞击、同步器磨损、同步器黏着的程度，标准为DIN51819。
4.7循环试验
循环试验指THCT透平液压自动循环台架试验，它模拟汽车在城市停停开开的工况，考察变速箱油的抗氧化性能、摩擦稳定性、性、黏度稳定性和对冷却器青铜的腐蚀情况，测试自动变速箱整个运行周期及使用温度范围内摩擦特性的变化，考察摩擦耐久性。
该试验是用发动机驱动一台自动变速器，经20000周期循环试验后，检测自动变速器各部件状态，并测定换挡时间和油品性能变化，Dexron和FordMercon均要求顺利通过20000次循环。
为了试验尤其在摩擦副持久滑动情况时的换挡和摩擦行为，传动装置制造厂商ZF研制了GK试验台，它可以将被测油温降低至-20℃，检测油品的低温启动性能；连续滑动扭矩转换离合器台架(CSTCC)也可以很好地模拟相应的工作条件，评价摩擦稳定性。
4.8氧化试验
氧化试验方法较多，GM公司通过THOT(Turbohydramatic oxidation test)氧化台架来评定，采用一台THM-350或4L-60自动变速箱，在163℃通空气90mL/min下运转300 h，测定试样酸值、碳基吸收峰变化、高、低温黏度，并检查传动部件状态及冷却器青铜合金腐蚀情况，但GM的THOT台架试验每次需消耗一台自动变速箱，评定费用较高；Ford的Mercon规格要求采用ABOT(Aluminum Beaker Oxi-dation Test)铝杯氧化试验来评定，每次试验装油250mL，在155℃下通空气5mL/min运转300h，测定油品黏度、酸值、戊烷不溶物、碳基吸收峰变化以及铜、铝片外观。
5 建议
开发新的适用于DCT系统的油品是非常必要的，既要满足质量的要求，也要不断的降低成本，它的开发特性在于要达到齿轮油和自动变速器油的两方面性能，鉴于DCTF的开发成本及技术难度较大，油生产商、变速器企业、汽车生产商、高校以及科研单位应共同协作，引入国外较先进的评价方法和设备，建立DCTF开发流程和质量标准，为DCT的应用提供保证。