CN101321842B - 变速器牵引油组合物 - Google Patents

Abstract

本发明利用拥有适当粘度/分子量的简单的二甲基硅油，将其加入聚环烃中，以便改进低温特性。聚环烃的一个优选实施例是α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物。向α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物加入二甲基硅油可提高低温性能，同时不会降低所需的低剪切应力剪切强度特性。结合有聚环烃的低粘度二甲基硅油润滑油适用于无级变速器，可在高温和低接触应力的条件下提供良好的低温流动性和高剪切强度。

Description

变速器牵引油组合物

相关申请案交叉检索

本申请案要求2005年8月4日申请的美国临时申请案60/705,353，和2005年8月16日申请的美国临时申请案60/709,671，和2006年4月13日申请的美国临时申请案60/791,852的优先权，所有三个临时申请案的全部内容通过引用完整地结合到本文中。

技术领域

本发明关于提供一种低粘度二甲基硅油，用于提供平衡的优良低温流动性和高流体弹性动力(EHD)剪切强度的无级变速器。

发明背景

无级变速器是一种牵引驱动装置，扭矩通过变速器从一光滑转动元件传送到另一转动元件，通常来说转动元件之间都是公称点接触或线接触。变速牵引驱动装置可以通过适当选择滚轴元件的数量、尺寸、形状和几何构造来制造，滚轴元件一般包括一个或多个平行的被彼此分开的柱状元件。变速器提供一种装置，可平滑安静地运行，并提高燃料效率。

例如，利用一个变速装置，将无级变速器(IVT)配置成提供连续比例范围，从反向到静止到超速转动，该变速装置包括一组圆盘和滚轴。滚轴不和圆盘接触，也不存在金属之间的接触，但滚轴之间通过牵引油来分开。

变速器牵引油在变速器中充当润滑剂和冷却剂。要求牵引油在板或滚轴元件之间的接触区域即板和滚轴元件通过薄油膜隔开的区域，提供出高压和高剪切条件。油的抗剪切力提供油组合物的扭矩传递能力。油组合物的扭矩传递能力可通过其牵引系数来测量。

牵引油通过让滚轴边缘相对圆盘表面转动来发挥作用，在两者之间形成细微的油膜。牵引油如被压缩，在压力下变得高度粘稠，其长链分子会彼此连锁。因此，因为在滚轴和/或圆盘间接触点施加压力，牵引油有抗拒打滑的倾向并能有效地传递功率。

先前技术

无级变速器(牵引驱动装置)油的功能类似于标准(齿轮的)变速(即自动变速)油，即其必须充作润滑剂、冷却剂及在某些情况中充当液压油。牵引油或无级变速器(IVT)油有附加功能，将扭矩通过润滑膜在光滑的滚动-传递滑动旋转元件形成的润滑膜从输入装置传递到输出装置。因此要求该油在滚动-滑动的驱动元件之间接触区域内的高剪切应力ECH条件下显示出高剪切强度，驱动元件之间用无级变速器油薄膜隔开并润滑。油在接触点的抗剪切能力(剪切强度)提供油组合物的扭矩传递能力。

适用于大多数户外应用设备的无级变速器的润滑油需要具备在优良低温流动性和高流体弹性动力剪切强度之间取得关键性的平衡；并且，尤其是高温和低接触应力组合下的剪切强度。一般情况下环脂烃具有较高的剪切强度特性，但相比用于制造优良的润滑剂的更普通的烃基油来说，它的低温特性较弱。可将其他拥有优良低温特性的油组合进来，提高混合物的低温特性，但这会导致剪切强度特性显著的损失。如今已发现，简单的低粘度二甲基硅油可以实现这些特性之间的平衡。

一般而言，无级变速器需要在高温和低接触应力组合的条件下具备在优良低温流动性和高流体弹性动力剪切强度之间取得关键性的平衡；环脂烃一般具有较优良的剪切强度特性但较差的低温特性。可将其他具有优良低温特性的油组合进来提高混合物的低温特性，但导致剪切强度特性显著的损失。

传统的二甲基硅油组合物显示出较弱的烃可溶性，从而经常限制它的使用。所以，使用这些传统的二甲基硅油是要利用它们所有或大部分甲基以外的其他官能团，这样是为了避免潜在的不相容问题。

含有硅油的混合脂族、环脂族和芳香族已经用于牵引油；但是简单的二甲基硅油用作低温流动性改良剂在本申请人的发明之前还没有被用于变速器的应用中。如Groenhof在1984年5月提出的美国专利案4449415中，说明通常硅氧烷的牵引系数过低，不能用于牵引驱动设备，此文献以参考的形式并入本文。此外Groenhof文献阐述了30-100重量百分比的三甲基硅氧末端嵌段的硅氧烷油和30-100重量百分比的环脂烃或环脂烃混合物的使用。1986年3月25日Groenhof的美国专利案4577523指出聚硅氧烷牵引油适用于低温条件下，此文献以参考的形式并入本文。Fey等人2003年8月的美国专利案6602830，指出可使用有机油和硅氧烷组合物的混合物，因为有机油在低温条件下会变得非常粘稠，此文献以参考的形式并入本文。

其他的使用方式包括合并第三种油，例如混合物中含有芳香烃或酯，以溶解烃油中的二甲基硅油，这在下列参考文献中有述：Kulik等人1980年2月26日的美国专利案4190546，而且利用了环烷烃，(环脂烃)或其混合物加上助溶剂和硅油，其中需要助溶剂确保硅油和环烷烃油完全互溶。

环芳香油加上硅油的低温特性的提高，作为这一理念的其中一个根据并不是初为人知。已经有报道称许多种含有硅油的脂族、环脂族和芳香族用于这一目的，尤其是特别用于牵引油。但是，还没有发现有引入简单的二甲基硅油作为低温改良剂的报道。一个原因可能是一般情况下大多数二甲基硅油较弱的烃溶解性，从而导致其应用上的限制。所以，其他发明者主要关注含有芳香基以外的其他官能基的硅油，以避免明显的不相容问题；或者，其他发明者求助于在牵引油配方中并入第三种组分的油，例如混合物中加脂族烃或酯，以帮助烃油中的二甲基硅油的相容性。

这些基本上含有环芳香烃与二甲基硅油的组合的牵引油以充作基油使用，可向其中加入添加剂，形成供无级变速器油使用的完整的芳香变速器油。这些添加剂包括抗氧化剂、抗磨损剂、耐极压剂、清洁剂、分散剂、防沫剂、防锈剂、摩擦改进剂和粘度改进剂等添加剂。本发明所采用的这种用途的硅油可大体上包含少于10％(不含)的其他适合官能团、长链脂族基、环脂基或除甲基外这些基团的组合，以进一步提高性能和完全混合的牵引驱动或无级变速器油的性能。

本发明适合应用于变速器油，实例和进一步的讨论将针对变速器油；但是，权利要求可应用于动力变速器油、液压转向器油以及其他类型的油类不可压缩油。

发明内容

本发明利用粘度/分子量适当的简单的二甲基硅油，将其加入以改良聚环烃的低温特性。聚环烃的一个优选实施例是α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物。向α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物加入二甲基硅油可改良低温特性，但不会降低必需的低剪切应力剪切强度特性。

二甲基硅油的优选粘度范围小于20厘司(centistokes)，更优选是77℉下约5至15厘司(或100℃下约2至10厘司)。如果粘度更高(77℉下20厘司或更高)，二甲基硅油在规定的-20℃低温及更低温度下不能完全混溶，因而不再适于用于本发明牵引油的聚环烃的改良。

另外，二甲基硅油在很低的粘度级下挥发性相对较低。因此，闪点和燃点(D92和D93)并没有从160℃的α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物基油的水平受损。此外，产物的低温粘度测定基本上通过轻二甲基硅油有限地混合入环烃油来改进，且不会明显降低混合油的高温、低剪切应力、剪切强度。

本配方的运用使得在100℃下具有约3.5至约6.0厘司的粘度的完全调配的无级变速器牵引油被调配成拥有40泊的-30℃布氏粘度，这不会损害剪切强度特性。

这些含有诸如α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物的聚环烃牵引油与二甲基硅油结合起来充当基油，向其中加入添加剂形成用于无级变速器油的完全调配的芳香族变速器油。这些添加剂包括抗氧化剂、抗磨损剂、极压剂、清洁剂、分散剂、防沫剂、防锈剂、摩擦改进剂和粘度改进剂等添加剂。

所用硅油可含有多达10重量百分比的除甲基以外的其他官能基，以进一步提高完全混合的无级变速器油的性能。

本发明是关于牵引驱动系统的，系统包括至少两个可相对转动的组件，彼此成扭矩传递关系，并包括一种牵引油，布置在组件牵引表面上，该牵引油大体上包含α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物和二甲基硅油，它们的粘度在77℉下小于20厘司。

更特殊的是，本发明还关于一种改良过的牵引驱动系统，其具有至少两个可相对转动的组件，彼此成扭矩传递关系，并包括一种配置在转到组件牵引表面上的牵引油，从而达到改进效果，而采用的该牵引油实质上包含聚环烃和二甲基硅油，其粘度在77℉下小于20厘司，其中聚环烃是α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物。

本发明的其他目标、特征和优势通过下文的详述，辅以显示本发明优选实施例的附图，将是显而易见的。

附图的简要说明

参考下文的详述，辅以附图，图中相同数字对应几个视图的相同部分，可以更好理解本发明。

图1是一张特性及性能数据表格，显示二甲硅油对芳香族基润滑剂配方的低温特性的影响。

具体实施方式

本发明提供一种牵引油基本组分，具有聚环烃的低温特性和二甲基硅油的低剪切应力剪切强度特性。添加剂提供所需的特性，调配无级变速器油，比起同样介质的传统油有更高的热传导性和改良的热转移能力。在本发明中，针对油介质的目标是它的粘性、摩擦力和抗氧化特征，以在最新的无级变速器中发挥作用。

油基本组分

本发明利用α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物充当烃油，显示出低粘性和很高剪切强度特性；但是，它的低温流动性非常差。将α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物用于牵引油需要显著改善流动性，保持其粘度在可接受的范围内，以便用于无级变速器。

本发明利用拥有适当粘度/分子量的简单的二甲基硅油，将其加入，改善聚环烃的低温特性。聚环烃的一个优选实施例是α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物。加入二甲基硅油到α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物中，可提高低温特性，而不会损害必需的低剪切应力剪切强度特性。

二甲基硅油的优选粘度范围小于20厘司，更优选是77℉下约5至15厘司(或100℃下约2至10厘司)。如果粘度更高(77℉下20厘司或更高)，二甲基硅油在规定的-20℃低温及更低温度下不能完全混溶，因而不再适于用于本发明牵引油的聚环烃的改良。

另外，二甲基硅油在很低的粘度级下挥发性相对较低。因此，闪点和燃点(D92和D93)并没有从160℃的α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物基油的水平受损。此外，产物的低温粘度测定基本上通过轻二甲基硅油有限地混合入环烃油来改进，且不会明显降低混合油的高温、低剪切应力、剪切强度。

本配方的运用使得在100℃下具有约3.5至约6.0厘司的粘度的完全调配的无级变速器牵引油被调配成拥有40泊的-30℃布氏粘度，这不会损害剪切强度特性。

这些含有诸如α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物的聚环烃牵引油与二甲基硅油结合起来充当基油的牵引油，向其中加入添加剂形成用于无级变速器油的完全调配的芳香族变速器油。这些添加剂包括抗氧化剂、抗磨损剂、极压剂、清洁剂、分散剂、防沫剂、防锈剂、摩擦改进剂和粘度改进剂等添加剂。

所用二甲基硅油可含有多达10重量百分比的除甲基以外的其他官能团，以进一步提高完全混合的无级变速器油的性能。

下列实例为无级变速器基油调配物的配方提供支持。本发明的牵引油基组合物用来比较的对照物或标准是SANTOTRAC50，其在工业中被用作高剪切强度特性的参照基准油。

润滑剂工业中使用的分散剂

润滑剂工业中所用的分散剂一般用来分散汽油和柴油机里形成的“冷的淤积物”，可以是“无灰分散剂”，或含有金属原子。其可用于本发明，因为人们发现它们是极好的分散剂。也需要分散剂来分散变速过程中的磨损残渣和润滑剂降级产物。

通常用于汽车工业的无灰分散剂含有亲脂烃基和极性官能亲脂基。极性官能团可以是羧酸酯、酯、胺、亚胺、羟基、醚、环氧化物、磷、酯羧基、酐或腈。亲脂基本质上可以是低聚的或多聚的，通常有70-200个碳原子，确保油的可溶性。用不同试剂处理烃聚合物，引入极性基，烃聚合物包括通过处理聚烯烃而制备的产物，例如聚异丁烯首先用马来酐处理或硫化磷或氯化磷处理，或经热处理，然后用聚胺、胺、环氧乙烷等试剂处理。

在这些无灰分散剂当中，一般用于石油工业的包括N-取代基聚异丁烯琥珀酰亚胺、甲基丙烯酸烷酯-乙烯基吡咯烷酮共聚物、甲基丙烯酸烷酯-甲基丙烯酸二烷基胺乙酯共聚物、甲基丙烯酸烷酯-甲基丙烯酸乙二醇酯共聚物、和聚硬脂酰胺。本应用中最重要的优选油基分散剂包括化学级的分散剂：烷基琥珀酰亚胺、琥珀酸酯、高分子量胺、Mannich碱和磷酸衍生物。某些特殊实例为聚异丁烯琥珀酰亚胺-聚乙烯聚胺、聚琥珀酸异丁烯酯、聚异丁烯羟苄基-聚乙烯聚胺、双-羟丙基磷酸化物。适用于变速器油的商用分散剂为，例如，Lubrizol890(无灰PIB琥珀酸酯)、Lubrizol6420(高分子量PIB琥珀酸酯)、ETHYLHITEC646(非硼化PIB琥珀酸酯)。分散剂可结合其他用于润滑剂工业的添加剂，形成供变速器油使用的分散剂-清洁剂添加剂包，例如LUBRIZOL9677MX，并且整个分散剂-清洁剂包可用作分散剂。

其他类型分散剂

另外一种可用于本发明的分散剂可以是具有低HLB值(一般小于或等于8)的表面活性剂或表面活性剂的混合物，优选为非离子的表面活性剂，或非离子表面活性剂与离子表面活性剂的混合物。

所选择的分散剂应当能溶于或分散于液体介质中。分散剂的量应当位于下述的范围中：0.01-30％，优选0.5-20％，更优选1-15％，最优选2-13％。

其他化合物

这种分散剂还可以含有大量的一种或多种其他化合物，优选是聚合物，并非是用来帮助分散，而是为了达到加稠或其他需要的油特征。可添加这些化合物，但减少微粒的量，所用的微粒不会让粘稠度变得过大。

用于润滑剂工业的粘性改良剂可用于本发明的油介质，改良剂包括石蜡共聚物(OCP)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、氢化苯乙烯二烯(STD)和苯乙烯-聚酯(STPE)聚合物。石蜡共聚物是橡胶类的物质，用乙烯和丙烯混合物通过钒基Ziegler-Natta催化法制得。苯乙烯二烯聚合物是通过苯乙烯和丁二烯或异戊二烯的阴离子聚合反应来制造。聚甲基丙烯酸酯是通过甲基丙烯酸烷酯的自由基聚合反应来制造。苯乙烯-聚酯聚合物是通过先共聚合苯乙烯和马来酐，然后用醇类混合物酯化中间产物而制得

其他可用于本发明油介质的化合物包括：丙烯酸聚合物，例如聚丙烯酸和聚丙烯酸钠，环氧乙烷的高分子量聚合物，例如UnionCarbide生产的PolyoxWSR，纤维素化合物，例如羧甲基纤维素、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、黄原胶和瓜尔胶，聚糖化物，链烷醇酰胺，聚酰胺的胺盐，例如KingIndustries生产的DISPARLONAQ系列，疏水性改质环氧乙烷脲烷(例如Rohmax生产的ACRYSOL系列)，硅酸酯和填充剂，如云母、硅土、纤维素、木粉、粘土(包括有机粘土)，以及树脂聚合物，例如聚乙烯丁缩醛树脂、聚脲烷树脂、丙烯酸树脂和环氧树脂。

例如油封膨胀剂或增塑剂的化合物也可用于本发明，其可以从下列物中选择：邻苯二甲酸酯、己二酸酯、癸二酸酯，更特定地从下列物中选择：三乙酸基硬脂酸甘油酯、环氧化大豆油、环氧化亚麻油、N，正丁基苯磺酰胺、脂族聚亚胺酯、环氧化豆油、戊二酸聚酯、三甘醇癸酸酯/辛酸酯、长链烷醚、戊二酸二烷二酯、单聚物、多聚物和环氧增塑剂，基于己二酸的聚酯、氢化二聚酸、蒸馏二聚酸、多聚脂肪酸三聚物、水解胶原质的乙酯、异硬脂酸和山梨油酸酯和椰油基水解角蛋白、PPG-12/PEG-65羊毛脂油、己二酸二烷酯、磷酸烷芳酯、磷酸烷二芳酯、改质磷酸三芳酯、磷酸三芳酯、邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸辛苄酯、邻苯二甲酸辛烷酯、乙氧基乙基己二酸二丁氧酯、磷酸2-乙己基二苯酯、二丁氧基乙氧基乙基甲酸基、己二酸二异丙酯、癸二酸二异丙酯、油酸异癸酯、二癸酸新戊基乙二醇酯、二辛酸新戊二醇酯、新戊酸异己酯、乙氧基化羊毛脂、聚氧乙烯胆固醇、丙氧基化(2分子)羊毛脂醇、丙氧基化羊毛脂醇、羊毛脂的乙酰基化丙氧基乙烯衍生物，和二甲基聚硅氧烷。其他可取代上述增塑剂和/或一起使用的增塑剂包括甘油、聚乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯，和2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇单异丁酸酯，和邻苯二甲酸二异壬酯，所有都易溶于溶剂载体。其他油封膨胀剂例如Lubrizol730也可以使用。

抗氧化剂是变速器油的重要组成部分。普通种类的抗氧化剂包括二烷基二硫代磷酸锌、烷基和芳香剂苯酚、烷基和芳香剂胺，和硫化烯烃。商用实例为CIBAL57(苯基胺)和ETHYLHITEC1656。

倾点下降剂，无论是聚甲基丙烯酸甲酯型还是乙烯丙烯石蜡共聚物型都可用于降低油的低温布氏粘度。实例包括ROHMAX3008、ROHMAX1-333、LUBRIZOL6662A。

摩擦改进剂用于控制油的摩擦力和扭矩特征。商用实例包括LUBRIZOL8650和HITEC3191。

实施例

图1阐明了无级变速器油配方，配方中包含结合二甲基硅油的聚环芳香烃，同时阐明了每种组合物的性能特征。

提供上述细节主要是为了清楚地理解本发明，并非要将其限制在所述范围，本领域技术人员阅读公开内容后，在不背离本发明的精神和附属权利要求书的前提下，可以作出显而易见的变化。因此不能将本发明限定在本文已述的特定实施方式范畴内。

Claims (6)

1.一种牵引驱动系统，其含有至少两个可相对转动的组件，彼此成扭矩传递关系，并含有牵引油，布置在所述组件的牵引表面上，所述牵引油包括：

α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物；和

在77℉下粘度小于20厘司的二甲基硅油；其中，所述二甲基硅油占所述牵引油的10重量％、15重量％、20重量％和25重量％，所述二甲基硅油包含不超过10重量％的除甲基以外的官能团。

2.如权利要求1所述的牵引驱动系统，其中，所述二甲基硅油在77℉下粘度为5-15厘司。

3.如权利要求1或2所述的牵引驱动系统，其中还包括分散剂。

4.一种用于牵引驱动系统的牵引油，其中，所述牵引油由以下物构成：

α-甲基苯乙烯的全氢化二聚物；和

在77℉下粘度小于20厘司的二甲基硅油；其中，所述二甲基硅油占所述牵引油的10重量％、15重量％、20重量％和25重量％，所述二甲基硅油包含不超过10重量％的除甲基以外的官能团。

5.如权利要求4所述的牵引油，其中还包括分散剂。

6.如权利要求4或5所述的牵引油，其中，所述二甲基硅油在77℉下粘度为5-15厘司。