CN1286956C - 改善无级变速器牵引性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种改善无级变速器牵引性能的方法，是在无级变速器表面引入包含以下结构的化合物作为牵引液：其中R为含有偕位二甲基结构的C3～C5短链烷基，n为正整数1～3。该牵引液同时具备较高的牵引系数、良好的低温流动性等性能，此外在工作条件下还具备正常的粘度特性。

Description

改善无级变速器牵引性能的方法

技术领域

本发明涉及一种润滑油，具体而言，本发明涉及的是一种可以改善无级变速器牵引性能的润滑油。

技术背景

机械无级变速器(简称CVT)主要是指依靠变速器的摩擦元件或齿链等啮合件相对运动来实现连续无级地改变输入与输出轴的传动比或输出轴转速的动力传输设备。其应用领域十分广泛，多用于精密仪器、精密机床、化纤加工及汽车传动等设备。其中用于仪器、机床等设备的CVT，其常用类型有钢球式、环推式、棱锥式、多盘式、齿链式等。用于汽车领域的CVT可分为金属带式CVT(简称B-CVT)和曲面型CVT(Toroidal CVT，简称T-CVT)，具有传动比连续，传递动力平稳，操作方便等特点，真正实现无级变速。由于车用CVT可以使发动机始终处于其经济转速区域内运行，从而大大改善燃油经济特性。近年来，随着汽车工业对能耗规格的提升以及环保对汽车尾气的排放限制，车用CVT得到了迅猛发展。

CVT动力的传递实际上是依靠弹性流体动力润滑(EHL)接触区内油膜的剪切力完成的，因此，机械无级变速器性能的优劣在很大程度上取决于牵引液(CVTF)的牵引性能。一般以牵引系数表征牵引液的牵引性能。在弹性流体动力润滑(EHL)的异曲表面接触中，油膜薄、压力高，滑动摩擦总是远大于滚动摩擦，通常称摩擦力为牵引力。牵引系数定义为 $\mathrm{\μ}=\frac{T}{F}.$ 其中T是接触表面单位长度的牵引力，F是法向的单位长度负载；而T又是由切向剪切应力τ按接触长度进行线积分获得的。由于机器部件的疲劳寿命与接触负载的三次方成反比，故不希望选用过高的法向负荷。因此，牵引液的牵引系数成为影响CVTF的重要因素。优良的牵引液应当具有较高的牵引系数。此外，牵引液在工作时应当具有较低的运动粘度，低粘度意味着动力传递过程中的能量损耗较低。同时，为应对某些低温应用的特殊场合(如车用CVTF)，要求牵引液具有良好的低温流动性能，一般以倾点表示。

牵引液就其分子结构而言可大致分为：(1)多环脂环族类型(多六元环)；(2)合成聚烯烃型(高枝化度)；(3)矿物油型；(4)酯类、醚类(分子结构中含多个六元环)；(5)硅油型等。其中，多环己基脂环族类牵引液的牵引性能良好，特别是高温牵引系数较高，所以获得了广泛的使用。自 US.3975278，4046703分别提出双环己基脂环族类牵引液后，世界各国特别是日本，围绕此类分子结构提出了大量的发明专利，如：NIPPON MITSUBISHI OIL Co.申请的JP2001294880～83，JP11349968～69，JP6201010193(EP0208541)；COSMO OIL公司申请的JP10025489，JP917665，JP8176571；IDEMITSU KOSAN公司申请的JP7133235，JP63222127等。此外，美国专利US.4302618，4604492，4922047， 5043497，6372696等也介绍了多种多环己环脂环族类的牵引液。各专利牵引液有着共同的分子结构通式：

不同处在环己环间的联接方式各不相同，具体表现为亚甲基个数的差异、以及亚甲基之间的联接方式的不同；此外，环己环上短链烷基R₁、R₂的类型、数量也各不相同。

较为成功的商用牵引液也多为多环己环类脂环烃，如Santotrac系列产品等。这些牵引液一般都具有较好的牵引系数，室温下的牵引系数最高达到0.12左右。但它们的低温流动性能、及工作条件下的粘度各不相同，有的无法满足无级变数器的特殊要求。特别是在牵引系数与低温流动性之间存在着矛盾，高牵引系数往往伴随着高粘度、高倾点的同时出现。

发明内容

本发明提供了一种改善无级变速器牵引性能的方法，就是在无级变速器表面引入一种化合物作为牵引液，该牵引液同时具备较高的牵引系数、良好的低温流动性等性能，此外在工作条件下还具备正常的粘度特性。

具体而言，该牵引液的主要组成为双环己环类脂环烃，其中2个环己基由1个亚甲基联接，且每个环己环上均有一个或多个含有偕位二甲基结构的短链烷基取代基团，如异丙基、叔丁基等。其结构简式如下：

其中R为含有偕位二甲基结构的C3～C5短链烷基，如异丙基、叔丁基等，n为正整数1～3。

所说的双环己环类脂环烃的制备可分为两步：即芳香中间体的合成和芳香中间体的氢化饱和。

(1)芳香中间体的合成

以短链烷基苯、甲醛为原料，在酸性催化剂的作用下，经缩合反应生成二芳基甲烷型芳香中间体。短链烷基苯的结构通式如下：

其中R为含有偕位二甲基结构的短链烷基取代基团，如异丙基、叔丁基等，n为正整数1～3。催化剂可选用浓硫酸，磺酸或杂多酸，优选浓硫酸98％(w)。甲醛原料可选用多聚甲醛或甲醛水溶液，优选37％的甲醛水溶液。反应温度可以是106～130℃。

二芳基甲烷型芳香中间体通式如下：

由于烷基的不同取代位造成多个异构体同时存在，故芳香中间体实为混合物，但混合物对最终产品的性能无太大影响。

(2)芳香中间体的氢化饱和

由于芳香中间体分子中含有两个苯环，所以加氢饱和的难度较大。可选择不溶于反应介质的固体催化剂即多相催化剂，主要分为下列三大类：1)第Ⅷ族元素中的金属本身(Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)以及由合金制成的骨架催化剂或非晶合金催化剂；2)金属氧化物(MgO、ZnO、Cr₂O₃、Fe₂O₃等)；3)复合氧化物或硫化物。上述物质，特别是金属本身，除骨架型催化剂外，多数分散在多孔性载体上以增强活性。

以双(异丙苯基)甲烷为例说明芳香中间体经加氢后的产品构成。其最终产品的组成为双(异丙基环己基)甲烷。其中主要含有以下两种异构体：

双(4-异丙基环己基)甲烷

双(3-异丙基环己基)甲烷

由于空间位阻的关系，前者的含量较高。分离上述混合物是困难的，同时对于本发明而言也是没有意义的。

本发明选用的无级变速牵引液，具有如下特点：

1)常温下具备较高的牵引系数；

2)具有良好的低温流动性等性能，即较低的倾点；

3)常温下的运动粘度较低。

本发明所说的双环己环类脂环烃可用作牵引液基础液，与其它添加剂相调和可进一步满足牵引液的其它性能要求。这些添加剂包括：抗氧剂、粘度指数改进剂、清净分散剂、抗泡剂等。本产品可单独使用，也可与其它脂环族类的基础液相调和，以满足特殊的使用要求。

具体实施方式

(1)牵引系数的测定

牵引曲线的测定使用英国PCS Instruments公司生产的Mini Traction Machine(MTM)仪器，其几何接触型式为球-盘型。试验条件及试件参数见表1、表2。对得到的牵引曲线进行非线性拟合，随后求得最大牵引系数μ_max。牵引曲线多呈线性弹性-极限应力型，即牵引系数随滑滚比的上升先表现为线性升高，但随后进入非线性上升区，在达到最值后缓慢下降。实验中的最值滑滚比多出现在5％之前。

表1  牵引性能试验条件

试件	接触区域	赫兹压力GPa	滑滚比％	滚动速度m/s	温度(℃)	样品体积ml
							球-盘	椭圆	0.75～1.25	-10～+10	2.5	40	40

表2  试件参数

名称	材质	直径(mm)	硬度	光洁度(μm)	接触半径(mm)	弹性模量(1011*N/m2)
							球	AISI52100	19.05	63HRC	0.02	无	2.07
盘	AISI52100	46.0	63HRC	0.02	21.2	2.07

(2)实施例

参照以下实例，对本发明进行更详细的说明。然而，这些实施例并不构成对本发明保护范围的限制。

实例1

取异丙苯(纯度99w％)240克，甲醛(37％水溶液)47.8克，硫酸(浓度98w％)58.2克为原料。其中异丙苯、硫酸混置于四颈瓶中搅拌，并在一定时间内由室温升温至120℃。在达到设定温度后，将置于滴加漏斗中的甲醛水溶液，缓慢的滴加入四颈瓶，控制滴加速度使其在一定时间内完成滴加。甲醛滴加完毕，保温反应约1小时后，出料入分液漏斗，用80℃左右的蒸馏水、正丁醇混合液(水∶醇体积比约为4∶1)萃取洗涤至PH＝7，切出上层油相产品。油相产品汇集后，先在残压为24～40mmHg条件下蒸出未反应的原料异丙苯后，再在残压小于1mmHg的条件下，取176～186℃的减压馏份为目标中间体产物。

将上述中间体——双(异丙苯基)甲烷139.6克，与10％Pd/C催化剂6.5克混合置于高压釜内。于温度190℃，氢压7.0MPa，搅拌速度250RPM的条件下，进行加氢饱和。产物经减压拔头后得最终产品126.2克，¹H-NMR测定加氢饱和度为98.6％。¹³C-NMR分子结构鉴定表明，双(4-异丙基环己基)甲烷为其主要成份。对加氢产品进行相关的物性测定及牵引性能的测定，结果见表3。

实例2

合成过程同实例1，只是原料换为叔丁基苯268克，甲醛与浓硫酸的质量不变。120℃下进行缩合反应，并进行萃取分离及减压蒸馏，共得到中间体——双(叔丁苯基)甲烷产品125.5克。将它与10％Pd/C催化剂6.7克混合置于高压釜内。于温度190℃，氢压7.0MPa，搅拌速度250RPM的条件下，进行加氢饱和。产物经减压拔头后得最终产品115.3克，¹H-NMR测定加氢饱和度为97.3％。¹³C-NMR分子结构鉴定表明，双(4-叔丁基环己基)甲烷为其主要成份。对加氢产品进行相关的物性测定及牵引性能的测定，结果见表3。

对照例1

按专利US 5043497的叙述，取1，2，4-三甲苯(纯度98w％)240克，甲醛(37％水溶液)47.8克，硫酸(9w％)58.2克为原料。将三甲苯、硫酸混置于四颈瓶中搅拌，并在一定时间内由室温升温至130℃。在达到设定温度后，将置于滴加漏斗中的甲醛水溶液，缓慢的滴加入四颈瓶，控制滴加速度使其在一定时间内完成滴加。甲醛滴加完毕，保温反应约1小时后，出料入分液漏斗，用80℃左右的蒸馏水、正丁醇混合液(水∶醇体积比约为4∶1)萃取洗涤至PH＝7，切出上层油相产品。油相产品经两段减压蒸馏获得中间产品双三甲苯基甲烷(固体)56.4克。

将双三甲苯基甲烷(固体)56.4克与环己烷200ml，Pd/C(10％负载量)催化剂2.1克，混合后置于高压釜内。于温度200℃、氢压7.0MPa、搅拌速度250RPM的条件下加氢饱和。产物经常压、减压拔头后得最终产品46.8克，¹H-NMR测定加氢饱和度为95.0％。对加氢产品进行相关的物性测定及牵引性能的测定，结果见表3。

对照例2

过程同对照例1，只是原料换为混合二甲苯(间二甲苯、对二甲苯)240克。两次缩合反应得到中间产品129.2克，将它与Pd/C催化剂2.6克混合后置于高压釜内。于温度190℃、氢压7.0MPa、搅拌速度250RPM的条件下加氢饱和。产物经减压拔头后得最终产品122.3克，¹H-NMR测定加氢饱和度为100.0％。对加氢产品进行相关的物性测定及牵引性能的测定，结果见表3。

对照例3

过程同对照例1，只是原料换为甲苯240克。两次缩合反应得到中间产品130.6克，将它与Pd/C催化剂2.6克，混合后置于高压釜内。于温度190℃、氢压7.0MPa、搅拌速度250RPM的条件下加氢饱和。产物经减压拔头后得最终产品123.5克，¹H-NMR测定加氢饱和度为99.9％。对加氢产品进行相关的物性测定及牵引性能的测定，结果见表3。

对照例4

取高纯度2，4-二苯基-4-甲基-1-戊烯194.0克，将它Pd/C催化剂4.0克，混合后置于高压釜内。于温度90、190℃两个温度段、氢压7.0MPa、搅拌速度250RPM的条件下加氢饱和。产物经减压拔头后得最终产品183.1克，¹H-NMR测定加氢饱和度为99.9％。加氢产品同专利US 3975278，对加氢产品进行相关的物性测定及牵引性能的测定，结果见表3。

对照例5

取高纯度的1，1，3-三甲基-3-苯基茚满122.0克，环己烷40mml，Pd/C催化剂4.5克，混合后置于高压釜内。于温度200℃、氢压7.0MPa、搅拌速度250RPM的条件下加氢饱和。产物经常压、减压拔头后得最终产品101.7克，¹H-NMR测定加氢饱和度为97.9％。加氢产品同专利US 4046703，对加氢产品进行相关的物性测定及牵引性能的测定，结果见表3。

表3  实施例及对照例数据对比表

牵引液	相关专利	温度(℃)	牵引系数μmax(PHz＝0.75GPa)	牵引系数μmax(PHz＝1.25GPa)	倾点(℃)	υ40℃(cSt)
							实例1	-	40	0.07350	0.09249	-54	15.47
实例2	-	40	0.08135	0.10135	-45	16.85
							对照例1	U.S.5043497	40	0.07735	0.08704	-30	13.6
对照例2	U.S 5043497	40	0.07622	0.08805	-51	6.63
							对照例3	U.S.5043497	40	0.06635	0.08731	-60	4.69
对照例4	U.S 3975278	40	0.10420	0.1219	-39	20.92
							对照例5	U.S.4046703	40	0.10221	0.1144	-32	26.3

注：P_Hz为平均赫兹接触压力。

通过表3可以看出，本发明所述无级变速牵引液(CVTF)产品，具有如下特点：

1)常温下具备较高的牵引系数；

2)具有良好的低温流动性等性能，即较低的倾点；

3)常温下的运动粘度较低。

Claims (4)

1、一种改善无级变速器牵引性能的方法，是在无级变速器表面引入包含以下结构的化合物作为牵引液：

其中R为含有偕位二甲基结构的C3～C5短链烷基，n为正整数1～3。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于，R为异丙基或叔丁基。

3、按照权利要求1所述的方法，其特征在于，牵引液中还含有添加剂。

4、按照权利要求3所述的方法，其特征在于，所说添加剂是抗氧剂、粘度指数改进剂、清净分散剂、抗泡剂中的一种或多种。