純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱潤(rùn)滑油的開(kāi)發(fā)及性能評(píng)價(jià)

金吟

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司北京研究院

純電動(dòng)車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)有多種類(lèi)型，其中以水冷電機(jī)+單級(jí)減速箱市場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛。純電動(dòng)車(chē)單級(jí)減速箱對(duì)油品的要求區(qū)別于傳統(tǒng)的傳動(dòng)系油品。本文結(jié)合單級(jí)減速箱的工作情況，分析其潤(rùn)滑需求，闡述了純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱油品的開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證情況。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及環(huán)保意識(shí)的提升，能源革命已經(jīng)成為國(guó)家話題。在此環(huán)境下，新能源汽車(chē)的發(fā)展成為整個(gè)汽車(chē)行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。在乘用車(chē)領(lǐng)域，新能源汽車(chē)根據(jù)動(dòng)力模式不同分為純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)以及其他形式的新能源汽車(chē)。2019年，新能源汽車(chē)產(chǎn)量達(dá)到124.2萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)完成102萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)3.4%，在純電動(dòng)汽車(chē)中，純電動(dòng)乘用車(chē)占比最大。受人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提升以及基礎(chǔ)配套設(shè)施更加完善等積極信號(hào)的影響，日后純電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)占有率將進(jìn)一步提升。

汽車(chē)電動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)零部件供應(yīng)商提出了更高的要求，對(duì)潤(rùn)滑油也提出了新的挑戰(zhàn)。目前，純電動(dòng)乘用車(chē)型傳動(dòng)系統(tǒng)主要分為水冷電機(jī)+單級(jí)減速箱、油冷電機(jī)+單級(jí)減速箱、油冷電機(jī)+兩級(jí)減速箱，現(xiàn)階段水冷電機(jī)+單級(jí)減速箱的市場(chǎng)化應(yīng)用最為廣泛[1]。單級(jí)減速箱的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況區(qū)別于傳統(tǒng)汽車(chē)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此對(duì)潤(rùn)滑油的使用也提出了新的要求。本文將重點(diǎn)圍繞單級(jí)減速箱潤(rùn)滑油品的性能進(jìn)行論述。

純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱潤(rùn)滑需求及性能評(píng)價(jià)

單級(jí)減速箱大多采用固定速比，可以滿足中小型純電動(dòng)車(chē)的要求[2]。設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

◇結(jié)構(gòu)更加緊湊。

◇輸入轉(zhuǎn)速較高。由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)減速箱，由于電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速較高，因此單級(jí)減速箱的轉(zhuǎn)速可達(dá)12 000～20 000 r/min。而傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

◇油品工作溫度較高。由于減速箱內(nèi)的高轉(zhuǎn)速及高承載，油溫可達(dá)到100 ℃，最高可達(dá)150 ℃。傳統(tǒng)以齒輪形式進(jìn)行傳動(dòng)的手動(dòng)變速箱工作溫度為90 ℃以下，最高不超過(guò)120 ℃。

◇更加關(guān)注傳動(dòng)效率。為最大限度實(shí)現(xiàn)整車(chē)的節(jié)能，延長(zhǎng)續(xù)航里程，電動(dòng)車(chē)減速箱則更加看重傳動(dòng)效率。

水冷電機(jī)+單級(jí)減速箱的結(jié)構(gòu)是指電機(jī)與減速箱之間相對(duì)獨(dú)立，電機(jī)裝配有傳統(tǒng)的冷卻液，而減速箱則使用傳動(dòng)系油品進(jìn)行潤(rùn)滑。結(jié)合減速箱性能特點(diǎn)，潤(rùn)滑油品主要關(guān)注以下幾點(diǎn)性能：

運(yùn)動(dòng)黏度及承載性能

目前，國(guó)內(nèi)較為常用的是75W-90黏度等級(jí)的油品。對(duì)于行業(yè)對(duì)純電動(dòng)車(chē)傳動(dòng)效率的關(guān)注，可以從優(yōu)化減速箱設(shè)計(jì)、提升硬件的加工精度的層面進(jìn)行改進(jìn)，潤(rùn)滑油的改變也有助于傳動(dòng)效率的提升。因此，增加油品流動(dòng)性，減速箱油低黏化成為一種油品開(kāi)發(fā)的思路。為達(dá)到良好的傳遞效率，油品運(yùn)動(dòng)黏度（100 ℃）可由13.5～18.5 mm2/s降低至6.0 mm2/s甚至更低。因油品需要在較高轉(zhuǎn)速下保證對(duì)齒輪及軸承的潤(rùn)滑，因此低黏化的同時(shí)，還需保證油品的承載能力，這對(duì)純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱油提出了一定的挑戰(zhàn)。

低溫流動(dòng)性及剪切安定性

為保證車(chē)輛在冬季的正常使用，特別是車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)油品可以對(duì)各個(gè)部位實(shí)現(xiàn)有效潤(rùn)滑，要求純電動(dòng)車(chē)減速箱油品具有良好的低溫流動(dòng)性能。在同等黏度的基礎(chǔ)上，相較普通礦物型油品，合成型油品及半合成型油品的低溫流動(dòng)性能更好，但合成型油品的缺點(diǎn)是成本普遍較高。因此，礦物型油品想要彌補(bǔ)這一缺陷，就需要選擇合適的基礎(chǔ)油、黏度指數(shù)改進(jìn)劑和降凝劑進(jìn)行復(fù)配。

由于純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱的高轉(zhuǎn)速及高負(fù)荷，減速箱油在實(shí)際工作中會(huì)受到強(qiáng)烈的剪切力。強(qiáng)剪切力會(huì)引起油品黏度的下降，導(dǎo)致油膜厚度下降，造成磨損。因此，需要油品在保證低溫性能的同時(shí)，具有良好的抗剪切能力。研制的純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱油與市售在用油參比油的黏度及剪切穩(wěn)定性數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。研制樣品與市售在用油產(chǎn)品屬于礦物型產(chǎn)品。相較市場(chǎng)在用油，研制樣品從黏度、剪切穩(wěn)定性和低溫性能方面更好的滿足了使用工況需求，與同類(lèi)半合成型方案、合成型方案性能相當(dāng)。由于半合成型方案及合成型方案在經(jīng)濟(jì)型方面不占優(yōu)勢(shì)，因此本文章不對(duì)上述兩個(gè)方案做過(guò)多討論。

氧化安定性

減速箱油在工作中被激烈地?cái)噭?dòng)，同時(shí)會(huì)與空氣、金屬、雜質(zhì)等接觸，且減速箱內(nèi)溫度較高，容易氧化變質(zhì)失去原有性能，因此油品需要有良好的氧化安定性。純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱油與市售在用產(chǎn)品的氧化性能對(duì)比見(jiàn)表2、圖1～圖6，測(cè)試方法基于CEC L-48-A-00測(cè)試方法的DKA氧化性能測(cè)試。

表1 純電動(dòng)車(chē)減速箱油與市售在用產(chǎn)品的黏度及剪切穩(wěn)定性數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱油與市售在用產(chǎn)品的氧化性能數(shù)據(jù)對(duì)比

此外，結(jié)合減速箱運(yùn)行工況，純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱油的防腐防銹能力、泡沫性能等性能也應(yīng)予以關(guān)注。

純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱潤(rùn)滑油的開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證

根據(jù)上述油品性能要求，開(kāi)發(fā)了適用于純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱（水冷電機(jī)）的產(chǎn)品，典型數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。該產(chǎn)品通過(guò)多項(xiàng)性能驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)試效果良好，說(shuō)明該產(chǎn)品在水冷電機(jī)+單級(jí)減速箱純電動(dòng)車(chē)中具有應(yīng)用價(jià)值。

圖1 玻璃試驗(yàn)管-研制樣品

圖2 玻璃試驗(yàn)管-市售在用產(chǎn)品

圖3 玻璃試驗(yàn)管底部-研制樣品

圖4 玻璃試驗(yàn)管底部-市售在用產(chǎn)品

圖5 濾紙斑點(diǎn)-研制樣品

圖6 濾紙斑點(diǎn)-市售在用產(chǎn)品

效率試驗(yàn)

效率試驗(yàn)是在相同工況條件下使用不同減速箱油品，通過(guò)對(duì)總能耗的計(jì)算評(píng)定效率情況。效率試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱油對(duì)效率提升起到積極作用。

變速箱疲勞耐久試驗(yàn)

變速箱疲勞耐久性試驗(yàn)是在一定轉(zhuǎn)速、一定油溫下對(duì)變速箱按照額定輸入扭矩進(jìn)行循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，考察變速箱整體，即齒輪、軸、軸承及殼體等部位的疲勞耐久性[3]。變速箱疲勞耐久性是變速箱臺(tái)架的必做項(xiàng)目[3]。該方法亦可考察油品在變速箱中的使用效果。本研究研發(fā)的純電動(dòng)車(chē)減速箱油通過(guò)了典型減速箱疲勞耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證，使用了目前國(guó)內(nèi)單級(jí)減速箱的最高扭矩，在行業(yè)中具有示范效應(yīng)。此外，該油品還通過(guò)了差速器耐久試驗(yàn)等臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試效果良好。油品的疲勞耐久試驗(yàn)情況見(jiàn)表4。

表3 純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱油品典型數(shù)據(jù)

表4 疲勞耐久試驗(yàn)情況

展望

☆純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱油品在傳動(dòng)效率、低溫性能、剪切安定性、氧化安定性及承載性能等方面性能優(yōu)異，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)具有應(yīng)用前景。

☆目前，市場(chǎng)上對(duì)于純電動(dòng)乘用車(chē)減速箱油品的使用大多沿用其他類(lèi)型的傳動(dòng)系油品，如手動(dòng)變速箱油、驅(qū)動(dòng)橋油及自動(dòng)變速箱油。各家OEM（原始設(shè)備制造商）對(duì)油品的使用要求各有不同，雖關(guān)注了設(shè)備的特點(diǎn)，但從整體行業(yè)角度看仍缺乏有針對(duì)性的潤(rùn)滑產(chǎn)品及相對(duì)統(tǒng)一的潤(rùn)滑規(guī)范。隨著純電動(dòng)乘用車(chē)市場(chǎng)占有率的增加，推出相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有助于日后進(jìn)一步規(guī)范裝填及售后油品市場(chǎng)。

☆隨著純電動(dòng)乘用車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外眾多OEM均開(kāi)始進(jìn)行減速箱的設(shè)計(jì)研發(fā)，減速箱類(lèi)型也各有不同。其中，油冷電機(jī)與減速箱的匹配、兩檔變速箱的設(shè)計(jì)將成為日后行業(yè)內(nèi)的重要發(fā)展方向，配套的傳動(dòng)系油品還應(yīng)對(duì)電化學(xué)性能、熱化學(xué)性能、摩擦性能予以關(guān)注。特別是電化學(xué)性能、熱化學(xué)性能、摩擦性能與傳統(tǒng)性能的匹配性問(wèn)題也是當(dāng)下研究的重要課題。