純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)潤滑油的研制

張繼平，戴媛靜，李小磊，鄒 洋

(1.清華大學天津高端裝備研究院，天津 300300；2.清華大學)

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量的增加，空氣質(zhì)量惡化、溫室效應和石油資源的匱乏等環(huán)境和能源問題嚴重影響到現(xiàn)代社會可持續(xù)發(fā)展，引起了各國政府對這些問題高度關注。近年來出臺的更嚴格的燃燒效率和排放的標準促進了節(jié)能環(huán)保汽車快速發(fā)展。純電動汽車和油電混合動力汽車作為新能源汽車的代表是實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要突破口。從節(jié)能和排放趨勢看，純電動汽車可能為最終選擇，油電混合動力車是向純電動汽車發(fā)展的一種過渡方式。

純電動汽車傳動系統(tǒng)多采用電機+單級/二級減速器的方式，仍然需要潤滑油進行潤滑。電機+單級/二級減速器傳動形式結(jié)構較為簡單，沒有離合器，沒有同步器，只有固定速比的齒輪。由于減速器和電機耦合在一起，對油品的散熱性能、絕緣性能、抗腐蝕性能、剪切安定性等提出了較高的要求。

對于純電動汽車傳動系統(tǒng)而言，由于轉(zhuǎn)速大幅提高(一般輸入軸轉(zhuǎn)速在10 000 r/min以上)、體積減小，造成工況更為苛刻、運轉(zhuǎn)溫度更高、油品運行負荷增大，因此對油品的抗泡沫性、氧化安定性和熱安定性等性能提出了更高的要求[1]。為了減少油品的攪油功率損失，要求油品運動黏度降低。

早在1997年美國通用公司制定了電動汽車驅(qū)/傳動系統(tǒng)用潤滑油標準GMNA9986144[2]。該標準中，油品運動黏度(100 ℃)為1.9～2.3 mm2/s，低于目前市售的手動變速箱油和自動變速器油的指標要求。此外還明確了對油品的絕緣性能要求。

從上述文獻可知，純電動汽車的傳動系統(tǒng)潤滑油要求運動黏度很低，且具有良好的絕緣性能、抗腐蝕性能、抗氧化性能，對摩擦性能無特殊要求。而手動變速箱油運動黏度高，摩擦耐久性好，對動靜摩擦因數(shù)比有一定要求。自動變速器油雖然黏度較低，抗氧化和抗腐蝕性能優(yōu)異，但其最主要性能是抗抖動等摩擦特性。這兩種油品并不能完全滿足純電動汽車傳動系統(tǒng)潤滑的要求。

為適應純電動汽車傳動系統(tǒng)潤滑需要，清華大學天津高端裝備研究院以Ⅲ+加氫礦物油和酯類油為基礎油、以自主開發(fā)的含磷分散型抗磨劑為主劑，開發(fā)了潤滑油品。與其他電動汽車油品配方[3-5]最大的不同是沒有使用黏度指數(shù)改進劑，這樣能夠避免高轉(zhuǎn)速對油品的剪切作用。以下介紹該油品的研發(fā)過程及該油品的性能評價結(jié)果。

1 實 驗

1.1 原 料

油品研制使用的基礎油包括Ⅲ類加氫礦物油、酯類油。使用的添加劑主要有抗擦傷劑硫化烯烴(SO)；抗磨劑(AW)：含磷分散型抗磨劑(AW-1)、磷酸酯胺鹽(T308)、硫代磷酸三苯酯(T309)；金屬減活劑(MP)：苯三唑衍生物(T551)、噻二唑衍生物(T561)、苯三唑脂肪酸胺鹽(T406)、液體苯三唑脂肪酸胺鹽(T406E)；無灰分散劑(AD)：高相對分子質(zhì)量聚異丁烯丁二酰亞胺(T161A)、聚異丁烯丁二酰亞胺(T152)；磺酸鹽清凈劑(SD)：高堿值磺酸鈣(T106D)、低堿值磺酸鈣(T101)等?；A油主要性質(zhì)見表1。

表1 基礎油主要性質(zhì)

1.2 試驗方法

油品研制過程中用到的標準方法見表1。自建方法如下：

①烘箱氧化。在250 mL燒杯中加入200 mL試油，將45號鋼片(45 mm×45 mm×2 mm)以和杯底約成30°角浸于試油中，置于溫度135 ℃的烘箱中烘72 h，然后取出鋼片，用石油醚沖洗，觀察鋼片變色情況，同時觀察杯底沉積物情況。其中鋼片評級規(guī)定：0為鋼片不變色；1為稍變色，幾乎與新片相同；2為局部淡白色；3為鋼片淡白色，擦去后鋼片亮；4為紅、黃、藍、灰等彩色，或有灰白色沉積物；5為局部灰黑色，明顯腐蝕；6為鋼片灰黑，剝落。杯底沉積物以多、中、少、無區(qū)分。同時測定試油氧化前后運動黏度(100 ℃)，并計算運動黏度(100 ℃)增長率。

②長磨試驗。長磨試驗在廈門天機自動化有限公司生產(chǎn)的MS-10A四球摩擦試驗機上進行。所用鋼球為GCr15鋼球，直徑12.7 mm，硬度58～62 HRC。試驗負荷392 N，試驗轉(zhuǎn)速1 200 r/min，試驗時間8 h。試驗過程中儀器自動記錄摩擦因數(shù)和油溫。試驗結(jié)束后給出平均摩擦因數(shù)，測量3個鋼球的磨斑直徑，取平均值作為磨斑直徑結(jié)果。

(3)雙輥試驗。雙輥試驗在英國Plint公司生產(chǎn)的TE72型雙輥試驗機上進行。試驗條件為：500 N，6 h，主動輪輥子轉(zhuǎn)速2 000 r/min，從動輪輥子轉(zhuǎn)速1 636 r/min。試驗結(jié)束后，截取輥子的一部分，使用奧林巴斯公司生產(chǎn)的OLS5000 3D型激光顯微鏡觀察其表面形貌，并測量其磨損體積。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎油的選擇

研制油的運動黏度(100 ℃)為4.5 mm2/s左右，且對剪切安定性有較高的要求，為此研制油基礎油沒有使用黏度指數(shù)改進劑。綜合考慮性能及成本，選用一種低溫性能良好的Ⅲ+加氫礦物油和酯類油復配，調(diào)制滿足暫定質(zhì)量指標要求的基礎油(BO)，結(jié)果見表2。

表2 調(diào)合基礎油的性能

從表2可知，調(diào)合基礎油能夠滿足暫定質(zhì)量指標的要求。

2.2 添加劑的篩選和配方的確定

2.2.1 不同添加劑的絕緣性能油品會與電機接觸，為避免漏電導致事故，需要油品具有較好的絕緣性能。為此，采用試驗方法(GBT 507—2002)考察了調(diào)合基礎油和擬使用的不同類型添加劑的絕緣性能，結(jié)果見表3。

表3 不同類型添加劑的絕緣性能

從表3可知，基礎油及添加劑氧化前后均具有較高的擊穿電壓，可以滿足質(zhì)量指標對油品絕緣性能的要求。

2.2.2 極壓抗磨劑的篩選由于研制油的運動黏度很低，相應的油膜厚度和強度變小，需要依靠極壓抗磨劑來彌補，因此進行了不同極壓抗磨劑的篩選，結(jié)果見表4。其中參比油為某型電動乘用車傳動系統(tǒng)在用的自動變速器油。

表4 不同極壓抗磨劑的篩選結(jié)果

注：a為0.8～1.2；b為0.5～0.8；c為0.15～0.25；d為0.15～0.25；PB為最大無卡咬負荷，試驗方法為GBT 2583—1998;d392為磨斑直徑，試驗方法為NBSHT 0189—2017。

從表4可知，通過調(diào)整極壓抗磨劑種類和配比，可滿足暫定質(zhì)量指標要求，且抗磨性能優(yōu)于參比油。

2.2.3 金屬減活劑的篩選由于電機中的銅部件較多，對油品的抗腐蝕性能提出了更為苛刻的要求。為此在國家標準GBT 5096方法的基礎上，通過提高試驗溫度來篩選合適的金屬減活劑。在w(BO+SO+AW)為99.95%、金屬減活劑質(zhì)量分數(shù)為0.05%的條件下，考察金屬減活劑類型對油品抗腐蝕性能的影響，結(jié)果見表5。

從表5可知，T406E具有良好的抗腐蝕性能。

2.2.4 清凈劑和無灰分散劑的篩選除了極壓抗磨、抗腐蝕性能外，油品氧化安定性也有較高的要求。含磷劑是油品在低黏度條件下仍能保持較好承載和抗磨損能力的關鍵功能劑，但它們在高溫條件下易生成油泥，導致油品承載和抗磨損性能下降。除了選擇氧化安定性好的含磷劑外，使用

表5 不同金屬減活劑的篩選結(jié)果

分散劑及清凈劑可以增強油品氧化安定性。篩選結(jié)果見表6。

從表6可知，加入的分散劑和清凈劑過多時，會降低油品的承載能力。高相對分子質(zhì)量無灰分散劑和高堿值磺酸鈣的加入可有效抑制油品的氧化，同時具有較好的承載能力，可以作為油品配方使用的功能添加劑。

表6 不同清凈劑和分散劑的篩選結(jié)果

注：e為1～1.2；f為0.8～0.5。

2.2.5 配方性能的評價確定主要添加劑的種類和添加量后，進行復合配方的研究。最終配方油品(研制油)的性能評價結(jié)果見表7、圖1和圖2。

表7 純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)潤滑油的主要性能

圖1 不同油品烘箱氧化的鋼片

圖2 不同油品潤滑的輥子表面形貌

從表7可知，研制油的主要性能滿足暫定質(zhì)量指標要求，且低溫、抗剪切、抗氧化、絕緣、抗磨減摩等性能優(yōu)于參比油。

從圖1可知，兩種油品均具有良好的抗氧化性能，鋼片表面無沉積，無變色。

從圖2可知，參比油潤滑的主動輪輥子和從動輪輥子表面出現(xiàn)了較為明顯的劃痕，研制油潤滑的主動輪輥子和從動輪輥子表面劃痕很少。該結(jié)果表明研制油具有較好的抗磨損性能。

3 結(jié) 論

以Ⅲ類加氫礦物油和酯類油為基礎油、以自主開發(fā)的含磷極壓抗磨添加劑AW-1調(diào)制的油品具有低的運動黏度，良好的絕緣、抗氧化、抗銅腐蝕、抗磨和減摩性能，適用于電機和減速器耦合在一起的純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)潤滑。