三種純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)潤滑油的性能對比

張繼平，鄒洋，李小磊，戴媛靜

(1.清華大學(xué)天津高端裝備研究院，天津 300300；2.清華大學(xué)，北京 100084)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量的增加，嚴(yán)峻的環(huán)境問題和能源問題日益凸顯，空氣質(zhì)量惡化，溫室效應(yīng)和石油資源的匱乏已經(jīng)嚴(yán)重影響到現(xiàn)代社會生活和持續(xù)發(fā)展，各國政府對這些問題也更加關(guān)注。近年來嚴(yán)格的燃燒效率和排放的標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了節(jié)能、高效車輛的快速發(fā)展。燃料電池汽車、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(shí)現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保的重要突破口[1-3]。通過發(fā)展新能源汽車可減少排放，降低污染；減輕對石油天然氣資源的依賴程度；滿足自動駕駛、互聯(lián)共享、智能出行的需求；打破西方汽車壟斷，實(shí)現(xiàn)汽車強(qiáng)國目標(biāo)。從節(jié)能和排放的要求看，純電動汽車應(yīng)為最終發(fā)展的方向，油電混合動力汽車是應(yīng)對目前純電動汽車發(fā)展瓶頸(電池技術(shù)沒有大的突破、續(xù)航里程較短、充電時(shí)間長等)的一種過渡方式。

電動汽車由于沒有發(fā)動機(jī)，因此不需要內(nèi)燃機(jī)油。但其傳動系統(tǒng)多采用電機(jī)+單級/兩級減速器的方式[4-7]，仍然需要潤滑油進(jìn)行潤滑。電機(jī)+單級/兩級減速器傳動形式結(jié)構(gòu)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(jī)耦合在一起，對油品的散熱性能、絕緣性能、抗銅腐蝕、剪切安定性等提出了較高的要求，普通的手動變速箱油和自動變速器油不能完全滿足其潤滑要求[8-9]。

目前，純電動乘用汽車市場占有率逐步增加，根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)，2017年中國純電動乘用車銷量為46.8萬輛，艾媒數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)顯示2019年中國純電動乘用車銷量91.7萬輛，呈逐年上漲之勢。這些車輛的傳動系統(tǒng)潤滑仍然以傳統(tǒng)手動變速箱油和自動變速器油為主，普通手動變速箱油運(yùn)動黏度高，電動汽車傳動系統(tǒng)潤滑油則對低黏度、熱氧化安定性、電學(xué)性能提出了更高的要求。自動變速器油雖然黏度低，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[10-11]。

為滿足純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)的潤滑要求，在實(shí)驗(yàn)室研制了ETF4油品，基礎(chǔ)油使用Ⅲ類加氫礦物油和酯類油，添加劑包括抗擦傷劑、極壓抗磨劑、防銹劑、金屬減活劑、無灰分散劑等。同時(shí)與市售的純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)使用的油品進(jìn)行了性能對比。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)潤滑油ETF4，實(shí)驗(yàn)室研制產(chǎn)品；75W-90 GL-4，某型純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)用油；自動變速器油，某型純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)用油。

1.2 試驗(yàn)方法

標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的方法號已在文中列出，非標(biāo)準(zhǔn)方法如下：

烘箱氧化[12]：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，置于溫度控制在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(shí)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(lán)、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(shí)檢測油品氧化前后的100 ℃運(yùn)動黏度，計(jì)算運(yùn)動黏度變化率。

四球長磨試驗(yàn)：長磨試驗(yàn)在廈門天機(jī)自動化有限公司的MS-10A四球摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)負(fù)荷392 N，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速1200 r/min，試驗(yàn)時(shí)間8 h，試驗(yàn)用鋼球?yàn)镚Cr15鋼球(直徑12.7 mm)，硬度(58～62 )HRC。將用石油醚(60～90 ℃)清洗干凈的三個鋼球夾緊在一個油盒中，倒入試驗(yàn)油浸沒三個鋼球，將另一個鋼球置于三球正頂部，施加規(guī)定的負(fù)荷，頂球以規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)8 h后試驗(yàn)結(jié)束。測定三個鋼球的磨斑直徑，取其平均值作為結(jié)果。系統(tǒng)自動記錄試驗(yàn)過程的平均摩擦系數(shù)、相對溫度平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同油品黏溫/低溫性能對比

對于純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)而言，由于轉(zhuǎn)速大幅提高(一般輸入軸轉(zhuǎn)速在10000轉(zhuǎn)速以上)、體積減小，造成工況更為苛刻。為了減少油品的攪油功率損失，要求油品運(yùn)動黏度降低[13-14]。為了維持不同溫度下油膜厚度的穩(wěn)定，要求油品具有良好的黏溫性能。此外，車輛在低溫啟動時(shí)傳動系統(tǒng)齒輪表面需要盡快形成油膜，因此油品需具備良好的低溫流動性能。為在降低運(yùn)動黏度的同時(shí)使油品具有良好的黏溫/低溫性能，研制油使用黏溫/低溫性能優(yōu)異的Ⅲ類加氫礦物油和多元醇酯作為基礎(chǔ)油，調(diào)合的油品具有低的運(yùn)動黏度和優(yōu)異的黏溫/低溫性能。表1列出了三種油品的運(yùn)動黏度等黏溫/低溫性能。

表1 不同油品的黏溫/低溫性能

從表1的結(jié)果可知，ETF4的運(yùn)動黏度最小，比較適用于高轉(zhuǎn)速的純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)潤滑。75W-90 GL-4運(yùn)動黏度最大，相應(yīng)地會造成較大的攪油功率損失。ETF4的黏度指數(shù)最低，這是由于ETF4不含黏度指數(shù)改進(jìn)劑。三種油品的傾點(diǎn)差距較小，均具有良好的低溫流動性。

2.2 不同油品剪切安定性對比

純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速高，對油品的剪切作用強(qiáng)。要求油品具有優(yōu)異的剪切安定性，以保證油品黏度不劇烈下降，保持油膜厚度穩(wěn)定，避免齒輪磨損。表2列出了三種油品的剪切安定性能。

表2 不同油品的剪切安定性能

從表2的結(jié)果可知，經(jīng)過剪切試驗(yàn)后ETF4運(yùn)動黏度下降率最小，75W-90 GL-4的運(yùn)動黏度下降率最大，自動變速器油的運(yùn)動黏度也有明顯的下降。這是由于ETF4調(diào)合過程中沒有使用高分子量的黏度指數(shù)改進(jìn)劑，避免了剪切過程中黏度指數(shù)改進(jìn)劑大分子變?yōu)樾》肿?。因此其運(yùn)動黏度變化較小。

2.3 不同油品抗腐蝕性能對比

純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)的電機(jī)一般需要潤滑油進(jìn)行冷卻，而電機(jī)中銅質(zhì)部件較多，要求油品具有良好的抗腐蝕性能。為降低油品的腐蝕性能，研制油選用了腐蝕性低的極壓抗磨劑，同時(shí)選用了具有良好抑制腐蝕能力的液態(tài)苯三唑胺鹽金屬減活劑。為增加試驗(yàn)的苛刻程度，在135 ℃條件下考察了三種油品的抗腐蝕性能，結(jié)果見表3。

表3 不同油品的抗腐蝕性能

從表3的結(jié)果可知，ETF4和自動變速器油抗腐蝕性能均優(yōu)于75W-90 GL-4。

2.4 不同油品的抗氧化性能對比

由于電機(jī)散熱，導(dǎo)致純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)的工作溫度高，因此對油品的抗氧化性能提出了更高的要求。為延長油品使用壽命，研制油選用了氧化耐久性良好的極壓抗磨劑減少油泥的產(chǎn)生，此外還選用了無灰分散劑以便將產(chǎn)生的油泥均勻地分散在油中。使用烘箱氧化方法考察了三種油品的抗氧化性能，結(jié)果見表4。

表4 不同油品的抗氧化性能

從表4的結(jié)果可知，三種油品均具有良好的清凈性，沒有產(chǎn)生沉積物，沒有對鋼片造成腐蝕。從黏度增長結(jié)果看，ETF4黏度增長最少，75W-90 GL-4黏度增長最多。上述結(jié)果表明各油品抗氧化性能良好，無明顯區(qū)別。

2.5 不同油品絕緣性能對比

通常情況下只有變壓器油對絕緣性能有要求。由于電機(jī)的存在，純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)潤滑油對絕緣性能提出了較高的要求。油品的絕緣性能通常有三個考核指標(biāo)：擊穿電壓、介質(zhì)損耗因數(shù)、體積電阻率[15]。目前關(guān)于電動汽車傳動潤滑油的絕緣性能還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，參照美國通用汽車公司1997 年推出的電動汽車驅(qū)/傳動系統(tǒng)用潤滑油標(biāo)準(zhǔn)GMNA 9986144，選擇用擊穿電壓來表示油品的絕緣性能。為了接近油品真實(shí)使用情況，考察了經(jīng)過烘箱氧化(135 ℃,72 h)后油品的擊穿電壓，結(jié)果見表5。

表5 不同油品烘箱氧化后的絕緣性能

從表5的結(jié)果可知，ETF4擊穿電壓最高，絕緣性能最好。75W-90 GL-4擊穿電壓最低，絕緣性最差。擊穿電壓差距如此明顯是兩油品配方體系差異較大造成的。上述結(jié)果表明，研制油ETF4具有較好的絕緣性能。

2.6 不同油品減摩降溫性能

由于電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致潤滑油溫度升高。為避免溫度升高引起油品氧化，需要油品具有較好的減摩降溫性能。通常情況下，油品黏度越低散熱性越好，摩擦系數(shù)越低摩擦生熱越少。從表1黏溫性能結(jié)果可知研制油ETF4運(yùn)動黏度最低，75W-90 GL-4的運(yùn)動黏度最高。通常情況下傳動系統(tǒng)用油的摩擦系數(shù)使用四球試驗(yàn)機(jī)測定。為區(qū)分三種油品的摩擦性能，使用四球長磨試驗(yàn)考察了它們的減摩降溫性能，結(jié)果見表6。

表6 不同油品的減摩降溫性能

從表6的結(jié)果可知，ETF4摩擦系數(shù)、磨斑直徑、相對溫度平均值最低，具有良好的減摩降溫作用，更加適合純電動乘用汽車傳動系統(tǒng)的工況。

2.7 不同油品極壓抗磨性能

研制油ETF4的運(yùn)動黏度較低，油膜厚度較薄。為了避免齒輪磨損，油品必須提高油膜強(qiáng)度，具備良好的極壓抗磨性能。油品研制過程中，選用含硫、含磷極壓抗磨劑搭配，賦予了油品良好的承載和抗磨損能力。表7列出了研制油ETF4及其他兩種油品的承載能力和抗磨損性能。

表7 不同油品的極壓抗磨性能

從表7的結(jié)果可知，ETF4雖然運(yùn)動黏度低，但其仍具有良好的承載能力和抗磨損性能。

3 結(jié)論

通過對三種油品主要性能的分析，結(jié)果表明研制油ETF4具有黏度低和剪切安定性、絕緣性、抗腐蝕抗氧化、減摩抗磨性能優(yōu)異的特點(diǎn)，適合于潤滑純電動乘用汽車的傳動系統(tǒng)。