杜雪嶺中國石化潤滑油有限公司北京研究院

隨著電機(jī)功率密度的提升，油冷電機(jī)技術(shù)的介入，對(duì)插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱油提出全新挑戰(zhàn)。本文結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)、工況特點(diǎn)及對(duì)潤滑油性能的要求，選擇API III 類基礎(chǔ)油，通過對(duì)功能添加劑的優(yōu)選，研制了一款插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱油。理化數(shù)據(jù)和臺(tái)架測(cè)試結(jié)果表明，該油品具有良好的氧化安定性能、剪切安定性能和摩擦性能，同時(shí)，與所測(cè)試的關(guān)鍵電機(jī)絕緣材料具有良好的兼容性能。

供圖/杜雪嶺

為了降低石油能源依賴，減少碳排放，降低車輛排放污染，汽車行業(yè)正在由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車以及燃料電池汽車等方向。電動(dòng)革命中，單純依賴石油資源的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力將被逐漸取消，取而代之的是使用電池儲(chǔ)能并電力驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車，綜合內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)優(yōu)勢(shì)技術(shù)的混合動(dòng)力汽車，以及使用氫燃料電池提供電能并電力驅(qū)動(dòng)的燃料電池汽車等。其中，純電動(dòng)汽車近年的發(fā)展最為迅猛，但在未來5～10 年來看，混合動(dòng)力汽車將占據(jù)主流。

插電式混合動(dòng)力汽車被認(rèn)為是一種由混合動(dòng)力汽車向純電動(dòng)汽車發(fā)展的過渡型產(chǎn)品，其具有能量轉(zhuǎn)化率高、動(dòng)力源功率要求低、可回收制動(dòng)能量等節(jié)能優(yōu)勢(shì)；同時(shí)這一車型由于能夠從外界電網(wǎng)獲取電能作為驅(qū)動(dòng)汽車行駛的能量，在結(jié)構(gòu)上更接近于純電動(dòng)汽車，具有較長的純電動(dòng)續(xù)航里程，其燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性更好，是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)燃油汽車節(jié)能轉(zhuǎn)型和過渡到純電動(dòng)汽車的最佳路線。

對(duì)于插電式混合動(dòng)力乘用車，其傳動(dòng)系統(tǒng)變速箱正朝著專用化方向發(fā)展，也就是專用混動(dòng)變 速 箱DHT（Dedicated Hybrid Transmission）。DHT 通過集成一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)機(jī)到變速器中形成帶電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)變速系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能高效等優(yōu)勢(shì)。DHT 技術(shù)主要的發(fā)展趨勢(shì)是高度集成、高效能的電動(dòng)機(jī)與變速器耦合的油冷形式，因此與傳統(tǒng)的變速箱在結(jié)構(gòu)上存在顯著差異[1,2]。DHT 技術(shù)近幾年才得到快速發(fā)展，目前市場(chǎng)上基本沒有專用的變速箱潤滑油產(chǎn)品，大多數(shù)傳統(tǒng)車企仍沿用傳統(tǒng)自動(dòng)變速箱油ATF、雙離合自動(dòng)變速箱油DCTF 和無級(jí)變速箱油CVTF 等油品來實(shí)現(xiàn)潤滑和冷卻[3,4]，但這些傳統(tǒng)油品在使用過程中存在風(fēng)險(xiǎn)，油品既需兼顧齒輪和軸承潤滑，又需要冷卻電機(jī)，因此，傳統(tǒng)自動(dòng)變速箱油在電機(jī)材料兼容性等方面存在不足[5]?；谔厥獾挠布Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)和潤滑需求，本文選擇API III 類基礎(chǔ)油，通過對(duì)功能添加劑進(jìn)行優(yōu)選，研制了一款插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱油，同時(shí)對(duì)油品的理化性能和臺(tái)架性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)部分

原料

油品研制所使用的原料包括基礎(chǔ)油和添加劑，均為工業(yè)級(jí)化工產(chǎn)品。其中使用的基礎(chǔ)油為API III 類基礎(chǔ)油；使用的主要功能添加劑組合為A、B 和C。

試驗(yàn)方法

油品研制過程中，運(yùn)動(dòng)黏度、布氏黏度、傾點(diǎn)、閃點(diǎn)、擊穿電壓、摩擦性能等試驗(yàn)采用國家標(biāo)準(zhǔn)、石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、ASTM標(biāo) 準(zhǔn) 方 法、CEC 和JASO 標(biāo) 準(zhǔn)方法。對(duì)電機(jī)材料兼容性考察采用的非標(biāo)試驗(yàn)方法如下：將電機(jī)材料放置于2 L 容積的不銹鋼罐中，然后倒入油品直至浸沒電機(jī)材料，油樣總量最多為1.6 L（最多為不銹鋼罐容積的80%），然后將罐體密封，置于150 ℃高溫箱中，老化1 000 h 后取出，記錄外觀并對(duì)材料電性能進(jìn)行診斷。

研制過程

油品性能要求分析

通過對(duì)硬件結(jié)構(gòu)的分析可知[6]，與傳統(tǒng)變速系統(tǒng)相比，插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱最大的特點(diǎn)在于傳動(dòng)系統(tǒng)是變速器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)耦合集成，并呈現(xiàn)出體積減小、負(fù)荷增大、效率提升、轉(zhuǎn)速增加（輸入轉(zhuǎn)速普遍在10 000 r/min 以上）以及運(yùn)轉(zhuǎn)溫度高等發(fā)展趨勢(shì)，使得變速箱運(yùn)行工況更為苛刻。由于變速器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)共用變速箱油來實(shí)現(xiàn)功能作用的發(fā)揮，因此插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱油需具有良好的承載性能、極壓抗磨性能、剪切安定性能、氧化安定性能等常規(guī)變速器所需的性能；驅(qū)動(dòng)電機(jī)浸沒在潤滑油中，需要油品具有優(yōu)異的電化學(xué)性能、熱性能，還應(yīng)具有優(yōu)異的電機(jī)材料兼容性。此外，插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱一般配置離合器來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源切換，因此油品的摩擦特性也需要被充分考慮。不同變速箱形式、潤滑油品的特點(diǎn)見表1。

表1 變速箱形式、潤滑油品特點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱油性能的全面平衡，油品的配方至關(guān)重要。變速箱油的組分包括基礎(chǔ)油和添加劑，配方的平衡和優(yōu)化是滿足使用工況的關(guān)鍵。因此本文重點(diǎn)對(duì)基礎(chǔ)油和添加劑進(jìn)行優(yōu)選，重點(diǎn)考察功能添加劑的性能。

配方研制

根據(jù)目前市場(chǎng)上對(duì)插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱油常規(guī)理化性能的要求，研制油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度暫定為5.0～5.5 mm2/s。API III 類基礎(chǔ)油低溫性能良好、黏度指數(shù)較高且成本適中，綜合考慮，選擇API III 類基礎(chǔ)油與功能添加劑組合進(jìn)行油品調(diào)配。此外，低溫布氏黏度、剪切安定性、氧化安定性、銅腐性能以及電熱性能是油品實(shí)現(xiàn)性能發(fā)揮、保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，擬定目標(biāo)質(zhì)量指標(biāo)見表2。本文選擇3種功能添加劑組合，并添加分散劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑、抗泡劑，制備了研制油1～研制油3，研制油與參比油的性能結(jié)果見表2。其中參比油為國內(nèi)某知名整車廠使用的進(jìn)口變速箱油產(chǎn)品，已在多款混合動(dòng)力乘用車上應(yīng)用。

從表2 可以看出，在相同的基礎(chǔ)油中，不同功能添加劑組合對(duì)油品的性能影響不同。通過對(duì)比，研制油1 和研制油3 具有良好的極壓承載性能，長周期試驗(yàn)后的剪切安定性、氧化安定性、銅片腐蝕性能突出，可為設(shè)備提供良好的潤滑保護(hù)；此外，在保證承載性能的同時(shí)，研制油1 和研制油3，電化學(xué)性能和熱性能也優(yōu)于研制油2及參比油。因此，選擇研制油1 和研制油3 進(jìn)行摩擦性能考察。

表2 功能添加劑考察性能數(shù)據(jù)

離合器摩擦性能驗(yàn)證

插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱通常使用離合器來實(shí)現(xiàn)汽車的平穩(wěn)起步和平穩(wěn)換擋。因此，離合器摩擦性能也是變速箱油的關(guān)鍵性能之一。通常采用SAE No.2 臺(tái)架（JASO M348）測(cè)試離合器摩擦性能，一般而言，動(dòng)摩擦系數(shù)μ0、μD曲線平穩(wěn)圓滑，則換擋順暢且平穩(wěn)，靜摩擦系數(shù)μs和μt數(shù)值較高，則表明傳遞扭矩容量較大，離合器具有更好的抓力[7]。對(duì)研制油1 和研制油3 的摩擦性能進(jìn)行SAE No.2 臺(tái)架測(cè)試，同時(shí)與參比油進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試結(jié)果見圖1。

從圖1 可以看出，與參比油相比，在10 000 次循環(huán)試驗(yàn)中，研制油1 的動(dòng)摩擦系數(shù)μ0、μD和μ0/μD變化較為平穩(wěn)，μ0/μD的數(shù)值穩(wěn)定在1.0～1.1 之間，能夠保證離合器平穩(wěn)換擋；同時(shí)研制油1 具有更高的靜摩擦系數(shù)μs和μt，能夠傳遞更高的扭矩容量。結(jié)果表明，研制油1 具有較好的摩擦性能。

圖1 研制油1和3與參比油的SAE No.2摩擦性能數(shù)據(jù)

電機(jī)材料兼容性考察

對(duì)于插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱，驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成在變速箱中，使用變速箱油實(shí)現(xiàn)電機(jī)的冷卻，優(yōu)異的絕緣材料兼容性是驅(qū)動(dòng)電機(jī)可靠性和實(shí)現(xiàn)高功率密度的基礎(chǔ)。因此，需要評(píng)價(jià)變速箱油與電機(jī)材料的兼容性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)所涉及的電機(jī)材料較多，其中的絕緣材料最為關(guān)鍵，對(duì)電機(jī)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)、使用壽命至關(guān)重要。油冷驅(qū)動(dòng)電機(jī)所涉及的絕緣材料主要為漆包線、浸漬漆、絕緣紙、綁扎繩、絕緣套管等，而漆包線、浸漬漆和絕緣紙是其中3 種關(guān)鍵材料。結(jié)合混合動(dòng)力變速箱的實(shí)際工況，采用在150 ℃條件下，密封浸泡1 000 h 的方法，對(duì)研制油1 與漆包線、浸漬漆和絕緣紙的兼容性進(jìn)行考察，試驗(yàn)后的材料外觀照片見圖2～圖4。

從圖2～圖4可以看出，在150 ℃下經(jīng)過1 000 h 長周期老化試驗(yàn)后，電磁線外觀正常，沒有出現(xiàn)漆皮剝落現(xiàn)象；浸漬漆保持餅形形狀，顏色略微加深，未出現(xiàn)破碎、裂紋現(xiàn)象；對(duì)于絕緣紙，外觀顏色略發(fā)黃，未出現(xiàn)起泡或分層現(xiàn)象。電性能診斷結(jié)果表明，以上3 種絕緣材料的電性能保持較好。以上數(shù)據(jù)表明，研制油1 與關(guān)鍵絕緣材料具有良好的兼容性，可以保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證變速箱和整車的安全可靠。

圖2 漆包線兼容性試驗(yàn)前后外觀對(duì)比

圖3 浸漬漆兼容性試驗(yàn)前后外觀對(duì)比

圖4 絕緣紙兼容性試驗(yàn)前后外觀對(duì)比

結(jié)論

本文結(jié)合插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行工況及發(fā)展趨勢(shì)，以API III 類基礎(chǔ)油所研制的插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱油具有良好氧化安定性能、剪切安定性能等理化性能。同時(shí)該研制油具有良好的摩擦特性和電機(jī)絕緣材料兼容性。研制油的綜合性能平衡，可為插電式混合動(dòng)力乘用車變速箱提供長久的潤滑、絕緣和冷卻保護(hù)。