杜雪嶺中國石化潤滑油有限公司北京研究院

隨著電機功率密度的提升，油冷電機技術(shù)的介入，對插電式混合動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)、工況特點及對潤滑油性能的要求，選擇API III 類基礎(chǔ)油，通過對功能添加劑的優(yōu)選，研制了一款插電式混合動力乘用車變速箱油。理化數(shù)據(jù)和臺架測試結(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，與所測試的關(guān)鍵電機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)燃機驅(qū)動轉(zhuǎn)向混合動力汽車、純電動汽車以及燃料電池汽車等方向。電動革命中，單純依賴石油資源的內(nèi)燃機動力將被逐漸取消，取而代之的是使用電池儲能并電力驅(qū)動的純電動汽車，綜合內(nèi)燃機和電機優(yōu)勢技術(shù)的混合動力汽車，以及使用氫燃料電池提供電能并電力驅(qū)動的燃料電池汽車等。其中，純電動汽車近年的發(fā)展最為迅猛，但在未來5～10 年來看，混合動力汽車將占據(jù)主流。

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

對于插電式混合動力乘用車，其傳動系統(tǒng)變速箱正朝著專用化方向發(fā)展，也就是專用混動變 速 箱DHT（Dedicated Hybrid Transmission）。DHT 通過集成一個或多個電動機到變速器中形成帶電動機的自動變速系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能高效等優(yōu)勢。DHT 技術(shù)主要的發(fā)展趨勢是高度集成、高效能的電動機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)自動變速箱油ATF、雙離合自動變速箱油DCTF 和無級變速箱油CVTF 等油品來實現(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險，油品既需兼顧齒輪和軸承潤滑，又需要冷卻電機，因此，傳統(tǒng)自動變速箱油在電機材料兼容性等方面存在不足[5]?；谔厥獾挠布Y(jié)構(gòu)特點和潤滑需求，本文選擇API III 類基礎(chǔ)油，通過對功能添加劑進行優(yōu)選，研制了一款插電式混合動力乘用車變速箱油，同時對油品的理化性能和臺架性能進行評價。

試驗部分

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。

試驗方法

油品研制過程中，運動黏度、布氏黏度、傾點、閃點、擊穿電壓、摩擦性能等試驗采用國家標準、石化行業(yè)標準、ASTM標 準 方 法、CEC 和JASO 標 準方法。對電機材料兼容性考察采用的非標試驗方法如下：將電機材料放置于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，記錄外觀并對材料電性能進行診斷。

研制過程

油品性能要求分析

通過對硬件結(jié)構(gòu)的分析可知[6]，與傳統(tǒng)變速系統(tǒng)相比，插電式混合動力乘用車變速箱最大的特點在于傳動系統(tǒng)是變速器與驅(qū)動電機耦合集成，并呈現(xiàn)出體積減小、負荷增大、效率提升、轉(zhuǎn)速增加（輸入轉(zhuǎn)速普遍在10 000 r/min 以上）以及運轉(zhuǎn)溫度高等發(fā)展趨勢，使得變速箱運行工況更為苛刻。由于變速器與驅(qū)動電機共用變速箱油來實現(xiàn)功能作用的發(fā)揮，因此插電式混合動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)動電機浸沒在潤滑油中，需要油品具有優(yōu)異的電化學性能、熱性能，還應(yīng)具有優(yōu)異的電機材料兼容性。此外，插電式混合動力乘用車變速箱一般配置離合器來實現(xiàn)動力源切換，因此油品的摩擦特性也需要被充分考慮。不同變速箱形式、潤滑油品的特點見表1。

表1 變速箱形式、潤滑油品特點

為實現(xiàn)插電式混合動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。因此本文重點對基礎(chǔ)油和添加劑進行優(yōu)選，重點考察功能添加劑的性能。

配方研制

根據(jù)目前市場上對插電式混合動力乘用車變速箱油常規(guī)理化性能的要求，研制油的100 ℃運動黏度暫定為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現(xiàn)性能發(fā)揮、保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，擬定目標質(zhì)量指標見表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口變速箱油產(chǎn)品，已在多款混合動力乘用車上應(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油品的性能影響不同。通過對比，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；此外，在保證承載性能的同時，研制油1 和研制油3，電化學性能和熱性能也優(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)

離合器摩擦性能驗證

插電式混合動力乘用車變速箱通常使用離合器來實現(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 臺架（JASO M348）測試離合器摩擦性能，一般而言，動摩擦系數(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]。對研制油1 和研制油3 的摩擦性能進行SAE No.2 臺架測試，同時與參比油進行對比。測試結(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)試驗中，研制油1 的動摩擦系數(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)

電機材料兼容性考察

對于插電式混合動力乘用車變速箱，驅(qū)動電機集成在變速箱中，使用變速箱油實現(xiàn)電機的冷卻，優(yōu)異的絕緣材料兼容性是驅(qū)動電機可靠性和實現(xiàn)高功率密度的基礎(chǔ)。因此，需要評價變速箱油與電機材料的兼容性。驅(qū)動電機所涉及的電機材料較多，其中的絕緣材料最為關(guān)鍵，對電機的可靠運轉(zhuǎn)、使用壽命至關(guān)重要。油冷驅(qū)動電機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)合混合動力變速箱的實際工況，采用在150 ℃條件下，密封浸泡1 000 h 的方法，對研制油1 與漆包線、浸漬漆和絕緣紙的兼容性進行考察，試驗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)動電機的正常運轉(zhuǎn)，保證變速箱和整車的安全可靠。

圖2 漆包線兼容性試驗前后外觀對比

圖3 浸漬漆兼容性試驗前后外觀對比

圖4 絕緣紙兼容性試驗前后外觀對比

結(jié)論

本文結(jié)合插電式混合動力乘用車變速箱結(jié)構(gòu)特點、運行工況及發(fā)展趨勢，以API III 類基礎(chǔ)油所研制的插電式混合動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。同時該研制油具有良好的摩擦特性和電機絕緣材料兼容性。研制油的綜合性能平衡，可為插電式混合動力乘用車變速箱提供長久的潤滑、絕緣和冷卻保護。