三种纯电动乘用汽车传动系统润滑油的性能对比

2020-12-14张继平邹洋李小磊戴媛静

润滑油 2020年6期

张继平，邹洋，李小磊，戴媛静

(1.清华大学天津高端装备研究院，天津 300300；2.清华大学，北京 100084)

0 引言

随着汽车工业的快速发展和汽车保有量的增加，严峻的环境问题和能源问题日益凸显，空气质量恶化，温室效应和石油资源的匮乏已经严重影响到现代社会生活和持续发展，各国政府对这些问题也更加关注。近年来严格的燃烧效率和排放的标准促进了节能、高效车辆的快速发展。燃料电池汽车、纯电动汽车和油电混合动力汽车作为新能源汽车的代表是实现节能与环保的重要突破口[1-3]。通过发展新能源汽车可减少排放，降低污染；减轻对石油天然气资源的依赖程度；满足自动驾驶、互联共享、智能出行的需求；打破西方汽车垄断，实现汽车强国目标。从节能和排放的要求看，纯电动汽车应为最终发展的方向，油电混合动力汽车是应对目前纯电动汽车发展瓶颈(电池技术没有大的突破、续航里程较短、充电时间长等)的一种过渡方式。

电动汽车由于没有发动机，因此不需要内燃机油。但其传动系统多采用电机+单级/两级减速器的方式[4-7]，仍然需要润滑油进行润滑。电机+单级/两级减速器传动形式结构较为简单，没有离合器，没有同步器，只有固定速比的齿轮。由于减速器和电机耦合在一起，对油品的散热性能、绝缘性能、抗铜腐蚀、剪切安定性等提出了较高的要求，普通的手动变速箱油和自动变速器油不能完全满足其润滑要求[8-9]。

目前，纯电动乘用汽车市场占有率逐步增加，根据中汽协数据，2017年中国纯电动乘用车销量为46.8万辆，艾媒数据中心数据显示2019年中国纯电动乘用车销量91.7万辆，呈逐年上涨之势。这些车辆的传动系统润滑仍然以传统手动变速箱油和自动变速器油为主，普通手动变速箱油运动黏度高，电动汽车传动系统润滑油则对低黏度、热氧化安定性、电学性能提出了更高的要求。自动变速器油虽然黏度低，抗氧化和抗腐蚀性能优异，但其最主要性能是抗抖动等摩擦特性[10-11]。

为满足纯电动乘用汽车传动系统的润滑要求，在实验室研制了ETF4油品，基础油使用Ⅲ类加氢矿物油和酯类油，添加剂包括抗擦伤剂、极压抗磨剂、防锈剂、金属减活剂、无灰分散剂等。同时与市售的纯电动乘用汽车传动系统使用的油品进行了性能对比。

1 试验部分

1.1 原材料

纯电动乘用汽车传动系统润滑油ETF4，实验室研制产品；75W-90 GL-4，某型纯电动乘用汽车传动系统用油；自动变速器油，某型纯电动乘用汽车传动系统用油。

1.2 试验方法

标准试验方法的方法号已在文中列出，非标准方法如下：

烘箱氧化[12]：在250 mL烧杯中加入200 mL试油，将45号钢片(45 mm×45 mm×2 mm)以和杯底约成30°角浸于试油中，置于温度控制在135 ℃的烘箱中烘72 h，然后取出钢片，用石油醚冲洗，观察钢片变色情况，同时观察杯底沉积物情况。其中钢片评级规定：0为钢片不变色；1为稍变色，几乎与新片相同；2为局部淡白色；3为钢片淡白色，擦去后钢片亮；4为红、黄、蓝、灰等彩色，或有灰白色沉积物；5为局部灰黑色，明显腐蚀；6为钢片灰黑，剥落。杯底沉积物以多、中、少、无区分。同时检测油品氧化前后的100 ℃运动黏度，计算运动黏度变化率。

四球长磨试验：长磨试验在厦门天机自动化有限公司的MS-10A四球摩擦试验机上进行。试验负荷392 N，试验转速1200 r/min，试验时间8 h，试验用钢球为GCr15钢球(直径12.7 mm)，硬度(58～62 )HRC。将用石油醚(60～90 ℃)清洗干净的三个钢球夹紧在一个油盒中，倒入试验油浸没三个钢球，将另一个钢球置于三球正顶部，施加规定的负荷，顶球以规定的转速旋转8 h后试验结束。测定三个钢球的磨斑直径，取其平均值作为结果。系统自动记录试验过程的平均摩擦系数、相对温度平均值。

2 结果与讨论

2.1 不同油品黏温/低温性能对比

对于纯电动乘用汽车传动系统而言，由于转速大幅提高(一般输入轴转速在10000转速以上)、体积减小，造成工况更为苛刻。为了减少油品的搅油功率损失，要求油品运动黏度降低[13-14]。为了维持不同温度下油膜厚度的稳定，要求油品具有良好的黏温性能。此外，车辆在低温启动时传动系统齿轮表面需要尽快形成油膜，因此油品需具备良好的低温流动性能。为在降低运动黏度的同时使油品具有良好的黏温/低温性能，研制油使用黏温/低温性能优异的Ⅲ类加氢矿物油和多元醇酯作为基础油，调合的油品具有低的运动黏度和优异的黏温/低温性能。表1列出了三种油品的运动黏度等黏温/低温性能。

表1 不同油品的黏温/低温性能

从表1的结果可知，ETF4的运动黏度最小，比较适用于高转速的纯电动乘用汽车传动系统润滑。75W-90 GL-4运动黏度最大，相应地会造成较大的搅油功率损失。ETF4的黏度指数最低，这是由于ETF4不含黏度指数改进剂。三种油品的倾点差距较小，均具有良好的低温流动性。

2.2 不同油品剪切安定性对比

纯电动乘用汽车传动系统转速高，对油品的剪切作用强。要求油品具有优异的剪切安定性，以保证油品黏度不剧烈下降，保持油膜厚度稳定，避免齿轮磨损。表2列出了三种油品的剪切安定性能。

表2 不同油品的剪切安定性能

从表2的结果可知，经过剪切试验后ETF4运动黏度下降率最小，75W-90 GL-4的运动黏度下降率最大，自动变速器油的运动黏度也有明显的下降。这是由于ETF4调合过程中没有使用高分子量的黏度指数改进剂，避免了剪切过程中黏度指数改进剂大分子变为小分子。因此其运动黏度变化较小。

2.3 不同油品抗腐蚀性能对比

纯电动乘用汽车传动系统的电机一般需要润滑油进行冷却，而电机中铜质部件较多，要求油品具有良好的抗腐蚀性能。为降低油品的腐蚀性能，研制油选用了腐蚀性低的极压抗磨剂，同时选用了具有良好抑制腐蚀能力的液态苯三唑胺盐金属减活剂。为增加试验的苛刻程度，在135 ℃条件下考察了三种油品的抗腐蚀性能，结果见表3。

表3 不同油品的抗腐蚀性能

从表3的结果可知，ETF4和自动变速器油抗腐蚀性能均优于75W-90 GL-4。

2.4 不同油品的抗氧化性能对比

由于电机散热，导致纯电动乘用汽车传动系统的工作温度高，因此对油品的抗氧化性能提出了更高的要求。为延长油品使用寿命，研制油选用了氧化耐久性良好的极压抗磨剂减少油泥的产生，此外还选用了无灰分散剂以便将产生的油泥均匀地分散在油中。使用烘箱氧化方法考察了三种油品的抗氧化性能，结果见表4。

表4 不同油品的抗氧化性能

从表4的结果可知，三种油品均具有良好的清净性，没有产生沉积物，没有对钢片造成腐蚀。从黏度增长结果看，ETF4黏度增长最少，75W-90 GL-4黏度增长最多。上述结果表明各油品抗氧化性能良好，无明显区别。

2.5 不同油品绝缘性能对比

通常情况下只有变压器油对绝缘性能有要求。由于电机的存在，纯电动乘用汽车传动系统润滑油对绝缘性能提出了较高的要求。油品的绝缘性能通常有三个考核指标：击穿电压、介质损耗因数、体积电阻率[15]。目前关于电动汽车传动润滑油的绝缘性能还没有一个统一的标准，参照美国通用汽车公司1997 年推出的电动汽车驱/传动系统用润滑油标准GMNA 9986144，选择用击穿电压来表示油品的绝缘性能。为了接近油品真实使用情况，考察了经过烘箱氧化(135 ℃,72 h)后油品的击穿电压，结果见表5。

表5 不同油品烘箱氧化后的绝缘性能

从表5的结果可知，ETF4击穿电压最高，绝缘性能最好。75W-90 GL-4击穿电压最低，绝缘性最差。击穿电压差距如此明显是两油品配方体系差异较大造成的。上述结果表明，研制油ETF4具有较好的绝缘性能。

2.6 不同油品减摩降温性能

由于电机运行过程中产生热量，导致润滑油温度升高。为避免温度升高引起油品氧化，需要油品具有较好的减摩降温性能。通常情况下，油品黏度越低散热性越好，摩擦系数越低摩擦生热越少。从表1黏温性能结果可知研制油ETF4运动黏度最低，75W-90 GL-4的运动黏度最高。通常情况下传动系统用油的摩擦系数使用四球试验机测定。为区分三种油品的摩擦性能，使用四球长磨试验考察了它们的减摩降温性能，结果见表6。