插电式混合动力乘用车变速箱油的研制

杜雪岭中国石化润滑油有限公司北京研究院

随着电机功率密度的提升，油冷电机技术的介入，对插电式混合动力乘用车变速箱油提出全新挑战。本文结合硬件结构、工况特点及对润滑油性能的要求，选择API III 类基础油，通过对功能添加剂的优选，研制了一款插电式混合动力乘用车变速箱油。理化数据和台架测试结果表明，该油品具有良好的氧化安定性能、剪切安定性能和摩擦性能，同时，与所测试的关键电机绝缘材料具有良好的兼容性能。

供图/杜雪岭

为了降低石油能源依赖，减少碳排放，降低车辆排放污染，汽车行业正在由传统的内燃机驱动转向混合动力汽车、纯电动汽车以及燃料电池汽车等方向。电动革命中，单纯依赖石油资源的内燃机动力将被逐渐取消，取而代之的是使用电池储能并电力驱动的纯电动汽车，综合内燃机和电机优势技术的混合动力汽车，以及使用氢燃料电池提供电能并电力驱动的燃料电池汽车等。其中，纯电动汽车近年的发展最为迅猛，但在未来5～10 年来看，混合动力汽车将占据主流。

插电式混合动力汽车被认为是一种由混合动力汽车向纯电动汽车发展的过渡型产品，其具有能量转化率高、动力源功率要求低、可回收制动能量等节能优势；同时这一车型由于能够从外界电网获取电能作为驱动汽车行驶的能量，在结构上更接近于纯电动汽车，具有较长的纯电动续航里程，其燃油经济性和排放性更好，是实现传统燃油汽车节能转型和过渡到纯电动汽车的最佳路线。

对于插电式混合动力乘用车，其传动系统变速箱正朝着专用化方向发展，也就是专用混动变 速 箱DHT（Dedicated Hybrid Transmission）。DHT 通过集成一个或多个电动机到变速器中形成带电动机的自动变速系统，具有结构紧凑、节能高效等优势。DHT 技术主要的发展趋势是高度集成、高效能的电动机与变速器耦合的油冷形式，因此与传统的变速箱在结构上存在显著差异[1,2]。DHT 技术近几年才得到快速发展，目前市场上基本没有专用的变速箱润滑油产品，大多数传统车企仍沿用传统自动变速箱油ATF、双离合自动变速箱油DCTF 和无级变速箱油CVTF 等油品来实现润滑和冷却[3,4]，但这些传统油品在使用过程中存在风险，油品既需兼顾齿轮和轴承润滑，又需要冷却电机，因此，传统自动变速箱油在电机材料兼容性等方面存在不足[5]。基于特殊的硬件结构特点和润滑需求，本文选择API III 类基础油，通过对功能添加剂进行优选，研制了一款插电式混合动力乘用车变速箱油，同时对油品的理化性能和台架性能进行评价。

试验部分

原料

油品研制所使用的原料包括基础油和添加剂，均为工业级化工产品。其中使用的基础油为API III 类基础油；使用的主要功能添加剂组合为A、B 和C。

试验方法

油品研制过程中，运动黏度、布氏黏度、倾点、闪点、击穿电压、摩擦性能等试验采用国家标准、石化行业标准、ASTM标 准 方 法、CEC 和JASO 标 准方法。对电机材料兼容性考察采用的非标试验方法如下：将电机材料放置于2 L 容积的不锈钢罐中，然后倒入油品直至浸没电机材料，油样总量最多为1.6 L（最多为不锈钢罐容积的80%），然后将罐体密封，置于150 ℃高温箱中，老化1 000 h 后取出，记录外观并对材料电性能进行诊断。

研制过程

油品性能要求分析

通过对硬件结构的分析可知[6]，与传统变速系统相比，插电式混合动力乘用车变速箱最大的特点在于传动系统是变速器与驱动电机耦合集成，并呈现出体积减小、负荷增大、效率提升、转速增加（输入转速普遍在10 000 r/min 以上）以及运转温度高等发展趋势，使得变速箱运行工况更为苛刻。由于变速器与驱动电机共用变速箱油来实现功能作用的发挥，因此插电式混合动力乘用车变速箱油需具有良好的承载性能、极压抗磨性能、剪切安定性能、氧化安定性能等常规变速器所需的性能；驱动电机浸没在润滑油中，需要油品具有优异的电化学性能、热性能，还应具有优异的电机材料兼容性。此外，插电式混合动力乘用车变速箱一般配置离合器来实现动力源切换，因此油品的摩擦特性也需要被充分考虑。不同变速箱形式、润滑油品的特点见表1。

表1 变速箱形式、润滑油品特点

为实现插电式混合动力乘用车变速箱油性能的全面平衡，油品的配方至关重要。变速箱油的组分包括基础油和添加剂，配方的平衡和优化是满足使用工况的关键。因此本文重点对基础油和添加剂进行优选，重点考察功能添加剂的性能。

配方研制

根据目前市场上对插电式混合动力乘用车变速箱油常规理化性能的要求，研制油的100 ℃运动黏度暂定为5.0～5.5 mm2/s。API III 类基础油低温性能良好、黏度指数较高且成本适中，综合考虑，选择API III 类基础油与功能添加剂组合进行油品调配。此外，低温布氏黏度、剪切安定性、氧化安定性、铜腐性能以及电热性能是油品实现性能发挥、保证设备正常运转的关键，拟定目标质量指标见表2。本文选择3种功能添加剂组合，并添加分散剂、黏度指数改进剂、抗泡剂，制备了研制油1～研制油3，研制油与参比油的性能结果见表2。其中参比油为国内某知名整车厂使用的进口变速箱油产品，已在多款混合动力乘用车上应用。

从表2 可以看出，在相同的基础油中，不同功能添加剂组合对油品的性能影响不同。通过对比，研制油1 和研制油3 具有良好的极压承载性能，长周期试验后的剪切安定性、氧化安定性、铜片腐蚀性能突出，可为设备提供良好的润滑保护；此外，在保证承载性能的同时，研制油1 和研制油3，电化学性能和热性能也优于研制油2及参比油。因此，选择研制油1 和研制油3 进行摩擦性能考察。

表2 功能添加剂考察性能数据

离合器摩擦性能验证

插电式混合动力乘用车变速箱通常使用离合器来实现汽车的平稳起步和平稳换挡。因此，离合器摩擦性能也是变速箱油的关键性能之一。通常采用SAE No.2 台架（JASO M348）测试离合器摩擦性能，一般而言，动摩擦系数μ0、μD曲线平稳圆滑，则换挡顺畅且平稳，静摩擦系数μs和μt数值较高，则表明传递扭矩容量较大，离合器具有更好的抓力[7]。对研制油1 和研制油3 的摩擦性能进行SAE No.2 台架测试，同时与参比油进行对比。测试结果见图1。

从图1 可以看出，与参比油相比，在10 000 次循环试验中，研制油1 的动摩擦系数μ0、μD和μ0/μD变化较为平稳，μ0/μD的数值稳定在1.0～1.1 之间，能够保证离合器平稳换挡；同时研制油1 具有更高的静摩擦系数μs和μt，能够传递更高的扭矩容量。结果表明，研制油1 具有较好的摩擦性能。

图1 研制油1和3与参比油的SAE No.2摩擦性能数据

电机材料兼容性考察

对于插电式混合动力乘用车变速箱，驱动电机集成在变速箱中，使用变速箱油实现电机的冷却，优异的绝缘材料兼容性是驱动电机可靠性和实现高功率密度的基础。因此，需要评价变速箱油与电机材料的兼容性。驱动电机所涉及的电机材料较多，其中的绝缘材料最为关键，对电机的可靠运转、使用寿命至关重要。油冷驱动电机所涉及的绝缘材料主要为漆包线、浸渍漆、绝缘纸、绑扎绳、绝缘套管等，而漆包线、浸渍漆和绝缘纸是其中3 种关键材料。结合混合动力变速箱的实际工况，采用在150 ℃条件下，密封浸泡1 000 h 的方法，对研制油1 与漆包线、浸渍漆和绝缘纸的兼容性进行考察，试验后的材料外观照片见图2～图4。

从图2～图4可以看出，在150 ℃下经过1 000 h 长周期老化试验后，电磁线外观正常，没有出现漆皮剥落现象；浸渍漆保持饼形形状，颜色略微加深，未出现破碎、裂纹现象；对于绝缘纸，外观颜色略发黄，未出现起泡或分层现象。电性能诊断结果表明，以上3 种绝缘材料的电性能保持较好。以上数据表明，研制油1 与关键绝缘材料具有良好的兼容性，可以保证驱动电机的正常运转，保证变速箱和整车的安全可靠。

图2 漆包线兼容性试验前后外观对比

图3 浸渍漆兼容性试验前后外观对比

图4 绝缘纸兼容性试验前后外观对比

结论

本文结合插电式混合动力乘用车变速箱结构特点、运行工况及发展趋势，以API III 类基础油所研制的插电式混合动力乘用车变速箱油具有良好氧化安定性能、剪切安定性能等理化性能。同时该研制油具有良好的摩擦特性和电机绝缘材料兼容性。研制油的综合性能平衡，可为插电式混合动力乘用车变速箱提供长久的润滑、绝缘和冷却保护。