三種純電動乘用汽車傳動系統潤滑油的性能對比

張繼平，鄒洋，李小磊，戴媛靜

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

0 引言

隨著汽車工業的快速發展和汽車保有量的增加，嚴峻的環境問題和能源問題日益凸顯，空氣質量惡化，溫室效應和石油資源的匱乏已經嚴重影響到現代社會生活和持續發展，各國政府對這些問題也更加關注。近年來嚴格的燃燒效率和排放的標準促進了節能、高效車輛的快速發展。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現節能與環保的重要突破口[1-3]。通過發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、互聯共享、智能出行的需求；打破西方汽車壟斷，實現汽車強國目標。從節能和排放的要求看，純電動汽車應為最終發展的方向，油電混合動力汽車是應對目前純電動汽車發展瓶頸(電池技術沒有大的突破、續航里程較短、充電時間長等)的一種過渡方式。

電動汽車由于沒有發動機，因此不需要內燃機油。但其傳動系統多采用電機+單級/兩級減速器的方式[4-7]，仍然需要潤滑油進行潤滑。電機+單級/兩級減速器傳動形式結構較為簡單，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，根據中汽協數據，2017年中國純電動乘用車銷量為46.8萬輛，艾媒數據中心數據顯示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潤滑仍然以傳統手動變速箱油和自動變速器油為主，普通手動變速箱油運動黏度高，電動汽車傳動系統潤滑油則對低黏度、熱氧化安定性、電學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的潤滑要求，在實驗室研制了ETF4油品，基礎油使用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。同時與市售的純電動乘用汽車傳動系統使用的油品進行了性能對比。

1 試驗部分

1.1 原材料

純電動乘用汽車傳動系統潤滑油ETF4，實驗室研制產品；75W-90 GL-4，某型純電動乘用汽車傳動系統用油；自動變速器油，某型純電動乘用汽車傳動系統用油。

1.2 試驗方法

標準試驗方法的方法號已在文中列出，非標準方法如下：

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，同時觀察杯底沉積物情況。其中鋼片評級規定：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、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、無區分。同時檢測油品氧化前后的100 ℃運動黏度，計算運動黏度變化率。

四球長磨試驗：長磨試驗在廈門天機自動化有限公司的MS-10A四球摩擦試驗機上進行。試驗負荷392 N，試驗轉速1200 r/min，試驗時間8 h，試驗用鋼球為GCr15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，倒入試驗油浸沒三個鋼球，將另一個鋼球置于三球正頂部，施加規定的負荷，頂球以規定的轉速旋轉8 h后試驗結束。測定三個鋼球的磨斑直徑，取其平均值作為結果。系統自動記錄試驗過程的平均摩擦系數、相對溫度平均值。

2 結果與討論

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而言，由于轉速大幅提高(一般輸入軸轉速在10000轉速以上)、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，要求油品運動黏度降低[13-14]。為了維持不同溫度下油膜厚度的穩定，要求油品具有良好的黏溫性能。此外，車輛在低溫啟動時傳動系統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。為在降低運動黏度的同時使油品具有良好的黏溫/低溫性能，研制油使用黏溫/低溫性能優異的Ⅲ類加氫礦物油和多元醇酯作為基礎油，調合的油品具有低的運動黏度和優異的黏溫/低溫性能。表1列出了三種油品的運動黏度等黏溫/低溫性能。

表1 不同油品的黏溫/低溫性能

從表1的結果可知，ETF4的運動黏度最小，比較適用于高轉速的純電動乘用汽車傳動系統潤滑。75W-90 GL-4運動黏度最大，相應地會造成較大的攪油功率損失。ETF4的黏度指數最低，這是由于ETF4不含黏度指數改進劑。三種油品的傾點差距較小，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轉速高，對油品的剪切作用強。要求油品具有優異的剪切安定性，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的結果可知，經過剪切試驗后ETF4運動黏度下降率最小，75W-90 GL-4的運動黏度下降率最大，自動變速器油的運動黏度也有明顯的下降。這是由于ETF4調合過程中沒有使用高分子量的黏度指數改進劑，避免了剪切過程中黏度指數改進劑大分子變為小分子。因此其運動黏度變化較小。

2.3 不同油品抗腐蝕性能對比

純電動乘用汽車傳動系統的電機一般需要潤滑油進行冷卻，而電機中銅質部件較多，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，同時選用了具有良好抑制腐蝕能力的液態苯三唑胺鹽金屬減活劑。為增加試驗的苛刻程度，在135 ℃條件下考察了三種油品的抗腐蝕性能，結果見表3。

表3 不同油品的抗腐蝕性能

從表3的結果可知，ETF4和自動變速器油抗腐蝕性能均優于75W-90 GL-4。

2.4 不同油品的抗氧化性能對比

由于電機散熱，導致純電動乘用汽車傳動系統的工作溫度高，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生，此外還選用了無灰分散劑以便將產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，結果見表4。

表4 不同油品的抗氧化性能

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

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。由于電機的存在，純電動乘用汽車傳動系統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：擊穿電壓、介質損耗因數、體積電阻率[15]。目前關于電動汽車傳動潤滑油的絕緣性能還沒有一個統一的標準，參照美國通用汽車公司1997 年推出的電動汽車驅/傳動系統用潤滑油標準GMNA 9986144，選擇用擊穿電壓來表示油品的絕緣性能。為了接近油品真實使用情況，考察了經過烘箱氧化(135 ℃,72 h)后油品的擊穿電壓，結果見表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

由于電機運行過程中產生熱量，導致潤滑油溫度升高。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，摩擦系數越低摩擦生熱越少。從表1黏溫性能結果可知研制油ETF4運動黏度最低，75W-90 GL-4的運動黏度最高。通常情況下傳動系統用油的摩擦系數使用四球試驗機測定。為區分三種油品的摩擦性能，使用四球長磨試驗考察了它們的減摩降溫性能，結果見表6。

表6 不同油品的減摩降溫性能

從表6的結果可知，ETF4摩擦系數、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的工況。

2.7 不同油品極壓抗磨性能

研制油ETF4的運動黏度較低，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的結果可知，ETF4雖然運動黏度低，但其仍具有良好的承載能力和抗磨損性能。

3 結論

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