油冷電機變速箱失效分析及專用油開發

王寧

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

為進一步提高整車燃油經濟性，降低整車油耗，滿足排放法規和雙積分要求，越來越多車企選擇開發混合動力車型，重點是開發混合動力變速箱替代傳統的變速箱。雖然混合動力變速箱技術路線繁多，各家車企設計差異較大，但是內嵌體積小功率密度高的油冷電機逐漸成為主流結構，這就要求潤滑油增加電機冷卻的功能，潤滑油選用不當極易造成電機失效[1]。本文介紹了某整車廠開發混合動力油冷電機變速箱時出現的電機失效案例，通過對失效原因的分析，指出油品與銅片的腐蝕試驗是油冷電機變速箱潤滑油開發的關鍵點，并開發了滿足客戶要求的油冷電機變速箱專用潤滑油（以下簡稱“專用油”）。

電機高溫耐久試驗失效及分析

變速箱嵌入電機后，潤滑油需要額外對電機定子、轉子等部位進行潤滑和冷卻，同時還需要兼顧電磁線、電控單元和導電母排的相容性，對潤滑油提出了更高的性能要求。該混合動力變速箱基于某款量產手動變速箱開發，取消部分檔位后集成油冷電機及電控單元，改造成為混合動力專用變速箱，因此整車廠在混合動力變速箱開發初期直接選擇了量產手動變速箱的裝填油A進行混動項目開發。油品A典型數據見表1。

表1 油品A典型數據

電機高溫耐久試驗是驗證整機設計是否達標的關鍵試驗之一，也是對油品最苛刻的測試之一，因此首先進行該項目的測試。將電機放置在固定的環境溫度中，按照擬定工況條件進行電機超過1200 h耐久試驗。搭載手動變速箱油A的混合動力變速箱高溫耐久試驗進行至30%時，監測到導電母排處出現漏電，試驗未通過。

手動變速箱油A除潤滑保護齒輪和軸承等部件外還兼顧電機部件冷卻，實際試驗中油溫超過120 ℃，最高可達150 ℃。該混合動力變速箱的電機通過接線裸露的母排（銅材質）與高壓電源相連，母排不可避免與潤滑油有接觸，可能是潤滑油與裸露母排發生了化學反應導致其漏電失效。對失效變速箱進行拆解，發現電機母排處出現黑色沉積物，完全覆蓋了母排表面，可能是導致試驗失敗的原因。

為分析失效原因，對黑色物質進行了分析。將母排表面的黑色沉積物刮取，后通過SEM-EDX進行組分分析，分析結果見表2。

表2 SEM-EDX組分分析結果

從沖洗后SEM-EDX組分分析的原子數量結果看，黑色固體主要由銅、硫、碳三種元素組成。碳來源于潤滑油基礎油，飛濺后的油液接觸母排表面，高電壓形成的高溫促進了油液在母排的化學反應生成膠狀物，并且隨試驗時間增長逐漸增多。銅來源于母排，硫來源于極壓劑硫烯，硫烯與銅發生化學反應后可能產生了CuS或Cu2S等復雜的化合物，而這些極性化合物具有導電特性，可能是使母排處漏電的原因。

為了驗證上述猜想，在實驗室中模擬ASTM D130銅片腐蝕試驗對手動變速箱油A進行測試，通過表面評級并檢測油中溶解的銅元素含量確定發生化學反應的程度。試驗條件分別為150 ℃，168 h和180 ℃，30 h。試驗結果見表3。

表3 油品A銅片腐蝕結果

150 ℃，168 h銅片腐蝕試驗結束后，銅片腐蝕試驗標準銅片表面產生很多黑色絮狀物質，極易剝落；油中銅溶解量為2208 mg/kg，銅溶解量非常大；180 ℃，30 h銅片腐蝕試驗結果類似。該試驗結果說明油品A與銅片極易發生化學反應。結合母排表面黑色沉積物的分析結果，可以得知：油品A含有較多的高活性的硫烯組分，當油品與高溫母排接觸時，硫烯與銅發生化學反應，產生了可導電固態化合物，導致高溫耐久試驗電壓擊穿。降低油品與銅片的反應程度可以解決混合動力變速箱的耐久失效。

專用油的開發及其性能

根據前面的研究，降低與銅材質母排的化學反應是專用油開發的關鍵點，因此降低極壓劑活性硫烯含量，補加少量銅腐抑制劑成為專用油開發技術路線。硫烯對于齒輪及軸承保護十分關鍵，但又極易與銅發生化學反應，因此選擇降低其加入量。苯三唑衍生物具有良好的銅腐抑制性能，補加一定比例可以降低銅元素的溶解量。

根據上述思路，基礎油、黏指劑、抗磨劑、抗氧劑等組分保持不變的情況下，開發了專用油。油品A與專用油理化性能對比見表4。

表4 理化性能對比

FZG承載試驗是齒輪油開發的關鍵試驗，試驗通過級數的高低代表了油品極壓抗磨性能的優劣。根據硬件設計參數混合動力變速箱取消了最高速檔位，對油品極壓抗磨性能可以適當降低，通過9級即可。油品A與專用油開展了FZG試驗（ASTM D5182），結果分別通過11級和9級。

候選油品與銅片發生化學反應的強度直接決定了油品能否通過混合動力變速箱高溫耐久試驗，因此在實驗室中模擬ASTM D130銅片腐蝕試驗對專用油和油樣A進行對比測試。根據硬件設計可知，混合動力變速箱設置160 ℃斷電保護，實際工作時油溫最高150 ℃，并且油液飛濺與母排接觸時油溫已經明顯降低，因此選擇150 ℃，168 h測試，試驗結果見表5。

表5 專用油與油品A銅片試驗對比

由銅片評分及油中銅元素溶解量分析可知，降低硫烯含量后專用油與銅片的反應程度明顯降低，150 ℃的長周期試驗后銅表面未產生黑色絮狀物，溶解到油品中的銅元素含量由2200 mg/kg下降為34 mg/kg，大幅改善了對銅片的腐蝕強度。

混合動力油冷電機變速箱新油品在指定實驗室處重新進行了電機高溫耐久試驗，順利通過約1500 h測試，銅排光亮無黑色物質。

混合動力油冷電機變速箱新油品完成電機高溫耐久試驗后及高低溫耐久試驗后，先后完成了變速箱總成耐久試驗等試驗，完成40000 km加強耐久試驗，配套客戶混合動力SUV上市，成為其初裝及售后唯一指定潤滑油產品，寫入了車輛保養手冊。

結束語

隨著汽車行業電動化的發展，油冷電機減速箱的驅動總成可能是未來主流的動力傳動形式之一。新的硬件結構對油品提出了新的要求。通過混合動力變速箱開發過程出現的失效情況進行分析，發現油品與銅材質部件的腐蝕試驗是相關產品開發的重點，開發完成了混合動力變速箱專用油，為新能源混合動力傳動系統用油開發積累了經驗。