油冷電機(jī)變速箱失效分析及專(zhuān)用油開(kāi)發(fā)

王寧

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司北京研究院

為進(jìn)一步提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，降低整車(chē)油耗，滿足排放法規(guī)和雙積分要求，越來(lái)越多車(chē)企選擇開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力車(chē)型，重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力變速箱替代傳統(tǒng)的變速箱。雖然混合動(dòng)力變速箱技術(shù)路線繁多，各家車(chē)企設(shè)計(jì)差異較大，但是內(nèi)嵌體積小功率密度高的油冷電機(jī)逐漸成為主流結(jié)構(gòu)，這就要求潤(rùn)滑油增加電機(jī)冷卻的功能，潤(rùn)滑油選用不當(dāng)極易造成電機(jī)失效[1]。本文介紹了某整車(chē)廠開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力油冷電機(jī)變速箱時(shí)出現(xiàn)的電機(jī)失效案例，通過(guò)對(duì)失效原因的分析，指出油品與銅片的腐蝕試驗(yàn)是油冷電機(jī)變速箱潤(rùn)滑油開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)，并開(kāi)發(fā)了滿足客戶要求的油冷電機(jī)變速箱專(zhuān)用潤(rùn)滑油（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“專(zhuān)用油”）。

電機(jī)高溫耐久試驗(yàn)失效及分析

變速箱嵌入電機(jī)后，潤(rùn)滑油需要額外對(duì)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子等部位進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，同時(shí)還需要兼顧電磁線、電控單元和導(dǎo)電母排的相容性，對(duì)潤(rùn)滑油提出了更高的性能要求。該混合動(dòng)力變速箱基于某款量產(chǎn)手動(dòng)變速箱開(kāi)發(fā)，取消部分檔位后集成油冷電機(jī)及電控單元，改造成為混合動(dòng)力專(zhuān)用變速箱，因此整車(chē)廠在混合動(dòng)力變速箱開(kāi)發(fā)初期直接選擇了量產(chǎn)手動(dòng)變速箱的裝填油A進(jìn)行混動(dòng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。油品A典型數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 油品A典型數(shù)據(jù)

電機(jī)高溫耐久試驗(yàn)是驗(yàn)證整機(jī)設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵試驗(yàn)之一，也是對(duì)油品最苛刻的測(cè)試之一，因此首先進(jìn)行該項(xiàng)目的測(cè)試。將電機(jī)放置在固定的環(huán)境溫度中，按照擬定工況條件進(jìn)行電機(jī)超過(guò)1200 h耐久試驗(yàn)。搭載手動(dòng)變速箱油A的混合動(dòng)力變速箱高溫耐久試驗(yàn)進(jìn)行至30%時(shí)，監(jiān)測(cè)到導(dǎo)電母排處出現(xiàn)漏電，試驗(yàn)未通過(guò)。

手動(dòng)變速箱油A除潤(rùn)滑保護(hù)齒輪和軸承等部件外還兼顧電機(jī)部件冷卻，實(shí)際試驗(yàn)中油溫超過(guò)120 ℃，最高可達(dá)150 ℃。該混合動(dòng)力變速箱的電機(jī)通過(guò)接線裸露的母排（銅材質(zhì)）與高壓電源相連，母排不可避免與潤(rùn)滑油有接觸，可能是潤(rùn)滑油與裸露母排發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致其漏電失效。對(duì)失效變速箱進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)電機(jī)母排處出現(xiàn)黑色沉積物，完全覆蓋了母排表面，可能是導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的原因。

為分析失效原因，對(duì)黑色物質(zhì)進(jìn)行了分析。將母排表面的黑色沉積物刮取，后通過(guò)SEM-EDX進(jìn)行組分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 SEM-EDX組分分析結(jié)果

從沖洗后SEM-EDX組分分析的原子數(shù)量結(jié)果看，黑色固體主要由銅、硫、碳三種元素組成。碳來(lái)源于潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油，飛濺后的油液接觸母排表面，高電壓形成的高溫促進(jìn)了油液在母排的化學(xué)反應(yīng)生成膠狀物，并且隨試驗(yàn)時(shí)間增長(zhǎng)逐漸增多。銅來(lái)源于母排，硫來(lái)源于極壓劑硫烯，硫烯與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后可能產(chǎn)生了CuS或Cu2S等復(fù)雜的化合物，而這些極性化合物具有導(dǎo)電特性，可能是使母排處漏電的原因。

為了驗(yàn)證上述猜想，在實(shí)驗(yàn)室中模擬ASTM D130銅片腐蝕試驗(yàn)對(duì)手動(dòng)變速箱油A進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)表面評(píng)級(jí)并檢測(cè)油中溶解的銅元素含量確定發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的程度。試驗(yàn)條件分別為150 ℃，168 h和180 ℃，30 h。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 油品A銅片腐蝕結(jié)果

150 ℃，168 h銅片腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后，銅片腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)銅片表面產(chǎn)生很多黑色絮狀物質(zhì)，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(yàn)結(jié)果類(lèi)似。該試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明油品A與銅片極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。結(jié)合母排表面黑色沉積物的分析結(jié)果，可以得知：油品A含有較多的高活性的硫烯組分，當(dāng)油品與高溫母排接觸時(shí)，硫烯與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了可導(dǎo)電固態(tài)化合物，導(dǎo)致高溫耐久試驗(yàn)電壓擊穿。降低油品與銅片的反應(yīng)程度可以解決混合動(dòng)力變速箱的耐久失效。

專(zhuān)用油的開(kāi)發(fā)及其性能

根據(jù)前面的研究，降低與銅材質(zhì)母排的化學(xué)反應(yīng)是專(zhuān)用油開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)，因此降低極壓劑活性硫烯含量，補(bǔ)加少量銅腐抑制劑成為專(zhuān)用油開(kāi)發(fā)技術(shù)路線。硫烯對(duì)于齒輪及軸承保護(hù)十分關(guān)鍵，但又極易與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(bǔ)加一定比例可以降低銅元素的溶解量。

根據(jù)上述思路，基礎(chǔ)油、黏指劑、抗磨劑、抗氧劑等組分保持不變的情況下，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用油。油品A與專(zhuān)用油理化性能對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 理化性能對(duì)比

FZG承載試驗(yàn)是齒輪油開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵試驗(yàn)，試驗(yàn)通過(guò)級(jí)數(shù)的高低代表了油品極壓抗磨性能的優(yōu)劣。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)參數(shù)混合動(dòng)力變速箱取消了最高速檔位，對(duì)油品極壓抗磨性能可以適當(dāng)降低，通過(guò)9級(jí)即可。油品A與專(zhuān)用油開(kāi)展了FZG試驗(yàn)（ASTM D5182），結(jié)果分別通過(guò)11級(jí)和9級(jí)。

候選油品與銅片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度直接決定了油品能否通過(guò)混合動(dòng)力變速箱高溫耐久試驗(yàn)，因此在實(shí)驗(yàn)室中模擬ASTM D130銅片腐蝕試驗(yàn)對(duì)專(zhuān)用油和油樣A進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)可知，混合動(dòng)力變速箱設(shè)置160 ℃斷電保護(hù)，實(shí)際工作時(shí)油溫最高150 ℃，并且油液飛濺與母排接觸時(shí)油溫已經(jīng)明顯降低，因此選擇150 ℃，168 h測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 專(zhuān)用油與油品A銅片試驗(yàn)對(duì)比

由銅片評(píng)分及油中銅元素溶解量分析可知，降低硫烯含量后專(zhuān)用油與銅片的反應(yīng)程度明顯降低，150 ℃的長(zhǎng)周期試驗(yàn)后銅表面未產(chǎn)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(duì)銅片的腐蝕強(qiáng)度。

混合動(dòng)力油冷電機(jī)變速箱新油品在指定實(shí)驗(yàn)室處重新進(jìn)行了電機(jī)高溫耐久試驗(yàn)，順利通過(guò)約1500 h測(cè)試，銅排光亮無(wú)黑色物質(zhì)。

混合動(dòng)力油冷電機(jī)變速箱新油品完成電機(jī)高溫耐久試驗(yàn)后及高低溫耐久試驗(yàn)后，先后完成了變速箱總成耐久試驗(yàn)等試驗(yàn)，完成40000 km加強(qiáng)耐久試驗(yàn)，配套客戶混合動(dòng)力SUV上市，成為其初裝及售后唯一指定潤(rùn)滑油產(chǎn)品，寫(xiě)入了車(chē)輛保養(yǎng)手冊(cè)。

結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車(chē)行業(yè)電動(dòng)化的發(fā)展，油冷電機(jī)減速箱的驅(qū)動(dòng)總成可能是未來(lái)主流的動(dòng)力傳動(dòng)形式之一。新的硬件結(jié)構(gòu)對(duì)油品提出了新的要求。通過(guò)混合動(dòng)力變速箱開(kāi)發(fā)過(guò)程出現(xiàn)的失效情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)油品與銅材質(zhì)部件的腐蝕試驗(yàn)是相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，開(kāi)發(fā)完成了混合動(dòng)力變速箱專(zhuān)用油，為新能源混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)用油開(kāi)發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。