插電式混合動力乘用車變速箱油的研制

杜雪嶺中國石化潤滑油有限公司北京研究院

隨著電機功率密度的提升，油冷電機技術的介入，對插電式混合動力乘用車變速箱油提出全新挑戰。本文結合硬件結構、工況特點及對潤滑油性能的要求，選擇API III 類基礎油，通過對功能添加劑的優選，研制了一款插電式混合動力乘用車變速箱油。理化數據和臺架測試結果表明，該油品具有良好的氧化安定性能、剪切安定性能和摩擦性能，同時，與所測試的關鍵電機絕緣材料具有良好的兼容性能。

供圖/杜雪嶺

為了降低石油能源依賴，減少碳排放，降低車輛排放污染，汽車行業正在由傳統的內燃機驅動轉向混合動力汽車、純電動汽車以及燃料電池汽車等方向。電動革命中，單純依賴石油資源的內燃機動力將被逐漸取消，取而代之的是使用電池儲能并電力驅動的純電動汽車，綜合內燃機和電機優勢技術的混合動力汽車，以及使用氫燃料電池提供電能并電力驅動的燃料電池汽車等。其中，純電動汽車近年的發展最為迅猛，但在未來5～10 年來看，混合動力汽車將占據主流。

插電式混合動力汽車被認為是一種由混合動力汽車向純電動汽車發展的過渡型產品，其具有能量轉化率高、動力源功率要求低、可回收制動能量等節能優勢；同時這一車型由于能夠從外界電網獲取電能作為驅動汽車行駛的能量，在結構上更接近于純電動汽車，具有較長的純電動續航里程，其燃油經濟性和排放性更好，是實現傳統燃油汽車節能轉型和過渡到純電動汽車的最佳路線。

對于插電式混合動力乘用車，其傳動系統變速箱正朝著專用化方向發展，也就是專用混動變 速 箱DHT（Dedicated Hybrid Transmission）。DHT 通過集成一個或多個電動機到變速器中形成帶電動機的自動變速系統，具有結構緊湊、節能高效等優勢。DHT 技術主要的發展趨勢是高度集成、高效能的電動機與變速器耦合的油冷形式，因此與傳統的變速箱在結構上存在顯著差異[1,2]。DHT 技術近幾年才得到快速發展，目前市場上基本沒有專用的變速箱潤滑油產品，大多數傳統車企仍沿用傳統自動變速箱油ATF、雙離合自動變速箱油DCTF 和無級變速箱油CVTF 等油品來實現潤滑和冷卻[3,4]，但這些傳統油品在使用過程中存在風險，油品既需兼顧齒輪和軸承潤滑，又需要冷卻電機，因此，傳統自動變速箱油在電機材料兼容性等方面存在不足[5]。基于特殊的硬件結構特點和潤滑需求，本文選擇API III 類基礎油，通過對功能添加劑進行優選，研制了一款插電式混合動力乘用車變速箱油，同時對油品的理化性能和臺架性能進行評價。

試驗部分

原料

油品研制所使用的原料包括基礎油和添加劑，均為工業級化工產品。其中使用的基礎油為API III 類基礎油；使用的主要功能添加劑組合為A、B 和C。

試驗方法

油品研制過程中，運動黏度、布氏黏度、傾點、閃點、擊穿電壓、摩擦性能等試驗采用國家標準、石化行業標準、ASTM標 準 方 法、CEC 和JASO 標 準方法。對電機材料兼容性考察采用的非標試驗方法如下：將電機材料放置于2 L 容積的不銹鋼罐中，然后倒入油品直至浸沒電機材料，油樣總量最多為1.6 L（最多為不銹鋼罐容積的80%），然后將罐體密封，置于150 ℃高溫箱中，老化1 000 h 后取出，記錄外觀并對材料電性能進行診斷。

研制過程

油品性能要求分析

通過對硬件結構的分析可知[6]，與傳統變速系統相比，插電式混合動力乘用車變速箱最大的特點在于傳動系統是變速器與驅動電機耦合集成，并呈現出體積減小、負荷增大、效率提升、轉速增加（輸入轉速普遍在10 000 r/min 以上）以及運轉溫度高等發展趨勢，使得變速箱運行工況更為苛刻。由于變速器與驅動電機共用變速箱油來實現功能作用的發揮，因此插電式混合動力乘用車變速箱油需具有良好的承載性能、極壓抗磨性能、剪切安定性能、氧化安定性能等常規變速器所需的性能；驅動電機浸沒在潤滑油中，需要油品具有優異的電化學性能、熱性能，還應具有優異的電機材料兼容性。此外，插電式混合動力乘用車變速箱一般配置離合器來實現動力源切換，因此油品的摩擦特性也需要被充分考慮。不同變速箱形式、潤滑油品的特點見表1。

表1 變速箱形式、潤滑油品特點

為實現插電式混合動力乘用車變速箱油性能的全面平衡，油品的配方至關重要。變速箱油的組分包括基礎油和添加劑，配方的平衡和優化是滿足使用工況的關鍵。因此本文重點對基礎油和添加劑進行優選，重點考察功能添加劑的性能。

配方研制

根據目前市場上對插電式混合動力乘用車變速箱油常規理化性能的要求，研制油的100 ℃運動黏度暫定為5.0～5.5 mm2/s。API III 類基礎油低溫性能良好、黏度指數較高且成本適中，綜合考慮，選擇API III 類基礎油與功能添加劑組合進行油品調配。此外，低溫布氏黏度、剪切安定性、氧化安定性、銅腐性能以及電熱性能是油品實現性能發揮、保證設備正常運轉的關鍵，擬定目標質量指標見表2。本文選擇3種功能添加劑組合，并添加分散劑、黏度指數改進劑、抗泡劑，制備了研制油1～研制油3，研制油與參比油的性能結果見表2。其中參比油為國內某知名整車廠使用的進口變速箱油產品，已在多款混合動力乘用車上應用。

從表2 可以看出，在相同的基礎油中，不同功能添加劑組合對油品的性能影響不同。通過對比，研制油1 和研制油3 具有良好的極壓承載性能，長周期試驗后的剪切安定性、氧化安定性、銅片腐蝕性能突出，可為設備提供良好的潤滑保護；此外，在保證承載性能的同時，研制油1 和研制油3，電化學性能和熱性能也優于研制油2及參比油。因此，選擇研制油1 和研制油3 進行摩擦性能考察。

表2 功能添加劑考察性能數據

離合器摩擦性能驗證

插電式混合動力乘用車變速箱通常使用離合器來實現汽車的平穩起步和平穩換擋。因此，離合器摩擦性能也是變速箱油的關鍵性能之一。通常采用SAE No.2 臺架（JASO M348）測試離合器摩擦性能，一般而言，動摩擦系數μ0、μD曲線平穩圓滑，則換擋順暢且平穩，靜摩擦系數μs和μt數值較高，則表明傳遞扭矩容量較大，離合器具有更好的抓力[7]。對研制油1 和研制油3 的摩擦性能進行SAE No.2 臺架測試，同時與參比油進行對比。測試結果見圖1。

從圖1 可以看出，與參比油相比，在10 000 次循環試驗中，研制油1 的動摩擦系數μ0、μD和μ0/μD變化較為平穩，μ0/μD的數值穩定在1.0～1.1 之間，能夠保證離合器平穩換擋；同時研制油1 具有更高的靜摩擦系數μs和μt，能夠傳遞更高的扭矩容量。結果表明，研制油1 具有較好的摩擦性能。

圖1 研制油1和3與參比油的SAE No.2摩擦性能數據

電機材料兼容性考察

對于插電式混合動力乘用車變速箱，驅動電機集成在變速箱中，使用變速箱油實現電機的冷卻，優異的絕緣材料兼容性是驅動電機可靠性和實現高功率密度的基礎。因此，需要評價變速箱油與電機材料的兼容性。驅動電機所涉及的電機材料較多，其中的絕緣材料最為關鍵，對電機的可靠運轉、使用壽命至關重要。油冷驅動電機所涉及的絕緣材料主要為漆包線、浸漬漆、絕緣紙、綁扎繩、絕緣套管等，而漆包線、浸漬漆和絕緣紙是其中3 種關鍵材料。結合混合動力變速箱的實際工況，采用在150 ℃條件下，密封浸泡1 000 h 的方法，對研制油1 與漆包線、浸漬漆和絕緣紙的兼容性進行考察，試驗后的材料外觀照片見圖2～圖4。

從圖2～圖4可以看出，在150 ℃下經過1 000 h 長周期老化試驗后，電磁線外觀正常，沒有出現漆皮剝落現象；浸漬漆保持餅形形狀，顏色略微加深，未出現破碎、裂紋現象；對于絕緣紙，外觀顏色略發黃，未出現起泡或分層現象。電性能診斷結果表明，以上3 種絕緣材料的電性能保持較好。以上數據表明，研制油1 與關鍵絕緣材料具有良好的兼容性，可以保證驅動電機的正常運轉，保證變速箱和整車的安全可靠。

圖2 漆包線兼容性試驗前后外觀對比

圖3 浸漬漆兼容性試驗前后外觀對比

圖4 絕緣紙兼容性試驗前后外觀對比

結論

本文結合插電式混合動力乘用車變速箱結構特點、運行工況及發展趨勢，以API III 類基礎油所研制的插電式混合動力乘用車變速箱油具有良好氧化安定性能、剪切安定性能等理化性能。同時該研制油具有良好的摩擦特性和電機絕緣材料兼容性。研制油的綜合性能平衡，可為插電式混合動力乘用車變速箱提供長久的潤滑、絕緣和冷卻保護。