張繼平，戴媛靜，李小磊，鄒 洋

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

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量的增加，空氣質(zhì)量惡化、溫室效應(yīng)和石油資源的匱乏等環(huán)境和能源問(wèn)題嚴(yán)重影響到現(xiàn)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，引起了各國(guó)政府對(duì)這些問(wèn)題高度關(guān)注。近年來(lái)出臺(tái)的更嚴(yán)格的燃燒效率和排放的標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了節(jié)能環(huán)保汽車快速發(fā)展。純電動(dòng)汽車和油電混合動(dòng)力汽車作為新能源汽車的代表是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要突破口。從節(jié)能和排放趨勢(shì)看，純電動(dòng)汽車可能為最終選擇，油電混合動(dòng)力車是向純電動(dòng)汽車發(fā)展的一種過(guò)渡方式。

純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)多采用電機(jī)+單級(jí)/二級(jí)減速器的方式，仍然需要潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑。電機(jī)+單級(jí)/二級(jí)減速器傳動(dòng)形式結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有離合器，沒(méi)有同步器，只有固定速比的齒輪。由于減速器和電機(jī)耦合在一起，對(duì)油品的散熱性能、絕緣性能、抗腐蝕性能、剪切安定性等提出了較高的要求。

對(duì)于純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)而言，由于轉(zhuǎn)速大幅提高(一般輸入軸轉(zhuǎn)速在10 000 r/min以上)、體積減小，造成工況更為苛刻、運(yùn)轉(zhuǎn)溫度更高、油品運(yùn)行負(fù)荷增大，因此對(duì)油品的抗泡沫性、氧化安定性和熱安定性等性能提出了更高的要求[1]。為了減少油品的攪油功率損失，要求油品運(yùn)動(dòng)黏度降低。

早在1997年美國(guó)通用公司制定了電動(dòng)汽車驅(qū)/傳動(dòng)系統(tǒng)用潤(rùn)滑油標(biāo)準(zhǔn)GMNA9986144[2]。該標(biāo)準(zhǔn)中，油品運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)為1.9～2.3 mm2/s，低于目前市售的手動(dòng)變速箱油和自動(dòng)變速器油的指標(biāo)要求。此外還明確了對(duì)油品的絕緣性能要求。

從上述文獻(xiàn)可知，純電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油要求運(yùn)動(dòng)黏度很低，且具有良好的絕緣性能、抗腐蝕性能、抗氧化性能，對(duì)摩擦性能無(wú)特殊要求。而手動(dòng)變速箱油運(yùn)動(dòng)黏度高，摩擦耐久性好，對(duì)動(dòng)靜摩擦因數(shù)比有一定要求。自動(dòng)變速器油雖然黏度較低，抗氧化和抗腐蝕性能優(yōu)異，但其最主要性能是抗抖動(dòng)等摩擦特性。這兩種油品并不能完全滿足純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑的要求。

為適應(yīng)純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑需要，清華大學(xué)天津高端裝備研究院以Ⅲ+加氫礦物油和酯類油為基礎(chǔ)油、以自主開發(fā)的含磷分散型抗磨劑為主劑，開發(fā)了潤(rùn)滑油品。與其他電動(dòng)汽車油品配方[3-5]最大的不同是沒(méi)有使用黏度指數(shù)改進(jìn)劑，這樣能夠避免高轉(zhuǎn)速對(duì)油品的剪切作用。以下介紹該油品的研發(fā)過(guò)程及該油品的性能評(píng)價(jià)結(jié)果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

油品研制使用的基礎(chǔ)油包括Ⅲ類加氫礦物油、酯類油。使用的添加劑主要有抗擦傷劑硫化烯烴(SO)；抗磨劑(AW)：含磷分散型抗磨劑(AW-1)、磷酸酯胺鹽(T308)、硫代磷酸三苯酯(T309)；金屬減活劑(MP)：苯三唑衍生物(T551)、噻二唑衍生物(T561)、苯三唑脂肪酸胺鹽(T406)、液體苯三唑脂肪酸胺鹽(T406E)；無(wú)灰分散劑(AD)：高相對(duì)分子質(zhì)量聚異丁烯丁二酰亞胺(T161A)、聚異丁烯丁二酰亞胺(T152)；磺酸鹽清凈劑(SD)：高堿值磺酸鈣(T106D)、低堿值磺酸鈣(T101)等?；A(chǔ)油主要性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 基礎(chǔ)油主要性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

油品研制過(guò)程中用到的標(biāo)準(zhǔn)方法見(jiàn)表1。自建方法如下：

①烘箱氧化。在250 mL燒杯中加入200 mL試油，將45號(hào)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(shí)觀察杯底沉積物情況。其中鋼片評(píng)級(jí)規(guī)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(lán)、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(wú)區(qū)分。同時(shí)測(cè)定試油氧化前后運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)，并計(jì)算運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)增長(zhǎng)率。

②長(zhǎng)磨試驗(yàn)。長(zhǎng)磨試驗(yàn)在廈門天機(jī)自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的MS-10A四球摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。所用鋼球?yàn)镚Cr15鋼球，直徑12.7 mm，硬度58～62 HRC。試驗(yàn)負(fù)荷392 N，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速1 200 r/min，試驗(yàn)時(shí)間8 h。試驗(yàn)過(guò)程中儀器自動(dòng)記錄摩擦因數(shù)和油溫。試驗(yàn)結(jié)束后給出平均摩擦因數(shù)，測(cè)量3個(gè)鋼球的磨斑直徑，取平均值作為磨斑直徑結(jié)果。

(3)雙輥試驗(yàn)。雙輥試驗(yàn)在英國(guó)Plint公司生產(chǎn)的TE72型雙輥試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)條件為：500 N，6 h，主動(dòng)輪輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速2 000 r/min，從動(dòng)輪輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速1 636 r/min。試驗(yàn)結(jié)束后，截取輥?zhàn)拥囊徊糠?，使用奧林巴斯公司生產(chǎn)的OLS5000 3D型激光顯微鏡觀察其表面形貌，并測(cè)量其磨損體積。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)油的選擇

研制油的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)為4.5 mm2/s左右，且對(duì)剪切安定性有較高的要求，為此研制油基礎(chǔ)油沒(méi)有使用黏度指數(shù)改進(jìn)劑。綜合考慮性能及成本，選用一種低溫性能良好的Ⅲ+加氫礦物油和酯類油復(fù)配，調(diào)制滿足暫定質(zhì)量指標(biāo)要求的基礎(chǔ)油(BO)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 調(diào)合基礎(chǔ)油的性能

從表2可知，調(diào)合基礎(chǔ)油能夠滿足暫定質(zhì)量指標(biāo)的要求。

2.2 添加劑的篩選和配方的確定

2.2.1 不同添加劑的絕緣性能油品會(huì)與電機(jī)接觸，為避免漏電導(dǎo)致事故，需要油品具有較好的絕緣性能。為此，采用試驗(yàn)方法(GBT 507—2002)考察了調(diào)合基礎(chǔ)油和擬使用的不同類型添加劑的絕緣性能，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同類型添加劑的絕緣性能

從表3可知，基礎(chǔ)油及添加劑氧化前后均具有較高的擊穿電壓，可以滿足質(zhì)量指標(biāo)對(duì)油品絕緣性能的要求。

2.2.2 極壓抗磨劑的篩選由于研制油的運(yùn)動(dòng)黏度很低，相應(yīng)的油膜厚度和強(qiáng)度變小，需要依靠極壓抗磨劑來(lái)彌補(bǔ)，因此進(jìn)行了不同極壓抗磨劑的篩選，結(jié)果見(jiàn)表4。其中參比油為某型電動(dòng)乘用車傳動(dòng)系統(tǒng)在用的自動(dòng)變速器油。

表4 不同極壓抗磨劑的篩選結(jié)果

注：a為0.8～1.2；b為0.5～0.8；c為0.15～0.25；d為0.15～0.25；PB為最大無(wú)卡咬負(fù)荷，試驗(yàn)方法為GBT 2583—1998;d392為磨斑直徑，試驗(yàn)方法為NBSHT 0189—2017。

從表4可知，通過(guò)調(diào)整極壓抗磨劑種類和配比，可滿足暫定質(zhì)量指標(biāo)要求，且抗磨性能優(yōu)于參比油。

2.2.3 金屬減活劑的篩選由于電機(jī)中的銅部件較多，對(duì)油品的抗腐蝕性能提出了更為苛刻的要求。為此在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 5096方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)提高試驗(yàn)溫度來(lái)篩選合適的金屬減活劑。在w(BO+SO+AW)為99.95%、金屬減活劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的條件下，考察金屬減活劑類型對(duì)油品抗腐蝕性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可知，T406E具有良好的抗腐蝕性能。

2.2.4 清凈劑和無(wú)灰分散劑的篩選除了極壓抗磨、抗腐蝕性能外，油品氧化安定性也有較高的要求。含磷劑是油品在低黏度條件下仍能保持較好承載和抗磨損能力的關(guān)鍵功能劑，但它們?cè)诟邷貤l件下易生成油泥，導(dǎo)致油品承載和抗磨損性能下降。除了選擇氧化安定性好的含磷劑外，使用

表5 不同金屬減活劑的篩選結(jié)果

分散劑及清凈劑可以增強(qiáng)油品氧化安定性。篩選結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6可知，加入的分散劑和清凈劑過(guò)多時(shí)，會(huì)降低油品的承載能力。高相對(duì)分子質(zhì)量無(wú)灰分散劑和高堿值磺酸鈣的加入可有效抑制油品的氧化，同時(shí)具有較好的承載能力，可以作為油品配方使用的功能添加劑。

表6 不同清凈劑和分散劑的篩選結(jié)果

注：e為1～1.2；f為0.8～0.5。

2.2.5 配方性能的評(píng)價(jià)確定主要添加劑的種類和添加量后，進(jìn)行復(fù)合配方的研究。最終配方油品(研制油)的性能評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表7、圖1和圖2。

表7 純電動(dòng)乘用汽車傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油的主要性能

圖1 不同油品烘箱氧化的鋼片

圖2 不同油品潤(rùn)滑的輥?zhàn)颖砻嫘蚊?/p>

從表7可知，研制油的主要性能滿足暫定質(zhì)量指標(biāo)要求，且低溫、抗剪切、抗氧化、絕緣、抗磨減摩等性能優(yōu)于參比油。

從圖1可知，兩種油品均具有良好的抗氧化性能，鋼片表面無(wú)沉積，無(wú)變色。

從圖2可知，參比油潤(rùn)滑的主動(dòng)輪輥?zhàn)雍蛷膭?dòng)輪輥?zhàn)颖砻娉霈F(xiàn)了較為明顯的劃痕，研制油潤(rùn)滑的主動(dòng)輪輥?zhàn)雍蛷膭?dòng)輪輥?zhàn)颖砻鎰澓酆苌佟Ｔ摻Y(jié)果表明研制油具有較好的抗磨損性能。

3 結(jié) 論

以Ⅲ類加氫礦物油和酯類油為基礎(chǔ)油、以自主開發(fā)的含磷極壓抗磨添加劑AW-1調(diào)制的油品具有低的運(yùn)動(dòng)黏度，良好的絕緣、抗氧化、抗銅腐蝕、抗磨和減摩性能，適用于電機(jī)和減速器耦合在一起的純電動(dòng)乘用汽車傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑。