混合动力汽车用高速球轴承的开发

混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)用高速球轴承的开发

随着对全球变暖等环境问题的意识提高, 碳中和已成为消费者的优先考虑, 对环境影响较小的混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)有望得到广泛应用。由于EV开发的关键问题是增加其行驶里程, 开发人员必须提高燃油经济性和动力性, 同时还要设计出有足够空间来安装耐用电池的车辆。要做到这点, HEV和EV用驱动电动机必须比现在更小且更轻。

由于电动机输出由转矩和转速的乘积决定, 如果转速提高, 转矩就会降低, 从而可使转子和周围零件变小, 这就要求HEV和EV用驱动电动机具有更高的转速。最近, 开发人员推出了一种EV单元, 其驱动电动机的转速高于30 000 r/min, 因此支承这种驱动电动机的滚动轴承的转速必须不低于30 000 r/min。

1 高速旋转的挑战

开发人员将dmn值作为标识轴承高速旋转的指标。如图1所示, dmn值是轴承节圆直径dm和转速n的乘积。在HEV和EV用驱动电动机中, 内径为30～35 mm(节圆直径为45～50 mm)的轴承最常见。因此, 要实现不低于30 000 r/min的高速旋转, 开发人员必须使用dmn值至少为1.4×106 mm·r/min的滚动轴承。

图1 高速旋转指标

在HEV和EV的驱动电动机中一般使用深沟球轴承。当球轴承高速旋转时, 由于滑动产生的热量, 轴承内部温度升高, 导致钢球与套圈之间形成的油膜不足, 造成咬粘。此外, 随着离心力的增大, 保持架会发生变形, 由于球受到约束, 与外圈和密封接触会造成发热量过大, 导致保持架损伤等问题。因此, 为了实现球轴承的高速旋转, 必须开发一种减少发热量的润滑方法和减少变形的保持架。

2 深沟球轴承的高速旋转技术

2.1 润滑脂优化

滚动轴承的润滑方法分为油润滑和脂润滑。对于高速旋转, 油润滑最好, 因为极易将轴承内部的热量释放到外部。油润滑时, 采用现有技术可使dmn值达到不小于1.4×106 mm·r/min (稍后介绍第1代高速轴承)。脂润滑时, 采用现有技术虽然dmn值很难达到不小于1.4×106 mm·r/min, 但必须开发HEV和EV的驱动电动机用脂润滑高速轴承。

汽车的行驶环境温度范围从极低到极高, 在如此宽的温度范围内抑制发热需要用于驱动电动机轴承的润滑脂。NSK开发了EA9润滑脂, 在宽温度范围内提高了高速性能。通过使用聚α烯烃(一种耐热性强的基础油), 可限制润滑脂劣化, 并确保耐久性。润滑脂包含适量的脲基增稠剂, 该增稠剂具有优异的高速和高温性能, 从而优化油分离(基础油从增稠剂中渗出), 并通过增加润滑脂流动性和减小在宽温度范围内的搅拌阻力来提高咬粘抗力。如图2所示, 使用EA9润滑脂可减少在极低温和极高温环境下的发热, 从而提高高速旋转性能(图2)。

图2 与EA9润滑脂的发热对比

2.2 保持架形状优化

HEV和EV用深沟球轴承使用钢制保持架和冠形树脂保持架(以下简称树脂保持架)(图3)。由于树脂保持架比钢制保持架轻, 高速旋转时的离心力相对较小, 钢球与保持架兜孔之间的摩擦因数也较小, 这减少了接触点处球与保持架之间的发热。

图3 钢制保持架与树脂保持架的区别

如图4所示, 已确认树脂保持架的发热量比钢制保持架小, 并且树脂保持架可提高高速旋转性能。历史上, 高速旋转轴承(第1代高速轴承)使用树脂保持架。为了限制保持架材料在高速旋转过程中因温升而降低强度和刚度, 保持架必须由高耐热树脂材料制成。

图4 保持架材料发热对比

如上所述, 当树脂保持架高速旋转时, 由于离心力的影响, 可能会出现爪尖在圆周上变形等问题, 引起保持架与外圈和密封的干涉以及由兜孔底部产生的过大应力造成的损伤。当设计树脂保持架时, 在考虑离心力和优化兜孔底部厚度的同时, 根据使用情况对保持架强度进行了分析, 以避免由于保持架变形造成与其他零件接触或破损 (图5)。然而, 当兜孔底部厚度增加时, 保持架和轴承的轴向尺寸增大, 由于驱动电动机的轴向长度增大和质量增加而出现问题。

图5 保持架强度分析技术示例

为了解决该问题, 审视了从第2代高速轴承发布以来的树脂保持架设计概念。为了减轻保持架质量以减小离心力, 重新考虑了保持架形状, 而不是使保持架具有高刚度(厚)来承受离心力。第2代和第3代高速轴承保持架形状如图6所示。

图6 第2代和第3代轴承保持架形状的特征

为了减轻保持架质量, 减小了爪尖周围部分的厚度, 使其比爪根更薄, 以减小离心力。同时, 显著减小了受变形影响最大的爪根的厚度, 并改变了形状, 使环形部分能与弧形的爪平滑连接。与第1代高速轴承相比, 爪变形减少了约50%(图7)。

图7 保持架爪尖的变形结果

在第2代高速轴承保持架形状设计中, 凭借设计人员的经验和洞察力实现了质量减轻。在第3代高速轴承设计中, 通过拓扑优化计算来确定保持架形状。此外, 通过减少原型数量, 并采用一系列分析技术进行尽可能多的试验, 在开发出第2代轴承后的约一年内成功开发了第3代轴承。

拓扑优化计算是以形状为设计变量, 以强度或刚度为目标函数, 删除设计空间中与目标无关的部分, 以达到优化(轻量化)的设计方法。NSK是世界上首家将拓扑优化计算应用于轴承设计并成功投入实际应用的公司。第3代轴承保持架的设计流程如图8所示。如图8b所示, 仅通过拓扑优化计算得到的形状没有考虑制造方面, 可能导致制造时树脂成型缺陷和装配时保持架损伤。因此, 基于拓扑优化计算得到的形状, 在树脂注入过程中对树脂进行流体分析, 在装配过程中进行应力分析, 从而改进为可制造出的形状。第3代高速轴承通过减轻保持架周围部分(除环形部分外)的质量和减小离心力, 比第1代轴承质量减轻约70%。

图8 第3代轴承保持架的新设计方法

2.3 高刚度树脂材料

高速旋转时使用的树脂保持架材料必须具有高刚度, 以限制由于离心力的影响而产生的变形。因此, 在第2代高速轴承以及以后的系列中, 在保持架材料PA(聚酰胺)中添加了增强纤维, 由第1代轴承的玻璃纤维转换为碳纤维。通过改为碳纤维, 刚度增加, 重力降低。如图9所示, 树脂材料的变形比常规玻璃纤维树脂减少约30%, 这限制了高速旋转过程中由于离心力的影响而产生的变形。该材料还提高了尺寸稳定性, 因为其具有低的吸水率和有限的尺寸变化。

图9 树脂保持架的变形

3 评估试验结果

如前所述, HEV和EV的驱动电动机用第2代和第3代高速球轴承能高速旋转, 这是因为: 1)采用NSK独家研发的EA9润滑脂; 2) 轻量形状以减小离心力; 3)由高刚度材料制成的树脂外壳。这里展示了对第2代和第3代高速轴承的高速旋转性能的评估结果。

3.1 保持架变形的可视化

在图7中分析显示了在高速旋转过程中限制第2代和第3代轴承保持架爪尖变形的效果, 并通过实际测量得到了证实。将保持架固定在轴上, 高速旋转, 然后采用高速摄像机记录变形行为, 测量保持架的变形量。

第1—3代轴承的保持架在高速旋转过程中的变形如图10所示。在试验中, 当转换为轴承的dmn值时, 保持架转速相当于2.0×106mm·r/min,温度为120 ℃。图中灰线为保持架不旋转时的保持架外径面位置。通过从图中读出初始位置的径向变形量来测量变形量。结果确定了第1代轴承的变形量为1.77 mm, 第2代轴承的变形量仅约为0.35 mm, 第3代轴承的变形量几乎不可读。由图10所示的结果可确认, 因为减轻质量和采用高刚度材料, 第2代和第3代轴承的保持架在高速旋转时由离心力引起的变形有限。

图10 保持架变形试验结果的可视化

3.2 高速旋转

进行了高速旋转耐久性试验, 以确认第2代和第3代轴承的高速旋转性能, 试验机结构如图11所示。4套轴承支承着轴, 两端的2套作为试验轴承, 中心的2套作为支承轴承。支承轴承采用油润滑。试验条件为: 径向载荷为轴承基本额定动载荷的10%, 采用加热器调节试验温度, 使外圈外径面温度达到120 ℃。该试验的截止时间为20 h。

图11 高速旋转试验机

第2代和第3代轴承的试验结果如图12所示。如图12a所示, 在dmn值为1.4×106mm·r/min的条件下,第2代轴承达到了目标时间, 没有异常发热。然而, 在dmn值为1.6×106mm·r/min的条件下, 约7 h后出现了异常发热, 观察了出现异常发热的轴承内部后发现保持架由于离心力的影响而变形, 并且有与密封干涉的痕迹。相反地, 即使在dmn值为1.8×106mm·r/min的条件下, 第3代轴承也达到了目标时间, 没有异常发热, 如图12b所示。与第2代轴承相比, 通过拓扑优化计算进一步减轻了第3代轴承保持架的质量, 实现了dmn值至少为1.8×106mm·r/min的高速旋转。随着第3代轴承的开发, NSK已实现了EV驱动电动机用脂润滑深沟球轴承的世界最高转速。

图12 高速旋转评估试验结果

3.3 转矩性能

通过追求高速性能, 将第3代轴承保持架的质量减至最轻, 体积比常规第1代高速轴承减小约60%。因此认为在高速旋转过程中由保持架引起润滑油的搅拌阻力变小, 从而降低转矩。为了验证该理论, 测量并比较了第1代与第3代轴承的摩擦力。试验机的结构与高速耐久性试验机相同, 如图11所示, 测量了油润滑试验轴承以及支承轴承。测量条件为: 径向载荷为轴承基本额定动载荷的5%, 转速每次提高2 500 r/min, 由10 000r/min提高至20 000 r/min, 油温为50 ℃。

如图13所示, 与第1代轴承相比, 第3代轴承在整个转速范围内的摩擦减小, 证实了: 当润滑油量为100 cc/min时, 摩擦减小了约10%; 当润滑油量为200 cc/min时, 摩擦减小了约25%。当采用高速旋转的轴承时, 由于润滑油的搅拌增大了摩擦, 但通过采用第3代轴承, 摩擦减小, 进一步提高了HEV和EV的燃油经济性和动力性。

图13 转矩评估试验结果

4 结束语

介绍了HEV和EV的驱动电动机用脂润滑高速球轴承。

通过采用独家研发的EA9润滑脂和高刚度材料以及减轻保持架质量, NSK已实现了第2代高速轴承dmn值不小于1.4×106mm·r/min的高速旋转和第3代轴承dmn值不小于1.8×106mm·r/min的高速旋转。

考虑到碳中和社会的趋势, 预计HEV和EV等电动汽车的使用将迅速增加。NSK通过充分了解使用环境, 并不断推动满足市场需求的产品开发, 将有助于提高HEV和EV的燃油经济性和动力性, 从而提高其可靠性