新能源汽車驅(qū)動電機(jī)軸承技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀

摘要：介紹了新能源汽車驅(qū)動電機(jī)軸承的結(jié)構(gòu)特點，闡述了新能源汽車軸承的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并詳細(xì)介紹了新能源汽車軸承的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；電機(jī)；軸承；轉(zhuǎn)速；溫度

0 前言

近年來，溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重，人民環(huán)保意識不斷增強。汽車尾氣是城市溫室效應(yīng)的主要原因，開發(fā)新能源汽車對應(yīng)對汽車尾氣污染意義重大。軸承是新能源汽車的重要部件，其性能直接決定了新能源汽車的舒適性和安全性。預(yù)計到2025 年，新能源汽車軸承市場將達(dá)到142 億元，主要包括驅(qū)動電機(jī)軸承、輪轂軸承單元、變速箱軸承、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)軸承等。其中，驅(qū)動電機(jī)軸承是新能源汽車供應(yīng)動力的重要部件，面對新能源汽車軸承苛刻的工作要求，對其性能要求也越來越高，開發(fā)高性能新能源驅(qū)動電機(jī)軸承成為各大汽車及軸承廠商的關(guān)注重點。

1 新能源汽車驅(qū)動電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)特點

新能源汽車對軸承的要求包括長壽命、耐蠕變、高轉(zhuǎn)速、低摩擦、低振動等。具體表現(xiàn)為：

（1） 高速：驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)20 000 r/min，軸承Dmn 值（平均直徑與內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的乘積）達(dá)到80 萬以上，比普通工業(yè)電機(jī)速度高很多。

（2） 高溫：軸承需在-40～150 ℃穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，無嘯叫；長期工作溫度為110～120 ℃；寒冷地區(qū)啟動溫度-30～-20 ℃，啟動力矩小，噪聲低。

（3） 潤滑：要求潤滑脂低溫性能優(yōu)異、耐高溫、抗振動、節(jié)能高效、長壽命。

（4） 振動、噪聲：為保證乘車的舒適性，電機(jī)的振動噪聲水平要低，保證車內(nèi)安靜。

（5） 電蝕：由于繞組的不平衡，造成轉(zhuǎn)子間存在電位差，形成電流；逆變器高頻電壓造成的電流泄漏都可能導(dǎo)致軸承產(chǎn)生電蝕，使軸承失效。

（6） 壽命：保證軸承與整車質(zhì)保同壽（5～8 a 或10 萬～16 萬km）。

2 新能源汽車軸承的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2. 1 國外研究現(xiàn)狀

NTN 公司面向純電（EV）和混動（HEV）車用三電系統(tǒng)（e-Axle）研發(fā)了耐電腐蝕的絕緣鍍膜軸承。在軸承外圈的外徑和端面鍍了絕緣膜層，能耐100 V 以上電壓，具有良好的絕緣特性。NTN 公司還開發(fā)了一種抗電蝕軸承，即用于電動車軸的帶有絕緣涂層的軸承，通過在軸承表面涂敷絕緣涂層來抑制通過軸承的電流。該軸承絕緣性能達(dá)到100 V以上，支持使用高壓電池。絕緣涂層具有低摩擦因數(shù)和優(yōu)異的耐磨性，與不帶絕緣涂層的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品相比，外圈外徑和外殼內(nèi)徑的總磨損量減少88%。因此，即使外圈發(fā)生蠕變，該產(chǎn)品也能保持絕緣所需的涂層。

SKF 公司發(fā)布了革命性的用于電驅(qū)系統(tǒng)的高轉(zhuǎn)速深溝球軸承HSBB1.8，最高Dmn 值可達(dá)180 萬，以40 mm 軸徑為例可滿足最高30 000 r/min 電機(jī)轉(zhuǎn)速。SKF 公司開發(fā)了eDrive 球軸承系列，通過優(yōu)化設(shè)計滾道，采用新型結(jié)構(gòu)聚合物保持架、寬溫度范圍的潤滑脂，設(shè)計混合陶瓷軸承，以適應(yīng)電機(jī)軸承的高速性能，有助于延長傳動系統(tǒng)的使用壽命和擴(kuò)大電池的續(xù)航能力。

NSK 公司開發(fā)了針對混合動力/電動汽車變速箱等驅(qū)動系統(tǒng)用的新一代防蠕變軸承，通過抑制該蠕變提高車輛的乘用舒適性［1］。該產(chǎn)品的特點為：① 通過優(yōu)化軸承套圈剛性防止套圈變形，從而將壁厚的增加量控制在最小，并有效提高抵抗齒輪靜止載荷的防蠕變能力。② 采用高溫油環(huán)境下耐久性能更優(yōu)異的O 形圈材質(zhì)，并優(yōu)化其壓緊變形量，使軸承暴露在高溫油環(huán)境時，由電機(jī)不平衡引起的旋轉(zhuǎn)載荷所導(dǎo)致的蠕變降低80%。③ 無需機(jī)械固定而提高了防蠕變性，使組裝變得更加容易，從而提高生產(chǎn)性和降低成本。

NSK 公司還開發(fā)了電動汽車變速箱用圓錐滾子軸承NSK LCube ⅡTM。該產(chǎn)品特點為：① 在潤滑油稀薄的苛刻使用環(huán)境下，在圓錐滾子的滾動面及頭部形成可儲油的微小凹部，使接觸面的油膜保持性更優(yōu)，防止磨損等表面損傷，相比目前產(chǎn)品可實現(xiàn)8 倍及以上的耐久性和耐燒結(jié)性。② 在低速域的儲油性能（油膜能更加容易形成的狀態(tài)）有所優(yōu)化，相比目前產(chǎn)品可降低10% 的摩擦。

舍弗勒TriFinity 是一款三列輪轂軸承，其尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)雙列球軸承，但能夠提供更大的軸荷，同時使用壽命更長，剛度更高。此外，該軸承采用創(chuàng)新設(shè)計，可替代帶預(yù)緊的圓錐滾子輪轂單元方案。相較圓錐滾子軸承，Trifinity 可顯著降低摩擦力矩，提高剛度，在FTP75 測試路譜條件下，每輛車可降低0.7% 耗電量。此外，TriFinity 與舍弗勒的端面花鍵技術(shù)相組合，減小了輪轂單元尺寸。小型化不僅能減少軸承和密封摩擦，還能降低軸承質(zhì)量，從而減少碳足跡。在尺寸相同的情況下，采用無游隙端面花鍵技術(shù)的軸承質(zhì)量更輕，部件傳遞的扭矩可提高50%。此外，軸承的安裝更加方便，應(yīng)用于電動汽車還可以減少噪聲［2-3］。帶離心盤的高效球軸承是舍弗勒專為電動汽車開發(fā)的新產(chǎn)品，性能高、摩擦低且節(jié)能。該產(chǎn)品兼具開式軸承和密封軸承的設(shè)計優(yōu)勢，單個軸承能夠減少0.3 N·m 摩擦力，減少約0.1 g/km 二氧化碳排放量。帶離心盤的高效球軸承的使用壽命是開式軸承的10 倍，使用成本大幅降低。

2. 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

人本集團(tuán)開發(fā)專用于新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的高速BS 系列軸承，采用新設(shè)計、新工藝、新材料，優(yōu)化軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用仿真、潤滑技術(shù)，解決了高速高溫下軸承發(fā)熱和潤滑難題，形成新能源汽車驅(qū)動電機(jī)軸承設(shè)計理論及方法，確保軸承具有精度高、離心力小、摩擦低等特點，能夠滿足新能源汽車低啟動力矩、高速和急變速、耐用性和高可靠性等要求。

浙江五洲新春集團(tuán)股份有限公司開發(fā)了驅(qū)動電機(jī)軸承6008-2RZG，通過套圈參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、保持架優(yōu)化設(shè)計、采用非接觸式密封結(jié)構(gòu)和長壽命、低噪聲、耐高低溫型油脂，滿足套圈高速高溫長壽命，有利于軸承的高速穩(wěn)定、低噪聲等性能，保證軸承在高速高溫運轉(zhuǎn)中的壽命，以及在高速或急變速運轉(zhuǎn)時的性能。

重慶長江軸承股份有限公司（以下簡稱“長江軸承”）在高溫高速新能源汽車減速器軸承、高溫高速新能源汽車驅(qū)動電機(jī)軸承、新能源汽車用輪轂軸承單元關(guān)鍵技術(shù)等方面取得新突破。其中，在新能源汽車用輪轂軸承單元方面，長江軸承成功解決了軸承輕量化設(shè)計剛度與強度同時滿足的難題、軸承減重后動平衡難題、輕量化后產(chǎn)品變形帶來的工藝難題，實現(xiàn)產(chǎn)品減重30%。

瓦軸集團(tuán)為歐洲國際知名汽車制造企業(yè)純電汽車和插電混動汽車配套的減速器系列軸承，通過采用特殊材料及特殊的熱處理工藝，實現(xiàn)了軸承壽命提高，滿足了新能源汽車配套需求，已批量供貨。瓦軸集團(tuán)新能源汽車軸承擁有高精度、高轉(zhuǎn)速、高承載、長壽命、低摩擦和低噪聲等性能。

3 新能源汽車軸承關(guān)鍵技術(shù)

3. 1 高速技術(shù)

軸承高速性能是新能源汽車驅(qū)動電機(jī)軸承開發(fā)難點，自主企業(yè)沒有可直接借鑒的經(jīng)驗。產(chǎn)品要在設(shè)計和理論計算上達(dá)到高速性能指標(biāo)，還要通過高速性能試驗、模擬臺架試驗和路試，才能在高速條件下可靠耐用。因此，產(chǎn)品開發(fā)涉及領(lǐng)域廣、跨度大、時間長，要考量產(chǎn)品性HtE2kJ9PdM+HVoDNJP8i8urwLFho8Pt48MX+Ao460vQ=價比，克服國際品牌沖擊，才能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。軸承的設(shè)計需要優(yōu)化以減少摩擦和磨損，同時保持高速運轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性，具體應(yīng)對措施為：① 潤滑脂優(yōu)化，開發(fā)混動汽車和純電汽車的驅(qū)動電動機(jī)用脂潤滑高速軸承；② 保持架形狀優(yōu)化，混動汽車和純電汽車用深溝球軸承使用鋼制保持架和冠形樹脂保持架；冠形樹脂保持架比鋼制保持架輕，高速旋轉(zhuǎn)時的離心力相對較小，鋼球與保持架兜孔之間的摩擦因數(shù)較小，可以減少球與保持架之間的發(fā)熱量。③ 采用高剛度樹脂材料，高速旋轉(zhuǎn)時使用的樹脂保持架材料必須具有高剛度，以限制由于離心力的影響而產(chǎn)生的變形。

于慶峰［4］系統(tǒng)分析了高速深溝球軸承中保持架的受力來源及對應(yīng)狀態(tài)下的應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)保持架自身離心力是最大影響因素；有針對性地提出了高速保持架設(shè)計方案；采用Abaqus 及CABA3D 軟件進(jìn)行仿真驗證，并通過了臺架試驗及客戶裝機(jī)測試。

3. 2 耐高溫技術(shù)

由于電機(jī)和電力電子器件的熱效應(yīng)，新能源汽車軸承工作環(huán)境溫度比傳統(tǒng)汽車高。這要求軸承材料能夠承受更高的工作溫度，同時不降低其性能［5］。特殊合金材料、陶瓷材料，以及表面涂層技術(shù)為制造新能源汽車要求的軸承提供可能性。這些材料可以提供更好耐磨性、耐腐蝕性和溫度穩(wěn)定性。

3. 3 耐腐蝕技術(shù)

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電動汽車驅(qū)動電機(jī)軸承腐蝕問題也逐漸引起關(guān)注。軸承是傳動系統(tǒng)中的重要部件，一旦受腐蝕，會造成車輛不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致安全問題。具體應(yīng)對措施為：① 優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)，如增強軸承密封性，采用抗腐蝕潤滑劑。② 采用具有抗腐蝕性的高性能材料，如采用特種材料，利用特殊處理工藝，提高其抗腐蝕能力。③提高軸承潤滑能力，如增強零件之間潤滑能力，采用具有高抗腐蝕性的潤滑劑。④ 對軸承進(jìn)行定期的維護(hù)和檢查。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)汽車軸承面臨重新洗牌。未來電動汽車采用電驅(qū)動方式，將省去傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動機(jī)、變速箱、傳動軸等，汽車軸承發(fā)電機(jī)軸承、水泵軸承、搖臂軸承、張緊輪軸承等行業(yè)部分產(chǎn)品面臨洗牌，新能源汽車軸承給軸承企業(yè)帶來新的商機(jī)和挑戰(zhàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

［ 1 ］ 衛(wèi)耀東.NSK 新能源汽車新技術(shù)[J]. 現(xiàn)代零部件，2011（10）：70-71.

［ 2 ］ 孫玉玲，何浩，顏靜，等. 新能源汽車驅(qū)動電機(jī)軸承噪聲分析及改進(jìn)措施[J]. 軸承，2022（1）：57-61.

［ 3 ］ 馬小梅，王潤東，朱宇騰，等. 新能源汽車驅(qū)動電機(jī)軸承動態(tài)性能分析[J]. 哈爾濱軸承，2022，43（1）：3-11，21.

［ 4 ］ 于慶峰. 新能源汽車用高速深溝球軸承保持架設(shè)計與驗證[J]. 機(jī)械傳動， 2023， 47（4）：123-130.

［ 5 ］ 胡迪，米承繼，劉祥環(huán)，等. 新能源汽車減速器錐軸承預(yù)緊量研究[J]. 機(jī)電工程，2022，39（8）：1071-1079.