當(dāng)前，全球溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重。減少CO2排放量是應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)的有效且必須要的措施。對(duì)于汽車行業(yè)，減排成為迫切需要解決的難題與考驗(yàn)。電動(dòng)汽車（EV）與混合電動(dòng)汽車（HEV）無疑是有效的方案。作為車輛重要部件之一的軸承，更是電動(dòng)汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的核心。本文介紹鐵姆肯與舍弗勒公司在電動(dòng)汽車（EV）用軸承研發(fā)方面的新進(jìn)展。
1、引 言
電動(dòng)汽車（EV）的出現(xiàn)是汽車工業(yè)的一次大變革，順應(yīng)了人類實(shí)現(xiàn)“減少排放、保護(hù)環(huán)境”的迫切要求。然而，目前的現(xiàn)狀是，由于種種限制，電動(dòng)汽車并未像傳統(tǒng)汽車那樣在全世界得到普及。為了進(jìn)一步降低CO2排放，達(dá)到理想的環(huán)保目標(biāo)，還要攻克相關(guān)的技術(shù)難題，特別是作為關(guān)鍵部件之一的軸承，進(jìn)一步發(fā)展電動(dòng)汽車行業(yè)。這也是國(guó)內(nèi)外各大軸承公司不斷研發(fā)新產(chǎn)品、新技術(shù)的原因和動(dòng)力。鐵姆肯與舍弗勒兩大軸承公司在EV用軸承產(chǎn)品研發(fā)方面，取得了重大進(jìn)展，推出了較為全面的軸承產(chǎn)品與技術(shù)。
2、EV用軸承技術(shù)新進(jìn)展
2.1、新產(chǎn)品
由于集成架構(gòu)不同，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛的完全混合動(dòng)力系統(tǒng)中，可能會(huì)在動(dòng)力總成中安裝更多軸承。對(duì)于純電動(dòng)汽車（EV），電動(dòng)機(jī)是的車輛驅(qū)動(dòng)源。與傳統(tǒng)的動(dòng)力總成相比，EV動(dòng)力總成中軸承的數(shù)量可能會(huì)減少。典型的動(dòng)力總成架構(gòu)在電動(dòng)機(jī)和變速箱之間使用大約八個(gè)軸承。車輛中的車輪軸承數(shù)量保持不變。
早期的混合動(dòng)力變速箱通常是圍繞現(xiàn)有的生產(chǎn)軸承設(shè)計(jì)的，以更快地將EV動(dòng)力總成解決方案推向市場(chǎng)。但是，就車輛功率和整體效率而言，這種設(shè)計(jì)無法提供長(zhǎng)期的佳解決方案。鐵姆肯公司提供高功率、高燃油效率的軸承解決方案，可實(shí)現(xiàn)更緊湊的動(dòng)力總成設(shè)計(jì)，從而減輕車輛總體重量，降低軸承工作溫度并提高動(dòng)力總成效率。此外，這些軸承解決方案還通過消除軸承中的間隙，防止從驅(qū)動(dòng)到再生過程中遇到的滑行運(yùn)動(dòng)來防止齒隙運(yùn)動(dòng)，從而降低NVH。相對(duì)應(yīng)的滿足電動(dòng)汽車應(yīng)用要求的新型潤(rùn)滑劑配方也會(huì)在市場(chǎng)上出現(xiàn)，包括潤(rùn)滑劑特性，例如泡沫控制、低導(dǎo)電率、銅腐蝕和熱穩(wěn)定性。
軸承是電動(dòng)汽車發(fā)展壯大的關(guān)鍵。當(dāng)然，還需要提高電池的能量密度，但也可以通過減少附加損耗來改善行駛里程。舍弗勒的創(chuàng)新產(chǎn)品，例如高速電機(jī)軸承和超低摩擦軸承，可以幫助解決這些問題。當(dāng)今的ICE（內(nèi)燃機(jī)）車輛利用多達(dá)11個(gè)檔位來大化動(dòng)力組效率。在發(fā)展純電動(dòng)汽車初期，由于電動(dòng)汽車比ICE效率更高，在短期內(nèi)一兩個(gè)檔位就足夠了。隨著齒輪數(shù)量的減少，對(duì)軸承的需求也隨之減少。舍弗勒將資源集中在提供電動(dòng)汽車解決方案上，例如完整的電動(dòng)車軸、P2模塊、執(zhí)行器和完全專用的混合動(dòng)力變速箱產(chǎn)品。市場(chǎng)對(duì)這些產(chǎn)品有強(qiáng)烈的需求。
配備無刷eMotor和IGBT型電力電子設(shè)備的軸承面臨特殊的挑戰(zhàn)。當(dāng)電流通過eMotor的旋轉(zhuǎn)軸流到機(jī)架時(shí)，電流以高頻率波動(dòng)。這可能引起放電加工，進(jìn)而導(dǎo)致軸承過早失效。舍弗勒正在開發(fā)一種分流軸承。該軸承通過次級(jí)導(dǎo)體繞過該電流，從而消除了放電加工。此外，舍弗勒還在開發(fā)可降低這些放電功率的新型潤(rùn)滑劑。舍弗勒還與這些潤(rùn)滑劑的制造商合作，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的耐用性。
舍弗勒軸承在高速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生很大的噪音（見圖1和2）。EV電動(dòng)機(jī)以高達(dá)20000 rpm的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，不再以ICE來掩蓋背景NVH。為了解決潛在的問題，舍弗勒開發(fā)了特殊的高精度軸承，還在研究一種新的軸承涂層。該涂層可以有效降低軸承的NVH（見EV用先進(jìn)涂層/材料）。
2.2、先進(jìn)涂層/材料
新的驅(qū)動(dòng)方式與粘度大大降低的新油/脂配方相結(jié)合，要求使用更先進(jìn)的表面技術(shù)、涂層和材料。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，要想在大多數(shù)電動(dòng)汽車中實(shí)現(xiàn)終身潤(rùn)滑，只能通過使用更先進(jìn)的材料和涂層來實(shí)現(xiàn)。
關(guān)于涂層，當(dāng)前汽車應(yīng)用中，通常不在軸承上應(yīng)用表面涂層。只有少數(shù)軸承制造商會(huì)使用表面涂層來提高性能（例如疲勞壽命、電阻）。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這不適用于大批量生產(chǎn)，尤其是在EV生產(chǎn)量增加的情況下。通常都是以分批方式進(jìn)行軸承涂層。如果通過連續(xù)工藝施加涂層，則可以降低成本，使軸承產(chǎn)品更具吸引力。
隨著eMachines的高速和高負(fù)荷運(yùn)行，軸承會(huì)在殼體內(nèi)輕微移動(dòng)（也稱為軸承蠕變）。這會(huì)對(duì)軸承或者殼體本身造成損壞。為此，舍弗勒開發(fā)了一種特殊的涂層，防止軸承在軸承箱內(nèi)部發(fā)生蠕變。還需要注意的是，高速eMachine軸承中可能發(fā)生放電加工。在這方面，除了將電流路徑從滾動(dòng)元件滾道移開的并聯(lián)軸承設(shè)計(jì)外，舍弗勒還開發(fā)了一種專用涂層，可防止整個(gè)軸承放電。該涂層已在電動(dòng)火車軸承上使用多年，可用于軸承的內(nèi)圈、外圈或滾動(dòng)體本身。此外，電動(dòng)汽車用軸承本身必須更加安靜地運(yùn)行，這可以通過特殊的軸承涂層來實(shí)現(xiàn)。舍弗勒多年來一直在涂層技術(shù)上進(jìn)行大量研究，確保可以解決上述問題。
2.3、潤(rùn)滑技術(shù)
無論使用哪種類型的車輛驅(qū)動(dòng)器，汽車工業(yè)都在朝著輕質(zhì)油的方向?qū)で笳w效率的提高。這些輕質(zhì)油必須在一定范圍的應(yīng)用條件下為軸承提供足夠的潤(rùn)滑，以達(dá)到軸承性能的期望值（例如疲勞壽命）并幫助在傳動(dòng)系統(tǒng)（例如齒輪箱）中散熱。與常規(guī)車輛相比，電動(dòng)汽車的潤(rùn)滑可能會(huì)面臨不同的挑戰(zhàn)，這取決于其與電動(dòng)機(jī)和周圍部件的相互作用（例如，潤(rùn)滑油/脂對(duì)電動(dòng)機(jī)和變速箱的冷卻）。
在美國(guó)，電動(dòng)汽車根據(jù)具有ICE的同類汽車改進(jìn)的功能和性能屬性在市場(chǎng)上銷售。這些高性能電動(dòng)汽車中，使用直接噴霧對(duì)eMachine進(jìn)行冷卻，該過程的徑流可用于冷卻并潤(rùn)滑隨之而來的軸承。
圖3 舍弗勒eAxles
在歐洲和亞洲，減少CO2排放量的需求成為電動(dòng)汽車發(fā)展背后的驅(qū)動(dòng)力。降低CO2排放量簡(jiǎn)單的方法之一就是減少車輛的重量。eAxles和P2模塊離合器等產(chǎn)品可以將軸承周圍潤(rùn)滑和散熱的效果優(yōu)化（見圖3和4），這些設(shè)計(jì)都需要對(duì)eMachine使用水套冷卻，也需要使用密封的油脂軸承。
舍弗勒在成為eAxle和P2系統(tǒng)的全方位服務(wù)供應(yīng)商方面處于獨(dú)特的位置。這使其可以查看整體的熱傳遞和潤(rùn)滑情況，因此舍弗勒不僅可以優(yōu)化軸承，還可以優(yōu)化整個(gè)模塊。其中，車橋包含大減速比的高速電機(jī)，這對(duì)軸承設(shè)計(jì)提出挑戰(zhàn)。由于這些電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過20000rpm，因此需要堅(jiān)固的軸承。必須考慮的另一個(gè)因素是，需要在這些高速工況下控制油的充氣。整個(gè)系統(tǒng)必須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以確保飛濺的潤(rùn)滑油不會(huì)在高速狀態(tài)下引起過度充氣。
由于電動(dòng)汽車使用許多由銅制成的零件，而腐蝕性潤(rùn)滑劑會(huì)溶解銅，并將其沉積在需要電絕緣的區(qū)域上。由于某些現(xiàn)有的動(dòng)力總成潤(rùn)滑劑對(duì)銅具有腐蝕性，因此需要重新配制。所以，潤(rùn)滑劑制造商面臨的大挑戰(zhàn)就是確保電動(dòng)汽車潤(rùn)滑劑不會(huì)腐蝕銅組件。
目前，電動(dòng)汽車變速箱中使用的潤(rùn)滑脂數(shù)量有限。密封球軸承中通常會(huì)使用潤(rùn)滑脂，這種密封球軸承已用于某些EV變速箱或電動(dòng)機(jī)中。在高速和高溫應(yīng)用中使用密封解決方案的軸承的耐久性能面臨挑戰(zhàn)。因?yàn)闈?rùn)滑脂無法在車輛的整個(gè)使用壽命中正常運(yùn)行到底；所以，在這些條件下軸承的工作壽命有限。鐵姆肯公司利用機(jī)床行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)來確定是否適合將潤(rùn)滑脂密封軸承解決方案用于這類惡劣的應(yīng)用場(chǎng)合。
根據(jù)客戶的偏好，在使用水套（與飛濺潤(rùn)滑脂相對(duì)）的eAxle應(yīng)用中，油脂填充軸承通常更適合eMotor軸承。舍弗勒與合作伙伴合作，開發(fā)了適用于這些高速電機(jī)軸承的特殊潤(rùn)滑脂。
2.4、疲勞壽命
在選擇和分析電動(dòng)汽車的軸承解決方案時(shí)，鐵姆肯公司利用其在多個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用知識(shí)，無論是高速機(jī)床主軸還是旋翼飛機(jī)變速箱應(yīng)用，均可提供滿足客戶對(duì)電動(dòng)汽車應(yīng)用要求的軸承解決方案。EV變速箱應(yīng)用的工作條件和環(huán)境與傳統(tǒng)的車軸有很大不同，并且在此過程中面臨許多新的軸承和潤(rùn)滑技術(shù)挑戰(zhàn)，軸承的疲勞性能會(huì)受到更惡劣的熱環(huán)境以及重量更輕的潤(rùn)滑劑的影響。OEM必須努力驗(yàn)證電動(dòng)汽車系統(tǒng)解決方案并平衡其所有“電子要求”。
隨著車輛設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，包括軸承在內(nèi)的零件運(yùn)行工況也越來越復(fù)雜。當(dāng)使用“自動(dòng)出租車”式運(yùn)輸工具（例如舍弗勒近推出的“移動(dòng)”概念車）時(shí)，車輛的工作周期大大增加。這意味著軸承、齒輪和潤(rùn)滑系統(tǒng)也必須更堅(jiān)固、更可靠。舍弗勒建立基于云的狀態(tài)監(jiān)控，確保車輛始終在路上而不是在維修車間內(nèi)。
2.5、變速箱和油液
目前，用于混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力分配變速器具有增強(qiáng)的扭矩傳遞能力，它比常規(guī)的有級(jí)變速器（6速/8速/10速）簡(jiǎn)單。在這種變速箱中，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力通過一組行星齒輪由終驅(qū)動(dòng)齒輪傳遞到齒圈。環(huán)形齒輪通過變速器輸出軸為車輪提供動(dòng)力。變速箱內(nèi)有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)：一體式電動(dòng)發(fā)電機(jī)和牽引電動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，牽引電機(jī)可以直接為車輪供電。電機(jī)發(fā)熱時(shí)，通過滴在其上的變速箱油冷卻。
如果電機(jī)可以保持涼爽，那么效率會(huì)更高。這就需要開發(fā)一種熱傳遞能力得到提高的傳動(dòng)液，以更快地帶走熱量，防止電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。這樣能使更多的電流流過電動(dòng)機(jī)，從而為客戶提供所需的更大扭矩。
由于傳動(dòng)液與電機(jī)中的銅繞組、絕緣層、層壓板和稀土材料接觸，因此必須要有充分的腐蝕防護(hù)措施。另外，還要增加流體的工作溫度，使更多的電流流過銅繞組。這就需要較高的氧化穩(wěn)定性。在全混合動(dòng)力汽車的集成動(dòng)力總成系統(tǒng)中，除了電動(dòng)機(jī)外，仍要依靠ICE和變速箱。當(dāng)前，在輕型車輛市場(chǎng)中，電動(dòng)汽車通常采用具有單速變速箱的結(jié)構(gòu)。兩速變速箱設(shè)計(jì)對(duì)商用車市場(chǎng)更具吸引力，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)適用于城市和高速公路的駕駛條件。
如果這類車輛采用EV動(dòng)力總成，那么兩速設(shè)計(jì)可能為輕型車輛市場(chǎng)中的大型車輛（例如輕型卡車和大型SUV市場(chǎng)）提供解決方案。與傳統(tǒng)軸中心應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑相比，在EV齒輪箱中有使用ATF作為齒輪箱潤(rùn)滑劑的趨勢(shì)。使用這種潤(rùn)滑劑的一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是，EV變速箱通常使用斜齒輪而不是準(zhǔn)雙曲面小齒輪和環(huán)形齒輪，后者的滑動(dòng)性能明顯更高。
對(duì)于純電動(dòng)汽車，一速或二速變速箱可能在不久的將來就足夠了。混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車要么使用專用的混合動(dòng)力變速器，要么使用P2系統(tǒng)。P2系統(tǒng)是指在ICE和變速箱之間放置一個(gè)eMachine，充分利用OEM現(xiàn)有的行星式自動(dòng)投資的系統(tǒng)。在任何情況下，減少附加損失對(duì)于擴(kuò)大EV行駛里程至關(guān)重要，因此必須使用低粘度油，例如自動(dòng)變速箱油。
（1）專門針對(duì)電動(dòng)汽車的特殊駕駛要求，開發(fā)新的超低粘度潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂；
（2）開發(fā)與這些低粘度潤(rùn)滑劑完全相容的潤(rùn)滑性涂層和/或摩擦材料，提供高耐磨性和抗劃傷性。在越來越惡劣的工作和潤(rùn)滑條件下，使用低粘度潤(rùn)滑劑可以延長(zhǎng)使用壽命。
雖然運(yùn)行條件越來越惡劣，但是將這些新型潤(rùn)滑劑與材料相結(jié)合，可以提高效率。如果用重量更輕的替代品取代較重的材料（鋼、鑄鐵等），那么與此類新材料兼容的新型潤(rùn)滑油的研發(fā)也非常重要。
3、小 結(jié)
以鐵姆肯和舍弗勒為代表的國(guó)外軸承大公司在EV軸承產(chǎn)品與技術(shù)的研發(fā)方面取得了全面而重要的進(jìn)展，也指出了下一步的研究課題與方向。他們還將與OEM、零部件供應(yīng)商、石油公司和添加劑制造商共同開發(fā)系統(tǒng)解決方案。對(duì)于所有利益相關(guān)者而言，這種協(xié)作無疑是省時(shí)、回報(bào)大的方案。