铁姆肯与舍弗勒电动汽车（EV）用轴承技术新进展

当前，全球温室效应日趋严重。减少CO2排放量是应对温室效应的有效且必须要的措施。对于汽车行业，减排成为迫切需要解决的难题与考验。电动汽车（EV）与混合电动汽车（HEV）无疑是有效的方案。作为车辆重要部件之一的轴承，更是电动汽车行业竞争的核心。本文介绍铁姆肯与舍弗勒公司在电动汽车（EV）用轴承研发方面的新进展。

1、引 言

电动汽车（EV）的出现是汽车工业的一次大变革，顺应了人类实现“减少排放、保护环境”的迫切要求。然而，目前的现状是，由于种种限制，电动汽车并未像传统汽车那样在全世界得到普及。为了进一步降低CO2排放，达到理想的环保目标，还要攻克相关的技术难题，特别是作为关键部件之一的轴承，进一步发展电动汽车行业。这也是国内外各大轴承公司不断研发新产品、新技术的原因和动力。铁姆肯与舍弗勒两大轴承公司在EV用轴承产品研发方面，取得了重大进展，推出了较为全面的轴承产品与技术。

2、EV用轴承技术新进展

2.1、新产品

由于集成架构不同，电动机驱动车辆行驶的完全混合动力系统中，可能会在动力总成中安装更多轴承。对于纯电动汽车（EV），电动机是的车辆驱动源。与传统的动力总成相比，EV动力总成中轴承的数量可能会减少。典型的动力总成架构在电动机和变速箱之间使用大约八个轴承。车辆中的车轮轴承数量保持不变。

早期的混合动力变速箱通常是围绕现有的生产轴承设计的，以更快地将EV动力总成解决方案推向市场。但是，车辆功率和整体效率而言，这种设计无法提供长期的解决方案。铁姆肯公司提供高功率、高燃油效率的轴承解决方案，可实现更紧凑的动力总成设计，从而减轻车辆总体重量，降低轴承工作温度并提高动力总成效率。此外，这些轴承解决方案还通过消除轴承中的间隙，防止从驱动到再生过程中遇到的滑行运动来防止齿隙运动，从而降低NVH。相对应的满足电动汽车应用要求的新型润滑剂配方也会在市场上出现，包括润滑剂特性，例如泡沫控制、低导电率、铜腐蚀和热稳定性。

轴承是电动汽车发展壮大的关键。当然，还需要提高电池的能量密度，但也可以通过减少附加损耗来改善行驶里程。舍弗勒的创新产品，例如高速电机轴承和超低摩擦轴承，可以帮助解决这些问题。当今的ICE（内燃机）车辆利用多达11个档位来化动力组效率。在发展纯电动汽车初期，由于电动汽车比ICE效率更高，在短期内一两个档位足够了。随着齿轮数量的减少，对轴承的需求也随之减少。舍弗勒将资源集中在提供电动汽车解决方案上，例如完整的电动车轴、P2模块、执行器和完全专用的混合动力变速箱产品。市场对这些产品有强烈的需求。

配备无刷eMotor和IGBT型电力电子设备的轴承面临特殊的挑战。当电流通过eMotor的旋转轴流到机架时，电流以高频率波动。这可能引起放电加工，进而导致轴承过早失效。舍弗勒正在开发一种分流轴承。该轴承通过次级导体绕过该电流，从而消除了放电加工。此外，舍弗勒还在开发可降低这些放电功率的新型润滑剂。舍弗勒还与这些润滑剂的制造商合作，进一步优化系统的耐用性。

图1 舍弗勒电动汽车轴承

舍弗勒轴承在高速运行时不会产生很大的噪音（见图1和2）。EV电动机以高达20000 rpm的速度旋转时，不再以ICE来掩盖背景NVH。为了解决潜在的问题，舍弗勒开发了特殊的高精度轴承，还在研究一种新的轴承涂层。该涂层可以有效降低轴承的NVH（见EV用先进涂层/材料）。

图2 舍弗勒电动汽车用滚子轴承

2.2、先进涂层/材料

新的驱动方式与粘度大大降低的新油/脂配方相结合，要求使用更先进的表面技术、涂层和材料。从长远来看，要想在大多数电动汽车中实现终身润滑，只能通过使用更先进的材料和涂层来实现。

关于涂层，当前汽车应用中，通常不在轴承上应用表面涂层。只有少数轴承制造商会使用表面涂层来提高性能（例如疲劳寿命、电阻）。从长远来看，这不适用于大批量生产，尤其是在EV生产量增加的情况下。通常都是以分批方式进行轴承涂层。如果通过连续工艺施加涂层，则可以降低成本，使轴承产品更具吸引力。

随着eMachines的高速和高负荷运行，轴承会在壳体内轻微移动（也称为轴承蠕变）。这会对轴承或者壳体本身造成损坏。为此，舍弗勒开发了一种特殊的涂层，防止轴承在轴承箱内部发生蠕变。还需要注意的是，高速eMachine轴承中可能发生放电加工。在这方面，除了将电流路径从滚动元件滚道移开的并联轴承设计外，舍弗勒还开发了一种专用涂层，可防止整个轴承放电。该涂层已在电动火车轴承上使用多年，可用于轴承的内圈、外圈或滚动体本身。此外，电动汽车用轴承本身必须更加安静地运行，这可以通过特殊的轴承涂层来实现。舍弗勒多年来一直在涂层技术上进行大量研究，确保可以解决上述问题。

2.3、润滑技术

无论使用哪种类型的车辆驱动器，汽车工业都在朝着轻质油的方向寻求整体效率的提高。这些轻质油必须在一定范围的应用条件下为轴承提供足够的润滑，以达到轴承性能的期望值（例如疲劳寿命）并帮助在传动系统（例如齿轮箱）中散热。与常规车辆相比，电动汽车的润滑可能会面临不同的挑战，这取决于其与电动机和周围部件的相互作用（例如，润滑油/脂对电动机和变速箱的冷却）。

在美国，电动汽车根据具有ICE的同类汽车改进的功能和性能属性在市场上销售。这些高性能电动汽车中，使用直接喷雾对eMachine进行冷却，该过程的径流可用于冷却并润滑随之而来的轴承。

图3 舍弗勒eAxles

图4 舍弗勒集成混合模块 P2

在欧洲和亚洲，减少CO2排放量的需求成为电动汽车发展背后的驱动力。降低CO2排放量简单的方法之一是减少车辆的重量。eAxles和P2模块离合器等产品可以将轴承周围润滑和散热的效果化（见图3和4），这些设计都需要对eMachine使用水套冷却，也需要使用密封的油脂轴承。

舍弗勒在成为eAxle和P2系统的全方位服务供应商方面处于独特的位置。这使其可以查看整体的热传递和润滑情况，因此舍弗勒不仅可以优化轴承，还可以优化整个模块。其中，车桥包含大减速比的高速电机，这对轴承设计提出挑战。由于这些电动机转速超过20000rpm，因此需要坚固的轴承。必须考虑的另一个因素是，需要在这些高速工况下控制油的充气。整个系统必须经过精心设计，以确保飞溅的润滑油不会在高速状态下引起过度充气。

由于电动汽车使用许多由铜制成的零件，而腐蚀性润滑剂会溶解铜，并将其沉积在需要电绝缘的区域上。由于某些现有的动力总成润滑剂对铜具有腐蚀性，因此需要重新配制。所以，润滑剂制造商面临的挑战是确保电动汽车润滑剂不会腐蚀铜组件。

目前，电动汽车变速箱中使用的润滑脂数量有限。密封球轴承中通常会使用润滑脂，这种密封球轴承已用于某些EV变速箱或电动机中。在高速和高温应用中使用密封解决方案的轴承的耐久性能面临挑战。因为润滑脂无法在车辆的整个使用寿命中正常运行到底；所以，在这些条件下轴承的工作寿命有限。铁姆肯公司利用机床行业的经验来确定是否适合将润滑脂密封轴承解决方案用于这类恶劣的应用场合。

根据客户的偏好，在使用水套（与飞溅润滑脂相对）的eAxle应用中，油脂填充轴承通常更适合eMotor轴承。舍弗勒与合作伙伴合作，开发了适用于这些高速电机轴承的特殊润滑脂。

2.4、疲劳寿命

在选择和分析电动汽车的轴承解决方案时，铁姆肯公司利用其在多个行业的广泛应用知识，无论是高速机床主轴还是旋翼飞机变速箱应用，均可提供满足客户对电动汽车应用要求的轴承解决方案。EV变速箱应用的工作条件和环境与传统的车轴有很大不同，并且在此过程中面临许多新的轴承和润滑技术挑战，轴承的疲劳性能会受到更恶劣的热环境以及重量更轻的润滑剂的影响。OEM必须努力验证电动汽车系统解决方案并平衡其所有“电子要求”。

随着车辆设计越来越复杂，包括轴承在内的零件运行工况也越来越复杂。当使用“自动出租车”式运输工具（例如舍弗勒近推出的“移动”概念车）时，车辆的工作周期大大增加。这意味着轴承、齿轮和润滑系统也必须更坚固、更可靠。舍弗勒建立基于云的状态监控，确保车辆始终在路上而不是在维修车间内。

2.5、变速箱和油液

目前，用于混合动力车辆的动力分配变速器具有增强的扭矩传递能力，它比常规的有级变速器（6速/8速/10速）简单。在这种变速箱中，发动机提供的动力通过一组行星齿轮由终驱动齿轮传递到齿圈。环形齿轮通过变速器输出轴为车轮提供动力。变速箱内有两个电动机：一体式电动发电机和牵引电动机。发动机不运转时，牵引电机可以直接为车轮供电。电机发热时，通过滴在其上的变速箱油冷却。

如果电机可以保持凉爽，那么效率会更高。这需要开发一种热传递能力得到提高的传动液，以更快地带走热量，防止电动机发热。这样能使更多的电流流过电动机，从而为客户提供所需的更大扭矩。

由于传动液与电机中的铜绕组、绝缘层、层压板和稀土材料接触，因此必须要有充分的腐蚀防护措施。另外，还要增加流体的工作温度，使更多的电流流过铜绕组。这需要较高的氧化稳定性。在全混合动力汽车的集成动力总成系统中，除了电动机外，仍要依靠ICE和变速箱。当前，在轻型车辆市场中，电动汽车通常采用具有单速变速箱的结构。两速变速箱设计对商用车市场更具吸引力，因为这种设计适用于城市和高速公路的驾驶条件。

如果这类车辆采用EV动力总成，那么两速设计可能为轻型车辆市场中的大型车辆（例如轻型卡车和大型SUV市场）提供解决方案。与传统轴应用中使用的传统润滑剂相比，在EV齿轮箱中有使用ATF作为齿轮箱润滑剂的趋势。使用这种润滑剂的一个驱动因素是，EV变速箱通常使用斜齿轮而不是准双曲面小齿轮和环形齿轮，后者的滑动性能明显更高。

对于纯电动汽车，一速或二速变速箱可能在不久的将来足够了。混合动力/电动汽车要么使用专用的混合动力变速器，要么使用P2系统。P2系统是指在ICE和变速箱之间放置一个eMachine，充分利用OEM现有的行星式自动投资的系统。在任何情况下，减少附加损失对于扩大EV行驶里程关重要，因此必须使用低粘度油，例如自动变速箱油。

（1）专门针对电动汽车的特殊驾驶要求，开发新的超低粘度润滑油和润滑脂；

（2）开发与这些低粘度润滑剂完全相容的润滑性涂层和/或摩擦材料，提供高耐磨性和抗划伤性。在越来越恶劣的工作和润滑条件下，使用低粘度润滑剂可以延长使用寿命。

虽然运行条件越来越恶劣，但是将这些新型润滑剂与材料相结合，可以提高效率。如果用重量更轻的替代品取代较重的材料（钢、铸铁等），那么与此类新材料兼容的新型润滑油的研发也非常重要。

3、小 结

以铁姆肯和舍弗勒为代表的国外轴承大公司在EV轴承产品与技术的研发方面取得了全面而重要的进展，也指出了下一步的研究课题与方向。他们还将与OEM、零部件供应商、石油公司和添加剂制造商共同开发系统解决方案。对于所有利益相关者而言，这种协作无疑是省时、回报的方案。