电驱动系统应用概述-轴承

电驱动系统中的电机、减速器（变速箱）、半轴等应用轴承的种类较多，主要有深沟球轴承、角接触球轴承、四点接触球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承、推力轴承等。新能源的电驱动系统对轴承的要求与传统汽车动力系统对轴承的要求要更高，主要体现在：长寿命、耐蠕变、高转速、低摩擦、低振动、耐轴向变载冲击等。

上述轴承的主要优缺点如下表1：

表1 电驱动系统常用轴承优缺点

不同的轴承选择主要考虑：可容空间、载荷（大小及方向）、不对中、精度和刚度、转速、工作温度、振动水平、污染程度、润滑类型和方法。

一、轴承寿命校核

1.1 基本额定寿命

根据可容空间及载荷大小选择轴承后，首先需要对轴承进行寿命校核。根据ISO 281标准，轴承的基本额定寿命为：

如果转速是固定的，那么轴承的寿命通常以工作小时来表示：

式中：

L10：基本额定寿命（90%可靠性）【百万转】

L10h：基本额定寿命（90%可靠性）【工作小时】

C：基本额定动载荷 KN

P：轴承当量载荷

n：转速

p：寿命公式中的指数，对于球轴承，p=3，对于滚子轴承p=10/3

1.2 SKF额定寿命

在一些应用中，轴承的实际工作寿命可能偏离基本额定寿命，该寿命可能受多种不同因素的影响，如：润滑、污染程度、安装不当和其它应用环境等。

SKF寿命修正系数αSKF采用了疲劳载荷极限Pu的概念，Pu值列于产品目录中，SKF寿命修正系数αSKF还引入了润滑条件（粘度比κ）和污染系数ηc，SKF额定寿命公式：

Lnm：SKF额定寿命（100-n）%可靠性 【百万转】

Lnmh：SKF额定寿命（100-n）%可靠性【工作小时】

α1：寿命可靠性调整系数，见表2

αSKF：SKF寿命修正系数

表2 寿命调整系数α1

αSKF寿命修正系数能体现疲劳载荷极限比（Pu/P）、润滑条件（粘度比κ）以及表示轴承内污染程度的污染系数ηc之间的关系。具体的αSKF寿命修正系数可以参照SKF轴承综合型录中提的方法进行计算。

二、轴承摩擦校核

滚动轴承内的摩擦决定轴承产生热量的多少，摩擦的大小取决于载荷和其它几个因素，包括：轴承类型和尺寸、转速、润滑剂的特性和用量。轴承转动时的总阻力是由部件之间的滚动和滑动摩擦构成，包括滚动体和滚道之间的接触，滚动体和保持架之间的接触以及滚动体和引导面之间的接触。另外摩擦也可能由润滑剂拖曳和接触式密封件产生。

2.1 摩擦力矩的估算

使用固定的摩擦系数μ，可以足够精确地估算出摩擦力矩。但是，应满足以下条件 ：

1、轴承载荷P ≈0.1C 

2、润滑良好

3、正常工作条件

在这些条件下，可用以下公式估算摩擦力矩M：

对于径向滚针轴承，需要用F或Fw，而不要使用d

式中：

u：轴承的固定摩擦系数，见表3

P：轴承当量动载荷

d：轴承内径

F：内圈滚道直径mm

Fw：滚子下方直径

表3 轴承的固定摩擦系数u

2.2 SKF摩擦力矩计算模型

要准确计算滚动轴承的总摩擦力矩，必须考虑以下因素及其摩擦效应

1、滚动摩擦力矩以及贫油回填和切入发热效应的最终影响

2、滑动摩擦力矩及其对润滑质量的影响

3、密封件的摩擦力矩

4、拖曳损失、搅动和飞溅等导致的摩擦力矩

SKF摩擦力矩计算模型公式：

式中：

M：总摩擦力矩

Mrr：滚动摩擦力矩

Msl：滑动摩擦力矩

Mseal：密封件的摩擦力矩

Mdrag：由于拖曳损失、搅动和飞溅等导致的摩擦力矩

上式中四种摩擦力矩的具体计算方法可以通过SKF轴承综合型录进行计算。

启动力矩：滚动轴承的启动力矩是指轴承从静止到开始旋转时必须克服的摩擦力矩，只需考虑滑动摩擦力矩和密封件的摩擦力矩，故启动力矩Mstart的计算公式为：

功率损耗NR和轴承温度ΔT：

式中：

M：轴承的总摩擦力矩

n：轴承转速

Ws：冷却系数W/℃，指轴承与环境之间每一度温差所带走的热量

三、轴承设计及选用考虑因素

在电驱动系统中，轴承的设计与选用时还需要考虑轴承布置的固定端与浮动端、轴承配合、轴承内部游隙或预紧、轴承润滑等。

3.1 轴承固定端与浮动端

固定端使用的是能承受联合（径向和轴向）载荷的轴承，如深沟球轴承、角接触球轴承、部分圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承等。而浮动端更适用于轴向稳定性要求较低的应用，或者轴上有其它部件用作轴向定位的应用，如深沟球轴承、自调心球轴承等。

如下分别举例了固定端与浮动端轴承的应用

图1 固定端轴承布置举例

图2 浮动端轴承布置举例

3.2 轴承配合

在电机及减速器中，轴承的转运情况可判定为：内圈运转、外圈静止（必要时增加防跑外圈结构），且载荷的方向根据整车不同挡位、工况而定，具体工况下的荷载方向是一定的。在该情形下，根据轴承种类及布置（参照图1与图2）进行轴承的配合，推荐配合如表4所示：

表4 轴承孔配合推荐（参考）

3.3 轴承内部游隙或预紧

在电驱动系统中，轴承的工作游隙或预紧取决于：

• 安装前轴承的初始游隙

• 实际公差配合

• 形状误差的影响

• 安装后加到轴承上的内部游隙或预紧

• 由于工作温度而产生的尺寸变化

轴承的工作游隙或预紧会影响摩擦、载荷区的大小和疲劳寿命，图3显示了游隙和预紧及主要参数之间的关系。

图3 轴承游隙和预紧与主要参数性能

未安装轴承所需的初始游隙可用以下公式估算：

式中：

rop：轴承的工作游隙

Δrfit：由配合引起的游隙减量，考虑轴承内外圈配合导致轴承变形，进而影响轴承游隙。

Δrtemp：温差产生的游隙减量，受热膨胀系数、轴承尺寸、轴与轴承座之间温差影响。

轴承的预紧可以根据以往项目经验对新设计开发项目中轴承的预紧进行校核，如下表5是举例了几种觉见轴承预紧：

表5 轴承预紧推荐（参考）

3.4 轴承润滑

在电机和减速器中，为了确保滚动轴承能有效并可靠地运行，必须保证有充分的润滑，以防止滚动体、滚道、保持架和其它部件之间发生直接的金属与金属接触。润滑剂同时能防止核损、保护轴承的表面免受腐蚀、冷却轴承。当前轴承的润滑主要分为油润滑（主要指齿轮油）和脂润滑（主要应用于水冷电机）

在电驱动中系统中，轴承的油润滑主要介质为齿轮油，对油品的要求主要体现在：绝缘性能、电气性能、安全性能、高温性能、高速性能、腐蚀性能、环保性能等。为了保证充分的轴承润滑，一般在轴承座上设计有导油槽、轴上设计有导油孔。

轴承的润滑脂填充的量根据速度范围来进行，一般低速（ndm<100000），填充100%，中高速（ndm >300000）填充30%到50%。

四、电驱动减（变）速箱轴承应用浅析

在新能源电驱动减（变）速箱中，对轴承的主要要求：高转速、低摩擦、低噪音，根据表1列出的不同类型轴承的优缺点，在整体空间允许、轴承寿命的情况下，尽量使用深沟球轴承与圆柱滚子轴承，尤其是输入轴与中间轴，这样可以更好地满足性能要求。

图4与表6是某新能源减速器四种不同轴承布置方案，这几种不同布置方案的校核结果见表7.

图4 四种不同轴承布置方案

表6 四种不同轴承布置方案描述

表7 四种方案的轴承校核结果

从以上分析结果可以看出：

• 方案四的轴承方案效率最高 ，99.22%，中间轴使用深沟球轴承+圆柱滚子轴承方案较佳；

• 不同方案引起的齿轮组错位量不同，中间轴采用深沟球轴承与圆锥滚子轴承会产生相反的错位量，因此，不同轴承方案，齿轮的修形方案必然会不一样。

另外新能源电驱动减速器常用的轴承型号有：

1. 输入轴：主要考虑极限转速与润滑设计，两个轴承相对齿轮尽量对称布置，常用的有：深沟球轴承6206、6306、6207、6307、6208、6308等；

2. 中间轴：中间轴上两个齿轮的轴向力会抵消很大一部分，因此其总轴向力较小，可选用的轴承也会较多，常用的有：深沟球轴承6307、6308、6209、6309等，圆柱滚子轴承307系列、208系列、308系列等，四点接触球轴承QJ307、QJ308 、QJ309系列等，圆锥滚子轴承32207、33207、30307、32307等；

3. 差速轴：主要考虑轴向力与布置空间，使用较大外径的深沟球轴承可承载较大的轴向力，常用的有：深沟球轴承6308、6309等，圆锥滚子轴承32307、32208、33208、30308、32308等。

五、电机高速轴承带来的挑战

由于新能源汽车对电机转速要求越来越高，由12000rpm逐步提高至15000rpm、18000rpm、20000rpm，电机转速提高后，电机成本进一步降低、整车调速范围加大。同时，这对电机轴承的应用也带来了新的挑战，主要体现在：

1)   高转速：当驱动电机转速高达20000 r/min，轴承dmn值达到80万以上，比电机速度高很多，轴承的选型范围进一步缩小。

2)   温度：-40～150 ℃轴承稳定运转，无啸叫；长期工作温度110～120 ℃；寒冷地区启动温度-30～20℃，启动力矩小，噪声低。

3)   润滑：要求润滑脂低温性能优异、耐高温、抗振动、节能高效、长寿命。

4)   振动与噪声：为保证乘车的舒适性，电机的振动与噪声水平要低，保证车内的安静。

5)   电蚀：由于绕组的不平衡，造成转子间存在电位差，形成电流，逆变器高频电压造成的电流泄露都可能导致轴承产生电蚀，导致轴承的失效。

当前部分电机轴承企业的应对策略：

a)   通过优化设计滚道，同时采用耐热性优良的树脂材料，通过保持架强度解析对形状进行最优化设计，从而降低离心力，减少保持架与钢球之间的摩擦，降低发热量；

b)   采用高速润滑脂，选用最合适增稠剂，可在较广的温度范围内降低发热量；

c)   采用特殊处理，在钢球表面析出高硬度氮化物，提高耐烧结性能，从而提高高速运转性能；

d)   采用非接触式橡胶密封圈，抑制工作中润滑脂的泄露，保证轴承持续运转的可靠性，提高耐蠕变性。

e)   设计混合陶瓷轴承，能够适应电机轴承的高速性能，有助于延长传动系统的使用寿命。