驅(qū)動電動機用密封深溝球軸承設(shè)計分析

趙圣卿，郭向東蘇柏萬

1.洛陽軸研科技股份有限公司 河南洛陽 471039

2.“高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用”國家地方聯(lián)合工程實驗室 河南洛陽 471003

3.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室 河南洛陽 471039

4.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟 河南洛陽 471039

近年來，新能源汽車作為節(jié)能環(huán)保的新產(chǎn)品，成為汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向。新能源汽車的快速發(fā)展為驅(qū)動電動機行業(yè)的發(fā)展提供了很好機遇，驅(qū)動電動機軸承作為其核心部件之一，發(fā)展前景廣闊[1]。隨著新能源汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，對驅(qū)動電動機配套軸承的需求和消耗也將大增。

為支撐國內(nèi)蓬勃發(fā)展的新能源汽車產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)驅(qū)動電動機軸承的國產(chǎn)化配套，開展驅(qū)動電動機軸承的設(shè)計開發(fā)及相關(guān)技術(shù)研究十分必要。本文針對某驅(qū)動電動機用密封深溝球軸承的工況條件和使用要求，對其設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行系統(tǒng)化地分析。

工況條件

新能源汽車驅(qū)動電動機（水冷）一般采用雙面密封深溝球軸承來支承電動機轉(zhuǎn)子軸（見圖1）。該軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示，由內(nèi)圈、外圈、密封圈、保持架和鋼球構(gòu)成。電動機工作過程中，軸承主要承受轉(zhuǎn)子自重、彈簧預(yù)緊載荷、磁拉力和隨機沖擊振動載荷，正常工作載荷約占軸承額定動載荷的3%～6%。

圖1 新能源驅(qū)動電動機結(jié)構(gòu)

圖2 密封深溝球軸承結(jié)構(gòu)

為滿足汽車頻繁起停、過載（速）能力強、高可靠性、長壽命以及環(huán)境適應(yīng)性等復(fù)雜工況及特性，要求驅(qū)動電動機軸承應(yīng)具有低溫（-40℃）、低扭矩、無異響、耐高溫（+150℃）、高速（密封、脂潤滑條件下dmn值達(dá)60萬mm·r/min以上）、長壽命（NEDC——新能源汽車歐洲新能源汽車?yán)m(xù)航測試工況下不小于3000h，見圖3）、免維護、低噪聲（Z3組）以及優(yōu)越的急變速性能等特點。

圖3 NEDC工況速度譜

為考核驗證軸承在高速、高溫（NEDC高速段）工況下的運轉(zhuǎn)性能及可靠性，還需要通過不少于1000h的極限耐久（高溫、高速）試驗以及1.2倍最高轉(zhuǎn)速超速試驗。

顯然，驅(qū)動電動機軸承對承載能力要求不高，但受密封類型以及保持架材料結(jié)構(gòu)限制，標(biāo)準(zhǔn)的雙面密封深溝球軸承dmn值一般在50mm·r/min以下，而驅(qū)動電動機軸承dmn值最高達(dá)90萬mm·r/min以上。并且伴隨較高的環(huán)境溫度，試驗考核周期長，常規(guī)脂潤滑球軸承難以滿足使用要求。這樣一來就對普通軸承鋼制造的套圈和鋼球的抗高溫回火的能力、保持架的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、潤滑脂的高溫性能、密封的可靠性等提出了更高的要求。

在滿足高溫使用要求的同時，在-40℃的低溫下不能出現(xiàn)低溫異響，對保持架的設(shè)計及潤滑脂的低溫性能帶來挑戰(zhàn)。此外，汽車行業(yè)尤其注重成本控制，勢必增加了軸承設(shè)計難度。

因此，軸承設(shè)計時應(yīng)圍繞軸承的高溫、高速性能，寬溫域長壽命潤滑（密封），經(jīng)濟性等方面采取針對性的措施。

軸承設(shè)計

1.材料

（1）套圈及鋼球材料 軸承零件材料選擇時，應(yīng)在滿足工況的前提下，兼顧經(jīng)濟性。套圈及鋼球材料通常采用GCr15或GCr15SiMo鋼，為進一步提高軸承工作時的抗高溫回火能力，即避免高溫回火后，軸承硬度下降，耐磨性及尺寸精度和配合間隙變差，甚至發(fā)生軸承卡死，套圈、鋼球可采用表面化學(xué)熱處理的方式，淬火、高溫回火后，表面硬度仍能保證在60HRC以上，耐磨性提高明顯。同時可改善表面應(yīng)力分布狀態(tài)，使表層形成表面壓應(yīng)力，提高接觸疲勞強度。此外，表層一定量穩(wěn)定的殘余奧氏體，利用其易變形特點，降低壓痕的邊緣效應(yīng)，使起源于壓痕邊沿的表面疲勞源不易形成和擴展，從而提高軸承的接觸疲勞壽命[2]。

（2）保持架材料 通常深溝球保持架可選結(jié)構(gòu)有沖壓浪型保持架（鋼保）、冠型保持架（注塑、實體），實體鉚接保持架（機加、注塑）。保持架選材從經(jīng)濟性及高速性能角度考慮，優(yōu)選工程塑料冠型保持架。為滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，保持架可選用玻纖增強PA46，其溫度適用范圍為-40～160℃。

（3）密封圈材料 密封圈常用材料為：膠料為NBR、ACM、HNBR、FPM，骨架材料為SPCC（DC01）低碳鋼板。NBR使用溫度范圍：-40～120℃，ACM使用溫度范圍：-30～180℃，HNBR使用溫度范圍：-50～160℃，F(xiàn)PM使用溫度范圍：-30～250℃。其中ACM性價比較高，且該材料在汽車發(fā)電機軸承中應(yīng)用成熟，ACM能長期在160℃下穩(wěn)定使用，通過調(diào)整膠料配方，可保證密封圈溫度使用范圍滿足使用要求。因此，驅(qū)動電動機軸承密封圈材料可選用ACM+SPCC（DC01）。

2.精度

對于性能要求不高的普通電動機軸承而言，軸承的精度一般控制在P6～P5級即可滿足使用要求。由于驅(qū)動電動機軸承面臨的工況條件更為苛刻，尤其高溫、高速工況，對軸承的動態(tài)性能、潤滑油的成膜能力及壽命可靠性等性能指標(biāo)提出了更高的要求，為滿足軸承長壽命及高可靠性的要求，驅(qū)動電動機軸承旋轉(zhuǎn)精度至少要達(dá)到P4級，鋼球精度為G10級，振動等級Z3組。

3.主參數(shù)優(yōu)化

為應(yīng)對驅(qū)動電動機軸承高速工況要求，主參數(shù)優(yōu)化時，應(yīng)盡量降低軸承摩擦力矩（功耗）M及預(yù)緊狀態(tài)下的旋滾比ωs/ωr，達(dá)到減少軸承發(fā)熱的目的，同時應(yīng)兼顧軸承的承載能力（Cr），滿足疲勞壽命要求，因此，可確定多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)f為：

式中，λl、λ2、λ3為加權(quán)因子，考慮軸承低摩擦功耗為主要優(yōu)化目標(biāo)，取λ1=0.5，λ2=0.3，λ3=0.2。

在確定目標(biāo)函數(shù)后，根據(jù)深溝球軸承的結(jié)構(gòu)特點以及軸承的使用工況，給定球徑、球數(shù)、中心圓直徑、溝曲率等深溝球軸承主參數(shù)的因素水平，采用正交優(yōu)化的方式對軸承主參數(shù)進行優(yōu)化，以使目標(biāo)函數(shù)值最大化，即獲得最小的摩擦力矩與旋滾比、額定載荷最大。

以某型號驅(qū)動電動機配套軸承6209為例，采用該目標(biāo)函數(shù)及優(yōu)化方式可得軸承的摩擦力矩、旋滾比及額定動載荷（無量綱化）與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計同型號軸承的對比情況如圖4所示。顯然，經(jīng)優(yōu)化后的軸承摩擦力矩及預(yù)載條件下的旋滾比降低明顯，說明優(yōu)化設(shè)計獲得的參數(shù)達(dá)到了高速減摩、降熱的目的。額定動載荷亦降低明顯，但該軸承受載較輕，經(jīng)校核能夠滿足疲勞壽命要求。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計主要性能對比

4.游隙

游隙是軸承的一個重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響到軸承的載荷分布、振動、噪聲、摩擦、溫升、使用壽命和機械的運轉(zhuǎn)精度等技術(shù)性能。游隙過大，會引起軸承內(nèi)部承載區(qū)域減小，接觸面應(yīng)力增大，從而使用壽命縮短。過大的游隙還會使軸承運轉(zhuǎn)精度下降，振動和噪聲增大。游隙過小，可能會在實際運行中出現(xiàn)負(fù)游隙（過盈），引起摩擦發(fā)熱增大，溫升提高，進而使有效游隙更小或過盈更大，如此惡性循環(huán)將導(dǎo)致軸承抱死。

驅(qū)動電動機軸承游隙通常選用C3組游隙，但設(shè)計時應(yīng)考慮座材料為鋼制或鋁合金不同材質(zhì)、溫升、配合等因素對游隙的影響，對制造游隙進行校驗，保證工作游隙處于最佳狀態(tài)。

5.保持架

針對一般工況條件，注塑冠形保持架的設(shè)計及應(yīng)用已相當(dāng)成熟。但高溫、高速工況下如何設(shè)計，行業(yè)內(nèi)仍處于探索、試驗階段，與國外差距較大。圖5所示為常規(guī)冠型保持架結(jié)構(gòu)示意，由于該結(jié)構(gòu)保持架為非對稱結(jié)構(gòu)，在高溫高速下受溫度及離心力的影響勢必發(fā)生變形。圖6所示為有限元獲得的某型號驅(qū)動電動機軸承保持架高溫高速變形示意。顯然，在離心力、高溫的作用下，保持架鎖爪端出現(xiàn)外翻現(xiàn)象，存在與套圈或密封圈干涉的風(fēng)險。

圖5 冠型保持架結(jié)構(gòu)

圖6 保持架高溫高速變形

從國外某公司采用常規(guī)保持架在高溫高速試驗后的表面接觸形貌可以看出，高速下爪的外翻導(dǎo)致兜孔內(nèi)沿與球接觸痕跡明顯，增加發(fā)熱源。此外，從潤滑脂老化位置可以看出，球兜孔與保持架的正常作用位置，出現(xiàn)了潤滑脂聚集的情況，過量的潤滑脂在球高速剪切作用下，老化速度加快。

因此，在保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為應(yīng)對高溫、高速對保持架的負(fù)面影響，應(yīng)確定合適的保持架兜孔尺寸，同時注意兜孔與鋼球接觸處的型面設(shè)計，避免因潤滑脂在兜孔中堆積導(dǎo)致摩擦阻力增大，潤滑脂早期老化。

6.密封

根據(jù)驅(qū)動電動機軸承工況特點，在高速高溫運轉(zhuǎn)時，隨著溫度的升高，潤滑脂基礎(chǔ)油黏度降低，增加漏脂風(fēng)險，必須設(shè)置可靠的密封結(jié)構(gòu)。深溝球軸承密封結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多變：由單唇到多唇，由非接觸到接觸，接觸力有輕有重等。唇少、非接觸或接觸力輕，接觸摩擦力小，易實現(xiàn)軸承的高速、低摩擦運轉(zhuǎn)，但潤滑脂的流失風(fēng)險較大；反之，漏脂率得到控制，但接觸摩擦力較大，唇口溫升相對較高，存在加速唇口老化、磨損的風(fēng)險。

由于驅(qū)動電動機軸承的高dmn值決定了密封圈唇口接觸線速度高達(dá)30m/s以上，常規(guī)密封圈材料，一般壓縮量在0.1～0.2mm情況下，極限線速度保守控制在15～20m/s以下，所以如果采用性能更加優(yōu)良的材料如HNBR、FPM等，唇口潤滑良好，接觸線速度可達(dá)25～30m/s。

在密封圈唇口結(jié)構(gòu)設(shè)計時，尤其要注意接觸線速度的影響，避免出現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)情況下，密封接觸唇口出現(xiàn)過熱膠粘，導(dǎo)致軸承早期失效。因此，在設(shè)計驅(qū)動電動機軸承密封圈時，可采用迷宮式非接觸密封與輕接觸式密封相結(jié)合的設(shè)計型式來保證密封可靠性，與密封圈配裝的密封槽尺寸公差、槽口表面粗糙度也應(yīng)嚴(yán)格控制。

7.潤滑

潤滑是軸承可靠運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，甚至是決定性因素，尤其是高、低溫寬溫域、高速運轉(zhuǎn)，對潤滑的要求更高。而脂潤滑的潤滑方式，對驅(qū)動電動機軸承的可靠運轉(zhuǎn)挑戰(zhàn)更大。SKF給出的潤滑脂壽命與深溝球軸承轉(zhuǎn)速、溫度的關(guān)系，當(dāng)A=dmn大于65萬mm·r/min，在高溫（100℃）以上工況下運轉(zhuǎn)，采用一般潤滑脂，潤滑脂壽命低于1000h，難以滿足使用要求。

SKF-E2潤滑脂以及kluber-BEP潤滑脂是兩種典型的電動機軸承潤滑脂，兩者的運動黏度隨溫度的變化呈對數(shù)曲線式變化（見圖7），黏度隨溫度的升高而急速降低。SKF-E2脂低溫黏度遠(yuǎn)小于kluber-BEP潤滑脂，其低溫扭矩性能要更加優(yōu)異。kluber-BEP潤滑脂高溫黏度要略高于E2脂。

圖7 SKF/Kluber潤滑脂粘溫曲線

為驗證兩種潤滑脂的高溫潤滑性能，運用哈姆洛克-道森的潤滑理論[5]對某型驅(qū)動電機軸承在NEDC工況下的膜厚及膜厚參數(shù)進行計算分析，結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖9可知，兩種潤滑脂膜厚隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，降低而減小，最小膜厚大于0.05μm，這就要求溝道表面粗糙度Ra要小于0.05μm，才足以避免出現(xiàn)邊界潤滑狀態(tài)。膜厚隨黏度的增加而增加，無論低速還是高速工況kluber-BEP潤滑脂膜厚均大于SKF-E2脂。

圖8 NEDC工況下軸承最小膜厚

圖9 NEDC工況下軸承膜厚參數(shù)

通常運用潤滑油膜厚度與表面粗糙度之比Λ（膜厚參數(shù)）來表征滾動接觸面潤滑狀態(tài)的優(yōu)劣。

研究表明，Λ值在3～4附近時，壽命變化??；當(dāng)Λ值趨近于1或小于1時，壽命急劇縮短，會發(fā)生嚴(yán)重的表面起源剝落或磨損失效。兩種潤滑脂在低速工況下的膜厚參數(shù)較低，但是均大于1，滿足潤滑基本要求。Kluber-BEP脂除低速工況外，其余工況下的的膜厚參數(shù)在4～6附近，要優(yōu)于E2脂。

需要注意的是，以上分析是在高溫狀態(tài)下進行的，未考慮低溫工況，在選脂時，應(yīng)綜合兼顧高低溫潤滑特性。Kluber脂雖然高溫狀態(tài)下的潤滑效果優(yōu)異，其低溫黏度比E2脂高近30倍，其低溫扭矩性能顯然不如E2，通過低溫性能試驗亦驗證了這一點，因此，所選潤滑脂粘溫曲線最好介于兩者之間。

選脂時，除考慮基礎(chǔ)油黏度指標(biāo)外，應(yīng)要求潤滑脂稠化劑組織結(jié)構(gòu)應(yīng)平滑，纖維細(xì)膩，具有較高的清潔度（低振動），抑制軸承在高、低溫（-40℃）運轉(zhuǎn)過程中的異響。并且要具有良好的高速抗剪切能力，抗高溫氧化性能優(yōu)異，抗磨損性能好。此外，與漏脂率密切相關(guān)的高溫分油率、稠度等指標(biāo)也不容忽視。

對于脂潤滑球軸承，確定合適的填脂量也至關(guān)重要。填脂量過多，增加軸承內(nèi)部的攪拌阻力，發(fā)熱嚴(yán)重；填脂量過少，隨著潤滑脂的流失或高溫、高速的劣化作用，難以實現(xiàn)長效潤滑。針對高溫高速工況，驅(qū)動電動機軸承潤滑脂裝填量宜控制在內(nèi)部靜止空間體積的80%～90%，根據(jù)潤滑脂的黏度大小，可再做適當(dāng)調(diào)整。

性能分析

1.承載能力

根據(jù)上述分析所設(shè)計的某型驅(qū)動電動機配套軸承6209，其徑向、軸向承載能力等性能分析如下：

（1）徑向承載能力 根據(jù)文獻(xiàn)3、4及5，對軸承的基本額定動載荷Cr、基本額定靜載荷Cor、靜載安全系數(shù)、接觸應(yīng)力等承載能力參數(shù)進行了校核，結(jié)果見表1。計算時，取軸承實際工況下的當(dāng)量載荷Pr（Por）=1kN。

表1 承載能力計算結(jié)果

由表1可知，在軸承工作載荷作用下的，軸承最大接觸應(yīng)力約為1900MPa，靜載安全系數(shù)10.1遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)6中的推薦值So=2，安全裕度大，承載能力滿足使用要求。

（2）軸向承載能力 為應(yīng)對驅(qū)動電動機的隨機振動工況，確保在軸向沖擊負(fù)荷的作用下軸承不能出現(xiàn)鋼球與滾道間的接觸橢圓截斷的現(xiàn)象，需要驗算軸承的軸向承載能力。對于乘用車驅(qū)動電動機，其轉(zhuǎn)子重量約為20～50kg，沖擊加速度10g，則軸承承受的最大軸向沖擊載荷約為5000N。經(jīng)驗算上述軸承的軸向承載能力為10 200N，遠(yuǎn)大于軸向沖擊載荷，可有效避免出現(xiàn)接觸橢圓被截斷的現(xiàn)象，軸向承載能力滿足設(shè)計要求。

2.疲勞壽命

根據(jù)文獻(xiàn)[6]對上述某型驅(qū)動電動機配套軸承6209在極限耐久試驗工況、NEDC工況下的基本、修正額定疲勞壽命進行了計算，結(jié)果見表2。計算修正額定壽命時，取SKF-E2、Kluber-BEP兩種潤滑脂參數(shù)。

表2 疲勞壽命計算結(jié)果

由表2可知，極限耐久試驗工況及NEDC工況下的L10、L0.1m分別大于1000h、3000h，滿足驅(qū)動電動機軸承壽命考核要求。此外，采用SKF-E2脂參數(shù)計算的壽命值明顯小于Kluber-BEP脂，說明潤滑脂對軸承的壽命影響也非常顯著，如不考慮潤滑脂低溫性能，Kluber-BEP脂對于延長軸承使用壽命更加有利。

結(jié)語

本文根據(jù)新能源汽車驅(qū)動電動機軸承的工況條件和要求，對軸承材料、結(jié)構(gòu)、密封、潤滑等方面的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)開展了系統(tǒng)地研究分析，針對性地闡述了相關(guān)技術(shù)瓶頸問題的解決方案，并以某型驅(qū)動電動機配套軸承為設(shè)計示例，進行了承載能力、壽命等性能分析，驗證了軸承主要設(shè)計參數(shù)選取的合理性，為新能源汽車驅(qū)動電動機軸承的系列化開發(fā)提供參考依據(jù)。