當前，全球溫室效應日趨嚴重。減少CO2排放量是應對溫室效應的有效且必須要的措施。對于汽車行業，減排成為迫切需要解決的難題與考驗。電動汽車（EV）與混合電動汽車（HEV）無疑是最有效的方案。作為車輛重要部件之一的軸承，更是電動汽車行業競爭的核心。本文介紹鐵姆肯與舍弗勒公司在電動汽車（EV）用軸承研發方面的新進展。

1、引言

電動汽車（EV）的出現是汽車工業的一次大變革，順應了人類實現“減少排放、保護環境”的迫切要求。然而，目前的現狀是，由于種種限制，電動汽車并未像傳統汽車那樣在全世界得到普及。為了進一步降低CO2排放，達到理想的環保目標，還要攻克相關的技術難題，特別是作為關鍵部件之一的軸承，進一步發展電動汽車行業。這也是國內外各大軸承公司不斷研發新產品、新技術的原因和動力。鐵姆肯與舍弗勒兩大軸承公司在EV用軸承產品研發方面，取得了重大進展，推出了較為全面的軸承產品與技術。

2、EV用軸承技術新進展

2.1、新產品

由于集成架構不同，電動機驅動車輛行駛的完全混合動力系統中，可能會在動力總成中安裝更多軸承。對于純電動汽車（EV），電動機是唯一的車輛驅動源。與傳統的動力總成相比，EV動力總成中軸承的數量可能會減少。典型的動力總成架構在電動機和變速箱之間使用大約八個軸承。車輛中的車輪軸承數量保持不變。

早期的混合動力變速箱通常是圍繞現有的生產軸承設計的，以更快地將EV動力總成解決方案推向市場。但是，就車輛功率和整體效率而言，這種設計無法提供長期的最佳解決方案。鐵姆肯公司提供高功率、高燃油效率的軸承解決方案，可實現更緊湊的動力總成設計，從而減輕車輛總體重量，降低軸承工作溫度并提高動力總成效率。此外，這些軸承解決方案還通過消除軸承中的間隙，防止從驅動到再生過程中遇到的滑行運動來防止齒隙運動，從而降低NVH。相對應的滿足電動汽車應用要求的新型潤滑劑配方也會在市場上出現，包括潤滑劑特性，例如泡沫控制、低導電率、銅腐蝕和熱穩定性。

軸承是電動汽車發展壯大的關鍵。當然，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。舍弗勒的創新產品，例如高速電機軸承和超低摩擦軸承，可以幫助解決這些問題。當今的ICE（內燃機）車輛利用多達11個檔位來最大化動力組效率。在發展純電動汽車初期，由于電動汽車比ICE效率更高，在短期內一兩個檔位就足夠了。隨著齒輪數量的減少，對軸承的需求也隨之減少。舍弗勒將資源集中在提供電動汽車解決方案上，例如完整的電動車軸、P2模塊、執行器和完全專用的混合動力變速箱產品。市場對這些產品有強烈的需求。

配備無刷eMotor和IGBT型電力電子設備的軸承面臨特殊的挑戰。當電流通過eMotor的旋轉軸流到機架時，電流以高頻率波動。這可能引起放電加工，進而導致軸承過早失效。舍弗勒正在開發一種分流軸承。該軸承通過次級導體繞過該電流，從而消除了放電加工。此外，舍弗勒還在開發可降低這些放電功率的新型潤滑劑。舍弗勒還與這些潤滑劑的制造商合作，進一步優化系統的耐用性。

圖1舍弗勒電動汽車軸承

舍弗勒軸承在高速運行時不會產生很大的噪音（見圖1和2）。EV電動機以高達20000rpm的速度旋轉時，不再以ICE來掩蓋背景NVH。為了解決潛在的問題，舍弗勒開發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用先進涂層/材料）。

圖2舍弗勒電動汽車用滾子軸承

2.2、先進涂層/材料

新的驅動方式與粘度大大降低的新油/脂配方相結合，要求使用更先進的表面技術、涂層和材料。從長遠來看，要想在大多數電動汽車中實現終身潤滑，只能通過使用更先進的材料和涂層來實現。

關于涂層，當前汽車應用中，通常不在軸承上應用表面涂層。只有少數軸承制造商會使用表面涂層來提高性能（例如疲勞壽命、電阻）。從長遠來看，這不適用于大批量生產，尤其是在EV生產量增加的情況下。通常都是以分批方式進行軸承涂層。如果通過連續工藝施加涂層，則可以降低成本，使軸承產品更具吸引力。

隨著eMachines的高速和高負荷運行，軸承會在殼體內輕微移動（也稱為軸承蠕變）。這會對軸承或者殼體本身造成損壞。為此，舍弗勒開發了一種特殊的涂層，防止軸承在軸承箱內部發生蠕變。還需要注意的是，高速eMachine軸承中可能發生放電加工。在這方面，除了將電流路徑從滾動元件滾道移開的并聯軸承設計外，舍弗勒還開發了一種專用涂層，可防止整個軸承放電。該涂層已在電動火車軸承上使用多年，可用于軸承的內圈、外圈或滾動體本身。此外，電動汽車用軸承本身必須更加安靜地運行，這可以通過特殊的軸承涂層來實現。舍弗勒多年來一直在涂層技術上進行大量研究，確?？梢越鉀Q上述問題。

2.3、潤滑技術

無論使用哪種類型的車輛驅動器，汽車工業都在朝著輕質油的方向尋求整體效率的提高。這些輕質油必須在一定范圍的應用條件下為軸承提供足夠的潤滑，以達到軸承性能的期望值（例如疲勞壽命）并幫助在傳動系統（例如齒輪箱）中散熱。與常規車輛相比，電動汽車的潤滑可能會面臨不同的挑戰，這取決于其與電動機和周圍部件的相互作用（例如，潤滑油/脂對電動機和變速箱的冷卻）。

在美國，電動汽車根據具有ICE的同類汽車改進的功能和性能屬性在市場上銷售。這些高性能電動汽車中，使用直接噴霧對eMachine進行冷卻，該過程的徑流可用于冷卻并潤滑隨之而來的軸承。

圖3舍弗勒eAxles

圖4舍弗勒集成混合模塊P2

在歐洲和亞洲，減少CO2排放量的需求成為電動汽車發展背后的驅動力。降低CO2排放量最簡單的方法之一就是減少車輛的重量。eAxles和P2模塊離合器等產品可以將軸承周圍潤滑和散熱的效果最優化（見圖3和4），這些設計都需要對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系統的全方位服務供應商方面處于獨特的位置。這使其可以查看整體的熱傳遞和潤滑情況，因此舍弗勒不僅可以優化軸承，還可以優化整個模塊。其中，車橋包含大減速比的高速電機，這對軸承設計提出挑戰。由于這些電動機轉速超過20000rpm，因此需要堅固的軸承。必須考慮的另一個因素是，需要在這些高速工況下控制油的充氣。整個系統必須經過精心設計，以確保飛濺的潤滑油不會在高速狀態下引起過度充氣。

由于電動汽車使用許多由銅制成的零件，而腐蝕性潤滑劑會溶解銅，并將其沉積在需要電絕緣的區域上。由于某些現有的動力總成潤滑劑對銅具有腐蝕性，因此需要重新配制。所以，潤滑劑制造商面臨的最大挑戰就是確保電動汽車潤滑劑不會腐蝕銅組件。

目前，電動汽車變速箱中使用的潤滑脂數量有限。密封球軸承中通常會使用潤滑脂，這種密封球軸承已用于某些EV變速箱或電動機中。在高速和高溫應用中使用密封解決方案的軸承的耐久性能面臨挑戰。因為潤滑脂無法在車輛的整個使用壽命中正常運行到底；所以，在這些條件下軸承的工作壽命有限。鐵姆肯公司利用機床行業的經驗來確定是否適合將潤滑脂密封軸承解決方案用于這類惡劣的應用場合。

根據客戶的偏好，在使用水套（與飛濺潤滑脂相對）的eAxle應用中，油脂填充軸承通常更適合eMotor軸承。舍弗勒與合作伙伴合作，開發了適用于這些高速電機軸承的特殊潤滑脂。

2.4、疲勞壽命

在選擇和分析電動汽車的軸承解決方案時，鐵姆肯公司利用其在多個行業的廣泛應用知識，無論是高速機床主軸還是旋翼飛機變速箱應用，均可提供滿足客戶對電動汽車應用要求的軸承解決方案。EV變速箱應用的工作條件和環境與傳統的車軸有很大不同，并且在此過程中面臨許多新的軸承和潤滑技術挑戰，軸承的疲勞性能會受到更惡劣的熱環境以及重量更輕的潤滑劑的影響。OEM必須努力驗證電動汽車系統解決方案并平衡其所有“電子要求”。

隨著車輛設計越來越復雜，包括軸承在內的零件運行工況也越來越復雜。當使用“自動出租車”式運輸工具（例如舍弗勒最近推出的“移動”概念車）時，車輛的工作周期大大增加。這意味著軸承、齒輪和潤滑系統也必須更堅固、更可靠。舍弗勒建立基于云的狀態監控，確保車輛始終在路上而不是在維修車間內。

2.5、變速箱和油液

目前，用于混合動力車輛的動力分配變速器具有增強的扭矩傳遞能力，它比常規的有級變速器（6速/8速/10速）簡單。在這種變速箱中，發動機提供的動力通過一組行星齒輪由最終驅動齒輪傳遞到齒圈。環形齒輪通過變速器輸出軸為車輪提供動力。變速箱內有兩個電動機：一體式電動發電機和牽引電動機。發動機不運轉時，牽引電機可以直接為車輪供電。電機發熱時，通過滴在其上的變速箱油冷卻。

如果電機可以保持涼爽，那么效率會更高。這就需要開發一種熱傳遞能力得到提高的傳動液，以更快地帶走熱量，防止電動機發熱。這樣能使更多的電流流過電動機，從而為客戶提供所需的更大扭矩。

由于傳動液與電機中的銅繞組、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定性。在全混合動力汽車的集成動力總成系統中，除了電動機外，仍要依靠ICE和變速箱。當前，在輕型車輛市場中，電動汽車通常采用具有單速變速箱的結構。兩速變速箱設計對商用車市場更具吸引力，因為這種設計適用于城市和高速公路的駕駛條件。

如果這類車輛采用EV動力總成，那么兩速設計可能為輕型車輛市場中的大型車輛（例如輕型卡車和大型SUV市場）提供解決方案。與傳統軸中心應用中使用的傳統潤滑劑相比，在EV齒輪箱中有使用ATF作為齒輪箱潤滑劑的趨勢。使用這種潤滑劑的一個驅動因素是，EV變速箱通常使用斜齒輪而不是準雙曲面小齒輪和環形齒輪，后者的滑動性能明顯更高。

對于純電動汽車，一速或二速變速箱可能在不久的將來就足夠了?；旌蟿恿?電動汽車要么使用專用的混合動力變速器，要么使用P2系統。P2系統是指在ICE和變速箱之間放置一個eMachine，充分利用OEM現有的行星式自動投資的系統。在任何情況下，減少附加損失對于擴大EV行駛里程至關重要，因此必須使用低粘度油，例如自動變速箱油。

（1）專門針對電動汽車的特殊駕駛要求，開發新的超低粘度潤滑油和潤滑脂；

（2）開發與這些低粘度潤滑劑完全相容的潤滑性涂層和/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滑條件下，使用低粘度潤滑劑可以延長使用壽命。

雖然運行條件越來越惡劣，但是將這些新型潤滑劑與材料相結合，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滑油的研發也非常重要。

3、小結

以鐵姆肯和舍弗勒為代表的國外軸承大公司在EV軸承產品與技術的研發方面取得了全面而重要的進展，也指出了下一步的研究課題與方向。他們還將與OEM、零部件供應商、石油公司和添加劑制造商共同開發系統解決方案。對于所有利益相關者而言，這種協作無疑是最省時、回報最大的方案。