驅動電動機用密封深溝球軸承設計分析

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.“高端軸承摩擦學技術與應用”國家地方聯合工程實驗室 河南洛陽 471003

3.河南省高性能軸承技術重點實驗室 河南洛陽 471039

4.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟 河南洛陽 471039

近年來，新能源汽車作為節能環保的新產品，成為汽車產業未來發展的方向。新能源汽車的快速發展為驅動電動機行業的發展提供了很好機遇，驅動電動機軸承作為其核心部件之一，發展前景廣闊[1]。隨著新能源汽車行業的迅猛發展，對驅動電動機配套軸承的需求和消耗也將大增。

為支撐國內蓬勃發展的新能源汽車產業，實現驅動電動機軸承的國產化配套，開展驅動電動機軸承的設計開發及相關技術研究十分必要。本文針對某驅動電動機用密封深溝球軸承的工況條件和使用要求，對其設計關鍵技術進行系統化地分析。

工況條件

新能源汽車驅動電動機（水冷）一般采用雙面密封深溝球軸承來支承電動機轉子軸（見圖1）。該軸承結構如圖2所示，由內圈、外圈、密封圈、保持架和鋼球構成。電動機工作過程中，軸承主要承受轉子自重、彈簧預緊載荷、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 新能源驅動電動機結構

圖2 密封深溝球軸承結構

為滿足汽車頻繁起停、過載（速）能力強、高可靠性、長壽命以及環境適應性等復雜工況及特性，要求驅動電動機軸承應具有低溫（-40℃）、低扭矩、無異響、耐高溫（+150℃）、高速（密封、脂潤滑條件下dmn值達60萬mm·r/min以上）、長壽命（NEDC——新能源汽車歐洲新能源汽車續航測試工況下不小于3000h，見圖3）、免維護、低噪聲（Z3組）以及優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倍最高轉速超速試驗。

顯然，驅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構限制，標準的雙面密封深溝球軸承dmn值一般在50mm·r/min以下，而驅動電動機軸承dmn值最高達90萬mm·r/min以上。并且伴隨較高的環境溫度，試驗考核周期長，常規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、保持架的運轉穩定性、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℃的低溫下不能出現低溫異響，對保持架的設計及潤滑脂的低溫性能帶來挑戰。此外，汽車行業尤其注重成本控制，勢必增加了軸承設計難度。

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

軸承設計

1.材料

（1）套圈及鋼球材料 軸承零件材料選擇時，應在滿足工況的前提下，兼顧經濟性。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，甚至發生軸承卡死，套圈、鋼球可采用表面化學熱處理的方式，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。同時可改善表面應力分布狀態，使表層形成表面壓應力，提高接觸疲勞強度。此外，表層一定量穩定的殘余奧氏體，利用其易變形特點，降低壓痕的邊緣效應，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構有沖壓浪型保持架（鋼保）、冠型保持架（注塑、實體），實體鉚接保持架（機加、注塑）。保持架選材從經濟性及高速性能角度考慮，優選工程塑料冠型保持架。為滿足環境適應性要求，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℃，FPM使用溫度范圍：-30～250℃。其中ACM性價比較高，且該材料在汽車發電機軸承中應用成熟，ACM能長期在160℃下穩定使用，通過調整膠料配方，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，對軸承的動態性能、潤滑油的成膜能力及壽命可靠性等性能指標提出了更高的要求，為滿足軸承長壽命及高可靠性的要求，驅動電動機軸承旋轉精度至少要達到P4級，鋼球精度為G10級，振動等級Z3組。

3.主參數優化

為應對驅動電動機軸承高速工況要求，主參數優化時，應盡量降低軸承摩擦力矩（功耗）M及預緊狀態下的旋滾比ωs/ωr，達到減少軸承發熱的目的，同時應兼顧軸承的承載能力（Cr），滿足疲勞壽命要求，因此，可確定多目標優化設計的目標函數f為：

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

在確定目標函數后，根據深溝球軸承的結構特點以及軸承的使用工況，給定球徑、球數、中心圓直徑、溝曲率等深溝球軸承主參數的因素水平，采用正交優化的方式對軸承主參數進行優化，以使目標函數值最大化，即獲得最小的摩擦力矩與旋滾比、額定載荷最大。

以某型號驅動電動機配套軸承6209為例，采用該目標函數及優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）與標準設計同型號軸承的對比情況如圖4所示。顯然，經優化后的軸承摩擦力矩及預載條件下的旋滾比降低明顯，說明優化設計獲得的參數達到了高速減摩、降熱的目的。額定動載荷亦降低明顯，但該軸承受載較輕，經校核能夠滿足疲勞壽命要求。

圖4 標準設計與優化設計主要性能對比

4.游隙

游隙是軸承的一個重要技術參數，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精度等技術性能。游隙過大，會引起軸承內部承載區域減小，接觸面應力增大，從而使用壽命縮短。過大的游隙還會使軸承運轉精度下降，振動和噪聲增大。游隙過小，可能會在實際運行中出現負游隙（過盈），引起摩擦發熱增大，溫升提高，進而使有效游隙更小或過盈更大，如此惡性循環將導致軸承抱死。

驅動電動機軸承游隙通常選用C3組游隙，但設計時應考慮座材料為鋼制或鋁合金不同材質、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。

5.保持架

針對一般工況條件，注塑冠形保持架的設計及應用已相當成熟。但高溫、高速工況下如何設計，行業內仍處于探索、試驗階段，與國外差距較大。圖5所示為常規冠型保持架結構示意，由于該結構保持架為非對稱結構，在高溫高速下受溫度及離心力的影響勢必發生變形。圖6所示為有限元獲得的某型號驅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，保持架鎖爪端出現外翻現象，存在與套圈或密封圈干涉的風險。

圖5 冠型保持架結構

圖6 保持架高溫高速變形

從國外某公司采用常規保持架在高溫高速試驗后的表面接觸形貌可以看出，高速下爪的外翻導致兜孔內沿與球接觸痕跡明顯，增加發熱源。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，在保持架結構設計時，為應對高溫、高速對保持架的負面影響，應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計，避免因潤滑脂在兜孔中堆積導致摩擦阻力增大，潤滑脂早期老化。

6.密封

根據驅動電動機軸承工況特點，在高速高溫運轉時，隨著溫度的升高，潤滑脂基礎油黏度降低，增加漏脂風險，必須設置可靠的密封結構。深溝球軸承密封結構形式復雜多變：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，易實現軸承的高速、低摩擦運轉，但潤滑脂的流失風險較大；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、磨損的風險。

由于驅動電動機軸承的高dmn值決定了密封圈唇口接觸線速度高達30m/s以上，常規密封圈材料，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良的材料如HNBR、FPM等，唇口潤滑良好，接觸線速度可達25～30m/s。

在密封圈唇口結構設計時，尤其要注意接觸線速度的影響，避免出現高速旋轉情況下，密封接觸唇口出現過熱膠粘，導致軸承早期失效。因此，在設計驅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合的設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嚴格控制。

7.潤滑

潤滑是軸承可靠運轉的關鍵，甚至是決定性因素，尤其是高、低溫寬溫域、高速運轉，對潤滑的要求更高。而脂潤滑的潤滑方式，對驅動電動機軸承的可靠運轉挑戰更大。SKF給出的潤滑脂壽命與深溝球軸承轉速、溫度的關系，當A=dmn大于65萬mm·r/min，在高溫（100℃）以上工況下運轉，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脂低溫黏度遠小于kluber-BEP潤滑脂，其低溫扭矩性能要更加優異。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]對某型驅動電機軸承在NEDC工況下的膜厚及膜厚參數進行計算分析，結果如圖8和圖9所示。由圖9可知，兩種潤滑脂膜厚隨轉速的增加而增加，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，才足以避免出現邊界潤滑狀態。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

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

研究表明，Λ值在3～4附近時，壽命變化??；當Λ值趨近于1或小于1時，壽命急劇縮短，會發生嚴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在4～6附近，要優于E2脂。

需要注意的是，以上分析是在高溫狀態下進行的，未考慮低溫工況，在選脂時，應綜合兼顧高低溫潤滑特性。Kluber脂雖然高溫狀態下的潤滑效果優異，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，除考慮基礎油黏度指標外，應要求潤滑脂稠化劑組織結構應平滑，纖維細膩，具有較高的清潔度（低振動），抑制軸承在高、低溫（-40℃）運轉過程中的異響。并且要具有良好的高速抗剪切能力，抗高溫氧化性能優異，抗磨損性能好。此外，與漏脂率密切相關的高溫分油率、稠度等指標也不容忽視。

對于脂潤滑球軸承，確定合適的填脂量也至關重要。填脂量過多，增加軸承內部的攪拌阻力，發熱嚴重；填脂量過少，隨著潤滑脂的流失或高溫、高速的劣化作用，難以實現長效潤滑。針對高溫高速工況，驅動電動機軸承潤滑脂裝填量宜控制在內部靜止空間體積的80%～90%，根據潤滑脂的黏度大小，可再做適當調整。

性能分析

1.承載能力

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

（1）徑向承載能力 根據文獻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、接觸應力等承載能力參數進行了校核，結果見表1。計算時，取軸承實際工況下的當量載荷Pr（Por）=1kN。

表1 承載能力計算結果

由表1可知，在軸承工作載荷作用下的，軸承最大接觸應力約為1900MPa，靜載安全系數10.1遠大于文獻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 為應對驅動電動機的隨機振動工況，確保在軸向沖擊負荷的作用下軸承不能出現鋼球與滾道間的接觸橢圓截斷的現象，需要驗算軸承的軸向承載能力。對于乘用車驅動電動機，其轉子重量約為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。經驗算上述軸承的軸向承載能力為10 200N，遠大于軸向沖擊載荷，可有效避免出現接觸橢圓被截斷的現象，軸向承載能力滿足設計要求。

2.疲勞壽命

根據文獻[6]對上述某型驅動電動機配套軸承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。

表2 疲勞壽命計算結果

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，滿足驅動電動機軸承壽命考核要求。此外，采用SKF-E2脂參數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。

結語

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