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電動汽車驅(qū)動電機(jī)軸承壽命可靠性試驗研究

2019-09-14 19:50:09·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
目前我國驅(qū)動電機(jī)軸承性能可靠性測試方法與評價技術(shù)規(guī)范尚處于空白狀態(tài)，本研究通過驅(qū)動電機(jī)軸承特性分析，著力研究一種驅(qū)動電機(jī)軸承動態(tài)性能可靠性試驗方法，并
目前我國驅(qū)動電機(jī)軸承性能可靠性測試方法與評價技術(shù)規(guī)范尚處于空白狀態(tài)，本研究通過驅(qū)動電機(jī)軸承特性分析，著力研究一種驅(qū)動電機(jī)軸承動態(tài)性能可靠性試驗方法，并介紹其臺架模擬試驗機(jī)的設(shè)計方法，根據(jù)試驗結(jié)果分析國內(nèi)外產(chǎn)品質(zhì)量性能差距及產(chǎn)生原因，為驅(qū)動電機(jī)軸承的進(jìn)口替代指明技術(shù)改進(jìn)方向。

1 驅(qū)動電機(jī)軸承特性分析
驅(qū)動電機(jī)軸承大多為脂潤滑深溝球軸承，如圖1所示。
圖1 電動汽車驅(qū)動電機(jī)軸承
脂潤滑是一種最簡單、最方便的潤滑方式，約有80%的滾動軸承采用脂潤滑，但它僅適用于中、低速應(yīng)用工況，其主要原因是潤滑脂稠度較大，軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，潤滑脂纖維組織受到強(qiáng)烈剪切，攪動功耗大，剪切發(fā)熱嚴(yán)重，軸承溫升高，且潤滑脂冷卻效果差，溫升過高導(dǎo)致軸承提前失效。另外，軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，軸承腔內(nèi)潤滑脂由于離心力作用容易被甩出滾道，影響潤滑效果。因此，一般脂潤滑軸承不宜應(yīng)用在高速運(yùn)行工況，而驅(qū)動電機(jī)軸承均有高轉(zhuǎn)速要求，如電動轎車的驅(qū)動電機(jī)軸承要求最高轉(zhuǎn)速在12 000 r/min以上，故高速性能是驅(qū)動電機(jī)軸承的特性之一。
 
高溫環(huán)境下，一般潤滑脂稠度降低，潤滑脂容易從軸承密封間隙中流出，剩余潤滑脂也會由于高溫基礎(chǔ)油揮發(fā)，潤滑充分性逐步喪失，導(dǎo)致軸承磨損加快，軸承磨損后進(jìn)一步增加軸承溫升，進(jìn)入惡性循環(huán)，大幅降低軸承的使用壽命，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致軸承卡死。低溫環(huán)境下，一般潤滑脂稠度變大，分油率下降，在降低軸承旋轉(zhuǎn)靈活性，增大軸承驅(qū)動功率和攪動功耗的同時，還會導(dǎo)致軸承潤滑不良，磨損加重，進(jìn)而縮短軸承的使用壽命。因此，一般脂潤滑軸承在高、低溫環(huán)境下高速運(yùn)行，對軸承及潤滑脂的高低溫性能要求較高，而驅(qū)動電機(jī)軸承不可避免要運(yùn)行在高低溫環(huán)境下，我國境內(nèi)地面高氣溫記錄極值為47.7 ℃，低氣溫記錄極值為-52.3 ℃?？紤]到輻射的影響，電動汽車在停放時，其高溫極值將超過70 ℃，在實際行駛時，這一值會更高，這一點(diǎn)也在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定軸承組件及潤滑脂能在高、低溫環(huán)境下正常使用得到印證。故耐高低溫性能是驅(qū)動電機(jī)軸承的特性之一。
 
由此可見，驅(qū)動電機(jī)軸承的特性是在高溫、低溫等環(huán)境下能持久高速運(yùn)行，且存在急變速、頻繁啟停等工況。
 
2 模擬試驗參數(shù)的選擇與設(shè)計要素
如前所述驅(qū)動電機(jī)軸承需有較多的特殊性能，而軸承性能可靠性影響因素諸多且復(fù)雜，許多因素的影響機(jī)理尚未被完全弄清楚，通過模擬試驗來評價軸承的動態(tài)性能不失為一種有效的解決方案。模擬試驗參數(shù)的選擇與設(shè)計極為重要，應(yīng)考慮如下基本要素：
 
(1)高低溫環(huán)境模擬。根據(jù)驅(qū)動電機(jī)軸承應(yīng)用環(huán)境溫度分析，試驗應(yīng)重點(diǎn)研究極限應(yīng)用溫度(如低溫-54 ℃，高溫+140 ℃)下軸承的性能可靠性。
(2)高速運(yùn)轉(zhuǎn)工況模擬。驅(qū)動電機(jī)軸承實際應(yīng)用時，不僅要高速運(yùn)轉(zhuǎn)，還存在急變速、頻繁啟停等條件，試驗應(yīng)重點(diǎn)研究極端轉(zhuǎn)速及極端加速度工況，建立合適的“轉(zhuǎn)速-時間”模擬試驗轉(zhuǎn)速譜。
(3)載荷工況模擬。由于車內(nèi)載重情況及道路狀況不同，驅(qū)動電機(jī)軸承的真實承載情況也不是一個定值，為了更好地評估軸承的動態(tài)性能，該試驗應(yīng)運(yùn)用現(xiàn)有滾動軸承強(qiáng)化壽命試驗理論和經(jīng)驗，對各工況載荷進(jìn)行強(qiáng)化程度分析，建立合適的當(dāng)量載荷或載荷譜。

3 臺架模擬試驗機(jī)的設(shè)計
3.1 試驗機(jī)的主要參數(shù)
根據(jù)驅(qū)動電機(jī)軸承的實際應(yīng)用工況，確定試驗機(jī)的設(shè)計參數(shù)如下：
(1)試驗軸承范圍：內(nèi)徑Φ30～Φ70 mm，外徑Φ25～Φ120 mm；
(2)試驗軸承數(shù)量：4套；
(3)試驗溫度范圍：-55 ℃～+150 ℃；
(4)試驗載荷(Fr)范圍：0～120 kN；
(5)最高轉(zhuǎn)速：13 000 r/min(無級可調(diào))；
(6)監(jiān)控參數(shù)：試驗載荷、試驗轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度、振動等。
3.2 試驗機(jī)主體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
試驗機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 主體結(jié)構(gòu)簡圖
試驗機(jī)主要由驅(qū)動單元、加載系統(tǒng)、試驗單元、高低溫發(fā)生系統(tǒng)及測控系統(tǒng)組成：
(1)驅(qū)動單元。驅(qū)動單元由驅(qū)動器、驅(qū)動電機(jī)、扭矩傳感器、高速聯(lián)軸器及轉(zhuǎn)速傳感器組成。通過驅(qū)動器調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)輸入頻率，與轉(zhuǎn)速傳感器形成閉環(huán)控制，使試驗軸承按設(shè)計的轉(zhuǎn)速譜運(yùn)轉(zhuǎn)。
(2)加載系統(tǒng)。試驗機(jī)采用液壓比例閥實施加載，將軸承當(dāng)量載荷或載荷譜施加在被試軸承上。液壓原理圖如圖3所示。
 
圖3 加載系統(tǒng)液壓原理圖
(3)試驗單元。軸承試驗單元采用橋式結(jié)構(gòu)，試驗單元結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 試驗單元結(jié)構(gòu)圖
1-水平軸；2-鎖緊螺母；3-端負(fù)荷體；4-端襯套；5-被試軸承；6-中負(fù)荷體；7-中襯套；8-拆卸環(huán)；9-隔離環(huán)
4套被試軸承安裝在同一水平軸1上，試驗載荷作用在中負(fù)荷體6上，通過中襯套7傳遞至中間兩套被試軸承5，兩端兩套被試軸承5在反作用力下承載。
(4)高低溫發(fā)生系統(tǒng)。高低溫集成環(huán)境中，低溫采用壓縮機(jī)組與干冰調(diào)和組合方式實現(xiàn)，高溫采用電加熱方式實現(xiàn)，將高、低溫整合到同一個環(huán)境系統(tǒng)中。
(5)測控系統(tǒng)。測控系統(tǒng)可對試驗軸承的載荷、轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度和振動進(jìn)行實時監(jiān)控并實現(xiàn)越界停機(jī)。即傳感器將測得的試驗載荷、轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度和振動信號傳遞給信號放大器，經(jīng)工控機(jī)處理后顯示，當(dāng)試驗軸承發(fā)生失效時，其溫度、扭矩或振動將越界，監(jiān)控器將失效信息傳遞給電腦，電腦自動關(guān)停試驗機(jī)并保存之前的監(jiān)測數(shù)據(jù)。測控系統(tǒng)原理如圖5所示。
圖5 測控系統(tǒng)原理圖
4 試驗應(yīng)用
4.1 試驗條件及結(jié)果
筆者選取6207-2Z驅(qū)動電機(jī)軸承國內(nèi)樣品A和國外樣品B各12套，用本研究模擬試驗臺架對其分別在常溫(+20 ℃)、高溫(+140 ℃)和低溫(-54 ℃)3種環(huán)境下進(jìn)行性能可靠性對比試驗(每種環(huán)境各4套)，樣品編號分別為A1～A12、B1～B12。
試驗條件如表1所示。
表1 6207-2Z驅(qū)動電機(jī)軸承動態(tài)承載性能試驗條件
典型失效外觀照片如圖6～8所示。
圖6 樣品A常溫試后典型外觀照片(少量漏脂)
圖7 樣品A高溫試后典型外觀照片(嚴(yán)重漏脂)
 
試驗結(jié)果如表2所示。
表2 6207-2Z驅(qū)動電機(jī)軸承動態(tài)承載性能對比試驗結(jié)果

4.2 試驗結(jié)果比對
表2試驗結(jié)果表明，國內(nèi)樣品A與國外樣品B在常溫環(huán)境試驗結(jié)果差距較小，高、低溫環(huán)境下試驗結(jié)果差距較大。總體來說，國內(nèi)樣品A的動態(tài)承載性能無法滿足表1試驗條件200個循環(huán)的試驗要求，而國外樣品B完成200個循環(huán)試驗后，軸承狀態(tài)仍然良好或較好。
拆套檢查結(jié)果表明，各12套樣品均未出現(xiàn)疲勞剝落失效；12套國外樣品中僅4套高溫試后樣品潤滑脂明顯減少，其余8套樣品潤滑脂減少量并不明顯，且4套高溫試后樣品潤滑脂尚處于正常濕潤狀態(tài)；4套常溫試后國產(chǎn)樣品潤滑脂狀態(tài)與國外高溫試后樣品基本類同；4套高溫試后國產(chǎn)樣品潤滑脂已處于干固、黑色狀態(tài)，說明潤滑失去后已出現(xiàn)嚴(yán)重磨損；4套低溫試后國產(chǎn)樣品潤滑脂明顯減少，呈黑色，結(jié)合手感檢查可判定磨損嚴(yán)重。

4.3 性能分析與應(yīng)用
試驗結(jié)果表明，所試國內(nèi)外樣品動態(tài)承載性能質(zhì)量差距較大，但試驗結(jié)果顯現(xiàn)，差距原因不在原材料、磨前加工工藝或軸承高速設(shè)計等方面，而在潤滑、密封、抗高低溫、抗急變速性能等方面，建議在提升保持架性能質(zhì)量滿足高速、急變速要求，改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)高速、密封性能要求的同時，重點(diǎn)改進(jìn)潤滑脂的高速、高低溫性能。

5 結(jié)束語
本研究通過臺架模擬試驗，可有效顯現(xiàn)軸承動態(tài)承載性能，通過后處理分析，可發(fā)現(xiàn)軸承設(shè)計與工藝中的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而有針對性地實施優(yōu)化措施，同時還可為軸承用戶進(jìn)行軸承選型、性能評估提供技術(shù)支持。
由于試驗樣本量的局限性，試驗結(jié)果并不代表國內(nèi)先進(jìn)產(chǎn)品水平，本研究的試驗方法及試驗機(jī)也存在很多不足，希望業(yè)內(nèi)人士多提寶貴意見與建議，將臺架模擬試驗推向一個更高的水平。
 
 
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