電驅動系統(tǒng)中的電機、減速器（變速箱）、半軸等應用軸承的種類較多，主要有深溝球軸承、角接觸球軸承、四點接觸球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、滾針軸承、推力軸承等。新能源的電驅動系統(tǒng)對軸承的要求與傳統(tǒng)汽車動力系統(tǒng)對軸承的要求要更高，主要體現(xiàn)在：長壽命、耐蠕變、高轉速、低摩擦、低振動、耐軸向變載沖擊等。

上述軸承的主要優(yōu)缺點如下表1：

表1 電驅動系統(tǒng)常用軸承優(yōu)缺點

不同的軸承選擇主要考慮：可容空間、載荷（大小及方向）、不對中、精度和剛度、轉速、工作溫度、振動水平、污染程度、潤滑類型和方法。

一、軸承壽命校核

1.1 基本額定壽命

根據(jù)可容空間及載荷大小選擇軸承后，首先需要對軸承進行壽命校核。根據(jù)ISO 281標準，軸承的基本額定壽命為：

如果轉速是固定的，那么軸承的壽命通常以工作小時來表示：

式中：

L10：基本額定壽命（90%可靠性）【百萬轉】

L10h：基本額定壽命（90%可靠性）【工作小時】

C：基本額定動載荷 KN

P：軸承當量載荷

n：轉速

p：壽命公式中的指數(shù)，對于球軸承，p=3，對于滾子軸承p=10/3

1.2 SKF額定壽命

在一些應用中，軸承的實際工作壽命可能偏離基本額定壽命，該壽命可能受多種不同因素的影響，如：潤滑、污染程度、安裝不當和其它應用環(huán)境等。

SKF壽命修正系數(shù)αSKF采用了疲勞載荷極限Pu的概念，Pu值列于產(chǎn)品目錄中，SKF壽命修正系數(shù)αSKF還引入了潤滑條件（粘度比κ）和污染系數(shù)ηc，SKF額定壽命公式：

Lnm：SKF額定壽命（100-n）%可靠性 【百萬轉】

Lnmh：SKF額定壽命（100-n）%可靠性【工作小時】

α1：壽命可靠性調整系數(shù)，見表2

αSKF：SKF壽命修正系數(shù)

表2 壽命調整系數(shù)α1

αSKF壽命修正系數(shù)能體現(xiàn)疲勞載荷極限比（Pu/P）、潤滑條件（粘度比κ）以及表示軸承內污染程度的污染系數(shù)ηc之間的關系。具體的αSKF壽命修正系數(shù)可以參照SKF軸承綜合型錄中提的方法進行計算。

二、軸承摩擦校核

滾動軸承內的摩擦決定軸承產(chǎn)生熱量的多少，摩擦的大小取決于載荷和其它幾個因素，包括：軸承類型和尺寸、轉速、潤滑劑的特性和用量。軸承轉動時的總阻力是由部件之間的滾動和滑動摩擦構成，包括滾動體和滾道之間的接觸，滾動體和保持架之間的接觸以及滾動體和引導面之間的接觸。另外摩擦也可能由潤滑劑拖曳和接觸式密封件產(chǎn)生。

2.1 摩擦力矩的估算

使用固定的摩擦系數(shù)μ，可以足夠精確地估算出摩擦力矩。但是，應滿足以下條件 ：

1、軸承載荷P ≈0.1C 

2、潤滑良好

3、正常工作條件

在這些條件下，可用以下公式估算摩擦力矩M：

對于徑向滾針軸承，需要用F或Fw，而不要使用d

式中：

u：軸承的固定摩擦系數(shù)，見表3

P：軸承當量動載荷

d：軸承內徑

F：內圈滾道直徑mm

Fw：滾子下方直徑

表3 軸承的固定摩擦系數(shù)u

2.2 SKF摩擦力矩計算模型

要準確計算滾動軸承的總摩擦力矩，必須考慮以下因素及其摩擦效應

1、滾動摩擦力矩以及貧油回填和切入發(fā)熱效應的最終影響

2、滑動摩擦力矩及其對潤滑質量的影響

3、密封件的摩擦力矩

4、拖曳損失、攪動和飛濺等導致的摩擦力矩

SKF摩擦力矩計算模型公式：

式中：

M：總摩擦力矩

Mrr：滾動摩擦力矩

Msl：滑動摩擦力矩

Mseal：密封件的摩擦力矩

Mdrag：由于拖曳損失、攪動和飛濺等導致的摩擦力矩

上式中四種摩擦力矩的具體計算方法可以通過SKF軸承綜合型錄進行計算。

啟動力矩：滾動軸承的啟動力矩是指軸承從靜止到開始旋轉時必須克服的摩擦力矩，只需考慮滑動摩擦力矩和密封件的摩擦力矩，故啟動力矩Mstart的計算公式為：

功率損耗NR和軸承溫度ΔT：

式中：

M：軸承的總摩擦力矩

n：軸承轉速

Ws：冷卻系數(shù)W/℃，指軸承與環(huán)境之間每一度溫差所帶走的熱量

三、軸承設計及選用考慮因素

在電驅動系統(tǒng)中，軸承的設計與選用時還需要考慮軸承布置的固定端與浮動端、軸承配合、軸承內部游隙或預緊、軸承潤滑等。

3.1 軸承固定端與浮動端

固定端使用的是能承受聯(lián)合（徑向和軸向）載荷的軸承，如深溝球軸承、角接觸球軸承、部分圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承等。而浮動端更適用于軸向穩(wěn)定性要求較低的應用，或者軸上有其它部件用作軸向定位的應用，如深溝球軸承、自調心球軸承等。

如下分別舉例了固定端與浮動端軸承的應用

圖1 固定端軸承布置舉例

圖2 浮動端軸承布置舉例

3.2 軸承配合

在電機及減速器中，軸承的轉運情況可判定為：內圈運轉、外圈靜止（必要時增加防跑外圈結構），且載荷的方向根據(jù)整車不同擋位、工況而定，具體工況下的荷載方向是一定的。在該情形下，根據(jù)軸承種類及布置（參照圖1與圖2）進行軸承的配合，推薦配合如表4所示：

表4 軸承孔配合推薦（參考）

3.3 軸承內部游隙或預緊

在電驅動系統(tǒng)中，軸承的工作游隙或預緊取決于：

• 安裝前軸承的初始游隙

• 實際公差配合

• 形狀誤差的影響

• 安裝后加到軸承上的內部游隙或預緊

• 由于工作溫度而產(chǎn)生的尺寸變化

軸承的工作游隙或預緊會影響摩擦、載荷區(qū)的大小和疲勞壽命，圖3顯示了游隙和預緊及主要參數(shù)之間的關系。

圖3 軸承游隙和預緊與主要參數(shù)性能

未安裝軸承所需的初始游隙可用以下公式估算：

式中：

rop：軸承的工作游隙

Δrfit：由配合引起的游隙減量，考慮軸承內外圈配合導致軸承變形，進而影響軸承游隙。

Δrtemp：溫差產(chǎn)生的游隙減量，受熱膨脹系數(shù)、軸承尺寸、軸與軸承座之間溫差影響。

軸承的預緊可以根據(jù)以往項目經(jīng)驗對新設計開發(fā)項目中軸承的預緊進行校核，如下表5是舉例了幾種覺見軸承預緊：

表5 軸承預緊推薦（參考）

3.4 軸承潤滑

在電機和減速器中，為了確保滾動軸承能有效并可靠地運行，必須保證有充分的潤滑，以防止?jié)L動體、滾道、保持架和其它部件之間發(fā)生直接的金屬與金屬接觸。潤滑劑同時能防止核損、保護軸承的表面免受腐蝕、冷卻軸承。當前軸承的潤滑主要分為油潤滑（主要指齒輪油）和脂潤滑（主要應用于水冷電機）

在電驅動中系統(tǒng)中，軸承的油潤滑主要介質為齒輪油，對油品的要求主要體現(xiàn)在：絕緣性能、電氣性能、安全性能、高溫性能、高速性能、腐蝕性能、環(huán)保性能等。為了保證充分的軸承潤滑，一般在軸承座上設計有導油槽、軸上設計有導油孔。

軸承的潤滑脂填充的量根據(jù)速度范圍來進行，一般低速（ndm<100000），填充100%，中高速（ndm >300000）填充30%到50%。

四、電驅動減（變）速箱軸承應用淺析

在新能源電驅動減（變）速箱中，對軸承的主要要求：高轉速、低摩擦、低噪音，根據(jù)表1列出的不同類型軸承的優(yōu)缺點，在整體空間允許、軸承壽命的情況下，盡量使用深溝球軸承與圓柱滾子軸承，尤其是輸入軸與中間軸，這樣可以更好地滿足性能要求。

圖4與表6是某新能源減速器四種不同軸承布置方案，這幾種不同布置方案的校核結果見表7.

圖4 四種不同軸承布置方案

表6 四種不同軸承布置方案描述

表7 四種方案的軸承校核結果

從以上分析結果可以看出：

• 方案四的軸承方案效率最高 ，99.22%，中間軸使用深溝球軸承+圓柱滾子軸承方案較佳；

• 不同方案引起的齒輪組錯位量不同，中間軸采用深溝球軸承與圓錐滾子軸承會產(chǎn)生相反的錯位量，因此，不同軸承方案，齒輪的修形方案必然會不一樣。

另外新能源電驅動減速器常用的軸承型號有：

1. 輸入軸：主要考慮極限轉速與潤滑設計，兩個軸承相對齒輪盡量對稱布置，常用的有：深溝球軸承6206、6306、6207、6307、6208、6308等；

2. 中間軸：中間軸上兩個齒輪的軸向力會抵消很大一部分，因此其總軸向力較小，可選用的軸承也會較多，常用的有：深溝球軸承6307、6308、6209、6309等，圓柱滾子軸承307系列、208系列、308系列等，四點接觸球軸承QJ307、QJ308 、QJ309系列等，圓錐滾子軸承32207、33207、30307、32307等；

3. 差速軸：主要考慮軸向力與布置空間，使用較大外徑的深溝球軸承可承載較大的軸向力，常用的有：深溝球軸承6308、6309等，圓錐滾子軸承32307、32208、33208、30308、32308等。

五、電機高速軸承帶來的挑戰(zhàn)

由于新能源汽車對電機轉速要求越來越高，由12000rpm逐步提高至15000rpm、18000rpm、20000rpm，電機轉速提高后，電機成本進一步降低、整車調速范圍加大。同時，這對電機軸承的應用也帶來了新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：

1)   高轉速：當驅動電機轉速高達20000 r/min，軸承dmn值達到80萬以上，比電機速度高很多，軸承的選型范圍進一步縮小。

2)   溫度：-40～150 ℃軸承穩(wěn)定運轉，無嘯叫；長期工作溫度110～120 ℃；寒冷地區(qū)啟動溫度-30～20℃，啟動力矩小，噪聲低。

3)   潤滑：要求潤滑脂低溫性能優(yōu)異、耐高溫、抗振動、節(jié)能高效、長壽命。

4)   振動與噪聲：為保證乘車的舒適性，電機的振動與噪聲水平要低，保證車內的安靜。

5)   電蝕：由于繞組的不平衡，造成轉子間存在電位差，形成電流，逆變器高頻電壓造成的電流泄露都可能導致軸承產(chǎn)生電蝕，導致軸承的失效。

當前部分電機軸承企業(yè)的應對策略：

a)   通過優(yōu)化設計滾道，同時采用耐熱性優(yōu)良的樹脂材料，通過保持架強度解析對形狀進行最優(yōu)化設計，從而降低離心力，減少保持架與鋼球之間的摩擦，降低發(fā)熱量；

b)   采用高速潤滑脂，選用最合適增稠劑，可在較廣的溫度范圍內降低發(fā)熱量；

c)   采用特殊處理，在鋼球表面析出高硬度氮化物，提高耐燒結性能，從而提高高速運轉性能；

d)   采用非接觸式橡膠密封圈，抑制工作中潤滑脂的泄露，保證軸承持續(xù)運轉的可靠性，提高耐蠕變性。

e)   設計混合陶瓷軸承，能夠適應電機軸承的高速性能，有助于延長傳動系統(tǒng)的使用壽命。