蔡丽萍;张斌;章有良;阎昌春;周琪斌;徐建波
【摘 要】Aiming at the problems of short service life and low reliability of the domestic drive motor bearings of the Electric Vehicle,whose work characteristics were analyzed.The simulated test conditions of the life reliability for the drive motor bearings and a design technique for the simulated bench tester were proposed.The comparative bench simulation life test between the domestic and foreign drive motor bearings of same type,was preusemeed the results show that the main gap of their life reliability is caused by lubrication,sealing and high and low temperature performance.The optimization measures for the life reliability improvement of the domestic drive motor bearings were proposed.%针对电动汽车国产驱动电机轴承寿命短、可靠性低的问题,通过对电动汽车驱动电机轴承工作特性进行分析,提出了电动汽车驱动电机轴承寿命可靠性的模拟试验参数和一种台架模拟试验机的设计方法.对国内外同型号驱动电机轴承样品的台架进行了模拟试验对比.结果表明:国内外驱动电机轴承寿命可靠性的主要差距来源于润滑、密封和耐高低温性能等方面;该结果可为国产驱动电机轴承寿命的可靠性提升提供技术改进方向的参考.
国产电动汽车【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2017(034)005
【总页数】5页(P478-482)
【关键词】电动汽车;驱动电机轴承;寿命可靠性;试验
【作 者】蔡丽萍;张斌;章有良;阎昌春;周琪斌;徐建波
【作者单位】浙江省机电产品质量检测所,浙江杭州310051;浙江省机电产品质量检测所,浙江杭州310051;浙江省机电产品质量检测所,浙江杭州310051;杭州人本电机轴承有限公司,浙江杭州310022;浙江省机电产品质量检测所,浙江杭州310051;浙江省机电产品质量检测所,浙江杭州310051
【正文语种】中 文
【中图分类】TH133.3
汽车产业作为中国经济的支柱产业之一，近年发展迅速，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用，但行业发展与日益严重的能源消耗以及环境污染的矛盾也愈显突出[1]。电动汽车以车载电源为动力，用驱动电机通过变速箱驱动车轮行驶，具有结构简单、无污染、噪声低、能效高等优点，作为资源节约型和环境友好型的新能源汽车近年销量增速惊人。
我国电动汽车产业快速发展的同时，也面临部分核心零部件关键技术尚未完全突破、严重依赖进口的问题，驱动电机轴承就是其中之一。由于电动汽车驱动电机(以下简称“驱动电机”)取代了传统燃油汽车的发动机，驱动电机成为电动汽车的核心关键零部件，其相对于常规电机通常要求瞬时功率大、过载能力强、变速范围大，并能适应频繁启/停、加速/减速，低速爬坡时要求高转矩、高速行驶时要求低转矩[2]。正是由于驱动电机这些特性，决定了驱动电机轴承比一般电机轴承的性能可靠性要求要高得多。另外驱动电机轴承还要求具有优良的耐高/低温、耐湿热、防水防尘等抗环境影响性能。目前国内常规电机轴承的尺寸精度、旋转精度、游隙控制、启动力矩、静态性能等指标已基本接近国外水平，也能满足驱动电机的使用要求，但由于原材料、磨前加工工艺、高速设计、特殊润滑脂及特殊保持架等方面还与国外存在较大差距，轴承的性能可靠性与国外产品仍存在较大差距，主要表现为轴承使用寿命短、可靠性低，很难满足驱动电机频繁启停、急变速等工况的使用要求[3]。
我国驱动电机轴承性能可靠性较差除上述原因外，还与我国目前驱动电机轴承性能可靠性测试与评价技术不完善有直接的关联性。驱动电机轴承性能要求的特殊性决定了现有通用轴承的性能可靠性测试与评价技术不完全适用性。
目前我国驱动电机轴承性能可靠性测试方法与评价技术规范尚处于空白状态，本研究通过驱动电机轴承特性分析，着力研究一种驱动电机轴承动态性能可靠性试验方法，并介绍其台架模拟试验机的设计方法，根据试验结果分析国内外产品质量性能差距及产生原因，为驱动电机轴承的进口替代指明技术改进方向。
驱动电机轴承大多为脂润滑深沟球轴承，如图1所示。
脂润滑是一种最简单、最方便的润滑方式，约有80%的滚动轴承采用脂润滑，但它仅适用于中、低速应用工况，其主要原因是润滑脂稠度较大，轴承高速运转时，润滑脂纤维组织受到强烈剪切，搅动功耗大，剪切发热严重，轴承温升高，且润滑脂冷却效果差，温升过高导致轴承提前失效[4]。另外，轴承高速运转时，轴承腔内润滑脂由于离心力作用容易被甩出滚道，影响润滑效果。因此，一般脂润滑轴承不宜应用在高速运行工况，而驱动电机
轴承均有高转速要求，如电动轿车的驱动电机轴承要求最高转速在12 000 r/min以上，故高速性能是驱动电机轴承的特性之一。
高温环境下，一般润滑脂稠度降低，润滑脂容易从轴承密封间隙中流出，剩余润滑脂也会由于高温基础油挥发，润滑充分性逐步丧失，导致轴承磨损加快，轴承磨损后进一步增加轴承温升，进入恶性循环，大幅降低轴承的使用寿命，严重时甚至导致轴承卡死。低温环境下，一般润滑脂稠度变大，分油率下降，在降低轴承旋转灵活性，增大轴承驱动功率和搅动功耗的同时，还会导致轴承润滑不良，磨损加重，进而缩短轴承的使用寿命[4-7]。因此，一般脂润滑轴承在高、低温环境下高速运行，对轴承及润滑脂的高低温性能要求较高，而驱动电机轴承不可避免要运行在高低温环境下，我国境内地面高气温记录极值为47.7 ℃，低气温记录极值为-52.3 ℃[8]。考虑到辐射的影响，电动汽车在停放时，其高温极值将超过70 ℃，在实际行驶时，这一值会更高，这一点也在现行标准中规定轴承组件及润滑脂能在高、低温环境下正常使用得到印证[9-11]。故耐高低温性能是驱动电机轴承的特性之一。
由此可见，驱动电机轴承的特性是在高温、低温等环境下能持久高速运行，且存在急变速、频繁启停等工况。
如前所述，驱动电机轴承需有较多的特殊性能，而轴承性能可靠性影响因素诸多且复杂，许多因素的影响机理尚未被完全弄清楚，通过模拟试验来评价轴承的动态性能不失为一种有效的解决方案。模拟试验参数的选择与设计极为重要，应考虑如下基本要素：
(1)高低温环境模拟。根据驱动电机轴承应用环境温度分析，试验应重点研究极限应用温度(如低温-54 ℃，高温+140 ℃)下轴承的性能可靠性。
(2)高速运转工况模拟。驱动电机轴承实际应用时，不仅要高速运转，还存在急变速、频繁启停等条件，试验应重点研究极端转速及极端加速度工况，建立合适的“转速-时间”模拟试验转速谱。
(3)载荷工况模拟。由于车内载重情况及道路状况不同，驱动电机轴承的真实承载情况也不是一个定值，为了更好地评估轴承的动态性能，该试验应运用现有滚动轴承强化寿命试验理论和经验，对各工况载荷进行强化程度分析，建立合适的当量载荷或载荷谱。
3.1 试验机的主要参数
根据驱动电机轴承的实际应用工况，确定试验机的设计参数如下：
(1)试验轴承范围：内径Φ30～Φ70 mm，外径Φ25～Φ120 mm；
(2)试验轴承数量：4套；
(3)试验温度范围：-55 ℃～+150 ℃；
(4)试验载荷(Fr)范围：0～120 kN；
(5)最高转速：13 000 r/min(无级可调)；
(6)监控参数：试验载荷、试验转速、扭矩、温度、振动等。
3.2 试验机主体结构及特点
试验机的主体结构如图2所示。
试验机主要由驱动单元、加载系统、试验单元、高低温发生系统及测控系统组成：
(1)驱动单元。驱动单元由驱动器、驱动电机、扭矩传感器、高速联轴器及转速传感器组成。通过驱动器调节驱动电机输入频率，与转速传感器形成闭环控制，使试验轴承按设计
的转速谱运转。
(2)加载系统。试验机采用液压比例阀实施加载，将轴承当量载荷或载荷谱施加在被试轴承上。液压原理图如图3所示。
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