Räätälöidyt ja hybridilaakerit ratkaisevat sähköajoneuvojen peruskysymykset
EV & HEV -moottorissa käytettävien sähkömoottorien suuri nopeus vaatii räätälöityjen laakereiden käyttöä. Keraamiset kuulalaakerit kykenevät selviytymään kaikista erityisolosuhteista, sanoo Anthony Simonin, EV ja SKF: n HEV-kompetenssikeskuksen päällikkö.
Pinnalla näyttää olevan vähän eroa sähkö- ja hybridiajoneuvon (EV & HEV) ja polttomoottorilla varustetun tavanomaisen auton välillä, joka korvaa sen yhä enemmän.
Alustan alla kuilu on kuitenkin valtava, ja tärkein muutos on voimansiirrossa. Täällä voimakkaat sähkömoottorit tarjoavat voimaa, ja tapa, jolla ne toimivat ja miten ne kytkeytyvät muuhun autoon, vaatii kriittisten komponenttien, kuten laakereiden, uudelleensuunnittelua tai mukauttamista toimimaan tässä uudessa ympäristössä.
Esimerkiksi moottorin itsensä on toimittava erittäin suurella nopeudella, paljon nopeammin kuin se olisi tavanomaisessa teollisessa sovelluksessa, mikä tarkoittaa, että sen sisällä olevien laakereiden on kyettävä selviytymään vikaantumatta. Yleensä tämä on ratkaistu mukauttamalla tavanomaisia teräskuulalaakereita, esimerkiksi suunnittelemalla häkki uudelleen ja käyttämällä erityistä voitelurasvaa.
Tyypillinen EV käyttää jopa neljä moottoria, jos kukin on kytketty erilliseen pyörään. Nämä käyvät nopeudella 30 000 rpm, mikä on noin kolme kertaa nopeampi kuin tyypillisessä teollisuusmoottorissa. Tämä rasittaa sisäisiä laakereita valtavasti, joten ne on vaihdettava tai mukautettava.
Yksi tapa on suunnitella laakeri ja polymeerikehys uudelleen, mukauttamalla perustavaa laatua. Tämä varmistaa, että laakeroinnin kokoonpano kestää suuremman nopeuden, kiihtyvyyden ja lämpötilan, jonka näemme näissä sovelluksissa.
Suuremmat nopeudet vaativat lisäksi tehokkaamman voitelun. Tässä tarvitaan erityisiä rasvoja, jotka voivat säilyttää viskositeettinsa ja ovat siten edelleen tehokkaita voiteluaineita näillä suuremmilla nopeuksilla ja lämpötiloilla.
Vaikka sähkömoottori yhdessä invertterin kanssa varmistaa korkean hyötysuhteen, on yksi ominaisuus, joka voi vaikuttaa tavanomaisiin teräslaakereihin. Taajuusmuuttajan korkeataajuinen jännitekytkentä, mikä puolestaan aiheuttaa virran vuodon. Virta voi päätyä johtamaan laakereiden läpi. Tämä voi aiheuttaa ongelmia, kuten pintakuoppia ja sitä seuraavan katastrofaalisen vian.
Tietyssä mielessä ongelman aiheuttaa moottorin käyttö tehokkaimmalla tavalla: moottorin nopeuden lisääminen lisää tehoa ja tehokkuutta tarvitsematta lisätä virtaa tai vääntömomenttia. Nopeuden lisääminen lisää kuitenkin myös jännitetaajuutta, mikä johtaa sähköpurkautumiseen.
Järkevä vastaus on käyttää kuulalaakeria, joka on luonnostaan eristävä ja ei johda virtaa.
Keraamiset pallot
Tavanomaisten teräspallojen vaihtaminen niiden keraamiseen vastineeseen niin sanotun hybridilaakerin valmistamiseksi on tunnustettu tapa ratkaista tämä ongelma, koska keraamiset pallot ovat luonnollisesti eristäviä. Kuitenkin lähinnä korkeampien kustannustensa vuoksi vain pieni osa EV-suunnittelijoita sisällyttää hybridilaakerit malleihinsa.
SKF: llä arvioimme, että vain noin 5% näiden sovellusten laakereista on hybridilaakereita. Tyypillisesti nämä hybridilaakerit on määritelty vain teräslaakereiden aikaisemman vikaantumisen vuoksi näissä sovelluksissa. Hyvin harvat EV-suunnittelijat määrittelevät hybridilaakerit alusta alkaen, mutta näemme, että tämä on alkamassa muuttua.
Tärkein syy siihen, että suunnittelijat eivät suunnittele hybridilaakereissa alusta alkaen, on se, että he eivät voi perustella ylimääräisiä kustannuksia. Ne eivät yleensä pysty ennustamaan tavanomaisten laakereiden vikoja, joten mieluummin ajaa niitä, kunnes ne epäonnistuvat.
Jotkut isommista EV-valmistajista kuitenkin käyttävät hienostunutta simulointiohjelmistoa mallintaakseen täsmälliset olosuhteet, joita laakerit kokevat näissä sovelluksissa. Tätä ohjelmistoa käyttämällä he pystyvät näkemään ja kvantifioimaan virran määrän ja sen todennäköisen vaikutuksen laakereihin. Jos se on taloudellisesti järkevää, ne korvaavat tavanomaiset teräslaakerit hybridilaakereilla. Noin viisi vuotta sitten hybridilaakerit suunniteltiin harvoin alusta alkaen. Nyt siitä on tullut yleisempää ja todennäköisesti lisääntyy edelleen.
Tavanomaisten laakereiden korvaaminen hybrideillä on yleensä kivutonta, koska hybridilaakereilla on identtiset mitat kuin tavanomaisilla teräslaakereilla. Samanaikaisesti häkkiin ja rasvaan on jo tehty tarvittavat suunnittelumuutokset.
Eristävien ominaisuuksiensa lisäksi keraamisilla palloilla on muita etuja: ne ovat 40% vähemmän tiheitä kuin niiden teräsekvivalentit, mikä tarkoittaa, että ne voivat toimia kylmempinä lämpötiloina; heillä voi olla jopa 10-kertainen elinajanodote; ja ne vaativat vähemmän voitelua. Nämä edut selittävät jollain tavalla niiden korkeammat kustannukset.
Yksi SKF: n hybridilaakereiden käyttäjä on autoasiakas, joka määritteli SKF: n hybridilaakerit ensimmäisen kerran vuonna 2014.
Sen lisäksi, että se vastusti kaaristusvaikutuksia, hybridilaakerit takaavat suuremman hyötysuhteen kevyemmän painonsa ja suuremman kovuudensa vuoksi. Kaiken kaikkiaan parempi hyötysuhde auttaa EV: tä kulkemaan yhdellä latauksella, mikä on avain menestyskriteeriksi, kun EV: t kilpailevat perinteisten autojen kanssa.
Tulevaisuuteen
Ei ole paeta, että hybridilaakerit ovat kalliita. SKF: ssä etsimme vaihtoehtoisia ratkaisuja ja kehitämme tapaa ratkaista laakerin aiheuttamat sähkövauriot, mutta ilman keraamisia palloja.
Vastaus on luoda uusi polku virralle, jotta se ei kulje itse laakerin läpi ja vahingoita sitä. Tällä hetkellä tätä tekniikkaa on vielä kehitteillä, joten meillä ei ole vielä erityisiä yksityiskohtia jaettavaksi.
Tämän uuden tekniikan kehittämiselle on toinen syy: huolimatta niiden valtavasta etusta, keraamiset pallot eivät ratkaise täysin nykyisen vuodon ongelmaa. Vaikka virta vastustaa pintavaurioiden vaikutuksia, virta voi silti toimia tielleen vaihdelaatikkoon ja aiheuttaa siellä vahinkoja, esimerkiksi tuhoamalla kilpiyhteyden. Odotamme uuden kehitystyömme, joka on tarkoitus käynnistää tämän vuoden loppuun mennessä, ratkaisemaan tämän ongelman samalla kun se on halvempaa kuin hybridilaakeri.
SKF ei ole naimisissa minkään tietyn tekniikan kanssa, mutta tarjoaa erityisiä ratkaisuja suunnitteluongelmiin. Tällä hetkellä hybridilaakerit voivat auttaa voittamaan nykyisissä sähköautoissa tapahtuvista vuodoista johtuvat ongelmat; Pian meillä on uusi tekniikka, joka lupaa tehdä saman, mutta halvemmalla.
Toimitamme laakereiden kaltaisia tuotteita useimmille markkinoilla toimiville EV-valmistajille. Joten saa jo syvän kuvan näistä sovelluksista ja osaa ratkaista niihin liittyvät ongelmat.
Jatkossa eteenpäin jotkut EV-valmistajat saattavat pystyä poistamaan nykyisen vuoto-ongelman kokonaan. Jos he vastaavat koko järjestelmän suunnittelusta, kuten jotkut suuret valmistajat tekevät, he pystyvät "suunnittelemaan" ongelman lähteellä.
Muille valmistajille, jotka voivat suunnitella moottorin, mutta hankkia muita komponentteja, kuten ohjausyksikkö ja vaihdelaatikko ulkoisesti, tämä on mahdotonta, ja heidän on jatkettava ratkaisujen, kuten hybridilaakereiden, käyttöä.
Sähköajoneuvot ovat tie eteenpäin liikenteessä. Vaikka ne muodostavat edelleen suhteellisen pienen osan markkinoista, tekevät niistä mahdollisimman tehokkaita ja luotettavia. Suunnittelemalla komponentit, kuten laakerit, auttaa ottamaan suuremman osan markkinoista.