燃油車的運動部件數量非常多,有很多齒輪、活塞、閥門和曲軸,一般移動的零件越多,磨損并導致車輛故障的零件就越多。
電動汽車動力總成確實有一些活動部件,其中最重要的是電機軸上使用的軸承滾珠。大多數軸承滾珠和滾動元件由鋼制成,但一些高級材料專家相信有更好的選擇:陶瓷,特別是氮化硅 (Si3N4)可能最適合電動汽車。
陶瓷:更硬、更好、更快、更強
說到軸承,越輕越好,氮化硅比鋼輕,陶瓷軸承滾珠的重量不到鋼的一半,電動汽車工程師喜歡盡可能減輕重量,但這并不是唯一的好處。
陶瓷軸承滾珠在軸承組件內產生的摩擦更小,這意味著它們需要更少的潤滑劑、更少的磨損、更少的滾道應力和更低的工作溫度。
與電動汽車相關的應用是牽引電機軸軸承,軸承可能會承受非常高的速度。在高轉速下,由于慣性,質量的較輕的好處被放大。
陶瓷球不僅比鋼輕,它們更堅固,陶瓷軸承的硬度是鋼的兩倍,硬度比鋼高60% 以上,不易變形。
考慮軸承壽命和軸承效率時,這非常有用。由于其制造工藝,金屬座圈具有固有的表面缺陷,球的表面非常堅硬、非常光滑,這些缺陷會隨著時間的推移而消除。
陶瓷的另一個優點是耐高溫的能力,陶瓷軸承滾珠可在高達1,000°C 的溫度下運行,遠遠超過汽車運行的要求。
抵抗力和壽命
對于電動汽車,陶瓷軸承滾珠的最大好處之一是它們具有抗電性,軸承不希望電流通過,它加速了軸承的故障。
氮化硅具有抗電性,這通常在幾乎所有軸承應用中都有好處,汽車中的高壓牽引電機時,由于電流泄漏,軸承內部很容易發生電氣點蝕,最終可能導致早期故障。
如果使用鋼制軸承,唯一的選擇是在鋼上涂上絕緣材料,這增加了制造過程的復雜性,并帶來了質量污染的機會。
陶瓷軸承的使用壽命比鋼長,軸承磨損后可以更換,這很麻煩,而一套混合陶瓷可以在車輛的整個生命周期內并獲得 50 萬公里。
球體、圓柱體更多的系列
為了制造陶瓷球,配制了未加工的氮化硅粉末,仔細控制了包括粒度、密度、對稱性和水分含量在內的特性。
添加一些化學粘合劑后,粉末在繼續研磨、翻滾和拋光之前形成坯料。對球進行了一種稱為熱等靜壓的過程,以獲得適當的微觀結構發展,從而提高硬度和韌性,并減少滾動接觸疲勞。
在實踐中,大多數陶瓷軸承都可以視為混合軸承,它們將陶瓷球與鋼滾道結合在一起,純陶瓷軸承也是可能的,陶瓷非常光滑,系統中不會有足夠的摩擦。在混合軸承中,如果不加以控制,陶瓷的光滑度也會出現問題,滾珠太光滑,它們就可能變得抗潤滑。
結論
陶瓷軸承滾珠并不是一個全新的想法,2001 年在航天飛機重新設計的氫渦輪泵上使用了氮化硅球,自 1970 年代初以來,陶瓷的性能優勢就已為人所知。
鋼軸承使用很普遍,原因很簡單:成本,陶瓷軸承比鋼更貴,但價格一直呈下降趨勢。從歷史上看,障礙一直是成本,但對于電動汽車市場增長,這個障礙開始減少。
電動汽車行業仍處于起步階段,它無疑會想方設法對其關鍵技術進行創新和改進:電池、充電器和電機。但正如我們所見,堅硬的微小球體也可以成為電動汽車革命的一部分,陶瓷滾珠軸承也可能至關重要。