燃油车的运动部件数量非常多,有很多齿轮、活塞、阀门和曲轴,一般移动的零件越多,磨损并导致车辆故障的零件就越多。
电动汽车动力总成确实有一些活动部件,其中最重要的是电机轴上使用的轴承滚珠。大多数轴承滚珠和滚动元件由钢制成,但一些高级材料专家相信有更好的选择:陶瓷,特别是氮化硅 (Si3N4)可能最适合电动汽车。
陶瓷:更硬、更好、更快、更强
说到轴承,越轻越好,氮化硅比钢轻,陶瓷轴承滚珠的重量不到钢的一半,电动汽车工程师喜欢尽可能减轻重量,但这并不是唯一的好处。
陶瓷轴承滚珠在轴承组件内产生的摩擦更小,这意味着它们需要更少的润滑剂、更少的磨损、更少的滚道应力和更低的工作温度。
与电动汽车相关的应用是牵引电机轴轴承,轴承可能会承受非常高的速度。在高转速下,由于惯性,质量的较轻的好处被放大。
陶瓷球不仅比钢轻,它们更坚固,陶瓷轴承的硬度是钢的两倍,硬度比钢高60% 以上,不易变形。
考虑轴承寿命和轴承效率时,这非常有用。由于其制造工艺,金属座圈具有固有的表面缺陷,球的表面非常坚硬、非常光滑,这些缺陷会随着时间的推移而消除。
陶瓷的另一个优点是耐高温的能力,陶瓷轴承滚珠可在高达1,000°C 的温度下运行,远远超过汽车运行的要求。
抵抗力和寿命
对于电动汽车,陶瓷轴承滚珠的最大好处之一是它们具有抗电性,轴承不希望电流通过,它加速了轴承的故障。
氮化硅具有抗电性,这通常在几乎所有轴承应用中都有好处,汽车中的高压牵引电机时,由于电流泄漏,轴承内部很容易发生电气点蚀,最终可能导致早期故障。
如果使用钢制轴承,唯一的选择是在钢上涂上绝缘材料,这增加了制造过程的复杂性,并带来了质量污染的机会。
陶瓷轴承的使用寿命比钢长,轴承磨损后可以更换,这很麻烦,而一套混合陶瓷可以在车辆的整个生命周期内并获得 50 万公里。
球体、圆柱体更多的系列
为了制造陶瓷球,配制了未加工的氮化硅粉末,仔细控制了包括粒度、密度、对称性和水分含量在内的特性。
添加一些化学粘合剂后,粉末在继续研磨、翻滚和抛光之前形成坯料。对球进行了一种称为热等静压的过程,以获得适当的微观结构发展,从而提高硬度和韧性,并减少滚动接触疲劳。
在实践中,大多数陶瓷轴承都可以视为混合轴承,它们将陶瓷球与钢滚道结合在一起,纯陶瓷轴承也是可能的,陶瓷非常光滑,系统中不会有足够的摩擦。在混合轴承中,如果不加以控制,陶瓷的光滑度也会出现问题,滚珠太光滑,它们就可能变得抗润滑。
结论
陶瓷轴承滚珠并不是一个全新的想法,2001 年在航天飞机重新设计的氢涡轮泵上使用了氮化硅球,自 1970 年代初以来,陶瓷的性能优势就已为人所知。
钢轴承使用很普遍,原因很简单:成本,陶瓷轴承比钢更贵,但价格一直呈下降趋势。从历史上看,障碍一直是成本,但对于电动汽车市场增长,这个障碍开始减少。
电动汽车行业仍处于起步阶段,它无疑会想方设法对其关键技术进行创新和改进:电池、充电器和电机。但正如我们所见,坚硬的微小球体也可以成为电动汽车革命的一部分,陶瓷滚珠轴承也可能至关重要。