Развитие подшипниковых технологий приближает будущее электрических приводов, считает Энтони Симонин, руководитель центра SKF по разработке и производству узлов для электромобилей и гибридных автомобилей.
Гётеборг, Швеция, июль 2017 г.: Технологии для электромобилей и гибридных автомобилей стремительно развиваются. Несмотря на то, что «традиционные» автомобили продолжают занимать большую часть рынка, необходимость сокращения выбросов углекислого газа ускоряет развитие рынка «альтернативных» транспортных средств.
Если раньше актуальность таких автомобилей вызывала сомнения, то теперь это направление переживает настоящий бум: согласно недавнему прогнозу отраслевой аналитической компании Frost & Sullivan, доля продаж электромобилей и гибридных автомобилей на мировом автомобильном рынке возрастёт до 10 % в ближайшие пять лет. Это означает, что развитие электрического привода неизбежно. В то же время это непростая задача. Например, трансмиссия гибридного автомобиля намного сложнее, чем у обычного автомобиля из-за переключения между электрическим и обычным двигателем или их совместного использования. Существует много способов решения этой задачи, и их число постоянно увеличивается. Самое простое — встроить электродвигатель в существующие конфигурации, но в следующие 5–10 лет на рынке может появиться более 30 различных конструкций трансмиссий электромобилей или гибридных автомобилей.
Разработчики данных конструкций будут стремиться достичь максимальной компактности, надёжности, простоты сборки и, что особенно важно, большего энергосбережения. Помимо самой конструкции, существенное значение будут иметь и используемые компоненты. Несмотря на то, что подшипники зачастую являются скрытыми конструктивными элементами, их правильный выбор помогает решить ряд проблем при проектировании электроприводов.
Рекуперация энергии
Важным компонентом силового привода гибридного автомобиля является стартер-генератор с ременным приводом (BSG), который преобразует энергию торможения и обеспечивает её повторное использование для увеличения крутящего момента и производительности двигателя.
SKF недавно помогла одному из ведущих поставщиков усовершенствовать конструкцию системы BSG, часть системы силового привода 48 В. Для новейшей версии BSG SKF разработала новый тип подшипника позиционирования ротора, который может использоваться с синхронными или асинхронными тяговыми электродвигателями в электромобилях и гибридных автомобилях. Компактный и достаточно лёгкий для этого типа трансмиссии подшипник позиционирования ротора обладает повышенной стойкостью к экстремальным условиям работы. Он выдерживает постоянное воздействие температур до 150 °C, не подвержен сильным помехам магнитного поля или высоким уровням вибрации, снижает пульсацию крутящего момента и электрические шумы.
Более того, повышенная точность работы узла снижает шум работы электродвигателя и делает ход плавным, а управление высокоэффективным. Дополнительное преимущество заключается в простой установке подшипника в узел BSG.
Снижение трения
Несмотря на большую разницу в типах конструкций, фундаментальные проблемы остаются одинаковыми. Трение — одна из наиболее существенных проблем, с которыми сталкиваются автопроизводители.
Проблема трения актуальна для всех узлов автомобиля, от шин до поршней. Но особенность электромобилей и гибридных автомобилей состоит, прежде всего, в более высокой удельной мощности и скорости, что усугубляет влияние трения. Эту проблему можно решить с помощью компонентов, снижающих трение. В рамках сотрудничества с одним из наших клиентов SKF помогла сохранить компактность стартер-генератора с ременным приводом 48 В (BAS) при увеличении скорости, нагрузки и температуры. Задача была решена благодаря применению шарикоподшипников eDrive, в данном случае радиальных шарикоподшипников с очень низким трением, которые специально предназначены для электрических и гибридных трансмиссий. Сокращение трения до 30 % обусловлено использованием запатентованного полимерного сепаратора, оптимизированной геометрией дорожки качения, а также применением специально разработанной пластичной смазки.
Однако процесс оптимизации компонента начался ещё раньше, с моделирования детали в специальном программном обеспечении SKF и её испытаний. Чтобы получить компонент с точно заданными характеристиками, важно начать с создания его модели. В данном случае клиент изначально использовал стандартные подшипники, которые не отвечали требованиям данной области применения.
Также важную роль играют испытания. В настоящее время SKF создаёт ряд высокоскоростных испытательных установок, возможности которых превышают текущие потребности рынка, поскольку в будущем эти требования могут измениться.
Решение новых проблем
Новые технологии часто имеют положительные и отрицательные аспекты. У каждого усовершенствования может быть обратная сторона. Подходящий пример — электрические инверторы. При всех преимуществах, таких как повышенное энергосбережение, их высокоскоростное переключение увеличивает частоту сигнала и приводит к токам утечки, что, в свою очередь, вызывает повреждение и сокращение срока службы компонентов, например, подшипников.
Решением проблемы может стать использование деталей из альтернативных материалов, например, гибридных подшипников. Такие подшипники оснащаются кольцом из нержавеющей стали и керамическими телами качения, что способствует электроизоляции и обеспечивает защиту подшипников от воздействия паразитных токов. Данная технология может применяться для высокоскоростных электрических приводов, а также компенсировать условия неправильного смазывания. Электромобили и гибридные автомобили имеют более низкий уровень шума по сравнению с традиционными автомобилями. Однако одним из раздражающих факторов стало то, что наш слух может улавливать свистящие и скрипящие звуки, которые раньше были не слышны из-за шума двигателя.
Электромобили и гибридные автомобили — несомненно, перспективное направление автомобилестроения, и каждый крупный автопроизводитель занимается разработкой собственных моделей. Совершенствование конструкции имеет первостепенное значение, поскольку даже неответственные узлы могут значительно влиять на рабочие характеристики системы.
