Промышленность

Жаждаскорости

SKF ускоряет процесс развития электромобилей. Благодаря новому высокоскоростному шарикоподшипнику 1.8 для электропривода компания лидирует в гонке за более высокой частотой вращения — ключевым компонентом в повышении удельной мощности силовых агрегатов электромобилей.

Related Articles

Количество электрических и гибридных автомобилей на дорогах мира стремительно растёт. К 2030 году более половины всех проданных легковых автомобилей будут электрическими, полагает рыночный аналитик Bloomberg в своём прогнозе от 2020 года. Техническое развитие привлечёт новых покупателей и приведёт к более конкурентоспособным ценам. Кроме того, согласно прогнозам, цены на аккумуляторы снизятся, а время зарядки и инфраструктура значительно улучшатся. Не менее важным, с точки зрения снижения затрат и устойчивого развития рынка электромобилей, является повышение удельной мощности.

В сотрудничестве с SKF австрийская автомобильная исследовательская и консалтинговая фирма AVL инвестировала средства в высокоскоростные технологии с целью разработки экономически эффективного привода для электромобилей. Новая высокоскоростная ось для электромобилей оснащена недавно выпущенным подшипником SKF HSBB 1.8 — высокоскоростным шарикоподшипником 1.8 для электропривода — и обеспечивает частоту вращения первичного вала в 30 000 об/мин.

«Это настоящее достижение, — говорит Матиас Даймль, ответственный за разработку систем для электротранспортных средств в AVL в Регенсбурге, Германия. — Особенно учитывая, что в современных электромобилях частота вращения составляет от 12 000 до 14 000 об/мин. Следующее поколение будет работать с частотой вращения 20 000 об/мин. Некоторые говорили, что добиться 30 000 об/мин невозможно, по крайней мере, с помощью стального шарикоподшипника со смазыванием пластичной смазкой».

Высокоскоростной шарикоподшипник SKF 1.8 для электропривода

Повышение КПД и срока службы

Благодаря более высокой частое вращения, обеспечиваемой подшипником SKF HSBB 1.8 для автомобильных электродвигателей, AVL может предложить более компактный и экономичный двигатель с повышенным КПД и большим пробегом, что, как надеется Даймль, увеличит количество электромобилей на дорогах.

«Увеличение масштабов использования электротранспортных средств произойдёт в ближайшее время, — говорит он. — Правительство поощряет приобретение электромобилей, и производители вынуждены выпускать модели, которые привлекательны с точки зрения пробега без подзарядки, скорости зарядки и стоимости. Но для большинства людей электромобили пока не по карману».

Итак, аккумуляторы всё ещё очень дороги. То же самое относится и к электрической трансмиссии. «Поскольку мы работаем над силовыми агрегатами, мы решили обратить внимание на цену системы электропривода, — говорит Даймль. — Так мы пришли к мысли сделать двигатель более компактным, но при этом получить ту же выходную мощность. Мы добиваемся этого, увеличивая частоту вращения».

Мощность, вырабатываемая электродвигателем, рассчитывается следующим образом: крутящий момент (Н·м) × частота вращения (об/мин) = мощность (кВт). Если частота вращения увеличивается, крутящий момент может быть снижен при сохранении той же выходной мощности. «Снижая крутящий момент электродвигателя, можно уменьшить объём двигателя, что увеличивает удельную мощность всего электромобиля, — объясняет Даймль. — Уменьшив массу двигателя с 70 до 35 килограммов, можно уменьшить использование редких металлов, которые применяются в мощных магнитах двигателя, что также делает производство более экологичным».

Создание эффективной и надёжной трансмиссии

С точки зрения механической конструкции силовые агрегаты электромобилей проще их аналогов с двигателями внутреннего сгорания. Но создать эффективную и надёжную электрическую трансмиссию чрезвычайно сложно. Гонка за повышением частоты вращения приводит ко всё более сложным и жёстким условиям эксплуатации подшипников, используемых в трансмиссии электромобилей. Хотя количество подшипников на оси электромобиля примерно такое же, как и на оси обычного автомобиля, с технической точки зрения этот узел стал сложнее. Чтобы выдерживать высокие центробежные усилия и сократить тепло, вырабатываемое подшипником при быстром вращении, такие подшипники должны иметь сепараторы специальной конструкции, соответствующую внутреннюю геометрию и соответствующие характеристики смазочного материала. Производителям также необходимо, чтобы они надёжно работали в течение расчётного срока службы автомобиля — от 10 до 15 лет или до 300 000 километров пробега сегодня и до 500 000 километров или даже больше в ближайшем будущем.

SKF доказала, что этот подшипник может выдержать определённый нами цикл нагрузки и частоты вращения
Матиас Даймль, ответственный за разработку систем для электротранспортных средств, AVL

Около двух лет назад, когда AVL приступила к разработке новой высокоскоростной оси электромобиля, первой задачей было найти подходящий подшипник, способный противостоять силам, вызванным более высокой частотой вращения. Для этого компании AVL был нужен партнёр, готовый разработать подшипник следующего поколения. С самого начала революции в области электромобилей компания SKF тесно сотрудничала с автомобильной отраслью, чтобы помочь ей справиться с новыми задачами, поэтому она явно была подходящим кандидатом на партнёрство.

«Работа с SKF была очень положительной во всех аспектах, — рассказывает Даймль. — Частый обмен информацией, результатами испытаний и анализа оказался чрезвычайно полезным, и SKF доказала, что подшипник может выдержать определённый нами цикл нагрузки и частоты вращения».

Новая высокоскоростная ось для электромобилей, разработанная компанией AVL

Тесное сотрудничество с SKF

Энтони Симонэн отвечает за направление технических решений в Экспертном центре SKF по разработке узлов для электромобилей и гибридных автомобилей в Сен-Сир-сюр-Луаре, Франция. Команда специалистов Экспертного центра SKF в тесном сотрудничестве с коллегами из Китая, Франции и Италии работала над вдохновляющей, но порой и утомительной задачей разработки нового подшипника SKF HSBB 1.8 для рынка электромобилей.

«Первым препятствием на нашем пути стал сепаратор, — вспоминает Симонэн. — Мы много работали над улучшением конструкции для повышения его жёсткости, чтобы он выдерживал более высокое ускорение и замедление».

Потребовалось несколько месяцев испытаний различных концепций методом моделирования, прежде чем появился короткий список прототипов, готовых для испытательных стендов AVL в Регенсбурге.

«Вторым важным моментом был подбор пластичной смазки, — объясняет Симонэн. — У нас была смазка для высоких частот вращения и смазка для высоких температур, но не было такой, чтобы сочетала в себе оба эти свойства. При поддержке поставщика смазочных материалов мы, наконец, нашли решение, отвечающее всем требованиям».

Улучшенные скоростные характеристики

При разработке нового подшипника для электромобилей частота вращения была не единственной проблемой. Высокое напряжение и быстрая коммутация инвертора электродвигателя приводили к значительному увеличению риска возникновения паразитных токов в компонентах силовой установки. Когда эти токи проходят через обычные стальные подшипники, они могут повредить рабочие поверхности, что приведёт к увеличению трения, повышению вибрации и преждевременному выходу из строя. Для обеспечения улучшенных скоростных характеристик и лучших в своём классе электроизоляционных характеристик в гибридном подшипнике SKF HSBB 1.8 используются керамические элементы качения и стальные кольца.

«Наш недавно запущенный в производство подшипник HSBB 1.8 позволит всем нашим клиентам добиться очень высокой частоты вращения в электрическом силовом агрегате, параметр быстроходности составляет до 1,8 млн NDm*, — говорит Симонэн. — Это позволит повысить эффективность и увеличить пробег автомобиля при меньших затратах, чем путём увеличения размера аккумуляторной батареи».

Огромный интерес со стороны автомобильной отрасли

Как говорит Симонэн, интерес со стороны автомобильной отрасли был огромен. Всего через несколько дней после выпуска этого подшипника компания получила множество запросов. «SKF разработала надёжное решение для обеспечения высокой частоты вращения в электромобилях, — объясняет он. — Конечно, я рад этому и заинтересован в том, чтобы этот подшипник начал использоваться в автомобильной отрасли».

Высокопроизводительная ось компании AVL с двумя электродвигателями покинула испытательные стенды и доказала свои возможности на демонстрационном автомобиле Tesla Model S90. Поскольку электромобиль намного тише обычного автомобиля, даже небольшой уровень шума или вибрации от силовой установки становится заметным. По словам Даймля, новый электропривод прошёл и этот тест.

«Мы готовы к массовому производству, — говорит Даймль. — Следующий шаг — найти производителя электромобилей, который верит в эту новую технологию, продвинувшуюся настолько далеко вперёд, что это почти невероятно. Если вы ведёте машину и чувствуете ускорение, а затем видите, насколько мал на самом деле электродвигатель, это кажется просто чудом».

*N — предельная частота вращения подшипника в об/мин; Dm — средний диаметр подшипника в миллиметрах.

Высокопроизводительная ось компании AVL доказала свои возможности на демонстрационном автомобиле Tesla Model S90

Подшипники с высокими рабочими характеристиками

SKF поддерживает автомобильную отрасль с самого начала революции в области электромобилей. Вот почему многие производители в Азии, Европе и Северной Америке выбрали для своей электрической трансмиссии подшипники SKF.

Недавно SKF выпустила новый высокоскоростной шарикоподшипник 1.8 (HSBB 1.8), который способен достигать частоты вращения 30 000 об/мин*. Это позволяет автопроизводителям обеспечить более высокий КПД и, следовательно, больший пробег между подзарядками.

Им нужны также цепочки поставок и технические возможности, которые хорошо сочетаются с их производственной базой и подходами к разработке продукции. SKF применила подход по развитию всей производственной цепочки, инвестируя в разработку, производство и испытания продукции, ориентированной на локальный рынок электромобилей.

Согласно исследованию института McKinsey, консультанта по глобальному управлению, в ближайшие два года автопроизводители выпустят около 450 новых моделей аккумуляторных и гибридных автомобилей. SKF имеет все технические и производственные возможности, а также цепочки поставок, необходимые для поддержки ускоренного роста данного сектора.

*Параметр быстроходности 1,8 млн NDm, который для подшипника с внутренним диаметром 40 мм и наружным диаметром 80 мм равен 30 000 об/мин.