近些年，新能源汽车作为节能环保的全新选择，正逐渐成为汽车产业未来发展的重点方向。新能源汽车的快速进步为驱动电动机行业的发展带来了重大契机，而驱动电动机轴承作为其关键组成部分，具有非常广阔的发展前景。伴随新能源汽车行业的迅猛增长，对驱动电动机配套轴承的需求和消耗也将显著增加。
为了支持国内快速进步的电动汽车制造行业，确保驱动电机轴承能够自主生产供应，进行驱动电机轴承的设计创新和相关技术探索非常关键。本文专门研究某类型驱动电机密封深沟球轴承的工作环境与使用标准，系统性地剖析了其设计中的核心要点。
工况条件
电动助力汽车动力单元（水冷式）通常使用双层密封深槽球轴来支撑电机旋转轴（参见图1）。这种轴的结构如图2所示，包含内圈、外圈、密封圈、支架和钢珠。电机运行时，轴主要承受旋转体自身重量、弹簧初始压力、磁吸力和不定时的冲击晃动，常规工作时的压力大约占轴额定活动载荷的百分之三到百分之六。
驱动电动机轴承必须能够应对汽车频繁启停、承受大负荷和超速运转等严苛条件，同时还要保证极高的稳定性和耐久性，并且能够适应各种环境变化，因此该轴承需具备多项关键指标，包括在零下四十摄氏度的低温环境中正常工作，转动时阻力要小，运行时没有异常声音，能够耐受高达一百五十摄氏度的持续高温，在密封和脂润滑状态下，允许的最高转速参数d mn值需超过六十万毫米乘以每分钟转数，按照新能源汽车欧洲续航测试标准NEDC测试，使用寿命至少达到三千小时，无需人工维护，产生的噪音需符合Z3组标准，并且具备出色的快速加减速响应能力。
为了检测轴承在高速和高温（NEDC高速部分）环境下的运行表现和稳定性，必须完成超过1000小时的极限持久（高温、高速）测试，以及以最高转速1.2倍的速率进行超速测试。
驱动电动机轴承的承载能力要求并不高，然而，由于密封方式和保持架材质构造的制约，常规的双面密封深沟球轴承dmn值通常不会超过50mm·r/min，而驱动电动机轴承的dmn值却能够达到90万mm·r/min以上。同时，在环境温度较高的条件下，试验验证时间较长，普通的脂润滑球轴承无法达到使用标准。因此需要增强一般轴承钢制成的套圈与钢珠耐热处理的效果，同时提升支架运行时的平稳度，改进润滑剂在高温下的表现，以及确保封严装置的稳固性。
必须确保在高温环境下正常工作，同时，在零下四十摄氏度的低温环境中，不能产生任何因低温引起的异响，这对保持架的设计以及润滑脂的低温特性提出了很高的要求。另外，汽车制造业特别强调费用控制，因此，给轴承的设计工作带来了更大的挑战。
因此，在构思轴承时，需要关注其耐热与高速运作能力，同时确保在多种温度条件下实现持久润滑和密封效果，并且要考虑成本效益，针对这些方面制定相应对策。
轴承设计
1.材料
选择套圈和钢球材料，以及轴承零件材料时，需要同时考虑实际工作条件，也要顾及成本效益。套圈和钢球多选用GCr15或者GCr15SiMo钢材制造，为了增强轴承在运作中的耐热硬性，防止高温作用下硬度降低，同时避免磨损性能、尺寸准确度以及配合空隙出现劣化，甚至导致轴承卡滞，可以选用表面化学热处理工艺，经过淬火和高温回火处理，表面硬度依然能维持在60HRC以上，显著提升了抗磨损能力。能够优化表层受力情况，让表层产生压应力，从而增强接触疲劳性能。而且，表层存在适量稳定的奥氏体组织，凭借其良好塑性，减弱压痕周边的不良影响，使得源于压痕侧面的疲劳裂纹不易产生和蔓延，进而延长轴承的承载寿命。长沟球保持架的常见构造包括压制成型的波浪形保持架，即钢制款，还有注塑或实体的冠形保持架，以及由机加工或注塑构成的实体铆接保持架。在选择保持架材料时，需要从成本效益和高速运行表现两个维度进行权衡，工程塑料冠形保持架通常是更理想的选择。为了确保在不同环境下的适用性，可以考虑采用玻璃纤维强化的PA46材料，这种材料的耐温区间为负四十度到一百六十度。密封圈通常采用多种材料组合，其中填充物有几种常见类型，包括NBR、ACM、HNBR和FPM，而支撑结构则多选用SPCC（DC01）这种低含碳量的钢材。NBR适用的温度区间从零下四十度延伸到一百二十度，ACM能够耐受的温度界限为零下三十度到一百八十度，HNBR的耐温能力则覆盖零下五十度至一百六十度，FPM则展现出从零下三十度到二百五十度的广泛温度承受范围。ACM具备不错的成本效益，并且这种材料在汽车发电机轴承上的应用已经非常普遍，ACM能够在160℃的高温环境下持续稳定运作，通过优化胶料成分，可以确保密封圈的工作温度区间符合实际需求，所以驱动电动机轴承密封圈的材料可以选择ACM与SPCC（DC01）的组合。
2.精度
对于普通电动机轴承，如果性能要求不高，那么轴承的精度通常在P6到P5级之间就可以了，这样就能满足实际应用的需要。驱动电动机轴承的工作环境更为严苛，特别是高热和高速情况，这对轴承的动态特性、润滑油的膜形成能力以及使用寿命的稳定性等指标要求更严，要实现轴承的长寿命和高可靠性，其旋转精度至少要达到P4标准，钢球精度需为G10等级，振动标准应属于Z3组。
3.主参数优化
针对驱动电机轴承在高速运转时的工况特点，在调整主要参数时，需要着力减小轴承的内部摩擦力矩（能量消耗）M，并控制预紧状态下的旋滚比w s/w r，以此实现降低轴承温度的效果，此外还要考虑轴承的支撑能力（C r），确保其能够达到预期的疲劳寿命标准，因此可以设定多目标优化设计的目标表达式f为
选定目标函数之后，依据深沟球轴承的构造特性以及轴承的实际运行条件，明确球体直径、球体数量、中心圆尺寸、沟道曲率等深沟球轴承核心参数的不同水平，运用正交实验设计方法对轴承核心参数加以改进，目的是使目标函数值达到最优，也就是让摩擦力矩与旋滚比尽可能小，同时使额定载荷尽可能大。
以型号为6209的驱动电机用轴承为例，运用目标函数和优化方法，可以得出该轴承的摩擦力矩、旋滚比以及额定动载荷（无量纲形式）与标准设计同类轴承的对比数据，如图4所示。可以看出，优化后的轴承摩擦力矩和预载状态下的旋滚比大幅度减小，表明优化设计所得到的参数实现了高速减少摩擦和降低发热量的目标。动载荷额定值显著减小，不过此轴承受的负荷并不重，经过复查符合抗疲劳标准。
4.游隙
轴承的游隙是一项关键的技术指标，它对轴承的承载能力、振动情况、噪音水平、摩擦系数、温度变化、工作期限以及机械的运行准确性等性能有直接影响。游隙偏大，会导致轴承内部承担重量的区域减少，接触点的压力增大，进而使工作期限变短。游隙过大，还会造成轴承的运行精确度降低，振动和噪音增强。间隙太小，有可能在操作时产生负间隙（过紧），造成摩擦和生热加剧，温度上升，接着有效间隙会变得更小或过紧更严重，这样不断恶化的循环会使轴承卡住。
驱动电机的轴承间隙一般选C3组，不过设计时需考虑座体材质是钢还是铝合金等差异，还要看温度变化和装配情况，对加工间隙进行复核，确保实际运行间隙在理想范围。
5.保持架
在通常工作状态下，注射成型冠形保持架的构思和运用已经非常完善。不过，在高温和高速环境下怎样构思，业内尚在尝试和验证环节，和国外的距离比较明显。图5描绘的是普通冠型保持架构造的图示，因为这个构造的保持架属于非对称构造，在高温高速状况下受温度和离心力的作用肯定会产生形变。图六描绘了某类型驱动电机轴承保持架在高温高速环境下的有限元变形情况。可以看出，离心力和高温共同作用下，保持架的锁爪部分向外部翻转，存在可能与套圈或密封件发生碰撞的问题。
根据海外某企业使用标准保持架在高温高速测试后的表面接触状态分析，高速运转时爪部向外翻翘，使得兜孔内侧边缘与滚珠接触的印记非常清晰，从而形成了新的热源点。同时，从润滑脂变质的位置观察，滚珠兜孔和保持架的常规工作区域，出现了润滑脂堆积的现象，过多的润滑脂在滚珠高速切割力的作用下，其老化进程明显加快。
所以，针对轴承保持架的结构构思，必须考虑高温和高速带来的不良作用，要选择恰当的保持架凹槽的规格，还要留意凹槽和钢珠相接部分的轮廓规划，防止润滑脂在凹槽里积聚，造成摩擦力变大，以及润滑脂过早失去效用。
6.密封
依据驱动电机轴承在高速高热状态下的工作特性，当温度持续上升时，润滑脂中的基础油会变得越来越稀薄，这会加大脂体外泄的可能性，因此需要采用性能稳定的密封装置。深沟球轴承的密封构造多种多样，包括从单边唇片到双边唇片的不同设计，以及从非接触式到接触式的多种方式，并且接触的紧密度也有强弱之分。密封不严、非直接或压力轻微，摩擦阻力不大，有利于轴承高速低阻运行，不过润滑脂容易流失；相对而言，若能控制脂的泄漏，摩擦阻力会变大，密封圈温度会比较高，从而加速其老化和损耗。
驱动电动机轴承的dmn值很高，因此密封圈唇口接触线速度超过30m/s，普通密封圈材料在压缩量0.1到0.2毫米时，极限线速度一般不超过15到20米每秒，所以选用更优异的材料，比如HNBR、FPM等，并且唇口润滑充分，接触线速度能达到25到30米每秒。
设计密封圈唇口时，必须关注接触线速度问题，防止高速运转时，密封接触唇口因过热而胶粘，进而引发轴承提前损坏。为此，在开发驱动电动机轴承密封圈时，可以选用迷宫式非接触密封和轻接触式密封相结合的方案，以此确保密封性能稳定。同时，与密封圈配合的密封槽尺寸精度和槽口表面光洁度，都必须严格把关。
7.润滑
保证轴承稳定运行至关重要，这一点在极端温度和高速运转条件下尤为明显，对润滑品质提出更高标准。采用脂润滑技术，驱动电机轴承的稳定工作面临更大考验。SKF公司提供的润滑脂使用期限，同深沟球轴承的转动速度和运作温度关联密切，若A值即dmn超过65万毫米·转每分钟，且在100摄氏度的高温环境中操作，若选用常规润滑脂，其使用时间会少于1000小时，无法达到实际应用标准。
SKF-E2润滑脂与kluber-BEP润滑脂为两种常见的电动机轴承用润滑脂，它们的运动黏度随温度波动呈现对数关系式变化，黏度会随着温度上升而快速减小。SKF-E2脂在低温环境下的黏度明显低于kluber-BEP脂，因此其低温扭矩表现更佳。而kluber-BEP脂在高温条件下的黏度则稍高于E2脂。
为了检测两种润滑脂的高温减摩作用，借助哈姆洛克-道森的润滑学原理，针对特定型号驱动电机的轴承，在NEDC工作模式中，对油膜厚度及其相关指标进行了推算和审视，具体数据见图8和图9。根据图9的信息，两种润滑脂的膜厚随转速的升高而变大，随转速的降低而变小，最小的膜厚超过0.05毫米，因此沟道表面的粗糙度参数Ra必须低于0.05毫米，才能有效防止进入边界润滑的情况，膜厚会随着黏度的提高而变大，在低速和高速两种工作条件下，kluber-BEP润滑脂的膜厚始终高于SKF-E2脂。
评估滚动接触面润滑好坏，常依据润滑油膜厚度同表面粗糙度的比值，这个比值称为膜厚参数Λ。
实验数据揭示，当Λ数值介于三与四之间时，生物体存活周期波动不大；一旦Λ数值逼近一或者低于一，生物体存活周期会迅速降低，并且会出现显著的表层脱落现象或者磨损导致的功能丧失。这两种润滑剂在低转速条件下的油膜厚度指标偏小，不过数值均超过一，符合润滑的基本条件。Kluber-BEP润滑脂除了低转速条件外，其他工作状态下的油膜厚度指标介于四与六之间，其性能要胜过E2润滑脂。
必须留意，先前探讨的环境为高温情形，未曾涉及低温场景，挑选脂类产品时，务必将高低温度下的减摩作用统筹权衡考虑。Kluber脂在高温条件下的减摩作用十分出色，其低温时的粘度较E2脂高出将近三十倍，但低温状态下的转动阻力表现远逊于E2，低温性能测试结果也证实了该情况，所以，挑选的脂类产品，其粘度随温度变化的曲线应当位于这两种脂类之间。
挑选润滑脂时，除了要关注基础油的粘稠度，还必须确保稠化剂的构造平滑，纤维要精细，并且清洁程度要高，也就是振动要小，这样才能有效防止轴承在零下四十摄氏度的极端温度下工作时产生异常声响，同时也要具备出色的抗高速剪切性能，耐高温氧化能力要强，抗磨损能力也要好，另外，像高温分油率和稠度这些与漏脂率直接相关的参数，也必须认真考量。
脂润滑球轴承的填充脂的多少很关键。脂太多，会加大轴承内部的搅动阻力，导致温度过高；脂太少，在脂的消耗或高温、高速导致的性能下降下，难以做到持久润滑。对于高温高速的工作环境，驱动电机轴承填充的脂量最好控制在内部空隙容积的八成到九成之间，具体还要看脂的粘稠度，可以再略作变动。
性能分析
1.承载能力
依据前述研究制定的特定型号驱动电机用配套轴承6209，其径向与轴向负荷承受性能等指标分析如下：
轴承的径向支撑性能，依据资料三、四和五，对相关承载指标，包括额定动载荷值Cr、额定静载荷值Cor、静力安全系数、接触压强等，实施了验证，具体数据参见表1。计算环节，选用了轴承实际作业状态下的当量负荷Pr（Por），其数值为1千牛。
根据表1的数据，轴承在承受工作载荷时，其最大接触压力大约为1900兆帕，静载安全系数10.1明显超过了文献6所建议的So值2，表明安全储备充足，其支撑能力符合实际应用的需求。承受轴向力的大小，要考虑动力装置的随机抖动情况，保证在承受轴向冲击力时，轴承内部滚珠与滚道不会发生接触面变形，必须检测轴承的轴向力承受程度。对于小型汽车的动力单元，其旋转部分的重量在20到50公斤之间，冲击性加速度达到10倍重力加速度，那么轴承需要承受的最大轴向冲击性作用力大约是5000牛顿。经过计算，该轴承的轴向承力达到10 200N，远远超过了轴向冲击力的作用，能够有效防止接触椭圆被切断的情况发生，其轴向承力完全符合设计标准。
2.疲劳寿命
依据资料，针对特定型号驱动电机配套的6209轴承，在极限耐久测试条件及NEDC测试条件下，已经完成了基本额定疲劳寿命和修正额定疲劳寿命的计算，相关数据参见表2。在计算修正额定寿命的过程中，选用了SKF-E2和Kluber-BEP两种润滑脂的参数。
电动机轴承的寿命测试标准，还有，根据SKF-E2脂的参数算出的寿命指标，远远不如Kluber-BEP脂得出的结果，表明润滑脂对轴承的耐用度作用极大，假如不关注润滑脂在低温下的表现，Kluber-BEP脂更能帮助延长轴承的运作时间。
结 语
本文针对新能源汽车驱动电动机轴承的工作状况及使用需求，深入探讨了轴承材料选择、构造设计、密封措施、润滑方式等核心设计技术，具体分析了相关技术难点并提出了改进措施，同时以某款驱动电动机配套轴承为实例，对承载性能、使用寿命等关键指标进行了评估，确认了主要设计参数的可靠性，为新能源汽车驱动电动机轴承的标准化生产提供了理论支持。
