Laakereiden sähköisen eroosion ehkäiseminen sähköajoneuvojen voimansiirtolaitteissa

NSK on kehittänyt uuden kustannustehokkaan tavan ehkäistä sähköeroosiota sähköajoneuvojen (EV) voimansiirrossa. Tapa perustuu ainutlaatuiseen menetelmään, jossa urakuulalaakerit peitetään muovisella ylivalulla. Sähköajoneuvojen valmistajat voivat saavuttaa sen avulla merkittäviä säästöjä verrattuna kalliisiin "hybridilaakereihin", joissa käytetään keraamisia eristäviä osia.

Loisvirta voi kulkea EV-moottorin läpi monia erilaisia reittejä. Tähän voi vaikuttaa esimerkiksi vaihtosuuntaaja, joka kytkee virtaa vähän väliä eri vaiheiden välillä. Myös erityyppiset sähkömoottoriratkaisut synnyttävät erilaisia laakerivirtoja, kuten roottorin maadoituslaakerivirtoja, kiertäviä laakerivirtoja ja EDM (Electrical Discharge Machining) -virtoja.

Erityisesti EDM-virrat muodostavat laakereille merkittävän riskin, joka johtuu suurelta osin tietyillä jännitteillä syntyvistä valokaarista. Tämä valokaari (kuorman latautuminen) johtaa hallitsemattomaan purkautumiseen melko suurilla ampeeriarvoilla, mikä muuttaa olennaisesti teräksisten laakerirenkaiden ja -kuulien morfologiaa. Tällöin materiaali sulaa ja jähmettyy uudelleen metallipinnalle niin, että laakerin sekä sisä- että ulkorenkaan kulumispintoihin alkaa ilmestyä useita mikrometrejä syviä aaltomuotoja. Käyntiäänen kasvaminen on usein ensimmäinen merkki tästä ongelmasta. Sähköautot ovat kehittyneet yhä äänettömämmiksi eikä niissä haluta melua.

NSK päätti, että oli aika ryhtyä kehittämään ratkaisua tähän pitkään jatkuneeseen ongelmaan arvioimalla ensin sähköistä eroosiota edistäviä olosuhteita, mukaan lukien sellaiset käyttöolosuhteet kuten kuormitus, pyörimisnopeus, lämpötila ja voiteluaineen viskositeetti, tästä seuraava voitelu (hydrodynaaminen, sekoitettu, ohutvoitelu) sekä sähköiset ominaisuudet, kuten vastus (materiaalinen ja kapasitiivinen).

Sähköeroosiota on pyritty ehkäisemään pääasiassa joko eristyksellä tai johtamisella. Jos varaukset eivät ole liian suuria, johtavan rasvan, tiivisteen tai muun maadoituselementin käyttö voi riittää. Eräissä laakereissa, kuten vaihteistoon kiinnitettävässä vetopään laakerissa, tarvitaan kuitenkin joko keraamisilla tai muovisilla laakerikomponenteilla suoritettua eristystä. NSK voi esimerkiksi käyttää keraamisia pinnoitteita ulko- ja sisärenkaissa tai valmistaa kokonaiset rullaelementit ja kuulat keraamisista materiaaleista. Vaikka nämä »hybridilaakerit» tarjoavat optimaalisen suojan sähköistä eroosiota vastaan, ne ovat myös kalliita.

Kustannustehokkaampaa ratkaisua tarvitaan kipeästi, koska sähköautojen suurjännitearkkitehtuuri on siirtymässä nykyisin vallitsevista 400 voltin järjestelmistä 800 voltin järjestelmiin. Jälkimmäisten osuus markkinoista voi kasvaa 50 prosenttiin jo vuonna 2030, mikä yksinkertaisesti sanottuna kaksinkertaistaa ongelman ja edellyttää entistä parempaa laakerien suojausta.

NSK ehdottaakin, että tähän käytettäisiin muovia, joka on valmistettu korkeatehoisesta PPS-polymeeristä (polyfenyleenisulfidi), joka kestää hyvin lämpöä ja monenlaisia kemikaaleja ja jonka sähköinen ja mekaaninen suorituskyky on vakaa (jopa 150 °C:n lämpötiloissa). Lisäksi materiaali imee vain vähän vettä, toisin kuin monet muut polymeerityypit, minkä ansiosta sen mitat eivät muutu.

NSK:n kattavat testit osoittavat ylivalettujen laakereiden suorituskyvyn yhtiön vakiolaakereihin verrattuna. Esimerkiksi 24 voltin jännitteellä ja 15 kHz:n taajuudella tavallisissa laakereissa havaittiin selvää sähköistä eroosiota sisä- ja ulkorenkaissa. Sen sijaan uusissa NSK:n ylivaletuissa laakereissa ei havaittu mitään merkkejä tästä ilmiöstä. Sama tulos saatiin eri pyörimisnopeuksilla.

Ylivalussa käytetään innovatiivista ruiskuvaluprosessia, joka suoritetaan NSK:n tuotantolaitoksessa Euroopassa ja jonka tarkoituksena on optimoida sähköautoteollisuudelle suunnattu tuotetarjonta. Erityiset valuominaisuudet varmistavat molekyylien ja lasikuitujen homogeenisen jakautumisen ja suuntautumisen sekä optimoivat niiden mekaanisen suorituskyvyn. On huomattavaa, että ylivalu on niin tarkkaa, että sitä ei tarvitse hioa, jolloin pinta jää sellaisekseen. Tämän seurauksena laakeripesän ja laakerin ulkohalkaisijan välillä ei ole 100-prosenttista kontaktia, vaan siihen jää ilmalla täytettyjä aukkoja. Ilma on hyvä eriste, eikä se maksa mitään. Tämä innovaatio differentioi NSK:n ratkaisun muista ratkaisuista. Ei-sileän pinnan lisäetuna on se, että se ratkaisee pinttyneen ongelman laakerin liikkumisesta pesässä, koska se voi tarjota paremman sovituksen useiden kosketuspisteiden ansiosta (käyttötapauksesta riippuen).

Sisä- ja ulkokehällä käytettävän patentoidun eristekerroksen paksuus on 0,7-1,2 mm. Ylimääräisen materiaalin mahduttamiseksi NSK tarjoaa tilaneutraaleja ratkaisuita. Tämä on helpointa, kun aloitetaan uuden laakerin suunnittelu, vaikka NSK voi myös työstää materiaalia olemassa olevien laakereiden ulkohalkaisijasta tarpeen mukaan. Tähän ratkaisuun liittyy kuitenkin kustannuksia. Toinen vaihtoehto on se, että OEM-valmistajat avaavat laakeripesän, jolloin NSK:n ei tarvitse muuttaa prosessiaan. Tällä tavalla EV-valmistajat voivat hyödyntää täysimääräisesti merkittäviä kustannussäästöjä hybridilaakereihin verrattuna.

Vihdoinkin sähköautoteollisuudella on kustannustehokas ratkaisu, joka ehkäisee laakereiden sähköisen eroosion sähköisessä voimansiirrossa. Ylivalua voidaan tällä hetkellä käyttää NSK:n 6008- ja pian myös 6206-urakuulalaakerisarjan kanssa (tiivistetty ja tiivistämätön), jotka ovat molemmat ihanteellisia EV-sovelluksiin.

Lisäksi mainitsemme, että NSK:lta on saatavana modulaarinen testimuotti, joka kattaa ulkohalkaisijat 55-95 mm (jopa 30 mm leveä). Yritys on näin ollen valmis suorittamaan testejä asiakkaille, joiden vaatimukset osuvat tälle välille.

  Kysy lisätietoja…