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新能源汽车电驱动系统高转速油封应用现状

发布时间:2020-02-28
  搞电驱动系统的工程师可能都碰到过选高速油封这件事儿,大多数人的想法是选个标准款的油封,或者能够借用其他电驱动系统上的成熟应用产品。这是很合理的想法,因为油封这种产品在发动机、变速箱、油泵等系统中用的很多,也很成熟。譬如NOK的TC型标准油封,因为太过经典,几乎已经成为油封的代名词。
(NOK的TC型骨架油封几乎是油封的代名词)
  在新能源汽车发展的早期,就有一些车型使用TC型标准油封作为电驱动输入轴油封,而随着应用要求的提升,TC型油封几乎已经完全被其他类型的油封取代。
  目前,应用于电驱动高速输入轴的油封基本可以分为橡胶骨架油封和特氟龙(PTFE)油封两大类。
  1.橡胶骨架油封(有弹簧)
  最广泛使用的仍然是橡胶骨架弹簧油封,橡胶材料通常选用氟橡胶或丙烯酸酯橡胶,因为它们都具有较好的耐热性和耐油性,非常适合电驱动系统高速旋转的工况。
  在这类橡胶油封中,最知名的型式是HTC型。H表示Helix(英文意思是螺旋),HTC的意思就是在TC型油封的基础上加了螺旋线。
(NOK的HTC型油封应用十分广泛)
  螺旋线在油封设计中又叫回油线,它的出现大概是在20世纪70年代左右。通过在油封密封唇靠近空气侧添加一定数量、形状、角度的细小突筋,它们可以将从密封唇向外泄露的流体通过螺旋泵吸作用返回油侧。回油线的出现,使旋转密封的可靠性大大增加,因此在发动机和变速箱上,HTC型油封得到了广泛应用。
 (1972年的美国专利介绍了回油线设计,专利号:3633927)
  从传统的燃油车到新能源电动汽车,发动机和变速箱的应用工况与电机和减速器的应用工况有着诸多相似之处,因此HTC型油封理所当然地被“借用”到了电驱动系统中。
  考虑到电机高转速带来的摩擦热量和减速器的贫油润滑方式,油封制造商基于降低扭矩和摩擦的目标对HTC型油封进行了相应的改进设计,已知的包括:
  将密封唇长度变短,使腰厚最适化,以抑制追随延迟。同时减小弹簧抱紧力,以减少高速旋转时产生的摩擦。
(许多知名油封制造商都对传统的唇形进行了改进,来源:科德宝官网)
  通过新橡胶材料(新型氟橡胶、丙烯酸酯橡胶)的开发或唇口添加特氟龙(PTFE)材料涂层降低扭矩。
 (NOK采用新型材料和PTFE涂层降低扭矩,来源:NOK官网)
  这些改进,将HTC型油封的许用圆周速度(线速度)提升到了38m/s左右,突破了TC型标准油封的极限。
(标准油封的许用线速度,来源:NOK)
   注:圆周速度,又称线速度,是指一个点做圆周运动时每秒通过的距离,通常用m/s来表示,是油封应用的核心指标。计算公式为:
 (其中,d是轴的直径,单位mm,n为转速,单位rpm)
  由于电驱动系统电机峰值转速普遍在10000~16000rpm之间,对应线速度一般在18~35m/s,因此HTC型油封已经可以满足主流应用。市面上在售的新能源汽车中,80%以上的电驱动高转速油封用的是HTC型。
  然而,电驱动系统应用HTC型油封有一个问题:电机和发动机不同,需要双向旋转来完成前进和倒退的功能,因此油封必须能够满足双向密封。而HTC型油封尽管可以设计成双向回油线型式,回油效果却会比单向回油线差,双向回油线HTC型油封许用线速度通常会降至30m/s以下。
(NOK双向回油线设计,专利号US20180119820A1)
  所以在应用HTC型油封时,应该视情况选择单向还是双向回油线。
  线速度超过30m/s,应用位置的旋转方向固定,通常采用单向回油线的HTC型油封,因为单向回油线也可以耐受一定速度(10m/s以内)的反转。
  线速度不超过30m/s,反向转速较高,应用位置的旋转方向不固定,通常采用双向回油线的HTC型油封。
  2.橡胶骨架油封(无弹黄)
  显然,HTC型油封是目前电驱动高转速密封应用的主力产品。然而,在更低摩擦、更高追随、更高线速度的需求下,无弹簧的低摩擦橡胶骨架油封也得到应用,材料依然是氟橡胶和丙烯酸酯橡胶为主。
 (各种无弹黄低摩擦油封,来源:互联网)
   这种油封其实早已用在发动机密封上,因其改善扭矩和减少摩擦的特性,也被引入电驱动系统应用。在2019年上海车展上,奥迪展出了eTron的电驱动系统,让大众看到了这种油封的实际应用。
(奥迪eTron的电驱动高速油封,来源:2019上海车展)
  这种油封的特点是,低摩擦,单向旋转许用线速度高(Max.45m/s),良好的动态偏心追随性,但劣势是不耐反转,通常只能满足1500rpm以下3min以内的反转需求。
  为什么不耐反转?因为它的密封唇不是标准油封的设计。标准油封的唇形设计即使没有回油线也自带泵吸回油功能,而这种唇形是靠螺旋槽实现泵吸功能。螺旋槽与回油线不一样,它是单向通道,因此这种类型的油封只能适用于单向高速旋转的工况。
(标准油封的泵吸试验,来源:NOK)
  3.特氟龙(PTFE)油封
  PTFE材料具备很多优点,包括出色的化学物质兼容性(几乎和所有油品都兼容),-40~250℃的高低温范围,低摩擦系数,自润滑能力……从20世纪90年代开始,PTFE油封就已应用于发动机曲轴密封,用以降低扭矩,提高系统效率。
  PTFE油封种类很多,应用于汽车发动机上的主要是带螺旋槽的骨架油封。
  PTFE油封的密封机理主要有两点:
  (1)PTFE材料的记忆效应和过盈配合
  当PTFE唇口与轴过盈配合时,变形的PTFE材料会试图恢复其在制造过程中的成型形状,利用这一特性可以给抱轴的密封唇提供必要的径向负载,相当于橡胶弹簧油封中的弹簧抱紧力。
  (2)螺旋槽的泵吸作用
  通过螺旋槽的泵吸作用将试图泄漏出去的流体泵回油侧,这与上文介绍的不带弹簧的低摩擦橡胶骨架油封一样,只是密封唇材料换成了PTFE。
  带螺旋槽的PTFE许用线速度可以达到50~60m/s。
  然而,在现有的电驱动系统中很难发现PTFE油封的身影,这是为什么?发动机上用的好好的,PTFE材料本身又给力,许用线速度比橡胶骨架油封高了很多,为什么就是没有实际应用?
  问题还是在耐反转能力:因为螺旋槽的单向泵吸特性,它不耐反转!而国内《QC/T1022-2015纯电动乘用车用减速器总成技术条件》中的动态密封测试标准,对油封反转能力有着较为苛刻的要求——正转最大转速的30%!这个指标让能力很优秀的PTFE油封也无处施展自己的才华。
 (业内熟知的QC/T1022动态密封试验标准,电驱动界的旗帜,油封制造商的梦魇)
  针对这种情况,油封制造商在螺旋槽的设计上做了改进,主要是调整螺旋角的设计或者取消角度,使其适用于双向旋转的工况。但这样做会大大降低PTFE油封的泵吸能力,因为没有螺旋泵吸作用的PTFE油封只能依靠记忆效应与过盈配合进行密封,许用线速度一般会降至30m/s左右。而在这个区间内,橡胶骨架油封足以胜任。
 (特瑞堡PTFE油封,带螺旋槽结构来源:特瑞堡)
  未来趋势
  未来油封的应用趋势与电机高速化、电机冷却方式等相关,考虑到电驱动制造商对成本的控制,未来电机的最高转速也会受到限制。因此,橡胶骨架油封在较长一段时间内应该仍然是主流应用。
  针对40m/s以上的超高速应用场景,油封制造商的改进和创新重点在油封材料和螺旋线的设计上。譬如用配方更优异的橡胶材料代替普通的氟橡胶和丙烯酸酯橡胶,在无弹黄橡胶油封和PTFE油封上设计耐双向旋转的回油线。
(KACO的材料与回油线改进方案来源:KACO官网)
  小结:新能源电驱动高速旋转密封仍然是以橡胶骨架油封为主流方案,新型高转速油封的开发仍面临许多挑战,毕竟突破传统的经典方案并不容易,油封的应用也与轴孔加工、润滑油、润滑方式等环境因素密切相关。当然,电驱动高转速油封的最终形态如何,还是取决于未来新能源汽车电驱动系统的技术发展。
(来源:天空之城1900)

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