英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

电动汽车电机用润滑脂：增稠效应与节能潜力

加布里埃尔·卡尔德隆·萨尔梅隆，约翰·莱克纳，法比安bull;施瓦克鲁克，谢尔盖·格拉瓦茨基

关键词：润滑脂润滑、复合锂润滑、脂聚丙烯润滑脂、轴承摩擦力矩

摘要：

电动汽车驱动系统中的电动汽车电机配备了润滑脂润滑轴承，在低转速和高转速下运行，并经常变速。润滑脂轴承系统必须确保长寿命和低扭矩，以提高效率和可持续性。本文主要研究了锂络合物和聚丙烯两种增稠剂在电动汽车典型工况下对润滑脂润滑性能的影响。在8个长时间(337小时)的实验中，从摩擦力矩和能耗方面对两种增稠器进行了比较。结果表明，与锂络合物相比，聚丙烯增稠剂的能耗降低了21.5。分析了试验中润滑脂流变和降解的变化，并与润滑脂的润滑性能进行了关联。

1. 介绍

在过去的100年里，电动汽车在汽车市场上一直被内燃机汽车边缘化 [1]。 电动汽车最近因电子移动性的快速增长而成为焦点，实现气候指标的关键技术[2-4]。此外，关键 电动汽车中的组件，如电池，现在更加强大和负担得起[5]，使电动汽车 对客户更具吸引力。国际能源署的预测指出，到2030年，电动汽车将占 汽车销量的30%左右[6]。因此，进一步发展相关的电动汽车技术，对持续提高电动汽车的效率和安全性是适时的。

电池的优化[7,8]和能量管理策略 [9]是电动汽车技术发展领域中最具主导地位的研究课题之一。然而，许多直接影响车辆效率和可靠性的部件和系统却一直被忽视。其中一个关 键成分是润滑脂[10]。润滑脂通常由三种成分组成:(i)基地油，(ii)增稠剂，和(iii)功能性添加剂。滚动轴承是电动机的一个关键部件，通常用润滑脂润滑，特别是在终身密封的应用场合或不可能经常维 修的情况下[11,12]。

最近的文章详细介绍了电动汽车目前的摩擦学需求[10，13-15]，并强调了即将到来的摩擦学挑战。 许多电动汽车部件与装有内部 内燃机，但电动汽车的运行条件不同[16]。这些差异的典型例子是电汽车发动机运行时的高速度和可变速度[10,17]。问题是如何使润滑脂润滑技术适应这些新的运行条件，并以最长的使用寿命实现最低的功率损失[10,13,16]。为了减少摩擦损失，电动汽车的润滑脂是用低粘度的基础 油配制的。合成油是首选的，因为它们具有高的氧化稳定性[18]。选择合适的增稠剂用于电动汽车润滑脂仍在研究中。

锂增稠剂是润滑滚动轴承的润滑脂中最常用的增稠剂[19,20]。这主要是因为它们具有良好的热稳定性[18]。锂基润滑脂是电动汽车轴承润滑的潜在候选材料，但其在电动汽车新的运行条件(如低转速和高变速)下 的性能有待研究。锂的可得性和成本相当不可预测，这也引起了进一步的关注[18、21、22]。在世界范围内，润滑脂工业几十年来一直是锂的第三大消费国[23]。 在中国，用于润滑脂生产的锂约占该商品总产量的 15%[24]。因此，对于电子马达滚动轴承，应考虑使用可选稠化剂的润滑脂[25]。

聚丙烯(PP)润滑脂可以满足电子马达轴承的低摩擦和长寿命要求。 它们的非极性性质不同于锂脂的离子性性质。另外，PP润滑脂与其它 润滑脂具有良好的相容性[26]。然而，添加PP增稠剂的润滑脂的结构和 功能性能与添加锂复合增稠剂的润滑脂有很大差异[25]。例如，PP润滑脂在轴承运行过程中，由于其特有的结构退化过程，其补充和放气性能 受到影响[27]。更低的摩擦力和更好的成膜能力-在推力球轴承试验[28-31]和球盘试验[32，33]中，已经多次证实了PP润滑脂与锂润滑脂相比的使用性能。这些测试通常执行在低速到中速和短期内。 R2F-A滚子元件轴承在恒速下的试验表明，与锂基润滑脂相比，PP润滑脂可将轴承寿命延长至少5倍[27,34]。

研究了球盘接触装置中增稠剂种类对成膜和摩擦的影响 [35-42,28,32]。这些实验大多是在充分条件下进行的使用润滑脂勺的浸水接触条件。薄膜厚度的测量显示了增稠剂的直接和 间接作用，取决于夹带速度[36,43]。在较高的夹带速度下，润滑脂中的基础油成分占成膜的主导地位。 在低夹带速度下，增稠剂增加了膜厚。薄膜厚度的增加取决于增稠剂的选择和配方[35]。

轴承摩擦力取决于润滑脂浓缩器，因为它控制基础油排放率和接触补充。几项研究全面描述了不同润滑脂配方的摩擦性能轴承试验[44-49,30,29]。推力轴承，不常见的部分 在这些测试中主要使用电动马达，在这些测试中测量摩擦力矩。然而，这些测试只持续了不到几个小时的相对较短的时间，并且是在中低速下进行的[29]。一些报告还描述了在低速和高负荷下进行的长时间试验 (240小时)的结果[27,34,50]。

为了比较不同尺寸轴承的运行状况，可以方便地使用转速n与轴承平均直径Dm=d 2d的乘积n2dm因子。根据[51]，当球轴承的转速大于300KNDM时，可以认为是高的。因此，在整个论文中，术语高速是指超过300knDm的knDm值。 1显示了旋转速度和knDm值从现有文献中汇编，这些文献也报道了滚动轴承中的摩擦。它还强调了在这项研究中使用的速度范围，它对应于常见的电子马达速度。

据我们所知，在长期试验中，不同增稠剂的加入对轴承在高速、变转速下摩擦力的影响尚未见报道。因此，我们基于普通锂复合物(LiX) 技术和适用于高速应用的替代PP技术，研究了润滑脂润滑球轴承的摩擦特性和能耗。

2、方法和材料 我们研制了高速轴承试验机(HSBTM)来研究

轴承-润滑脂系统在典型条件下的电子马达。该机器便于同时测试四个轴承的摩擦力矩和自感工作温度的测量。在内部设计的HSBTM中，用32个轴承进行了八次LiX和PP润滑脂的试验。

2.1. 高速轴承试验机

HSBTM由两个测试单元组成(图2)。 这些单元的轴通过弹性联轴器连接到中间轴，中间轴通过同步皮带/滑轮系统由位于试验台下的电动机驱动。

每个单元包括四个测试轴承和两个支撑轴承。试验轴承(SKF 6208) 是深沟球轴承，平均直径(dm)为60毫米，极限转速为11000转/分。测试轴承位于并安装在两个同心壳体中的测试单元的中心。这些外壳用于径向定位轴承，并施加径向和轴向载荷。轴支承轴承(SKF 6204)安装 在固定于工作台的两个壳体中。

试验机的径向加载机构背靠背推动两个同心壳体，从而对轴承施加载荷。该机构包括一个螺栓，当拧紧时，该螺栓将内壳向上拉，并将外壳向下推，产生一个夹紧力F。在整个实验过程中，该力由位于螺栓头下的透射电镜补偿测力传感器监控。径向施加在每个轴承上的力等于测量夹紧力的一半。轴承上的轴向载荷是通过与外轴承圈接触的波弹簧施加的。因此，轴向力是由波弹簧的变形控制的。这种变形是通过使用具有预设尺寸的外壳盖来实现的。几个传感器被用来监控每个测试单元的操作。由四个测试轴承产生的摩擦力矩由防止测试轴承座旋转的测压元件直接测量。四个热电偶，每个测试轴承一个，放置在与测试轴承的受力点相对应的位置，与轴承的外圈接触。另外两个热电偶连接到支撑轴承上。环境湿度和温度也被记录下来。在每次实验过程中，数据通过国家仪器系统连续获取(采样率1 Hz)。

2.2. 润滑脂

制备了两种润滑脂:一种是PP增稠剂，一种是LiX增稠剂(表1)。锂增稠剂由12-羟基硬脂酸锂和叠氮酸双锂组成。两种润滑脂都完成到相同的NLGI2稠度等级，因为这是电动马达应用的共同等级。在润滑过程中，没有一种润滑脂含有添加剂来隔离增稠剂的作用。这些润滑脂的制造程序遵循[55]中所述的程序。

采用相同的基础油配方，由95聚alpha;-烯烃(Spectrasyn 6,ExxonMobil)和5聚亚烷基二醇(UCON OSP-32,Dow)组成。利用Hamrock-Dowson方程[56]和EHD2型机测得的油膜厚度，计算了基础油混合物的压粘系数(PCS仪器)。测量是在纯轧制条件下进行的。油浴温度为22.5hc。计算的压粘系数为15.385GPa-1。

2.3. 实验条件

在本研究中使用的速度剖面(扫)是基于对机器的初步实验、测试 轴承极限和电子马达运行速度的标称值设计的。速度分布复制电动汽车马达的速度变化[10]。一些作者预测，在未来的电子马达[17]中，速度可高达20000转/分，以提高车辆效率。然而，现有的电动汽车通常在高达15,000转/分的可变速度下运行，1,000转/分是一个公认的值。表2显示了商用电动汽车的名义运行速度示例。所施加的径向和轴向载荷代表了一台电动马达，分别对应于每个轴承300和210 N。

在实验之前，进行了48小时的磨合扫掠来搅动润滑脂。在这种磨合扫掠过程中，速度逐步增加(100knd，12hrs)，以避免高温会降解润滑脂。磨合扫掠的最大速度为400 kNDM。3给出了实验过程中的速度计划，包括三个上下速度坡道(扫1,扫2,扫3)。清扫1和2各持续168小时(长清扫)。

在100knDm的速度突变中，速度每24小时变化一次。每个速度24小时的 持续时间保证了润滑脂润滑过程达到稳态条件。扫描3(持续25小时) 旨在研究更频繁的速度变化(复制现实生活条件)对电子马达润滑脂润 滑性能的影响。在扫描3中，测试轴承速度每2.5小时改变一次，并施加 非常高的速度(600 knDm)。600 knDm对应于测试轴承中的10,000转/ 分，接近轴承制造商设定的轴承极限转速(11,000转/分)。不受控制的参数，如污垢、安装不当或润滑不当，会增加润滑脂润滑实验的不确定性[57]。因此，对试验轴承的清洁、安装和润滑采取了特殊的预防措施。

首先，按照ISO11007腐蚀试验(EMCOR[58])的程序清洗轴承。轴承在石脑油中超声清洗15分钟。然后，用一个异丙醇-氨溶液。最后，在100°C下烘干1小时，以消除溶剂痕迹。一旦轴承冷却到室温下，用感应加热器将它们安装在轴上。使用含有控制量润滑脂的注射器用测试润滑脂润滑轴安装轴承。所使用的润滑脂量相当于轴承自由空间的302，这是高速应用的推荐量[57]。然后，用相应的盖和波弹簧组装轴承座。最后，支撑轴承组装完毕。这些轴承是用一种基于PP增稠剂和聚alpha;-烯烃(PAO)基础油的市售润滑脂润滑的。

一旦装配程序完成，测试单元就被连接到摩擦力矩测量系统。为了径向加载测试轴承，拧紧连接内外壳体的螺栓。考虑到热效应，初始夹紧力略高于实验径向载荷。 当外壳在磨合期间被加热时，夹紧力略有下降，达到电子马达轴承的负载代表。在测试期间，速度由NI LabView程序控制，该程序根据图中描述的协议改变速度。实验在室温23.4plusmn;0.84°C下进行。房间里的中位数是37 5 RH。plusmn;温度和湿度的偏差是标准差(plusmn;SD)。每次实验结束后，在MATLAB中对获取的数据进行处理。首先将四 个轴承对应的摩擦力矩值除以4，分析一个轴承的摩擦力贡献。然后，计算每个阶段(速度保持不变的时期，例如长扫24小时)内摩擦力的平均值和SD值。

对于温度，在每个采集瞬间(大约每秒钟)平均四个数据点(每个 轴承一个)。然后从这个平均温度值中减去室温。与摩擦情况一样，计算了各阶段的温升平均值和SD值。每个采集点的功率损耗通过乘以轴承摩擦力矩随速度的变化。功率损耗的时间积分决定了轴承在实验过 程中消耗的能量。

总共有32个润滑脂润滑轴承进行了八次试验(每种润滑脂四次)。将摩擦、温度和功率损失在每个阶段的结果结合起来，得到每种润滑脂的平均值和集合SD。

2.4. 润滑脂流变学与出血

在完成HSBTM的每个轴承润滑脂测试后，收集可用的润滑脂进行流 变和出血测试。由于每个轴承内使用的润滑脂量很少，所以从四个单独轴承中获得的所有润滑脂都被收集并汇集在一起。这包括位于滚道、轴承保持架和滚道附近的润滑脂。

使用安东Paar MCR301流变仪对试验前后润滑脂的流变特性进行了表征。在流变测量中使用板对板几何形状(直径25毫米)，每分别于25、45、65及90岁成立。润滑脂放在流变仪上20华氏度的试板。上部试板降低后形成1.25与下测试板之间的mm间隙，多余的油脂被移除。然后上板进一步降低，与下板形成1毫米的间隙。然后将样品的温度提高到测试温度，升温速率为3c/min。曾经测试温度是到达时，样品在开始测量前保持静止10分钟。在测量过程中使用珀耳帖罩，以保证润滑脂中温度分布均匀。 测量是在增加应变和角频率为10 拉德/秒的情况下进行的。

研究了四种流变特性。储能模量G′ 考虑在线性粘弹性(LVE)区域来代表润滑脂静止时的结构。屈服应力 (剪应力使润滑脂变形，即G0.90G=L*VE)和应力流动点(该点 当油脂开始表现得像液体时)被研究到最后，分析了阻尼因子tandelta;，即损耗g“与贮存g”模量之比。tandelta;值 越接近1,其贡献越大粘性部分是，表明油脂更有可能表现为液体。 SKF TKGT1试剂盒用于出血试验。测试包括在65buc的吸墨纸上放置控制量的油脂，持续两个小时。这段时间之后，油脂样品留下了椭球形在纸上做记号。测量纸片上的标记尺寸以评价出血性能。用每种新鲜油 脂进行了两次试验。对轴承试验后收集的每种老化润滑脂进行单独分析 (每种润滑脂4次试验)。纸张上的标记尺寸根据润滑脂的类型和年龄进行平均。通过将结果归一化到显示最高出血量的润滑脂(新鲜PP润滑脂)来计算相对出血量。

3、结果和讨论

第一小节介绍了润滑脂在32个轴承8次试验中的摩擦行为。这些结果 与润滑脂的流变学和出血试验相结合，以更好地了解它们的润滑性能。第二小节讨论了电子马达的能量消耗和潜在的能量节约。

3.1 摩擦力矩与润滑脂流变学

试验润滑脂的摩擦性能如图所示。4.图中的数值对应于一个轴承产生的摩擦力。在长扫区(图4a)中，LiX和PP的摩擦

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[590724]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word