Uzpůsobená a hybridní ložiska řeší základní problémy

, 3. ledna 2022, 11:56

Vysoké otáčky elektromotorů používaných v pohonných soustavách elektromobilů a hybridních vozidel (EV a HEV) vyžadují použití speciálních ložisek. Podle manažera centra elektromobilů a hybridních vozů společnosti SKF Anthony Simonina těmto specifickým podmínkám nejlépe vyhovují ložiska s keramickými kuličkami.

Ložisko SKF Na první pohled se elektromobily a hybridy od konvenčních automobilů se spalovacím motorem příliš neliší. Pod kapotou však najdeme propastný rozdíl ve všech zásadních principech pohonného systému. Pohon těchto alternativních vozů totiž zajišťují  elektromotory poskytující mnohem vyšší otáčky než motory konvenčních vozidel. A ložiska musí být schopna takovému zatížení odolat. Stejně tak i princip připojení motorů ke zbytku vozu vyžaduje přepracování konstrukce kritických součástí, nebo alespoň uzpůsobení činnosti v nových provozních podmínkách. Obecně se toho dosahuje úpravou standardních ocelových kuličkových ložisek, např. přepracováním klece a použitím  speciálního plastického maziva.

Elektromobily obvykle používají až čtyři motory samostatně připojené na jednotlivá kola. Otáčky těchto motorů dosahují hodnoty až 30.000 ot/min, což je asi třikrát více než u běžných průmyslových motorů. To vyvíjí značnou zátěž vnitřních ložisek, která je proto třeba nahradit nebo upravit. Jedním ze způsobů je úprava základní konstrukce ložiska a polymerové klece. To zajišťuje, že celková konfigurace ložiska dokáže odolávat vysokým otáčkám, zrychlení a teplotě, které se v těchto aplikacích vyskytují. Vyšší otáčky navíc vyžadují účinnější mazání. Proto jsou zde vyžadována speciální maziva, která si  zachovávají viskozitu a zajišťují účinné mazání při těchto vysokých otáčkách a teplotě.

Elektromotor v kombinaci s měničem zajišťuje vysokou účinnost, avšak vyznačuje se vlastností, která může mít vliv na standardní ocelová ložiska. Vysokofrekvenční střídání napětí měniče způsobuje proudové svody. Proud poté může procházet ložisky, což může vést k problémům – třeba k důlkové korozi, která může vyústit až v katastrofální selhání. V jistém smyslu problém způsobuje chod motoru při jeho nejvyšší účinnosti: zvýšením otáček motoru se dosáhne vyššího výkonu a účinnosti bez nutnosti zvýšení proudu nebo krouticího momentu. Zvýšení otáček nicméně zvyšuje frekvenci napětí, což může vést k elektrickému výboji. Rozumným řešením je použít kuličková ložiska, která nevedou proud.

Keramické kuličky

Elektromobil

Oblíbeným způsobem řešení tohoto problému je přechod od konvenčních ocelových kuliček ke keramickým, které jsou přirozeně nevodivé a které dávají vzniknout tzv. hybridním ložiskům. Kvůli vysoké ceně hybridních ložisek je však u svých elektromobilů používá pouze malé množství výrobců.

 

Společnost SKF odhaduje, že hybridní ložiska jsou použita přibližně pouze u 5 % těchto aplikací, přičemž důvodem pro jejich použití obvykle bývá až předčasné selhávání ocelových ložisek. Velmi málo konstruktérů elektromobilů volí hybridní ložiska od počátku. Hlavním důvodem bývá vysoká cena, kterou konstruktéři při prvních nákladech obvykle nedokáží obhájit, stejně jako nedokáží předpovědět selhání konvenčních ložisek, dokud nedojde k jejich skutečnému selhání. I to se ale začíná měnit.

Někteří z větších výrobců elektromobilů už používají sofistikovaný software pro simulaci skutečných podmínek, kterým jsou ložiska v těchto aplikacích vystavena. Díky tomu umí zpozorovat a kvantifikovat proudové svody i jejich pravděpodobný účinek na ložiska. A pokud vyhodnotí finanční přínosy, nahradí standardní ocelová ložiska hybridními.

Náhrada konvenčních ložisek hybridními je prakticky „bezbolestná“, jelikož hybridní ložiska mají totožné rozměry jako standardní ocelová ložiska. Současně již budou dokončeny nezbytné konstrukční úpravy klece a maziva. Kromě izolačních vlastností mají keramické kuličky také další výhody: jsou o 40 % lehčí než jejich ocelové ekvivalenty, což jim umožňuje pracovat při nižších teplotách, mají desetkrát delší očekávanou životnost a vyžadují méně mazání. Tyto výhody alespoň částečně ospravedlňují vyšší náklady. Navíc hybridní ložiska díky nízké hmotnosti a vyšší tvrdosti dosahují vyšší účinnosti, což obecně pomáhá zvýšit dojezd elektromobilů na jedno nabití, tedy jedno z klíčových kritérií souboje EV s konvenčními automobily.

Pohon budoucnosti

Navzdory svému obrovskému přínosu keramické kuličky problém s proudovými svody zcela nevyřeší. Kuličky sice odolávají účinkům povrchového poškození, nicméně proud může stále procházet dále do převodovky, kde rovněž působí škody např. na záběrových plochách ozubení. SKF očekává v dohledné době představí svoje efektivní řešení tohoto problému, které bude zároveň levnější než použití hybridních ložisek.

Komentáře

Komentář musí být delší než 5 znaků!

Potvrďte prosím předpisy!

Ještě nikdo tento článek nekomentoval. Buďte první!