PA46如何帮助电机实现体积更小，功率更大？

SKF的混合陶瓷滚珠轴承：带有陶瓷滚动元件的混合轴承是极其可靠和高效的选择，可以有效防止因杂散电流引起的电蚀现象。

随着汽车行业的不断发展，电气化、互联性和自动驾驶趋势推动了最新一代汽车的设计，从而对汽车的性能、效率和安全性提出了新的要求。电气化趋势导致传统内燃机动力汽车，逐渐被混合动力汽车和全电动汽车（BEV）取代。从废气排放的角度来看，向混合动力汽车和全电动汽车的转变使车辆的运行效率更高，同时在车辆动力性和乘客舒适度方面改善了驾驶体验。

车辆效率是现代汽车最重要的性能指标之一，而通过最大限度地减少摩擦损耗，降低油耗和增加行驶里程一直是许多汽车制造商的重要设计重点之一，因为动力损耗的主要来源之一是不同汽车系统（包括内燃机、变速箱、差速器、车轮总成等）中机械运动部件固有的摩擦损耗。与混合动力汽车和传统内燃机（ICE）动力汽车相比，全电动汽车的运动部件数量减少了约100倍。传统汽车和许多混合动力汽车通常利用内燃机作为主要动力源，但是被更紧凑且功能强大的电动机所取代，这些电动机由较少的运动部件组成，从而显著简化了动力传动系统。

01#电动汽车：轴承更少，要求更高

无论车辆类型和动力总成设计如何，球轴承都是任何类型动力传输和运动的关键部件，特别是当需要尽可能降低摩擦损耗时。传统的内燃机汽车主要依靠轴承来保证各种车辆系统和部件（包括内燃机、变速器、差速器、转向系统、制动系统、车轮总成和其他车辆部件）的正常运行。在全电动汽车中，轴承的功能与传统内燃机驱动汽车类似，但由于全电动汽车动力系统的简化，电动机、减速器和差速器总成所需的轴承数量减少。这三个子系统通常合并为一个装置，通常称为电驱系统（图1）。

图1  将电动发动机和减速器集成在一个装置中的电驱系统：电动汽车制造商正努力在此减轻重量©SKF

电气化不仅从设计简化的角度影响车辆的动力总成，而且对各种动力总成系统和部件的设计要求也有重大影响。为了帮助提高车辆的整体动力效率，增加纯电动汽车和许多插电式混合动力汽车（PHEV）的行驶里程，汽车原始设备制造商采用的策略之一就是通过使用轻质材料和缩小各种系统和部件的尺寸来减轻重量。与内燃机相比，电动发动机的单位发动机重量（千瓦/千克）通常能产生更高的输出功率，这是非常有益的，因为电动汽车因电池质量相对较大而固有的重量较高。尽管如此，为了进一步减轻车重，从重量角度来看，电驱系统和电动发动机通常被视为需要进一步改进的领域。

02#重量减轻导致要求提高

混合动力和全电动动力系统中使用的轴承，需要承受比传统内燃机汽车轴承高得多的转速和温度，而电动汽车不断减重的趋势只会进一步提高对电动发动机和电驱系统中使用的轴承的要求。除了高速和高温要求外，这些高速轴承还需要在低摩擦和低噪音水平下工作，并使用轴承中常用的各种油脂和/或油润滑剂。

此外，电动传动系统开始采用更高的总线电压、碳化硅或氮化镓逆变器，以提高系统效率。然而，与此同时，由于电流通过滚动体，轴承（和齿轮）损坏的风险也相应增加。为了克服由杂散电流引起的电侵蚀问题，轴承制造商提出了各种解决方案。目前正在研究或测试各种绝缘解决方案，但到目前为止，最可靠、性能最好的解决方案是使用混合轴承，其中包括陶瓷滚动体（见标题图），可确保所需的电绝缘功能，并提供最低的摩擦损失。

03#可以使用哪些材料？

滚动轴承利用滚动体（如球或圆柱滚子）来实现其主要功能：以尽可能低的摩擦力传递动力和运动。为了将滚动体正确地固定在轴承单元内，需要使用轴承保持架（图2）。轴承保持架可以由金属或塑料制成。常用的金属轴承保持架材料包括钢和黄铜，通常通过冲压或机械加工而成。塑料轴承保持架则由可注塑的工程聚合物制成，其中最常见的是聚酰胺和聚醚醚酮（PEEK）。

图2  使用聚合物保持架的SKF深滚珠轴承：塑料轴承保持架将滚动体固定在正确位置。它必须能够承受机械和化学应力，并确保较小摩擦。©SKF

聚酰胺66（PA66）和聚酰胺46（PA46）经过玻璃纤维增强，为汽车电力传动系统提供了独特的优势。PA66具有优异的机械强度、韧性和耐化学性，因此成为耐用性和弹性产品的理想选择。其良好的耐热性和尺寸稳定性进一步增强了其多功能性。相比之下，PA46由于较高的热稳定性而在高温环境中表现出色。PA46具有更好的流动性，在要求性能优越的应用中备受青睐。在选择PA66或PA46时，需根据具体的应用需求综合考虑成本效益与机械性能，以获得最佳性能。

玻璃纤维增强的PA66材料被广泛用作具有成本效益的解决方案，工作温度可达120°C左右。玻璃纤维增强的PA46通常用于PA66无法满足要求的高温和高速应用领域，同时也是PEEK更具成本效益的替代品。对于温度持续超过150°C和/或腐蚀性化学环境的情况，PEEK是一个不错的选择。

04#塑料保持架的失效模式

在运行过程中，塑料保持架通常会受到热、机械、化学和摩擦载荷的共同作用。当塑料轴承保持架超过其性能极限时，可能会发生失效。经常观察到的失效模式是保持架在高离心力载荷（由高转速引起，见图3）作用下发生变形，甚至在最坏的情况下导致保持架完全损坏。在高速运转时，保持架会暴露在非常高的工作温度下，最高温度超过150°C的情况并不少见。

图3  保持架变形（左）和保持架失效（右）是由高转速和离心负荷等因素造成的。©恩骅力

保持架的变形会对轴承性能产生负面影响，因为变形可能导致保持架与滚动体、保持架与金属轴承内圈或外圈之间发生意外接触和滑动。塑料保持架与其他（金属）轴承元件之间的意外接触通常会导致摩擦力增加、摩擦发热过大、轴承工作温度升高以及保持架使用寿命缩短。

高速轴承使用润滑脂或润滑油进行润滑，因此塑料保持架与润滑油之间需要具有长期的化学相容性。因此，所选择的塑料材料在长期接触所使用的润滑剂后，必须能够保持其强度性能。

05#耐用、紧凑的保持架

恩骅力公司推出的Stanyl^®材料是一种结晶度高达70%左右的PA46材料。此种高结晶度使其在高温下具有较高的刚度和强度特性，从而成为一种出色的高温聚酰胺材料。

除了高硬度和高强度外，与PA66等聚酰胺相比，它还具有更好的抗疲劳性、抗蠕变性和耐磨性。高刚度和抗蠕变特性使得轴承保持架在高温条件下具有很高的刚度，可以抵抗保持架变形和蠕变，而轴承通常是在高温条件下高速运转的。此种PA46材料的刚度比PA66高出约30%，因此可以设计出更坚硬的保持架，以抵抗高离心负荷下的变形（图4）。

图 4  PA46 较高的材料刚度减少了保持架变形。资料来源：恩骅力；图片：© Hanser

除了高刚度和高抗蠕变性之外，Stanyl^®材料还具有高焊接线强度、抗疲劳性和抗冲击性，这些强度特性的组合使保持架更加坚固耐用。熔接线通常很难避免，在某些保持架设计中甚至无法避免，而高强度聚合物的特性降低了保持架过早失效的风险，从而延长了轴承的使用寿命。此种材料还能抵抗大多数汽车油和润滑脂（图5）。

图 5   玻璃纤维增强的PA66和PA46在疲劳强度（左图）和暴露于150°C热油后的强度保持（右图）方面的表现。在两种情况下，PA46表现更佳。资料来源：恩骅力；图片：© Hanser

06#1,800,000ndm的滚动轴承

保持架变形（称为伞形效应）是轴承速度性能的主要限制因素。Stanyl^®材料的高刚度和高强度特性不仅能提高转速，还能提高设计自由度。SKF公司利用此种材料，可以优化保持架设计，使其对高加速度/减速度和高速运转时具有良好的耐受性。SKF公司推出的高速滚动轴承1.8（SKFHSBB1.8）的轴承平均直径值（ndm）达到了1,800,000，其中轴承平均直径是衡量轴承在轴承尺寸范围内旋转速度的指标。轴承平均直径值越高，轴承的速度能力越强。对保持架的质量分布进行了优化，并加强了保持架骨架的厚度，以尽可能地减少保持架的伞状效应和离心力引起的保持架应力（图6）。因此，保持架的疲劳寿命得到了提高。由于采用了滚珠轴承，电动机可以达到更高的功率密度。

图 6   改用恩骅力的 PA46 Stanyl^®可降低 SKF 保持架因离心力而产生的变形。© 恩骅力

减轻电动机和电动轴重量的方法之一是减小电机尺寸，但此种方法本身会对电机的输出扭矩和车辆（加速）性能产生负面影响。为了弥补功率损失，可以提高电机的转速，从而以较低的电机重量获得类似的功率输出，从而提高功率密度（图7）。除了减轻重量外，更紧凑的电机还能节省空间，同时仍能产生所需的输出功率。更紧凑型电机的另一个优点是，其设计通常需要较少的昂贵稀土材料，这也为节省成本提供了可能。

图7  更高的电机转速可提高电机的功率输出和功率密度。©恩骅力

07#20,000rpm电机

功率强劲、结构紧凑的电机通常转速较高。此种高功率密度设备的转速可以轻松达到或超过20,000转/分钟。在此种高转速下运行的电机不仅要求运行可靠，而且要求运行高效，摩擦功率损耗尽可能低。SKFHSBB1.8中使用的Stanyl®保持架可实现如此高的转速，从而设计出功率密度更高的电机。

除了用于滚动轴承的轴承保持架外，此种PA46材料还广泛用于滑动轴承和衬套（也称为滑动轴承）。滑动轴承和衬套不像滚动轴承那样依靠滚动运动，而是依靠滑动运动，因此从摩擦学的角度来看，此种类型的轴承往往要求非常高。PA46材料的高温、低摩擦和低磨损特性使Stanyl®非常适合滑动轴承和衬套。在过去的30年中，此种材料已成功用于滑动轴承。应用实例包括前端辅助驱动装置(FEAD)皮带张紧器中使用的衬套和摩擦衬垫（图8），以及变速箱和其他应用中的各种其他通用衬套和止推垫圈部件。

图 8  恩骅力的 PA46 Stanyl®材料可用于制造各种轴承衬套和摩擦片。© 恩骅力

为了进一步提高材料的摩擦性能，恩骅力公司的许多材料都使用了低摩擦磨耗添加剂，这些添加剂有的以聚四氟乙烯（PTFE）为基础，有的则不含PTFE。不含PTFE的材料可用于替代含PTFE的聚合物，包括POM、PA66、PPS和PPA等。