由于环保和节能的紧迫要求，近年来新能源汽车迅猛发展。根据中汽协预计，2018年，我国新能源汽车销量将超过100万辆，同比增长40%～50%，2030年内，年度销售预计1500万辆。国家工信部2017年12月13日发布的《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划》将新能源汽车工程列入其中，对新型动力驱动系统提出高效率，高集成，轻量化，低噪音振动的要求。驱动电机作为电动汽车的核心部件，要求高可靠性，高功率密度，高效区广，调速范围宽，过载能力强。轴承本身作为精密零件，是驱动电机的关键核心所在，高可靠性的电机需要高性能轴承来保证，而目前国内各驱动电机企业仍然大部分依赖进口轴承，在一定程度上，制约了我国驱动电机的进一步发展。比较而言，国内在轴承的加工精度等方面，完全能达到国外水平，但是在轴承的低摩擦设计，零部件特殊设计方面，仍需多做研究；而某些国外轴承，也存在一些问题，比如零部件材料的选择，密封结构的设计等。本文针对高性能驱动电机轴承的设计研究做一浅述。
1 驱动电机特点
（1）启动扭矩大，调速性强。
（2）效率高，高效区广。
（3）瞬时功率大，过载能力强。
（4）功率密度高，体积小，重量轻。
（5）模块化高集成发展方向，电机、控制器、减速器一体。
（6）耐环境性能。
2 驱动电机轴承研发方向和主要设计理念
2.1 驱动电机轴承研发方向
（1）高速性，最高转速达15000～20000r/min，Dn值一般在70万以上，有的高达100万。
（2）急变速性。
（3）低能耗，低的启动力矩，轴承低摩擦设计。
（4）低噪音，低振动。
（5）耐高低温性能。
（6）高可靠性，高疲劳寿命。
2.2 轴承主要设计理念简述
在传统设计中，建立数学模型，确立轴承设计的目标函数和约束条件，以传统的系数取值方式和传统部件结构进行设计，即得出轴承内部设计结构细节。而驱动电机轴承，由于它的特殊性能使得在设计理念上，需突破传统思路，在轴承结构设计上、各系数取值上、材料选择上、热处理要求上以及部件结构形式上等，均与普通轴承不同。
本文针对驱动电机前后端轴承主要失效模式、原因和设计应对进行浅述，出于涉及具体设计细节技术保密以及具体工况要求仍然千差万别，本文仅针对研究方向做一描述。
3 轴承主要失效形式及原因
3.1 轴承温升发热，甚至抱死
当轴承游隙选择不良、润滑脂选择不良、润滑状态不良、速度过高、载荷过高等都可以产生。
3.2 安装不良导致的轴承沟道压痕，甚至偏磨
当安装方式不良使得沟道受力，安装不到位，或者前后端轴承座孔同轴度不好，就可能产生压痕，偏磨，使得轴承在运转过程中振动加大，噪音加大。
3.3 轴承振动、异响
当游隙数值选择不当，配合件加工精度差导致套圈变形，前后座孔同轴不好，保持架材料选择不良，内部润滑不良，轴承运动表面受伤等，都可能造成轴承振动和异响。
3.4 轴承运动表面剥落
所选套圈材质不当、套圈运动表面处理不当、负荷过大、游隙数值设置不当、润滑不良、密封不良造成润滑失效等，最终都可能导致套圈运动表面剥落。
3.5 密封不良导致的漏脂，继而引起轴承失效
驱动电机轴承是密封深沟球轴承，密封结构是设计的关键之一，轴承高速运转以及轴承温升，使得润滑脂变稀，强大的离心力使得润滑脂更易从密封间隙甩出，针对当前市面上轴承的漏脂现象，怎样合理设计密封结构应重点考虑。
3.6 保持架断裂
当保持架材质选择不当，结构设计不当，由于润滑、游隙等选择不良造成的轴承失效而导致的保持架断裂。
3.7 润滑不良导致的失效等
润滑脂选择不良，密封结构设计不良导致漏脂等原因。
4 轴承设计应对
4.1 低摩擦设计
高速轴承设计，首要解决的就是低摩擦设计，而驱动电机的高速性要求使得这一理念尤为重要。基于深沟球轴承摩擦力矩与轴承中心径Dpw成正比，与球径Dw成反比，调整这两个数值的取值，可以相应减小摩擦力矩，降低摩擦，提高转速。
4.2 优化轴承内部运动表面结构
轴承的高速性使得在运动表面结构形式，各系数的取值方面不能按传统形式，传统数据选取，目的在于降低运动表面与钢球之间的摩擦，提高转速，降低能耗。同时，结构上的革新也为优化钢球与运动表面之间润滑脂的流通通道提供便利。
4.3 材料的表面处理
目前由于材料学的新型技术的发展，给运动表面进行涂层，离子注入或特殊热处理，提高表面硬度和耐磨性，都是降低摩擦的方法。对套圈进行特殊热处理，表面的残余应力状态，使得轴承疲劳寿命大大提高。
4.4 特殊保持架的结构
主要还是指尼龙保持架，而如何应对高速情况下克服较大离心力的作用对传统尼龙保持架造成的变形是目前要解决的问题，而进一步将保持架的结构设计为极大地降低对润滑脂的搅拌阻力和足够的强度，也是需要同步考虑的。这个特殊结构目前有几种，也都经过实验验证，能够满足高速性低摩擦性的要求。但是在不断的探索研究中，还会有更新更合适的结构研制出来。
4.5 密封结构
密封摩擦也是轴承摩擦因素之一。密封结构的设计对保证密封性能、降低摩擦、提高转速起到关键性作用。驱动电机轴承的高速性，要求在设计时应把密封结构作为重点之一来对待，当前很多驱动电机轴承更注重高速性，和对高温压差的考虑而采用非接触式密封，此对低摩擦和高速性有着绝对的优势，但是在高速运转，离心力作用下，变稀的润滑脂更易被甩出，就是出现漏脂。当轴承润滑不良时，各种失效也随之产生。采用密封胶圈密封时，其密封效果要好于防尘盖，但是如果密封结构设计不当，会加大摩擦，不但造成能耗，也不利于高速运转。要设计出满足高速又保证密封的结构，应在密封槽和密封唇形式方面进行探索，无论怎样的结构，都应为轻接触方式。
4.6 轴承游隙的选择
很多失效形式都提及游隙设置的不良，因此游隙的合理选择至关重要。驱动电机轴承的配合一般是内圈与轴过盈，外圈与座孔过渡配合，在理论计算上，需考虑装配引起的游隙损失，温升引起的游隙损失，载荷对游隙数值稍有补偿，几乎可以忽略。另外，高速低摩擦轴承设计总体上要求采用较大的游隙，但太大的游隙容易引起振动噪音，多数选择C3组游隙，但也应根据具体工况进行设计。
4.7 材料的选择
由于驱动电机轴承的高性能，高可靠性的要求，材料的选择也与普通轴承的考虑不同
4.7.1 优质轴承钢的选择
近年来由于钢材冶炼技术的提高，使得含氧量大大降低，轴承寿命成倍提高。根据传统的轴承寿命计算方式，6004轴承：Cr=9400N，C0r=5000N，Pr按最大2150N，转速按最大7000rpm计，L10=（9400/2150）3=83.57（百万转），则Lh=199h。若按轴承寿命要求——16万km计算，时速按100km/h，需要1600小时，一般情况下，实验寿命为理论值的3～8倍，而实际实验结果已经达到10倍以上。而驱动电机因其高可靠性的要求，在套圈原材料的选用上应选用优质轴承钢，因为其含氧量，非金属夹杂的控制更为严格，对轴承寿命的保证起重要作用。
4.7.2 润滑脂的选择
润滑脂是影响轴承寿命的关键之一。润滑脂由基础油、稠化剂、添加剂组成，润滑脂的选择应根据轴承使用工况而定。
（1）基础油。轴承的高速性，要求高Dn值润滑脂，Dn值的选择一般应在70万以上，较低的基础油粘度可以降低摩擦热及轴承温升，且可降低轴承低温启动力矩，从而降低能耗，但太低的基础油粘度将使得润滑脂耐高温性能，承载能力和抗剥落能力降低。因此，通过反复试验找到一个合适的基础油粘度数值，是选择合适的润滑脂应对驱动电机耐高低温性能的一方面。驱动电机轴承的低温极限一般在-40℃～-50℃，但高温环境温度不算太高，一般在90℃左右，据此可以推测出轴承最高温度。因此，应选择粘温性能好且低温性能好的润滑脂。
（2）稠化剂。润滑脂良好的抗剪切能力和良好的分油能力有利于高速润滑脂发挥其性能，这取决于稠化剂的性能和结构。轴承高速运转，对稠化剂纤维结构剧烈剪切，破坏，润滑脂剪切变稀，因此应选用较硬和高分油率的润滑脂。
（3）添加剂。轴承急加速急减速的特性，使得润滑脂受到更多的冲击和搅拌，对润滑脂寿命产生负面影响。因此，要求润滑脂应有高活性添加剂，另外可选择极压添加剂，虽然轴承所受径向负荷并不大，但由于它可优化运动表面的承载能力，一定程度上可以为润滑脂提供更长的服务寿命。
有提出，电腐蚀也是一种轴承失效形式，但目前在驱动电机轴承发生的这种失效还不多见，但这种失效的应对是从润滑脂添加剂选择导电材质，但实际添加后有噪音升高的风险。润滑脂的选择最终通过实验来验证。
4.7.2 密封材料
目前用密封胶圈和防尘盖的都有，以防尘盖居多，非接触式密封对漏脂要求不高，周围环境清洁的工况是适用的。另一方面，胶圈的材质的选择也成为关键，从胶圈材质的耐磨性，与润滑脂的兼容性上考虑，当然在满足性能的前提下，同时要考虑成本。
4.7.3 保持架材料
目前乘用车驱动电机转速国内一般在11000～14000rpm，而国外已经到16000～20000rpm。目前市面上钢制和尼龙保持架二者兼有，钢制浪形保持架强度高，且高低温适应性较好，但不可否认，它与钢球摩擦系数较高，不利于轴承更高转速的运行。而尼龙保持架，因其优越的自润滑性能，与钢球很低的摩擦系数，更适于高速运转的设计，普通PA66或PA46都有相应的耐温极限，但目前驱动电机轴承环境温度也还在其应用范围内，否则，要考虑其他更高耐温材质。因此，在保持架材料的选择上，要充分根据具体使用工况而定。
5 结语
高速高可靠性驱动电机轴承的设计，应建立在审慎考虑各因素和反复试验的基础上。本文以近年设计实践总结为依据，进行浅述。探索的道路永无止境，在不断的学习、研制和实践中，会有更多更优秀的产品出现，也会出现更新的思路和观点。
参考文献
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收稿日期：2018-04-11
作者简介：韩晋军（1970-），女，安徽宿县人，青岛泰德汽车轴承股份有限公司主管工程师，中级职称，研究方向：汽车轴承设计。
