Vòng bi tùy chỉnh và tổ hợp giải quyết các vấn đề cơ bản trong xe điện

Tốc độ cao của động cơ điện được sử dụng trong hệ truyền động EV & HEV yêu cầu sử dụng vòng bi tùy chỉnh. Anthony Simonin, Giám đốc Trung tâm Năng lực của EV và HEV tại SKF cho biết, vòng bi gốm có khả năng xử lý tốt nhất trong tất cả các điều kiện cụ thể.

Nhìn bề ngoài, có một chút khác biệt giữa một chiếc xe điện và hybrid (EV & HEV) và chiếc xe thông thường, được cung cấp bởi động cơ đốt trong, mà nó sẽ ngày càng thay thế. 

Tuy nhiên, bên dưới khung gầm, vịnh rất lớn, với sự thay đổi cơ bản nhất là trong hệ thống truyền lực. Ở đây, động cơ điện mạnh mẽ cung cấp năng lượng và cách thức hoạt động và cách chúng kết nối với phần còn lại của xe, đòi hỏi các bộ phận quan trọng như vòng bi phải được thiết kế lại hoặc thích nghi để hoạt động trong môi trường mới này. 

Ví dụ, bản thân động cơ phải chạy ở tốc độ rất cao, nhanh hơn nhiều so với trong một ứng dụng công nghiệp thông thường, có nghĩa là vòng bi trong nó phải có khả năng đối phó mà không bị hỏng. Nói chung, điều này đã được giải quyết bằng cách điều chỉnh vòng bi, bạc đạn thép thông thường, chẳng hạn như bằng cách thiết kế lại lồng và sử dụng dầu mỡ bôi trơn đặc biệt. 

Một EV thông thường sử dụng tối đa bốn động cơ, nếu mỗi động cơ được kết nối với một bánh xe riêng. Những chiếc này chạy với tốc độ lên tới 30.000 vòng / phút, gấp khoảng ba lần tốc độ của một động cơ công nghiệp thông thường. Điều này đặt một sự căng thẳng lớn lên các vòng bi bên trong, vì vậy những cái này sẽ cần phải được thay thế hoặc điều chỉnh. 

Một cách là thiết kế lại ổ trục và lồng polymer, điều chỉnh thiết kế cơ bản. Điều này đảm bảo rằng cấu hình ổ trục tổng thể có thể chịu được tốc độ, gia tốc và nhiệt độ cao hơn mà chúng ta có thể thấy trong các ứng dụng này. 

Ngoài ra, tốc độ cao hơn đòi hỏi phải bôi trơn hiệu quả hơn. Ở đây, các loại mỡ đặc biệt được yêu cầu có thể giữ được độ nhớt của chúng và do đó tiếp tục là chất bôi trơn hiệu quả ở những tốc độ và nhiệt độ cao hơn này. 

Trong khi động cơ điện, kết hợp với biến tần, đảm bảo hiệu quả cao, có một tính năng có thể ảnh hưởng đến vòng bi thép thông thường. Việc chuyển đổi điện áp tần số cao của biến tần, từ đó gây ra rò rỉ hiện tại. Dòng điện cuối cùng có thể được tiến hành thông qua các vòng bi. Điều này có thể gây ra các vấn đề như rỗ bề mặt và thất bại thảm khốc sau đó. 

Theo một nghĩa nào đó, vấn đề xảy ra là do chạy động cơ theo cách hiệu quả nhất của nó: tăng tốc độ động cơ giúp tăng sức mạnh và hiệu quả, mà không phải tăng dòng điện hoặc mô-men xoắn. Tuy nhiên, tăng tốc độ cũng làm tăng tần số điện áp, dẫn đến phóng điện. 

Câu trả lời hợp lý là sử dụng ổ bi cách điện tự nhiên và sẽ không dẫn dòng điện.

Bóng gốm
Chuyển đổi các quả bóng thép thông thường cho tương đương gốm của chúng, để tạo ra cái gọi là ổ trục lai, là một cách được công nhận để giải quyết vấn đề này, bởi vì các quả bóng gốm được cách điện tự nhiên. Tuy nhiên, chủ yếu do chi phí cao hơn, chỉ một số ít nhà thiết kế EV kết hợp vòng bi lai trong thiết kế của họ. 

Tại SKF, chúng tôi ước tính rằng chỉ có khoảng 5% số vòng bi trong các ứng dụng này là loại lai. Thông thường, các vòng bi này chỉ được chỉ định do sự thất bại trước đó của vòng bi thép trong các ứng dụng này. Rất ít nhà thiết kế EV chỉ định vòng bi ngay từ đầu, nhưng chúng tôi thấy rằng điều này đang bắt đầu thay đổi. 

Lý do chính mà các nhà thiết kế sẽ không thiết kế trong vòng bi ngay từ đầu là vì họ không thể biện minh cho chi phí thêm. Họ thường không thể dự đoán được sự thất bại của vòng bi thông thường, vì vậy thích chạy chúng cho đến khi chúng thất bại. 

Tuy nhiên, một số nhà sản xuất EV lớn hơn sử dụng phần mềm mô phỏng tinh vi để mô hình hóa các điều kiện chính xác mà vòng bi gặp phải trong các ứng dụng này. Sử dụng phần mềm này, họ có thể nhìn thấy và định lượng lượng rò rỉ hiện tại và khả năng ảnh hưởng của nó đến vòng bi. Nếu nó có ý nghĩa tài chính, họ sẽ thay thế vòng bi thép thông thường bằng vòng bi lai. Khoảng năm năm trước, vòng bi lai hiếm khi được thiết kế từ đầu. Bây giờ, nó đã trở nên phổ biến hơn, và có khả năng tăng hơn nữa. 

Thay thế vòng bi thông thường  không gây đau đớn, vì vòng bi lai có kích thước giống hệt với vòng bi thép thông thường. Đồng thời, các sửa đổi thiết kế cần thiết, đối với lồng và mỡ, sẽ được thực hiện. 

Ngoài các đặc tính cách điện của chúng, các quả bóng gốm còn có những ưu điểm khác: chúng có mật độ nhỏ hơn 40% so với các loại thép tương đương, có nghĩa là chúng có thể chạy ở nhiệt độ thấp hơn; chúng có thể có tuổi thọ gấp 10 lần; và chúng đòi hỏi ít bôi trơn hơn. Những lợi thế này đi một số cách để giải thích chi phí cao hơn của họ. 

Một người dùng cao cấp của vòng bi SKF là một khách hàng ô tô, người đầu tiên chỉ định vòng bi của SKF vào năm 2014. 

Cũng như chống lại các tác động của vũ trang, vòng bi tổ hợp đảm bảo hiệu quả cao hơn, do trọng lượng nhẹ hơn và độ cứng lớn hơn. Nhìn chung, hiệu quả cao hơn giúp EV đi xa hơn trong một lần sạc, một tiêu chí chính của thành công khi EV cạnh tranh với những chiếc xe thông thường. 

Trong tương lai
Không thể thoát khỏi thực tế là vòng bi tổ hợp đắt tiền. Tại SKF, chúng tôi đang xem xét các giải pháp thay thế và phát triển cách giải quyết vấn đề hư hỏng điện, nhưng không sử dụng bóng gốm. 

Câu trả lời là tạo ra một đường dẫn khác cho dòng điện, để nó không đi qua ổ trục và làm hỏng nó. Hiện tại, công nghệ này vẫn đang được phát triển, vì vậy chúng tôi chưa có bất kỳ chi tiết cụ thể nào để chia sẻ. 

Có một lý do khác để phát triển công nghệ mới này: mặc dù có lợi thế rất lớn, bóng gốm không giải quyết được hoàn toàn vấn đề rò rỉ hiện tại. Mặc dù chúng chống lại tác động của thiệt hại bề mặt, dòng điện vẫn có thể di chuyển đến hộp số và gây ra thiệt hại ở đó, chẳng hạn như bằng cách phá hủy kết nối spline. Chúng tôi hy vọng sự phát triển mới của chúng tôi, dự kiến ​​sẽ được đưa ra vào cuối năm nay, để giải quyết vấn đề này trong khi cũng rẻ hơn so với sử dụng ổ trục lai. 

SKF không kết hợp với bất kỳ công nghệ cụ thể nào nhưng cung cấp các giải pháp cụ thể cho các vấn đề thiết kế. Ngay bây giờ, vòng bi tổ hợp của chúng tôi có thể giúp khắc phục các vấn đề rò rỉ hiện tại trong EVs; sớm thôi, chúng ta sẽ có một công nghệ mới hứa hẹn sẽ làm điều tương tự, nhưng với giá thấp hơn. 

Chúng tôi cung cấp các sản phẩm như vòng bi, bạc đạn SKF cho hầu hết các nhà sản xuất EV trên thị trường. Vì vậy, đã có cái nhìn sâu sắc về các ứng dụng này và biết cách giải quyết các vấn đề liên quan của chúng. 

Nhìn xa hơn, một số nhà sản xuất EV có thể khắc phục hoàn toàn vấn đề rò rỉ hiện tại. Nếu họ chịu trách nhiệm thiết kế toàn bộ hệ thống, đó là trường hợp của một số nhà sản xuất lớn hơn, họ sẽ có thể ‘thiết kế’ vấn đề tại nguồn. 

Đối với các nhà sản xuất khác, những người có thể thiết kế động cơ, nhưng cung cấp các bộ phận khác như bộ điều khiển và hộp số bên ngoài, điều này là không thể, và họ sẽ cần tiếp tục sử dụng các giải pháp như vòng bi lai. 

Xe điện là con đường phía trước để vận chuyển. Mặc dù chúng vẫn chiếm một phần tương đối nhỏ trên thị trường, làm cho chúng hiệu quả và đáng tin cậy nhất có thể. Thông qua việc thiết kế các thành phần như vòng bi, sẽ giúp chiếm thị phần lớn hơn trên thị trường.