Firma NSK opracowała nowy i ekonomiczny sposób zapobiegania erozji elektrycznej w układach napędowych pojazdów elektrycznych (EV). Metoda polega na wytwarzaniu opatentowanej powłoki z tworzywa sztucznego do łożysk kulkowych poprzecznych. Dzięki temu producenci pojazdów elektrycznych mogą uzyskać znaczne oszczędności w porównaniu z kosztownymi łożyskami “hybrydowymi”, w których elementy izolacyjne są wykonane z materiałów ceramicznych.

Tzw. prądy błądzące mogą przepływać przez silnik EV wieloma ścieżkami. Dodatkowo specyficzne konstrukcje niektórych typów silników elektrycznych także mogą generować różnorodne przepływy prądu w łożyskach, w tym prądy doziemne wirnika, krążące prądy łożyskowe i prądy rozładowania łożyskowego EDM (elektroerozyjne).

W szczególności prądy EDM stanowią poważne zagrożenie dla łożysk, głównie z powodu wyładowań łukowych, które występują przy określonych napięciach. Powstawanie łuków elektrycznych prowadzi do niekontrolowanego rozładowania przy dość wysokich wartościach natężenia prądu, co zasadniczo zmienia strukturę stalowych pierścieni i kulek w łożysku. W tym przypadku dochodzi do powierzchniowego topnienia i ponownego krzepnięcia metalu, a w konsekwencji na bieżniach pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego łożyska zaczynają pojawiać się wżery o głębokości kilku mikronów. Pierwszą oznaką tego problemu jest najczęściej nadmierny szum. W przypadku pojazdów elektrycznych, które ewoluując stają się coraz cichsze, taki szum jest oczywiście wysoce niepożądany.

Firma NSK zdecydowała o rozpoczęciu prac nad rozwiązaniem tego długotrwałego problemu, oceniając warunki sprzyjające erozji elektrycznej – w tym warunki pracy, takie jak obciążenie, prędkość obrotowa, temperatura i lepkość środka smarnego; stan wynikowego smarowania (hydrodynamiczny, mieszany, graniczny) oraz właściwości elektryczne, takie jak rezystancja (materiałowa i pojemnościowa).

Popularne metody zapobiegania erozji elektrycznej zasadniczo obejmują wykorzystanie materiałów izolacyjnych lub przewodzących. Jeśli ładunki nie są zbyt wysokie, może wystarczyć zastosowanie smaru przewodzącego, uszczelki przewodzącej lub innego odpowiednio zaprojektowanego elementu uziemiającego. Jednak w przypadku określonej pozycji instalacji łożyska, takiej jak montaż po stronie napędu przed skrzynią biegów, wymagana jest izolacja w postaci ceramicznych lub plastikowych elementów łożyskowych. Przykładowo firma NSK może w tym zakresie zastosować powłokę ceramiczną na pierścieniach zewnętrznych/wewnętrznych lub wyprodukować całe elementy toczne i kulki z materiału ceramicznego. Chociaż te “hybrydowe” łożyska zapewniają optymalną ochronę przed erozją elektryczną, są one jednocześnie drogie.

Potrzeba znalezienia bardziej opłacalnego rozwiązania jest kluczowa, ponieważ konstrukcja wysokonapięciowa pojazdów elektrycznych wkrótce zmieni się z dominujących obecnie systemów 400V na 800V. Te ostatnie potencjalnie obejmą 50% rynku już w 2030 r., co znacząco zwiększy skalę problemu i będzie wymagało jeszcze lepszych środków ochrony łożysk.

W związku z tym firma NSK rekomenduje zastosowanie nakładki wykonanej z wysokowydajnego polimeru PPS (polisiarczku fenylenu) przy zastosowaniu technologii overmoldingu (obtryskiwania), która zapewnia znakomitą odporność na działanie wysokich temperatur i szerokiej gamy chemikaliów, a także oferuje stabilne parametry elektryczne i mechaniczne (nawet w temperaturze do 150°C). Ponadto materiał ten – w przeciwieństwie do wielu innych rodzajów polimerów – charakteryzuje się niskim poziomem absorpcji wody, zapewniając w ten sposób stabilność wymiarową.

Kompleksowe testy NSK wykazały poprawę wydajności łożysk z nakładkami formowanymi metodą obtryskiwania w porównaniu ze standardowymi łożyskami firmy. Na przykład przy napięciu 24V i częstotliwości 15 kHz standardowe łożyska wykazywały wyraźną erozję elektryczną pierścieni wewnętrznych i zewnętrznych. W przeciwieństwie do tego, nowe łożyska NSK z nakładkami formowanymi metodą overmoldingu nie przejawiały żadnych oznak tego zjawiska. Taki sam wynik zaobserwowano przy różnych prędkościach obrotowych.

Produkcja nakładek metodą overmoldingu odbywa się dzięki innowacyjnemu procesowi formowania wtryskowego, który jest realizowany w jednym z europejskich zakładów NSK i ma na celu usprawnienie dostaw dla producentów pojazdów elektrycznych. Specjalne cechy tej technologii zapewniają jednorodną dystrybucję i orientację cząsteczek oraz włókien szklanych w celu optymalizacji właściwości mechanicznych nakładek. Warto zauważyć, że precyzja tego procesu eliminuje konieczność szlifowania, pozostawiając «strukturalne» wykończenie na powierzchni. W efekcie nie dochodzi do pełnego kontaktu obudowy z zewnętrzną średnicą łożyska, co tworzy szczeliny wypełnione powietrzem, które z kolei jest dobrym izolatorem i nie generuje żadnych kosztów. Ta innowacja techniczna zapewnia zróżnicowanie rynkowe dla rozwiązania NSK. Kolejną korzyścią jest strukturalne wykończenie, które rozwiązuje powszechny problem pełzania łożysk w obudowach, ponieważ zapewnia potencjalnie lepsze dopasowanie dzięki wielu punktom styku (w zależności od przypadku zastosowania).

Opatentowana warstwa izolacyjna stosowana na pierścieniu wewnętrznym i zewnętrznym ma grubość od 0,7 do 1,2 mm. Aby pomieścić dodatkową warstwę materiału nakładki, firma NSK oferuje rozwiązania neutralne pod względem wymiarów głównych łożyska. Najłatwiej można to osiągnąć przy rozpoczynaniu nowego projektu łożyska, chociaż firma NSK może również odpowiednio obrobić zewnętrzną średnicę już istniejących łożysk, jednak wiąże się to z dodatkowymi kosztami. Jako alternatywną propozycję producenci OEM mogą rozważyć dopasowanie wymiarów obudowy mieszczącej łożysko, co oznacza, że firma NSK nie będzie musiała zmieniać swojego procesu. Ta opcja pozwala producentom pojazdów elektrycznych w pełni skorzystać ze znacznych oszczędności kosztów w porównaniu do wykorzystania łożysk hybrydowych.

Od teraz branża pojazdów elektrycznych dysponuje opłacalnym rozwiązaniem, które zapobiega erozji elektrycznej łożysk w zelektryfikowanych układach napędowych. Metoda overmoldingu jest obecnie stosowana w łożyskach kulkowych poprzecznych NSK 6008, a wkrótce zostanie wdrożona także w serii łożysk kulkowych poprzecznych 6206 (uszczelnionych i nieuszczelnionych), które idealnie nadają się do zastosowań w pojazdach elektrycznych.

Firma NSK oferuje ponadto modułową wtryskową formę testową, która obejmuje średnice zewnętrzne od 55 do 95 mm (do 30 mm szerokości) i jest gotowa przeprowadzić testy na zlecenie klientów o wymaganiach wymiarowych mieszczących się w tym zakresie.