+380 44 338 04 78 +380 99 290 96 99

Мастильні матеріали для електромобілів: розробки рухаються вперед

Мастильні матеріали для електромобілів: розробки рухаються вперед

Продажі електромобілів за останнє десятиліття стрімко зросли, оскільки природоохоронні органи в усьому світі приділяють все більше уваги паливній ефективності і скороченню викидів для стримування зміни клімату та покращення якості повітря в містах. Паралельно це призвело до розробки декількох спеціальних моторних олив і пластичних мастил для електрифікованих трансмісій.

Як і їх аналоги для двигунів внутрішнього згоряння, ці мастильні матеріали повинні мінімізувати тертя, підвищувати довговічність і ефективність роботи двигуна. При цьому, вони також повинні відповідати складним електричним складовим цих нових транспортних засобів, зберігаючи при цьому властивості термічного охолодження і захисту від корозії, а також заповнюватися на весь термін служби, без можливості «дозаправки». Крім того, вони повинні бути адаптовані до високошвидкісних редукторів і електродвигунів. Наявність цих характеристик має вирішальне значення для електромобілів, які роблять великий крок на шляху до екологічного майбутнього.

Унікальні вимоги

Деякі розробники мастильних матеріалів вже представили свої перші лінійки спеціалізованих рідин і мастильних матеріалів для електромобілів. Незважаючи на підвищену технічну суворість стандартів мастила електромобілів і суворість умов змащення, значне скорочення рухомих компонентів усуває необхідність в звичайних моторних оливах (проте, вони все ще будуть актуальні в гібридах). Замість цього мастило для електромобілів фокусується на таких компонентах, як роликові підшипники, шестерні та трансмісія.

Роликові підшипники, наприклад, можна змащувати або мастилами в зубчастих передачах, або консистентними мастилами в інших компонентах трансмісії, причому різниця між маслом і змазкою полягає в розбіжностях в в’язкості і їх герметизуючі властивості. Щоб зменшити тертя в роликових підшипниках, особливо під час гідродинамічного змащення (коли між непаралельними жорсткими поверхнями підшипників існує клин рідини), необхідно знизити в’язкість нанесеного мастила і / або визначити ефективні модифікатори тертя. Таким чином, нові мастильні матеріали дозволяють значно знизити тертя через їх більш низьку в’язкість. По-друге, ковзаючі контакти з гідродинамічним мастилом мають дуже хорошу здатність знижувати рівень шуму.

Високий рівень шуму транспортного засобу виникає через згоряння палива в ДВС на низьких швидкостях, тоді як звук від шин і вітру більш поширений на високих швидкостях. Надмірний шум транспорту може викликати порушення слуху і навіть виникнення серцево-судинних захворювань. Електродвигуни більш стійкі і виробляють менше шуму, ніж ДВС, але, тим не менш, вимагають відповідного мастила для вирішення цієї проблеми, особливо на швидкостях 20 000 оборотів в хвилину.

І навпаки, більш висока в’язкість пластичних мастил дозволяє мастилу залишатися в підшипнику без значного витоку. Таким чином, від 80 до 90% роликових підшипників змащуються консистентними мастилами. Консистентні мастила в елементах підшипників кочення утворюють дуже тонкі плівки розміром з десятої частки нанометра, більшість трибосистем в ДВС утворюють ковзаючі контакти з більш товстими мастильними плівками. Отже, необхідно провести дослідження характеристик зносу пластичних мастил для контактів кочення електромобілів.

Енергією тертя, що втрачається в шестернях, пояснюється приблизно 8% загальних втрат енергії тертя в середньостатистичному легковому автомобілі. Отже, зменшення тертя в шестернях може підвищити ефективність і дальність роботи електромобілів. Дійсно, є можливості для подальшого зниження в’язкості оливи, про що свідчать нещодавно додані трансмісійні оливи класів 65, 70 і 75 в стандарт трансмісійної оливи SAE J306, але також проводиться оцінка трансмісійних олив на водній основі, загущених поліалкіленгліколем, які поєднують охолоджуючу здатність і здатність витримувати екстремальний тиск.

В даний час більшість шестерень електромобілів змащуються трансмісійними оливами, які були модифіковані для підвищення стійкості до окислення, захисту від корозії і сумісності з міддю. Як і в багатьох мастильних матеріалах, введення присадок і зниження в’язкості трансмісійної оливи необхідне для більшого зниження тертя під час роботи.

Дуже високі швидкості електродвигунів до 20 000 оборотів в хвилину є ще одиним фактором зниження в’язкості оливи. Зокрема, було виявлено, що добавки з наночастинками багатошарових вуглецевих нанотрубок покращують тертя і знос мінеральних трансмісійних олив, особливо при концентраціях 0,5% від загальної ваги. Ці нові підходи за своїми функціями і вартістю залишаються конкурентоспроможними порівняно з традиційними концепціями хімічних добавок.

Змащення трансмісії електромобіля практично ідентичне змащенню трансмісії звичайного легкового автомобіля з ДВС. Однак для електромобілів потрібно, щоб мастило не тільки зберігало низьку в’язкість, щоб зменшити тертя, але і могло зменшувати корозію проводки і електронних компонентів, виготовлених з міді. Таким чином, звичайні мінеральні або синтетичні мастильні матеріали можуть бути змінені відповідно до потреб електромобілів за рахунок використання певних присадок. Але насправді деякі добавки можуть скоротити термін служби мастила.

Випробування на трибологичні характеристики електромобілів допомагають в подальшій оцінці і розумінні характеристик цих передових мастильних матеріалів, при цьому необхідно проводити різні тести, щоб переконатися у відповідності специфікаціям.

Підвищення ефективності

Ефективність – це ще одна область уваги, яка безпосередньо пов’язана з характеристиками крутного моменту електромобілів. Підвищення корисного крутного моменту за рахунок зменшення тертя в трансмісії знижує споживання джерел енергії для всіх силових установок. Існують підходи до внесення змін до шестерні, такі як поліпшення їх за допомогою наночастинок, зроблених з оксиду алюмінію, вуглецю або графену. Також застосовуються покриття для зубчастих коліс, виготовлені з плазмового легування подвійним напруженням з вольфрам-молібденом, карбід-вольфрам-вуглецевими сполуками і плазмове азотування – всі ці способи показали поліпшення в зниженні тертя та зносу.

Покриття на зубчастих колесах, виготовлені за допомогою термохімічної обробки, такі як подвійне полум’яне легування вольфрамом-молібденом і плазмове азотування, або тонкоплівкові покриття, такі як легований вольфрамом алмазоподібні вуглець, також успішно застосовуються .

Крім того, в одному дослідженні повідомлялося про консистентне мастило, що містить наночастинки діоксиду кремнію в кількості 0,3%, яке мало дуже низький коефіцієнт тертя і могло допомогти знизити знос. Добавки, що містять магній, фосфор і сірку, синергетично діючі разом, також показали знижений коефіцієнт тертя.

Крім досягнення експлуатаційних цілей, олива повинна бути сумісна з електричними компонентами, такими як електричні модулі, полімерна ізоляція, датчики і ланцюги. Електродвигуни генерують багато тепла і індуктивних струмів, які необхідно ізолювати від електричних модулів. Що стосується електричних властивостей, необхідно знайти хороший баланс провідності.

Електростатичні заряди можуть накопичуватися, якщо провідність рідини занадто низька, це може викликати погіршення характеристик рідини і може привести до появи іскри. При занадто високій провідності може виникнути дуже небезпечна ситуація витоку струму. Відомо також, що окислення олив збільшує електричну провідність.

Хімічний склад

У сучасних автомобілях з ДВС мастильні матеріали, виготовлені на основі мінеральних олив і типових пакетів присадок, не володіють термічною і окислювальною стабільністю, необхідною для мастильних матеріалів для електромобілів. Підвищення окислювальної стабільності досягається за рахунок використання олив на синтетичній основі, що складаються з таких молекул, як поліальфаолефіни, складні ефіри і поліалкіленгліколь або естоліди. Було встановлено, що включення синтетичних олив і з’єднань бору в трансмісійні оливи підвищує термічну і окислювальну стабільність, що дуже важливо. Ці типи базових олив і присадок дуже перспективні для використання в електромобілях, але необхідні додаткові дослідження того, як вони будуть взаємодіяти з електричними компонентами.

Термічну і окислювальну стабільність можна підвищити за рахунок додавання електропровідних наночастинок або сучасних полімерів, таких як каучук, поліпропілен і метилпентен, які показали багатообіцяючі результати в високошвидкісних додатках. Добавки, такі як антиоксиданти і депресанти температури застигання, і хімічні модифікації, такі як переетерифікація і епоксидування, також роблять свій внесок. Були досягнуті успіхи в області біоматеріалів, які також можуть забезпечити створення спеціальних мастильних матеріалів для електромобілів з термічною і окислювальною стабільністю. У зв’язку з неминучою турботою про навколишнє середовище та стійкість, біорозкладність і зниження токсичності є тенденцією.

Біоматеріали можуть бути створені на основі базових олив, синтезованих з поновлюваних джерел, таких як тваринні жири, мікроводорості, гідроксіжирні кислоти з рослин, таких як Jatropha curcas, щоглове дерево, олія понгнамского дерева, каучукові насіння, касторове масло і олія жожоба або будь-яка біомаса, наприклад, Лінго-целюлоза або цукор. Доведено, що полярності в молекулярній основі більшості біомастильних матеріалів, таких як складні ефіри і PAG, мають кращі змащувальні властивості, ніж мінеральні або синтетичні вуглеводневі оливи.

Електромобілі та електрифіковані трансмісії вже є найважливішою тенденцією щодо впровадження більш екологічних систем в нашому повсякденному житті. Незважаючи на те, що продажі BEV і PHEV на початку цього року знизилися після піку в трохи більше 2,26 мільйона одиниць в 2019 році, що всього на 9% більше, ніж в 2018 році, в результаті чого автопарк збільшився приблизно до 7,5 мільйонів чотириколісних електрифікованих транспортних засобів в світі, попит не буде падати, і потреба в спеціальних мастильних матеріалах буде як і раніше актуальною.

Всі згадані удосконалення в області змащення ефективно працювали в транспортних засобах з ДВС і показують великий потенціал для застосування в системах електромобілів. Проте, має бути ще багато тестів і випробувань, щоб визначити, як вони будуть взаємодіяти з електродвигуном і батареєю. Зрозумілим є те, що прогрес, досягнутий в розробці спеціальних мастильних матеріалів для електромобілів, наближається до синхронізації з масовим впровадженням електромобілів.