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

Смазочные материалы для электромобилей: разработки движутся вперед

Смазочные материалы для электромобилей: разработки движутся вперед

Продажи электромобилей за последнее десятилетие стремительно возросли, поскольку природоохранные органы во всем мире уделяют все больше внимания топливной эффективности и сокращению выбросов для сдерживания изменения климата и качества воздуха в городах. Параллельно это привело к разработке нескольких специальных моторных масел и пластичных смазок для электрифицированных трансмиссий.

Как и их аналоги для двигателей внутреннего сгорания, эти смазочные материалы должны минимизировать трение, повышать долговечность и эффективность работы двигателя. При этом, они также должны соответствовать сложным электрическим составляющим этих новых транспортных средств, сохраняя при этом свойства термического охлаждения и защиты от коррозии, а также заполняться на весь срок службы, без возможности «дозаправки». Кроме того, они должны быть адаптированы к высокоскоростным редукторам и электродвигателям. Наличие этих характеристик имеет решающее значение для электромобилей, которые делают большой шаг на пути к экологичному будущему.

Уникальные требования

Некоторые разработчики смазочных материалов уже представили свои первые линейки специализированных жидкостей и смазочных материалов для электромобилей. Несмотря на повышенную техническую строгость стандартов смазки электромобилей и суровость условий смазывания, значительное сокращение движущихся компонентов устраняет необходимость в обычных моторных маслах (однако, это они все еще будут актуальны в гибридах). Вместо этого смазка электромобилей фокусируется на таких компонентах, как роликовые подшипники, шестерни и трансмиссия.

Роликовые подшипники, например, могут смазываться либо смазочными маслами в зубчатых передачах, либо консистентными смазками в других компонентах трансмиссии, причем разница между маслом и консистентной смазкой заключается в различиях в вязкости и их герметизирующих свойствах. Чтобы уменьшить трение в роликовых подшипниках, особенно во время гидродинамической смазки (когда между непараллельными жесткими поверхностями подшипников существует клин жидкости), необходимо снизить вязкость нанесенной смазки и/или определить эффективные модификаторы трения. Таким образом, новые смазочные материалы позволяют значительно снизить трение из-за их более низкой вязкости. Во-вторых, скользящие контакты с гидродинамической смазкой обладают очень хорошей способностью снижать уровень шума.

Высокий уровень шума транспортного средства возникает из-за сгорания топлива в ДВС на низких скоростях, тогда как звук от шин и ветра более распространен на высоких скоростях. Чрезмерный шум транспорта может вызвать нарушение слуха и даже возникновение сердечно-сосудистых заболеваний. Электродвигатели более устойчивы и производят меньше шума, чем ДВС, но, тем не менее, требуют соответствующей смазки для решения этой проблемы, особенно на скоростях 20 000 оборотов в минуту.

И наоборот, более высокая вязкость пластичных смазок позволяет смазке оставаться в подшипнике без значительной утечки. Таким образом, от 80 до 90% роликовых подшипников смазываются консистентными смазками. Консистентные смазки в элементах подшипников качения образуют очень тонкие пленки размером порядка десятых долей нанометра, большинство трибосистем в ДВС образуют скользящие контакты с более толстыми масляными пленками. Следовательно, необходимо провести исследования характеристик износа пластичных смазок для контактов качения электромобилей.

Энергией трения, теряемой в шестернях, объясняется примерно 8% общих потерь энергии трения в среднестатистическом легковом автомобиле. Следовательно, уменьшение трения в шестернях может повысить эффективность и дальность работы электромобилей. Действительно, есть возможности для дальнейшего снижения вязкости масла, о чем свидетельствуют недавно добавленные трансмиссионные масла классов 65, 70 и 75 в стандарт трансмиссионного масла SAE J306, но также проводится оценка трансмиссионных масел на водной основе, загущенных полиалкиленгликолями, которые сочетают охлаждающую способность и способность выдерживать экстремальное давление.

В настоящее время большинство шестерен электромобилей смазываются трансмиссионными маслами, которые были модифицированы для повышения стойкости к окислению, защиты от коррозии и совместимости с медью. Как и во многих смазочных материалах, введение присадок и снижение вязкости трансмиссионного масла необходимы для большего снижения трения во время работы.

Очень высокие скорости электродвигателей до 20 000 оборотов в минуту представляют собой еще один фактор снижения вязкости масла. В частности, было обнаружено, что добавки с наночастицами многослойных углеродных нанотрубок улучшают трение и износ минеральных трансмиссионных масел, особенно при концентрациях 0,5% от общего веса. Эти новые подходы по своим функциям и стоимости остаются конкурентоспособными по сравнению с традиционными концепциями химических добавок.

Смазка трансмиссии электромобиля практически идентична соответствующей трансмиссии обычного легкового автомобиля с ДВС. Однако для электромобилей требуется, чтобы смазочный материал не только сохранял низкую вязкость, чтобы уменьшить трение, но и мог уменьшать коррозию проводки и электронных компонентов, изготовленных из меди. Таким образом, обычные минеральные или синтетические смазочные материалы могут быть изменены в соответствии с потребностями электромобилей за счет использования определенных присадок. Но на самом деле некоторые добавки могут сократить срок службы смазки.

Испытания на трибологические характеристики электромобилей помогают в дальнейшей оценке и понимании характеристик этих передовых смазочных материалов, при этом необходимо проводить различные тесты, чтобы убедиться в соответствии спецификациям.

Повышение эффективности

Эффективность – это еще одна область внимания, которая напрямую связана с характеристиками крутящего момента электромобилей. Повышение полезного крутящего момента за счет уменьшения трения в трансмиссии снижает потребление источников энергии для всех силовых установок. Существуют подходы к внесению изменений в шестерни, такие как улучшение их с помощью наночастиц, сделанных из оксида алюминия, углерода или графена. Также применяются покрытия для зубчатых колес, изготовленные из плазменного легирования двойным накалом с вольфрам-молибденом, карбид-вольфрам-углеродными соединениями и плазменное азотирование – все эти способы показали улучшение в снижении трения и износа.

Покрытия на зубчатых колесах, изготовленные с помощью термохимической обработки, такие как двойное плазменное легирование вольфрамом-молибденом и плазменное азотирование, или тонкопленочные покрытия, такие как легированный вольфрамом алмазоподобный углерод и легированный вольфрамом алмазоподобный углерод, осажденный на нитриде хрома, нитриде молибдена, также успешно применяются.

Кроме того, в одном исследовании сообщалось о консистентной смазке, содержащей добавку наночастиц диоксида кремния в количестве 0,3%, которая имела очень низкий коэффициент трения и могла помочь снизить износ. Добавки, содержащие магний, фосфор и серу, синергетически действующие вместе, также показали пониженный коэффициент трения.

Помимо достижения эксплуатационных целей, смазка должна быть совместима с электрическими компонентами, такими как электрические модули, полимерная изоляция, датчики и цепи. Электродвигатели генерируют много тепла и индуктивных токов, которые необходимо изолировать от электрических модулей. Что касается электрических свойств, необходимо найти хороший баланс проводимости.

Электростатические заряды могут накапливаться, если проводимость жидкости слишком низкая, это может вызвать ухудшение характеристик жидкости и может привести к появлению искр. При слишком высокой проводимости может возникнуть очень опасная ситуация утечки тока. Известно также, что окисление масел увеличивает электрическую проводимость.

Химический состав

В современных автомобилях с ДВС смазочные материалы, изготовленные на основе минеральных масел и типичных пакетов присадок, не обладают термической и окислительной стабильностью, необходимой для смазочных материалов для электромобилей. Повышение окислительной стабильности достигается за счет использования масел на синтетической основе, состоящих из таких молекул, как полиальфаолефины, сложные эфиры и полиалкиленгликоль или эстолиды. Было установлено, что включение синтетических масел и соединений бора в трансмиссионные масла повышает термическую и окислительную стабильность, что очень важно. Эти типы базовых масел и присадок очень перспективны для использования в электромобилях, но необходимы дополнительные исследования того, как они будут взаимодействовать с электрическими компонентами.

Термическую и окислительную стабильность можно повысить за счет добавления электропроводящих наночастиц или современных полимеров, таких как каучук, полипропилен и метилпентен, которые показали многообещающие результаты в высокоскоростных приложениях. Добавки, такие как антиоксиданты и депрессанты температуры застывания, и химические модификации, такие как переэтерификация и эпоксидирование, также вносят свой вклад. Были достигнуты успехи в области биоматериалов, которые также могут обеспечить создание специальных смазочных материалов для электромобилей с термической и окислительной стабильностью. В связи с неизбежной заботой об окружающей среде и устойчивости, биоразлагаемость и снижение токсичности являются тенденцией.

Биоматериалы могут быть созданы на основе базовых масел, синтезированных из возобновляемых источников, таких как животные жиры, микроводоросли, гидроксижирные кислоты из растений, таких как Jatropha curcas, мачтовое дерево, масло понгнамского дерева, каучуковые семена, касторовое масло и масла жожоба или любая биомасса, например, линго-целлюлоза или сахар. Доказано, что полярности в молекулярных основах большинства биосмазочных материалов, таких как сложные эфиры и PAG, обладают лучшими смазывающими свойствами, чем минеральные или синтетические углеводородные масла.

Электромобили и электрифицированные трансмиссии уже являются важнейшей тенденцией по внедрению более экологичных систем в нашей повседневной жизни. Несмотря на то, что продажи BEV и PHEV в начале этого года снизились после пика в чуть более 2,26 миллиона единиц в 2019 году, что всего на 9% больше, чем в 2018 году, в результате чего автопарк увеличился примерно до 7,5 миллионов четырехколесных электрифицированных транспортных средств в мире, спрос не будет падать, и потребность в специальных смазочных материалах будет по-прежнему актуальной.

Все упомянутые усовершенствования в области смазки эффективно работали в транспортных средствах с ДВС и показывают большой потенциал для применения в системах электромобилей. Тем не менее, предстоит еще много тестов и испытаний, чтобы определить, как они будут взаимодействовать с электродвигателем и батареей. Ясно то, что прогресс, достигнутый в разработке специальных смазочных материалов для электромобилей, приближается к синхронизации с массовым внедрением электромобилей.