邁吉易威關(guān)于eVTOL飛行電機(jī)軸承組選型與設(shè)計(jì)的探討
撰稿-邁吉易威航空電推進(jìn)團(tuán)隊(duì)
前言
電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）作為未來城市空中交通的核心載體，其動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性直接決定飛行安全。飛行電機(jī)軸承組作為動(dòng)力傳遞的核心部件，需滿足多模態(tài)飛行的復(fù)雜需求，包括垂直起降、懸停、巡航及姿態(tài)轉(zhuǎn)換和緊急機(jī)動(dòng)，因此它的設(shè)計(jì)與選型至關(guān)重要。
Part 1 軸承組載荷特性
●典型的飛行電機(jī)任務(wù)工況
●載荷特性分類
●軸承組載荷特性
在eVTOL飛行器的飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，軸承組將承受更為復(fù)雜的受力工況。這一過程涉及螺旋槳和飛行電機(jī)的傾轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸承組同時(shí)受到水平拉力、垂直拉力、螺旋槳旋轉(zhuǎn)彎矩、螺旋槳組件重力以及螺旋槳組件與飛行電機(jī)安裝同軸度的多重作用。
水平拉力主要由飛行器的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。在飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，飛行器從垂直起降模式轉(zhuǎn)換為水平飛行模式，螺旋槳需要產(chǎn)生水平推力以推動(dòng)飛行器前進(jìn)。這一水平拉力直接作用于軸承組的軸向方向，要求軸承組具備良好的軸向承載能力。
垂直拉力則由螺旋槳的升力產(chǎn)生。在飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，螺旋槳需要同時(shí)產(chǎn)生升力和推力，同時(shí)螺旋槳組件的重心位置變化，軸承組需要承受較大的徑向載荷。這種載荷的周期性變化會(huì)導(dǎo)致軸承組產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，進(jìn)而影響其壽命。
在飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，飛行器的重心位置發(fā)生變化，導(dǎo)致軸承組承受的軸向載荷也隨之變化。這種變化的軸向載荷要求軸承組具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。
螺旋槳旋轉(zhuǎn)彎矩則由于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)和空氣動(dòng)力作用產(chǎn)生，對(duì)軸承組的軸向和徑向均有影響。在飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度較高，空氣動(dòng)力作用產(chǎn)生的彎矩會(huì)對(duì)軸承組產(chǎn)生較大的軸向和徑向載荷。這種復(fù)雜的受力工況要求軸承組具備良好的綜合力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
垂直起降階段：
軸承需承受螺旋槳拉力與螺旋槳?dú)鈩?dòng)載荷的復(fù)合載荷；
螺旋槳拉力產(chǎn)生的軸向載荷，同時(shí)因氣動(dòng)中心偏移產(chǎn)生彎矩：
M = Fa · e
氣動(dòng)偏心距e 一般取螺旋槳半徑的8%
采用ISO 281修正模型，軸承等效動(dòng)載荷為：
P = X· Fr + Y· Fa
雙列角接觸球軸承（接觸角30°），系數(shù)X=0.44,Y=1.3
姿態(tài)轉(zhuǎn)換階段：
軸承需同時(shí)承受水平拉力、垂直拉力、螺旋槳自重及旋轉(zhuǎn)彎矩的復(fù)合作用，形成三維空間載荷，飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，螺旋槳傾轉(zhuǎn)角θ（0°→90°）導(dǎo)致軸向力與徑向力動(dòng)態(tài)變化：
軸向力分量 Faxial = Fsinθ； 徑向力分量Faxial = Fcosθ。
傾轉(zhuǎn)角度θ從90°至0°過程中，軸承組受力分解為：
Faxial=Fsinθ+Fgcosθ
Faxial=Fcosθ-Fgsinθ+Fc
M = F·e·sinθ+J·α
Fg：螺旋槳自重； α ：角加速度； J：螺旋槳組件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Fc ：螺旋槳組件離心力
為了進(jìn)一步分析水平拉力、垂直拉力、自身重力以及螺旋槳旋轉(zhuǎn)彎矩對(duì)軸承組的影響，應(yīng)該采用有限元分析和動(dòng)力學(xué)仿真等方法。通過建立軸承組的有限元模型，可以模擬其在飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的受力情況，分析應(yīng)力分布和變形情況。動(dòng)力學(xué)仿真則可以模擬軸承組在實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，評(píng)估其疲勞壽命和可靠性。這些分析方法可以為軸承組的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，確保其在嚴(yán)苛條件下的可靠性和耐久性。
Part 2 軸承類型對(duì)比
●深溝球軸承
深溝球軸承具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、摩擦系數(shù)小、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)，適用于承受徑向載荷和較小的軸向載荷。然而，其承載能力相對(duì)較低，不適合承受較大的軸向載荷和彎矩。在eVTOL飛行電機(jī)中，深溝球軸承可能無法滿足垂直起降和飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的復(fù)雜受力工況，往往被用于輔助支撐作用。
深溝球軸承
●角接觸球軸承
角接觸球軸承可以同時(shí)承受徑向和軸向載荷，且具有較高的轉(zhuǎn)速能力。其接觸角設(shè)計(jì)使得軸承在承受軸向載荷時(shí)具有較好的剛度。雙列角接觸球軸承可以進(jìn)一步提高承載能力和剛度，適用于eVTOL飛行電機(jī)承載軸承。
雙列角接觸軸承
●圓錐滾子軸承
圓錐滾子軸承具有較高的徑向和軸向承載能力，適用于承受較大的徑向和軸向載荷以及彎矩。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得軸承在承受復(fù)合載荷時(shí)具有較好的剛度和穩(wěn)定性。在eVTOL飛行電機(jī)中，圓錐滾子軸承可以有效分擔(dān)垂直起降和飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的復(fù)雜載荷。但是圓錐滾子軸承的摩擦系數(shù)較大，轉(zhuǎn)速能力相對(duì)較低，自身質(zhì)量較大且需要較高的潤滑要求，可以考慮用于重型eVTOL飛行電機(jī)的承載軸承。
雙列圓錐棍子軸承
Part 3 軸承組的潤滑與冷卻
eVTOL飛行電機(jī)軸承組需要采用脂潤滑，維護(hù)周期應(yīng)該不大于1000h，軸承更換周期應(yīng)不小于8000飛行小時(shí)。選擇高性能潤滑脂是確保脂潤滑軸承可靠性的關(guān)鍵。建議選擇具有良好高溫穩(wěn)定性、抗氧化性能和抗磨損性能的潤滑脂。例如，聚脲基潤滑脂、復(fù)合鋰基潤滑脂或全氟聚醚（PFPE）基脂潤滑劑，這些潤滑脂在高溫和高載荷條件下仍能保持穩(wěn)定的潤滑性能，具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗氧化性能，以確保軸承組在嚴(yán)苛工況下的可靠性和耐久性。此外，優(yōu)化潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確保潤滑脂的均勻分布和有效潤滑，減少摩擦和熱量積累，延長軸承組的使用壽命。
軸承室具備相應(yīng)的冷卻結(jié)構(gòu)是有必要的，以防止軸承組在高速重載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度升高，影響其性能和壽命，過高的軸承溫度也會(huì)導(dǎo)致潤滑脂氧化變質(zhì)或流動(dòng)性增加，降低潤滑性能。 適當(dāng)?shù)睦鋮s結(jié)構(gòu)可以有效降低軸承溫度，提高軸承的承載能力和使用壽命。
Part 4 軸承組的輕量化設(shè)計(jì)
在eVTOL的設(shè)計(jì)中，軸承組的輕量化是提升飛行電機(jī)整體性能的關(guān)鍵因素之一。軸承組作為動(dòng)力系統(tǒng)的核心承載部件，其輕量化設(shè)計(jì)需在保證高承載能力、長壽命和可靠性的前提下，通過材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝改進(jìn)等綜合手段實(shí)現(xiàn)。
●輕質(zhì)高強(qiáng)材料的應(yīng)用
軸承組的輕量化首先依賴于材料的優(yōu)化選擇，平衡材料的密度、強(qiáng)度、耐疲勞性及成本。
陶瓷軸承材料
氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）等陶瓷材料密度僅為鋼的40%（約3.2g/cm3），硬度高（HV 1500-1800），耐高溫（>1000℃），且摩擦系數(shù)低（與鋼配對(duì)時(shí)約為0.05-0.1）。適用于高速、高載荷工況的滾動(dòng)體（如陶瓷球或滾子），可顯著降低軸承組質(zhì)量。例如某eVTOL飛行電機(jī)采用混合陶瓷軸承（鋼制內(nèi)外圈+陶瓷球），軸承組質(zhì)量減少25%-30%。
鈦合金與高強(qiáng)度鋁合金
鈦合金（如Ti-6Al-4V）密度為4.43g/cm3，強(qiáng)度接近鋼（抗拉強(qiáng)度≥900MPa），耐腐蝕性強(qiáng)；鋁合金（如7075-T6）密度更低（2.8g/cm3），比強(qiáng)度高。 可應(yīng)用于軸承套圈、保持架等，替代傳統(tǒng)鋼制部件。例如，波音某無人機(jī)電機(jī)軸承組采用鈦合金保持架，減重15%。
拓?fù)湓O(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化
通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新減少冗余材料，同時(shí)維持甚至提升承載性能。
●拓?fù)鋬?yōu)化與鏤空設(shè)計(jì)
基于有限元分析對(duì)軸承內(nèi)外圈、保持架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，去除低應(yīng)力區(qū)域材料。但需通過動(dòng)態(tài)載荷試驗(yàn)驗(yàn)證疲勞壽命，避免因結(jié)構(gòu)削弱導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。
一體化軸承組設(shè)計(jì)
將前后軸承組與電機(jī)軸、殼體集成設(shè)計(jì)，減少連接件和支撐結(jié)構(gòu)。例如德國某公司采用3D打印技術(shù)制造一體化軸承座，總質(zhì)量降低22%。
薄壁化與緊湊布局
在滿足剛度要求下減小軸承壁厚，縮短前后軸承組間距。
軸承組的輕量化需以系統(tǒng)化思維推進(jìn)，結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)、潤滑和熱管理的綜合優(yōu)化，在保證性能的前提下實(shí)現(xiàn)質(zhì)量最小化。短期內(nèi)，混合陶瓷軸承與拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是可行路徑；長期來看，復(fù)合材料與增材制造技術(shù)的突破將推動(dòng)輕量化水平進(jìn)一步提升。
Part 5 軸承組的壽命計(jì)算和可靠性分析
軸承作為由軸、負(fù)載和軸承座系統(tǒng)組成的一部分，軸承壽命計(jì)算通常采用一定理論模型和額定載荷條件，通常采用L10壽命計(jì)算方法，基于統(tǒng)計(jì)概率計(jì)算一個(gè)大致壽命預(yù)期，無法精確考慮實(shí)際工況沖擊頻譜載荷和材料微觀變形等影響，往往計(jì)算精度不夠。
根據(jù)eVTOL各種飛行工況，采用系統(tǒng)建模，進(jìn)行有限元分析和動(dòng)力學(xué)仿真等方法，在各個(gè)工況進(jìn)行疲勞壽命和可靠性分析更符合實(shí)際工況，對(duì)軸承壽命評(píng)估更科學(xué)。
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江蘇邁吉易威電動(dòng)科技有限公司成立于2018年9月，位于南京市江寧經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，是以科技創(chuàng)新為核心的高新技術(shù)企業(yè)。 公司致力于高效輕質(zhì)全電推進(jìn)系統(tǒng)的研究與開發(fā)，主要產(chǎn)品為集成化電動(dòng)輪（輪轂電機(jī)系統(tǒng)）、分布式航空電推進(jìn)系統(tǒng)、水下電推進(jìn)系統(tǒng)、整合式動(dòng)力單元（IPU系統(tǒng)）。業(yè)務(wù)涵蓋空中飛行器、地面車輛以及水面/水下航行器。公司擁有GJB9001C、國家高新技術(shù)企業(yè)、江蘇省民營科技企業(yè)、江蘇省科技型中小企業(yè)、南京市瞪羚企業(yè)、江蘇省瞪羚企業(yè)、江蘇省專精特新中小企業(yè)、南京市特種裝備分布式動(dòng)力系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心等多項(xiàng)資質(zhì)榮譽(yù)。
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