Aus Gründen des Umweltschutzes verzeichnet die Elektrofahrzeugindustrie in den vergangenen Jahren ein starkes Wachstum.
Die Zahl der Elektrofahrzeuge in China erreichte 2021 2,132 Millionen. Gegenüber 418.000 Einheiten im Jahr 2016 ist die Produktion von Elektrofahrzeugen innerhalb von nur fünf Jahren um etwa das 5,1-Fache gestiegen.
Unterschiede im Antriebssystem zwischen Elektro- und Verbrennerfahrzeugen
Der größte Unterschied zwischen Elektrofahrzeugen und herkömmlichen Verbrennungsfahrzeugen liegt im Antriebssystem.
Das System eines Verbrennungsfahrzeugs umfasst eine große Zahl beweglicher Teile, darunter Getriebe, Kolben, Ventile und Kurbelwellen.
Sein Funktionsprinzip beruht darauf, dass der Kraftstoff im Verbrennungsmotor verbrennt und Leistung erzeugt; der Prozess wird über das Getriebe gesteuert.
Im Gegensatz dazu nutzt das System eines Elektrofahrzeugs die Bordenergie, wird von einem Elektromotor angetrieben und seine Drehzahl über den Regler gesteuert.
Bekanntermaßen gilt: Je mehr bewegliche Teile ein Verbrennungssystem aufweist, desto mehr Bauteile können Verschleiß verursachen und im Extremfall zu einem Fahrzeugausfall führen.
Demgegenüber besitzt das System eines Elektrofahrzeugs deutlich weniger bewegliche Teile; das wichtigste bewegliche Bauteil ist die auf der Motorwelle eingesetzte Lagerkugel.
Aus dieser Perspektive ist das Antriebssystem des Elektrofahrzeugs dem herkömmlichen System des Verbrennerfahrzeugs überlegen.
Darüber hinaus bestimmt bei Elektrofahrzeugen die Qualität der Lager auf der Motorwelle unmittelbar die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs.
Warum Keramiklager Stahl-Lagern überlegen sind
Im Allgemeinen bestehen die konventionellen Wälzkörper auf den Motorwellen von Elektrofahrzeugen aus Stahl. Es gibt jedoch eine bessere Alternative.
KeramiklagerDabei stehen Hybrid-Keramiklager mit keramischen Kugeln und Stahl-Laufbahnen oder Vollkeramiklager an erster Stelle.
Insbesondere Keramiklager aus Siliziumnitrid (Si3N4) sind für die Elektrofahrzeugindustrie ein zusätzlicher technischer Mehrwert.
Fortschrittliche Fertigung von Si3N4-Keramiklagern
Was Keramiklager aus Si3N4 3N4 betreffend verfügt Lily über mehr als 20 Jahre Fertigungserfahrung.
Bei der Herstellung keramischer Kugeln formulierten die Forscher unverarbeitetes Siliziumnitrid (Si3N4)-Pulver und untersuchten dessen Eigenschaften sorgfältig, darunter Partikelgröße, Dichte, Symmetrie sowie Feuchtigkeitsgehalt usw.
Nach Zugabe eines chemischen Bindemittels wurde das Pulver zu Rohlingen geformt, bevor Schleifen, Gleitschleifen und Polieren erfolgten.
Die Kugeln wurden einem Verfahren namens „Heißisostatisches Pressen (HIP)“ unterzogen, bei dem Druck und Wärme gleichzeitig angewendet werden.
Ein solches Verfahren kann die Härte und Zähigkeit von Keramiklagern verbessern und der Ermüdung im Wälzkontakt vorbeugen.
Dank dieses Verfahrens neigen Keramiklager selbst unter extremen Bedingungen nur geringfügig zu Abplatzungen, Brüchen oder Ausfällen.
Sie gelten als „aerospace-grade“. Tatsächlich spielt das Keramikmaterial selbst dabei eine entscheidende Rolle.
Es bietet klare Vorteile, die andere Werkstoffe nicht aufweisen.
Wesentliche Vorteile von Si3N4-Keramiklagern in Elektrofahrzeugen
Geringes Gewicht
Bei Lagern gilt: Je geringer das Gewicht, desto besser. Keramiklager aus Si3N4 sind die beste Wahl.
Das Gewicht von Si3N4 ist geringer als das von Stahl, und keramische Lagerringe wiegen weniger als die Hälfte von Stahlringen.
Elektrofahrzeugingenieure bevorzugen daher Lager mit möglichst geringem Gewicht.
Hohe Steifigkeit und hohe Festigkeit
Keramiklager sind nicht nur leichter als Stahllager, sondern auch fester und härter.
Keramiklager sind doppelt so hart wie Stahllager, mehr als 60 % härter als Stahllager und deutlich unempfindlicher gegen Verformung.
Das ist ein klarer Vorteil in Bezug auf Lagerlebensdauer und Lagerwirkungsgrad.
Geringe Reibung
Im Vergleich zu Stahllagern erzeugen die Kugeln in Keramiklagern aus Si3N4 im Lagerverbund weniger Reibung und weniger Wärme.
Das bedeutet geringeren Schmierstoffbedarf, weniger Verschleiß, geringere Laufbahnbeanspruchung und niedrigere Betriebstemperaturen.
Hohe Temperaturbeständigkeit
Keramiklager sind auch für hohe Temperaturen geeignet.
Selbst bei Betriebstemperaturen von über 1.000 °C zeigen sie keine temperaturbedingte Ausdehnung.
Solche Temperaturen liegen weit über den Anforderungen im Automotive-Betrieb.
Elektrische Isolierung
Für Elektrofahrzeuge ist ein weiterer Vorteil von Si3N4 Keramiklagern, und sicherlich einer der größten Vorteile, die elektrische Isolationswirkung.
Elektrischer Strom kann einen Lagerschaden beschleunigen; elektrisch isolierende Lagerwerkstoffe helfen daher, unnötige Ausfälle zu vermeiden.
Bekanntlich ist Siliziumnitrid (Si3N4) elektrisch isolierend, was in nahezu allen Lageranwendungen in der Regel von Vorteil ist.
Wenn in Fahrzeugen hohe Spannungen Antriebsmotoren versorgen, kann es durch Kriechströme leicht zu elektrischem Pitting im Lager kommen, was letztlich zu einem vorzeitigen Ausfall führen kann.
Werden Stahllager eingesetzt, bleibt nur die Beschichtung des Stahls mit einem isolierenden Werkstoff; das erhöht die Fertigungskomplexität und birgt zudem die Gefahr von Verunreinigungen.
Masse und Volumen im Automobilbau lassen komplexe Fertigungsprozesse nicht zu, daher sind Si3N4 Keramiklager die erste Wahl.
Darüber hinaus zeichnet sich Siliziumnitrid durch seine werkstoffimmanenten Eigenschaften aus.
Langlebigkeit
Im Vergleich zu Stahllagern erreichen Keramiklager eine längere Lebensdauer.
Keramiklager helfen, hohe Kosten und unnötigen Materialeinsatz durch den häufigen Austausch von Stahllagern zu vermeiden.
Bei Elektrofahrzeugen können Keramiklager die Lebensdauer des Fahrzeugs erhalten und verlängern und längere Fahrstrecken ermöglichen.
Fazit
Si3N4Keramiklager können aufgrund ihrer werkstoffbedingten Vorteile die langfristige und nachhaltige Entwicklung der Elektrofahrzeugindustrie maßgeblich fördern.
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