Les roulements personnalisés et hybrides résolvent les problèmes fondamentaux des véhicules électriques
La vitesse élevée des moteurs électriques utilisés dans les groupes motopropulseurs EV & HEV nécessite l'utilisation de roulements personnalisés. Les roulements à billes en céramique sont les plus capables de faire face à toutes les conditions spécifiques, explique Anthony Simonin, EV et HEV Competence Center Manager chez SKF.
En surface, il apparaît peu de différence entre un véhicule électrique et hybride (EV & HEV) et la voiture conventionnelle, propulsée par un moteur à combustion interne, qu'elle remplacera de plus en plus.
Cependant, sous le châssis, le golfe est énorme, le changement le plus fondamental étant dans la transmission. Ici, les moteurs électriques puissants fournissent la puissance, et la façon dont ils fonctionnent et comment ils se connectent au reste de la voiture, nécessite que des composants critiques tels que les roulements soient repensés ou adaptés pour fonctionner dans ce nouvel environnement.
Par exemple, le moteur lui-même doit fonctionner à très grande vitesse, beaucoup plus rapidement qu'il ne le ferait dans une application industrielle conventionnelle, ce qui signifie que les roulements qu'il contient doivent pouvoir s'adapter sans défaillance. En général, cela a été résolu en adaptant les roulements à billes en acier conventionnels, par exemple en redessinant la cage et en utilisant de la graisse lubrifiante spéciale.
Un VE typique utilise jusqu'à quatre moteurs, si chacun est connecté à une roue distincte. Ceux-ci tournent jusqu'à 30 000 tr / min, soit environ trois fois la vitesse d'un moteur industriel typique. Cela met une énorme pression sur les roulements internes, ils devront donc être remplacés ou adaptés.
Une façon consiste à repenser le roulement et la cage en polymère, en adaptant la conception fondamentale. Cela garantit que la configuration globale des roulements peut supporter la vitesse, l'accélération et la température plus élevées que nous pouvons voir dans ces applications.
De plus, les vitesses plus élevées nécessitent une lubrification plus efficace. Ici, des graisses spéciales sont nécessaires pour conserver leur viscosité et donc continuer à être des lubrifiants efficaces à ces vitesses et températures plus élevées.
Bien que le moteur électrique, en combinaison avec un onduleur, assure une efficacité élevée, il existe une caractéristique qui peut affecter les roulements en acier conventionnels. La commutation de tension à haute fréquence de l'onduleur, qui à son tour provoque une fuite de courant. Le courant peut finir par être conduit à travers les roulements. Cela peut entraîner des problèmes tels que des piqûres de surface et une défaillance catastrophique ultérieure.
Dans un sens, le problème est causé par le fonctionnement du moteur de sa manière la plus efficace: l'augmentation de la vitesse du moteur augmente la puissance et l'efficacité, sans avoir à augmenter le courant ou le couple. Cependant, l'augmentation de la vitesse augmente également la fréquence de la tension, ce qui entraîne une décharge électrique.
La réponse sensée est d'utiliser un roulement à billes qui est naturellement isolant et ne conduira pas de courant.
Boules en céramique
Changer les billes en acier conventionnelles pour leur équivalent en céramique, pour fabriquer un roulement dit hybride, est un moyen reconnu de résoudre ce problème, car les billes en céramique sont naturellement isolantes. Cependant, en raison principalement de leur coût plus élevé, seul un petit nombre de concepteurs EV incorporent des roulements hybrides dans leurs conceptions.
Chez SKF, nous estimons que seulement environ 5% des roulements dans ces applications sont hybrides. En règle générale, ces roulements hybrides n'ont été spécifiés qu'en raison de la défaillance antérieure des roulements en acier dans ces applications. Très peu de concepteurs de véhicules électriques spécifient des roulements hybrides depuis le début, mais nous voyons que cela commence à changer.
La raison principale pour laquelle les concepteurs ne conçoivent pas de roulements hybrides dès le départ est qu'ils ne peuvent pas justifier le coût supplémentaire. Ils ne sont généralement pas en mesure de prédire la défaillance des roulements conventionnels, ils préfèrent donc les faire fonctionner jusqu'à leur défaillance.
Cependant, certains des plus grands fabricants de véhicules électriques utilisent un logiciel de simulation sophistiqué pour modéliser les conditions exactes rencontrées par les roulements dans ces applications. En utilisant ce logiciel, ils sont capables de voir et de quantifier la quantité de fuite de courant et son effet probable sur les roulements. Si cela a un sens financier, ils remplaceront les roulements en acier conventionnels par des roulements hybrides. Il y a environ cinq ans, les roulements hybrides étaient rarement conçus dès le départ. Maintenant, il est devenu plus courant et devrait encore augmenter.
Le remplacement des roulements conventionnels par des hybrides est généralement indolore, car les roulements hybrides ont des dimensions identiques aux roulements en acier conventionnels. Dans le même temps, les modifications de conception nécessaires, à la cage et à la graisse, auront déjà été apportées.
En plus de leurs propriétés isolantes, les billes en céramique ont d'autres avantages: elles sont 40% moins denses que leurs équivalents en acier, ce qui signifie qu'elles peuvent fonctionner à des températures plus fraîches; ils peuvent avoir jusqu'à 10 fois l'espérance de vie; et ils nécessitent moins de lubrification. Ces avantages expliquent en partie leur coût plus élevé.
Un utilisateur haut de gamme des roulements hybrides SKF est un client de l'automobile, qui a spécifié les roulements hybrides SKF pour la première fois en 2014.
En plus de résister aux effets de la formation d'arcs, les roulements hybrides garantissaient une plus grande efficacité, en raison de leur poids plus léger et de leur plus grande dureté. Dans l'ensemble, l'efficacité plus élevée aide les véhicules électriques à voyager plus loin avec une seule charge, un critère clé de succès car les véhicules électriques rivalisent avec les voitures conventionnelles.
Dans le futur
Il est indéniable que les roulements hybrides sont chers. Chez SKF, nous recherchons des solutions alternatives et développons un moyen de résoudre le problème des dommages électriques des roulements, mais sans utiliser de billes en céramique.
La réponse est de créer un autre chemin pour le courant, afin qu'il ne traverse pas le roulement lui-même et ne l'endommage pas. Pour le moment, cette technologie est encore en cours de développement, nous n'avons donc pas encore de détails spécifiques à partager.
Il y a une autre raison pour développer cette nouvelle technologie: malgré leur énorme avantage, les billes en céramique ne résolvent pas complètement le problème des fuites de courant. Bien qu'ils résistent aux effets des dommages de surface, le courant peut toujours se diriger vers la boîte de vitesses et y endommager, par exemple en détruisant la connexion cannelée. Nous prévoyons que notre nouveau développement, qui doit être lancé d'ici la fin de cette année, résoudra ce problème tout en étant moins cher que l'utilisation d'un roulement hybride.
SKF n'est associé à aucune technologie particulière mais propose des solutions spécifiques aux problèmes de conception. À l'heure actuelle, nos roulements hybrides peuvent aider à surmonter les problèmes de fuite de courant dans les véhicules électriques; bientôt, nous aurons une nouvelle technologie qui promet de faire de même, mais à un prix inférieur.
Nous fournissons des produits tels que des roulements à la plupart des fabricants de véhicules électriques du marché. Vous avez donc déjà une connaissance approfondie de ces applications et savez comment résoudre les problèmes associés.
À plus long terme, certains fabricants de VE pourraient être en mesure de surmonter complètement le problème des fuites de courant. S'ils sont responsables de la conception du système complet, ce qui est le cas pour certains des plus grands fabricants, ils pourront «concevoir» le problème à la source.
Pour d'autres fabricants, qui peuvent concevoir le moteur, mais s'approvisionner en externe pour d'autres composants tels que l'unité de commande et la boîte de vitesses, cela sera impossible et ils devront continuer à utiliser des solutions telles que les roulements hybrides.
Les véhicules électriques sont la voie à suivre pour le transport. Bien qu'ils représentent encore une part relativement petite du marché, ce qui les rend aussi efficaces et fiables que possible. Grâce à la conception de composants tels que les roulements, aidera à prendre une plus grande part du marché.