Selectarea rulmenţilor pentru transmisia vehiculelor electrice în cazul utilizării rulmenţilor cu role conice, eficienţi energetic

Rulmenții eficienți energetic (rulmenții EE) pentru pinioanele transmisiilor cu roți dințate au fost dezvoltați prima dată în anii 2000, pentru a reduce pierderea de energie a rulmenților din axul central al punții spate al vehi­culelor, dincolo de ceea ce puteau realiza rulmenții standard cu role conice la momentul respectiv. Unul dintre primii clienți a fost un producător de automobile de lux, căruia The Timken Company i-a prezentat rulmenții eficienți energetic pentru una dintre gamele de vehicule premium. Noua soluție constructivă de punte a îmbunătățit economia de combustibil a mașinii cu 1,5% și a redus pierderea de energie pe puntea spate cu 25%.

În dezvoltarea vehiculelor electrice, sunt impuse cerințe ridicate pentru eficiența grupului motopro­pulsor. Există mai mulți rulmenți care contribuie la eficiența grupului, printre care se numără rulmenții cu bile, pentru cupluri mai reduse ale motorului, sau rulmenții cu role conice (TRB), când este necesară o densitate mai mare de putere (în special pentru arborii intermediari ai transmisiilor vehiculelor elec­trice, ce au un cuplu motor mai mare). 

The Timken Company a dezvoltat noi tehnologii pentru a îmbunătăți și mai mult eficiența rulmenților cu role conice destinați pinioanelor pentru axul central al punților, atingând sau depășind nivelul de eficiență al rulmenților cu bile cu contact unghiu­lar, cu două rânduri de bile. O astfel de tehnologie poate fi aplicată și la transmisiile mașinilor electrice. Acest articol se axează pe soluțiile constructive de rulmenți care depășesc rulmenții standard cu role conice în obținerea unei îmbunătățiri a eficienței, specifice transmisiilor vehiculelor electrice. 

Tehnologia rulmenţilor Timken cu role conice, eficienţi energetic 

Soluția constructivă de rulment eficient ener­getic este definită pe baza cerințelor clienților legate de pierderea de energie, analiza ciclului de dura­bilitate plus eficiență și pe înțelegerea condițiilor de încărcare esențiale pentru pierderea de energie și durata de viață a rulmentului. 

Trecând la o soluție constructivă de rulment de pinion mai eficientă, pot fi obținute îmbunătățiri substanțiale ale eficienței. Rulmentul Timken efi­cient energetic (EE), în comparație cu o construcție de rulment standard, reduce valorile momentului de rezistență la rotire al rulmentului cu până la 40%, pentru diverse turații ale arborelui, cupluri motor și temperaturi. 

Soluțiile constructive de rulmenți Timken eficienți energetic conțin profiluri ale elemente­lor de rulare optimizate care nu numai că reduc momentul de rezistență la rulare, ci îmbunătățesc și capacitatea rulmentului de distribuție a sarcinii în condiții solicitante. Acești rulmenți, încorporând caracteristici de proiectare avansate (profiluri, oțeluri, rugozitatea suprafețelor etc.), eficienți energetic, pot oferi îmbunătățiri semnificative în ceea ce privește durabilitatea în funcționare. 

Sarcinile nominale dinamice ale rulmenților Timken cu role conice au fost crescute în 2011, ceea ce a făcut ca The Timken Company să creeze următoarea generație de soluții constructive de rulmenți eficienți energetic „cu înaltă densitate de putere” (engleză, PDFE), în care este deseori posibilă reducerea dimensiunilor de gabarit ale rulmentului.

Un rulment eficient energetic poate fi proiectat încorporând diferite obiective și caracteristici tehnice. Mai jos sunt prezentate trei tipuri de soluții constructive și detalii ale caracteristicilor principale ale rulmenților Timken eficienți energetic: 

1. Macro-geometrie eficientă energetic: pentru a obține cea mai bună eficiență posibilă, au fost create și optimizate pentru utilizări specifice câteva noi serii de rulmenți (noi role și o nouă colivie = o nouă macro-geometrie internă). 

2. Micro-geometrie eficientă energetic: micro-geometria rulmentului este definită de căi de rulare ce au profiluri eficiente energetic și rugozități adecvate, amândoi fiind factori cheie pentru o eficiență de nivel înalt. 

3. Caracteristicile noii generații cu eficiență energetică: testele și evoluțiile recente au permis noi linii directoare ale proiectării rulmenților pen­tru stabilirea unei eficiențe și mai ridicate. 

Îmbunătățirile eficienței, estimate de Syber (software-ul intern al Timken pentru modelarea rulmenților și sistemului mecanic care îi înglobează), îmbunătățiri care pot fi obținute cu tehnologia rulmenților eficienți ener­getic, comparativ cu rulmenții standard, au fost demonstrate prin testarea rulmenților în standuri de testare care au simulat încărcările la care au fost supuși rulmenții de către ansamblul pinion – roată dințată (consultați exem­plul următor).

Studiu de caz: Rulment cu role conice eficient energetic, pentru transmisiile autoturismelor electrice

Această secțiune oferă un studiu de caz pentru o soluție constructivă de rulmenți cu role conice eficienți energetic și calculele aferente pentru trans­misia unui autoturism electric. 

O construcție tipică de transmisie pentru vehi­cule electrice ușoare este alcătuită din trei arbori paraleli: 

• Un arbore de intrare conectat la motorul elec­tric, ce folosește în principal rulmenți cu bile, din cauza turațiilor foarte ridicate (până la 25.000 rpm).
• Un arbore intermediar (denumit și arbore secundar) pentru prima treaptă de reducere a turației, folosind fie rulmenți cu bile pentru aplicații cu cuplu motor mic, fie rulmenți cu role conice pen­tru aplicații cu cuplu motor mediu spre mare.
• Un arbore diferențial pentru a doua treaptă de reducere a turației și divizarea cuplului motor la roți, cel mai adesea folosind rulmenți cu role conice pre­cum cei de pe axul central al punților cu construcție clasică sau din transmisiile vehiculelor cu motoare cu combustie internă.

Timken se concentrează pe arborele intermedi­ar și arborele diferențial, pentru care rulmenții cu role conice reprezintă o posibilă soluție. A fost studiată o transmisie tipică pentru un vehicul electric mic și a fost creat un model de calcul Syber pentru acești doi arbori, așa cum este ilustrat în figura 3.

Datele cheie de calcul pentru aplicație sunt precizate mai jos: 

• Lubrifiantul a fost un ulei sintetic tipic cu viscozitate redusă pentru transmisiile vehiculelor electrice, cu viscozități de 24 cSt la 40°C și 5,5 cSt la 100°C.
• S-a presupus un nivel de contaminare cu impurități în aplicație conform cu ISO 19/16 (per ISO 4406).
• S-a considerat că arborele este din oțel și carcasa din aluminiu.
• S-a considerat că această carcasă constă din arcuri cu valori estimate ale rigidității.
• Temperatura medie de funcționare, pentru cal­culele privind durabilitatea și rezistența la oboseală a rulmenților, a fost de 85°C.
• Raportul total de reducere al transmisiei pen­tru vehicule electrice a fost de aproximativ 10.
• Un ciclu de durabilitate cu 20 de condiții de încărcare, de la acționare la inerție, a fost uti­lizat pentru a compara rezistența la oboseală a rulmenților cu durata de viață dorită de client.
• De asemenea, a fost calculat și un scenariu de încărcare cu transmisia funcționând cu frâna de parcare acționată, pentru a verifica tensiunile în căile de rulare în acest caz cu abuz de sarcină.

Pentru a evalua eficiența rulmenților, s-a folosit un ciclu de încărcare tipic WLTP (ciclul de testare a vehiculelor ușoare la nivel mondial) pentru cal­culele pierderilor de energie datorate rulmenților (consultați figura 4):

1. Temperatură medie de 40°C. 

2. Turații de intrare de la 4000–11.000 rpm în 80% din timp. 

3. Turații de intrare de la 0–3500 rpm în 20% din timp. 

4. Starea de acționare reprezintă ~63% din timp și starea de inerție ~37% din timp.

În graficele de mai jos, vedem următoarele: 

• În partea stângă, pierderea de energie datorată rulmenților (W) și turația (rpm) pentru toate condițiile indivi-duale. Ilustrează faptul că cea mai mare pier­dere de energie are loc la cea mai mare turație.

• În partea dreaptă, axa X arată proporția de pierdere de ener­gie a unei condiții de încărcare individuale, ca parte componentă a ciclului total, funcție de turație (rpm), precum și procentul de utilizare a fiecărei condiții de încărcare individuale, pe axa Y. Ilustrează faptul că, pentru un ciclu general, cea mai mare turație, plus cel mai mare procent de utilizare (observați cercul verde), sunt cei mai importanți factori pentru eficiența rulmenților pentru ciclul de încărcare WLTP.

Rulmenții cu role conice folosiți drept referință sunt considerați „rulmenți de catalog standard” și au fost utilizați pentru numeroase soluții constructive de punți de volum redus pentru autovehicule electrice, din prima generație (datorită costurilor și disponibilității pe piață). 

• Dimensiunea arborelui intermediar: ~29x57x20 
• Dimensiunea arborelui diferențial: 45x75x20

Mulți dintre rulmenții selectați sunt fabricați din oțel 100Cr6/52100, supus unui tratament termic de călire pătrunsă, cu o geometrie a rulmentului care respectă standardul industrial în domeniu. Acești rulmenți sunt mai adecvați pentru aplicații mai puțin solicitante în ceea ce privește densitatea de putere și mediul de lucru al sistemului de rulmenți (ne referim la gradul de contaminare cu impurități și la temperatura de lucru), în care eficiența ridicată nu este un factor esențial (consultați figurile 5a și 5b – acești rulmenți au în componență role cu lungime mai mare, ceea ce cauzează pierderi hidrodinamice ridicate pe căile de rulare). 

Un beneficiu al acestui tip de rulment cu role conice, în comparație cu rulmenții cu bile, este dura­bilitatea mai bună și dimensiuni de gabarit mai mici, ceea ce reprezintă o alegere bună pentru transmisi­ile vehiculelor electrice. 

Rezultatele calculului pentru durabilitate și ten­siunea pe căile de rulare: 

• Rulmenții arborelui intermediar sunt accep-tabili, dar nu prezintă un factor de siguranță ridicat. În condiții de rigiditate redusă a carcasei, cupluri motrice mai ridicate sau prezența unor impurități mai dure în ulei, ar fi necesari rulmenți îmbunătățiți sau cu dimensiuni de gabarit mai mari, pentru a îndeplini cerințele de durabilitate. 
• Deoarece au fost inițial selectați pen­tru un diferențial de transmisie manuală cu cuplu motor mai mare, rulmenții arborelui diferențial au un factor de siguranță foarte ridicat și sunt ușor supradimensionați. Dar această soluție constructivă a fost astfel aleasă, în mod intenționat, de către client, pentru a permite utilizarea unui sistem diferențial de volum ridicat în transmisia pentru vehicule electrice respectivă. 

Prima soluție posibilă pentru îmbunătățirea eficienței („rulmentul îmbunătățit EE”), păstrând în același timp neschimbate dimensiunile de gaba-rit ale rulmentului standard, este de a îmbunătăți micro-geometria internă a rulmenților standard cu specificațiile rulmenților Timken eficienți energe-tic (EE). Consultați figurile 6a–c de mai jos, care ilustrează modificările din rulment, respectiv con­tactul dintre rolă și calea de rulare, respectiv dintre rolă și umărul mare al inelului interior. 

Principalul avantaj al acestui tip de soluție de rulment „îmbunătățit EE” este faptul că permite clienților să utilizeze o construcție de rulment ușor de implementat pe o arhitectură de transmisie pentru vehicule electrice deja existentă. Beneficiile în ceea ce privește micșorarea pierderii de energie datorată rulmentului sunt cuprinse între -15% și -25%, în funcție de tipurile de modificări de micro-geometrie eficiente energetic efectuate asupra rul­mentului (așa cum este ilustrat în figurile 6a–c). Estimările privind reducerea pierderii de energie sunt bazate pe utilizarea ciclului WLTP la o temperatură medie de funcționare de 40°C.

A doua soluție posibilă pentru îmbunătățirea eficienței cu „rulmentul EE” constă într-o optimi­zare a dimensiunilor de gabarit ale rulmentului, combinată cu o macro-geometrie cu eficiență energetică mai ridicată, conform figurii 7 (lungime mai mică a rolelor și diametru interior mai mic al alezajului rulmentului, atunci când micșorarea diametrului arborelui este posibilă). Această soluție permite utilizarea întregului potențial al micro-geome­triei interne îmbunătățită a rulmentului Timken (așa cum este arătat în figura 6a).

Provocarea în dezvoltarea acestui tip de rul­ment EE este crearea soluției celei mai potrivite pentru optimizarea valorii grupului motopropulsor pentru clientul final. Viteza cu care industria auto se adaptează unei astfel de soluții poate depinde în mare măsură de volumele de producție. Beneficiile în ceea ce privește micșorarea pierderii de energie a rulmenților sunt cuprinse între -20% și -30%, în funcție de dimensiunile de gabarit și specificațiile rulmentului selectat.

A treia soluție posibilă pentru îmbunătățirea eficienței cu „rulmentul EE cu înaltă densitate de putere” este de a proiecta o soluție constructivă nouă, mai compactă (consultați figura 8a) și, așa cum s-a menționat anterior, de a îmbunătăți micro-geometria internă a acestui nou rulment prin adop­tarea specificațiilor rulmentului Timken eficient energetic.

Beneficiile în ceea ce privește micșorarea pierderilor de energie a rulmentului sunt cuprinse între -30% și -40%, în funcție de dimensiunile de gabarit și specificațiile rulmentului selectat.

Provocarea în implementarea acestor soluții de rulmenți EE este obținerea echilibrului între nevoile de eficiență și de durabilitate ale aplicației. Utilizarea unui software de modelare avansat este un instrument esențial în încorporarea tuturor influențelor aplicației în construcția rulmentului. 

Când durabilitatea trebuie crescută menținând în același timp cea mai mare eficiență posibilă, The Timken Company poate furniza materiale și opțiuni de tratamente termice premium (de exemplu, rulmenți supuși trata­mentului termic de cementare). Acest tip de tratament termic poate crește durata de viață a rulmentului în comparație cu rulmenții standard în condiții de funcționare severe, inclusiv în situațiile de contaminare a uleiului cu impurități și/sau a prezenței unei pelicule de ulei de grosime foarte mică în rulment.

Rezultatele calculate pentru pierderea de energie ponderată pentru soluțiile constructive de rulment descrise anterior sunt prezentate în graficul din figura 9. Pierderea de energie este prezentată atât pentru ciclul de durabilitate, cât și pentru ciclul eficienței WLTP, la temperaturile medii de funcționare respective.

Valorile se referă la arborele intermediar și trei tipuri de rulmenți cu role conice:

• Rulmentul standard actual, ca referință.
• Soluția EE 1, care prezintă un rulment cu dimensiuni de gabarit simi­lare cu cele ale rulmentului standard și oferă beneficiul unei bune eficiențe energetice.
• Soluția EE 2, care este o construcție de rulment EE cu înaltă densitate de putere, ce oferă cea mai mare îmbunătățire a eficienței energetice.