Industria

Necesidad de velocidad

SKF impulsa el desarrollo de los vehículos eléctricos. Con su nuevo Rodamiento de bolas de alta velocidad 1.8 para transmisión eléctrica, la empresa se pone a la cabeza de la carrera para incrementar la velocidad de giro, un factor esencial para mejorar la densidad de potencia del sistema de propulsión de los vehículos eléctricos.

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El número de vehículos eléctricos e híbridos que circulan por las carreteras crece rápidamente. Para 2030, según pronosticó el analista de mercados Bloomberg en 2020, más de la mitad de los automóviles vendidos serán eléctricos. El desarrollo tecnológico atraerá a nuevos compradores a los que se podrán ofrecer precios más competitivos. Además, según las previsiones, también bajará el precio de las baterías y mejorarán significativamente los tiempos y la infraestructura de carga. Igual de importante para reducir costos y fomentar el desarrollo sostenible del mercado de vehículos eléctricos, también mejorará la densidad de potencia.

En colaboración con SKF, la empresa austríaca de investigación y consultoría automotriz AVL ha invertido en tecnología de alta velocidad para desarrollar una solución de transmisión rentable para los vehículos eléctricos. El nuevo eje eléctrico de alta velocidad está equipado con el recién lanzado Rodamiento de bolas de alta velocidad 1.8 para transmisión eléctrica (HSBB 1.8) de SKF, que entrega 30 000 r. p. m. al eje de entrada.

“Se trata de un avance importante”, afirma Mathias Deiml, responsable de desarrollo de sistemas de movilidad eléctrica en AVL, en Ratisbona, Alemania. “Sobre todo teniendo en cuenta que los automóviles eléctricos actuales funcionan a velocidades entre 12 000 y 14 000 r. p. m. En la próxima generación, funcionarán a 20 000 r. p. m. Algunos decían que sería imposible conseguir que funcionaran a 30 000 r. p. m., al menos con un rodamiento de bolas engrasado de acero”.

El Rodamiento de bolas de alta velocidad 1.8 para transmisión eléctrica.

Mayor eficiencia y autonomía

Gracias a la mayor velocidad que permite el HSBB 1.8 de SKF para motores eléctricos automotrices, AVL puede ofrecer un motor más compacto y más rentable que permite una mayor eficiencia y autonomía. Todo ello repercutirá en una mayor demanda de vehículos eléctricos, espera Deiml.

“La movilidad eléctrica todavía tiene mucho potencial de crecimiento”, afirma. “Los gobiernos están introduciendo incentivos para fomentar el uso de vehículos eléctricos y se está presionando a los fabricantes para desarrollar modelos que resulten atractivos por su autonomía, tiempo de carga y costo. Sin embargo, para la mayoría de los consumidores, los automóviles eléctricos siguen siendo muy costosos”.

Tanto las baterías como las transmisiones eléctricas son componentes caros. “Al estar especializados en el sistema de propulsión, nos propusimos centrarnos en el precio del sistema de transmisión eléctrica”, continúa Deiml. “Nuestra solución pasa por desarrollar un motor más compacto pero con la misma potencia, y para ello, hay que incrementar la velocidad de giro”.

Para calcular la potencia generada por el motor eléctrico, se utiliza la fórmula par motor (Nm) x velocidad (r. p. m.) = potencia (kW). Al aumentar la velocidad, se puede reducir el par motor manteniendo la misma potencia. “Al reducir el par de un motor eléctrico, se puede disminuir su volumen, lo que aumenta la densidad de potencia del vehículo entero”, explica Deiml. “Al reducir la masa del motor de 70 a 35 kilogramos, se puede reducir el consumo de metales críticos, por ejemplo, de los que integran los imanes de alta potencia del motor. De este modo, la producción también es más sostenible”.

Construir una transmisión eficiente y confiable

Los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos son menos complejos en términos mecánicos que los de los motores de combustión. Pero construir una transmisión eléctrica eficiente y confiable presenta diversos desafíos. Aumentar la velocidad de giro exige más resistencia a los rodamientos utilizados en las transmisiones eléctricas. Aunque el número de rodamientos es prácticamente el mismo en un eje eléctrico que en uno tradicional, los desafíos técnicos son más difíciles de resolver. Para resistir las elevadas fuerzas centrífugas y minimizar el autocalentamiento generado por las altas velocidades de giro, hacen falta diseños de jaula, geometrías internas y lubricantes especiales. Además, los rodamientos deben durar toda la vida útil del vehículo, es decir, 10 a 15 años, o 300 000 kilómetros hoy, y 500 000 kilómetros o más en un futuro próximo.

SKF ha demostrado que el rodamiento puede soportar el ciclo de cargas y velocidades que habíamos definido
Mathias Deiml, responsable de desarrollo de sistemas de movilidad eléctrica en AVL

Hace dos años, cuando AVL se propuso desarrollar el nuevo eje eléctrico de alta velocidad, el primer paso fue encontrar un rodamiento capaz de soportar las elevadas fuerzas generadas por la mayor velocidad de giro. Para ello, AVL necesitaba un socio dispuesto a desarrollar la nueva generación de rodamientos. Como colaborador estrecho de la industria automotriz desde los inicios de la revolución eléctrica, SKF fue una elección obvia para abordar los nuevos desafíos.

“Trabajar con SKF ha sido una experiencia muy positiva”, resume Deiml. “El intercambio constante de información, resultados de pruebas y análisis nos ha ayudado muchísimo. SKF ha demostrado que el rodamiento puede soportar el ciclo de cargas y velocidades que habíamos definido”.

El nuevo eje eléctrico de alta velocidad para vehículos eléctricos desarrollado por AVL.

Colaboración estrecha con SKF

Anthony Simonin, gerente de cartera técnica, trabaja en el Centro de competencia de SKF para aplicaciones en vehículos eléctricos e híbridos, situado en Saint-Cyr-sur-Loire, Francia. En colaboración estrecha con los equipos de desarrollo de productos e ingeniería de SKF en China, Francia e Italia, su equipo de expertos internacionales se ha volcado en la estimulante –y a veces ardua– tarea de desarrollar el nuevo rodamiento HSBB 1.8 de SKF para el mercado de vehículos eléctricos.

“La primera limitación que se debía superar fue la jaula”, dice Simonin. “Hemos dedicado mucho esfuerzo a mejorar el diseño de la jaula; hemos reforzado su rigidez para aguantar las mayores fuerzas de aceleración y desaceleración”.

Durante varios meses, se simularon diferentes conceptos que culminaron en una preselección de prototipos listos para ensayar en los bancos de pruebas de AVL en Ratisbona.

“El otro gran problema fue encontrar la grasa adecuada”, explica Simonin. “Teníamos grasas para altas velocidades y grasas para altas temperaturas, pero nos faltaba la combinación. Con el apoyo de un proveedor de grasas, finalmente encontramos una solución que cumpliera todos los requisitos”.

Mejor rendimiento a altas velocidades

Durante el desarrollo del nuevo rodamiento para vehículos eléctricos, la velocidad no fue el único desafío. Los altos voltajes del inversor del motor eléctrico, con conmutaciones rápidas, comportan un mayor riesgo de corrientes parásitas en los componentes del sistema de propulsión. Si estas corrientes pasan a través de rodamientos de acero convencionales, pueden producir daños en la superficie. El resultado es más fricción, más vibración y fallas prematuras. Para mejorar el rendimiento a altas velocidades y optimizar el aislamiento eléctrico, el rodamiento híbrido HSBB 1.8 de SKF incorpora elementos rodantes de cerámica y aros de acero.

“Nuestro nuevo HSBB 1.8 permitirá a todos nuestros clientes alcanzar velocidades de giro muy altas en el sistema de propulsión eléctrico, con factores de velocidad de hasta 1,8 M NDm*”, continúa Simonin. “Frente a la solución alternativa –aumentar el tamaño de la unidad de batería–, mejorará la eficiencia y la autonomía con un costo mucho menor”.

Gran interés en la industria automotriz

El interés que ha mostrado la industria automotriz ha sido impresionante, afirma Simonin. A los pocos días de lanzar el rodamiento, varios fabricantes ya le habían pedido precios. “SKF ha desarrollado una solución confiable adaptada a las altas velocidades de giro que necesitan los vehículos eléctricos”, explica. “Evidentemente, es una gran satisfacción para mí. Auguro un papel importante para el rodamiento en la industria automotriz”.

El eje eléctrico de alto rendimiento de AVL con doble motor ya ha salido del banco de pruebas y ha sido probado con éxito en un vehículo de demostración, el Tesla S90. Los vehículos eléctricos son mucho más silenciosos que los automóviles convencionales. Se percibe cualquier ruido o vibración del sistema de propulsión, por mínimo que sea. Según Deiml, la nueva transmisión eléctrica también superó esta prueba.

“Estamos preparados para la producción en serie”, dice. “El siguiente paso es encontrar un fabricante que apueste por esta nueva tecnología, tan avanzada que parece imposible. Cuando manejas el auto y sientes su potencia en la aceleración y luego ves cómo es de pequeño el motor, es realmente asombroso”.

*N es la velocidad límite del rodamiento en r. p. m.; Dm es el diámetro mediano del rodamiento en milímetros.

El eje eléctrico de alto rendimiento de AVL ha sido probado con éxito en un vehículo de demostración, el Tesla S90.

Rodamientos de alto rendimiento

SKF apoya la industria automotriz desde que comenzó la revolución de los vehículos eléctricos. Por eso, muchos fabricantes de equipos originales de Asia, Europa y Norteamérica incorporan rodamientos SKF en sus transmisiones eléctricas.

SKF lanzó recientemente su nuevo Rodamiento de bolas de alta velocidad 1.8 (HSBB 1.8), que es capaz de alcanzar velocidades de giro de 30 000 r. p. m.* Esto permite al fabricante aumentar la velocidad de giro de sus motores eléctricos, lo que repercute en mayor eficiencia y autonomía.

Los fabricantes de vehículos eléctricos también necesitan cadenas de suministro y capacidades de ingeniería que se adapten a su huella de fabricación y desarrollo de productos. SKF ha implantado una filosofía de cadena de valor completa, al invertir en instalaciones de desarrollo de productos, fabricación y pruebas centradas en los mercados locales de vehículos eléctricos.

Según un estudio de la consultora de gestión global McKinsey, los fabricantes de automóviles lanzarán unos 450 modelos nuevos de vehículos eléctricos e híbridos durante los próximos dos años. SKF cuenta con la capacidad técnica, de fabricación y de cadena de suministro necesaria para apoyar el crecimiento del sector.

*Para un rodamiento con un diámetro interno de 40 milímetros y un diámetro externo de 80 milímetros, un factor de velocidad de 1,8 M NDm equivale a 30 000 r. p. m.