Industrie

À la vitesse supérieure

SKF contribue à accélérer le développement des véhicules électriques. Grâce à son nouveau roulement à billes High Speed Ball Bearing 1,8 pour e-Drive, le Groupe prend la tête de la course à la majoration de la vitesse de rotation - un facteur clé pour accroître la densité de puissance dans les groupes motopropulseurs des véhicules électriques.

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Les véhicules électriques (VE) et hybrides (VEH) se multiplient sur les routes. D’après les projections publiées en 2020 par l’agence d’information financière Bloomberg, plus de la moitié des véhicules particuliers vendus d’ici 2030 seront électrifiés. L’évolution technologique attirera de nouveaux acheteurs et se traduira par des tarifs plus compétitifs. En outre, selon ces mêmes prévisions, le prix des batteries va baisser et le temps de recharge et les infrastructures vont considérablement s’améliorer. Autre facteur tout aussi déterminant pour favoriser la réduction des coûts et la croissance viable du marché des VE, la densité de puissance va augmenter.

En collaboration avec SKF, AVL, société autrichienne de recherche et de conseil pour le secteur automobile, a investi dans la technologie à grande vitesse afin de concevoir une solution de groupe motopropulseur économique pour les VE. Son nouvel essieu électrique à grande vitesse est équipé du tout nouveau roulement à billes High Speed Ball Bearing (HSBB) 1,8 SKF pour groupe motopropulseur électrique. Il assure une rotation de 30 000 tr/min à l’arbre d’entrée.

« C’est un bel exploit, estime Mathias Deiml, responsable du développement des systèmes pour l’électromobilité chez AVL à Ratisbonne, en Allemagne. D’autant plus que les moteurs des VE actuels tournent à environ 12 000 à 14 000 tr/min. La prochaine génération tournera à 20 000 tr/min. Des moteurs tournant à 30 000 tr/min ? Certains disaient que ce serait impossible à réaliser, du moins avec un roulement à billes en acier graissé. »

Le roulement à billes High Speed Ball Bearing SKF 1,8 pour eDrive.

Rendement et autonomie accrus

À la faveur de la vitesse supérieure obtenue grâce roulement à billes HSBB 1,8 pour moteurs électriques automobiles, AVL peut proposer un moteur plus compact et plus économique, à rendement et autonomie accrus – des résultats qui, espère Mathias Deiml, contribueront à multiplier le nombre de VE sur les routes. « L’électromobilité est sur le point d’atteindre des volumes plus conséquents. Les États mettent en place des bonus afin de promouvoir l’usage des VE, et les constructeurs automobiles sont pressés de sortir des modèles intéressants en termes d’autonomie, de recharge et aussi de coûts. Néanmoins, pour la plupart des acheteurs, les voitures électriques restent trop chères. »

Les batteries demeurent très coûteuses. Il en va de même pour le système de transmission électrique. « Étant donné que nous sommes spécialisés dans la transmission, nous nous sommes donné pour mission d’étudier le coût du groupe propulseur électrique, poursuit Mathias Deiml. C’est ainsi que nous avons eu l’idée de concevoir un moteur plus compact mais délivrant la même puissance. Nous y sommes parvenus en augmentant la vitesse de rotation. »

La puissance générée par le moteur électrique est calculée selon la formule couple (Nm) x vitesse (tr/min) = puissance (kW). Si on accroît la vitesse, on peut abaisser le couple pour obtenir la même puissance. « En diminuant le couple d’un moteur électrique, on peut réduire l’encombrement du moteur, ce qui augmente la densité de puissance de l’ensemble de la voiture électrique. En faisant passer la masse du moteur de 70 à 35 kg, on peut avoir moins recours à des métaux critiques tels que ceux qui composent les aimants très puissants du moteur, ce qui rend également la production plus éco-responsable. »

Un groupe motopropulseur performant et fiable

Sur le plan mécanique, les groupes motopropulseurs des VE sont plus simples que ceux des véhicules à moteur thermique. Mais il est extrêmement difficile de concevoir un système de transmission électrique performant et fiable. Opter pour un plus fort ratio de vitesse de rotation impose des conditions sévères aux roulements des groupes motopropulseurs des VE. Bien que le nombre de roulements soit à peu près le même dans un essieu électrique que dans un essieu traditionnel, le défi technique est plus grand. Pour résister à des forces centrifuges élevées et réduire au minimum l’auto-échauffement provoqué par une rotation rapide, ces roulements doivent bénéficier de caractéristiques spéciales en matière de conception de cage, de géométrie interne et de lubrification. Les constructeurs leur demandent également de fonctionner avec fiabilité pendant toute la durée de vie du véhicule, entre 10 et 15 ans ou 300 000 km aujourd’hui, et jusqu’à 500 000 km, voire plus, dans un avenir proche.

SKF a prouvé que le roulement pouvait supporter le cycle de charge et de vitesse que nous avions défini.
Mathias Deiml, responsable du développement de systèmes pour l’électromobilité chez AVL

Il y a deux ans environ, lorsqu’AVL a entrepris de mettre au point son nouvel essieu électrique à grande vitesse, sa première mission a été de trouver le roulement adéquat, capable de résister aux forces engendrées par la vitesse de rotation supérieure. Pour y parvenir, l’entreprise autrichienne avait besoin d’un partenaire prêt à concevoir une nouvelle génération de roulement.

Depuis les prémices de la révolution des VE, SKF travaille en étroite collaboration avec l’industrie automobile pour relever les nouveaux défis qui se présentent. Le Groupe était donc le partenaire idéal pour AVL. « Collaborer avec SKF s’est avéré très positif, affirme Mathias Deiml. Les échanges fréquents d’informations, de résultats d’essais et d’analyses ont été vraiment très utiles, et SKF a prouvé que le roulement pouvait supporter le cycle de charge et de vitesse que nous avions défini. »

Le nouvel essieu électrique à grande vitesse pour les applications VE mis au point par AVL.

Coopération étroite avec SKF

Anthony Simonin, chargé de portefeuille technique, travaille au Centre de compétences VE et VEH de SKF à Saint-Cyr-sur-Loire, en France. En coopération étroite avec les équipes de développement produits et d’ingénierie de SKF en Chine, en France et en Italie, cette équipe d’experts internationaux s’est attelée à la tâche stimulante – et parfois aussi fastidieuse – de concevoir le nouveau SKF HSBB 1,8 pour le marché des VE. « La cage a été le premier obstacle auquel nous nous sommes attaqués. On a beaucoup travaillé à l’amélioration de sa conception afin de renforcer la rigidité nécessaire pour supporter l’accélération et la décélération accrues. »

Plusieurs mois d’essais de simulation des différents concepts ont été nécessaires avant d’aboutir à une présélection de prototypes prêts à être testés sur les bancs d’essai d’AVL à Ratisbonne.

« Deuxième grand chantier : trouver la bonne graisse. Nous avions des graisses pour vitesses élevées et nous avions des graisses pour températures élevées, mais nous n’en avions pas une qui supportait les deux. Avec l’aide d’un fournisseur de graisse, nous avons finalement trouvé une solution qui répondait à tous les critères. »

Amélioration des performances à grande vitesse

La vitesse n’était pas le seul casse-tête au moment de concevoir le nouveau roulement pour VE. Les tensions élevées et à variation rapide de l’onduleur du moteur électrique entraînent un risque accru de courants parasites dans les composants du groupe motopropulseur. S’ils traversent des roulements en acier classiques, ces courants peuvent endommager leurs surfaces, ce qui induit un frottement plus important, une augmentation des vibrations et une défaillance précoce. Afin d’offrir des performances améliorées à grande vitesse et des caractéristiques d’isolation électrique de premier ordre, le SKF HSBB 1,8 hybride peut être muni d’éléments roulants en céramique et de bagues en acier.

« Notre nouveau roulement HSBB 1,8 permettra à tous nos clients d’obtenir une vitesse de rotation très élevée, pouvant atteindre un facteur de vitesse de 1,8 M NDm*, sur leur groupe motopropulseur électrique, assure Anthony Simonin. Cette solution permettra d’améliorer le rendement et l’autonomie des véhicules et reviendra moins cher que si l’on avait augmenté les dimensions du pack batteries. »

L’industrie automobile très intéressée

L’industrie automobile s’est montrée extrêmement intéressée, poursuit-il. Quelques jours seulement après le lancement du roulement, plusieurs demandes de devis ont été reçues. « SKF a conçu une solution fiable pour gérer la vitesse de rotation élevée dans les applications VE. Je suis vraiment très satisfait et j’ai hâte de voir le roulement mis en application dans le secteur automobile. »

L’essieu électrique haute performance à deux moteurs AVL a quitté les bancs d’essai et fait ses preuves sur un véhicule test, la Tesla Model S90. Comme un véhicule électrique est beaucoup plus silencieux qu’une voiture classique, on entend ou ressent immédiatement le moindre petit bruit ou la moindre petite vibration émis par le groupe motopropulseur. D’après Mathias Deiml, la nouvelle transmission électrique a surmonté cette difficulté. « Nous sommes prêts à lancer une production de masse. L’étape suivante consiste à trouver un fabricant de VE qui croit en cette nouvelle technologie, laquelle est tellement en avance qu’elle en est presque inconcevable. Quand on conduit la voiture et qu’on ressent l’accélération, puis qu’on voit la petite taille du moteur, il y a de quoi être surpris. »

*N est la vitesse limite du roulement exprimée en tr/min ; Dm est le diamètre médian du roulement en mm.

L'essieu électrique haute performance AVL a fait ses preuves sur un véhicule test, la Tesla Model S90.

Roulements aux performances de haut niveau

SKF accompagne l’industrie automobile depuis les prémices de la révolution des véhicules électriques. C’est la raison pour laquelle de nombreux équipementiers en Asie, Europe et Amérique du Nord ont sélectionné les roulements SKF pour leur système de groupe motopropulseur électrique.

SKF a récemment lancé son nouveau roulement à billes à grande vitesse High Speed Ball Bearing 1,8 (HSBB 1,8), capable d’atteindre une vitesse de rotation de 30 000 tr/min*. Cette performance permet aux constructeurs automobiles d’augmenter la vitesse de rotation de leurs moteurs électriques afin d’obtenir un meilleur rendement et donc une plus grande autonomie entre chaque recharge.

Les constructeurs de VE requièrent également des chaînes logistiques et des moyens techniques qui correspondent à leur empreinte de développement produits et de fabrication. SKF a adopté une approche de la chaîne de valeur complète et investi dans le développement, la fabrication et les essais de produits, en ciblant les marchés de VE locaux.

Les constructeurs automobiles devraient lancer environ 450 nouveaux modèles de véhicules à batterie et de véhicules hybrides rechargeables au cours des deux prochaines années, estime une étude de McKinsey, le cabinet international de conseil en stratégie. SKF possède les capacités nécessaires en matière d’ingénierie, de fabrication et de chaîne logistique pour accompagner la croissance accélérée de ce secteur.

*Coefficient de vitesse de 1,8 M NDm, ce qui, pour un roulement d’un diamètre intérieur de 40 mm et d’un diamètre extérieur de 80 mm, équivaut à 30 000 tr/min.