Dans un contexte de crise énergétique mondiale et de préoccupations croissantes liées au réchauffement climatique, les véhicules électriques (VE) sont devenus attractifs du fait de leur rendement accru, de leur densité de puissance et de leur accélération rapide par rapport aux véhicules traditionnels à moteur à combustion interne [1]. Néanmoins, les dommages causés par des fuites de courant lors du passage de courants parasites à travers les roulements de leurs moteurs, plus communément appelés érosion électrique, posent problème [2–4]. Dans les roulements, des courants, circulants et non-circulants, contribuent à l’érosion électrique à l’origine de dommages comme une fusion localisée de la matière sur les surfaces du roulement, une augmentation des niveaux de bruit, vibrations et secousses (BVS), une dégradation du lubrifiant et une défaillance prématurée des roulements [4]. De même, des dommages d’ordre morphologique à la surface des roulements, comme le dépolissage, le pitting et les cannelures, ont également des répercussions importantes sur les performances des moteurs de VE [4–6]. Les recherches existantes se concentrent principalement sur l’analyse complète des roulements, mais la nature fondamentale du comportement de décharge électrique est difficile à cerner, en raison d’un grand nombre de paramètres combinés [7,8]. Pour approfondir la compréhension de ce comportement, SKF a réalisé des tests de décharge électrique sur un contact bille-sur-disque unique dans des conditions de lubrification élastohydrodynamique. L’étude a révélé des phénomènes d’érosion électrique dépendants de l’épaisseur du film, ce qui a été corroboré par un nouveau modèle unique d’énergie de décharge. Ce modèle sert de guide pour les stratégies proposées pour prévenir ou réduire l’érosion électrique dans les roulements de moteurs de VE.

Une étude sur un contact bille-sur-disque unique apporte un nouvel éclairage sur le comportement de décharge électrique

Ces recherches ont pour principal objectif d’étudier, afin de mieux le comprendre, le comportement de décharge électrique dans les roulements de moteurs de VE en se concentrant sur un unique contact bille-sur-disque dans des conditions de lubrification élastohydrodynamique (EHL). Limiter le champ de l’étude à un seul point de contact permet d’isoler et d’analyser les facteurs fondamentaux qui influent sur le comportement de décharge électrique, pour obtenir des informations précieuses sur la dynamique complexe à l’origine de l’érosion électrique dans les roulements de moteurs de VE.

Comparé à un test de roulement complet, un banc d’essai d’un seul contact bille-sur-disque offre un meilleur contrôle des conditions électriques et de lubrification. Le recours à une mini-machine de traction du commerce (MMT), de marque Instruments PCS (Fig. 1), initialement conçue pour mesurer les frottements de contact lubrifiés et non lubrifiés, permet des expérimentations précises. Pour simuler la décharge électrique dans les roulements de moteurs de VE, la MMT a été équipée d’une unité d’entraînement par impulsions (PDU) développée en interne (Fig. 1). Cette unité introduit des impulsions électriques à fréquence variable et d’amplitude réglable pour créer des conditions proches des conditions réelles de l’application de VE. Les conditions réelles d’un moteur de VE, à courant alternatif (CA) à haute fréquence supérieure à 10 kHz, sont reproduites avec une tension générée par l’unité PDU à 12,5 kHz.

Principales conclusions

1) Signal de décharge typique
La Figure 2 représente un signal électrique obtenu lors d’un test sur la MMT. Le trait rouge correspond à la tension d’entrée de l’unité PDU, tandis que le trait noir indique la tension de réponse du contact bille-sur-disque. Bien que les surfaces utilisées dans le test soient lisses, les performances électriques du contact bille-sur-disque sont variables. Aux moments a et c, la tension du contact bille-sur-disque imite l’entrée, ce qui signifie que le contact se comporte comme un condensateur. Cependant, en b, la sortie suit l’entrée dans un premier temps, mais tombe à zéro avant la fin de l’impulsion d’entrée, indiquant un comportement de décharge électrique typique dans les roulements de moteurs de VE.

2) Distribution des cratères

La Figure 3 montre les dommages causés par des fuites de courant sur la surface de la bille, observés lors du test sur la MMT au moyen d’instruments de microscopie optique et électronique à balayage (SEM). Deux bandes de dommages symétriques dans la zone de contact (Fig. 3 a) et 3 b)) suggèrent que des décharges se produisent principalement à ces endroits. La zone de contact est divisée en trois zones (Fig. 3 b)) avec des dommages en surface importants (nombreux cratères de décharge électrique se chevauchant) dans les zones 1 et 3, ce qui coïncide avec les dommages en surface observés sur des roulements provenant d’applications sur le terrain. La zone 2, en revanche, présente des dommages minimes avec seulement quelques cratères isolés. Les surfaces des disques présentent une distribution des cratères similaire à celle des billes.

La comparaison des surfaces endommagées avec la distribution théorique de l’épaisseur du film met en évidence une coïncidence des deux bandes endommagées avec la zone d’épaisseur de film minimale, comme le montrent les Fig. 3 b) et 3 c). Cela s’explique par le fait que la puissance du champ électrique constitue le principal facteur déclencheur de la décharge électrique identifié. La zone d’épaisseur de film minimale correspond à la puissance de champ électrique maximale et, par conséquent, la décharge se manifeste de manière constante dans des régions caractérisées par une épaisseur de film minimale, h_min.

3) Modèle d’énergie de décharge électrique
Un modèle d’énergie de décharge électrique (équation (1)) a été développé à partir de la distribution des cratères.

où a₁, a₂ et a₃ sont des constantes et dépendent de la capacité du banc d’essai, des paramètres électriques du lubrifiant et des conditions de travail (charge, vitesse, etc.). Vous trouverez plus de détails sur ce modèle dans le document de référence [9]. De toute évidence, ce modèle établit une corrélation directe entre l’énergie de décharge et l’épaisseur du film. D’après l’équation 1), une diminution de h_min peut réduire les dommages causés par la décharge sur les surfaces du disque et de la bille.

4) Modulation des dommages causés par les fuites de courant par le biais de l’épaisseur de film

Sur la base du modèle d’énergie de décharge électrique, l’ampleur des dommages causés par la décharge électrique (DE) dans les contacts EHL uniques peut être modulée en contrôlant l’épaisseur du film. Une série d’expériences ont été menées par la suite et ont révélé que la diminution de la valeur de l’épaisseur de film minimale constitue une stratégie efficace pour réduire les dommages causés par les fuites de courant.

La Figure 4 fournit les résultats de l’analyse de surface qui font état d’une réduction progressive des dommages dus aux fuites de courant par la diminution de l’épaisseur minimale du film h_min. Ces observations sont conformes à la tendance prédite par le modèle. Dans les tests où toutes les conditions sont identiques, à l’exception de la viscosité du lubrifiant, les énergies de décharges uniques sont uniquement influencées par les valeurs h_min respectives. L’énergie de décharge la plus importante a été relevée dans le test 23, avec les valeurs h_min les plus élevées, et s’est traduite par des dommages importants sur la surface du disque (comme le montre la Fig. 4 a)). À l’inverse, les tests 24 et 25, avec des valeurs h_min beaucoup plus faibles, n’ont pas donné lieu à des cratères clairement visibles sur les surfaces de l’échantillon (comme le montrent les Fig. 4 e–f)). Le test 27, avec des valeurs h_min supérieures à celles du test 24 a conduit à la formation de cratères visibles causés par une énergie de décharge relativement plus élevée (Fig. 4 d)). Cependant, le test 27 présente des valeurs h_min plus faibles par rapport aux tests 26 et 32, ce qui se traduit par des cratères plus grands et qui se chevauchent plus sur les surfaces de contact dans ces deux tests, comme le montrent les Figures 4 b) et 4 c).

Épaisseur de film optimale pour minimiser les dommages électriques et mécaniques sur les roulements

Les résultats expérimentaux révèlent que le comportement de décharge dans les contacts EHL varie avec l’épaisseur du film, confirmant ainsi des travaux antérieurs [8] qui montrent qu’un film de lubrifiant plus épais conduit à une tension de claquage plus élevée. Traditionnellement, la tension de claquage est utilisée pour comparer la résistance au claquage électrique des roulements, mais cette étude montre que le claquage électrique est influencé par l’épaisseur du film et la rigidité diélectrique du lubrifiant. Il est donc essentiel de tenir compte de l’épaisseur du film, de la rigidité diélectrique et de la tension de claquage pour prévoir le comportement de décharge électrique dans les roulements des moteurs de VE. Le modèle actuel et les résultats des tests montrent qu’en réduisant l’épaisseur minimale du film, il est possible de réduire l’énergie de décharge individuelle et de minimiser ainsi les dommages électriques dans les roulements.

Il convient cependant de noter qu’une réduction excessive de l’épaisseur du film peut entraîner des dommages mécaniques, par exemple une usure, susceptibles de compromettre les performances optimales des roulements. Cela souligne le besoin prégnant de recherches supplémentaires pour déterminer avec précision la plage d’épaisseur de film idéale pour un juste équilibre entre atténuation des dommages électriques et prévention des dommages mécaniques préjudiciables. En outre, le choix d’un lubrifiant approprié est essentiel pour atteindre ce juste équilibre. Un examen approfondi des propriétés du lubrifiant et de sa compatibilité avec les conditions de fonctionnement est essentiel. De telles recherches pourraient conduire à des stratégies permettant non seulement de minimiser les dommages électriques, mais aussi de protéger efficacement les surfaces des roulements contre les dommages mécaniques. Des recherches approfondies semblent ainsi essentielles pour une compréhension détaillée des relations entre l’épaisseur de film, le choix du lubrifiant et les performances globales des roulements.

Conclusion

L’étude portait sur la dynamique complexe du comportement de décharge électrique dans les roulements de moteurs de véhicules électriques (VE) et a été menée sur un banc d’essai utilisant une mini-machine de traction (MMT) améliorée en interne. L’examen des dommages causés par des fuites de courant a conduit à l’élaboration et à la validation d’un modèle d’énergie de décharge électrique. Les principales conclusions de cette étude se résument comme suit :

1. Le banc d’essai MMT modifié reproduit efficacement le phénomène de décharge électrique observé dans les contacts simples bille-sur-disque dans des conditions de lubrification élastohydrodynamique (EHL).
2. Le déclenchement de la décharge électrique repose principalement sur la puissance du champ électrique et se produit systématiquement dans la région d’épaisseur de film minimale.
3. Un modèle d’énergie de décharge électrique, défini par l’équation (1), a été développé pour déterminer l’influence des conditions de lubrification sur le comportement de décharge.
4. L’ampleur des dommages causés par la décharge électrique (DE) dans les contacts EHL uniques peut être modulée en contrôlant l’épaisseur du film. Une réduction de l’épaisseur minimale de film a pour effet de minimiser les dommages causés par les fuites de courant.

Ces résultats contribuent de manière significative à une meilleure compréhension du comportement de décharge électrique dans les roulements de moteurs de VE. Ils permettent, en outre, d’élaborer des stratégies pour atténuer les dommages causés par les DE en modulant l’épaisseur de film. Au-delà de leurs implications dans les milieux académiques, ils permettent d’établir des lignes directrices pratiques pour les ingénieurs et les chercheurs engagés dans l’amélioration de la fiabilité et dans le développement durable de technologies de véhicules électriques.

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