Industria

Bisogno di velocità

SKF accelera lo sviluppo dei veicoli elettrici e punta al comando nella corsa per aumentare la velocità di rotazione con il nuovo High Speed Ball Bearing 1.8 per e-Drive, un componente chiave per migliorare la densità di potenza dei powertrain elettrificati.

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Il numero di veicoli elettrici (EV) e ibridi in circolazione è in rapido aumento. Nel 2020 gli analisti di Bloomberg hanno stimato che entro il 2030 oltre la metà dei veicoli passeggeri venduti sarà elettrificata. Lo sviluppo tecnologico attirerà nuovi acquirenti e avrà come conseguenza una riduzione dei prezzi. Inoltre, stando alle previsioni, scenderanno anche i costi delle batterie e miglioreranno i loro tempi di ricarica, come pure le infrastrutture. In termini di riduzione costi e sviluppo sostenibile del mercato EV, assume pari importanza anche l’incremento della densità di potenza.

In collaborazione con SKF, la società austriaca di ricerca e consulenza automotive AVL ha investito nella tecnologia ad alta velocità per sviluppare una soluzione economica per i sistemi powertrain EV. Il nuovo assale elettrico, e-axle, ad alta velocità è equipaggiato con il nuovo High Speed Ball Bearing 1.8 per e-Drive, SKF HSBB 1.8, che ha una capacità di rotazione di 30.000 giri/min sull’albero d’ingresso.

“È un bel risultato”, afferma Mathias Deiml, responsabile system development for electro mobility di AVL, a Regensburg, in Germania. “Specie se si pensa che i motori attualmente in uso nei veicoli elettrici operano a 12.000-14.000 giri/min e che quelli di prossima generazione raggiungeranno i 20.000 giri/min. Per alcuni è impossibile arrivare a 30.000 giri/min, perlomeno non con i cuscinetti a sfere in acciaio lubrificati a grasso”.

L’SKF High Speed Ball Bearing 1.8 per e-Drive.

Più efficienza e più autonomia

Grazie alla maggiore velocità di rotazione resa possibile dall’SKF HSBB 1.8, AVL ha realizzato un motore più compatto ed economico, che offre più efficienza e autonomia e che, auspica Deiml, favorirà una maggiore diffusione delle auto elettriche.

“La mobilità elettrica sta prendendo slancio”, dice. “Gli incentivi statali favoriscono l’acquisto di veicoli elettrici e le case automobilistiche sono spinte a produrre modelli più efficienti in termini di autonomia, tempi di ricarica e costi. Per la maggior parte delle persone le auto elettriche sono ancora troppo costose”.

I prezzi di batterie e sistemi di azionamento elettrici, infatti, sono ancora troppo elevati. “Occupandoci di powertrain, abbiamo fatto del prezzo la nostra missione”, sostiene Deiml. “Ecco perché ci è venuta l’idea di costruire un motore di pari potenza ma più compatto. E ci siamo riusciti aumentando la velocità di rotazione”.

La potenza erogata dal motore elettrico è data dalla formula Coppia (Nm) x Velocità (giri/min) = Potenza (kW). Se la velocità aumenta, la coppia può essere diminuita mantenendo la stessa potenza. “Riducendo la coppia di un motore elettrico, se ne può diminuire il volume, il che aumenta la densità di potenza dell’intera vettura”, chiarisce Deiml. “Se si riduce la massa del motore da 70 a 35 kg, si può ridurre l’uso di metalli critici come quelli impiegati nei magneti ad alta potenza, a tutto vantaggio di una produzione più sostenibile”.

Costruire un sistema di trasmissione efficiente e affidabile

Benché i sistemi powertrain dei veicoli elettrici siano più semplici dal punto di vista meccanico dei loro omologhi nei veicoli con motori a combustione, costruire un sistema di tramissione elettrico efficiente e affidabile è molto impegnativo. La corsa per aumentare la velocità di rotazione impone condizioni molto severe per i cuscinetti nelle trasmissioni EV. Anche se il numero di cuscinetti in un assale elettrificato e in uno di tipo tradizionale è pressoché lo stesso, in termini tecnici la sfida è più complessa che mai. Per sopportare le forze centrifughe elevate e ridurre al minimo il surriscaldamento generato dalla rotazione veloce, questi cuscinetti richiedono gabbie con esecuzioni particolari, specifiche geometrie interne degli anelli e appositi lubrificanti. I costruttori devono anche assicurare il funzionamento affidabile dei cuscinetti per l’intera durata dei veicoli, che attualmente è pari a circa 10-15 anni o 300.000 km, ma che è destinata a raggiungere i 500.000 km o più nel prossimo futuro.

SKF ha dimostrato che il cuscinetto può sopportare i cicli di carico e velocità che abbiamo definito
Mathias Deiml, responsabile system development for electro mobility di AVL

Circa due anni fa, quando AVL ha iniziato a sviluppare il nuovo assale elettrificato ad alta velocità, il primo obiettivo è stato individuare un cuscinetto progettato per sopportare le forze generate dalla maggiore velocità di rotazione. Ad AVL serviva un partner disposto a sviluppare cuscinetti di prossima generazione. Chi meglio di SKF, che aveva affiancato l’industria automobilistica fin dagli esordi della mobilità elettrica?

“Lavorare con SKF è stato molto positivo”, commenta Deiml. “Il frequente scambio di informazioni su risultati di test e analisi è stato molto utile. SKF ha dimostrato che il cuscinetto può sopportare i cicli di carico e velocità che abbiamo definito”.

Il nuovo e-axle ad alta velocità per applicazioni EV sviluppato da AVL.

Stretta collaborazione con SKF

Anthony Simonin, technical portfolio manager, lavora presso l’EV & HEV Application Competence Centre di SKF a Saint-Cyr-sur-Loire, in Francia. Il suo team di esperti internazionali ha collaborato fattivamente con i colleghi SKF in Cina, Francia e Italia per sviluppare lo stimolante, e a volte insidioso, progetto del nuovo SKF HSBB 1.8 per il mercato EV.

“Il primo limite da superare è stato la gabbia”, racconta Simonin. “Ci siamo impegnati a fondo per migliorare la sua esecuzione e aumentarne la rigidità affinché fosse idonea a sostenere le maggiori accelerazioni e decelerazioni”.

Dopo parecchi mesi di prove e simulazioni, è stata stilata una breve lista dei prototipi da collaudare sui banchi prova di AVL, a Regensburg.

“Poi è stata la volta del grasso”, continua Simonin. “C’erano grassi per alte velocità e grassi per alte temperature, ma non uno che soddisfacesse entrambi i requisiti. Con l’aiuto di un apposito fornitore siamo finalmente riusciti a trovare la soluzione giusta”.

Prestazioni migliorate alle alte velocità

La velocità, però, non è stata l’unica sfida. Le tensioni di commutazione rapide ed elevate dell’inverter dei motori elettrici comportano un aumento del rischio di correnti parassite nei componenti del powertrain. Se queste passano attraverso i cuscinetti in acciaio tradizionali possono danneggiarne le superfici, causando un aumento dell’attrito e delle vibrazioni e il cedimento prematuro. Per offrire prestazioni ottimizzate alle alte velocità ed eccellenti caratteristiche di isolamento elettrico, i cuscinetti ibridi SKF HSBB 1.8 impiegano corpi volventi in ceramica e anelli in acciaio.

“Lanciato di recente, l’SKF HSBB 1.8 permetterà ai clienti di realizzare powertrain elettrici con velocità di rotazione molto elevate, fino a 1,8M NDm*”, commenta Simonin. “Inoltre, consentirà di ottenere più efficienza e autonomia a un costo inferiore rispetto ad aumentare le dimensioni del pacco batterie”.

Enorme interesse da parte dell’industria automobilistica

Simonin riferisce che l’industria automobilistica ha mostrato un enorme interesse. A pochi giorni dal lancio sono pervenute svariate richieste di preventivi. “SKF ha sviluppato una soluzione affidabile per gestire le alte velocità rotazionali nei veicoli elettrici”, afferma. “Chiaramente sono soddisfatto e non vedo l’ora di vederla applicata all’industria automobilistica”.

L’e-axle ad alte prestazioni di AVL con due motori elettrici ha lasciato i banchi prova e ha dimostrato le sue capacità nel veicolo dimostrativo Tesla Model S90. Essendo molto più silenziosi delle auto tradizionali, nei veicoli elettrici si percepisce facilmente ogni minima rumorosità o vibrazione proveniente dal powertrain. Ma Deiml sostiene che il nuovo sistema e-drive ha superato anche questa prova.

“Siamo pronti per la produzione in serie”, dichiara. “Il prossimo passo è trovare un costruttore di veicoli elettrici che creda in una tecnologia così avanzata da sembrare quasi incredibile. Quando si guida quest’auto e si prova l’accelerazione è difficile credere che il motore sia così piccolo”.

*N è il limite di velocità del cuscinetto in giri/min; Dm è il diametro medio del cuscinetto in millimetri.

L’e-axle ad alte prestazioni di AVL ha dimostrato le sue capacità nel veicolo dimostrativo Tesla Model S90.

Cuscinetti ad alte prestazioni

SKF sostiene l’industria automobilistica dagli albori dell’evoluzione dei veicoli elettrici. Questo è il motivo per cui molti OEM in Asia, Europa e Nord America hanno scelto i cuscinetti SKF per i sistemi di trasmissione dei loro veicoli elettrici.

Lanciato di recente, l’SKF High Speed Ball Bearing 1.8 (HSBB 1.8), è in grado di raggiungere una velocità di rotazione di 30.000 giri/min*. Questo permette alle case automobilistiche di aumentare la velocità di rotazione dei motori elettrici e ottenere una maggiore efficienza, nonché una maggiore autonomia di ricarica.

I produttori di veicoli elettrici hanno anche bisogno di catene di fornitura e competenze tecniche in grado di supportare i loro processi di produzione e sviluppo prodotto. SKF ha adottato un approccio completo per la catena di creazione del valore, investendo in servizi di sviluppo prodotto, produzione e collaudo dedicati al mercato locale dei veicoli elettrici.

Secondo uno studio della società internazionale di consulenza McKinsey, nei prossimi due anni i produttori intendono lanciare circa 450 nuovi modelli di veicoli elettrici e ibridi plug-in. La SKF disponde delle capacità tecniche, produttive e logistiche necessarie per sostenere il settore ad accelerare la crescita.

*Fattore di velocità di 1,8M NDm, che per un cuscinetto con diametro interno 40 millimetri e diametro esterno 80 millimetri equivale a 30.000 giri/min.