Innovaciones en el tren eléctrico, respaldadas por décadas de experiencia

Creación

Innovaciones en el tren eléctrico, respaldadas por décadas de experiencia

Los vehículos impulsados por energía eléctrica no son ninguna novedad. Los automóviles eléctricos fueron populares en Europa y en los Estados Unidos en la década de 1890 y a principios de la década de 1900 porque eran más ecológicos, más silenciosos y más fáciles de arrancar que los automóviles con motores de combustión interna. Incluso después de que los automóviles a gasolina se adueñaran del mercado de consumo, los trenes y camiones eléctricos siguieron transportando el carbón de las minas y trasladando a las personas a través de los túneles de los subtes. Los tractores con remolques eléctricos, los portacargas y las carretillas elevadoras se encargaron de mantener en funcionamiento a las fábricas y los depósitos de todo el mundo.

Hoy en día, la mayor volatilidad del clima y las restricciones para los vehículos que funcionan con combustibles fósiles impulsan la inversión en automóviles, camiones y ómnibus eléctricos. En 2017 se produjeron más de 125.000 vehículos comerciales eléctricos a nivel global y, de acuerdo con un informe de Research and Markets, se prevé que esta cifra supere los 1,8 millones para el año 2025.

En EE. UU., donde las compras en línea han crecido enormemente, las empresas con entrega a domicilio utilizan furgonetas y camiones eléctricos de servicio mediano para satisfacer la demanda de forma más sustentable. En China, debido a la solidez de los incentivos del gobierno y al bajo número de personas que poseen automóviles, los consumidores se inclinan más hacia los automóviles eléctricos. Además, cada cinco semanas, se suman 9500 ómnibus eléctricos nuevos a las carreteras, el equivalente a la totalidad de la flota de ómnibus de Londres.

El desafío de la propulsión eléctrica

Sin embargo, al mercado de los vehículos eléctricos le falta madurar. Las soluciones para trenes eléctricos de primera generación siguen siendo moneda corriente, y las empresas emergentes compiten contra los productores establecidos por un lugar en el mercado. Los proveedores se mantienen al tanto de los desarrollos para poder adaptarse con rapidez a medida que aumenta la demanda de vehículos eléctricos.

El gran desafío sigue siendo el de las baterías. Los expertos esperan que los costos de las baterías de litio se mantengan altos durante los próximos diez años. Para que con una sola carga se recorran más kilómetros, los fabricantes buscan soluciones para trenes de potencia con menor consumo de combustible y mayor densidad de potencia, de modo que los vehículos puedan ser más livianos y disponer de más espacio para el conjunto de baterías.

Entre los desafíos que implican los vehículos eléctricos para los diseñadores de rodamientos se incluyen entornos térmicos más rigurosos y lubricantes más livianos, según Christopher Marks, jefe de ingeniería del grupo de soluciones todo terreno de Timken. Antes de su reciente ascenso, se desempeñaba como experto residente de Timken en materia de vehículos eléctricos dentro del espacio de soluciones en carretera.

Jefe de Ingeniería de Timken, Christopher Marks

“Los lubricantes más livianos han sido una tendencia durante años, ya que permiten un funcionamiento más eficaz del tren de transmisión”, explica. “Este tipo de lubricantes, sin embargo, puede provocar problemas de rendimiento, ya que el espesor de la película de lubricante no es suficiente en el rodamiento y el contacto de engranaje”.

Además, las temperaturas de funcionamiento en las cajas de engranajes de los vehículos eléctricos suelen ser bastante altas, en comparación con las de los vehículos con motores de combustión interna. “Un motor eléctrico sujeto a una caja de engranajes equivale a un gran generador de calor”, comenta Marks. “En un tren de transmisión convencional, lo único que genera calor es la pérdida de potencia de los rodamientos y los engranajes”.

“Es todo un desafío crear rodamientos de larga duración para un entorno más agresivo que el convencional”, manifiesta. Para enfrentar ese desafío, los diseñadores de Timken confían en los procesos comprobados de la empresa y en sus amplios conocimientos de las aplicaciones en industrias diversas.

Preparando el camino con innovaciones en materia de rodamientos en el espacio convencional y en el híbrido

Históricamente, la confianza de la industria automotriz en Timken para las innovaciones en materia de aplicaciones no es nada nuevo. A partir de 1975, las regulaciones del Estándar Empresarial Promedio de Ahorro de Combustible (CAFE, por su sigla en inglés) comenzaron a subir los objetivos de eficiencia de combustible para los automóviles y camiones ligeros en EE. UU. Desde entonces, los rodamientos de rodillos cónicos de Timken con mayor densidad de potencia y menor consumo de combustible (PDFE, por su sigla en inglés) han formado parte de las aplicaciones convencionales e híbridas (eléctricas y con motores de combustión interna).

“Lo interesante de las aplicaciones híbridas es que, independientemente del nivel en el que se consideren híbridas, los trenes de transmisión no cambian de manera rotunda”, afirma Marks. “Si bien la tecnología PDFE no es nueva, el diseño de esos rodamientos ha sido exclusivo para ejes convencionales o híbridos”.

Los vehículos totalmente eléctricos, por el contrario, todavía están en evolución, y los ejes y los trenes de potencia pueden variar en gran medida entre sí y en los vehículos eléctricos y con motores de combustión interna. Un nuevo diseño de camión eléctrico, por ejemplo, cuenta con cuatro motores, uno para cada rueda. “Todas estas innovaciones implican desafíos para nuestros clientes”, expresa Marks. “Sin embargo, todo sigue girando en torno a ofrecer soluciones con mayor densidad de potencia y menor consumo de combustible, a fin de reducir el peso de los vehículos y permitirles recorrer mayores distancias entre una recarga de combustible y otra o, en este caso, entre una carga de batería y otra”.

Menor espacio, mayor potencia

Para resolver el inconveniente en el caso de las aplicaciones para vehículos eléctricos, los ingenieros de Timken diseñaron la línea de productos de rodamientos de rodillos cónicos ePDFE, a partir de los conocimientos que adquirieron con años de producción de rodamientos PDFE para vehículos convencionales e híbridos.

“La gran diferencia está en la macrogeometría”, señala Marks. “Estos rodamientos y ejes suelen ser un poco más pequeños que los de los vehículos convencionales”. Los rodamientos de rodillos cónicos ePDFE de Timken ofrecen una solución más pequeña, en comparación con los rodamientos de bolas, de modo que los clientes pueden reducir el tamaño de los ejes y soportes para elaborar cajas de engranajes con mayor densidad de potencia.

Por otro lado, los rodamientos ePDFE tienen una geometría interna que permite reducir el consumo de combustible, y es ahí donde las tecnologías de microgeometría de Timken desempeñan un papel fundamental. Las tecnologías de fabricación y los estándares de ingeniería que identifican a la empresa les sirven de guía a los ingenieros de Timken para tener en cuenta los requisitos de los clientes en cuanto a las aplicaciones durante el proceso de diseño.

“Contamos con la tecnología necesaria para ayudar a los clientes a diseñar la caja de engranajes más pequeña y más potente, preparando el camino para el diseño de trenes de potencia más compacto, la reducción del peso total de los vehículos, la disminución de la temperatura de funcionamiento de los rodamientos y una mayor eficiencia de los trenes de potencia”, indica Marks. “Los rodamientos ePDFE de Timken también pueden contribuir a reducir el ruido, la vibración y la aspereza, un factor importante en los vehículos sin el estruendo de fondo que se genera con un motor de combustión interna”.

Optimización de los resultados gracias a la colaboración durante las primeras etapas del proceso de diseño

Marks hace hincapié en la importancia de colaborar con los ingenieros de Timken durante las primeras etapas del proceso de diseño, a fin de optimizar las soluciones desde el comienzo, en lugar de intentar reacondicionarlas más adelante. “Queremos asegurarnos de que el cliente esté diseñando un entorno beneficioso para los rodamientos”, advierte. “Cuando el cliente acude a nosotros durante las primeras etapas del proceso de diseño, podemos trabajar con él para crear una arquitectura que permita que los rodamientos funcionen con un mayor rendimiento, en materia de duración y confiabilidad”.

Tal y como suele suceder con las industrias incipientes, observa Marks, hoy en día, los fabricantes de vehículos eléctricos están por demás de concentrados en lanzar su producto al mercado lo antes posible, y no en lograr que su producto pueda ofrecer el máximo nivel de eficiencia y confiabilidad. “Creo que, con el tiempo, habrá ocasión de aumentar la eficiencia, ya que los vehículos eléctricos están comenzando a dominar una mayor parte del mercado”, precisa. “De la misma manera, hoy en día, los fabricantes de vehículos convencionales están trabajando para economizar más el combustible por kilómetro recorrido. Esto se logra modificando todos estos pequeños factores, como los rodamientos”.

Ayudando a los clientes a moverse en un mercado que cambia rápidamente

Los vehículos eléctricos no son la única innovación que está conmoviendo el mundo automotor. “Actualmente estamos en medio de una revolución”, revela Marks, a medida que los fabricantes se anticipan al surgimiento del transporte compartido y de los vehículos autónomos. “Eventualmente, es posible que baje el número de personas que poseen automóviles, y también el número de vehículos en general en EE. UU., por ejemplo; pero un solo vehículo recorrerá cerca de 160.000 km al año, en lugar de 20.000 o 25.000 km”. Un cambio de estas características podría afectar enormemente los requisitos de confiabilidad en el mercado de repuestos, un área que Timken se encuentra bien posicionado para abordar.

“Muchos están intentando predecir lo que sucederá en la industria”, declara Marks. Él espera que, a largo plazo, haya una combinación de vehículos híbridos y otros totalmente eléctricos destinados al mercado de consumo y al mercado comercial de vehículos de carretera. También espera que haya un aumento de los estándares de eficiencia para los vehículos todo terreno.

Para ayudar a los fabricantes de vehículos eléctricos a cumplir con sus objetivos, los ingenieros de Timken siguen haciendo lo que mejor saben hacer: trabajar en estrecha relación con los clientes con el fin de desarrollar la solución ideal para cada aplicación.

“Estamos trabajando con clientes de larga data y también con clientes nuevos, que no nos conocen”, anuncia Marks. “Ambos tipos de clientes pueden beneficiarse de nuestros conocimientos en materia de ingeniería, a medida que desarrollan nuevos sistemas de propulsión para vehículos eléctricos”.