Des innovations dans les trains électriques étayées par des décennies d’expérience

Créer

Des innovations dans les trains électriques étayées par des décennies d’expérience

Les véhicules électriques ne sont rien de nouveau. Les voitures électriques étaient populaires en Europe et aux États-Unis dans les années 1890 et au début des années 1900 parce qu’elles étaient plus propres, plus silencieuses et plus faciles à faire démarrer que les voitures à moteur à combustion. Même après que les voitures à essence eurent pris d’assaut le marché de la grande consommation, les trains et camions électriques continuèrent à transporter le charbon des mines et à déplacer les gens dans les tunnels du métro. Les tracteurs, chargeurs et chariots élévateurs électriques assuraient une grosse partie des activités des usines et des entrepôts à travers le monde.

Aujourd’hui, une volatilité accrue du climat et des interdictions sur les véhicules à carburant fossile stimulent les investissements dans les voitures, camions et bus à moteurs électriques. Dans le monde, plus de 125 000 véhicules industriels électriques ont été produits en 2017, et un rapport de Research and Markets prévoit que ce chiffre dépassera 1,8 million d’ici 2025.

Aux États-Unis, où les achats en ligne ont augmenté en flèche, les sociétés de livraison déploient des camions et camionnettes électriques pour répondre de façon plus durable à la demande. En Chine, de fortes incitations du gouvernement ainsi qu’un faible taux de possession de voiture font que les consommateurs sont plus enclins à acheter des voitures électriques et, toutes les cinq semaines, 9500 nouveaux bus électriques sont mis en circulation, l’équivalent de l’ensemble de la flotte de bus de Londres.

La difficulté de la propulsion électrique

Le marché des véhicules électriques est toutefois loin d’être arrivé à maturité. Les solutions de groupe motopropulseur électrique de première génération font encore foison, avec les startups qui rivalisent avec des fabricants établis pour une position sur le marché. Les fournisseurs restent au courant des derniers développements afin de s’adapter rapidement à mesure qu’augmente la demande pour les véhicules électriques.

Les batteries continuent d’être la principale difficulté. Les experts prévoient que le coût des batteries au lithium restera élevé au cours des 10 prochaines années. Pour aller plus loin avec une seule charge, les fabricants sont à la recherche de solutions de groupes motopropulseurs à plus forte puissance et moins consommateurs, ce qui permettra aux véhicules d’être plus légers et d’avoir davantage de place pour les batteries de plus grande taille.

Pour les concepteurs de roulements, les difficultés concernant les véhicules électriques sont des environnements thermiques plus difficiles et des lubrifiants plus légers, explique Christopher Marks, Ingénieur en chef du groupe hors-route de Timken. Récemment promu, il était auparavant l’expert résident de Timken en véhicules électriques routiers.

Christopher Marks, Ingénieur en chef Timken

« Les lubrifiants plus légers sont une tendance depuis des années parce qu’ils permettent une plus grande efficacité dans le fonctionnement du groupe motopropulseur », déclare-t-il. « Ces lubrifiants plus légers peuvent toutefois entraîner des problèmes de performance parce que l’épaisseur de film nécessaire au niveau du contact entre les engrenages et les roulements n’est pas présente. »

Les températures de fonctionnement dans les boîte de vitesses de véhicules électriques ont également tendance à être très élevées en comparaison à celle des véhicules à moteur à combustion. « Lorsqu’un moteur électrique est monté sur une boîte de vitesses, cela génère une grande quantité de chaleur », explique M. Marks. « Dans un groupe motopropulseur classique, la seule génération de chaleur est celle de la déperdition énergétique des roulements et des engrenages. »

« Il est difficile de fabriquer des roulements qui durent plus longtemps dans un environnement plus agressif que celui dans lequel ils fonctionnaient jusqu’alors », ajoute-t-il. Pour relever ce défi, les concepteurs de Timken font appel aux processus éprouvés et aux vastes connaissances en applications de la société dans de nombreux secteurs.

Ouvrir la voie avec des innovations en matière de roulements dans le domaine des véhicules classiques et hybrides

Historiquement, le fait que le secteur automobile se fie à Timken pour l’innovation en matière d’applications n’est rien de nouveau. À partir de 1975, la réglementation CAFE (réglementation américaine portant sur les économies de carburant imposées aux constructeurs) a commencé à accroître les objectifs d’économie de carburant pour les véhicules particuliers et les camionnettes aux États-Unis. Depuis lors, les roulements à rouleaux coniques à forte puissance et économiques (PDFE) ont joué un rôle tant dans les applications classiques que dans les applications hybrides de type électrique/thermique.

« Ce qui est intéressant avec les hybrides, c’est que quel que soit le niveau d’hybridisation, les groupes motopropulseurs ne changent pas tellement », dit M. Marks. « La technologie PDFE n’est pas nouvelle, mais la conception de ces roulements est spécifique aux essieux classiques ou hybrides. »

En revanche, les véhicules tout électriques sont encore en train d’évoluer, avec des essieux et des groupes motopropulseurs qui peuvent fortement varier d’un constructeur à l’autre ou entre un véhicule thermique et hybride. Par exemple, un nouveau concept de pick-up électrique comporte quatre moteurs, un sur chacune des roues. « Toutes ces innovations présentent des difficultés pour nos clients », explique M. Marks. « Il convient toutefois toujours d’offrir des solutions à forte puissance et économiques pour réduire le poids des véhicules et atteindre des distances plus importantes entre les ravitaillements ou, en l’occurrence, entre les charges de batterie. »

Réduire les exigences d’espace tout en augmentant la puissance

Pour résoudre les applications pour véhicules électriques, les ingénieurs de Timken ont conçu la gamme des roulements à rouleaux coniques ePDFE, qui fait appel aux connaissances acquises au fil des années dans la fabrication des roulements PDFE pour les véhicules classiques et hybrides.

« La grande différence réside dans la macrogéométrie », explique M. Marks. « Ces roulements et essieux ont tendance à être légèrement plus petits que ceux qui se trouvent dans les véhicules classiques. » Les roulements à rouleaux coniques ePDFE de Timken offrent une solution de taille réduite par rapport aux roulements à billes, ce qui permet à nos clients de réduire la taille des arbres et boîtiers afin de fabriquer des boîtes de vitesses à plus forte puissance.

D’un autre côté, la géométrie interne des roulements ePDFE permet une réduction de la consommation et c’est là que les technologies à microgéométrie de Timken jouent un rôle important. Les technologies de fabrication et les normes techniques pour lesquelles est reconnue la société guident ses ingénieurs lorsqu’ils intègrent les exigences applicatives des clients dans les procédés de conception.

« Nous avons la technologie à même d’aider nos clients à concevoir les boîtes de vitesses les plus petites et les plus puissantes, ouvrant ainsi la voie à des concepts de groupe motopropulseur plus compacts, à une réduction globale du poids des véhicules, à des températures de fonctionnement des roulements plus basses et à une amélioration de l’efficacité du groupe motopropulseur », dit M. Marks. « Les roulements ePDFE de Timken permettent également de réduire les bruits, les vibrations et les à-coups, un important facteur pour les véhicules dénués du vrombissement de fond caractéristique d’un moteur thermique. »

Une collaboration précoce lors de la conception offre des résultats optimisés

M. Marks souligne l’importance de la collaboration avec les ingénieurs Timken dès le début du processus de conception, afin d’optimiser les solutions dès le départ, plutôt que d’essayer de les améliorer par la suite. « Nous voulons nous assurer que le client est capable de faire des études techniques dans un environnement bénéfique pour les roulements », ajoute-t-il. « Lorsqu’ils viennent vers nous dès le début, nous pouvons collaborer avec eux à la création d’une architecture permettant au roulement de fonctionner à un niveau élevé de performance en termes de longévité et de fiabilité. »

Comme c’est typique dans les jeunes industries, M. Marks raconte que les constructeurs de véhicules électriques actuels sont hyperfocalisés sur la vitesse de commercialisation plutôt que sur l’élimination de tous les problèmes potentiels d’efficacité et de fiabilité de leurs produits. « Je pense qu’il y aura de la place pour augmenter l’efficacité au fil du temps, à mesure que les véhicules électriques accapareront une part de marché plus importante », déclare-t-il, « tout comme à l’heure actuelle sur le marché des véhicules classiques, les constructeurs tentent d’améliorer la consommation de carburant centilitre par centilitre aux 100 km. On y arrive en modifiant tous ces détails comme les roulements. »

Aider les clients à naviguer dans un marché en mutation rapide

Les véhicules électriques ne sont pas la seule innovation qui bouscule le monde automobile. « Aujourd’hui, nous sommes en pleine révolution », dit M. Marks, avec les constructeurs anticipant également l’augmentation du covoiturage et des véhicules autonomes. « Au final, les taux de possession vont peut-être baisser et il y aura peut-être moins de véhicules aux États-Unis, par exemple, mais un véhicule donné pourra effectuer 160 000 km par an plutôt que les 20 000 à 24 000 km annuels habituels ». Un changement de cet ordre pourrait fortement affecter les exigences de fiabilité des pièces de rechange, un domaine sur lequel Timken est bien positionné pour apporter une réponse.

« Les gens consultent de nombreuses boules de cristal pour essayer de comprendre la direction que va prendre le secteur », affirme M. Marks. À long terme, il s’attend à un mix de véhicules hybrides et tout électrique ciblés sur les marchés de la grande consommation et des véhicules utilitaires routiers, ainsi qu’à une augmentation des normes de consommation pour les véhicules hors-route.

Afin d’aider les constructeurs de véhicules électriques à atteindre leurs objectifs, les ingénieurs Timken continuent de faire ce qu’ils font le mieux : travailler en étroite collaboration avec nos clients pour développer la solution idéale pour chaque application.

« Nous travaillons avec des clients de longue date ainsi qu’avec de nouveaux clients qui ne nous connaissent pas si bien », explique M. Marks. « Les deux peuvent profiter de nos connaissances techniques alors qu’ils développent de nouveaux systèmes de propulsion pour les véhicules électriques. »