Innovazioni del sistema di trasmissione elettrica supportate da decenni di esperienza

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Innovazioni del sistema di trasmissione elettrica supportate da decenni di esperienza

I veicoli elettrici non sono una novità. Le auto elettriche erano già note in Europa e negli Stati Uniti negli anni ‘90 del 1800 e all’inizio del ‘900 poiché erano più pulite, silenziose e facili da avviare rispetto alle auto con motori a combustione interna (ICE). Anche dopo l’introduzione delle auto a benzina i treni e i camion elettrici venivano ancora utilizzati per il trasporto del carbone e per il trasporto rapido delle masse nei tunnel delle metropolitane. I trattori da traino elettrici, i supporti di carico e i carrelli elevatori sono presenti in tutte le fabbriche e magazzini di tutto il mondo.

Oggi, i cambiamenti climatici con i conseguenti divieti alla circolazione di veicoli a combustibile fossile hanno favorito gli investimenti nelle auto, nei camion e negli autobus elettrici. Nel 2017 sono stati prodotti, nel mondo, oltre 125.000 veicoli elettrici commerciali e nuove ricerche di mercato stimano che il numero supererà gli 1,8 milioni entro il 2025.

Negli Stati Uniti, dove lo shopping online è cresciuto negli anni senza sosta, gli spedizionieri utilizzano camion e furgoni elettrici per carichi medi per soddisfare in modo sostenibile la domanda. In Cina, gli incentivi governativi spingono i consumatori verso l’acquisto di auto elettriche e ogni cinque settimane vengono messi su strada 9.500 nuovi autobus elettrici, l’equivalente dell’intera flotta di autobus di Londra.

La sfida della propulsione elettrica

Tuttavia, il mercato dei veicoli elettrici (VE) è ben lungi dall’essere maturo. I veicoli elettrici di prima generazione sono ancora molto presenti ma un numero sempre maggiore di nuove startup competono per ottenere una posizione sul mercato. I fornitori, nel frattempo, tengono monitorate le innovazioni per adattarsi rapidamente.

Le batterie sono ancora la grande sfida. Le batterie al litio, secondo gli esperti, continueranno ad avere prezzi elevati per i prossimi dieci anni. Per incrementare l’autonomia, i produttori sono alla ricerca di soluzioni di maggior potenza e di consumi contenuti, di veicoli più leggeri e con lo spazio necessario ad ospitare gruppi batterie più grandi.

Le sfide per chi progetta cuscinetti per VE sono relative ad ambienti termici più ostili e lubrificanti più leggeri, afferma Christopher Marks, Chief Engineer – Mobile/Off Highway di Timken. Precedentemente esperto per le applicazioni on-highway elettriche è stato recentemente promosso.

Ingegnere capo di Timken, Christopher Marks

“I lubrificanti più leggeri sono di tendenza da anni perché consentono una maggiore efficienza dei sistemi di trasmissione”, ha affermato. “tuttavia possono causare problemi legati alle prestazioni poiché nel cuscinetto e nei contatti tra gli ingranaggi non è presente lo spessore del film”.

Le temperature di esercizio nelle scatole di trasmissione dei VE tendono ad essere piuttosto elevate rispetto a quelle dei veicoli ICE. “Quando un motore elettrico viene fissato a una scatola di trasmissione questo diventa un grande generatore di calore”, afferma Marks. “nelle trasmissioni tradizionali solo la perdita di potenza del cuscinetto e degli ingranaggi può generare calore”.

“È difficile sperare che i cuscinetti durino più a lungo in un ambiente di lavoro più aggressivo di quello tradizionale”, ha affermato. Per affrontare questa sfida, i progettisti Timken possono contare sui processi collaudati dell’azienda e sulla vasta conoscenza delle applicazioni in numerosi settori.

Aprire la strada all’innovazione dei cuscinetti nei marcati tradizionali e ibrido

Storicamente, il settore automobilistico si affida a Timken e alle sue applicazioni da sempre innovative. Dal 1975, le normative Corporate Average Fuel Economy (CAFE) sul consumo di carburante per auto e veicoli commerciali leggeri sono più limitative negli Stati Uniti. Da allora, i cuscinetti Timken a rulli conici per il contenimento dei consumi (PDFE) hanno ricoperto un ruolo importante sia nelle applicazioni tradizionali che in quelle ibride-ICE.

“E’ interessante sapere che i sistemi di trasmissione non cambiano in maniera significativa da ibrido a ibrido”, ha affermato Marks. “La tecnologia PDFE non è nuova, ma il design di questi cuscinetti è unico per gli assali tradizionali o ibridi”.

I veicoli completamente elettrici devono ancora essere perfezionati, gli assali e i sistemi di trasmissione variano significativamente tra veicoli ICE o ibridi. Un autocarro elettrico, ad esempio, possiede quattro motori, uno per ogni ruota. “Tutte queste innovazioni rappresentano delle sfide per i nostri clienti”, sostiene Marks. “Tuttavia, si tratta comunque di offrire soluzioni a elevata efficienza energetica e consumi contenuti per ottenere veicoli più leggeri e incrementare l’autonomia”.

Ridurre gli spazi massimizzando la potenza

Per risolvere i problemi delle applicazioni legate ai VE, gli ingegneri di Timken hanno progettato la linea di cuscinetti a rulli conici ePDFE, basandosi sulle conoscenze acquisite negli anni durante la realizzazione di cuscinetti PDFE per veicoli tradizionali e ibridi.

“La grande differenza sta nella macrogeometria”, afferma Marks. “Questi cuscinetti e assali tendono a essere un po’ più piccoli rispetto a quelli dei veicoli tradizionali”. I cuscinetti a rulli conici ePDFE di Timken offrono una soluzione più piccola rispetto ai cuscinetti a sfere, in modo che i clienti possano ridurre le dimensioni degli alberi e degli alloggiamenti per creare scatole di trasmissione con una potenza più elevata.

La geometria interna dei cuscinetti ePDFE li rende a basso consumo, qui le tecnologie di microgeometria di Timken ricoprono un ruolo importante. Gli elevati standard di Timken nei processi produttivi e nella progettazione, accompagnano gli ingegneri durante tutte le fasi di implementazione di un nuovo progetto.

“Abbiamo la tecnologia che può aiutare i nostri clienti a progettare scatole di trasmissione più piccole e più potenti, aprendo la strada a design di trasmissione di potenza più compatti, a una riduzione del peso del veicolo, a una riduzione delle temperature di esercizio dei cuscinetti e a una migliore efficienza della trasmissione di potenza”, sostiene Marks. “I cuscinetti ePDFE di Timken possono anche contribuire a ridurre il rumore, le vibrazioni e la durezza, fattori importanti per questi veicoli a cui manca il rumore di fondo del motore a combustione interna”.

La collaborazione offre ottimi risultati

Marks enfatizza l’importanza della collaborazione con gli ingegneri di Timken all’inizio del processo di progettazione per ottimizzare le soluzioni anzichè modificarle successivamente. “Vogliamo che il cliente progetti un ambiente favorevole ai cuscinetti”, ha affermato. “Possiamo collaborare per creare un’architettura che consenta ai cuscinetti di funzionare ad un livello di prestazioni elevato, in termini di longevità e affidabilità”.

Com’è tipico dei nuovi settori, afferma Marks, i produttori di VE odierni sono super concentrati sulla rapidità di adattamento al mercato invece che sull’efficienza e affidabilità dei loro prodotti. “Credo che ci sia spazio per incrementare l’efficienza, man mano che i VE inizieranno a controllare una quota maggiore del mercato”, sostiene, “proprio come oggi sul lato tradizionale i produttori lavorano per aumentare il risparmio di carburante di un miglio per gallone alla volta. Ciò si ottiene modificando i piccoli componenti, come i cuscinetti”.

Aiutare i clienti a “navigare” in un mercato in rapida evoluzione

I veicoli elettrici non sono l’unica innovazione che scuote il mondo delle automobili. “Oggi ci troviamo al centro di una rivoluzione”, afferma Marks, con produttori che prevedono anche l’aumento del car pooling e dei veicoli a guida autonoma. “In futuro, assisteremo ad una riduzione delle auto di proprietà, negli Stati Uniti ad esempio, ma un veicolo percorrerà 100.000 miglia all’anno invece di 12.000-15.000”. Un cambiamento di questo tipo potrebbe incidere drasticamente sui requisiti di affidabilità dell’aftermarket, un settore in cui Timken è ben posizionata.

“I clienti usano la sfera di cristallo per cercare di capire la direzione del settore”, afferma Marks. Nel lungo termine, egli si aspetta di vedere un mix di veicoli ibridi e completamente elettrici rivolti al consumatore e ai settori commerciali delle applicazioni su strada, nonché un aumento degli standard di rendimento dei veicoli per uso non stradale.

Per aiutare i costruttori di VE a raggiungere i loro obiettivi, gli ingegneri Timken continuano a fare ciò che viene loro meglio: lavorare a stretto contatto con i clienti per sviluppare la soluzione ideale per ogni applicazione.

“Stiamo lavorando con i clienti di vecchia data e con quelli nuovi che non ci conoscono così bene”, ha affermato Marks. “Entrambi beneficiano della nostra conoscenza ingegneristica man mano che sviluppano i nuovi sistemi di propulsione dei VE”.