Inovações no trem de força elétrico, respaldadas por décadas de experiência

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Inovações no trem de força elétrico, respaldadas por décadas de experiência

Veículos movidos a energia elétrica não são nenhuma novidade. Carros elétricos eram populares na Europa e nos Estados Unidos na década de 1890 e no começo do Século XX, pois eram mais limpos, silenciosos e fáceis de dar partida do que carros com ICEs (motores de combustão interna). Mesmo após o advento dos carros movidos à gasolina no mercado consumidor, trens e caminhões elétricos continuaram a transportar carvão produzido em minas e pessoas em metrôs subterrâneos. Tratores de reboque, transportadores de carga e empilhadeiras elétricos mantêm fábricas e depósitos em operação em todo o mundo.

Hoje, o aumento da volatilidade climática e as restrições a veículos movidos a combustível fóssil impulsionam investimentos em carros, caminhões e ônibus elétricos. Mais de 125 mil veículos comerciais elétricos foram produzidos mundialmente em 2017 e o relatório “Research and Markets” (Pesquisas e mercados) prevê que esse número ultrapassará 1,8 milhão até 2025.

Nos EUA, onde as compras on-line cresceram vertiginosamente, as empresas de entrega utilizam vans e caminhões elétricos de porte médio para atender à demanda de forma mais sustentável. Na China, altos incentivos governamentais e um baixo índice de propriedade de carros tornam os consumidores mais propensos à aquisição de carros elétricos e, a cada cinco semanas, 9,5 mil ônibus elétricos novos entram em operação, o equivalente a toda a frota de ônibus de Londres.

O desafio da propulsão elétrica

No entanto, o mercado de EVs (veículos elétricos) ainda não está totalmente amadurecido. As soluções de trem de força para EVs de primeira geração ainda não têm muito valor, com startups disputando mercado com fabricantes estabelecidos. E os fornecedores estão por dentro dos avanços para que possam se adaptar rapidamente ao aumento da demanda por EVs.

O grande desafio continua sendo as baterias. Especialistas esperam que o custo das baterias de lítio permaneça alto nos próximos dez anos. Para rodar mais quilômetros com uma carga, os fabricantes buscam soluções de trem de força com mais capacidade e eficiência em consumo de combustível, para que os veículos possam ser mais leves, com espaço para conjuntos de baterias maiores.

Os desafios de EVs para projetistas de rolamentos incluem ambientes térmicos mais adversos e lubrificantes mais leves, afirma Christopher Marks, engenheiro-chefe do grupo fora-de-estrada da Timken. Promovido recentemente, Christopher era especialista residente da Timken em EVs no espaço para estradas.

Engenheiro-chefe da Timken, Christopher Marks

“Lubrificantes mais leves são tendência há anos, pois permitem uma operação mais eficiente do trem de força”, explicou ele. “No entanto, esses lubrificantes mais leves podem causar problemas de desempenho porque não têm a espessura de película necessária no contato entre rolamentos e engrenagens”.

As temperaturas de operação em caixas de transmissão de EVs também tendem a ser altas, em comparação a veículos ICE. “Quando um motor elétrico é preso a uma caixa de transmissão, há mais geração de calor”, disse Marks. “A única geração de calor em um trem de força convencional é causada pela perda de potência dos rolamentos e das engrenagens”.

“É um desafio fazer os rolamentos durarem mais tempo em um ambiente mais agressivo do que aquele em que geralmente operam”, afirmou. Para enfrentar esse desafio, os projetistas da Timken dependem dos processos comprovados e do vasto conhecimento em aplicações da Timken em muitos setores.

Abrindo caminho com inovações em rolamentos nos espaços convencional e híbrido

Historicamente, a confiança do setor automotivo nas inovações em aplicações da Timken não é nova. Iniciando em 1975, os regulamentos da CAFE (Economia de combustível corporativa média) começaram a aumentar as metas de eficiência de combustível de carros e caminhões leves nos EUA. Desde então, os rolamentos de rolos cônicos PDFE (mais capacidade e eficiência em consumo de combustível) da Timken desempenharam um importante papel em aplicações convencionais e híbridas elétricas-ICE.

“O interessante em relação aos híbridos é que, dependendo no nível do híbrido, os trens de força não mudam significativamente”, disse Marks. “A tecnologia PDFE não é nova, mas o projeto destes rolamentos foi exclusivo para eixos convencionais ou híbridos”.

Veículos totalmente elétricos, por outro lado, ainda estão evoluindo, com eixos e trens de força que podem variar muito uns dos outros e entre veículos ICE ou híbridos. Um dos novos projetos de caminhão elétrico, por exemplo, tem quatro motores: um para cada roda. “Todas essas inovações oferecem desafios para nossos clientes”, ressaltou Marks. “Mas ainda é um questão de se oferecer soluções com mais capacidade e eficiência em consumo de combustível para criar veículos mais leves com distâncias mais longas entre abastecimentos ou, neste caso, cargas de bateria”.

Minimização dos requisitos de espaço e maximização da potência

Para oferecer soluções para aplicações de EV, os engenheiros da Timken projetaram a linha de produtos de rolamentos de rolos cônicos ePDFE com base nos conhecimentos adquiridos ao longo de anos de produção de rolamentos PDFE para veículos convencionais e híbridos.

“A grande diferença está na macrogeometria”, afirma Marks. “Esses rolamentos e eixos tendem a ser um pouco menores do que os de veículos convencionais”. Os rolamentos de rolos cônicos ePDFE da Timken proporcionam uma solução menor, em comparação com rolamentos de esferas, portanto, os clientes podem reduzir os eixos e mancais para produzir caixas de transmissão com mais capacidade.

A geometria interna dos rolamentos ePDFE, por outro lado, torna-os mais eficientes em consumo de combustível e é nisso que a tecnologia de microgeometria da Timken tem um papel essencial. As tecnologias de fabricação e os padrões de engenharia pelos quais a empresa é conhecida orientam seus engenheiros na inclusão de requisitos de aplicações de clientes no processo de projeto.

“Temos a tecnologia para ajudar os clientes a projetarem a menor e mais potente caixa de transmissão, abrindo caminho para projetos de trem de força mais compactos, redução geral do peso do veículo, temperaturas de operação dos rolamentos mais baixas e mais eficiência do trem de força”, explicou Marks. “Os rolamentos ePDFE da Timken também podem ajudar a reduzir ruídos, vibrações e a aspereza, um fator importante em veículos que não produzem o ronco de um motor de combustão interna.”

Colaboração no início do projeto oferece resultados otimizados

Marks enfatiza a importância da colaboração com engenheiros da Timken nas fases iniciais do projeto para otimizar as soluções logo no início, em vez de tentar modificá-las posteriormente. “Queremos ter certeza de que o cliente esteja projetando um ambiente benéfico para os rolamentos”, disse ele. “Quando nos procuram logo no início, podemos trabalhar com eles para criar uma arquitetura que permita que os rolamentos operem em um nível elevado de desempenho, tanto em longevidade quanto em confiabilidade.”

Como é típico em setores novos, Marks afirmou, os atuais fabricantes de EVs são altamente concentrados na velocidade de chegada ao mercado, em vez de extrair toda a eficiência e confiabilidade em potencial de seu produto. “Acredito que haverá espaço para aumentar a eficiência com o passar do tempo, conforme os EVs começarem a ter uma participação maior no mercado”, explicou ele, “assim como atualmente no setor convencional, os fabricantes estão trabalhando para aumentar a economia de combustível meio quilometro por litro por vez. Isso é feito alterando essas pequenas coisas, como os rolamentos”.

Ajuda para clientes navegarem em um mercado em rápida transformação

Veículos elétricos não são a única inovação que agita o mundo automotivo. “Hoje estamos no meio de uma revolução”, afirmou Marks, com os fabricantes prevendo o crescimento de aplicativos de transporte e de veículos autônomos. “No futuro, poderemos ver uma redução no índice de propriedade e menos veículos nos EUA, por exemplo, mas um veículo rodará 150 mil quilômetros por ano, em vez de 20 a 30 mil quilômetros”. Uma mudança desse tipo pode afetar drasticamente os requisitos de confiabilidade do mercado de reposição – uma área em que a Timken está bem posicionada para enfrentar desafios.

“As pessoas estão consultando bolas de cristal em demasia para tentar entender para aonde o setor está indo”, disse Marks. No longo prazo, ele espera ver uma combinação de veículos híbridos e totalmente elétricos voltados para o consumidor e mercados comerciais de estrada, além de um aumento nos padrões de eficiência de veículos fora de estrada.

Para ajudar os fabricantes de EVs a alcançar suas metas, os engenheiros da Timken continuam a fazer o que fazem melhor: trabalhar em estreita colaboração com os clientes para desenvolver a solução ideal para cada aplicação.

“Estamos trabalhando com clientes antigos e novos clientes que ainda não estão familiarizados conosco”, ressaltou Marks. “Ambos podem se beneficiar do nossos conhecimentos de engenharia para desenvolver novos sistemas de propulsão para EVs.”