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Tendances (et défis) en matière de lubrification et de tribologie dans les véhicules électriques

L’industrie automobile connaît un lent changement, les fabricants et les consommateurs étant poussés à construire et à acheter davantage de voitures et de camions électriques. La réglementation sur les émissions incite les constructeurs automobiles à produire davantage de véhicules électriques, y compris des hybrides. Dans le même temps, les prix élevés du gaz et les appels à un environnement plus propre convainquent de nombreux acheteurs d’échanger leurs véhicules électriques à moteur à combustion interne (ICE) contre des alternatives électriques. Mais pour que les VE réussissent vraiment, il est probable que des progrès doivent être réalisés dans les lubrifiants et d’autres domaines de la tribologie. (Tribologie est l’étude de trois sujets: l’usure par friction et la lubrificationet leurs interactions dans les surfaces de glissement.)

Les VE ne sont pas des ICE

Ce qui différencie les véhicules ICE des véhicules électriques, ce sont les transmissions. Les véhicules électriques ont des batteries et un moteur, tandis que les véhicules ICE ont un réservoir d’essence et un moteur. Il y a encore de nombreux éléments communs tels que les carrosseries, l’intérieur, les phares et autres accessoires, ainsi que les pneus. Cependant, en ce qui concerne les pneus, certains experts automobiles recommandent différents pneus pour les véhicules électriques. Ils devraient avoir des sculptures qui améliorent le kilométrage pour lutter contre le manque d’autonomie actuel des VE et être plus silencieuses sur la route, car il n’y a pas de bruit de moteur pour étouffer le bruit des pneus normaux lors de roulages à grande vitesse. Le poids ou la masse plus lourd d’un EV (en raison des batteries nécessaires) met plus de pression sur les pneus, de sorte qu’ils ont également besoin de parois latérales plus solides pour y faire face.

Les véhicules électriques ont besoin de lubrification pour réduire la friction plus que les véhicules électriques, car une friction plus faible signifie plus de kilométrage et, comme dit précédemment, les véhicules électriques actuels manquent dans le département kilométrage. Et la lubrification EV est importante pour le transfert de couple plutôt que pour le transport de charge, un changement majeur par rapport aux véhicules ICE.

Défis de transmission EV

Les moteurs électriques ont des courbes de couple et de puissance très différentes. «Un ICE doit fonctionner pour développer la puissance et le couple», explique Martin Webster, associé de recherche senior chez ExxonMobil et ancien président de ta Société des tribologues et des ingénieurs en lubrification. «Dans un groupe motopropulseur ICE, un embrayage est nécessaire pour découpler le moteur de la boîte de vitesses afin que la puissance puisse être transférée lorsque le véhicule ne bouge pas. En revanche, un EV développe un couple dès le début, et il peut fournir une puissance sur une plage de vitesse relativement large. Donc, il délivre la puissance différemment. »

Ces graphiques montrent les différences entre les courbes de couple et de puissance des véhicules ICE et EV.Ces graphiques montrent les différences entre les courbes de couple et de puissance des véhicules ICE et EV.Recherche et ingénierie ExxonMobil

Les transmissions ICE ont gagné plus de rapports au fil du temps. C’est parce que les ingénieurs automobiles veulent toujours augmenter l’efficacité énergétique. Mais la plage de différents rapports de vitesse limite la plage de vitesse de l’arbre d’entrée. « Alors qu’une boîte de vitesses ICE peut sembler compliquée, le défi de la lubrification n’est peut-être pas aussi difficile que dans les véhicules électriques typiques », explique Webster.

Dans les entraînements EV à rapport unique, il n’est pas facile d’équilibrer les exigences de lubrification des arbres d’entrée et de sortie pour les roulements et les engrenages individuels. La plus grande différence de vitesse et le rapport unique entraînent une gamme beaucoup plus large de conditions de fonctionnement dans les véhicules électriques que dans les boîtes de vitesses traditionnelles. Et les véhicules électriques peuvent générer des niveaux de couple élevés depuis le démarrage jusqu’à des bas régimes. Cela met une charge sévère sur les contacts lubrifiés avant qu’ils ne développent des films lubrifiants épais, ce qu’ils finissent par faire à des vitesses plus élevées.

Les VE peuvent nécessiter de nouveaux additifs d’huile pour engrenages et des tests pour mesurer la protection contre l’usure dans les conditions de fonctionnement à haute charge / basse température des VE. Il est probable que les nouveaux tests et normes de vitesse devront également être développés.

«Nous comprenons beaucoup mieux comment les films additifs sont créés et comment ils réagissent à l’environnement d’exploitation», explique Webster.

Cela fournira des opportunités d’appliquer les avancées récentes dans le développement de la prochaine génération de lubrifiants EV. Les objectifs de ces lubrifiants pour transmission seront d’améliorer l’efficacité et les performances des engrenages, de réduire les températures de fonctionnement et d’étendre la plage de conduite possible sur une seule charge (ce qui, encore une fois, est crucial pour les consommateurs).

Il doit y avoir des progrès ou des compromis devront être faits. Le passage à une viscosité plus faible réduit les pertes de barattage et de pompage, augmentant ainsi l’efficacité. Les pertes par barattage de la boîte de vitesses sont généralement réduites avec des lubrifiants de viscosité plus faible. Cependant, dans certains cas, les pertes par barattage augmentent à mesure que la viscosité diminue. Et à grande vitesse, les pertes par barattage semblent plus sensibles à la conception et aux propriétés des fluides.

Actuellement, l’option la plus courante consiste à utiliser des huiles pour engrenages synthétiques haute performance; il est également possible de réduire davantage la friction en utilisant la nouvelle technologie des fluides. «Comprendre le débit de lubrifiant dans les boîtes de vitesses va être important pour développer des entraînements avec un minimum de friction», explique Webster.

Gestion de la chaleur

De nombreux composants, dont la batterie, l’électronique et le moteur, nécessitent une gestion thermique active pour les raisons suivantes:

Last Table Lube Table

«La stratégie de refroidissement est différente entre les OEM en ce qui concerne les véhicules électriques, mais le défi est le même», explique Webster. «Il faut une gestion thermique de tous les systèmes. Pour le liquide de refroidissement, les pertes par pompage sont devenues un énorme problème et entraînent la nécessité de réduire les fluides de viscosité.

«La gestion thermique évolue en tant que domaine d’intérêt majeur pour les concepteurs de véhicules électriques», poursuit-il. «Cela comprend le chauffage ainsi que le refroidissement. Un exemple est le réchauffement au démarrage pour obtenir une sortie de batterie raisonnable; à l’autre extrémité, si vous dépassez une certaine température, vous pouvez endommager définitivement la batterie. »

L’électronique de puissance chauffe rapidement. Le moteur EV est efficace, mais il génère toujours de la chaleur. Il peut endommager définitivement la batterie et le moteur, nécessitant le remplacement du moteur. Rendre le moteur plus efficace en utilisant de meilleurs lubrifiants réduirait ce risque. Une autre approche pour refroidir le moteur et les batteries.

Il existe une grande variation entre les différentes stratégies de refroidissement poursuivies par les OEM.Il existe une grande variation entre les différentes stratégies de refroidissement poursuivies par les OEM.Recherche et ingénierie ExxonMobil

Il existe plusieurs approches pour refroidir les composants EV:

  • Sous-système de refroidissement unique eau-glycol pour la batterie, les moteurs et l’électronique de puissance.
  • Réfrigération pour la batterie et refroidissement eau-glycol pour le moteur et l’électronique.
  • Air forcé pour la batterie et les moteurs; eau-glycol pour l’électronique.

Un ensemble de problèmes pour les lubrifiants utilisés dans ces sous-systèmes de refroidissement est le débit d’huile et l’entraînement de l’air à des vitesses plus élevées. Des conditions extrêmes d’entraînement de l’air peuvent réduire l’efficacité du refroidissement et introduire des problèmes de moussage. Une façon d’examiner ces problèmes interdépendants consiste à concevoir de meilleurs modèles de simulation qui aident les ingénieurs à comprendre les interactions entre la conception mécanique, les lubrifiants et les performances du sous-système.

La combinaison de la lubrification et des performances thermiques est un défi majeur. Un refroidissement efficace nécessite une combinaison spécifique de propriétés des fluides: haute densité, conductivité thermique élevée, en plus d’une capacité thermique élevée et d’une viscosité dynamique faible. L’amélioration du transfert de chaleur affecte également d’autres propriétés physiques telles que le point d’éclair et la volatilité, considérations importantes pour les fluides à faible viscosité. Les hydrocarbures traditionnels présentent une gamme limitée de propriétés thermiques.

Tableau 3

«La lubrification et le refroidissement sont un peu antagonistes», explique Webster. «L’eau est un bon liquide de refroidissement mais, d’une manière générale, ce n’est pas un bon lubrifiant. Une approche que les ingénieurs ont explorée est de savoir s’il est possible d’utiliser les hydrocarbures différemment, avec un contact direct plutôt que d’avoir une interface. »

Pour que les véhicules électriques prospèrent et réussissent, les tribologues doivent faire des progrès dans plusieurs domaines, notamment: la conception des composants et les matériaux; transmission et huiles pour engrenages; réfrigérants lubrifiants et autres fluides, roulements et graisses.

«Après 30 ans de développement, les éoliennes ont toujours des problèmes de tribologie, explique Webster. «Peut-être que nous pouvons être un peu plus proactifs avec les VE qu’avec les éoliennes. Comme c’était une fois avec les éoliennes, les véhicules électriques sont au début d’une technologie en évolution. »

Note de l’éditeur: une version de cet article a été publiée pour la première fois dans Tribology & Lubrication Technology, le magazine mensuel de la Society of Tribologists and Lubrication Engineers,, société professionnelle à but non lucratif dont le siège est à Park Ridge, Ill.

Jeanna Van Rensselar dirige sa propre entreprise de communication / relations publiques, Smart PR Communications, à Naperville, Illinois. Vous pouvez la joindre à jeanna@smartprcommunications.com.

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