Il futuro dei cuscinetti è elettrico

Benché nascosti “in profondità” nei veicoli, i cuscinetti contribuiscono in maniera determinante all’efficienza delle trasmissioni e ad assicurare l’affidabilità ai produttori del settore automobilistico. Vediamo quali sono le nuove sfide che le trasmissioni dei veicoli elettrici (EV) impongono ai cuscinetti e come possono essere affrontate e superate.

di Thomas M. Wolf

Innovazioni tecnologiche come le batterie, l’elettronica per la gestione della potenza e i motori elettrici hanno spianato la strada alla mobilità elettrica, un segmento in forte ascesa. Data l’esigenza di aumentare l’efficienza e l’affidabilità, ogni elemento delle trasmissioni EV è in fase di ottimizzazione. Nello specifico, le trasmissioni per gli EV impongono nuovi requisiti per componenti come i cuscinetti. La necessità di aumentare l’efficienza delle trasmissioni spinge i produttori di apparecchiature originali a esplorare nuovi approcci per ridurre l’attrito, anziché ricorrere ai cuscinetti a rulli conici tradizionali utilizzati nei cambi e nei differenziali.
Thomas M. Wolf, Application Engineering Master, Powertrain and Electrical presso SKF, spiega quali sono le sfide legate alle trasmissioni per veicoli elettrici.

La velocità elevata dei motori elettrici mette a dura prova i cuscinetti

Un’altra sfida è costituita dalle velocità dei motori elettrici negli EV fino a 30.000 giri/min – molto più elevate rispetto a quelle della maggior parte delle applicazioni industriali – che sono necessarie per assicurare l’efficienza delle trasmissioni in esercizio. Le maggiori velocità e le temperature generate da questi veicoli impongono sollecitazioni enormi sui cuscinetti e i loro componenti, come gabbie ed elementi volventi. I cuscinetti che operano a tali velocità richiedono inoltre lubrificazione e raffreddamento efficaci, per evitare il rischio del rapido deterioramento dei loro componenti. Piste e rulli possono surriscaldarsi causando il cedimento prematuro e, talvolta, la sostituzione dei cuscinetti. Oltre alle elevate velocità di rotazione, i motori elettrici pongono ulteriori sfide, come le scariche elettriche. La commutazione di tensione ad alta frequenza dell’inverter del motore può determinare perdite di corrente. Tale corrente può passare attraverso i cuscinetti, causando la formazione di archi nei contatti di rotolamento e determinando l’affaticamento e l’erosione delle superfici. I produttori stanno anche sviluppando lubrificanti speciali a viscosità più bassa e additivi speciali, al fine di ridurre le perdite di potenza da attrito e supportare il funzionamento a velocità molto più elevate. Tuttavia, lubrificanti a viscosità più bassa possono avere un impatto negativo sull’usura e la fatica dei cuscinetti. L’usura accelerata può determinare cedimenti con conseguenze disastrose che, ovviamente, si ripercuotono sull’affidabilità.

Come superare le sfide imposte ai cuscinetti negli EV

Per soddisfare questi requisiti, i produttori come SKF stanno investendo nello sviluppo di nuove tecnologie e adattando o riprogettando i cuscinetti tradizionali. I cuscinetti personalizzati e ibridi, che integrano componenti riprogettati come gabbie in polimero ed elementi volventi e utilizzano grassi lubrificanti speciali, ad esempio, sono già in grado di risolvere alcuni dei problemi fondamentali che incidono sull’affidabilità dei veicoli elettrici.
In termini di scariche elettriche, i cuscinetti con sfere in ceramica sono attualmente la soluzione più idonea, poiché le ceramiche sono materiali isolanti. L’impiego di elementi volventi in ceramica non solo risolve questo problema, ma offre anche altri vantaggi correlati. Grazie alla densità quasi dimezzata rispetto all’acciaio, le ceramiche sono più leggere e possono quindi operare a temperature più basse. Inoltre, i cuscinetti con sfere in ceramica sono molto più duri rispetto a quelli con sfere in acciaio; quindi la loro durata è 10 volte superiore e, di norma, richiedono una lubrificazione ridotta. Benché attualmente soltanto il 5% dei cuscinetti nelle applicazioni EV siano cuscinetti ibridi con sfere in ceramica, le cose stanno cambiando.
Il valore che le unità ibride offrono in termini di affidabilità e prolungamento della durata di esercizio è sempre più riconosciuto e apprezzato.

La carbonitrurazione delle piste è un’altra soluzione in fase di studio

Un’altra soluzione in fase di studio è la carbonitrurazione delle piste dei cuscinetti per applicazioni in cui sono esposti a contaminazione o lubrificazione insufficiente. La carbonitrurazione consente di aumentare la durezza delle superfici e quindi, come nel caso delle ceramiche, di prolungarne la durata di esercizio. Dato che il mercato globale degli EV è in costante espansione, si continuano a esplorare altre soluzioni avanzate per gestire le condizioni specifiche richieste per tale tipologia di veicoli. Tra queste, grassi speciali in grado di mantenere stabile la viscosità a velocità e temperature più elevate.

I cuscinetti supportano la crescita del mercato EV

Secondo l’analisi condotta dalla International Energy Agency e pubblicata nel 2019, la flotta globale di EV ha attualmente superato i 5 milioni di veicoli. Uno studio di una società di ricerche di mercato, la Frost and Sullivan, riporta che il volume di vendite globale è quasi raddoppiato in un solo anno (dal 2017 al 2018) e la Cina si attesta come il più grande mercato di veicoli elettrici. Si prevede che questo segmento continuerà a dominare il mercato. Dati i nuovi vincoli associati allo sviluppo della tecnologia dei veicoli elettrici, non si deve sottovalutare il contributo dei cuscinetti al funzionamento globale del sistema.
Produttori come SKF sono determinati ad assicurare che i cuscinetti siano pronti per il futuro e si adoperano per ottimizzarne le prestazioni, l’efficienza e l’affidabilità.