Nuove soluzioni di tenuta che contribuiscono a rendere le Auto Elettriche di Nuova Generazione una realtà

Trelleborg Sealing Solutions presenta HiSpin® PDR RT e HiSpin® HS40, due tenute sviluppate appositamente per le applicazioni di e-Mobility. Progettate per operare ad alta velocità, rappresentano un passo avanti significativo nel superare i problemi di tenuta legati alle elevate velocità dei motori elettrici, problemi che oggi limitano lo sviluppo e non consentono alle auto elettriche di avere la stessa autonomia dei veicoli a carburante.

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La ricerca di un'auto elettrica che possa essere adottata in serie e su volumi importanti si è intensificata poiché i produttori cercano di ridurre le emissioni di CO2 e mantenere l'accesso dei veicoli in alcune delle città più popolate del mondo. Secondo un report dell'International Energy Agency (IEA), nel 2017 a livello global circolavano 3,1 milioni veicoli elettrici. Tuttavia, si prevede che questo numero cresca in modo esponenziale, fino ad almeno 125 milioni e potenzialmente 220 milioni veicoli entro il 2030.

Questo però dipende dalla disponibilità di una tecnologia che consenta di percorrere, con una sola carica, l'equivalente della distanza coperta da un serbatoio di carburante, offrendo ai conducenti l'autonomia a cui sono abituati con i tradizionali veicoli a combustione interna. Le due nuove tenute rappresentano un passo significativo nel rendere tutto questo possibile.

Jan Zumbach, Head of Business Development del settore e-Mobility di Trelleborg Sealing Solutions, afferma che il superamento "dell'ansia da autonomia" è fondamentale per la diffusione di massa dei veicoli elettrici. "Con i veicoli a benzina o diesel le persone sanno sempre di poter arrivare a destinazione. Le infrastrutture per il rifornimento esistono e riempire il serbatoio non è mai un problema."

"Quando le persone guidano un veicolo elettrico si preoccupano di non avere abbastanza carica per arrivare a destinazione, la mancanza di stazioni di ricarica e il tempo necessario per ricaricare una batteria, li rendono ancor più timorosi. Per eliminare queste ansie è necessaria l'espansione delle infrastrutture di ricarica e l'aumento della capacità delle batterie per estendere l'autonomia del veicolo."

“Un fattore limitante per raggiungere questo è la tenuta sull'asse del motore elettrico. Le nuove tenute HiSpin® PDR RT e HiSpin® HS40 contribuiranno ad estendere l'autonomia delle auto elettriche, rendendo la diffusione di massa di questi veicoli una realtà, piuttosto che un sogno.”

Una delle principali tecnologie in costante sviluppo per i veicoli elettrici è l'assale elettrico: la combinazione di un motore elettrico e un gruppo riduttore che si adatti agli ingombri del vano motore tradizionale. Il motore elettrico e il cambio sono direttamente accoppiati, ma mentre il cambio richiede una lubrificazione efficiente, è essenziale che il motore elettrico rimanga perfettamente a secco e quindi una tenuta altamente affidabile tra questi due componenti è fondamentale.

Paul Taylor, Product Line Director di Trelleborg Sealing Solutions, afferma: "Poiché i motori elettrici funzionano in modo più efficiente a velocità elevate, i requisiti di tenuta sono fondamentalmente diversi da quelli delle trasmissioni dei veicoli a benzina o diesel tradizionali. I motori a combustione interna funzionano normalmente tra i 2.000 e i 4.000 giri al minuto (RPM) ma la trasmissione elettrica opera a regimi otto volte superiori, tipicamente a 16.000 RPM e in futuro questa velocità è probabilmente destinata ad aumentare significativamente."

“Oggi per le auto elettriche circolanti le velocità periferiche a cui sono soggette le tenute tradizionali su assali elettrici è di circa 30 metri al secondo. La velocità teorica per avere massima efficienza sarebbe invece maggiore di 60 metri al secondo, una velocità che oggi è impossibile raggiungere per i limiti tecmnici dei componenti adottati."

“Il nostro obiettivo con lo sviluppo delle nuove tenute e-Mobility era, quindi, quello di aumentare la velocità periferica sostenibile ad almeno 40 metri al secondo. Abbiamo ottenuto questo risultato con la tenuta HiSpin® HS40, mentre con la tenuta HiSpin® PDR RT siamo in grado di raggiungere senza problemi l'eccezionale limite di 60 metri al secondo.” 

Altro problema era quello di affrontare queste condizioni dinamiche in assenza di lubrificazione. Nella zona del cambio la lubrificazione può essere molto limitata, di solito siamo in condizioni di nebbia d'olio. In assenza o con scarsa lubrificazione la tenuta è ovviamente molto più sollecitata. In queste condizioni i componenti saranno soggetti ad elevate forze di attrito e fenomeni di stick-slip, in particolare dopo fasi di inutilizzo. Questo genera maggiore usura di tenute e piste di scorrimento, potenziale riduzione della vita utile della tenuta, oltre a perdita coppia per attrito e quindi calo di autonomia del veicolo. 

Anche la presenza di diversi lubrificanti del sistema elettrico crea delle difficoltà, perché non tutti i materiali di tenuta sono con essi compatibili. Inoltre, le nuove tendenze dei lubrificanti potrebbero far emergere nuove sfide quando entrano in gioco fluidi a base acquosa o a bassa viscosità.

Per garantire che le esigenze dei produttori di auto elettriche possano essere soddisfatte rapidamente, Trelleborg Sealing Solutions ha dedicato molte risorse per lo sviluppo delle nuove tenute e-Mobility.

Colin Macqueen, che ha diretto il programma di sviluppo delle tenute, afferma: "Tradizionalmente lo sviluppo dei prodotti può essere un processo lento. Ma quando il supporto ai produttori per l'incremento dell'autonomia dei veicoli elettrici è diventato una priorità, abbiamo formato in Trelleborg un gruppo di pronto intervento con l'obiettivo di trovare rapidamente soluzioni di tenuta altamente performanti e in grado di resistere alle elevate velocità di rotazione e condizioni tribologiche delle applicazioni e-Mobility. Lo sviluppo ha richiesto solo otto mesi dalla nomina del team alla disponibilità delle tenute presso i Clienti."”

Il risultato del programma di sviluppo sono state due soluzioni presentate insieme come HiSpin® PDR RT e HiSpin® HS40. Entrambe hanno la stessa funzione ma sono adatte a diverse applicazioni a seconda dei parametri operativi del sistema elettrico e dalle preferenze dei clienti.

Matthias Keck, Director of Technology and Innovation di Trelleborg Sealing Solutions in Germania, afferma: "I test sono stati estremamente positivi. Non sono state riscontrate perdite per nessuna delle due tenute nonostante fossero state sottoposte a condizioni di test molto sfidanti. In particolare, HiSpin® PDR RT ha registrato una riduzione del 75% dell'attrito rispetto a una tenuta PDR standard e si è dimostrata in grado di operare a 60 metri al secondo.

HiSpin® PDR RT è costituita da due parti: un corpo metallico ottenuto da lavorazione di precisione ed un elemento di tenuta in politetrafluoroetilene (PTFE)  vincolato meccanicamente al corpo stesso. Il contatto sull'albero è realizzato dal labbro di tenuta, realizzato in design speciale che rispetto al PDR standard migliora la distribuzione delle forze di contatto sull'albero e quindi ne amplifica le prestazioni.

Utilizzabile a velocità fino ad oltre 60 metri al secondo  può sostenere condizioni sia di bassa che alta temperatura. È capace di sostenere un certo livello di pressione, è universalmente resistenrte a tutte le sostanze chimiche ed il suo basso coefficiente di attrito spiega come sia in grado di funzionare a secco con coppie di attrito bassissime. I prototipi sono offerti attraverso un "Rapid Prototype Service" lanciato di recente e introdotto per supportare le richieste dei Clienti di questo settore. È disponibile in grade PTFE a bassa resistività per scaricare eventuali correnti parassite che possono generarsi nel sistema.

HiSpin® HS40 è una tipologia di prodotto familiare ai clienti del settore automobilistico. Con il suo particolare profilo idrodinamico bidirezionale garantisce coppie di attrito trascurabili alle alte velocità. Confermato da simulazioni FEA, la sua geometria e il design particolarmente flessibile offrono un contatto ottimale sull'albero, garantendo prestazioni di tenuta statiche e dinamiche ottimali.

La tenuta è prodotta utilizzando mescole XLT brevettate in fluoroelastomero (FKM) per l'utilizzo a velocità ancora più elevate ed intervalli di temperatura molto ampi. Compatibile con "Automatic Transmission Fluids" (ATF) sempre più aggressivi, viene prodotta utilizzando processi convenzionali adatti a produzioni per alti volumi. Utilizzata a velocità fino a 40 metri al secondo, HiSpin® HS40 ha la capacità di sostenere condizioni di eccentricità ed è facile da installare.

Ulteriori informazioni sulle tenute HiSpin® PDR RT e HiSpin® HS40.