Dans le futur, les lubrifiants électriquement conducteurs vont protéger les moteurs électriques contre les dommages de surface qui peuvent résulter de la décharge électrique dans les roulements. Avec cette découverte, qui est le résultat d’un projet de recherche, un groupe d’ingénieurs allemands a franchi une étape importante vers l’amélioration de l’électromobilité durable de l’avenir. Le projet est financé par le Ministère fédéral allemand de l’éducation et de la recherche.
L’initiative a été lancée pour préparer les véhicules du futur qui nécessiteront des tensions plus élevées que les modèles actuels. À l’heure actuelle, 12 volts suffisent à alimenter tous les systèmes électriques d’une voiture – des lumières au climatiseur – avec une puissance suffisante. Dans les prochaines années, ce chiffre devrait passer à 48 volts, car la puissance électrique sera nécessaire pour un nombre croissant de fonctions. Les niveaux de tension des véhicules électriques et hybrides sont encore plus élevés : ces véhicules peuvent exiger jusqu’à 400 volts.
Forts champs électriques alternatifs
« Dans les alternateurs et les moteurs électriques, les niveaux de tension plus élevés signifient que les champs électriques alternatifs sont plus forts que par le passé », explique le Dr Gerd Dornhöfer, l’un des associés Bosch participant au projet « SchmiRmaL » (systèmes tribologiques commutables intelligents avec un minimum de pertes par friction et une durée de vie maximale). Ce champ peut provoquer, par exemple, une décharge électrique dans les roulements à billes des moteurs et des alternateurs. Lorsque cela se produit, des étincelles peuvent apparaître ce qui peut faire fondre minuscules zones de la surface du métal. Ceci, à son tour, conduit à des voies de roulement inégales. À la suite de cela, les roulements à billes commencent d’abord à faire du bruit, puis à ne plus fonctionner correctement. « Nous pouvons éviter cela de manière fiable avec les lubrifiants que nous avons développés », dit Dornhöfer alors qu’il regarde des résultats de mesure sur son ordinateur. L’expert de la technologie de lubrification travaille pour le département de recherche à Gerlingen, près de Stuttgart.[image_frame align= »center » alt= »Le Dr. Gerd Dornhöfer dans son laboratoire » title= »Le Dr. Gerd Dornhöfer, un chercheur Bosch, en train de tester des échantillons de lubrifiants dans son laboratoire. » height= »433″ width= »600″]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/06/Dr.-Gerd-Dornhöfer-in-the-research-laboratory.jpg[/image_frame]
Quiconque a déjà eu un petit choc électrique à partir d’une poignée de porte est familier avec les charges statiques. Lorsque le doigt est à quelques millimètres de la poignée, une étincelle électrique apparaît entre les deux. Plus la tension électrique est grande, plus l’étincelle va loin. L’air entre la poignée de porte et le doigt agit comme un isolant jusqu’à ce que le doigt soit suffisamment près de la poignée.
Le film lubrifiant classique agit comme un isolant
La même chose peut également se produire quand un courant est généré entre l’arbre et le carter d’un moteur électrique, car le revêtement de lubrifiant dans le roulement agit comme un isolant. Avec l’augmentation de la vitesse de rotation, le lubrifiant dans les roulements à billes sépare les billes de la voie de roulement. Ceci est comparable à de l’aquaplanage sur les routes mouillées. Contrairement aux routes, toutefois, ce phénomène est souhaitable dans les roulements à billes, puisqu’elle minimise la friction générée par les roulements, ainsi que les dommages de surface. Toutefois, cela peut également entraîner un phénomène de charge électrique des roulements lorsque le film de lubrifiant est intact, de la même manière qu’un condensateur. Lorsque la tension accumulée est suffisante, elle pénètre dans le lubrifiante. Cette énergie suffit à faire fondre brièvement une petite zone de métal sur la surface du roulement. Si cela se produit de façon répétée, de minuscules imperfections apparaissent par la suite sur le roulement. « Nous voulons éviter cela à tout prix, car il peut en résulter des dommages plus importants à ces endroits au fil du temps, » explique le scientifique Bosch. Les ingénieurs réfèrent cela à des piqûres électriques. Le processus se traduit par des zones endommagées sur la voie de roulement qui sont comparables à des nids de poule. Dans le futur, l’énergie de ces décharges peut devenir plus grande car la densité de courant et les tensions des systèmes électriques automobiles vont augmenter.
À la lumière de ce problème potentiel, la stratégie du projet SchmiRmal se concentre sur le développement de nouveaux lubrifiants, dont la substance est conductrice même à des niveaux de tension élevés. En conséquence, ces lubrifiants n’agissent pas comme isolants. Les niveaux de tension ne s’accumulent plus, et ne provoquent donc plus de décharge électrostatique potentiellement destructrice.[image_frame align= »center » alt= »Réduction de l’usure des roulements grâce au lubrifiant conducteur » title= »Cette infographie montre l’effet d’un lubrifiant isolant (en haut à droite) et d’un lubrifiant conducteur (en bas à droite) » height= »600″ width= »600″]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/06/Bearings-wear-protection-with-conductive-lubricant.jpg[/image_frame]
« Ceci peut être réalisé de plusieurs façons », a déclaré Dornhöfer. « On pourrait, par exemple, ajouter de fines particules métalliques à la graisse pour conduire le courant. Mais cela signifierait que la graisse agirait également comme un abrasif, et bien sûr nous voulons éviter cela ». « Ici, les liquides ioniques sont plus appropriés. En termes chimiques, ceux-ci comprennent des molécules appelées ions qui transportent une charge électrique. » Les fluides ioniques conduisent l’électricité, et c’est pourquoi nous ajoutons ces substances à nos lubrifiants », a déclaré Dornhöfer.
Le lubrifiant final a réduit sa résistance électrique
Après de nombreux tests, les scientifiques ont développé des graisses qui sont de moins en moins résistantes à l’électricité. En d’autres termes : le lubrifiant conduit les électrons comme voulu dans le roulement à billes et empêche les contournements électriques redoutés. Le matériau de départ était un lubrifiant industriel disponible dans le commerce. « En utilisant les fluides ioniques combinés avec du carbone, sa résistance électrique peut être réduite par un facteur de dix millions », explique le scientifique Bosch. C’est suffisant pour éviter les décharges électriques indésirables.
Alors que la nouvelle graisse est noire, elle ressemble autrement largement à son prédécesseur. À l’heure actuelle, Dornhöfer se concentre en partie sur l’étude de l’ensemble des caractéristiques de la graisse. Pour assurer une longue durée de vie, les roulements à billes doivent être résistants à la chaleur et avoir des propriétés d’écoulement à froid. En outre, les nouveaux additifs ne doivent pas compromettre les propriétés de protection contre la corrosion de la graisse. Et il va sans dire que la nouvelle graisse ne devrait pas poser un risque pour la santé humaine ou l’environnement. Tout cela est actuellement testé dans le cadre du projet BMBF. « Jusqu’à présent, nos résultats sont très prometteurs », dit Dornhöfer.[image_frame align= »center » alt= »Microphoto – Dommages provenant de décharges électriques » title= »Le côté gauche de l’image montre la voie de roulement intacte d’un roulement à billes. Le côté droit montre des dommages dans une voie de roulements causés par des décharges électriques. Le trou sur le côté droit est d’environ 60 micromètres de large. Les images ont été prises avec un microscope électronique, et ont été amplifiées 550 fois. » height= »200″ width= »600″]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/06/Microphoto-Damage-resulting-from-electrical-discharges.jpg[/image_frame]
Beaucoup de scientifiques provenant d’un large éventail de disciplines et de secteurs ont contribué à ce succès. « Personne ne peut trouver ces solutions tout seul. Nous contribuons tous et apprenons des autres », dit Dornhöfer. Le projet durera jusqu’à avril 2015. « Les chances sont élevées que les nouveaux lubrifiants trouveront des applications industrielles après la fin du projet. »
Une durée de vie allongée pour les composants de la machine électrique
Les avantages des livrables du projet vont au-delà des applications pour moteurs électriques. Les nouveaux lubrifiants peuvent également augmenter la durée de vie et la fiabilité des éléments de la machine électrique qui connaissent des niveaux élevés de pression, en particulier les roulements à rouleaux et les paliers lisses et des composants de transmission. En outre, le rendement peut être amélioré pour des moteurs de la même taille, ou maintenu si les moteurs sont plus petits. Dans le même temps, les lubrifiants contribuent à réduire la consommation d’énergie et permettent d’augmenter l’efficacité.
Source : Bosch
[titled_box title= »L’avis de Romain : »]Ce phénomène d’usure n’est pas bien connu parmi les équipementiers et je pense que Bosch aura des difficultés à inclure ce nouveau lubrifiant dans ses composants et systèmes en raison de son coût probablement plus élevé. De plus, dans les systèmes hybrides, les roulements des machines électriques ne sont pas les pièces qui ont les taux d’échec les plus élevés, à la différence des balais, des cellules de batterie, du convertisseur, … Pensez-vous que les équipementiers mettront l’accent sur la durabilité des roulements pour les systèmes de 48V de prochaine génération ? Pensez-vous que cette technologie de lubrifiant conducteur sera prête en 2020, lorsque les systèmes 48V domineront le marché ?[/titled_box]