Trelleborg Commercialise deux Joints destinés à faire de la Nouvelle Génération de Véhicules Electriques une Réalité
Trelleborg Sealing Solutions a lancé HiSpinTM PDR RT et HiSpinTM HS40, deux joints spécialement développés pour les applications e-Mobility. Conçus pour fonctionner à grande vitesse, ils constituent une étape importante dans la résolution des problèmes liés à l'étanchéité rotative à hautes vitesses et qui limitent la capacité des voitures électriques à parcourir, entre deux charges, la même distance qu'un véhicule à essence.
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Les recherches pour la mise au point de voitures électriques qui serait adoptées en masse s’intensifient, et les constructeurs cherchant à réduire les émissions de CO2 et à conserver l’accès des véhicules dans certaines des villes les plus peuplées du monde. Selon un rapport de l'Agence Internationale de l'Energie (AIE) *, il y avait 3,1 millions de véhicules électriques sur les routes en 2017. Toutefois, ce nombre devrait croître de manière exponentielle pour atteindre au moins 125 millions et potentiellement 220 millions d'ici 2030.
Cela dépend toutefois du développement d’une technologie viable qui permettra des déplacements entre deux charges, comparables à ceux d’un réservoir à essence, donnant ainsi aux automobilistes l'indépendance à laquelle ils sont habitués par rapport aux véhicules à carburant traditionnel. Ces deux nouveaux joints représentent une étape importante dans la réalisation de cet objectif.
Jan Zumbach, responsable du développement commercial lié à l’e-Mobility chez Trelleborg Sealing Solutions, a déclaré qu’il était essentiel de surmonter l’anxiété liée à l’autonomie pour garantir l’adoption massive des véhicules électriques. "Avec les véhicules à essence ou diesel, les gens savent qu'ils arriveront à destination. Les infrastructures sont là et le remplissage du réservoir n'est jamais un problème."
"Lorsque les gens conduisent un véhicule électrique, ils s'inquiètent de savoir s'ils auront assez d’énergie pour arriver à la destination choisie, le manque de stations de recharge et le temps nécessaire pour recharger une batterie les rendent nerveux. La solution consiste à installer une infrastructure de point de recharge et améliorer la capacité de la batterie afin d’augmenter la distance pouvant être parcourue entre deux charges."
L'étanchéité de l’essieu électrique est un facteur limitant à cet égard. Les nouveaux HiSpinTM PDR RT et HiSpinTM HS40 contribueront à augmenter la distance parcourue par les voitures électriques, et à faire de l'adoption massive de ces véhicules une réalité plutôt qu'un rêve.
“L'un des obstacles à cette tâche est l'étanchéité de l'essieu électrique. Les nouveaux systèmes HiSpin® PDR RT et HiSpin® HS40 vont permettre de prolonger la distance parcourue par les voitures électriques, contribuant ainsi à faire de l'adoption en masse de ces véhicules une réalité plutôt qu'un rêve. ”
L'une des principales technologies des véhicules électriques est l'essieu électrique : un moteur électrique combiné à une qui s'intègre dans l'espace moteur traditionnel. Le moteur est directement couplé à la boîte de vitesses. Si la boîte de vitesses nécessite une lubrification efficace, il est cependant essentiel que le moteur reste sec. Une étanchéité très fiable est donc impérative entre ces deux composants.
Paul Taylor, directeur de la ligne de produits chez Trelleborg Sealing Solutions, a déclaré : "Les moteurs électriques fonctionnent plus efficacement à des vitesses élevées, les exigences d'étanchéité sont très différentes de celles d'une transmission sur un véhicule à moteur thermique. Les moteurs à essence tournent normalement entre 2 000 et 4 000 tours par minute (tr/min), mais la transmission électrique fonctionne jusqu'à huit fois plus vite, généralement à 16 000 tr/min, et cette vitesse devrait encore augmenter considérablement à l'avenir.
“La vitesse limite de rotation des joints traditionnels de l’essieu électrique des voitures électriques d'aujourd'hui est d'environ 30 mètres par seconde. Pour maximiser l'efficacité, la vitesse de rotation optimale théorique de l’essieu électrique devrait être supérieure à 60 mètres par seconde, vitesse qu'il était actuellement impossible d'atteindre."
“Notre objectif pour les nouveaux joints d'étanchéité e-Mobility était donc d'augmenter la vitesse de rotation fonctionnelle à au moins 40 mètres par seconde. Cet objectif a été atteint pour HiSpinTM HS40 et même surpassé pour HiSpinTM PDR RT avec un rendement exceptionnel de 60 mètres par seconde.”
Un autre problème qui a dû être surmonté est le manque de lubrification dans le système. Du côté de la boîte de vitesses du système de transmission électrique, la lubrification peut être très limitée ; il y a généralement juste un brouillard de lubrifiant. Lorsqu'il y a peu ou pas de lubrification, l'étanchéité est plus difficile à réaliser. Dans ces conditions, les joints rotatifs seront soumis à des forces de frottement élevées et à un phénomène de « stick-slip » après des périodes d’inactivité, ce qui peut entrainer une usure prématurée et réduire la durée de vie du joint, ainsi qu'une perte de puissance, réduisant ainsi l’autonomie du véhicule.
La diversité des lubrifiants dans le système de transmission électrique peut également être un problème, tous les matériaux n’étant pas compatibles avec les fluides concernés, ou ne fonctionnent pas efficacement avec ces derniers. De plus, les tendances en matière de lubrifiants utilisés pourraient soulever des défis inconnus lorsque des solutions à base d’eau, diélectriques et à faible viscosité entrent en jeu.
Afin répondre rapidement aux besoins des constructeurs de voitures électriques, Trelleborg Sealing Solutions a mis sur pied une équipe d’intervention rapide chargée de développer de nouveaux joints pour le marché e-Mobility.
Colin Macqueen, qui dirigeait le programme de développement a déclaré : « Traditionnellement, le développement d'un produit peut être un processus lent. Cependant, dès lors qu’aider les constructeurs de véhicules électriques est devenu une priorité, une équipe d'experts a été assignée pour trouver rapidement une solution capable de résister aux vitesses de rotation élevées, et à l’absence de lubrification propres aux applications e-Mobility. Le développement n'a duré que huit mois entre la création de l'équipe projet et la disponibilité des prototypes pour les clients. »
Le résultat de ce programme de développement rapide a été le lancement simultané de deux solutions, HiSpinTM PDR RT et HiSpinTM HS40. Ils ont tous les deux la même fonction, mais suivant les paramètres de fonctionnement de la transmission électrique, et des préférences clients, l'un est susceptible de mieux convenir à un système que l'autre.
Matthias Keck, Directeur Technologie & Innovation chez Trelleborg Sealing Solutions en Allemagne, a déclaré : « Les tests ont été extrêmement positifs. Aucune fuite n'a été détectée pour les deux joints malgré des conditions d'étanchéité très exigeantes. HiSpinTM PDR RT a engendré une réduction du frottement de 75% par rapport à un joint PDR standard, et s'est avérée capable de fonctionner à 60 mètres par seconde.
HiSpinTM PDR RT est composé de deux parties : un élément d'étanchéité Turcon® en polytétrafluoroéthylène (PTFE), retenu mécaniquement dans un corps métallique. Il possède une lèvre conçue sur mesure avec des caractéristiques spécifiques qui améliorent les performances et le comportement du profil de la lèvre sur l'arbre, sertie dans un corps usiné avec précision.
Capable d'atteindre des vitesses de 60 mètres par seconde et plus, il fonctionne aussi bien à basse et haute température. A même de supporter la pression, il est universellement compatible avec les produits chimiques et son faible coefficient de frottement lui permet de fonctionner sans lubrification. Des prototypes sont proposés via un service de prototypage rapide lancé récemment pour répondre aux besoins clients. Une formulation à base de PTFE conducteur est également disponible.
HiSpinTM HS40 est basé sur un concept de joint bien connu des clients du secteur automobile. La lèvre hydrodynamique bidirectionnelle unique en son genre confère un couple de frottement négligeable à grande vitesse. Grâce à des études par éléments finis (FEA) approfondies, la géométrie de sa lèvre en élastomère et sa conception flexible assurent un contact optimal de la lèvre sur l'arbre, assurant ainsi des performances d'étanchéité statiques et dynamiques optimales.