Tribologie Electrique.

À première vue, lubrifier un véhicule électrique (VE) semble relativement simple. Il n’a pas beaucoup de pièces compliquées et de conditions de fonctionnement que les véhicules à moteur à combustion interne ont. Moins de pièces mobiles signifie moins de types de lubrification nécessaires. Pas besoin de vous soucier des cendres, du vernis ou des intervalles de vidange.

Cependant, un examen plus approfondi révèle quelque chose qui empêche les tribologues de dormir la nuit : l’électricité. Ajoutés à des phénomènes tribologiques bien observés, les choses se compliquent.

« L’électricité ajoute de nouveaux défis à la discipline déjà très difficile qu’est la tribologie », a déclaré Jonny Hansen, responsable technologique et tribologue senior chez Scania, aux délégués de la conférence ICIS World Base Oil and Lubricants qui s’est tenue au Royaume-Uni en mai.

Hansen se spécialise dans la tribologie des véhicules électriques, un domaine relativement nouveau qui attirera de plus en plus l’attention à mesure que la taille de la flotte mondiale de véhicules électriques augmente et que l’industrie des lubrifiants développe davantage de produits optimisés pour les véhicules électriques.

Ces dernières années, l’industrie automobile a connu une évolution significative vers le transport à faibles émissions, avec les véhicules électriques à batterie (BEV) en tête. À mesure que les BEV deviennent plus répandus, il est crucial de comprendre les défis et les considérations uniques dans leur conception et leur maintenance. L’un de ces domaines critiques est la façon dont les pièces mobiles de la transmission, telles que les roulements à éléments roulants, tolèrent le courant électrique parasite. 

Régimes

Avec des moteurs EV tournant jusqu’à 20 000 tours par minute, soit quatre fois plus vite que leurs homologues à moteur à combustion interne, les contraintes exercées sur le lubrifiant et les roulements sont extrêmes.

Il est essentiel de comprendre et de prévoir le régime de lubrification – l’état physique du lubrifiant et des surfaces de contact à un moment donné – dans toutes les machines. Dans un véhicule électrique, il joue un rôle important dans le contrôle des décharges électriques indésirables du courant même qui propulse le véhicule pour éviter d’endommager les roulements ou les engrenages. 

Dans un contact non conforme typique (comme dans les roulements ou les engrenages), où deux surfaces qui ne s’adaptent pas parfaitement se déplacent l’une contre l’autre à l’aide d’un lubrifiant, un film d’huile se forme entre elles. Idéalement, ce film devrait être plus épais que la rugosité de la surface pour éviter l’usure et les dommages. A l’inverse, le lubrifiant étant un isolant électrique, il ne doit pas non plus être dans une plage où des décharges électriques peuvent se produire, ni trop épais par trop de viscosité.

Figure 1. Types de courants porteurs

« C’est un problème d’optimisation où il faut équilibrer le risque de dommages mécaniques et électriques et l’efficacité énergétique », a déclaré Hansen. 

Lorsque les contacts sont au repos, il y a un contact étroit métal sur métal et aucune résistance au passage du courant. À mesure que la vitesse de glissement entre les zones de contact augmente, l’épaisseur et la résistance du film augmentent également. Finalement, une portance hydrodynamique se produit et un film complet de lubrifiant sépare les deux surfaces, surmontant le frottement et l’usure.

Les conséquences des décharges électriques peuvent être graves. Ceux-ci incluent les piqûres, le givrage et les cannelures des roulements. Ces problèmes de surface sont possibles dans des conditions de lubrification précédemment considérées comme sûres. Cela pose un nouveau défi pour la tribologie EV. 

Un autre mode spécial de lubrification a été identifié dans les contacts non conformes – la lubrification élastohydrodynamique ou EHL. Il y a un film complet mais très mince entre les contacts, et le mouvement du lubrifiant entre les surfaces de contact les déforme à cause de la très haute pression. À mesure que la pression augmente, la viscosité augmente également, à tel point qu’elle ressemble à du verre. 

« Cette épaisseur de film est très, très mince – de quelques nanomètres à environ 1 micromètre. Donc, c’est beaucoup plus fin que la taille de contact elle-même », a déclaré Hansen. « Vous ne pouvez pas vraiment voir grand-chose à cette échelle, c’est comme comparer l’herbe d’un terrain de football au terrain lui-même. »

Étoile Lambda

Au niveau microscopique, les surfaces ne sont pas lisses et la couche d’huile doit travailler dans des conditions difficiles, ce qui entraîne plus de frottement et une durée de vie plus courte. Ceci est préoccupant car une part importante de la consommation mondiale d’énergie est due au frottement et à l’usure. 

Les méthodes existantes peuvent prédire l’épaisseur de la couche d’huile pour les surfaces lisses, mais elles sont inefficaces pour les surfaces rugueuses, a constaté Hansen. 

Le modèle actuel utilise un paramètre appelé le rapport lambda (Λ). C’est le paramètre de film original introduit dans les années 1960 et c’est l’approche conventionnelle utilisée par les ingénieurs et les chercheurs en lubrification. Le modèle est utilisé pour classer la lubrification en différents « régimes » en fonction du rapport entre l’épaisseur du film d’huile et la rugosité des surfaces. Cependant, ce paramètre est imparfait compte tenu de la variation progressive de la qualité de la lubrification pendant le fonctionnement en raison du rodage et de l’usure. Ce n’est donc pas une bonne approche pour comprendre quand le décollage de la surface se produit et quand le contact des roulements risque de subir des dommages électriques. 

L’innovation de Hansen est l’étoile lambda (Λ *) – un paramètre lambda révisé. Ce nouveau paramètre prend en compte les effets au niveau micro de la couche d’huile formée par la rugosité des surfaces. La rugosité de surface, ou aspérités, est déformable sous la pression EHL, et cette déformation dépend de la forme des aspérités et affecte le régime de lubrification. 

« Nous avons dû tenir compte de ces effets pour trouver un paramètre de film plus précis », a déclaré Hansen. Il l’applique et le développe maintenant pour la lubrification des véhicules électriques. Après l’avoir testé sur des surfaces réelles dans une configuration bille sur disque, les résultats montrent que Λ* fournit une estimation considérablement plus précise de la qualité de lubrification par rapport à Λ.

Dans ces tests, le paramètre a été vérifié en étudiant les changements de topographie de surface lors de la transition de la lubrification élastohydrodynamique à film mixte et en mesurant le moment où le contact est devenu un isolant électrique. 

Décharges

Selon Hansen, les problèmes commencent avec une partie particulière mais essentielle d’un véhicule électrique. 

« Pour les électro-tribologues comme moi, la racine de tout mal commence à la source – l’onduleur », a-t-il déclaré.

L’onduleur convertit le courant continu fourni par la batterie en courant alternatif qui est utilisé par le moteur électrique du véhicule pour propulser le véhicule. Il le fait avec un commutateur haute fréquence, généralement de l’ordre du kilohertz. Une fréquence plus élevée signifie une meilleure efficacité mais un plus grand risque de décharges électriques indésirables. Si ces décharges se produisent dans le roulement, les dommages peuvent être graves.

Hansen a expliqué les mécanismes de dommages électriques à Lubes’n’Greases comme suit :

La lubrification à film complet permet l’accumulation de tension entre les chemins de roulement et les éléments roulants dans les roulements à éléments roulants. Lorsque la tension dépasse la tension de claquage du lubrifiant, une décharge d’arc électrique se produit. La tension de claquage est également un paramètre important, car il s’agit du seuil auquel une tension se force à travers l’isolant – le film lubrifiant. 

L’arc a une densité d’énergie relativement élevée en raison du petit contact hertzien (et des aspérités) ainsi que de la tension et du courant appliqués, qui sont relativement faibles de l’ordre des ampères et des volts. L’arc crée une petite fosse de taille micrométrique dans le chemin de roulement en faisant fondre et en libérant du matériau. 

Cet acier fondu mélangé à de l’huile peut entraîner une trempe, modifiant ainsi la structure du matériau autour de la zone piquée. Ce scénario est un précurseur de la réduction de la durée de vie en fatigue du contact de roulement en raison des pressions de contact élevées, qui sont généralement supérieures à 1 gigapascal.

De plus, en raison de la fréquence de commutation élevée de l’onduleur, des événements de décharge se produisent plusieurs fois par seconde. Cela se traduit par de nombreuses petites fosses uniformément réparties sur la zone du chemin de câbles. À l’œil nu, ils ressemblent à une bande grise et sont donc généralement appelés glaçage électrique. Au fil du temps, le glaçage devient des cannelures électriques, qui apparaissent comme des marques d’ondulation ou des sillons profonds d’un micromètre. Ces sillons sont plusieurs fois plus profonds que l’épaisseur du film fluide. Cela conduit à un effondrement du film fluide et la durée de vie en fatigue de contact de roulement est encore réduite. Dans le pire des cas, la saisie se produit à partir d’éraflures.

Les décharges électriques sont le principal mode d’endommagement, tandis que les conditions tribologiques de haute pression et de glissement, etc., sont des modes d’endommagement secondaires qui finissent par provoquer une défaillance prématurée des roulements par fatigue du contact roulant ou, pire encore, par grippage.

« Comprendre dans quelles conditions l’EHL se produit est donc d’une importance considérable et nous pouvons le faire avec l’étoile lambda et, par extension, nous pouvons modéliser le comportement capacitif des roulements », a déclaré Hansen à Lubes’n’Greases .

Orientation future 

Le choix du lubrifiant et l’optimisation des conditions de lubrification impactent significativement les performances et la durabilité des VE. Atteindre le bon équilibre entre la viscosité, l’épaisseur du film et la rugosité de la surface est crucial pour minimiser l’usure, la friction et les dommages causés par les décharges électriques. 

« En plus de l’importance de la viscosité, due aux décharges électriques dans le régime de lubrification à film complet, il est également très important de comprendre les propriétés électriques et diélectriques des lubrifiants et des tribofilms. Je pense que c’est un domaine de recherche qui nécessite des efforts considérables dans les années à venir », a déclaré Hansen à Lubes’n’Greases .

En sélectionnant avec soin des lubrifiants dotés des propriétés électriques appropriées et en optimisant les paramètres de lubrification, les fabricants peuvent améliorer l’efficacité et la longévité des transmissions des véhicules électriques. 

Cela présente un nouvel ensemble de défis pour les tribologues, qui doivent désormais se concentrer sur la tribologie électronique pour optimiser simultanément la lubrification contre l’usure et les décharges électriques.

Le domaine de la tribologie EV est toujours en évolution, avec des recherches en cours visant à relever les défis émergents. Les chercheurs étudient la relation entre les propriétés du lubrifiant, la rugosité de surface et l’apparition de décharges dans les contacts EV. 

De plus, des efforts sont faits pour affiner et valider de nouveaux paramètres qui offrent de meilleures estimations de la transition entre les régimes de lubrification. 

La tribologie EV se situe à l’intersection des sciences mécaniques et électriques, fournissant des informations sur les performances, l’efficacité et la durabilité des transmissions EV. 

À mesure que les véhicules électriques deviennent plus sophistiqués, la prédiction des interactions entre les phénomènes électriques et mécaniques dans les systèmes tribologiques fera encore progresser la technologie des véhicules électriques. Cela permettra aux tribologues de développer des solutions optimisées pour les véhicules électriques.

« Il est très important de pouvoir estimer la transition entre chaque régime de rotation extrême, et cela peut être fait avec un nouveau paramètre de film », a déclaré Hansen.  

(Origine : Simon Johns rédacteur chez Lubes’n’Greases 20Juillet 2023.)