Un equipo del Southwest Research Institute ha desarrollado un dispositivo de prueba mecánica para analizar fluidos y lubricantes formulados para vehículos eléctricos. El equipo modificó un dispositivo de prueba de tribología comercial para darle la capacidad de evaluar el impacto de las corrientes eléctricas en los fluidos, midiendo el desgaste y la fricción en las piezas del automóvil en presencia de un voltaje aplicado.
«La electrificación de la industria automotriz se ha acelerado en los últimos años, con proyecciones futuras que muestran un crecimiento exponencial en la participación de mercado para aplicaciones de servicio ligero y pesado», dijo Cole T. Frazier, ingeniero de investigación de la Sección de Lubricantes Avanzados para Trenes Motrices de SwRI. «Sin embargo, las herramientas tradicionales de prueba de fluidos no se desarrollaron para analizar de manera efectiva las propiedades de los lubricantes en entornos electrificados. Eso también se extiende a las pruebas de tribología».
La tribología es el estudio de la fricción, la lubricación y el desgaste. Los desafíos para evaluar el comportamiento en vehículos eléctricos es la presencia de un potencial eléctrico aplicado en las interfaces de componentes y lubricantes.
Para enfrentar este desafío, el Dr. Carlos Sánchez, ingeniero de investigación sénior en la sección de Investigación y Evaluaciones de Tribología en SwRI, diseñó un nuevo aparato de prueba para modelar los efectos de la electrificación en las partes giratorias. Esta «prueba de banco» a pequeña escala se construyó alrededor de una máquina de prueba universal tradicional. El equipo desarrolló aún más la configuración y el protocolo de prueba a lo largo del proyecto.
El equipo multidisciplinario incluyó a Frazier, Sánchez, Nolan Erickson (ingeniero eléctrico), Dr. Peter Lee (ingeniero del instituto), Andrew Velasquez (ingeniero) y Travis Kostan (analista de investigación sénior).
La mayoría de los vehículos eléctricos utilizan motores de inducción de corriente alterna (CA) o de imanes permanentes, que funcionan con paquetes de baterías integrados. Un inversor toma la entrada de voltaje de corriente continua (CC) de las baterías y la convierte en la energía de CA requerida para operar el motor del vehículo.
«Las numerosas superficies giratorias dentro de los vehículos eléctricos están expuestas a picos de voltaje durante el proceso de conversión de CC a CA», dijo Sánchez. «Los picos y el campo eléctrico inherente en entornos de alto voltaje pueden permitir que las corrientes eléctricas fluyan a través de las superficies, dañando los lubricantes y los materiales que los mantienen en movimiento sin problemas».
Según los investigadores, la velocidad de la conversión de frecuencia de CC a CA puede causar picos de voltaje locales que requieren conexión a tierra. Los cojinetes del motor a menudo son especialmente susceptibles a las corrientes eléctricas que fluyen a través de ellos debido a su ubicación cerca de los picos de voltaje. El potencial eléctrico de los rodamientos puede acumularse hasta que el voltaje sea lo suficientemente fuerte como para romper la fina película de lubricante que separa los pequeños rodamientos de bolas de metal de las pistas de rodadura o los semicojinetes, lo que puede causar daños en la superficie y cicatrices.
El equipo desarrolló y analizó un protocolo de prueba para el nuevo instrumento que representaría mejor el sistema real y produciría resultados relevantes. Usando este nuevo avance financiado internamente, probaron varios lubricantes comerciales diferentes y midieron las marcas de desgaste y la fricción en las pistas de rodadura y los semicojinetes. Descubrieron que el potencial eléctrico a través de un fluido, ya sea que la corriente sea CA o CC, puede afectar el desgaste y la fricción de los cojinetes hasta en un 20 %.
«SwRI se especializa en la creación de plataformas de tribología personalizadas y capacidades de prueba para permitir que la industria pruebe múltiples formulaciones de lubricantes de manera eficiente, sin necesidad de realizar pruebas a gran escala», dijo Lee, quien dirige las actividades de tribología de SwRI. «En este caso, debido a que se demuestra que la descomposición del lubricante depende del fluido, los formuladores pueden optimizar sus lubricantes para trenes motrices de EV específicos. Las capacidades de prueba a escala de banco de SwRI acelerarán la optimización del lubricante, mejorando la durabilidad y aumentando la autonomía del vehículo a través de la reducción de la fricción».
Las modificaciones y los resultados iniciales se presentaron en la conferencia anual de la Sociedad de Tribología e Ingenieros de Lubricación (STLE) de 2022, la Conferencia de Movilidad STLE E de 2022, la Conferencia de Tribología Gordon y la Conferencia de Sostenibilidad de la Institución de Ingenieros Mecánicos. Los resultados completos se presentarán en la reunión anual de STLE en Long Beach del 16 al 20 de mayo de 2023.
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