I cuscinetti per i veicoli del futuro

Figura 1 - Cuscinetto alleggerito mediante manifattura additiva (fonte: “Wire Race Bearings for Lightweight Design”, Franke, www.htcfranke.it)

Le esigenze dei veicoli di nuova generazione evolveranno verso soluzioni CASE (Connected, Autmonomous, Shared and Electric). Pertanto, future tecnologie si concentreranno sempre di più sul “cuscinetto come servizio” piuttosto che sul “cuscinetto come prodotto”.

I veicoli hanno contribuito in modo significativo allo sviluppo della società e degli individui, tanto che al giorno d’oggi è assai difficile pensare ad un mondo senza di essi. La transizione verso l’elettrico sta ponendo nuove sfide nella progettazione, implementazione e impiego di cuscinetti. Sfide legate alle esigenze ed agli elevati standard che la nuova tecnologia impone con il fine ultimo di migliorare prestazioni, efficienza ed affidabilità. Montati in profondità all’interno del veicolo, i cuscinetti contribuiscono in prima linea a migliorarne le performance supportando i carichi operativi e facilitando la trasmissione di coppia, offrendo elevata precisione e basso attrito, consentendo alte velocità di rotazione e riducendo, al contempo, livelli di rumorosità, calore, consumo energetico e usura. Questi risultati sono ottenuti grazie ad una accurata scelta di materiali e tecnologie di produzione, ottimizzazione di design e geometrie, rispetto di requisiti e specifiche tecniche, soluzioni di tenuta e lubrificazione, oltre che all’introduzione di ulteriori funzionalità come la trasmissione di segnali motore mediante sensori integrati…

Le nuove tecnologie richiedono un elevato impiego di componenti hardware ed elettronici e per tale motivo, al fine di garantire la sicurezza e un corretto funzionamento del veicolo in generale, è necessario un controllo delle prestazioni in tempo reale. Anche i cuscinetti nei moderni veicoli, in relazione al loro ruolo chiave all’interno del sistema, dovranno adattarsi di conseguenza: alle loro tradizionali funzioni se ne affiancheranno di nuove come una progressiva integrazione con i sensori, applicazioni software, digital twin, design alleggeriti… Il cuscinetto si pone quindi al servizio dell’intero sistema, contribuendo a rilevarne i diversi parametri prestazionali. Inoltre, i propulsori elettrici a batteria funzionano a velocità e temperature di esercizio più elevate, con elevati tassi di accelerazioni e decelerazioni; la lubrificazione delle parti rotanti unitamente ad un funzionamento silente ed esente da manutenzione rappresentano quindi le maggiori sfide. In ambito automotive, i cuscinetti devono quindi assicurare sia capacità di carico più elevate, sia una durata di esercizio predefinita, essere sufficientemente robusti per un buon funzionamento anche in condizioni estreme (temperature e velocità elevate, assenza di lubrificazione, intervalli di manutenzione più lunghi o assenti…) e garantire una rigidezza tale da ridurre il cosiddetto NVH (Noise, Vibration, Harshness, ovvero rumore, vibrazioni e asperità di andatura). I produttori di trasmissioni sono sempre alla ricerca di soluzioni compatte, alleggerite, in grado di minimizzare attrito e consumi. Questi requisiti stimolano nuovi approcci alla progettazione di cuscinetti.

Le caratteristiche di progetto

Le principali criticità dei cuscinetti nei veicoli del futuro riguarderanno maggiori carichi statici e dinamici legati al peso delle masse sospese, l’attrito, le maggiori velocità di rotazione e le conseguenti condizioni operative. Come noto, a maggiori velocità di rotazione i cuscinetti si surriscaldano. Di conseguenza, occorre un ripensamento nel loro design: dalla geometria interna ottimizzata a particolari requisiti di lubrificazione. I produttori di veicoli puntano anche sull’affidabilità per tutta la vita utile: ad oggi pari a circa dieci anni e 300.000 Km e nel prossimo futuro intorno ai 500.000 Km.

Nuove sfide tecnologiche riguarderanno il contenimento del passaggio di corrente attraverso i componenti del gruppo propulsore. Infatti, la corrente, attraversando i cuscinetti, può danneggiarne la superficie, provocando un maggiore attrito e di conseguenza aumentando vibrazioni e possibili guasti. Ai materiali tradizionali come l’acciaio, si prediligono quindi soluzioni in materiali ceramici isolanti in grado di mitigare le perdite di corrente, migliorando la durata utile dei cuscinetti, come nel caso dei cuscinetti “ibridi” DGBB (Deep Groove Ball Bearings) di SKF (Figura 2).

I produttori di cuscinetti stanno incrementando i loro investimenti in ricerca e sviluppo e nella riprogettazione. Occorrono nuove considerazioni per la gabbia in polimero, per i componenti di rotolamento e l’utilizzo di uno speciale grasso lubrificante. Soluzioni personalizzabili e ibride stanno risolvendo alcune delle principali problematiche riguardanti l’affidabilità dei veicoli elettrici. Un’accurata selezione dei cuscinetti, progettati seguendo le specifiche tecniche e prodotti secondo una corretta configurazione aumenterà le prestazioni e l’affidabilità dei propulsori (Figura 3).

Tipicamente, i materiali costitutivi di un cuscinetto agevolano la realizzazione delle funzioni fondamentali cui è destinato. In relazione ai requisiti tecnici, necessari per le diverse applicazioni, possono essere implementati diversi tipi di materiali, in grado di agevolare anche processi successivi come il trattamento termico, la lavorazione meccanica e molti altri parametri. Il trattamento termico più comunemente utilizzato è la tempra passante. Si tratta di un metodo standard per la maggior parte dei cuscinetti in grado di conferire buone proprietà di resistenza, fatica e usura. Tuttavia, le moderne tecnologie richiedono elevate prestazioni spesso in condizioni operative severe, è dunque necessario per i cuscinetti selezionare trattamenti appropriati a seconda delle applicazioni previste.

Un elemento chiave nella gestione dell’attrito, dei requisiti NVH e del carico è poi rappresentato dalla geometria del cuscinetto. Anche una corretta selezione di lubrificanti e tenute influisce positivamente sulle prestazioni del cuscinetto. In Tabella 1 sono riassunte le principali criticità legate ai cuscinetti con possibili soluzioni e vantaggi.