Cuscinetti per il settore automotive del futuro

Giorgio De Pasquale, Elena Perotti

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Cuscinetti per il settore automotive del futuro

I cuscinetti svolgono un ruolo chiave nel funzionamento degli organi rotanti e, quindi, di sistemi con parti in moto rotativo. Essi come noto consentono di supportare carichi radiali e assiali e permettono di gestire coppie elevate grazie ai ridotti attriti interni in caso di lubrificazione ottimale. Tra i sistemi citati, in campo automobilistico si trova una vasta gamma di cuscinetti opportunamente progettati per svolgere adeguatamente la funzione prevista. In questo ambito, tra i principali sottosistemi in cui vengono impiegati i cuscinetti troviamo gli organi di trasmissione collegati al motore, le ruote, lo sterzo, le pompe e molti altri servizi collegati agli organi principali.

I cuscinetti garantiscono prestazioni ottimali attraverso la corretta selezione dei materiali, tecnologie di produzione, ottimizzazione delle geometrie, soluzioni di tenuta e lubrificazione, oltre a tener conto delle caratteristiche specifiche dell’applicazione. I veicoli di ultima generazione in particolare possiedono elevati standard di comfort del passeggero che si ripercuotono sulle prestazioni più performanti anche dei cuscinetti, specie in termini di vibrazione e rumorosità.

Le principali aree di ricerca inerenti la tecnologia dei cuscinetti riguardano attualmente il miglioramento della loro affidabilità nel tempo, la ideazione di versioni costruttive ad elevata densità di potenza, lo sviluppo di funzioni integrate (come il monitoraggio), la riduzione dell’attrito, lo sviluppo di soluzioni di tenuta e lubrificazione performanti, l’integrazione di sensori speciali per applicazioni specifiche.

Le moderne soluzioni elettroniche, grazie ai sensori integrati nei cuscinetti, svolgono un ruolo critico nel monitoraggio dello stato di salute del veicolo. Il settore automobilistico in particolare si sta dirigendo verso soluzioni CASE (connected, autonomous, shared and electric). I veicoli più recenti sono concepiti a livello sistemico per massimizzarne il tempo di attività, seguendo la logica del car sharing.

I principali trend di ricerca e sviluppo del settore riguardano:

  • la sostenibilità ambientale;
  • la mobilità condivisa;
  • i veicoli autonomi;
  • l’interconnessione e lo scambio di informazioni tra veicoli, oppure tra veicolo e infrastrutture IT;
  • l’elettrificazione della catena cinematica.

Si osserva in generale che le automobili utilizzano un numero maggiore di componenti elettronici rispetto al passato, grazie alle nuove funzionalità introdotte. Diventa quindi sempre più rilevante l’ottimizzazione dell’utilizzo del veicolo e il monitoraggio del loro stato di salute in tempo reale.

L’evoluzione delle tecnologie dei motopropulsori automobilistici si ripercuote anche sui componenti/sottosistemi critici come i cuscinetti. I cuscinetti dei veicoli moderni sono molto più raffinati e tecnologicamente superiori rispetto ai cuscinetti tradizionali, offrendo molteplici funzionalità aggiuntive rispetto alle funzioni primarie tipiche dei cuscinetti tradizionali.

Cuscinetti per il settore automotive
Figura 1. Sistema di trasmissione tradizionale di un veicolo con motore a combustione interna (Fonte: Khaire 2020)

Ruolo dei cuscinetti nelle trasmissioni di potenza

Partiamo dai cuscinetti associati al gruppo motore. Nelle recenti automobili, questi cuscinetti non vengono più utilizzati solamente per soddisfare le funzioni primarie, ovvero supportare il carico operativo agente sull’albero, facilitare il trasferimento della coppia e ridurre l’attrito, ma sono utilizzati anche per funzionalità integrate. Per esempio, questi cuscinetti sono in grado di rilevare il posizionamento del rotore, oppure interagiscono con dispositivi per la trasmissione di segnali con il motore.

Funzioni aggiuntive includono inoltre la riduzione del rumore e delle vibrazioni dell’intero sistema e la correzione della rigidezza di sistemi di alberi. In ogni caso, pur con queste funzionalità aggiuntive, occorre sempre tenere conto di requisiti di progetto fondamentali come il peso ridotto, i vincoli di spazio e condizioni operative onerose che includono temperature e velocità elevate, impossibilità di ripristino della lubrificazione, lunghi intervalli di manutenzione.

È quindi evidente che il ruolo dei cuscinetti stia cambiando. Pensando ai veicoli elettrici, questi impongono nuovi requisiti di funzionamento, per i quali si richiedono cuscinetti molto affidabili e performanti al fine del raggiungimento delle specifiche desiderate. Dal ruolo di componente di supporto dell’albero, i cuscinetti diventano una soluzione di sistema per l’ottenimento di parametri di prestazione nuovi.

Il cuscinetto svolge un ruolo centrale nel monitoraggio dello stato di salute del sistema in cui è montato, ad esempio analizzando le vibrazioni agenti su questo componente è possibile identificare, prevedere e prevenire in modo proattivo i potenziali guasti. Inoltre, progressi significativi nelle tecnologie ICT, nell’elettronica e nella miniaturizzazione dei sensori facilitano la loro integrazione all’interno dei cuscinetti per ottimizzare molte altre funzionalità previste.

I motori elettrici a batteria funzionano a velocità di rotazione e temperature di esercizio più elevate. In un sistema elettrico, la lubrificazione delle parti rotanti è una delle sfide principali. Per questo motivo, l’assenza di manutenzione, insieme ad un funzionamento silenzioso sono tra i requisiti tecnici maggiormente richiesti per i cuscinetti. La progettazione di cuscinetti per veicoli elettrici deve soddisfare quindi i criteri di funzionamento ad alta velocità, lubrificazione ad alte prestazioni e robustezza delle tenute per garantire la lubrificazione degli elementi volventi e proteggere le piste di rotolamento da contaminazioni esterne.

I gruppi propulsori elettrici, con particolare riferimento ai motori ovviamente, funzionano con accelerazioni e decelerazioni più elevate dei motori termici e quindi i cuscinetti devono essere in grado di gestire questi requisiti di prestazione.

Una progettazione inadeguata dei cuscinetti può provocare problemi funzionali e di affidabilità del sistema, che possono portare a guasti, o quantomeno a riduzioni della durata di vita utile del gruppo propulsore o a componenti di servizio del sistema. Anche la capacità di carico dei cuscinetti deve essere più elevata che in passato, in considerazione della maggiore potenza dei motori e della disponibilità di uno spazio ridotto a causa del minor peso a disposizione della meccanica del veicolo per compensare i pesi del pacco batterie.

La progettazione del cuscinetto, a partire dalla geometria, dalla selezione dei materiali e dal processo di produzione, svolge un ruolo fondamentale per ottenere capacità di carico più elevate in un involucro di dimensioni ridotte. Le dimensioni ridotte dei cuscinetti ovviamente facilitano la riduzione del peso complessivo del sistema.

Cuscinetti per il settore automotive del futuro
Figura 2. Motore e inverter per trasmissione di un veicolo elettrico con relativi cuscinetti (Fonte: www.allegromicro.com)

Possiamo dire, per riassumere, che i cuscinetti svolgono una funzione “mission-critical” nei moderni propulsori automobilistici. Una comprensione più approfondita delle applicazioni e delle funzionalità previste gioca un ruolo cruciale nella progettazione di cuscinetti appropriati per i moderni sistemi automobilistici.

La figura 1 illustra un sistema di trasmissione tradizionale di un veicolo con motore a combustione interna; in questo caso i cuscinetti hanno requisiti tecnici relativamente diversi, sono ben lubrificati ed hanno velocità di funzionamento comparativamente più basse. La figura 2 mostra invece la configurazione di un sistema di trasmissione di un veicolo elettrico; qui, sebbene il layout della trasmissione sia più semplice, le specifiche tecniche e i requisiti prestazionali che i cuscinetti devono rispettare possono essere più stringenti.

Cuscinetti per sottosistemi automotive

Oggi la ricerca nel campo dei propulsori elettrici a batteria si concentra prevalentemente su soluzioni volte ad incrementare l’autonomia dei veicoli e la riduzione dei tempi di ricarica. Tali requisiti se trasferiti a livello di sviluppo del sistema di propulsione elettrica, determinano ulteriori requisiti specifici quali:

  • Elevate velocità del motore elettrico per consentire ridurre la massa del motore elettrico
  • Ottimizzazione dell’efficienza lungo tutta la catena cinematica
  • Riduzione della massa grazie a componenti alleggeriti
  • Basso attrito dei cuscinetti ruota per aumentare l’autonomia del veicolo.

Per soddisfare i requisiti sopra indicati, lo sviluppo dei cuscinetti assume un ruolo chiave.

La specifica funzione e applicazione di un sottosistema con organi rotanti influenzano ovviamente la selezione dei cuscinetti presenti al suo interno e anche le loro prestazioni. Pertanto, è essenziale la comprensione accurata dell’ambiente di lavoro del cuscinetto. A seconda dell’applicazione, infatti il progettista dovrà imporre differenti requisiti tecnici che i cuscinetti devono soddisfare, sempre in un’ottica di ottimizzazione delle prestazioni dell’intero sistema.

Di seguito si riporta una panoramica esaustiva dei sottosistemi in ambito automotive e delle caratteristiche richieste ai rispettivi cuscinetti con relative criticità.

Cuscinetti per il sistema di trasmissione:

  • Elevata capacità di carico assiale e radiale
  • Ingombro e peso ridotti
  • Attrito ridotto
  • Riduzione dell’NVH (noise vibration harness, una unità di misura del confort del veicolo)
  • Facilità di montaggio, smontaggio e regolazione
  • Compatibilità con i lubrificanti
  • Maggiore tolleranza alle condizioni operative più impegnative (variazioni di carico e velocità, temperature, contaminazioni).

Cuscinetti per il gruppo motore:

  • Funzionamento ad elevate temperature
  • Carichi e velocità variabili
  • Condizioni operative impegnative legate ad esempio ad un alto rischio di contaminazione
  • Facilità di montaggio e smontaggio.

Cuscinetti eMotors:

  • Disposizione elaborata dei cuscinetti
  • Gestione di velocità/carichi elevati e variabili
  • Temperatura di esercizio elevata
  • Basso NVH (noise vibration harness) e ridotto attrito
  • Assenza di manutenzione e buone prestazioni di tenuta
  • Gestione di accelerazioni e decelerazioni in condizioni operative
  • Tolleranza alla dispersione di corrente elettrica.

Cuscinetti FEAD

  • Capacità di raggiungere velocità superiori
  • Gestione di accelerazioni e decelerazioni in condizioni operative
  • Ridotto attrito
  • Ingombro e peso ridotti
  • Funzionamento a temperature più elevate
  • Funzionamento in assenza di manutenzione (migliori prestazioni di tenuta).
  •  

Cuscinetti per il gruppo ruota:

  • Precisione di movimento
  • Peso ridotto, elevata rigidezza e stabilità
  • Riduzione delle masse non sospese, che contribuisce al miglioramento della dinamica di guida
  • Assorbimento delle forze esterne
  • Lunga durata, ridotta manutenzione, resistenza alla corrosione
  • Soluzioni sostenibili a ridotto impatto ambientale, anche per quanto concerne la fase di smaltimento
  • Stabilità termica
  • Semplicità di montaggio/smontaggio.
  •  

Cuscinetti per il sistema di sterzo:

  • Coppia di attrito ridotta
  • Rigidezza relativamente elevata
  • Basso tasso di usura.
  •  

Cuscinetti per il sistema di sospensioni:

  • Movimento a basso attrito e senza distorsioni della molla dell’ammortizzatore durante la sterzata, consentendo un movimento fluido in risposta alle condizioni della strada
  • Funzionamento senza coppia di autoallineamento
  • Isolamento della carrozzeria dal rumore generato su strada.

Modelli digitali per sistemi con cuscinetto

Per apprezzare l’importanza dei sistemi software per la progettazione assistita, consideriamo un caso pratico di un produttore OEM che rileva vibrazioni anomale nella sua macchina subito dopo la produzione. Queste vibrazioni possono essere quantificate, ma mancano le informazioni necessarie per determinare il loro impatto sulla durata dei cuscinetti. Con l’utilizzo di un software di analisi, il produttore può ora simulare le vibrazioni misurate all’interno di un modello digitale. Questo consente un’indagine completa delle prestazioni del cuscinetto in risposta alle vibrazioni, come ad esempio valutare l’effetto degli impatti degli elementi rotanti sulla struttura del cuscinetto o analizzare le forze trasmesse per ottimizzare la durata della gabbia.

Cuscinetti per il settore automotive del futuro
Figura 3. SKF SimPro Quick è dotato di un’interfaccia intuitiva basata su drag-and-drop che facilita l’aggiunta di componenti a un assieme virtuale. Questo software fornisce la rappresentazione della rigidezza del cuscinetto sotto forma di matrice

Alcuni fornitori mettono a disposizione strumenti software di simulazione per cuscinetti, adatti a diverse fasi di sviluppo, dalla progettazione iniziale di singoli componenti al completo dimensionamento di macchinari complessi con analisi interna. Un primo approccio di progettazione assistita da software è focalizzato sui sistemi a singolo albero. Qui, il software permette di manipolare geometrie e parametri dell’albero, come la disposizione dei cuscinetti, delle ruote dentate, degli spessori, degli elementi elastici e altri componenti. Il progettista può simulare il sistema, valutandone le performance dopo le modifiche apportate e prevedendo la resistenza a fatica del cuscinetto, oltre a condizioni operative che potrebbero causarne il malfunzionamento. Questo tipo di software può individuare danni interni al cuscinetto difficilmente rilevabili con i tradizionali calcoli di durata. Un esempio di software entry-level per la progettazione di cuscinetti è SKF SimPro Quick (figura 3), caratterizzato da un’interfaccia drag-and-drop per l’aggiunta di componenti e la visualizzazione della rotazione degli anelli e della sua rigidezza.

Un software avanzato consente di eseguire analisi su sistemi con alberi multipli per ottenere modelli dettagliati. Ad esempio, permette la simulazione di serie di riduttori virtuali e altri sistemi simili. In questo contesto, le funzionalità del software includono:

  • l’analisi dell’interazione tra alberi connessi cinematicamente;
  • la valutazione delle caratteristiche dei vincoli e dei supporti in varie configurazioni;
  • l’importazione di componenti CAD OEM o personalizzati per una simulazione più accurata;
  • l’analisi termo-strutturale per valutare il surriscaldamento dei componenti in esercizio.

Un esempio di tale software è SimPro Expert (figura 4). Ancora più avanzati sono i software specializzati nella simulazione per il dimensionamento e la selezione dei cuscinetti, come ad esempio il software BEAST (bearing simulation toolbox) di SKF (figura 5).

Figura 4. Un esempio di modello creato con SimPro Expert mostra la sua capacità di gestire sistemi più complessi, come un cambio (sinistra), oltre a consentire l’analisi termica dei componenti del cuscinetto (destra)

Questi strumenti sono spesso sviluppati dai produttori stessi dei cuscinetti e offrono risultati più dettagliati rispetto ai software generici. Per esempio, consentono di approfondire l’analisi del contatto tra corpi volventi del cuscinetto e anelli, considerando anche fattori come la flessione e l’inclinazione dei rulli. I produttori di cuscinetti possono inoltre fornire informazioni dettagliate sulla gabbia che trattiene gli elementi volventi del cuscinetto, inclusa la dinamica dell’interazione tra la gabbia e le sfere o altri elementi volventi.

Figura 5. La GUI (graphic user interface) del software BEAST (bearing simulation toolbox) di SKF offre un’ampia gamma di funzionalità per condurre un’analisi dettagliata dei contatti microscopici tra gli elementi volventi del cuscinetto e gli anelli. Questo include la valutazione di flessione, inclinazione del rullo e altri parametri critici per la simulazione accurata delle prestazioni del cuscinetto

Cuscinetti per il settore automotive: prospettive di mercato

Il mercato globale dei cuscinetti per veicoli elettrici, valutato pari a 5,27 miliardi di dollari nel 2023, si prevede raggiungerà i 64,73 miliardi di dollari entro il 2032, con un CAGR del 32,14% durante il periodo di previsione considerato (figura 6)

Negli ultimi anni, si è verificato un aumento significativo della domanda di cuscinetti in tutto il mondo. I dati sono in linea con la rapida espansione della domanda di veicoli elettrici. Nel 2022, le vendite globali di veicoli elettrici hanno infatti raggiunto circa i 10 milioni. Tuttavia, può risultare difficile per i produttori adattarsi ad una domanda così in rapida ascesa in quanto la maggior parte dei cuscinetti sviluppati per i veicoli tradizionali non è in adatta per i veicoli elettrici. Devono essere infatti apportate specifiche modifiche in fase di progettazione rispetto ad alcuni requisiti chiave come: velocità, sicurezza e capacità di carico.

Quando i cuscinetti tradizionali vengono impiegati nei veicoli elettrici, mostrano un calo di circa il 30% della loro vita utile. Tale riduzione può essere attribuita alle particolari sollecitazioni operative imposte dai veicoli elettrici. I cuscinetti dei veicoli elettrici, ad esempio, sono soggetti a un range di temperatura superiore di circa il 20 % rispetto a quello incontrato dai cuscinetti per veicoli ICE. Tale incremento è in gran parte legato alla loro vicinanza al motore elettrico e alle elevate velocità di rotazione a cui sono sottoposti. Di conseguenza, occorre rivalutare la composizione del materiale ed il tipo di lubrificante selezionato. Quando si fa riferimento alla velocità ed alla dinamica di carico, un significativo 85% dei veicoli elettrici funziona a regimi più elevati rispetto ai veicoli tradizionali. Questa caratteristica operativa richiede cuscinetti in grado di gestire velocità e carichi assiali superiori. I produttori o gli OEM (original equipments manufacturers) stanno quindi riprogettando e ingegnerizzando i cuscinetti per i veicoli elettrici per migliorarne la durata e la densità di potenza, il che è essenziale per evitare guasti prematuri e improvvisi.

Figura 6. Dimensioni di mercato dei cuscinetti nel periodo 2019-2030 divisi per tipologia (fonte: www.kbvresearch.com

In termini di materiali, l’acciaio detiene ancora oggi la quota di mercato maggiore, una tendenza destinata a persistere fino al 2032. Nel 2023, i cuscinetti in acciaio costituivano il 40,8% del mercato, con proiezioni che mostrano un calo marginale al 40,7% entro il 2032. Il suo ruolo si dimostra fondamentale nei componenti e negli anelli dei cuscinetti a rulli e a sfere, soddisfacendo le crescenti richieste di prestazioni e velocità nei gruppi propulsori, in particolare nei motori elettrici.

I motori elettrici sono costituiti da numerose parti, tra cui i cuscinetti, che risultano essere i più suscettibili a malfunzionamenti elettrici, con preoccupazioni sulla longevità dei sistemi di alimentazione. Un danno elettrico ai cuscinetti rappresenta un problema non semplice da individuare.

La natura irregolare delle tensioni elettriche sull’albero indotte dall’inverter, che tendono a seguire il percorso di minor resistenza, implica che soluzioni come i cuscinetti isolati del motore potrebbero semplicemente reindirizzare il danno ad altri componenti, compresi i cuscinetti del cambio o delle ruote. È interessante notare che anche i cuscinetti del motore a combustione interna di un veicolo ibrido possono dover avere a che fare con tali criticità nel momento in cui il veicolo passa alla modalità elettrica.

Pertanto, il mercato globale dei cuscinetti per veicoli elettrici ha iniziato a testimoniare una crescita significativa della domanda di cuscinetti conduttivi, così come i cuscinetti in ceramica, che fungono da isolante. I cuscinetti ibridi, incorporando sfere in ceramica, rappresentano una soluzione innovativa e, nonostante i costi più elevati, tra i vantaggi si riscontrano una densità inferiore del 40% rispetto all’acciaio, una capacità superiore di questi cuscinetti di sopportare temperature più elevate e una durata di vita prolungata. Un sostanziale 70 % dei produttori di veicoli elettrici ora gravita verso cuscinetti ibridi in ceramica.

Oltre alle criticità riportate in precedenza, è bene poi ricordare che i veicoli elettrici hanno intrinsecamente un profilo operativo più silenzioso rispetto ai veicoli a combustione interna, con la necessità di cuscinetti a bassa rumorosità. Inoltre, le soluzioni di lubrificazione per i veicoli elettrici divergono da quelle dei veicoli tradizionali. Si stima che la maggior parte dei produttori di veicoli elettrici stia sostenendo l’uso di lubrificanti speciali per contrastare l’usura prematura.

Si prevede che i motori dei veicoli elettrici possano raggiungere fino a 15.000 giri al minuto (rpm), in contrasto con i soli 8.000 giri al minuto dei motori a combustione interna, con la maggior parte delle auto che si aggirano intorno ad un valore medio pari a 6.000 giri al minuto. Il maggior numero di giri non solo accentua le prestazioni ma elimina anche la necessità di trasmissioni pesanti e costose. Tuttavia, ciò impone rigorose aspettative di qualità su tutti i componenti del gruppo propulsore. I cuscinetti dei veicoli sono esposti a stress e usura enormi, a seconda del loro utilizzo. Devono sopportare forze centrifughe significative evitando al tempo stesso un riscaldamento autoindotto causato dalla rotazione veloce. Oltre ai cuscinetti, i progettisti devono tenere conto anche della durata del veicolo, che deve rimanere affidabile su lunghe distanze e negli anni a venire.

Oggi gli strumenti avanzati di Industria 4.0, come i sensori applicati ai componenti automobilistici, offrono informazioni sulle prestazioni in tempo reale che possono essere inserite in sistemi di monitoraggio. Tra queste innovazioni figurano i cuscinetti intelligenti compatibili con IIoT. Tali cuscinetti possiedono la capacità di autodiagnosi e previsione di problemi imminenti.

Essendo al centro dei meccanismi rotanti, i cuscinetti intelligenti possono fornire dati preziosi su aspetti come la velocità di rilevamento, la direzione e le varie forze che li influenzano.

Cuscinetti intelligenti vengono utilizzati per raccogliere e trasmettere informazioni relative alle condizioni del gruppo propulsore. Ad esempio, i modelli vibrazionali dei cuscinetti possono offrire informazioni su potenziali problemi del gruppo propulsore e persino fornire dati sull’utilizzo e sulle condizioni del terreno.

Conclusioni

Di solito, il progettista inizia la selezione e il dimensionamento dei cuscinetti consultando le indicazioni generali fornite nei cataloghi del fornitore. Queste indicazioni si basano su teorie consolidate, sia di tipo statistico, sia analitico e sperimentale. Tuttavia, per esigenze più specifiche soprattutto legate al settore automotive di ultima generazione, è prassi consolidata utilizzare strumenti di calcolo e simulazione dedicati. I software di simulazione dei cuscinetti offrono notevoli vantaggi al progettista in diversi settori, tra cui appunto quello dei veicoli, ma anche di sistemi di servizio (come pompe e compressori), energia eolica, estrazione mineraria, aerospaziale e altri ancora. Il principale vantaggio è l’accesso a maggiori informazioni e un maggiore controllo sui dettagli più raffinati dell’applicazione. I software di progettazione consentono di lavorare in modo più rapido, riducendo il tempo dedicato ai test e, di conseguenza, i costi per lo sviluppo. Attraverso il software, è possibile infine definire diverse varianti di progetto contemporaneamente e poi identificare quella più efficace in termini tecnici ed economici.

Giorgio De Pasquale, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Politecnico di Torino, Smart Structures and Systems Lab

Elena Perotti, Senior data analyst

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