Lubricantes conductivos para reducir el desgaste de los cojinetes

Lubricantes conductivos para reducir el desgaste de los cojinetes

En el futuro, los lubricantes eléctricamente conductores protegerán los motores eléctricos del daño superficial que puede resultar de la descarga eléctrica en los rodamientos. Con estos hallazgos, que son el resultado de un proyecto de investigación conjunto, un grupo de ingenieros básicos e industriales alemanes han dado un paso importante para lograr la electromovilidad sostenible del futuro. El proyecto está financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania.

La iniciativa se lanzó para prepararse para los vehículos del futuro, que requerirán voltajes más altos que los modelos actuales. En la actualidad, se requieren 12 voltios para proporcionar energía suficiente a todos los sistemas eléctricos de los automóviles, desde luces y radios hasta acondicionadores de aire. En los próximos años, se espera que la cifra aumente a 48 voltios, ya que se requiere energía eléctrica para un número creciente de funciones. Los niveles de voltaje de los vehículos eléctricos e híbridos son aún más altos: estos vehículos pueden requerir hasta 400 voltios.

Fuertes campos eléctricos alternos

“En alternadores y motores eléctricos, los niveles de voltaje más altos significan que los campos eléctricos alternos son más fuertes que antes”, dice el Dr. Gerd Dornhöfer, uno de los asociados de Bosch que participa en el proyecto “SchmiRmaL” (Sistemas tribológicos inteligentes conmutables con fricción mínima). pérdidas y vida útil máxima). Esto puede causar, por ejemplo, descarga eléctrica en los rodamientos de bolas de motores y alternadores . Cuando esto ocurre, pueden volar chispas que pueden derretir pequeñas áreas de la superficie del metal. Esto, a su vez, conduce a caminos de rodadura irregulares. Como resultado de esto, los rodamientos de bolas primero comienzan a hacer ruido y luego fallan. “Ya podemos evitar que esto suceda de manera confiable con los lubricantes que hemos desarrollado”, dice Dornhöfer mientras mira los resultados de la medición en su computadora. El experto jefe en tecnología de lubricación trabaja para el departamento de investigación empresarial en Gerlingen, cerca de Stuttgart.

Cualquiera que haya recibido alguna vez una pequeña descarga eléctrica del pomo de una puerta está familiarizado con las cargas estáticas. Cuando el dedo está a solo unos milímetros del pomo de la puerta, una chispa eléctrica salta entre los dos. Cuanto mayor es la tensión eléctrica, más lejos viaja la chispa. El aire entre la manija de la puerta y el dedo actúa como aislante hasta que el dedo esté lo suficientemente cerca de la perilla.



La película lubricante actúa como aislante.

Lo mismo también puede suceder cuando se genera una corriente entre el eje y la carcasa de un motor eléctrico, ya que el recubrimiento lubricante del rodamiento actúa como aislante. A medida que aumenta la velocidad de rotación, las grasas lubricantes de los rodamientos de bolas separan los rodamientos de la pista de rodadura. Esto es comparable al hidroplaneo en carreteras mojadas. Sin embargo, a diferencia de las carreteras, este fenómeno es deseable en los rodamientos de bolas, ya que minimiza la fricción generada por los rodamientos, así como los daños en la superficie. Sin embargo, esto también puede hacer que los rodamientos se recarguen cuando la película lubricante está intacta, de forma similar a un condensador. Cuando la tensión acumulada es suficiente, puede penetrar en la grasa lubricante aislante. Esta energía es suficiente para derretir brevemente una pequeña área de metal en la superficie del rodamiento. Si esto sucede repetidamente, eventualmente aparecerán pequeñas imperfecciones en el cojinete. “Queremos evitar esto a toda costa, ya que con el tiempo puede provocar un daño mayor en estas manchas”, dice el científico de Bosch. Los ingenieros se refieren a esto como picaduras eléctricas . El proceso da como resultado áreas dañadas en la pista de rodadura que son comparables a baches. En el futuro, la energía de estas descargas puede aumentar a medida que aumentan la densidad de potencia y los voltajes de los sistemas eléctricos automotrices.

A la luz de este problema potencial, la estrategia del proyecto SchmiRmal se centra en desarrollar nuevos lubricantes, cuyas sustancias siguen siendo conductoras incluso a niveles de voltaje más altos. Como resultado, estos lubricantes no actúan como aislantes para empezar. Los niveles de voltaje ya no se acumulan, ni la descarga electrostática potencialmente destructiva .

“Esto se puede lograr de varias maneras”, dijo Dornhöfer. “Se podría, por ejemplo, añadir partículas finas de metal a la grasa para conducir la corriente. Pero esto significaría que la grasa lubricante también actuaría como abrasivo y, por supuesto, queremos evitarlo”. Aquí, fluidos iónicos son más adecuados. En términos químicos, estos comprenden moléculas conocidas como iones que conducen una carga eléctrica. “Los fluidos iónicos conducen la electricidad y es por eso que agregamos estas sustancias a nuestros lubricantes”, dijo Dornhöfer.

El lubricante final tiene resistencia eléctrica reducida

Después de innumerables pruebas, los científicos ahora han encontrado grasas que son cada vez menos resistentes a la electricidad. En otras palabras: el lubricante conduce los electrones como se desea en el rodamiento de bolas y, por lo tanto, evita las temidas descargas eléctricas. El material inicial era un lubricante industrial comercialmente disponible. “Usando los fluidos iónicos adecuados combinados con carbón conductor, su resistencia puede reducirse en un factor de diez millones”, dice el científico de Bosch. Esto es suficiente para evitar las descargas eléctricas no deseadas.

Si bien la nueva grasa es negra, por lo demás se parece mucho a su predecesora. En la actualidad, Dornhöfer se centra en parte en investigar todas las características de la grasa. Para garantizar un ciclo de vida prolongado, los rodamientos de bolas deben ser resistentes al calor y tener propiedades de flujo en frío. Además, los nuevos aditivos no deberían comprometer las propiedades de protección contra la corrosión de la grasa. Y no hace falta decir que la nueva grasa no debería representar un peligro para la salud humana o el medio ambiente. Todo esto se está probando actualmente como parte del proyecto BMBF. “Hasta ahora, nuestros hallazgos han sido muy prometedores”, dice Dornhöfer.

Muchos científicos de una amplia gama de disciplinas y sectores han contribuido a este éxito. “Nadie puede encontrar estas soluciones solo. Todos estamos contribuyendo y aprendiendo unos de otros”, dice Dornhöfer. Está previsto que el proyecto se ejecute hasta abril de 2015. 'Hay muchas posibilidades de que los nuevos lubricantes encuentren una aplicación industrial después del proyecto'.

Una vida útil más larga para los componentes de la máquina

Los beneficios del trabajo del proyecto van más allá de las aplicaciones para motores eléctricos. Los nuevos lubricantes también pueden aumentar la vida útil y la confiabilidad de los elementos de la máquina que experimentan altos niveles de tensión, especialmente los cojinetes lisos y de rodillos y los componentes de transmisión. Además, el rendimiento puede mejorarse para motores del mismo tamaño o mantenerse si los motores son más pequeños. Al mismo tiempo, los lubricantes contribuyen a reducir el consumo de energía y aumentar la eficiencia.

Los participantes del proyecto SchmiRmaL

Klüber Lubrication SE & Co. KG (Munich) es un fabricante de lubricantes especiales. IoLiTec-Ionic Liquids Technologies GmbH (Heilbronn) desarrolla fluidos iónicos. Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG (Herzogenaurach) es un proveedor de automóviles que desarrolla y fabrica rodamientos. El papel de la empresa en el proyecto es evaluar cómo los nuevos tipos de aceite pueden mejorar la vida útil de los rodamientos. Inprotec AG (Heitersheim) desarrolla recubrimientos altamente efectivos que protegen contra la abrasión. En el transcurso del proyecto, SCHUNK GmbH & Co. KG (Lauffen/Neckar) está trabajando para mejorar la durabilidad de una válvula. Utilizando modelos informáticos, el Instituto Fraunhofer de Algoritmos y Computación Científica SCAI (Sankt Augustin) está realizando previsiones sobre el posible impacto medioambiental de los nuevos fluidos iónicos. A lo largo del proyecto, el Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales IWM (Freiburg im Breisgau) se centra principalmente en el posible efecto lubricante de los fluidos iónicos. Bosch está aplicando estos nuevos lubricantes y probando su idoneidad en condiciones reales.