Revista Lubes em Foco edição 94
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À medida que o setor de mobilidade pessoal busca zero emissões líquidas de carbono, os OEMs estão eletrificando mais modelos em seus portfólios e buscando melhorias de eficiência em todos os componentes. Os tecnólogos de transmissão da Infineum, Hitesh Thaker e Yanzhao Wang, explicam como os resultados de atrito obtidos em testes de bancada podem não corresponder à eficiência de direção no mundo real. Eles também revelam o extenso programa de testes que a Infineum utiliza para garantir que os fluidos de transmissão ofereçam a alta eficiência e a proteção contra desgaste que os OEMs exigem para seus veículos eletrificados.
A eletrificação do trem de força deverá ser a estratégia de longo prazo para a redução de gases de efeito estufa dos OEMs que operam no mercado de automóveis de passeio. Embora os modelos elétricos a bateria já tenham mais de 60% de eficiência, os OEMs continuam buscando ganhos de eficiência em suas ofertas de trem de força.
Uma tendência de engenharia, projetada para melhorar ainda mais a eficiência e a densidade de potência em veículos eletrificados mais recentes, é a integração do motor elétrico, da caixa de câmbio e da eletrônica de potência em um único compartimento, conhecido como unidade de acionamento elétrico (EDU). Isso levou à necessidade de fluidos elétricos dedicados que possam resfriar os motores elétricos e, ao mesmo tempo, proteger a caixa de câmbio.
Esses novos fluidos elétricos precisam fornecer o desempenho e a proteção proporcionados pelos fluidos convencionais:
- Controle de aeração e oxidação – em reservatórios menores e com “enchimento vitalício” (fill for life).
- Propriedades de atrito – quando embreagens são utilizadas.
- Durabilidade ao desgaste – para engrenagens, rolamentos e bomba.
- Eficiência – arrasto e agitação versus desgaste.
Mas, agora, eles precisam ir um passo além. Nesses sistemas de motores elétricos refrigerados a óleo, os fluidos elétricos mais recentes também precisam se concentrar em fornecer propriedades elétricas para isolamento, prevenir a corrosão do cobre e garantir o resfriamento adequado do motor. Para atender a todos os requisitos convencionais e novos, é importante encontrar o equilíbrio certo entre as tecnologias de óleo base e aditivos.
Teste de bancada carece de correlação com o mundo real
A curva de Stribeck, medida pela mini máquina de tração (MTM), é uma ferramenta fundamental de tribologia, utilizada para fornecer uma visão geral do desempenho de atrito de um lubrificante. Ela pode avaliar rapidamente a capacidade do lubrificante de reduzir o atrito nos regimes de lubrificação limítrofe, misto e hidrodinâmico.
Na região hidrodinâmica, as superfícies são totalmente separadas pela película de fluido – sem contato entre elas. À medida que a velocidade diminui, o fluxo de fluido diminui, as superfícies se aproximam e o coeficiente de atrito aumenta. Passando para o regime misto, há algum contato entre as duas superfícies – embora a película de óleo continue a ajudar a suportar a carga entre elas. À medida que a velocidade diminui ainda mais, passamos para o regime limítrofe, onde quase não há película de óleo entre as superfícies de contato e a carga é suportada pelas asperezas da superfície. Tanto no regime misto quanto no regime limítrofe, os aditivos tensoativos podem ter um impacto significativo.
Uma ferramenta fundamental de tribologia que fornece uma visão geral do desempenho de atrito de um lubrificante
Muitos OEMs e empresas petrolíferas utilizam o MTM para avaliar fluidos de transmissão, onde podem esperar que fluidos com menor atrito forneçam melhores créditos de eficiência na EDU do veículo. Em nossa experiência, embora essa forma de teste de triagem possa fornecer algumas informações sobre o desempenho do fluido, não há uma correlação clara entre as propriedades de atrito no regime de contorno e no regime misto e os resultados dos testes de eficiência da EDU. No entanto, observamos alguma correlação entre os dois testes na região hidrodinâmica.
Essa disparidade nos levou a projetar um teste usando uma EDU para avaliar com mais precisão o impacto dos aditivos na eficiência energética. O que descobrimos foi surpreendente.
Testes imitam condições reais de direção
A Infineum utilizou o novo equipamento EDU para realizar testes de eficiência abrangentes a fim de avaliar o impacto de diferentes combinações de aditivos e óleos básicos na eficiência energética. A eficiência foi medida sob o Ciclo de Teste Mundial Harmonizado para Veículos Leves (WLTC) e em condições de estado estacionário, e os fluidos candidatos foram comparados com um fluido de transmissão automática comercialmente disponível, baseado no Grupo API III.
Primeiramente, avaliamos o impacto de diferentes óleos básicos. Todos os óleos de teste foram formulados para uma viscosidade cinemática a 100°C de 3,0 cSt. Os resultados dos testes de eficiência da EDU mostraram que o óleo básico do Grupo IV proporcionou a maior melhoria na eficiência energética, seguido pela combinação do Grupo III com éster e, finalmente, o Grupo III. Essa descoberta está em linha com as observações da indústria.
Mas, quando se trata de avaliar o impacto da tecnologia de aditivos, surge outro cenário. Testamos fluidos com o mesmo óleo básico do Grupo IV e viscosidade cinemática a 100°C, mas com diferentes composições de aditivos. Aqui, descobrimos que, embora os óleos de teste A e D apresentem maior coeficiente de atrito conforme medido no MTM, eles proporcionam uma melhoria de eficiência energética (EEI) comparável ou superior em comparação aos óleos B e C de menor atrito, tanto em condições WLTC quanto em regime estacionário. Como você pode ver nos resultados abaixo, não houve uma forte correlação entre os resultados de energia da EDU e o coeficiente de atrito no regime misto da curva de Stribeck, e fluidos de alto atrito podem proporcionar uma alta melhoria na eficiência energética.
Os resultados do mapa de eficiência energética da EDU indicam que o óleo de teste D, apesar de apresentar o maior atrito, proporcionou uma melhoria na eficiência energética em todos os regimes operacionais.
Para validar ainda mais os resultados, realizamos testes de eficiência adicionais em uma EDU diferente, com os óleos A e D, além de dois novos óleos candidatos, E e F, com diferentes pacotes de aditivos. Cada um foi formulado com o mesmo óleo base do Grupo IV e viscosidade cinemática a 100 °C, dois candidatos com alto e dois com baixo coeficiente de atrito no regime de atrito limítrofe da curva de Stribeck.
Nesta rodada de testes, a eficiência foi medida no Ciclo de Teste de Veículos Leves da China (CLTC) em três temperaturas diferentes: 20 °C, 40 °C e 60 °C. Conforme demonstrado acima, semelhante aos resultados de testes anteriores, os óleos candidatos A e D, com maior atrito, apresentaram melhoria de eficiência energética comparável ou superior à dos óleos E e F, com menor atrito.
Aqui, constatou-se que a tecnologia e-fluid, óleo de teste D:
- Proporcionou eficiência de EDU próxima a 90%.
- Melhorou a eficiência de EDU em 1,75% a 20 °C, o que permitiria que os VEs elétricos percorressem mais tempo em temperaturas frias/amenas.
Mais uma vez, os testes de eficiência de EDU demonstraram que fluidos de maior atrito ainda podem proporcionar alta melhoria de eficiência energética. Não foi observada correlação forte entre a eficiência energética de EDU e o coeficiente de atrito em regime de contorno medido na curva de Stribeck do MTM. Isso destaca a importância de avaliar completamente as formulações candidatas, em vez de confiar apenas nos dados de teste do MTM.
Confirmando o desempenho de durabilidade contra desgaste
No entanto, melhorar a eficiência é apenas um lado da equação; também precisamos garantir que os fluidos ofereçam excelente durabilidade contra desgaste e compatibilidade com materiais. O óleo com melhor desempenho nos testes de eficiência, o Infineum e-fluid de ultrabaixa viscosidade (óleo de teste D de 3,0 cSt), foi exaustivamente testado em diversos testes de bancada, onde demonstrou excelente proteção contra desgaste e compatibilidade com materiais.
Concluímos mais de 1.000 horas de testes de durabilidade em uma unidade de acionamento elétrico OEM – o que equivale a mais de 200.000 km. O e-fluid de teste de ultrabaixa viscosidade apresentou excelentes resultados em todos os parâmetros de teste.
As peças de fim de teste (EOT) parecem quase novas, sem impacto nas engrenagens, rolamentos e enrolamentos de cobre.
Conclusão
Em nossa opinião, é importante testar formulações de sistemas de transmissão para veículos eletrificados em condições que imitem as condições do mundo real.
Embora testes de bancada, como o MTM, tenham um papel importante na compreensão rápida das propriedades do óleo, é importante que o desempenho de eficiência dos candidatos seja explorado de forma mais completa, em vez de depender apenas dos dados de testes de bancada.
Os e-fluidos de viscosidade ultrabaixa alcançaram uma melhoria de eficiência energética de até 1,75%, líder no setor. Além disso, esses fluidos também podem oferecer excelente durabilidade contra desgaste, compatibilidade com vedações e cobre, e desempenho de aeração e oxidação, conforme exigido pelos OEMs.
Agora, estamos prontos para dar um passo em direção ao futuro, com formulações que atendem e superam as expectativas dos fabricantes de equipamentos originais (OEMs) em termos de durabilidade e eficiência para veículos eletrificados.
