Actuadores BorgWarner AWD de próxima generación

Christian Månsson, ingeniero de desarrollo, Mecatrónica, BorgWarner PowerDrive Systems

Måns Ranåker, director, Ingeniería de Transmisión, BorgWarner PowerDrive Systems

Per Söderberg, ingeniero de desarrollo, Diseño de Motores, BorgWarner PowerDrive Systems

En la actualidad, la necesidad de mejorar la eficiencia en el consumo de combustible es un factor clave en el desarrollo de las tecnologías de tracción integral (AWD). BorgWarner, un líder mundial consolidado en el desarrollo y el suministro de sistemas AWD, ofrece mejoras revolucionarias en peso y eficiencia, junto con los avances en rendimiento que requieren los sistemas AWD actuales. Con el desarrollo de estos actuadores de próxima generación para sistemas AWD, BorgWarner contribuye a reducir los costes y ayuda a compensar los desafíos económicos que comportan otros componentes del vehículo; todo ello, con el objetivo de lograr vehículos híbridos sin un coste añadido. Al mismo tiempo, continúa creciendo la necesidad de actuadores que ofrezcan unos niveles iguales o superiores de transferencia de par, al tiempo que reducen la complejidad y el peso.

Actuadores AWD de próxima generación

Como colaborador de confianza de reconocidos fabricantes de automóviles, BorgWarner suministra a los principales fabricantes mundiales acoplamientos AWD y cajas de transferencia. Los procesos mecánicos para los sistemas AWD desconectables, ya estén basados en la tracción delantera o trasera, son casi idénticos y se diferencian solo por las transmisiones de vehículo con las que son compatibles. En ambos sistemas de AWD, un embrague multidisco en baño húmedo conecta un eje de entrada y uno de salida para la transferencia y el control del par. BorgWarner dispone de una amplia gama de opciones para aplicar fuerza de compresión al paquete del embrague, a fin de satisfacer los diferentes requisitos del cliente.

El actuador hidráulico, que aplica una fuerza variable al paquete del embrague mediante la presión hidráulica y un pistón de trabajo, tiene un papel central en ambos sistemas AWD. Los usuarios pueden controlar la presión de trabajo del sistema y monitorear la transferencia de par para adaptar el rendimiento del sistema AWD a las condiciones de conducción. Al monitorear la red del vehículo, los usuarios pueden seleccionar un determinado nivel de par para optimizar el rendimiento del sistema en función de las condiciones de conducción específicas. Este sistema integrado también reaccionará a las solicitudes de otros componentes integrados del vehículo, como el ESP (control de estabilidad), para optimizar el rendimiento en situaciones críticas.

BorgWarner presentó su primera solución de accionamiento hidráulico para AWD (GenI) en 1998 y ahora produce más de 1,5 millones de acoplamientos GenV al año. Inicialmente, estas tecnologías usaban bombas diferenciales impulsadas por la velocidad, a fin de crear una presión instantánea, que a su vez se controlaba de acuerdo con el deslizamiento entre el eje delantero y el trasero. Este método se ha mejorado en las generaciones posteriores de actuadores, pero el esfuerzo de mejora continua se ha centrado sobre todo en reducir tanto la complejidad como el peso de estos sistemas. A lo largo del desarrollo de estas generaciones siguientes, el peso del acoplamiento se ha reducido de un modo constante al tiempo que se ha mejorado el rendimiento en la conducción. 

Con el aumento de la sofisticación del producto, la bomba de accionamiento diferencial se retiró en la cuarta generación y se reemplazó por una bomba, un acumulador y una válvula de control de accionamiento electrónico, lo que eliminó la necesidad de un sensor de presión. Para la quinta generación, el acumulador, el filtro y la válvula de control de presión fueron retirados y reemplazados por la actual bomba centrífuga.

Innovaciones del sistema GenVI

Esta bomba de pistón de control centrífugo patentada, que es fundamental para el rendimiento del sistema GenVI, no solo genera la presión en el sistema, sino que también la controla. La bomba axial de 6 pistones produce unos niveles de presión elevados con una mayor eficiencia. Mediante el uso de sus válvulas de control centrífugas, la bomba genera una correlación entre la velocidad de rotación del motor y la presión dentro del sistema.

 Debido a esta conexión, el sistema funciona mejor cuando es impulsado por un BLDC (motor de corriente continua sin escobillas) cuya velocidad es el punto de ajuste. La fuerza de equilibrio de la bola de acero de la válvula de control establece la presión, en función de la velocidad del motor, lo que permite una elevada precisión de presión y una histéresis reducida, que a su vez proporcionan unos excelentes tiempos de respuesta en cualquier punto de ajuste.

Para este actuador de la próxima generación, se desarrolló una especificación objetivo, basada en las valoraciones de los clientes y los resultados de las pruebas internas. Esto condujo a un nuevo concepto de diseño:

-BLCD para una mayor durabilidad, un menor tamaño y una mayor capacidad térmica.

-ECU (unidad de control electrónico)integrada para reducir los costes y el tamaño del paquete e incrementar la robustez de la estabilidad electromagnética gracias a la eliminación del mazo de cableado.

-Alineación de los diámetros de la ECU y el estator, que utilizan el acoplamiento visible de las interconexiones entre la ECU y el estator para mejorar la eficiencia del ensamblaje y minimizar el coste del producto.

-ECU y estator en seco para evitar problemas de compatibilidad entre el aceite, el hardware electrónico y las interconexiones.

-Rotor húmedo para eliminar la junta radial dinámica entre la carcasa de la bomba y el eje del motor.

-Control del motor sin sensor, pero con sensor de posición opcional en caso necesario 

Para maximizar las ventajas de estas mejoras, el motor BLDC se diseña y se ensambla en nuestras instalaciones. Esto es necesario para optimizar el sistema, así como para gestionar cualquier posible compromiso entre los subsistemas, al tiempo que se mejora el rendimiento y el coste. La experiencia de BorgWarner en máquinas eléctricas de mayor tamaño, combinada con esta propiedad completa del sistema y el desarrollo del algoritmo de control del motor, es clave para la optimización del sistema. Asimismo, la empresa cuenta actualmente con múltiples BLDC en producción y desarrollo, en previsión de futuras necesidades.

Reducción de peso y tamaño del paquete

Los sistemas de actuadores GenVI, nuevos y optimizados, han alcanzado nuevos niveles de reducción de peso, más del 40 % respecto a las generaciones anteriores. Esto también redunda en una reducción de peso de aproximadamente el 15 % en comparación con los acoplamientos AWD convencionales. 

El tamaño reducido de la unidad electrónica, combinado con la integración de una ECU y la flexibilidad general de un actuador hidráulico, permite reducir significativamente el tamaño del sistema, lo que ayuda a los fabricantes a optimizar su configuración.

Mejora de la precisión y la respuesta

Debido a la relación entre la velocidad del motor y la presión del mecanismo centrífugo dentro de la bomba, el uso de un BLDC con control de velocidad contribuye a la precisión de la presión en el sistema. Este sistema también mejora el tiempo de respuesta (o el tiempo requerido para alcanzar el nuevo valor después de una solicitud de modificación de los puntos de ajuste). Para conseguirlo, se mejora el control del caudal de la bomba por parte del controlador del motor cuando alcanza la temperatura de funcionamiento normal.

Durabilidad mejorada

El desgaste de las escobillas y el conmutador en un motor de CC limita su vida útil operativa. Estos límites no afectan a un motor BLDC, ya que no requiere de contacto mecánico para la conmutación. El uso de una junta radial dinámica tampoco es necesario con el motor BLDC de BorgWarner, lo que mejora aún más la durabilidad y la vida útil del motor.

Permite el funcionamiento en modo ECO

En el actuador GenVI, el uso de un BLDC, con su capacidad de arranque/parada virtualmente ilimitada, también es uno de los factores clave que posibilitan el modo ECO. En el modo ECO, el consumo de energía del sistema se reduce porque el motor está completamente apagado en condiciones que requieren de transferencia de par. Las pérdidas por batido de aceite también se pueden minimizar dentro del sistema mediante la integración de una válvula de cierre para el caudal de lubricación en el paquete del disco de fricción.

Múltiples dimensiones de eficiencia del sistema

El actuador GenVI fue diseñado expresamente para ser compatible con múltiples tipos de sistemas. Esta tecnología puede funcionar como un nodo independiente conectado únicamente a la red eléctrica y al vehículo y que controle toda la funcionalidad del sistema, incluidos los controles dinámicos del vehículo y los diagnósticos al completo. El sistema GenVI también es eficaz para su uso como un actuador inteligente que funciona a solicitud de una ECU, con una capacidad reducida de diagnóstico y para comunicar su estado. También es apto para su uso como un actuador del motor, con un conector integrado y sin componentes electrónicos, totalmente controlado por una ECU remota. Estas posibilidades de reutilización ganan todavía más importancia por el incremento de la funcionalidad y la complejidad del software. El desarrollo de la GenVI fue impulsado por la necesidad de un nuevo actuador AWD, pero el motor y la configuración de la ECU se desarrollaron teniendo en cuenta necesidades adicionales. La mayor parte de la funcionalidad del software ya desarrollada se puede reutilizar combinando el motor con un tipo diferente de mecanismo para controlar otros componentes del vehículo. Para contribuir aún más a este enfoque multifuncional, actualmente se están desarrollando actuadores para controlar las soluciones de desconexión, tanto en sistemas AWD como en ejes eléctricos, junto con las soluciones de bloqueo de estacionamiento y las bombas de refrigeración de aceite. El impacto general de la producción en masa de actuadores AWD, junto con la reducción de las necesidades de desarrollo, ofrece a los fabricantes la ventaja de una mayor eficiencia y rapidez de fabricación.

Resumen

Con la introducción del sistema de actuador GenVI, BorgWarner mantiene su trayectoria de ofrecer al mercado soluciones innovadoras, competitivas y refinadas. Estos avances no solo mejoran el desarrollo de los sistemas para vehículos híbridos o totalmente eléctricos, sino que también aportan mejoras a otros subsistemas. La importancia del nuevo actuador radica en que combina un gran rendimiento con ventajas competitivas en la configuración, el peso y la eficiencia del sistema. Estas mejoras han sido posibles gracias a la introducción de un motor BLDC, combinado con un nivel elevado de integración con los componentes del actuador; todo ello, reforzado por el diseño en nuestras instalaciones del motor BLDC y los algoritmos de control del motor, imprescindibles para alcanzar este nivel de optimización del sistema.