Los fabricantes están invirtiendo mucho dinero para desarrollar y diseñar los nuevos sistemas de tracción eléctricos, incluyendo motores, baterías, inversores, cajas de transmisión, electrónica de potencia otros componentes fundamentales, con el objetivo de cumplir con las nuevas regulaciones de emisiones. Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), en 2030, más de 140 millones de automóviles contarán con un sistema de propulsión eléctrico o híbrido.
Un efecto secundario de esta nueva movilidad, del que no se suele hablar porque con los motores de combustión permanecían ocultos, es que, además de producir muy poco ruido durante el funcionamiento, un tren de potencia eléctrico abre la puerta a sonidos previamente ocultos que provienen del HVAC —la calefacción, H (heating), la ventilación V (Ventilating) y el aire acondicionado AC (air conditioned), la rodadura de los neumáticos sobre la carretera, y los propios sonidos intrínsecos de los nuevos componentes que ahora podrían afectar a la experiencia del cliente final.
La previsión de que continúe la tendencia positiva de crecimiento del mercado eléctrico supone un crecimiento potencial de las ventas que ya justifica que los fabricantes se tomen en serio este "nuevo problema".
El problema
Los sonidos del motor de combustión ya no están presentes para enmascarar los ruidos de las múltiples fuentes de vibración y ruido que llegan al interior del habitáculo de un automóvil eléctrico y que hasta ahora no se han tenido en cuenta para ser aisladas. Por otro lado, aunque un tren motriz eléctrico incluye muchas menos partes móviles, está creando nuevos desafíos que los ingenieros de sonido deben resolver
Los nuevos sonidos proceden de la propia física que mueve el tren motriz: el electromagnetismo. Su alta frecuencia los hace más difíciles de predecir por que se generan a altas velocidades. El nivel de frecuencia de estos nuevos sonidos es más alto por lo que deben capturarse durante los análisis de simulación informática, aclara Yijun Fan, Gerente Global de Aplicaciones Automotrices en MSC Software y experto en la materia.
El tren motriz de un vehículo eléctrico consiste generalmente en un motor eléctrico y un sistema de reducción de engranajes. Para calcular correctamente el ruido producido por todo el tren motriz eléctrico, "el rendimiento dinámico y el comportamiento acústico deben analizarse en todo el conjunto".
Los ruidos de traqueteo y los ruidos de los engranajes se producen cuando se ejercen fuerzas particulares sobre el mecanismo. El traqueteo es un ruido inducido por el impacto generado entre los pares de engranajes, pero "el ruido chirriante puede provenir de diferentes factores que incluyen el cambio en la rigidez de los dientes, la imperfección de su superficie o el error de transmisión resultante de la deformación". Para que los ingenieros puedan capturar estos comportamientos físicos, necesitan los medios correctos para calcular la generación de carga dinámica, la vibración estructural y la radiación acústica del mecanismo de engranajes, explica Fan.
La solución
Los ingenieros están buscando la forma de obtener los resultados iniciales sobre el comportamiento acústico de los componentes del tren motriz eléctrico, para poder predecir cómo sonarán realmente. Fan explica que, para lograrlo, el plan de trabajo requiere tres fases diferenciadas. La primera es el un sistema dinámico multicuerpo (MBD) que permite el análisis del movimiento para simular y probar prototipos virtuales de sistemas mecánicos en una fracción del tiempo, reduciendo los costes de fabricación y prueba. La segunda, una herramienta de análisis de datos mediante elementos finitos. La tercera fase es un software acústico que se enfrenta a múltiples cambios, debido a la juventud tecnológica de los trenes motrices eléctricos.
En la actualidad, es posible utilizar un enfoque de co-simulación modelado dentro de una interfaz MBD que no precisa exportar los resultados a ningún software acústico. Los ingenieros pueden calcular los resultados en segundo plano con el uso de un solucionador acústico, que luego se mostrará en la interfaz MBD. Este flujo de trabajo disminuye significativamente el coste y el tiempo necesario para ejecutar el análisis acústico de los mecanismos en movimiento y abre la posibilidad de hacer más iteraciones en comparación con los enfoques tradicionales. "La metodología automatiza completamente este flujo de trabajo en un solo entorno de simulación al incorporar un solucionador acústico en una herramienta MBD", asegura Fan.
El ruido del motor eléctrico
El ruido del motor eléctrico presenta sus propias peculiaridades, ya que se emite en su estructura vibratoria donde hay fuerzas electromagnéticas internas que salen del espacio de aire entre el rotor y el estator. Fan afirma que, si la frecuencia de las fuerzas radiales en los dientes del estator es cercana o igual a cualquiera de las frecuencias naturales del marco del estator, se producirá una resonancia. "Esto conduce a la deformación del estator, lo que finalmente provoca vibraciones y genera el ruido. Evaluar el ruido irradiado por un tren motriz eléctrico requiere un análisis de simulación conjunta de las vibraciones estructurales inducidas por las fuerzas electromagnéticas".
Los ingenieros de Renault en Francia desarrollaron una metodología de simulación capaz de predecir el ruido del motor eléctrico basada en tres pasos: el cálculo predictivo de las fuerzas electromagnéticas, las vibraciones estructurales y la radiación acústica. Para corroborar sus resultados incorporaron el software de simulación electromagnética 2D, de deformación estructural y las aplicaciones de predicción acústica en sus vehículos eléctricos para simular la potencia acústica radiada por el tren motriz a diferentes revoluciones por minuto, hasta 10 kHz, lo que les ha permitido validar el diseño de su motor eléctrico.
La importancia del trabajo
Los problemas que los vehículos eléctricos presentan a los ingenieros que trabajan para eliminar los ruidos y las vibraciones son solo parte de una lista muy larga de nuevos desafíos que presenta esta nueva tecnología. Como toda transición, hacer que el cambio sea lo menos doloroso posible para los consumidores es de gran importancia.
La experiencia silenciosa y tranquila que supone la conducción de un vehículo eléctrico es un beneficio significativo en comparación con la que ofrece un motor de combustión. Resolver los desafíos que supone eliminar los sonidos desconocidos es una prioridad, para que no supongan un hándicap a la hora de que los compradores valoren adquirir un vehículo eléctrico.