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利用最新流變學實驗室,鐵姆肯公司開創下一代動力傳動效率

  2019年10月22日  

  幾年前,坐在 Ryan Evans 對面的汽車制造商客戶提出了一個很不尋常的要求。“他想知道我們如何能夠準確預測我們的軸承在他們的應用中的功耗。”Evans 說道。他目前負責鐵姆肯公司的軸承研發工作。

  鐵姆肯公司的 SYBER 軸承性能預測軟件不僅可以用來進行軸承選型分析,還能用于估算扭矩和功耗,但對于該客戶的應用,該客戶似乎想要獲得更可靠的預測結果。

  軸承的功耗涉及許多學科 —— 從流體力學到固體力學、熱力學和熱傳遞等等。鐵姆肯公司產品基礎科學家 Bill Hannon 說道:“這要研究物質(無論是鋼還是液體)的性質在摩擦接觸中遇到高壓、高速和高溫時會發生怎樣的變化。”

  例如,某個圓錐滾子軸承中可能包含 15 個滾子,這些滾子就是接觸點。如需計算扭矩,您必須考慮所有這些不同的接觸點會如何響應特定應用的載荷和速度 。例如,材料是否會在這些接觸點下變彎曲,或者它們之間的潤滑油是否會受到剪切效應。

  “要考慮上述所有因素,進而得到軸承的總功耗或扭矩性能,將是一項讓人望而生畏的工作。”Evans 說道。

超越軸承談軸承效率

  然而,類似的客戶要求不斷涌現。“我們的客戶面臨著提高燃油效率的壓力。”Evans 說道。從拖拉機到送貨卡車再到豪華轎車,各類制造商都開始轉向電動汽車。為了最大限度地減少電池重量并最大限度地延長車輛的行駛里程,他們必須要將機器中每個點的摩擦降至最低。軸承效率就是其中之一,而鐵姆肯公司幾十年前就開始設計節能軸承。1975 年美國企業平均燃油經濟性 (CAFE) 法規要求提高燃油效率標準,鐵姆肯公司的節油軸承在傳統和混合動力汽車設計中發揮了重要作用。鐵姆肯公司的高級產品開發工程師 Bob Sadinski 曾與客戶就動力傳動系統的設計展開直接合作,協助開發鐵姆肯公司的節油軸承 (ePDFE) 。他說道:“在鐵姆肯公司,我們一直關注軸承轉動過程中的摩擦情況和能量損失。為了進一步提高軸承效率,我們需要了解整個系統,包括客戶的潤滑系統。”

了解流體的性質

  “客戶希望使用重量更輕、粘度更低的潤滑劑,但是這樣會帶來硬件上的問題。”Sadinski 說道。為了幫助客戶優化軸承潤滑劑組合,以實現最高的效率,鐵姆肯公司團隊需要將軸承技術與流變學研究結合起來。流變學是物理學中研究液體流動的一個分支。Hannon 說道:“當我拿手沾上一些潤滑油時,我可摩擦手指進行感受。我覺得它柔軟而輕盈。但在軸承內,就完全不是這樣。當滾動體與滾道相遇時,接觸壓力非常大,油膜很薄,潤滑油幾乎會變為固體。”換句話說,隨著接觸點的作用壓力、溫度和剪切速率增加到極端水平,潤滑油的粘度或流動阻力會發生奇怪的改變。更糟糕的是,石油化工在過去十年中發生了巨大變化。“以前只有少數幾種粘度調節劑,而現在有數百種之多。”Hannon 說道。要預測軸承效率,就要了解每種應用中確切液體、潤滑油或潤滑脂的性質。Hannon 表示,在一個理想的環境中,應用工程師能夠測量三千兆帕或每平方英寸435,000 磅壓力下的潤滑劑性能。他說道:“沒有人能做到這一點。世界上很少有實驗室可以測量大于一千兆帕的數值。”此外,他表示,工程師還需要了解潤滑油粘度是如何隨著作用壓力、溫度和剪切力而變化的。“我們知道,世界上只有三個地方可以做到這一點。”Hannon 說道,即:佐治亞理工學院 (Georgia Tech),位于法國里昂的法國國立應用科學學院 (INSA) 以及現在的鐵姆肯公司。

一間可供科學家觀察潤滑脂的實驗室

  Hannon 表示,鐵姆肯公司的流變學實驗室所依據的理論是,讓公司能夠利用物理學原理來改進扭矩預測模型。為檢驗這一理論,研發團隊要求 Georgia Tech 的研究人員測量兩種油的粘度。隨后,鐵姆肯公司的研究人員將測量結果輸入到他們的模型中,事實證明他們確實可以做出更精確的軸承效率預測。

  “就在那一刻,我們決定進行投資。”Hannon 說道。如今,鐵姆肯公司的流變學實驗室配備了兩臺落體粘度計,可在各種壓力和溫度下測量粘度和密度。借助庫艾特粘度計,我們的團隊還能測量潤滑劑對高剪切速率的反應。Hannon 還表示,該實驗室還擁有一些非常實用的設備,包括:一臺傅里葉變換紅外光譜儀,可幫助我們的團隊識別未知流體;一臺能量色散 X 射線光譜儀,可幫助我們的團隊識別液體中對設備有磨損的成分;一臺卡爾費休滴定裝置,可檢測油中的水分;以及其他一些“讓我們能夠分析潤滑脂的設備”。

  讓理論推動模型使用這些設備,Hannon 和 Sadinski 可以測量單個流體并使用數據建立新的數學模型,讓他們能夠預測多維空間內無限范圍的條件。“我們已經回歸流體力學原理,因此是理論促成我們模型的建置。”Hannon 說道。從第一原理層面研究事物讓我們的團隊能夠預測摩擦,而不僅僅是測量摩擦。與此同時,他認為:“借助流變學實驗室,我們將能更接近現實,減少假設,進而便能讓我們的模擬更接近實際應用條件。”Evans 說道:“這些新的測量技術讓我們能夠以前所未有的方式進行潤滑油測量。我們將這些數據插入到數學模型中,然后便能幫助我們預測軸承中的流體在高壓和高剪切條件下的表現。這些信息使我們能夠更好地預測整體扭矩或功耗性能。”

  從實驗室到客戶設計表在研發團隊將新的數學模型添加到鐵姆肯公司的 SYBER 系統后,世界各地的應用工程師都可進行更準確的功耗估算。“SYBER 幫助我們從實驗室獲取信息和知識,然后再傳遞給客戶。”Evans 說道。Hannon 和 Sadinski 一直與潤滑劑制造商保持密切聯系,而潤滑劑制造商對各種流體的接受程度越來越高。Hannon 說道:“如此一來,日后或許能夠做到潤滑劑與軸承配對使用。在流變學實驗室,我們確信可以做到這一點,所以現在我們所有人都在為此努力,包括潤滑劑制造商、軸承制造商和客戶。”Sadinski 指出,鐵姆肯公司的整個動力傳動產品系列都將能受益于流變學實驗室。“它開啟了我們幫助客戶應對整個系統的能力,而不僅僅只是為客戶提供軸承解決方案。”Hannon 也這樣認為。他說道:“十年前,客戶想購買的是一個軸承。而今天,他們想購買的是一套系統。他們想知道,您的軸承將如何配合這種潤滑劑、這個密封件、這個齒輪?”借助流變學實驗室的新模型和數據,工程師可以更好地了解各個部分將如何協同工作,然后與客戶分享相關信息。客戶很高興有機會能夠進一步優化他們的設計。Evans 說道:“通過這些方法,我們在預測軸承性能時充滿信心,并且信心遠勝從前。幾乎所有鐵姆肯公司設計的軸承和機械動力傳動產品都依靠潤滑來實現良好的表現。我們所做的一切幾乎都得益于這項工作。”

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