利用最新流变学实验室，铁姆肯公司开创下一代动力传动效率
2019-10-30 来源：铁姆肯公司 作者：-
几年前，坐在Ryan Evans对面的汽车制造商客户提出了一个很不寻常的要求。“他想知道我们如何能够准确预测我们的轴承在他们的应用中的功耗。”Evans说道。他目前负责铁姆肯公司的轴承研发工作。
铁姆肯公司的SYBER轴承性能预测软件不仅可以用来进行轴承选型分析，还能用于估算扭矩和功耗，但对于该客户的应用，该客户似乎想要获得更可靠的预测结果。
轴承的功耗涉及许多学科——从流体力学到固体力学、热力学和热传递等等。铁姆肯公司产品基础科学家Bill Hannon说道：“这要研究物质（无论是钢还是液体）的性质在摩擦接触中遇到高压、高速和高温时会发生怎样的变化。”
例如，某个圆锥滚子轴承中可能包含15个滚子，这些滚子就是接触点。如需计算扭矩，您必须考虑所有这些不同的接触点会如何响应特定应用的载荷和速度。例如，材料是否会在这些接触点下变弯曲，或者它们之间的润滑油是否会受到剪切效应。
“要考虑上述所有因素，进而得到轴承的总功耗或扭矩性能，将是一项让人望而生畏的工作。”Evans说道。
超越轴承谈轴承效率
然而，类似的客户要求不断涌现。“我们的客户面临着提高燃油效率的压力。”Evans说道。从拖拉机到送货卡车再到豪华轿车，各类制造商都开始转向电动汽车。为了最大限度地减少电池重量并最大限度地延长车辆的行驶里程，他们必须要将机器中每个点的摩擦降至最低。
轴承效率就是其中之一，而铁姆肯公司几十年前就开始设计节能轴承。1975年美国企业平均燃油经济性（CAFE）法规要求提高燃油效率标准，铁姆肯公司的节油轴承在传统和混合动力汽车设计中发挥了重要作用。
铁姆肯公司的高级产品开发工程师Bob Sadinski曾与客户就动力传动系统的设计展开直接合作，协助开发铁姆肯公司的节油轴承 （ePDFE）。
他说道：“在铁姆肯公司，我们一直关注轴承转动过程中的摩擦情况和能量损失。为了进一步提高轴承效率，我们需要了解整个系统，包括客户的润滑系统。”
了解流体的性质
“客户希望使用重量更轻、粘度更低的润滑剂，但是这样会带来硬件上的问题。”Sadinski说道。为了帮助客户优化轴承润滑剂组合，以实现最高的效率，铁姆肯公司团队需要将轴承技术与流变学研究结合起来。流变学是物理学中研究液体流动的一个分支。
Hannon说道：“当我拿手沾上一些润滑油时，我可摩擦手指进行感受。我觉得它柔软而轻盈。但在轴承内，就完全不是这样。当滚动体与滚道相遇时，接触压力非常大，油膜很薄，润滑油几乎会变为固体。”
换句话说，随着接触点的作用压力、温度和剪切速率增加到极端水平，润滑油的粘度或流动阻力会发生奇怪的改变。更糟糕的是，石油化工在过去十年中发生了巨大变化。“以前只有少数几种粘度调节剂，而现在有数百种之多。”Hannon说道。
要预测轴承效率，就要了解每种应用中确切液体、润滑油或润滑脂的性质。Hannon表示，在一个理想的环境中，应用工程师能够测量三千兆帕或每平方英寸435,000磅压力下的润滑剂性能。
他说道：“没有人能做到这一点。世界上很少有实验室可以测量大于一千兆帕的数值。”
此外，他表示，工程师还需要了解润滑油粘度是如何随着作用压力、温度和剪切力而变化的。“我们知道，世界上只有三个地方可以做到这一点。”Hannon说道，即：佐治亚理工学院（Georgia Tech），位于法国里昂的法国国立应用科学学院（INSA）以及现在的铁姆肯公司。
一间可供科学家观察润滑脂的实验室
Hannon表示，铁姆肯公司的流变学实验室所依据的理论是，让公司能够利用物理学原理来改进扭矩预测模型。为检验这一理论，研发团队要求Georgia Tech的研究人员测量两种油的粘度。随后，铁姆肯公司的研究人员将测量结果输入到他们的模型中，事实证明他们确实可以做出更精确的轴承效率预测。
“就在那一刻，我们决定进行投资。”Hannon说道。如今，铁姆肯公司的流变学实验室配备了两台落体粘度计，可在各种压力和温度下测量粘度和密度。借助库艾特粘度计，我们的团队还能测量润滑剂对高剪切速率的反应。
Hannon还表示，该实验室还拥有一些非常实用的设备，包括：一台傅里叶变换红外光谱仪，可帮助我们的团队识别未知流体；一台能量色散X射线光谱仪，可帮助我们的团队识别液体中对设备有磨损的成分；一台卡尔费休滴定装置，可检测油中的水分；以及其他一些“让我们能够分析润滑脂的设备”。
让理论推动模型
使用这些设备，Hannon和Sadinski可以测量单个流体并使用数据建立新的数学模型，让他们能够预测多维空间内无限范围的条件。
“我们已经回归流体力学原理，因此是理论促成我们模型的建置。”Hannon说道。从第一原理层面研究事物让我们的团队能够预测摩擦，而不仅仅是测量摩擦。与此同时，他认为：“借助流变学实验室，我们将能更接近现实，减少假设，进而便能让我们的模拟更接近实际应用条件。”
Evans说道：“这些新的测量技术让我们能够以前所未有的方式进行润滑油测量。我们将这些数据插入到数学模型中，然后便能帮助我们预测轴承中的流体在高压和高剪切条件下的表现。这些信息使我们能够更好地预测整体扭矩或功耗性能。”
从实验室到客户设计表
在研发团队将新的数学模型添加到铁姆肯公司的SYBER系统后，世界各地的应用工程师都可进行更准确的功耗估算。“SYBER 帮助我们从实验室获取信息和知识，然后再传递给客户。”Evans说道。
Hannon和Sadinski一直与润滑剂制造商保持密切联系，而润滑剂制造商对各种流体的接受程度越来越高。Hannon说道：“如此一来，日后或许能够做到润滑剂与轴承配对使用。在流变学实验室，我们确信可以做到这一点，所以现在我们所有人都在为此努力，包括润滑剂制造商、轴承制造商和客户。”
Sadinski指出，铁姆肯公司的整个动力传动产品系列都将能受益于流变学实验室。“它开启了我们帮助客户应对整个系统的能力，而不仅仅只是为客户提供轴承解决方案。”
Hannon也这样认为。他说道：“十年前，客户想购买的是一个轴承。而今天，他们想购买的是一套系统。他们想知道，您的轴承将如何配合这种润滑剂、这个密封件、这个齿轮？”借助流变学实验室的新模型和数据，工程师可以更好地了解各个部分将如何协同工作，然后与客户分享相关信息。
客户很高兴有机会能够进一步优化他们的设计。Evans说道：“通过这些方法，我们在预测轴承性能时充满信心，并且信心远胜从前。几乎所有铁姆肯公司设计的轴承和机械动力传动产品都依靠润滑来实现良好的表现。我们所做的一切几乎都得益于这项工作。”
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