利用最新流變學（xué）實驗室，鐵（tiě）姆（mǔ）肯公司開創下一代動力傳（chuán）動效率
2019-10-29 來源：- 作者：-
幾年前，坐在Ryan Evans對麵的汽車製造商客（kè）戶提出了一個很不尋常的要（yào）求。“他（tā）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（dào）。他（tā）目前（qián）負責鐵姆（mǔ）肯公司的軸承研發工作（zuò）。
鐵姆肯公司的SYBER軸承性（xìng）能預測軟件不僅可以用來進行軸承（chéng）選型分析，還能用（yòng）於估算扭矩和功耗，但對於該客戶的應用，該客戶似乎想要獲得更可靠的預測結果。
軸承的功耗涉（shè）及許多學科——從流（liú）體力學到固體（tǐ）力學、熱力（lì）學和熱傳（chuán）遞等等。鐵姆肯公司產（chǎn）品基礎科學家Bill Hannon說道：“這要研究物質（無論是鋼（gāng）還是液體）的性質在摩擦（cā）接（jiē）觸中遇到高壓、高速和高溫時（shí）會發生怎樣的（de）變化。”
例如，某個圓錐滾子（zǐ）軸（zhóu）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（xiē）不（bú）同的接觸點會如何響應特（tè）定應用的載（zǎi）荷和（hé）速度（dù）。例如，材料是否會在這些接觸點下變（biàn）彎曲，或者它們之（zhī）間的潤滑油是否會受到剪切效應。
“要考慮（lǜ）上述（shù）所有因素，進而得（dé）到軸承的總功耗或扭矩性能，將（jiāng）是（shì）一項讓人望而生畏的工作。”Evans說道。
超越軸承談（tán）軸承效率
然而，類（lèi）似的客戶要求不斷（duàn）湧現。“我們的客戶麵臨著提高燃油效率的壓力。”Evans說道。從拖（tuō）拉機到送貨卡車再（zài）到豪華（huá）轎車，各（gè）類製造商都開始轉向電動汽車。為了最大限度地減少電池重量並最大限度地延長車輛的行駛裏程，他們必須要將機器中每個（gè）點的摩擦降至最低。
軸承效率就是（shì）其中之一，而鐵姆肯（kěn）公司幾十年前就開始設計（jì）節能軸承。1975年美國（guó）企業平均燃油經濟性（CAFE）法規要求提高燃油效率標準，鐵（tiě）姆肯公司的（de）節油軸（zhóu）承在傳統和混（hún）合動力（lì）汽車設計中發揮（huī）了重要作用。
鐵姆（mǔ）肯公司的高級產品開發工程師Bob Sadinski曾與客戶就（jiù）動力傳動（dòng）係統的（de）設計展開直接（jiē）合作，協助開發鐵姆肯公司的節油軸承 （ePDFE）。
他說道：“在鐵姆（mǔ）肯公司（sī），我們一直關（guān）注軸承轉動過程（chéng）中的摩擦情況和能量損失。為了進一步提高軸承效率，我們需要了解整個係統，包（bāo）括客戶的潤滑係（xì）統（tǒng）。”
了解流體（tǐ）的性質
“客戶希望使用重量（liàng）更輕（qīng）、粘度更低的潤滑劑（jì），但是這（zhè）樣會帶來硬件上的問（wèn）題。”Sadinski說道。為了幫助客戶優化（huà）軸承潤（rùn）滑（huá）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（hé）起來。流變（biàn）學是物理學中研究液體流動（dòng）的一個分支。
Hannon說道：“當我拿手沾上一些（xiē）潤滑油時，我可摩擦手指進（jìn）行感受（shòu）。我覺得它柔軟而輕盈（yíng）。但在（zài）軸（zhóu）承內，就完全不是這樣。當滾動體與滾道（dào）相遇時，接觸壓力非常大，油膜很薄，潤滑油幾乎會變為固（gù）體。”
換句話（huà）說，隨著接觸（chù）點的（de）作用壓力、溫度和剪切速率增加到極端水平（píng），潤（rùn）滑油的粘度或流動（dòng）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。“以前隻有少數幾種粘度（dù）調節劑，而現在有數百種（zhǒng）之多。”Hannon說道。
要（yào）預（yù）測軸承效率，就要了解每種（zhǒng）應（yīng）用中確切液體、潤滑油（yóu）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（měi）平方（fāng）英寸（cùn）435,000磅壓力下的潤滑劑性能。
他（tā）說道：“沒有人（rén）能做到這一點。世界上很少有實（shí）驗室可以測量大於一千兆帕的數值。”
此外，他表示，工（gōng）程師還需（xū）要了（le）解潤滑油粘度是如何隨著（zhe）作用壓力、溫度和剪切力而變化的。“我（wǒ）們知道，世界上隻有三（sān）個地方（fāng）可以做到這一點。”Hannon說道，即：佐治亞理工學院（Georgia Tech），位於法國裏昂的法國國立應（yīng）用科學學院（INSA）以及現在的鐵姆肯公司。
一間可供科學家（jiā）觀（guān）察潤滑脂的實驗室
Hannon表示，鐵姆肯公司的流（liú）變學實驗室所依據的理論是，讓公司能夠利（lì）用物理學原理來改進扭矩預（yù）測模（mó）型。為檢驗這一理論，研發團（tuán）隊要求Georgia Tech的研究人（rén）員測（cè）量（liàng）兩種油的粘（zhān）度。隨後，鐵姆肯公司的研究（jiū）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（wǒ）們決定進行（háng）投資。”Hannon說道。如今，鐵姆肯公司的流變學（xué）實（shí）驗室配備了兩台落體粘度計，可在各種壓力和溫（wēn）度（dù）下測量粘度和密度。借助庫（kù）艾特粘度（dù）計，我們（men）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（yàn）室還擁（yōng）有一些非常實用（yòng）的設備（bèi），包（bāo）括（kuò）：一台傅裏葉變（biàn）換紅外光譜儀，可幫助我們的團隊識（shí）別未知流體（tǐ）；一（yī）台能量色散X射線光譜儀，可幫助我們的團（tuán）隊識別液體中對設備有（yǒu）磨損的成分；一台卡爾費休滴定裝置，可（kě）檢測油中的水分；以及其（qí）他一些“讓我們（men）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（liàng）單個流體並使用數據建立新的數（shù）學模型（xíng），讓他們（men）能夠預測多維空間內無（wú）限範（fàn）圍的條件。
“我們已經回歸流體（tǐ）力學（xué）原理，因此是理論促成我（wǒ）們模型的建置。”Hannon說道。從（cóng）第一原理層麵研究（jiū）事物讓我們的（de）團（tuán）隊能（néng）夠預測摩擦，而不僅僅是測（cè）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（wǒ）們的模擬更接近（jìn）實（shí）際應用條件（jiàn）。”
Evans說道：“這些新的測量技術讓我們能夠以前所未有的（de）方式進行潤滑油測量。我們將這些數據插入到數學模型中，然後便能（néng）幫助我（wǒ）們預測軸承中（zhōng）的（de）流體在高（gāo）壓和高剪切（qiē）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（mó）型添加到鐵姆肯公司的SYBER係統（tǒng）後，世（shì）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，然後再傳遞給客戶。”Evans說（shuō）道。
Hannon和Sadinski一直與潤滑（huá）劑製造商保持密切聯係，而潤滑劑製造商（shāng）對（duì）各種流體的接受程度（dù）越來越高。Hannon說道：“如此一（yī）來，日後或許能夠做（zuò）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，包括潤滑劑製造商、軸承製造（zào）商和客戶。”
Sadinski指出，鐵姆肯（kěn）公司的（de）整個（gè）動力傳動產品係列都將能受益於流變學實驗室。“它開啟了我們幫助（zhù）客戶應對（duì）整個係統的能（néng）力，而不僅僅隻是為客戶提供軸承（chéng）解決方案。”
Hannon也這樣認為。他說道：“十年前，客（kè）戶想購買的是一個軸承（chéng）。而今天，他們想購買的是一套係統（tǒng）。他們想知道，您的軸（zhóu）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（chéng）師可以更好地了解各個部分將如何協同工作，然後與客戶分（fèn）享相關信息。
客戶很高興有機會能夠進（jìn）一步優化他們的設計。Evans說道：“通過這些（xiē）方法，我們在預測軸承（chéng）性能時（shí）充滿信心，並且信心遠勝從前。幾乎（hū）所有鐵姆肯公司設計的（de）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（jǐ）乎都得益於這項工作。”
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