鐵(tiě)姆肯開(kāi)創新轉動産品 超越軸承談軸承效率

      幾年前，坐(zuò)在 Ryan Evans 對面的汽車(chē)制(zhì)造商客戶提出了一個(gè)很(hěn)不尋常的要求。“他想知道(dào)我們如何能夠準确預測我們的軸承在他們的應用中的功耗。”Evans 說道(dào)。他目前負責鐵(tiě)姆肯公司的軸承研發工作(zuò)。鐵(tiě)姆肯公司的 SYBER 軸承性能預測軟件不僅可(kě)以用來(lái)進行(xíng)軸承選型分析，還(hái)能用于估算(suàn)扭矩和(hé)功耗，但(dàn)對于該客戶的應用，該客戶似乎想要獲得(de)更可(kě)靠的預測結果。

      軸承的功耗涉及許多(duō)學科 —— 從流體(tǐ)力學到固體(tǐ)力學、熱力學和(hé)熱傳遞等等。鐵(tiě)姆肯公司産品基礎科學家(jiā) Bill Hannon 說道(dào)：“這要研究物質（無論是鋼還(hái)是液體(tǐ)）的性質在摩擦接觸中遇到高(gāo)壓、高(gāo)速和(hé)高(gāo)溫時(shí)會(huì)發生(shēng)怎樣的變化。”

      例如，某個(gè)圓錐滾子軸承中可(kě)能包含 15 個(gè)滾子，這些(xiē)滾子就是接觸點。如需計(jì)算(suàn)扭矩，您必須考慮所有(yǒu)這些(xiē)不同的接觸點會(huì)如何響應特定應用的載荷和(hé)速度 。例如，材料是否會(huì)在這些(xiē)接觸點下變彎曲，或者它們之間(jiān)的潤滑油是否會(huì)受到剪切效應。

      “要考慮上(shàng)述所有(yǒu)因素，進而得(de)到軸承的總功耗或扭矩性能，将是一項讓人(rén)望而生(shēng)畏的工作(zuò)。”Evans 說道(dào)。

      超越軸承談軸承效率

      然而，類似的客戶要求不斷湧現。“我們的客戶面臨着提高(gāo)燃油效率的壓力。”Evans 說道(dào)。從拖拉機到送貨卡車(chē)再到豪華轎車(chē)，各類制(zhì)造商都開(kāi)始轉向電(diàn)動汽車(chē)。為(wèi)了最大(dà)限度地減少(shǎo)電(diàn)池重量并最大(dà)限度地延長車(chē)輛(liàng)的行(xíng)駛裏程，他們必須要将機器(qì)中每個(gè)點的摩擦降至最低(dī)。

      軸承效率就是其中之一，而鐵(tiě)姆肯公司幾十年前就開(kāi)始設計(jì)節能軸承。1975 年美國企業平均燃油經濟性 （CAFE） 法規要求提高(gāo)燃油效率标準，鐵(tiě)姆肯公司的節油軸承在傳統和(hé)混合動力汽車(chē)設計(jì)中發揮了重要作(zuò)用。

      鐵(tiě)姆肯公司的高(gāo)級産品開(kāi)發工程師(shī) Bob Sadinski 曾與客戶就動力傳動系統的設計(jì)展開(kāi)直接合作(zuò)，協助開(kāi)發鐵(tiě)姆肯公司的節油軸承 （ePDFE） 。

      他說道(dào)：“在鐵(tiě)姆肯公司，我們一直關注軸承轉動過程中的摩擦情況和(hé)能量損失。為(wèi)了進一步提高(gāo)軸承效率，我們需要了解整個(gè)系統，包括客戶的潤滑系統。”

      了解流體(tǐ)的性質

      “客戶希望使用重量更輕、粘度更低(dī)的潤滑劑，但(dàn)是這樣會(huì)帶來(lái)硬件上(shàng)的問題。”Sadinski 說道(dào)。為(wèi)了幫助客戶優化軸承潤滑劑組合，以實現最高(gāo)的效率，鐵(tiě)姆肯公司團隊需要将軸承技(jì)術(shù)與流變學研究結合起來(lái)。流變學是物理(lǐ)學中研究液體(tǐ)流動的一個(gè)分支。

      Hannon 說道(dào)：“當我拿(ná)手沾上(shàng)一些(xiē)潤滑油時(shí)，我可(kě)摩擦手指進行(xíng)感受。我覺得(de)它柔軟而輕盈。但(dàn)在軸承內(nèi)，就完全不是這樣。當滾動體(tǐ)與滾道(dào)相遇時(shí)，接觸壓力非常大(dà)，油膜很(hěn)薄，潤滑油幾乎會(huì)變為(wèi)固體(tǐ)。”

      換句話(huà)說，随着接觸點的作(zuò)用壓力、溫度和(hé)剪切速率增加到極端水(shuǐ)平，潤滑油的粘度或流動阻力會(huì)發生(shēng)奇怪的改變。更糟糕的是，石油化工在過去十年中發生(shēng)了巨大(dà)變化。“以前隻有(yǒu)少(shǎo)數(shù)幾種粘度調節劑，而現在有(yǒu)數(shù)百種之多(duō)。”Hannon 說道(dào)。

      要預測軸承效率，就要了解每種應用中确切液體(tǐ)、潤滑油或潤滑脂的性質。Hannon 表示，在一個(gè)理(lǐ)想的環境中，應用工程師(shī)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(dào)：“沒有(yǒu)人(rén)能做(zuò)到這一點。世界上(shàng)很(hěn)少(shǎo)有(yǒu)實驗室可(kě)以測量大(dà)于一千兆帕的數(shù)值。”

      此外，他表示，工程師(shī)還(hái)需要了解潤滑油粘度是如何随着作(zuò)用壓力、溫度和(hé)剪切力而變化的。“我們知道(dào)，世界上(shàng)隻有(yǒu)三個(gè)地方可(kě)以做(zuò)到這一點。”Hannon 說道(dào)，即：佐治亞理(lǐ)工學院 （Georgia Tech），位于法國裏昂的法國國立應用科學學院 （INSA） 以及現在的鐵(tiě)姆肯公司。

      一間(jiān)可(kě)供科學家(jiā)觀察潤滑脂的實驗室

      Hannon 表示，鐵(tiě)姆肯公司的流變學實驗室所依據的理(lǐ)論是，讓公司能夠利用物理(lǐ)學原理(lǐ)來(lái)改進扭矩預測模型。為(wèi)檢驗這一理(lǐ)論，研發團隊要求 Georgia Tech 的研究人(rén)員測量兩種油的粘度。随後，鐵(tiě)姆肯公司的研究人(rén)員将測量結果輸入到他們的模型中，事實證明(míng)他們确實可(kě)以做(zuò)出更精确的軸承效率預測。

      “就在那(nà)一刻，我們決定進行(xíng)投資。”Hannon 說道(dào)。如今，鐵(tiě)姆肯公司的流變學實驗室配備了兩台落體(tǐ)粘度計(jì)，可(kě)在各種壓力和(hé)溫度下測量粘度和(hé)密度。借助庫艾特粘度計(jì)，我們的團隊還(hái)能測量潤滑劑對高(gāo)剪切速率的反應。

      Hannon 還(hái)表示，該實驗室還(hái)擁有(yǒu)一些(xiē)非常實用的設備，包括：一台傅裏葉變換紅外光譜儀，可(kě)幫助我們的團隊識别未知流體(tǐ)；一台能量色散 X 射線光譜儀，可(kě)幫助我們的團隊識别液體(tǐ)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(shuǐ)分；以及其他一些(xiē)“讓我們能夠分析潤滑脂的設備”。

      讓理(lǐ)論推動模型

      使用這些(xiē)設備，Hannon 和(hé) Sadinski 可(kě)以測量單個(gè)流體(tǐ)并使用數(shù)據建立新的數(shù)學模型，讓他們能夠預測多(duō)維空(kōng)間(jiān)內(nèi)無限範圍的條件。

      “我們已經回歸流體(tǐ)力學原理(lǐ)，因此是理(lǐ)論促成我們模型的建置。”Hannon 說道(dào)。從第一原理(lǐ)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(shí)，他認為(wèi)：“借助流變學實驗室，我們将能更接近現實，減少(shǎo)假設，進而便能讓我們的模拟更接近實際應用條件。”

      Evans 說道(dào)：“這些(xiē)新的測量技(jì)術(shù)讓我們能夠以前所未有(yǒu)的方式進行(xíng)潤滑油測量。我們将這些(xiē)數(shù)據插入到數(shù)學模型中，然後便能幫助我們預測軸承中的流體(tǐ)在高(gāo)壓和(hé)高(gāo)剪切條件下的表現。這些(xiē)信息使我們能夠更好地預測整體(tǐ)扭矩或功耗性能。”

      從實驗室到客戶設計(jì)表

      在研發團隊将新的數(shù)學模型添加到鐵(tiě)姆肯公司的 SYBER 系統後，世界各地的應用工程師(shī)都可(kě)進行(xíng)更準确的功耗估算(suàn)。“SYBER 幫助我們從實驗室獲取信息和(hé)知識，然後再傳遞給客戶。”Evans 說道(dào)。

      Hannon 和(hé) Sadinski 一直與潤滑劑制(zhì)造商保持密切聯系，而潤滑劑制(zhì)造商對各種流體(tǐ)的接受程度越來(lái)越高(gāo)。Hannon 說道(dào)：“如此一來(lái)，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，我們确信可(kě)以做(zuò)到這一點，所以現在我們所有(yǒu)人(rén)都在為(wèi)此努力，包括潤滑劑制(zhì)造商、軸承制(zhì)造商和(hé)客戶。”