利用最新流變學實驗（yàn）室，鐵姆肯公司（sī）開創下一代動力（lì）傳動（dòng）效率（lǜ）
2019-10-30 來（lái）源：鐵姆肯公司 作者：-
幾年前，坐在Ryan Evans對麵的汽車製造商客戶提出了一個很不尋常的要求。“他想知（zhī）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（mǔ）肯公司（sī）的SYBER軸承性能預測軟件不僅（jǐn）可以（yǐ）用來進行（háng）軸承選型分（fèn）析，還能用於估算扭矩和功耗，但對於該客戶的應用，該客戶似（sì）乎想要獲（huò）得更可靠的預測（cè）結果。
軸承的功耗涉及許多學科（kē）——從流體力學（xué）到固體力（lì）學（xué）、熱力學和熱傳遞等等。鐵姆肯（kěn）公（gōng）司產品基礎科學家Bill Hannon說道：“這要研究物質（無論（lùn）是鋼還是液體）的性質在摩擦接觸（chù）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（chù）點（diǎn）。如需計算扭矩，您必須考慮所有這些不同的接觸點會如何（hé）響應特定應用的載（zǎi）荷（hé）和速（sù）度。例如，材料（liào）是否會在這些接（jiē）觸點下變彎曲（qǔ），或者它們之間的潤滑油是否會（huì）受到剪（jiǎn）切效（xiào）應。
“要（yào）考慮上（shàng）述所有（yǒu）因素，進而得（dé）到軸承（chéng）的總功耗或扭矩（jǔ）性能，將是一項（xiàng）讓人（rén）望而生畏的（de）工作。”Evans說道。
超越軸承談軸承效率
然而，類似的（de）客戶要（yào）求不斷湧現（xiàn）。“我們的客戶麵臨著提高燃油效率的壓力。”Evans說道（dào）。從拖拉機到送貨卡車再到豪華（huá）轎車，各類製（zhì）造商都開始轉向電動汽車。為了最大限度地減少電池重量（liàng）並最大限度地（dì）延長車輛的行駛裏程，他們必須要將機器中每個點的摩擦降至最（zuì）低。
軸承效率就是其中之一，而鐵姆肯公司幾十年前（qián）就開始設計節能軸承。1975年美國企業平（píng）均燃油（yóu）經濟性（CAFE）法規要求提（tí）高燃油效率標準，鐵姆肯公司的節油軸承在傳統和（hé）混合（hé）動（dòng）力汽車（chē）設計中發揮了重要作用。
鐵姆肯公司（sī）的（de）高級產品（pǐn）開發（fā）工程師Bob Sadinski曾與客戶（hù）就動力傳動係統的設計展開直接（jiē）合作，協助開發鐵姆肯公（gōng）司的節油軸承 （ePDFE）。
他說道（dào）：“在鐵姆肯公（gōng）司，我們一直關（guān）注軸承轉動（dòng）過程中（zhōng）的摩擦情況和能量損失。為了進一步提（tí）高軸承效率，我們需要了解整（zhěng）個（gè）係統，包括客戶的潤滑係統。”
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（jì），但（dàn）是這樣會帶來硬件上（shàng）的問題。”Sadinski說道。為了幫助客戶優化軸承潤滑劑組（zǔ）合，以實現最高的效率，鐵姆肯（kěn）公司團隊需要（yào）將軸承技術與（yǔ）流變學研究結（jié）合起來。流變學是物理（lǐ）學中研究液體流動的一個分支。
Hannon說道（dào）：“當我拿手沾上一些潤滑油時，我可摩擦手指進行感受。我覺（jiào）得它柔軟（ruǎn）而輕盈。但在（zài）軸承（chéng）內，就完全不是這（zhè）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（gù）體。”
換句話（huà）說，隨（suí）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（yóu）的粘度或流動阻力會（huì）發生奇怪的改變。更糟糕的是，石油化工（gōng）在過去十年中發生了巨大變化。“以前隻（zhī）有少數幾種粘度調（diào）節劑，而現在有數百（bǎi）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（xìng）質。Hannon表示，在一個理想的環境中（zhōng），應用工程師能夠測量三千兆（zhào）帕或每平方英寸435,000磅壓力下的（de）潤滑劑性能。
他說道：“沒有（yǒu）人能做到這一點。世界上很少有實驗室可以測量大於（yú）一千兆帕的數值。”
此外，他表（biǎo）示，工程師還需要（yào）了解潤（rùn）滑油粘度（dù）是如何隨著作（zuò）用壓力、溫度和剪切（qiē）力而變化（huà）的。“我們知（zhī）道，世界上隻有三個地方可以做到（dào）這一點（diǎn）。”Hannon說道，即：佐治亞理工學（xué）院（Georgia Tech），位於法國裏昂的法國國立應用（yòng）科學學院（INSA）以及現在的鐵姆肯公司。
一間（jiān）可供科學家觀察潤滑脂的實驗室
Hannon表示（shì），鐵姆肯公司的（de）流變學實驗室所依據的理論是，讓（ràng）公司能夠利用物（wù）理學原理來改進扭（niǔ）矩預測模型。為檢驗這一理（lǐ）論，研發（fā）團隊要求Georgia Tech的（de）研究人員測（cè）量兩（liǎng）種油的粘度。隨後，鐵姆（mǔ）肯公司（sī）的（de）研究人員將測量結果（guǒ）輸入到他們（men）的模型中，事實（shí）證明他們確實可（kě）以做出更精確的（de）軸承效率預測。
“就在那一（yī）刻，我們決定（dìng）進行投資。”Hannon說（shuō）道。如（rú）今，鐵姆肯公司的流變學（xué）實驗室配備了兩台落（luò）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（tè）粘度計，我們的（de）團隊還能（néng）測量潤滑劑（jì）對高（gāo）剪切速率的反應。
Hannon還表示，該實驗室還擁有（yǒu）一些非常實用的設備，包括：一台傅裏葉變換紅外光譜儀，可幫助我們的團隊識別未知流體；一台能量色散X射線光譜儀，可幫助我們（men）的團隊識別液體中對設（shè）備有磨損（sǔn）的成分；一台（tái）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（dòng）模型
使用這些設備，Hannon和Sadinski可以測量單個流（liú）體並使用（yòng）數據建立新的數學（xué）模型（xíng），讓他們能夠預測多維空間內無限範圍的條件。
“我們已經回歸流體力學原理（lǐ），因此是理論（lùn）促成我們模型的建置。”Hannon說道（dào）。從第一原理層麵研究事物讓我們的團隊能夠（gòu）預測摩（mó）擦，而不僅僅是測量摩（mó）擦。與此同時，他（tā）認為：“借助流變學實驗室，我們將能更接近現實，減少假設（shè），進而（ér）便能讓我們（men）的模擬更接（jiē）近實際應用（yòng）條件。”
Evans說道：“這些新的測量技術讓我（wǒ）們能夠以（yǐ）前（qián）所未有的方式進行潤滑油測量。我們（men）將這些數據插入到數學模型（xíng）中，然後便能幫（bāng）助我們預（yù）測軸承中的流（liú）體在高壓（yā）和高剪（jiǎn）切（qiē）條件下的表現。這些信（xìn）息使我（wǒ）們（men）能夠更好地預測（cè）整體扭矩或功耗性（xìng）能。”
從實驗室到客戶設計表
在研發團隊將（jiāng）新的數學模型添加到（dào）鐵姆肯公司的SYBER係統（tǒng）後，世界各地的應用工程師都可進行更（gèng）準確的功耗估算。“SYBER 幫助我們從實驗室獲取信息（xī）和知識，然後（hòu）再傳遞（dì）給客戶。”Evans說道。
Hannon和Sadinski一直與（yǔ）潤滑劑製造商保持密切聯係，而潤滑劑製造商對各種流體的接受（shòu）程度越來越高。Hannon說道：“如（rú）此一來，日後或許能夠做到潤滑劑（jì）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（zài）我們所（suǒ）有人都在為此（cǐ）努力，包括潤滑劑（jì）製造商（shāng）、軸承製造商和客戶。”
Sadinski指出，鐵姆肯公司的整個動（dòng）力傳動產品係列都將能受益於流（liú）變（biàn）學實驗室。“它開啟了我們幫助客戶應對整個係統的能力，而不（bú）僅僅隻是為客戶提供軸承解決方案（àn）。”
Hannon也這樣認為。他說道：“十年前，客戶想購買的是（shì）一個軸承。而今天，他們想購買的是一套（tào）係統。他們想知道，您的軸承將（jiāng）如何配合這（zhè）種潤滑劑、這個密封件、這個齒輪？”借助流變（biàn）學實驗室的新模型和（hé）數據（jù），工程（chéng）師可以更好地了解各個部分將如何協同（tóng）工作，然後與客戶分享相（xiàng）關信息。
客戶很高興有機會能夠進一步優化他們（men）的設計。Evans說道：“通過這些方法，我（wǒ）們（men）在預測軸承性能時充滿信心，並且信心遠勝從前。幾乎所有鐵姆肯公（gōng）司設計的軸承和機（jī）械動力傳動產品（pǐn）都依（yī）靠潤滑來實現良好的表現。我（wǒ）們所做的一切幾乎都（dōu）得（dé）益於這項工作。”
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