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?nèi)绾文軌驕?zhǔn)確預(yù)測我們的軸承在他們的應(yīng)用中的功耗。”Evans說道。他目前負(fù)責(zé)鐵姆肯公司的軸承研發(fā)工作。
鐵姆肯公司的SYBER軸承性能預(yù)測軟件不僅可以用來進(jìn)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(yīng)用，該客戶似乎想要獲得更可靠的預(yù)測結(jié)果。
軸承的功耗涉及許多學(xué)科——從流體力學(xué)到固體力學(xué)、熱力學(xué)和熱傳遞等等。鐵姆肯公司產(chǎn)品基礎(chǔ)科學(xué)家Bill Hannon說道：“這要研究物質(zhì)（無論是鋼還是液體）的性質(zhì)在摩擦接觸中遇到高壓、高速和高溫時會發(fā)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(yīng)特定應(yīng)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(yīng)。
“要考慮上述所有因素，進(jìn)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(xiàn)。“我們的客戶面臨著提高燃油效率的壓力。”Evans說道。從拖拉機(jī)到送貨卡車再到豪華轎車，各類制造商都開始轉(zhuǎn)向電動汽車。為了Z大限度地減少電池重量并Z大限度地延長車輛的行駛里程，他們必須要將機(jī)器中每個點的摩擦降至Z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(shè)計節(jié)能軸承。1975年美國企業(yè)平均燃油經(jīng)濟(jì)性（CAFE）法規(guī)要求提高燃油效率標(biāo)準(zhǔn)，鐵姆肯公司的節(jié)油軸承在傳統(tǒng)和混合動力汽車設(shè)計中發(fā)揮了重要作用。
鐵姆肯公司的高級產(chǎn)品開發(fā)工程師Bob Sadinski曾與客戶就動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計展開直接合作，協(xié)助開發(fā)鐵姆肯公司的節(jié)油軸承 （ePDFE）。
他說道：“在鐵姆肯公司，我們一直關(guān)注軸承轉(zhuǎn)動過程中的摩擦情況和能量損失。為了進(jìn)一步提高軸承效率，我們需要了解整個系統(tǒng)，包括客戶的潤滑系統(tǒng)。”
了解流體的性質(zhì)
“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(yōu)化軸承潤滑劑組合，以實現(xiàn)Z高的效率，鐵姆肯公司團(tuán)隊需要將軸承技術(shù)與流變學(xué)研究結(jié)合起來。流變學(xué)是物理學(xué)中研究液體流動的一個分支。
Hannon說道：“當(dāng)我拿手沾上一些潤滑油時，我可摩擦手指進(jìn)行感受。我覺得它柔軟而輕盈。但在軸承內(nèi)，就完全不是這樣。當(dāng)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?yōu)楣腆w。”
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(fā)生奇怪的改變。更糟糕的是，石油化工在過去十年中發(fā)生了巨大變化。“以前只有少數(shù)幾種粘度調(diào)節(jié)劑，而現(xiàn)在有數(shù)百種之多。”Hannon說道。
要預(yù)測軸承效率，就要了解每種應(yīng)用中確切液體、潤滑油或潤滑脂的性質(zhì)。Hannon表示，在一個理想的環(huán)境中，應(yīng)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(shù)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(xué)院（Georgia Tech），位于法國里昂的法國國立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（INSA）以及現(xiàn)在的鐵姆肯公司。
一間可供科學(xué)家觀察潤滑脂的實驗室
Hannon表示，鐵姆肯公司的流變學(xué)實驗室所依據(jù)的理論是，讓公司能夠利用物理學(xué)原理來改進(jìn)扭矩預(yù)測模型。為檢驗這一理論，研發(fā)團(tuán)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(jié)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(yù)測。
“就在那一刻，我們決定進(jìn)行投資。”Hannon說道。如今，鐵姆肯公司的流變學(xué)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(tuán)隊還能測量潤滑劑對高剪切速率的反應(yīng)。
Hannon還表示，該實驗室還擁有一些非常實用的設(shè)備，包括：一臺傅里葉變換紅外光譜儀，可幫助我們的團(tuán)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(tuán)隊識別液體中對設(shè)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(shè)備”。
讓理論推動模型
使用這些設(shè)備，Hannon和Sadinski可以測量單個流體并使用數(shù)據(jù)建立新的數(shù)學(xué)模型，讓他們能夠預(yù)測多維空間內(nèi)無限范圍的條件。
“我們已經(jīng)回歸流體力學(xué)原理，因此是理論促成我們模型的建置。”Hannon說道。從原理層面研究事物讓我們的團(tuán)隊能夠預(yù)測摩擦，而不僅僅是測量摩擦。與此同時，他認(rèn)為：“借助流變學(xué)實驗室，我們將能更接近現(xiàn)實，減少假設(shè)，進(jìn)而便能讓我們的模擬更接近實際應(yīng)用條件。”
Evans說道：“這些新的測量技術(shù)讓我們能夠以前所未有的方式進(jìn)行潤滑油測量。我們將這些數(shù)據(jù)插入到數(shù)學(xué)模型中，然后便能幫助我們預(yù)測軸承中的流體在高壓和高剪切條件下的表現(xiàn)。這些信息使我們能夠更好地預(yù)測整體扭矩或功耗性能。”
從實驗室到客戶設(shè)計表
在研發(fā)團(tuán)隊將新的數(shù)學(xué)模型添加到鐵姆肯公司的SYBER系統(tǒng)后，世界各地的應(yīng)用工程師都可進(jìn)行更準(zhǔn)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(lián)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(xué)實驗室，我們確信可以做到這一點，所以現(xiàn)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(chǎn)品系列都將能受益于流變學(xué)實驗室。“它開啟了我們幫助客戶應(yīng)對整個系統(tǒng)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(rèn)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(tǒng)。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(xué)實驗室的新模型和數(shù)據(jù)，工程師可以更好地了解各個部分將如何協(xié)同工作，然后與客戶分享相關(guān)信息。
客戶很高興有機(jī)會能夠進(jìn)一步優(yōu)化他們的設(shè)計。Evans說道：“通過這些方法，我們在預(yù)測軸承性能時充滿信心，并且信心遠(yuǎn)勝從前。幾乎所有鐵姆肯公司設(shè)計的軸承和機(jī)械動力傳動產(chǎn)品都依靠潤滑來實現(xiàn)良好的表現(xiàn)。我們所做的一切幾乎都得益于這項工作。”
（來源：鐵姆肯公司）
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