幾年前，坐在 Ryan Evans 對(duì)面的汽車(chē)制造商客戶提出了一個(gè)很不尋常的要求。“他想知道我們?nèi)绾文軌驕?zhǔn)確預(yù)測(cè)我們的軸承在他們的應(yīng)用中的功耗。”Evans 說(shuō)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(cè)軟件不僅可以用來(lái)進(jìn)行軸承選型分析，還能用于估算扭矩和功耗，但對(duì)于該客戶的應(yīng)用，該客戶似乎想要獲得更可靠的預(yù)測(cè)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(shuō)道：“這要研究物質(zhì)（無(wú)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(shí)會(huì)發(fā)生怎樣的變化。”

      例如，某個(gè)圓錐滾子軸承中可能包含 15 個(gè)滾子，這些滾子就是接觸點(diǎn)。如需計(jì)算扭矩，您必須考慮所有這些不同的接觸點(diǎn)會(huì)如何響應(yīng)特定應(yīng)用的載荷和速度 。例如，材料是否會(huì)在這些接觸點(diǎn)下變彎曲，或者它們之間的潤(rùn)滑油是否會(huì)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(xiàng)讓人望而生畏的工作。”Evans 說(shuō)道。

      超越軸承談?shì)S承效率

      然而，類(lèi)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(shuō)道。從拖拉機(jī)到送貨卡車(chē)再到豪華轎車(chē)，各類(lèi)制造商都開(kāi)始轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)。為了最大限度地減少電池重量并最大限度地延長(zhǎng)車(chē)輛的行駛里程，他們必須要將機(jī)器中每個(gè)點(diǎn)的摩擦降至最低。

      軸承效率就是其中之一，而鐵姆肯公司幾十年前就開(kāi)始設(shè)計(jì)節(jié)能軸承。1975 年美國(guó)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(dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。

      鐵姆肯公司的高級(jí)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師 Bob Sadinski 曾與客戶就動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開(kāi)直接合作，協(xié)助開(kāi)發(fā)鐵姆肯公司的節(jié)油軸承 （ePDFE） 。

      他說(shuō)道：“在鐵姆肯公司，我們一直關(guān)注軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)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(gè)系統(tǒng)，包括客戶的潤(rùn)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(rùn)滑劑，但是這樣會(huì)帶來(lái)硬件上的問(wèn)題。”Sadinski 說(shuō)道。為了幫助客戶優(yōu)化軸承潤(rùn)滑劑組合，以實(shí)現(xiàn)最高的效率，鐵姆肯公司團(tuán)隊(duì)需要將軸承技術(shù)與流變學(xué)研究結(jié)合起來(lái)。流變學(xué)是物理學(xué)中研究液體流動(dòng)的一個(gè)分支。

      Hannon 說(shuō)道：“當(dāng)我拿手沾上一些潤(rùn)滑油時(shí)，我可摩擦手指進(jìn)行感受。我覺(jué)得它柔軟而輕盈。但在軸承內(nèi)，就完全不是這樣。當(dāng)滾動(dòng)體與滾道相遇時(shí)，接觸壓力非常大，油膜很薄，潤(rùn)滑油幾乎會(huì)變?yōu)楣腆w。”

      換句話說(shuō)，隨著接觸點(diǎn)的作用壓力、溫度和剪切速率增加到極端水平，潤(rùn)滑油的粘度或流動(dòng)阻力會(huì)發(fā)生奇怪的改變。更糟糕的是，石油化工在過(guò)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(shuō)道。

      要預(yù)測(cè)軸承效率，就要了解每種應(yīng)用中確切液體、潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂的性質(zhì)。Hannon 表示，在一個(gè)理想的環(huán)境中，應(yīng)用工程師能夠測(cè)量三千兆帕或每平方英寸435,000 磅壓力下的潤(rùn)滑劑性能。

      他說(shuō)道：“沒(méi)有人能做到這一點(diǎn)。世界上很少有實(shí)驗(yàn)室可以測(cè)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(rùn)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(gè)地方可以做到這一點(diǎn)。”Hannon 說(shuō)道，即：佐治亞理工學(xué)院 （Georgia Tech），位于法國(guó)里昂的法國(guó)國(guó)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(rùn)滑脂的實(shí)驗(yàn)室

      Hannon 表示，鐵姆肯公司的流變學(xué)實(shí)驗(yàn)室所依據(jù)的理論是，讓公司能夠利用物理學(xué)原理來(lái)改進(jìn)扭矩預(yù)測(cè)模型。為檢驗(yàn)這一理論，研發(fā)團(tuán)隊(duì)要求 Georgia Tech 的研究人員測(cè)量?jī)煞N油的粘度。隨后，鐵姆肯公司的研究人員將測(cè)量結(jié)果輸入到他們的模型中，事實(shí)證明他們確實(shí)可以做出更精確的軸承效率預(yù)測(cè)。

      “就在那一刻，我們決定進(jìn)行投資。”Hannon 說(shuō)道。如今，鐵姆肯公司的流變學(xué)實(shí)驗(yàn)室配備了兩臺(tái)落體粘度計(jì)，可在各種壓力和溫度下測(cè)量粘度和密度。借助庫(kù)艾特粘度計(jì)，我們的團(tuán)隊(duì)還能測(cè)量潤(rùn)滑劑對(duì)高剪切速率的反應(yīng)。

      Hannon 還表示，該實(shí)驗(yàn)室還擁有一些非常實(shí)用的設(shè)備，包括：一臺(tái)傅里葉變換紅外光譜儀，可幫助我們的團(tuán)隊(duì)識(shí)別未知流體；一臺(tái)能量色散 X 射線光譜儀，可幫助我們的團(tuán)隊(duì)識(shí)別液體中對(duì)設(shè)備有磨損的成分；一臺(tái)卡爾費(fèi)休滴定裝置，可檢測(cè)油中的水分；以及其他一些“讓我們能夠分析潤(rùn)滑脂的設(shè)備”。

      讓理論推動(dòng)模型

      使用這些設(shè)備，Hannon 和 Sadinski 可以測(cè)量單個(gè)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(cè)多維空間內(nèi)無(wú)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(shuō)道。從第一原理層面研究事物讓我們的團(tuán)隊(duì)能夠預(yù)測(cè)摩擦，而不僅僅是測(cè)量摩擦。與此同時(shí)，他認(rèn)為：“借助流變學(xué)實(shí)驗(yàn)室，我們將能更接近現(xiàn)實(shí)，減少假設(shè)，進(jìn)而便能讓我們的模擬更接近實(shí)際應(yīng)用條件。”

      Evans 說(shuō)道：“這些新的測(cè)量技術(shù)讓我們能夠以前所未有的方式進(jìn)行潤(rùn)滑油測(cè)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(cè)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(cè)整體扭矩或功耗性能。”

      從實(shí)驗(yàn)室到客戶設(shè)計(jì)表

      在研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室獲取信息和知識(shí)，然后再傳遞給客戶。”Evans 說(shuō)道。

      Hannon 和 Sadinski 一直與潤(rùn)滑劑制造商保持密切聯(lián)系，而潤(rùn)滑劑制造商對(duì)各種流體的接受程度越來(lái)越高。Hannon 說(shuō)道：“如此一來(lái)，日后或許能夠做到潤(rùn)滑劑與軸承配對(duì)使用。在流變學(xué)實(shí)驗(yàn)室，我們確信可以做到這一點(diǎn)，所以現(xiàn)在我們所有人都在為此努力，包括潤(rùn)滑劑制造商、軸承制造商和客戶。”