パワートレインの効率の予測：Timkenのレオロジーラボ

数年前、ライアン・エバンスは、異常な要求で顧客の向かいに座っていることに気づきました。 「彼は、アプリケーションでのベアリングの電力損失動作をどれだけ正確に予測できるかを知りたがっていました」と、現在ティムケン社のベアリング研究開発（R＆D）を行っているエバンスは言います。

アプリケーションエンジニアは、ティムケンのSYBERベアリング性能予測ソフトウェアを使用して、さまざまなベアリングの選択をモデル化します。 SYBERはトルクと電力損失の見積もりを提供しますが、この顧客は、アプリケーションに適用されたため、その予測に別のレベルの信頼性を求めているようでした。

ベアリングの電力損失の科学は、流体力学から固体力学、熱力学、熱伝達まで、多くの分野をカバーしています。 ティムケンの製品ファンダメンタルズサイエンティストであるビルハノンは、次のように述べています。

たとえば、単一の円すいころ軸受のリングには15個のローラーがあり、さまざまな接触点を表しています。 トルクを計算するには、これらのさまざまな接触点すべてが特定のアプリケーションの負荷と速度にどのように応答する可能性があるかを考慮する必要があります。たとえば、材料がそれらの点の下で曲がるかどうか、またはそれらの間のオイルがせん断。

「ベアリングの総出力損失またはトルク性能を与える方法でこれらすべてを合計すると、気が遠くなる可能性があります」とEvans氏は言います。

ベアリングを超えたベアリング効率の採用

それにもかかわらず、同様の顧客の要求が来続けました。 「燃料効率を改善するようにお客様に圧力がかかっています」とEvansは言います。 トラクターから配送トラック、高級車まで、幅広い業界のメーカーが次のような動きに対応しています。電気自動車。 これらの車両のバッテリー重量を最小限に抑え、航続距離を最大化するために、マシンのすべてのポイントで摩擦を最小限に抑えるように圧力がかかっています。

ベアリング効率はそれらのポイントの1つですが、ティムケンが何十年も燃料効率の高いベアリングを設計していないわけではありません。 同社のパワーデンスで燃料効率の高いベアリングは、1975年に企業平均燃費（CAFE）規制が燃費目標を引き上げ始めて以来、従来型およびハイブリッド車の設計において役割を果たしてきました。

Timkenのシニア製品開発エンジニアであるBobSadinskiは、電動パワートレインの設計について顧客と直接協力し、Timkenの開発を支援してきました。電力密度が高く、燃料効率が良い（ePDFE）円すいころ軸受。

「ティムケンでは、ベアリングの回転に伴う摩擦とエネルギーの損失を常に懸念してきました」と彼は言います。 「ベアリング効率をさらに高めるには、お客様が潤滑に使用しているものを含め、システム全体を理解する必要がありました。

流体の性質を理解する

「顧客は、より軽く、より粘度の低い液体で走ることを望んでいます。そうすると、ハードウェアに影響があります」とSadinski氏は言います。 顧客がベアリングと潤滑油の組み合わせを最適化して究極の効率を実現できるように、ティムケンチームは、ベアリング技術と、液体の流れを扱う物理学の分野であるレオロジーの研究を組み合わせる必要がありました。

「オイルを手に取って手に持つと、指の間でスライドさせることができます。柔らかく優雅です」とハノンは言います。 「しかし、ベアリングの内部では、それは起こりません。転動体が軌道面に接触すると、接触圧力が大きくなり、油膜が薄くなり、油がほぼ固まります。」

言い換えると、接触点の適用圧力、温度、およびせん断速度が極端なレベルに上昇すると、オイルの粘度または流れに対する抵抗が奇妙な方法で変化する可能性があります。 さらに複雑なことに、石油化学は過去10年間で劇的に変化しました。 「以前は一握りの粘度調整剤がありましたが、今では数百になります」とハノンは言います。

ベアリング効率の予測には、各アプリケーションでの正確な液体、オイル、またはグリースの性質を理解することが含まれます。 理想的な世界では、アプリケーションエンジニアは、3ギガパスカル、つまり1平方インチあたり435,000ポンドで潤滑剤の挙動を測定できるとハノン氏は言います。

「誰もそれをすることはできません」と彼は言います。 「世界で1ギガパスカル以上を測定できる研究所はほとんどありません。」

さらに、エンジニアは、塗布圧力、温度、せん断によってオイルの粘度がどのように変化するかを理解する必要があると彼は言います。 「それができるのは世界で3か所だけです」とハノンは言います。ジョージア工科大学（Georgia Tech）、フランスのリヨンにある国立応用化学院リケ（INSA）、そして現在はティムケンです。

科学者がグリースを見ることができる実験室

ティムケンのレオロジーラボは、同社が物理学の原理を使用してトルク予測モデルを改善できるという理論から始まったとハノン氏は言います。 その理論をテストするために、チームはジョージア工科大学の研究者に2つのオイルの粘度を測定するように依頼しました。 次に、ティムケンの研究者は、これらの測定値をモデルにプラグインし、実際にはるかに正確なベアリング効率の予測を行うことができることを発見しました。

「それが私たちが投資することを決めたときです」とハノンは言います。 現在、ティムケンのレオロジーラボには、さまざまな圧力と温度で粘度と密度を測定する2つの落下体粘度計があります。 クエット粘度計を使用すると、チームは高せん断速度に対する潤滑剤の応答も測定できます。

ラボはまた、チームが未知の流体を識別するのに役立つフーリエ変換赤外分光計を誇っています。エネルギー分散型X線分光計。これは、流体に含まれる可能性のある摩耗成分を示します。油中の水分を検出できるカールフィッシャー滴定装置。ハノンによれば、他のいくつかの「グリースを打ち負かすことができる装置」。

理論にモデルを動かさせる

その装置を使用して、ハノンとサディンスキーは個々の流体を測定し、そのデータを使用して、多次元空間内の無限の範囲の状態を予測できる新しい数学モデルを構築できます。

「私たちはそれを流体力学の原理に戻したので、理論が私たちのモデルを動かします」とハノンは言います。 第一原理レベルで物事を研究することで、チームは摩擦を測定するだけでなく、摩擦を予測することができます。 同時に、「レオロジーラボは私たちを現実に一歩近づけ、仮定の数を減らして、実際のアプリケーション条件の模倣に近づけるようにします」と彼は言います。

「これらの新しい測定技術により、これまで不可能だった方法でオイルを測定することができます」とエバンス氏は言います。 「これらのデータを数学モデルにプラグインすることで、ベアリング内の高圧およびせん断条件下で流体がどのように動作するかを予測できます。その情報により、全体的なトルクまたは電力損失のパフォーマンスの予測を鋭くすることができます。」

ラボから顧客の設計テーブルまで

R＆Dチームが新しい数学モデルをTimkenのSYBERシステムに追加すると、世界中のアプリケーションエンジニアがより正確な電力損失の見積もりにアクセスできるようになります。 「SYBERは、ラボからお客様の手に情報と知識を提供するのに役立ちます」とEvans氏は言います。

ハノンとサディンスキーは、より幅広い流体への扉をますます開いている潤滑油メーカーと緊密に連絡を取り合っています。 「これの将来は、潤滑剤とベアリングを組み合わせることができるようになることです」とハノンは言います。 「レオロジーラボでは、その適合性を確認できるため、現在、潤滑油メーカー、ベアリングメーカー、および顧客という1つのチームとして協力しています。」

Sadinskiは、レオロジーラボの利点は、ティムケンの全製品ラインに及ぶと指摘しています。動力伝達製品。 「これにより、ベアリングソリューションだけでなく、システム全体でお客様を支援する能力が開かれます。」

ハノンは同意します。 「10年前、顧客はベアリングを購入していました」と彼は言います。 「今日、彼らはシステムを購入したいと思っています。彼らは知りたがっています、「あなたのベアリングはこの潤滑剤、このシール、このギアでどのように機能しますか？」 レオロジーラボからの新しいモデルとデータにより、エンジニアはすべてがどのように連携するかをよりよく理解し、それを顧客と共有することができます。

お客様は、設計をさらに最適化する機会を高く評価しています。 「これらのアプローチにより、これまで以上に自信を持ってベアリングの性能を予測することができます」とエバンスは言います。 「ティムケンの設計されたベアリングと機械式動力伝達製品のほとんどすべては、良好に機能するために潤滑に依存しています。ここで行うほとんどすべてのことが、この作業の恩恵を受けています。」

Published: 2021/02/25