동력 전달 장치 효율성 예측 : 팀켄의 유변학 연구소

몇 년 전 Ryan Evans는 비정상적인 요청으로 고객 맞은 편에 앉아있었습니다. Timken Company의 베어링 연구 및 개발 (R & D)을 현재 운영하고있는 Evans는“그는 적용 분야에서 베어링의 전력 손실 동작을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는지 알고 싶었습니다.

애플리케이션 엔지니어는 팀켄의 SYBER 베어링 성능 예측 소프트웨어를 사용하여 다양한 베어링 선택을 모델링합니다. SYBER은 토크 및 전력 손실에 대한 추정치를 제공하지만이 고객은 자신의 애플리케이션에 적용 할 때 해당 예측에 대해 다른 수준의 신뢰를 요구하는 것처럼 보였습니다.

베어링 동력 손실의 과학은 유체 역학에서 고체 역학, 열역학 및 열 전달에 이르기까지 많은 분야를 다룹니다. 팀켄의 제품 기초 과학자 인 Bill Hannon은“강철이든 액체이든 물질의 특성이 마찰 접촉에서 고압, 속도 및 온도의 물리학을받을 때 어떻게 변화하는지에 대한 연구를 포함합니다.

예를 들어, 단일 테이퍼 롤러 베어링에는 다양한 접점을 나타내는 15 개의 롤러가 링에 싸여있을 수 있습니다. 토크를 계산하려면 이러한 모든 접점이 특정 응용 분야의 부하 및 속도에 어떻게 반응 할 가능성이 있는지 고려해야합니다. 예를 들어 재료가 해당 지점 아래에서 구부러 질 수 있는지 또는 그 사이의 오일이 전단.

“베어링의 총 동력 손실 또는 토크 성능을 제공하는 방식으로 모든 것을 추가하는 것은 어려울 수 있습니다.”라고 Evans는 말합니다.

베어링 이상의 베어링 효율성

그럼에도 불구하고 유사한 고객 요청이 계속 발생했습니다. Evans는“연비를 개선해야하는 고객 부담이 있습니다. 트랙터에서 배달 트럭, 고급차에 이르기까지 다양한 산업 분야의 제조업체들이 전기 자동차 . 배터리 무게를 최소화하고 차량의 주행 거리를 최대화하기 위해 기계의 모든 지점에서 마찰을 최소화하라는 압력을 받고 있습니다.

베어링 효율은 그 중 하나이지만 팀켄이 수십 년 동안 연료 효율적인 베어링을 설계하지 않은 것과는 다릅니다. 1975 년 CAFE (Corporate Average Fuel Economy) 규정이 연비 목표를 높이기 시작한 이래로 회사의 동력 밀도, 연비 효율이 높은 베어링은 기존 및 하이브리드 차량 설계에 중요한 역할을했습니다.

팀켄의 수석 제품 개발 엔지니어 인 Bob Sadinski는 전력 열차 설계에 대해 고객과 직접 협력하여 팀켄의 전력 밀도, 연비 (ePDFE) 테이퍼 롤러 베어링.

“팀켄에서 우리는 베어링 회전에 들어가는 마찰과 에너지 손실에 대해 항상 염려 해 왔습니다.”라고 그는 말합니다. “베어링 효율성을 더욱 높이려면 고객이 윤활에 사용하는 것을 포함하여 전체 시스템을 이해해야했습니다.

유체의 특성 이해

“고객은 더 가볍고 점도가 낮은 유체로 실행하기를 원하며, 그렇게하면 하드웨어 결과가 발생합니다.”라고 Sadinski는 말합니다. 고객이 최고의 효율성을 위해 베어링-윤활제 조합을 최적화 할 수 있도록 팀켄 팀은 액체 흐름을 다루는 물리학 분야 인 유변학 연구와 베어링 기술을 결합해야했습니다.

“오일을 집어 손에 잡으면 손가락 사이로 밀어 넣을 수 있습니다. 부드럽고 우아합니다.”라고 Hannon은 말합니다. “그러나 베어링 내부에서는 그렇게되지 않습니다. 전동 체가 궤도를 만나면 접촉 압력이 크고 유막이 얇아지면 기름이 거의 단단해집니다.”

즉, 접촉점의 적용 압력, 온도 및 전단 속도가 극도로 증가함에 따라 오일 점도 또는 흐름 저항이 이상하게 변할 수 있습니다. 문제를 복잡하게 만들기 위해 지난 10 년 동안 석유 화학은 극적으로 변했습니다. Hannon은“예전에는 소수의 점도 조절 제가 있었지만 이제는 수백 개가 있습니다.

베어링 효율을 예측하려면 각 응용 분야에서 정확한 액체, 오일 또는 그리스의 특성을 이해해야합니다. 이상적인 세상에서 응용 엔지니어는 3 기가 파스칼 (평방 인치당 435,000 파운드)에서 윤활유 거동을 측정 할 수있을 것이라고 Hannon은 말합니다.

“아무도 그렇게 할 수 없습니다.”라고 그는 말합니다. “세계에서 1 기가 파스칼 이상을 측정 할 수있는 실험실은 거의 없습니다.”

또한 엔지니어는 적용 압력, 온도 및 전단에 따라 오일 점도가 어떻게 변하는 지 이해해야합니다. Hannon : 프랑스 리옹의 조지아 공과 대학 (Georgia Tech), Institut National des Sciences Appliquées (INSA), 그리고 지금은 Timken이이를 수행 할 수있는 곳은 전 세계 세 곳뿐입니다.

과학자들이 기름을 볼 수있는 실험실

팀켄의 유변학 연구실은 토크 예측 모델을 개선하기 위해 물리학 원리를 사용할 수 있다는 이론으로 시작했다고 Hannon은 말합니다. 이 이론을 테스트하기 위해 연구팀은 Georgia Tech의 연구원들에게 두 가지 오일의 점도를 측정하도록 요청했습니다. 그런 다음 팀켄 연구원들은 이러한 측정 값을 모델에 연결하고 실제로 훨씬 더 정확한 베어링 효율 예측을 할 수 있음을 발견했습니다.

Hannon은“그때 우리가 투자하기로 결정했습니다. 오늘날 팀켄의 유변학 연구실에는 다양한 압력과 온도에서 점도와 밀도를 측정하는 두 개의 낙하 체 점도계가 있습니다. Couette 점도계를 통해 팀은 높은 전단 속도에 대한 윤활제 반응도 측정 할 수 있습니다.

연구실은 또한 팀이 알려지지 않은 유체를 식별하는 데 도움이되는 푸리에 변환 적외선 분광기를 자랑합니다. 유체에 어떤 마모 성분이 있는지 알려주는 에너지 분산 형 X- 선 분광기; 기름 속의 물을 감지 할 수있는 Karl Fischer 적정 장치; Hannon에 따르면“기름을 제거 할 수있는 장치”도 있습니다.

이론이 모델을 주도하게 함

이 장비를 사용하여 Hannon과 Sadinski는 개별 유체를 측정하고 데이터를 사용하여 다차원 공간 내에서 무한한 범위의 조건을 예측할 수있는 새로운 수학적 모델을 구축 할 수 있습니다.

Hannon은“유체 역학의 원리로 되돌려 이론이 모델을이 끕니다. 첫 번째 원칙 수준에서 사물을 연구하면 팀이 마찰을 측정하는 것이 아니라 예측할 수 있습니다. 동시에 그는 “유변학 연구실은 우리를 현실에 한 걸음 더 가까이 다가 가서 실제 적용 조건을 모방하는 데 더 가까워 지도록 가정 수를 줄였습니다.”라고 말합니다.

“이러한 새로운 측정 기술을 통해 이전에는 불가능했던 방식으로 오일을 측정 할 수 있습니다.”라고 Evans는 말합니다. “우리는 이러한 데이터를 수학적 모델에 연결하여 유체가 베어링의 고압 및 전단 조건에서 어떻게 작용할지 예측할 수 있습니다. 이 정보를 통해 전체 토크 또는 전력 손실 성능에 대한 예측을 더욱 선명하게 할 수 있습니다. ”

실험실에서 고객 설계 테이블까지

R & D 팀이 팀켄의 SYBER 시스템에 새로운 수학적 모델을 추가함에 따라 전 세계 애플리케이션 엔지니어는보다 정확한 전력 손실 추정치를 얻을 수 있습니다. “SYBER은 정보와 지식을 실험실에서 고객의 손에 전달하는 데 도움이됩니다.”라고 Evans는 말합니다.

Hannon과 Sadinski는 점점 더 다양한 유체에 대한 문을 열고있는 윤활유 제조업체와 긴밀한 관계를 유지하고 있습니다. Hannon은“이것의 미래는 윤활유와 베어링을 결합 할 수있는 것입니다. “유변학 연구실에서 그 적합성을 확인할 수 있으므로 이제 우리는 모두 윤활유 제조업체, 베어링 제조업체 및 고객이라는 하나의 팀으로 협력하고 있습니다.”

Sadinski는 유변학 실험실의 이점이 팀켄의 동력 전달 제품 . “베어링 솔루션뿐만 아니라 전체 시스템으로 고객을 도울 수있는 우리의 능력을 열어줍니다.”

Hannon이 동의합니다. “10 년 전에는 고객이 베어링을 구매했습니다.”라고 그는 말합니다. “오늘날 그들은 시스템을 사고 싶어합니다. 그들은 ‘당신의 베어링이이 윤활유,이 씰,이 기어와 어떻게 작동합니까?’ 유변학 연구실의 새로운 모델과 데이터를 통해 엔지니어는 모든 것이 함께 작동하는 방식을 더 잘 이해하고이를 고객과 공유 할 수 있습니다.

고객은 설계를 더욱 최적화 할 수있는 기회를 높이 평가합니다. Evans는“이러한 접근 방식을 사용하면 그 어느 때보 다 확실하게 베어링 성능을 예측할 수 있습니다. “팀켄의 거의 모든 엔지니어링 베어링과 기계식 동력 전달 제품은 우수한 성능을 발휘하기 위해 윤활에 의존합니다. 여기서 우리가하는 거의 모든 것이이 작업의 혜택을받습니다.”

Published: 2021/02/25