Con su nuevo laboratorio de reología, Timken es pionero en la eficiencia de los trenes de potencia de avanzada

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Con su nuevo laboratorio de reología, Timken es pionero en la eficiencia de los trenes de potencia de avanzada

Hace algunos años, Ryan Evans se encontró con un cliente del sector de fabricación de automóviles que tenía una petición inusual. “Quería saber con qué precisión podíamos predecir la pérdida de potencia de nuestros rodamientos en su aplicación”, recuerda Evans, que actualmente está a cargo del equipo de Investigación y Desarrollo (R&D, por sus siglas en inglés) en The Timken Company.

SYBER, el software de predicción de rendimiento de los rodamientos de Timken, es la herramienta que utilizan los ingenieros de aplicaciones de la empresa para modelar diferentes selecciones de rodamientos, e incluye la capacidad de calcular la pérdida de potencia y torque, pero este cliente pedía otro nivel de confiabilidad en esa predicción, ya que debía ser específica de su aplicación.

La ciencia de la pérdida de potencia de los rodamientos abarca muchos aspectos: desde la mecánica de fluidos hasta la mecánica de sólidos, la termodinámica y la transferencia térmica. “Incluye el estudio de cómo las propiedades de la materia, sea líquido o acero, cambian cuando se somete a la física de presiones, velocidades y temperaturas elevadas en contactos tribológicos”, sostiene Bill Hannon, Científico de Principios Básicos de Productos en Timken.

Un rodamiento de rodillos cónicos, por ejemplo, puede tener 15 rodillos recubiertos de anillos, lo que representa muchos puntos de contacto diferentes. Para calcular el torque, es necesario tener en cuenta cuál es la forma más probable de que todos esos puntos de contacto diferentes respondan a las cargas y a la velocidad de una aplicación específica: por ejemplo, si el material podría flexionarse en esos puntos o si están compartiendo el aceite.

“Sumar todo eso para determinar la pérdida total de potencia o torque de un rodamiento puede ser un desafío”, asegura Evans.

La eficiencia del rodamiento más allá del rodamiento

No obstante, siguieron llegando peticiones similares de otros clientes. “Los clientes tienen la presión de mejorar la eficiencia del combustible”, afirma Evans. La respuesta de muchos fabricantes de una amplia gama de industrias —desde tractores hasta camiones de reparto y automóviles de lujo— es cambiar a vehículos eléctricos. Para minimizar el peso de la batería y maximizar el rango en esos vehículos, se ven obligados a reducir la fricción en cada uno de los puntos de una máquina.

La eficiencia de los rodamientos es uno de esos puntos, pero eso no significa que Timken no haya estado diseñando rodamientos con menor consumo de combustible durante décadas. Los rodamientos con mayor densidad de potencia y menos consumo de combustible de la empresa han jugado un papel en el diseño de vehículos convencionales e híbridos desde que las regulaciones del Estándar Empresarial de Promedio de Ahorro de Combustible (CAFE, por sus siglas en inglés) comenzaron a subir los objetivos de eficiencia de combustible en 1975.

Bob Sadinski, Ingeniero Sénior de Desarrollo de Productos en Timken, ha trabajado de forma directa con los clientes para diseñar trenes de potencia eléctricos, lo que ayudó a desarrollar los rodamientos de rodillos cónicos eléctricos con mayor densidad de potencia y menor consumo de combustible (ePDFE, por sus siglas en inglés) de Timken.

“En Timken, siempre nos ha preocupado la fricción y la pérdida de energía que supone el movimiento de nuestros rodamientos”, sostiene. “Para aumentar aún más la eficiencia del rodamiento, debemos comprender la totalidad del sistema, incluso lo que nuestros clientes utilizan para la lubricación”.

La importancia de comprender la naturaleza de los fluidos

“Los clientes quieren utilizar fluidos más livianos y de menor viscosidad, y eso tiene consecuencias para el hardware”, explica Sadinski. Para ayudar a los clientes a optimizar las combinaciones de rodamiento y lubricante a fin de obtener una eficiencia óptima, el equipo Timken tuvo que unir la tecnología de rodamientos con el estudio de la reología, la rama de la física que analiza el flujo de los líquidos.

“Cuando tomo un poco de aceite con la mano, se desliza entre mis dedos. Es suave y refinado”, indica Hannon. “Pero dentro de un rodamiento, no sucede lo mismo. Cuando los elementos rodantes se encuentran con la pista de rodadura, la presión del contacto es enorme y la película de aceite es fina y, como resultado, el aceite se vuelve casi sólido”.

En otras palabras, la viscosidad del aceite o la resistencia al flujo pueden cambiar de formas extrañas a medida que la presión, la temperatura y el cizallamiento en los puntos de contacto aumentan a niveles extremos. Para complicar aún más la situación, la química del aceite ha cambiado drásticamente en la última década. “Antes había un puñado de modificadores de la viscosidad, ahora hay cientos”, sostiene Hannon.

La predicción de la eficiencia del rodamiento implica comprender la naturaleza del líquido, el aceite o la grasa exactos de cada aplicación. Hannon afirma que en un mundo ideal, los ingenieros de aplicaciones deberían poder medir el comportamiento del lubricante a tres gigapascales, o 435.000 libras por pulgada cuadrada.

“Nadie puede hacer eso”, sostiene. “Muy pocos laboratorios en el mundo pueden medir por encima de un gigapascal”.

Además, Hannon explica que los ingenieros deben comprender cómo cambia la viscosidad con la presión, la temperatura y el cizallamiento de la aplicación. “Solo conocemos tres lugares en todo el mundo donde lo logran”, indica Hannon: el Instituto Tecnológico de Georgia (Georgia Tech), el Institut National des Sciences Appliquées (INSA) en Lyon, Francia, y ahora Timken.

Un laboratorio donde los científicos pueden analizar la grasa

Hannon recuerda que el laboratorio de reología de Timken comenzó con la teoría de que la empresa podía utilizar los principios de la física para mejorar su modelo de predicción de torque. Para probar esa teoría, el equipo le pidió a los investigadores de Georgia Tech que midiesen la viscosidad de dos aceites. Luego, los investigadores de Timken incorporaron esas mediciones a sus modelos y descubrieron que podían, en efecto, hacer predicciones mucho más precisas sobre la eficiencia de los rodamientos.

“Así nos decidimos a invertir”, afirma Hannon. Actualmente, el laboratorio de reología de Timken cuenta con dos viscosímetros de caída de bola, que miden la viscosidad y la densidad con diversas presiones y temperaturas. Además, un viscosímetro Couette le permite al equipo medir las respuestas del lubricante ante índices altos de cizallamiento.

El laboratorio también dispone de un espectrómetro de infrarrojos por transformada de Fourier, que ayuda al equipo a identificar fluidos desconocidos; un espectrómetro de rayos X de energía dispersiva, que les indica los componentes de desgaste que podría contener el fluido; una unidad de titulación de Karl Fischer, que puede detectar agua en aceite; y otros “dispositivos que nos ayudan a darle una paliza a la grasa”, según Hannon.

La teoría guía los modelos

Con ese equipo, Hannon y Sadinski pueden medir fluidos individuales y utilizar esos datos para construir nuevos modelos matemáticos que permiten predecir una variedad infinita de condiciones dentro de un espacio multidimensional.

“Hemos regresado a los principios de la mecánica de fluidos, de modo que la teoría guía nuestros modelos”, sostiene Hannon. Comenzar por los principios al llevar a cabo un estudio le permite al equipo predecir la fricción, en lugar de tan solo medirla. Al mismo tiempo, agrega, “el laboratorio de reología nos acerca un poco más a la realidad, porque reduce la cantidad de suposiciones para que podamos reproducir lo más fielmente posible las condiciones reales de la aplicación”.

“Estas nuevas técnicas de medición nos permiten medir los aceites de formas que nunca antes habían sido posibles”, asevera Evans. “Incorporamos estos datos en modelos matemáticos que nos ayudan a predecir cómo se comportará un fluido con niveles altos de presión y cizallamiento en un rodamiento. La información nos permite agudizar nuestras predicciones sobre la pérdida total de potencia o torque”.

Del laboratorio a la mesa de diseño del cliente

A medida que el equipo de R&D agrega nuevos modelos matemáticos al sistema SYBER de Timken, los ingenieros de aplicaciones alrededor del mundo logran acceder a cálculos de pérdida de potencia más precisos. “SYBER nos ayuda a llevar la información y el conocimiento del laboratorio a las manos del cliente”, sostiene Evans.

Hannon y Sadinski mantienen un estrecho contacto con los fabricantes de lubricantes, que están aceptando una variedad cada vez más amplia de fluidos. “En el futuro, esto permitirá combinar el lubricante con el rodamiento”, explica Hannon. “En el laboratorio de reología, podemos confirmar si esa combinación funciona, así que trabajamos todos juntos como un equipo: el fabricante de lubricantes, el fabricante de rodamientos y el cliente”.

Sadinski señala que los beneficios del laboratorio de reología se extienden a toda la línea de productos de transmisión de potencia de Timken. “Amplía nuestra capacidad para ayudar a los clientes con la totalidad del sistema, no solo con sus rodamientos”.

Hannon está de acuerdo. “Hace diez años, los clientes compraban un rodamiento”, explica. “Hoy en día, quieren comprar un sistema. Quieren saber: ‘¿Cómo funciona su rodamiento con este lubricante, este sello, este engranaje?’”. Con nuevos modelos y datos del laboratorio de reología, los ingenieros pueden comprender mejor cómo trabajan juntos todos los componentes y compartirlo con el cliente.

Los clientes valoran la oportunidad de continuar optimizando sus diseños. “Con estas estrategias, podemos predecir el rendimiento del rodamiento con más confiabilidad que nunca”, afirma Evans. “Casi todos los rodamientos de ingeniería y los productos de transmisión de potencia mecánica de Timken dependen de la lubricación para funcionar bien. Prácticamente todo lo que hacemos aquí se beneficia con este trabajo”.