Avec son nouveau laboratoire de rhéologie, Timken devient la pionnière de l’efficacité des groupes moto-propulseurs de nouvelle génération

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Avec son nouveau laboratoire de rhéologie, Timken devient la pionnière de l’efficacité des groupes moto-propulseurs de nouvelle génération

Il y a quelques années, Ryan Evans s’est retrouvé face à une demande inhabituelle de la part d’un de ses clients, un constructeur automobile. « Il voulait savoir avec quelle précision nous pouvions prédire le comportement de perte de puissance de nos roulements dans leur application », déclare M. Evans, qui dirige actuellement la recherche-développement (R-D) sur les roulements de The Timken Company.

Le logiciel de prédiction de performance des roulements SYBER de Timken est utilisé par les ingénieurs d’application de la société pour modéliser différentes sélections de roulement, et permet d’estimer la perte de couple et de puissance. Mais ce client semblait demander un autre niveau de confiance pour cette prédiction pour son application.

La science de la perte de puissance des roulements couvre de nombreuses disciplines : de la mécanique des fluides à la mécanique des solides, en passant par la thermodynamique et le transfert de chaleur. « Elle comprend l’étude des propriétés de la matière, qu’il s’agisse d’acier ou d’un liquide, qui changent lorsqu’elles sont soumises à des pressions, vitesses et températures élevées dans des contacts tribologiques », indique Bill Hannon, chercheur en science fondamentale des produits chez Timken.

Par exemple, un seul roulement à rouleaux coniques peut compter 15 rouleaux logés dans ses bagues, représentant ainsi de nombreux points de contact. Pour calculer le couple, vous devez tenir compte de la façon dont tous ces points de contact sont susceptibles de répondre aux charges et vitesses d’une application donnée, à savoir si ces matériaux peuvent être flexibles sous ces points, par exemple, ou si l’huile située entre eux est cisaillée.

« Calculer tous ces facteurs de façon à obtenir la perte totale de couple ou la performance du couple d’un roulement peut être intimidant », explique M. Evans.

Pousser l’efficacité des roulements au-delà des roulements

Néanmoins, des demandes similaires de la part des clients ne cessaient d’arriver. « Nos clients sont exposés à une pression poussant à l’amélioration de la consommation de carburant », dit M. Evans. Dans une grande gamme de secteurs – des tracteurs aux camions de livraison en passant par les voitures de luxe – les constructeurs y répondent en passant aux véhicules électriques. Pour réduire le poids de la batterie et maximiser l’autonomie de ces véhicules, ils sont une fois encore soumis à une pression visant à réduire la friction dans tous les points de la machine.

L’efficacité énergétique des roulements est un de ces points, ce qui n’est pas un problème pour une société comme Timken, qui conçoit des roulements économiques depuis des dizaines d’années. Les roulements à forte puissance et rendement énergétique de la société jouent un rôle dans la conception des véhicules conventionnels et hybrides depuis que la réglementation Corporate Average Fuel Economy (CAFE) a commencé à baisser les cibles de consommation de carburant en 1975.

Bob Sadinski, ingénieur du développement produit senior chez Timken, a travaillé directement avec les clients sur des conceptions de groupes moto-propulseurs électriques, contribuant ainsi au développement des roulements à rouleaux coniques électriques à forte puissance et rendement énergétique (ePDFE) de Timken.

« Chez Timken, nous nous sommes toujours inquiétés de la friction et de la perte d’énergie qui se passe lorsque nos roulements tournent », indique-t-il. « Pour pousser l’efficacité des roulements encore plus loin, il nous fallait comprendre le système dans son intégralité, y compris ce que nos clients utilisent pour la lubrification. »

Comprendre la nature des fluides

« Les clients souhaitent un fonctionnement avec des fluides plus légers et à plus faible viscosité, et cela a des conséquences sur le matériel », confie M. Sadinski. Pour aider les clients à optimiser les combinaisons roulement-lubrifiant afin d’atteindre une efficacité ultime, il fallait que l’équipe Timken marie la technologie des roulements à l’étude de la rhéologie, la branche de la physique qui s’intéresse à l’écoulement des liquides.

« Lorsque je saisis de l’huile et que je la tiens dans ma main, je peux la faire glisser entre mes doigts. C’est doux et gracieux », explique M. Hannon. « Mais à l’intérieur d’un roulement, ce n’est pas ce qui se passe. Lorsque les éléments roulants rencontrent le chemin de roulement, la pression de contact est énorme, et la pellicule d’huile est fine, l’huile devient alors presque solide. »

En d’autres termes, la viscosité ou la résistance de l’huile à l’écoulement peut changer de façon étrange à mesure que la pression, la température et la vitesse de cisaillement de l’application aux points de contact augmentent jusqu’à des niveaux extrêmes. Pour compliquer les choses, la composition chimique de l’huile a considérablement changé au cours de la dernière décennie. « Avant, il y avait une poignée de modificateurs de viscosité, désormais il y en a des centaines », dit M. Hannon.

Prédire l’efficacité des roulements implique de comprendre la nature du liquide, de l’huile ou de la graisse dans chaque application. Dans un monde idéal, dit M. Hannon, les ingénieurs d’application seraient en mesure de mesurer le comportement des lubrifiants à 3 gigapascals, soit 435 000 livres par pouce carré.

« Personne n’est en mesure de faire cela », dit-il. « Très peu de laboratoires dans le monde sont capables de prendre des mesures au-delà d’un gigapascal. »

De plus, ajoute-t-il, les ingénieurs doivent comprendre comment la viscosité de l’huile change en fonction de la pression, de la température et du cisaillement de l’application. « Nous ne connaissons que trois endroits au monde qui en sont capables », dit M. Hannon : le Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), l’Institut National des Sciences Appliquées (INSA) à Lyon (France) et désormais Timken.

Un laboratoire dans lequel les chercheurs peuvent voir dans la graisse

« Le laboratoire de rhéologie de Timken a démarré sur une théorie », dit M. Hannon, « que la société pourrait utiliser les principes de la physique pour améliorer les modèles de prédiction du couple. » Pour tester cette théorie, l’équipe a demandé aux chercheurs de Georgia Tech de mesurer la viscosité de deux huiles. Les chercheurs de Timken ont ensuite utilisé ces mesures dans leurs modèles et se sont rendu compte qu’ils étaient en effet capables de faire des prédictions d’efficacité des roulements beaucoup plus précises.

« C’est à ce moment-là que nous avons décidé d’investir », dit M. Hannon. Aujourd’hui, le laboratoire de rhéologie de Timken abrite deux viscosimètres, qui mesurent la viscosité et la densité à différentes pressions et températures. Un viscosimètre Couette permet également à l’équipe de mesurer les réactions du lubrifiant à haute vitesse de cisaillement.

Le laboratoire dispose également d’un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier, qui permet à l’équipe d’identifier les liquides inconnus ; d’un spectromètre à rayons X à dispersion énergétique, qui leur indique quels composants d’usure peuvent se trouver dans le liquide ; d’une unité de titrage Karl Fischer, qui peut détecter de l’eau dans l’huile ; et de quelques autres dispositifs qui nous permettent de battre la graisse » selon M. Hannon.

Laisser la théorie animer les modèles

À l’aide de cet équipement, MM. Hannon et Sadinski peuvent mesurer chacun des fluides et utiliser ces données pour construire de nouveaux modèles mathématiques qui leur permettent de prédire une plage infinie de conditions dans un espace multidimensionnel.

« Nous en sommes revenus aux principes de la mécanique des fluides, c’est donc cette théorie qui anime nos modèles », explique M. Hannon. Étudier des choses au niveau des principes premiers permet à l’équipe de prédire la friction plutôt que de se contenter à mesurer. En même temps, dit-il, « le laboratoire de rhéologie nous permet de faire un pas de plus vers la réalité, réduisant ainsi le nombre d’hypothèses afin de pouvoir reproduire au plus près les conditions réelles de l’application. »

« Ces nouvelles techniques de mesure nous permettent de mesurer les huiles de façons dont nous n’étions pas capables auparavant », confie M. Evans. « Nous mettons ces données dans des modèles mathématiques qui nous aident à prédire le comportement d’un liquide dans un roulement dans des conditions de pression et de cisaillement élevées. Ces informations nous permettent d’affiner nos prédictions de couple total ou de performance en cas de perte de puissance. »

Du laboratoire jusqu’à la table à dessin du client

Alors que l’équipe R-D ajoute les nouveaux modèles mathématiques dans le système SYBER de Timken, les ingénieurs d’application du monde entier ont accès à des estimations plus précises sur la perte de puissance. « SYBER nous aide à disséminer les informations et les connaissances issues du laboratoire auprès de nos clients », explique M. Evans.

MM. Hannon et Sadinski restent en contact étroit avec les fabricants de lubrifiants, qui ouvrent de plus en plus la porte à une plus grande gamme de fluides. « À l’avenir, ce que nous voulons être en mesure de faire, c’est d’apparier votre lubrifiant à votre roulement », dit M. Hannon. « Dans le laboratoire de rhéologie, nous pouvons confirmer cette adéquation, nous travaillons donc désormais tous ensemble comme une seule équipe : le fabricant de lubrifiants, le fabricant de roulements et le client. »

M. Sadinski rappelle que les avantages du laboratoire de rhéologie s’étendent à l’ensemble de la gamme de produits de transmission de puissance de Timken. « Cela nous permet d’aider les clients en leur proposant des systèmes entiers, pas uniquement des solutions de roulements. »

M. Hannon confirme. « Il y a 10 ans, les clients achetaient un roulement », dit-il. « Aujourd’hui, ils souhaitent acheter un système. Ils veulent savoir : ‘Comment votre roulement fonctionne-t-il avec ce lubrifiant, ce joint, cet engrenage ?’ » Avec les nouveaux modèles et données issus du laboratoire de rhéologie, les ingénieurs peuvent mieux comprendre comment tous les éléments fonctionnent ensemble, et ils peuvent partager ces connaissances avec les clients.

Les clients apprécient la possibilité d’optimiser encore davantage leurs concepts. « Avec ces approches, nous pouvons prédire la performance des roulements avec beaucoup plus de confiance», dit M. Evans. « Presque tous les produits de roulements techniques et de transmission de puissance mécanique de Timken ont besoin de lubrification pour bien fonctionner. Presque tous les produits que nous fabriquons chez Timken bénéficient de ce travail. »