Grazie al suo nuovo laboratorio di reologia, Timken apre la strada all’efficienza della trasmissione di potenza di ultima generazione

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Grazie al suo nuovo laboratorio di reologia, Timken apre la strada all’efficienza della trasmissione di potenza di ultima generazione

Qualche anno fa, Ryan Evans si trovò seduto di fronte a un cliente produttore di auto con una richiesta insolita. “Voleva sapere con quanta precisione fosse possibile prevedere la perdita di potenza dei nostri cuscinetti nella loro applicazione”, afferma Evans, che al momento si occupa dell’area ricerca e sviluppo (R&S) dei cuscinetti per The Timken Company.

Il software per la previsione delle prestazioni dei cuscinetti SYBER di Timken è utilizzato dai tecnici delle applicazioni dell’azienda per creare le diverse selezioni di cuscinetti e ha la capacità di stimare la coppia e la perdita di potenza; tuttavia, questo cliente sembrava richiedere un altro livello di sicurezza nell’ambito di tale previsione, che si adattasse alla sua applicazione.

La scienza della perdita di potenza dei cuscinetti include molti campi, dalla meccanica dei fluidi alla meccanica dei solidi, alla termodinamica e al trasferimento del calore. “Essa include lo studio del modo in cui le proprietà della materia, sia che si tratti di acciaio o di liquidi, variano quando sono soggette alla fisica delle alte pressioni, delle velocità e delle temperature nei contatti tribologici”, afferma Bill Hannon, esperto degli elementi fondamentali del prodotto alla Timken.

Ad esempio, un singolo cuscinetto a rulli conici potrebbe avere 15 rulli incassati nei suoi anelli, che rappresentano diversi punti di contatto. Per calcolare la coppia, bisogna prendere in considerazione in che modo tutti questi diversi punti di contatto risponderanno probabilmente ai carichi e alle velocità di una particolare applicazione, se ad esempio il materiale possa flettersi sotto questi punti o se il lubrificante tra di essi risulta frammentato.

“Sommare tutto ciò per ottenere la perdita totale di potenza o le prestazioni di coppia per un cuscinetto può essere scoraggiante”, afferma Evans.

Portare l’efficienza oltre i cuscinetti

Tuttavia, continuano ad arrivare simili richieste dei clienti. “I clienti ricevono pressioni per migliorare il consumo di carburante”, afferma Evans. I produttori in un’ampia gamma di settori, dai trattori ai furgoni per le consegne e alle auto di lusso, rispondono con il passaggio ai veicoli elettrici. Per ridurre al minimo il peso della batteria e ottimizzare la portata di questi veicoli, essi sono soggetti alle pressioni per ridurre al minimo l’attrito a qualsiasi livello del macchinario.

L’efficienza del cuscinetto rappresenta uno di questi livelli, ma è come se Timken avesse progettato cuscinetti per il contenimento dei consumi per decenni. I cuscinetti a elevata densità di potenza e per il contenimento dei consumi dell’azienda hanno giocato un ruolo importante nell’ambito della progettazione di veicoli tradizionali e ibridi sin da quando le normative Corporate Average Fuel Economy (CAFE) hanno innalzato gli obiettivi di consumo di carburante nel 1975.

Bob Sadinski, ingegnere di sviluppo del prodotto senior alla Timken, ha lavorato direttamente con i clienti sui design del sistema di trasmissione elettrica, contribuendo a sviluppare cuscinetti a rulli conici elettrici per la densità di potenza e il contenimento dei consumi (ePDFE) di Timken.

“Alla Timken, ci siamo sempre preoccupati dell’attrito e della perdita di energia che influiscono sulla rotazione dei nostri cuscinetti”, afferma. “Per sviluppare ulteriormente l’efficienza dei cuscinetti era necessario comprendere l’intero sistema, incluso ciò che i nostri clienti utilizzavano per la lubrificazione”.

Comprendere la natura dei liquidi

“I clienti desiderano operare con liquidi più leggeri e con viscosità ridotta; quando ciò accade, ci sono delle conseguenze sui componenti”, dichiara Sadinski. Per aiutare i clienti a ottimizzare le combinazioni cuscinetto-lubrificante per la massima efficienza, il team di Timken doveva sposare la tecnologia del cuscinetto con lo studio della reologia, il ramo della fisica che si occupa del flusso dei liquidi.

“Quando prendo del lubrificante e lo tengo in mano, posso farlo scorrere tra le dita. È soffice e leggero,” afferma Hannon. “Tuttavia, non è quello che accade all’interno di un cuscinetto. Quando l’elemento volvente incontra la pista, la pressione di contatto è enorme, il film di lubrificante è sottile e quest’ultimo diventa quasi solido”.

In altre parole, la viscosità del lubrificante o la resistenza al flusso possono variare in modi strani man mano che la pressione dell’applicazione, la temperatura e la velocità di scorrimento nei punti di contatto aumentano a livelli estremi. Per complicare la questione, la chimica del lubrificante è cambiata radicalmente nello scorso decennio. “Una volta esistevano una manciata di modificatori della viscosità, mentre ora ne esistono centinaia”, afferma Hannon.

La previsione dell’efficienza dei cuscinetti include la comprensione della natura del liquido preciso, del lubrificante o del grasso in ciascuna applicazione. In un mondo ideale, afferma Hannon, i tecnici delle applicazioni sarebbero in grado di misurare l’azione lubrificante a tre gigapascal, o 435.000 libbre per pollice quadrato.

“Nessuno può farlo”, afferma. “Pochissimi laboratori al mondo possono misurare sopra un gigapascal”.

Inoltre, afferma, i tecnici devono comprendere in che modo la viscosità del lubrificante varia con la pressione, la temperatura e il taglio dell’applicazione. “Conosciamo solo tre luoghi al mondo che possono farlo”, sostiene Hannon: il Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), l’Institut National des Sciences Appliquées (INSA) di Lione, Francia, e ora Timken.

Un laboratorio in cui gli scienziati possono guardare dentro il grasso

Il laboratorio di reologia di Timken è stato avviato con la teoria, afferma Hannon, secondo la quale la società potrebbe utilizzare i principi di fisica per migliorare il modello di previsione della coppia. Per testare questa teoria, il team ha chiesto ai ricercatori del Georgia Tech di misurare la viscosità dei due lubrificanti. I ricercatori di Timken hanno quindi collegato queste misurazioni ai loro modelli e hanno scoperto che avrebbero effettivamente potuto effettuare previsioni dell’efficienza del cuscinetto molto più accurate.

“In quel momento abbiamo deciso di investire”, afferma Hannon. Oggi, il laboratorio di reologia di Timken ospita due viscosimetri del corpo in caduta, che misurano la viscosità e la densità a diverse pressioni e temperature. Il viscosimetro di Couette consente al team di misurare anche le risposte del lubrificante a velocità elevate di scorrimento.

Il laboratorio vanta inoltre uno spettrometro a infrarossi con trasformata di Fourier che aiuta il team a identificare i liquidi sconosciuti, uno spettrometro a raggi X a dispersione di energia che comunica quali componenti soggetti a usura potrebbero trovarsi nel liquido, un’unità di titolazione Karl Fischer che può rilevare l’acqua nel lubrificante e qualche altro “dispositivo che ci permette di trattare il grasso”, secondo Hannon.

Lasciare che la teoria favorisca i modelli

Utilizzando questa attrezzatura, Hannon e Sadinski possono misurare i singoli liquidi e usare i dati per costruire nuovi modelli matematici che consentano loro di prevedere un intervallo infinito di condizioni all’interno di uno spazio multidimensionale.

“Siamo tornati ai principi della meccanica dei fluidi, quindi quella teoria guida i nostri modelli”, sostiene Hannon. Studiare gli elementi a livello del principio primo consente al team di prevedere l’attrito, piuttosto che semplicemente misurarlo. Allo stesso tempo afferma: “il laboratorio di reologia ci porta un passo più vicini alla realtà, riducendo il numero di ipotesi per avvicinarci alla simulazione delle condizioni effettive dell’applicazione”.

“Queste nuove tecniche di misurazione ci permettono di misurare i lubrificanti in modi mai provati prima”, afferma Evans. “Colleghiamo questi dati a modelli matematici che ci aiutano a prevedere in che modo un fluido si comporterà in condizioni di alta pressione e di taglio in un cuscinetto. Queste informazioni ci permettono di perfezionare le nostre previsioni delle prestazioni globali di coppia o perdita di potenza”.

Dal laboratorio al tavolo di progettazione del cliente

Man mano che il team di R&S aggiunge i nuovi modelli matematici al sistema SYBER di Timken, i tecnici delle applicazioni nel mondo ottengono l’accesso a stime sulla perdita di potenza più precise. “SYBER ci aiuta a portare le informazioni e le conoscenze fuori dal laboratorio e nelle mani dei nostri clienti”, afferma Evans.

Hannon e Sadinski restano in stretto contatto con i produttori di lubrificanti, che aprono sempre più le loro porte a una gamma più ampia di fluidi. “Il futuro è essere in grado di abbinare il lubrificante al cuscinetto”, afferma Hannon. “Nel laboratorio di reologia, possiamo confermare questa corrispondenza, quindi ora lavoriamo tutti insieme come un unico team: il produttore di lubrificanti, il produttore di cuscinetti e il cliente”.

Sadinski sottolinea che i vantaggi del laboratorio di reologia si estendono all’intera linea di prodotti per la trasmissione di potenza di Timken. “Ciò ci permette di aiutare i clienti con i sistemi completi, non solo con le soluzioni di cuscinetti”.

Hannon concorda. “Dieci anni fa, i clienti avrebbero acquistato un cuscinetto”, afferma. “Oggi, vogliono acquistare un sistema. Vogliono sapere ‘In che modo il cuscinetto lavora con questo lubrificante, questa tenuta, questo ingranaggio?’” Con i nuovi modelli e dati del laboratorio di reologia, gli ingegneri possono comprendere meglio in che modo tutto funziona insieme e condividere queste informazioni con i clienti.

I clienti apprezzano l’opportunità di ottimizzare ulteriormente i loro progetti. “Con questi approcci, possiamo prevedere le prestazioni dei cuscinetti con più sicurezza rispetto a prima”, sostiene Evans. “Quasi tutti i cuscinetti ad alta tecnologia e i prodotti per la trasmissione meccanica di potenza di Timken si affidano alla lubrificazione affinché le prestazioni siano migliori. Quasi tutto quello che facciamo qui trae vantaggio da questa attività”.