Ceramiczne łożyska hybrydowe: Rozwój podróży lotniczych

Ceramiczne łożyska hybrydowe: Rozwój podróży lotniczych

Posiadając ponad stuletnie doświadczenie w zakresie innowacji w branży lotniczej, firma Timken miała swój udział we wprowadzeniu wielu nowatorskich rozwiązań w lotnictwie, na przykład w wynalezieniu helikopterów, czy pierwszym lądowaniu na Księżycu i Marsie. Dziś inżynierowie firmy Timken wykorzystują swoją specjalistyczną wiedzę w zakresie zarządzania tarciem, przenoszenia mocy i metalurgii, aby maksymalizować niezawodność w zastosowaniach, takich jak gaszenie pożarów z powietrza i w silnikach samolotów lotnictwa cywilnego.

Obecnie konstruktorzy samolotów przesuwają granice tego, co jest możliwe, by optymalizować osiągi i zwiększać poziom wydajności. Możliwości firmy Timken w zakresie inżynierii i produkcji hybrydowych łożysk walcowych i stożkowych pozwolą zoptymalizować osiągi samolotów i wiropłatów w nowej epoce lotów.


„Od ponad 120 lat gromadzimy wiedzę na temat tarcia, zużycia, smarowania i konstrukcji łożysk w kontekście materiałów stalowych. Dzięki temu dobrze rozumiemy właściwości azotku krzemu i to, jak możemy projektować i wytwarzać z użyciem obu tych pierwiastków”.

John Lowry
Główny Inżynier Lotnictwa


Hybrydowe łożyska dla lotnictwa: kluczowe dla zwiększenia wydajności
Kierując się dążeniem do zaoszczędzenia energii, zmniejszenia kosztów i ochrony środowiska, klienci z branży lotniczej chcą wydobyć optymalną wydajność z każdego systemu i podzespołu samolotu. Łożyska lotnicze Timken wykonane ze stali już są bardzo wydajne. Ale aby osiągnąć dalszy wzrost wydajności, inżynierowie pracują nad poszerzeniem gamy typów łożysk hybrydowych dostępnych na rynku.

Łożyska „hybrydowe” są nazywane w ten sposób, ponieważ mają stalowe pierścienie i ceramiczne elementy toczne, podczas gdy w bardziej konwencjonalnych łożyskach oba te elementy są wykonane ze stali. Azotek krzemu w ceramicznych wałeczkach ma „klasę łożyskową” — najwyższą dostępną jakość.

„Azotek krzemu jest prawie dwa razy twardszy niż stal łożyskowa i ma dodatkowe właściwości, które sprawiają, że jest lżejszy, mocniejszy i lepiej sprawdza się w wyższych prędkościach” – mówi John Lowry, główny inżynier przemysłu lotniczego. „To materiał ceramiczny, który wytrzymuje naprawdę agresywne warunki i dobrze sprawdza się w łożyskach tocznych”.

Eksperymenty z ceramicznymi elementami tocznymi do łożysk lotniczych zaczęły się kilkadziesiąt lat temu, a silniki promów kosmicznych NASA używały ich na początku lat 90. XX wieku. W miarę przyspieszania tempa tworzenia zoptymalizowanych rozwiązań poszerza się gama typów łożysk hybrydowych, które zwiększają wydajność silników lotniczych, generatorów i rozruszników oraz skrzyń przekładniowych wiropłatów.

W ostatnim czasie inżynierowie firmy Timken podjęli bliską współpracę z konstruktorami samolotów nad opracowaniem wałeczkowych łożysk hybrydowych do kilku zastosowań, w tym do zastosowania w opracowywanym lotniczym silniku turbinowym, projektowanym tak, aby był znacznie mocniejszy i wydajniejszy niż istniejące turbowentylatory o niskim boczniku.

Specjaliści z firmy Timken zajmujący się trybologią odegrali ważną rolę w badaniach i rozwoju, testując wytrzymałość wałków ceramicznych w porównaniu z różnymi gatunkami stali zwykle używanymi do wytwarzania elementów łożysk przylegających do wałeczków. Sposób, w jaki materiały oddziałują bezpośrednio na siebie, wpływa na wydajność.

Różnica zapewniana przez Timken: zastrzeżone procesy produkcyjne
„Od ponad 120 lat gromadzimy wiedzę na temat tarcia, zużycia, smarowania i konstrukcji łożysk w kontekście materiałów stalowych” – zauważa Lowry. „Dzięki temu dobrze rozumiemy właściwości azotku krzemu i to, jak możemy projektować i wytwarzać z użyciem obu tych pierwiastków”.

Melissa Kerney, kierownik programu lotniczego, twierdzi, że używany azotek krzemu jest najwyższej dostępnej jakości i jest przetwarzany zgodnie z bardzo wysokimi standardami.

„Zróżnicowanie w celu uzyskania produktu klasy lotniczej odbywa się w dwóch etapach, z których oba mają miejsce w procesie produkcyjnym” – mówi.

Najpierw przy użyciu proszku azotku krzemu tworzymy wałek o kształcie możliwie najbardziej zbliżonym do końcowego. Formuła proszku określa wytrzymałość formowania tych precyzyjnych „półfabrykatów” o wysokiej dokładności wymiarowo-kształtowej, które ostatecznie staną się ceramicznymi wałkami.

Następnie firma Timken wykańcza je we własnym zakresie zgodnie z precyzyjnymi wymaganiami, stosując zastrzeżone procesy szlifowania i wygładzania.

„To bardzo trudne” — mówi Kerney. „Azotek krzemu jest znacznie mocniejszy niż stal i wymaga zupełnie innego podejścia do wykończenia, pomiaru i kontroli. Wykorzystujemy naszą wiedzę o materiałoznawstwie i łączymy ją z naszą wiedzą o produkcji i obróbce. Rezultatem są wyjątkowo trwałe, niezawodne łożyska, które spełniają wymagania kontroli przemysłowych”.

Posiadając w pełni rozwinięty proces inżynierii i produkcji hybrydowych łożysk wałeczkowych firma Timken zainwestowała w możliwości produkcyjne, aby zbudować jedną z najbardziej kompletnych w branży linii łożysk stożkowych i walcowych z wałeczkami z azotku krzemu. Firma Timken zamierza wprowadzić je do produkcji na pełną skalę do 2023 roku, aby wspierać klientów z branży lotniczej.

Dlaczego lotnictwo i dlaczego teraz? Kerney odpowiada: „To najtrudniejsze zastosowanie wymagające rozwiązań hybrydowych, w którym zapewniają one największą wartość”.


Inżynierowie firmy Timken wykorzystują materiały ceramiczne do poprawy wydajności łożysk w wielu kluczowych gałęziach przemysłu. Dowiedz się, jak specjalna, odporna na zużycie powłoka zawierająca drobne cząstki ceramiczne poprawia wydajność turbin wiatrowych i sprzętu rolniczego.