Com seu novo laboratório de reologia, a Timken é pioneira na última geração de eficiência em trens de força

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Com seu novo laboratório de reologia, a Timken é pioneira na última geração de eficiência em trens de força

Há alguns anos, Ryan Evans reuniu-se com um cliente fabricante automotivo que lhe fez um pedido inusitado. “Ele queria saber quão precisamente conseguíamos prever o comportamento de perda de potência de nossos rolamentos na aplicação dele”, disse Evans, que atualmente administra a área de P&D (Pesquisa e desenvolvimento) de rolamentos da The Timken Company.

O software de previsão de desempenho de rolamentos SYBER da Timken é usado pelos engenheiros de aplicação da empresa para moldar diferentes seleções de rolamentos e inclui a capacidade de estimar a perda de torque e de potência, mas esse cliente parecia estar solicitando outro nível de confiança nessa previsão no que tangia a aplicação dele.

A ciência da perda de potência de rolamentos abrange várias áreas – da mecânica de fluidos à mecânica de sólidos, termodinâmica e transferência de calor. “Ela inclui o estudo de como as propriedades das matérias, sejam em aço ou líquidas, mudam quando são sujeitas à física de altas pressões, velocidades e temperaturas em contatos tribológicos”, explicou Bill Hannon, cientista de fundamentos de produtos da Timken.

Um único rolamento de rolos cônicos, por exemplo, pode ter 15 rolos encapsulados em seus anéis, que representam muitos pontos de contato diferentes. Para calcular o torque, é preciso levar em consideração como todos esses diferentes pontos de contato provavelmente responderão às cargas e velocidades de uma aplicação específica – se o material pode se flexionar nesses pontos, por exemplo, ou se o óleo entre eles está sendo cisalhado.

“Somar tudo isso de uma forma que forneça a perda total de potência ou o desempenho de torque de um rolamento pode ser desafiador”, disse Evans.

Eficiência dos rolamentos vai além dos rolamentos

Contudo, solicitações semelhantes de clientes continuavam a aparecer. “Os nossos clientes estavam pressionados a melhorar a eficiência no consumo de combustível”, afirmou Evans. Fabricantes de uma ampla gama de setores, variando de tratores a caminhões de entrega a carros de luxo, estão respondendo com o desenvolvimento de veículos elétricos. Para minimizar o peso da bateria e maximizar o alcance desses veículos, eles estão sob pressão para minimizar o atrito em todos os pontos de uma máquina.

A eficiência do rolamentos é um desses pontos, mas isso não significa que a Timken já não projeta rolamentos eficientes no consumo de combustível há décadas. Os rolamentos com mais densidade de potência e eficiência em consumo de combustível da empresa desempenham um papel no projeto de veículos convencionais e híbridos desde que as regulamentações da CAFE (Economia de combustível corporativa média) começaram a aumentar as metas de eficiência de combustível em 1975.

Bob Sadinski, engenheiro sênior de desenvolvimento de produtos da Timken, trabalhou diretamente com os clientes nos projetos de trem de força elétrico, ajudando a desenvolver os rolamentos de rolos cônicos ePDFE (mais densidade de potência elétrica e eficiência no consumo de combustível da Timken.

“Na Timken, sempre estivemos preocupados com o atrito e a perda de energia que ocorrem quando nossos rolamentos giram”, disse ele. “Para aumentar ainda mais eficiência dos rolamentos, precisamos compreender todo o sistema, incluindo o que nossos clientes estavam usando para lubrificação.”

Compreensão da natureza dos fluidos

“Os clientes querem operar com fluidos mais leves com menos viscosidade e, quando se faz isso, há consequências nas peças de montagem”, explicou Sadinski. Para ajudar os clientes a otimizarem as combinações de rolamento e lubrificante para obterem a mais alta eficiência, a equipe da Timken precisou combinar a tecnologia de rolamentos com o estudo da reologia, a área de física que estuda o fluxo e deformações de fluidos.

“Quando pego um pouco de óleo com a mão, ele desliza entre os meus dedos. É algo suave e gracioso”, disse Hannon. “Mas dentro de um rolamento, não é isso que acontece. Quando os elementos rolantes tocam na pista, a pressão de contato é enorme, a película de óleo é fina e o óleo fica quase sólido.”

Em outras palavras, a viscosidade ou a resistência a fluir do óleo pode se alterar de formas estranhas conforme a pressão, temperatura e taxa de cisalhamento da aplicação nos pontos de contato aumentam para níveis extremos. Para complicar a questão, a composição química do óleo mudou drasticamente na última década. “Havia alguns de modificadores de viscosidade e agora há centenas”, afirmou Hannon.

Prever a eficiência de rolamentos envolve compreender a natureza do líquido, graxa ou óleo exato em cada aplicação. No mundo ideal, disse Hannon, engenheiros de aplicação seriam capazes de medir o comportamento do lubrificante em três gigapascals ou 435 000 libras por polegada quadrada.

“Ninguém consegue fazer isso,” disse ele. “Pouquíssimos laboratórios no mundo conseguem medir acima de um gigapascal.”

Além disso, afirmou ele, os engenheiros precisam compreender como a viscosidade do óleo se altera com a pressão, temperatura e cisalhamento da aplicação. “Conhecemos apenas três lugares no mundo que conseguem fazer isso”, explicou Hannon: Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), Institut National des Sciences Appliquées (INSA) em Lyon, França – e, agora, a Timken.

Uma laboratório em que cientistas podem analisar graxa a fundo

O laboratório de reologia da Timken começou com a teoria, disse Hannon, de que a empresa poderia utilizar os princípios da física para melhorar seu modelo de previsão de torque. Para testar essa teoria, a equipe pediu que pesquisadores da Georgia Tech medissem a viscosidade de dois óleos. Os pesquisadores da Timken aplicaram essas medições a seus modelos e descobriram que, de fato, conseguiriam tornar as previsões de eficiência muito mais precisas.

“Foi aí que decidimos investir”, afirmou Hannon. Hoje, o laboratório de reologia da Timken possui dois viscosímetros de queda de corpos, que mede a viscosidade e a densidade em várias pressões e temperaturas. Um viscosímetro de Couette permite que a equipe também meça as respostas de lubrificantes a altas taxas de cisalhamento.

O laboratório também tem um espectrômetro infravermelho por transformada de Fourier, que ajuda a equipe a identificar fluidos desconhecidos, um espectrômetro de raio X por energia dispersiva, que identifica quais componentes de desgaste podem existir no fluido, uma unidade de titulação de Karl Fischer, que pode detectar água no óleo, e alguns outros “dispositivos que nos permitem levar vantagem sobre a graxa”, de acordo com Hannon.

Teoria orienta os modelos

Ao usar esses equipamentos, Hannon e Sadinski podem medir fluidos individuais e usar os dados para desenvolver novos modelos mecânicos que lhes permitam prever uma variedade infinita de condições em um espaço multidimensional.

“Voltamos aos princípios da mecânica de fluidos, para que a teoria oriente nossos modelos”, disse Hannon. Estudar as coisas no nível do primeiro princípio permite à equipe prever o atrito, em vez de apenas mensurá-lo. Ao mesmo tempo, disse ele, “o laboratório de reologia nos aproxima um pouco mais da realidade, reduzindo o número de premissas para que possamos chegar mais perto de reproduzir as condições reais de aplicação”.

“Essas novas técnicas de mensuração nos permitem medir óleos de formas que nunca foram possíveis antes”, afirmou Evans. “Aplicamos esses dados a modelos matemáticos que nos ajudam a prever como um fluido se comportará sob condições de alta pressão e alto cisalhamento em um rolamento. Essas informações nos permitem afunilar nossas previsões de desempenho geral de torque ou perda de potência.”

Do laboratório à mesa de projetos do cliente

Conforme a equipe de P&D acrescenta novos modelos matemáticos ao sistema SYBER da Timken, engenheiros de aplicação de todo o mundo obtêm acesso a estimativas mais precisas de perda de potência. “O SYBER nos ajuda a disponibilizar informações e conhecimentos geradas em laboratório aos nossos clientes”, explicou Evans.

Hannon e Sadinski permanecem em estreito contato com fabricantes de lubrificantes, que cada vez mais estão abrindo às portas para uma variedade mais ampla de fluidos. “O futuro significará ser capaz de combinar seu lubrificante com seu rolamento”, disse Hannon. “No laboratório de reologia, podemos confirmar esse encaixe, por isso agora estamos trabalhando juntos como uma só equipe: o fabricante de lubrificantes, o fabricante de rolamentos e o cliente.”

Sadinski destaca que os benefícios do laboratório de reologia se estendem para toda a linha da Timken de produtos de transmissão de potência. “Permite ajudar nossos clientes com sistemas completos, não apenas com soluções de rolamentos.”

Hannon concorda. “Há dez anos, os clientes compravam um rolamento”, ele afirmou. “Hoje em dia, eles querem comprar um sistema. Eles querem saber: ‘Como o seu rolamento funciona com este lubrificante, este retentor, esta engrenagem?’” Com os novos modelos e dados do laboratório de reologia, os engenheiros podem compreender melhor como tudo funciona em conjunto e compartilhar essas informações com os clientes.

Clientes agradecem a oportunidade de otimizar ainda mais seus projetos. “Com essas abordagens, podemos prever o desempenho do rolamento com mais confiança do que nunca”, disse Evans. “Quase todos os rolamentos e produtos de transmissão de potência mecânica desenvolvidos pela Timken dependem de lubrificação para terem bom desempenho. Quase tudo o que fazemos aqui se beneficia desse trabalho.”