Abstrakt

Der Balligkeitsversatz der Rollen hat einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer von Kegelrollenlagern. Mithilfe einer Finite-Elemente-Analyse werden in diesem Artikel die Änderungen der Kontaktspannung zwischen Rollen und den Innen- und Außenringlaufbahnen von Lagern erörtert, wenn sich die Konvexitätsmitte von Kegelrollen unter bestimmten Lastbedingungen zu beiden Enden hin verschiebt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Konvexitätsmitte von Kegelrollen innerhalb eines bestimmten Bereichs zum großen Ende der Rolle hin versetzt sein kann; Bei Überschreitung dieses Bereichs kommt es an beiden Enden der Walze zu einem erheblichen Spannungsunterschied, der zu einem vorzeitigen Lagerausfall führt. Darüber hinaus sollte die Konvexitätsmitte der Rollen nicht zum kleinen Ende der Rolle hin versetzt sein. Um die Kontaktermüdungslebensdauer von Lagern zu verbessern, ist es notwendig, den zulässigen Konvexitätsversatz der Rollen zu bestimmen.

Schlüsselwörter: Kegelrollenlager; Konvexitätsversatz; Kontaktstress; Finite-Elemente-Analyse

1 Einleitung

Kegelrollenlager haben den Vorteil, dass sie sowohl axialen als auch radialen Belastungen gleichzeitig standhalten, eine große Tragfähigkeit, geringe Rollreibung, hohe Steifigkeit und eine einfache Installation bieten. Sie werden häufig in großen mechanischen Geräten wie Automobilen, Eisenbahnen, Werkzeugmaschinen, Bergwerken und der Metallurgie eingesetzt. Der Konvexitätsversatzfehler bei der Bearbeitung logarithmischer Konvexitätsrollen und der Rollenversatzfehler bei der Montage haben erhebliche Auswirkungen auf deren Betriebsleistung und Lebensdauer. Daher ist es notwendig, einen angemessenen Fehlerbereich zu bestimmen.

Die Bestimmung des Balligkeitsversatzes ist von entscheidender Bedeutung für die Konstruktion und Anwendung von Kegelrollenlagern. Reference verwendet die Finite-Elemente-Methode, um die Spannungsverteilung von Zylinderrollenlagern unter bestimmten Lastbedingungen zu analysieren, und gibt den Konvexitätsversatz an, der während der Modifikation logarithmischer Kurvenrollen durch Analyse des Rollenversatzes gesteuert werden soll. Referenz analysiert die Lebensdauerberechnungsformel, die auf verschiedene modifizierte Rollen anwendbar ist, und zeigt, dass die logarithmische Kurvenmodifikation eine gewisse Bedeutung für die Verbesserung der Lagerlebensdauer hat. In dieser Arbeit wird das zweireihige Kegelrollenlager 353112 als Beispiel für die Finite-Elemente-Analyse herangezogen, um den sinnvollen Bereich seines Konvexitätsversatzes und seinen Einfluss auf die Verteilung der Kontaktspannung zu untersuchen.

2 Finite-Elemente-Modell von Kegelrollenlagern

2.1 Rollenkonvexitätsversatz

Bei der Konstruktion und Bearbeitung von Kegelrollen werden hauptsächlich die Anforderungen an ihre Laufflächeneigenschaften berücksichtigt, dh die Konvexität und die sphärische Grundfläche der Rolle. Bei Rollen mit logarithmischer Kurvenkonvexität können unterschiedliche Konvexitätsbeträge an beiden Enden der Rolle erreicht werden, indem die effektive Längenmitte der Rolle als Koordinatenursprung leicht in Richtung des großen Endes der Rolle verschoben wird. Das schematische Diagramm des Konvexitätsversatzes der logarithmischen Kurvenrolle ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Konvexitätsversatzfehler einer Kegelrolle bezieht sich auf den Versatz s zwischen dem Symmetriepunkt auf der modifizierten logarithmischen Kurvenrolle und dem Koordinatenursprung o.

Abbildung 1: Schematisches Diagramm des Konvexitätsversatzes einer logarithmischen Kurvenwalze

2.2 Modellierung

Das schematische Strukturdiagramm des zweireihigen Kegelrollenlagers 353112 für LKW-Radnaben ist in Abbildung 2 dargestellt, und die wichtigsten Strukturparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Struktur eines Kegelrollenlagers

Tabelle 1 Hauptstrukturparameter des Lagers

Das Lagermaterial ist GCr15, der Kontaktreibungskoeffizient zwischen der Rolle und den inneren und äußeren Laufbahnoberflächen beträgt 0,1, der Elastizitätsmodul des Materials beträgt 206 GPa und das Poisson-Verhältnis beträgt 0,3. Die maximale Normallast auf die Walze beträgt 7.000 N. Aufgrund ihres symmetrischen Aufbaus muss nur ein 1/2-Finite-Elemente-Modell erstellt werden.

Bei der Erstellung des Modells mit Finite-Elemente-Software werden Fasen und Kanten, die einen geringen Einfluss auf die Lagerspannung haben, ignoriert und die Auswirkungen von Axialspiel, Radialspiel und Schmierölfilm auf die Kontaktspannung werden nicht berücksichtigt. Der Elementtyp übernimmt ein Solid185-Element mit 8-Knoten und 3 Freiheitsgraden pro Knoten, das zur Simulation homogener Festkörperstrukturen verwendet werden kann. Nach dem Schneiden der Kontaktpositionen zwischen den Laufbahnen des Innen- und Außenrings und den Rollen wird die Gesamtelementgröße für die kartierte Netzteilung festgelegt und für andere Teile wird die Methode der überstrichenen Netzteilung übernommen. Das minimale Maschenelement im verschlüsselten Teil ist kleiner als die Kontakthalbbreitenlänge, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Finite-Elemente-Modell

Es entstehen Kontaktpaare mit dem Innen- und Außenring des Lagers als Zielfläche und der Rollenoberfläche als Kontaktfläche mit einem Kontaktreibungskoeffizienten von 0,1. Einstellungen der Randbedingungen: Auf jeden Abschnitt des Lagers werden symmetrische Beschränkungen angewendet, die Außenfläche des Außenrings ist aufgrund der Presspassung mit dem Lagersitz vollständig eingeschränkt und der axiale Freiheitsgrad des Innenrings ist eingeschränkt. Beim Laden wird der Knoten im Symmetriezentrum des Innenrings als Masterknoten verwendet, benachbarte Knoten werden als Slave-Knoten ausgewählt und dann werden alle Knoten auf der Innenfläche des Innenrings mit dem Freiheitsgrad in y--Richtung (radial) gekoppelt und die Last wird auf den Masterknoten ausgeübt.

3 Ergebnisse und Analyse

Ohne Konvexitätsversatz ist die Spannungsverteilung entlang der Rollenerzeugendenrichtung zwischen der Rolle und den Laufbahnen des Innen- und Außenrings in Abbildung 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der maximale Spannungswert zwischen der Rolle und dem Innenring an der Position etwas links von der Rollenmitte liegt. Der maximale Spannungswert zwischen der Kegelrolle und dem Außenring liegt jedoch nahe der Rollenmitte und die Spannungsverteilung ist symmetrisch und gleichmäßig.

Abbildung 4: Kontaktspannung zwischen Rolle und Innen- und Außenringen ohne Konvexitätsversatz

Wenn die konvexe Mitte der Rolle um 0,4 mm zum großen Ende der Rolle und um 0,2 mm zum kleinen Ende der Rolle hin versetzt ist, ist die Verteilung der Kontaktspannung zwischen der Rolle und der Laufbahn des Innenrings entlang der Rollenerzeugenden in Abbildung 5 dargestellt und die Kontaktspannung ist nicht symmetrisch und gleichmäßig verteilt.

Abbildung 5: Kontaktspannung zwischen Rolle und innerer Laufbahn bei Versatz der Konvexitätsmitte der Rollen

Wenn sich die Konvexitätsmitte der Rolle zu beiden Enden hin verschiebt, sind die Änderungen der Kontaktspannung zwischen beiden Enden der Rolle und der Innenringlaufbahn in Abbildung 6 dargestellt. Aus Abbildung 6a ist ersichtlich, dass unter denselben Bedingungen mit zunehmendem Konvexitätsversatz die Kontaktspannung am kleinen Ende der Rolle allmählich abnimmt, während die Kontaktspannung am großen Ende der Rolle schnell zunimmt. Wenn der Versatz auf mehr als 0,2 mm ansteigt, nimmt der Unterschied in der Kontaktspannung zwischen beiden Enden der Walze schnell zu. Die Situation, in der sich das Konvexitätszentrum zum kleinen Ende der Walze hin verschiebt, ist in Abbildung 6b dargestellt. Mit zunehmendem Versatz beginnt der Unterschied in der Kontaktspannung zwischen beiden Enden der Walze deutlich zuzunehmen. Es ist ersichtlich, dass der Konvexitätsversatz der Rollenerzeugenden zu einer Asymmetrie und Ungleichmäßigkeit der Kontaktspannung zwischen beiden Enden der Rolle und der Laufbahn führt.

Abbildung 6: Einfluss des Konvexitätsversatzes auf die Kontaktspannung zwischen beiden Enden der Rolle und der inneren Laufbahn

Abbildung 7 ist eine quantitative Bewertung des Einflusses des Konvexitätsversatzes auf die Kontaktspannung an beiden Enden der Walze. Mit zunehmendem Konvexitätsversatz nimmt die relative Differenz der Kontaktspannung zwischen beiden Enden der Walze nicht-linear zu. Wenn der Konvexitätsversatz zum großen Ende hin größer als 0,1 mm ist, steigt der relative Unterschied in der Kontaktspannung zwischen beiden Enden der Walze schnell an, was darauf hindeutet, dass ein Versatz von 0,1 mm zum großen Ende hin einen Wendepunkt darstellt. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der relative Unterschied zwischen beiden Enden der Walze etwa 20 %, was dem in der Technik maximal zulässigen relativen Fehler von 25 % entspricht. Wenn sich jedoch das Konvexitätszentrum zum kleinen Ende hin verschiebt, ist der relative Unterschied in der Kontaktspannung zwischen beiden Enden der Rolle groß und entspricht nicht den technischen Bedingungen. Um die Gleichmäßigkeit und Symmetrie der Spannungsverteilung des Kegelrollenlagers 353112 zu gewährleisten, sollte die Konvexitätsmitte der logarithmischen Kurvenrolle daher innerhalb eines Versatzes von 0,1 mm zum großen Ende hin und nicht zum kleinen Ende hin versetzt sein.

Abbildung 7: Beziehung zwischen dem Versatz des Konvexitätszentrums und der relativen Spannungsdifferenz zwischen beiden Enden der Walze.

4 Fazit

Bei der Modifizierung logarithmischer Kurvenrollen sollte der Versatz des Rollenkonvexitätszentrums streng kontrolliert werden. Andernfalls weist die Kontaktspannung eine komplexe Asymmetrie auf. Das Konvexitätszentrum kann zum großen Ende hin leicht versetzt sein. Für das Lager 353112 sollte die Konvexitätsmitte der Rolle innerhalb eines Versatzes von 0,1 mm zum großen Ende hin kontrolliert werden, und die Konvexitätsmitte sollte nicht zum kleinen Ende der Rolle hin versetzt sein.

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