Dynamiksimulation von Rollenlagern mit optimierten kontaktmechanischen und elastohydrodynamischen Berechnungsmodellen
Creators: name: Wolf, Marius
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: rolling-element bearing
subject: dynamic simulation
subject: flange contact
subject: contains research data
subject: Wälzlager
subject: Dynamiksimulation
subject: Bordkontakt
subject: enthält Forschungsdaten
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik::620 | Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau::629 | Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften

description: Diese Arbeit behandelt die Dynamiksimulation von Rollenlagern. Die Simulation ermöglicht die Abbildung des dynamischen Verhaltens der einzelnen Wälzkörper unter Berücksichtigung von instationären radialen und axialen Lasten sowie Trägheitseffekten. Zur korrekten Modellierung der Reibkräfte und Rollwiderstände wird ein analytisches Berechnungsmodell implementiert, welches die rheologischen Fluid- und Oberflächeneigenschaften des Wälzlagers nach dem aktuellen Stand der Forschung abbildet. Zusätzlich wird der Reibungszustand der einzelnen Kontakte berücksichtigt. Eine Validierung erfolgt mittels experimentellen Traktionskurven eines Zweischeibenprüfstandes. Um eine realistische Modellierung der Reib- und Normalkräfte zu ermöglichen, sind genaue Kenntnisse über die Lage und theoretische Starrkörperdurchdringung des Kontaktes notwendig. Für den Kontakt zwischen Wälzkörperstirn und Bord wird ein neuer semi-analytischer Kontaktfindungsalgorithmus entwickelt, implementiert und mit vorhandenen Kontaktfindungsmethoden verglichen. Der Vergleich zeigt eine deutliche geringere Rechenzeit bei erhöhter numerischer Stabilität der neuen Methode auf. Zur Berechnung der Schmierfilmhöhe stehen analytische Gleichungen zur Verfügung. Ein Abgleich vorhandener Gleichungen mit Ergebnissen eines Elastohydrodynamik-Simulationsprogramms weist starke Abweichungen für längsangeströmte Kontakte auf. Daher wird eine neue analytische Formel für längsangeströmte Kontakte, wie sie beispielsweise zwischen Wälzkörperstirn und Bord auftreten, entwickelt. Sowohl im Vergleich mit Simulationsergebnissen als auch mit Interferometriemessungen ist die neue Formel signifikant präziser als bisherige Gleichungen. Basierend auf den genannten Verbesserungen wird mittels des kommerziellen Simulationsprogramms MSC ADAMS ein Mehrkörpersimulationsmodell für vollrollige Zylinderrollenlager entwickelt. Die Ergebnisse der Simulation werden mit experimentell ermittelten Schlupfwerten qualitativ verglichen. Der Vergleich findet unter Variation von Radial- und Axialkraft, Innenringdrehzahl und Öltemperatur statt. Die Simulation ermöglicht eine detaillierte Analyse der Wirkzusammenhänge innerhalb des Wälzlagers. Darauf basierend werden die physikalischen Effekte, welche die Abhängigkeiten des Wälzkörperschlupfes von den untersuchten Betriebsparametern verursachen, untersucht und dargestellt.
description: This thesis deals with dynamic simulations of roller bearings. It allows for the modeling of dynamic behavior of individual rollers considering transient radial and axial loads as well as effects related to inertia. The analytical modeling of friction forces and rolling resistances incorporates rheological fluid behavior and surface properties of the bearing according to state-of-the-art research. In addition, the lubrication regime of each contact is taken into consideration. Friction force calculation is validated through comparison with traction curves obtained by a twin-disc machine. Exact knowledge of the location and theoretical rigid body penetration of a contact are essential input parameters for calculating friction and normal forces. For roller-flange contacts, a new semi-analytical contact detection algorithm is developed, implemented and benchmarked with state-of-the-art contact detection methods. The comparison shows a significantly reduced runtime and higher numerical stability. Film thickness can be calculated using analytical formulas. An evaluation of currently available formulas with elastohydrodynamic simulation results shows considerable deviation for slender elliptic contacts. Therefore, a new analytical formula is derived for slender contacts, e.g. contacts between roller end and flange. The new formula proves to be considerably more accurate than current equations regarding both simulation results and interferometry measurements. Based upon the stated improvements, a multibody simulation model of full-complement roller bearings is developed. Simulation results are qualitatively compared with experimental roller slip measurements. This comparison includes variation of radial and axial load, oil temperature and rotational speed of the inner ring. The simulation allows for a detailed analysis of the cause-effect relationships within the bearing. As a result, physical dependencies of the roller slip on the operating parameters are presented.