Silindirik makaralı rulmanlarda makara ucu-flanş geometrisinin rulman yorulma ömrüne etkisi
The effect of roller end-flange geometry on the bearing fatigue life in cylindrical roller bearings
Yazar: RAMAZAN BAYRAK
Danışman: DOÇ. DR. AHMET SAĞIRLI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Rulmanlar = Bearings ; Silindirik parçalar = Cylindrical parts ; Temas direnci = Faying resistance ; Yorulma ömrü = Fatigue life

Özet:
Bu tez çalışmasında; farklı radyal/eksenel yük ve iç bilezik açısal sapması gibi yükleme faktörlerini de göz önünde bulundurarak, makara ucu-flanş konstrüksiyonunun rulman ömrüne olan etkileri araştırılmıştır. Bu kapsamda, rulman ömrünü etkileyen başlıca geometrik ve yükleme faktörlerinin girdi olduğu bir silindirik makaralı rulman modeli MATLAB programında oluşturulmuştur. Oluşturulan model sayesinde; başlıca geometrik ve yükleme faktörlerinin rulman ömrüne olan etkileri hesaplanabilmektedir. Rulman iç yük dağılımı hesabında dilimleme tekniği kullanılırken, makara ve yuvarlanma yolları arasındaki temas basınçları ve yüzeyaltı gerilmeleri elastik yarım uzay varsayımıyla hesaplanmıştır.
Oluşturulan rulman nümerik modelinden elde edilen rulman iç yük dağılım sonuçları, literatürden alınan sayısal ve deneysel sonuçlarla doğrulanmıştır. Tez çalışmasının ana konusu olan makara ucu-flanş geometrisinin rulman ömrüne etkilerinin araştırılması kapsamında, küresel makara ucu ve konik flanş içeren bir silindirik makaralı rulmanda, flanş açısının rulman ömrüne olan etkileri çeşitli dış yüklemeler altında araştırılmıştır. 
Küresel makara ucu ve konik flanş haricinde; toroidal-toroidal, toroidal-konik, küresel-toroidal gibi makara ucu-flanş çifti için literatürde mevcut olmayan, flanş deformasyonunun yeni matematiksel ifadeleri türetilmiştir. Makara ucu ve flanşın her iki düzlemdeki eğrilik yarıçapları oranlarının değişiminin rulman ömrüne olan etkileri araştırılmıştır. Bunun yanında, eğrilik yarıçapları oranlarındaki değişime karşın makara ucu-flanş temas basıncındaki değişimler de incelenmiştir. 
Küresel makara ucu ve konik flanş için; radyal ve eksenel yük altında, flanş açısı belirli bir değere kadar arttıkça rulman ömrünün düştüğü ve ardından ömür üzerindeki düşürücü etkisinin azaldığı görülmüştür. Radyal yük ve iç bileziğin açısal sapma hareketi altında, düşük iç bilezik açısal sapmalarında flanş açısı arttıkça rulman ömrü artarken, yüksek açısal sapmalarda flanş açısının belirli bir değerine kadar rulman ömrünün düştüğü ve sonra ömrün arttığı gözlemlenmiştir. 
Toroidal makara ucu ve toroidal flanş için; makara ucu ve flanş toroidal geometriye geçerken rulman ömrünün arttığı görülmüştür.  Bunun yanında, konik flanş içeren bir silindirik makaralı rulmanda makara ucu küresel geometriden toroidal geometriye geçerken makara ucu-flanş temas basınçlarının arttığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this thesis study; the effects of roller end-flange construction on bearing life are investigated, taking into account loading factors such as different radial/axial loads and inner ring angular misalignment. In this context, a mathematical model of the cylindrical roller bearing is created in the MATLAB software, in which the main geometric and loading factors affecting the bearing life are input. By means of the mathematical model; the effects of the main geometric and loading factors on the bearing life can be calculated. While the slicing technique is used in the bearing internal load distribution calculation, the contact pressures and subsurface stresses between the roller and raceways are calculated with the assumption of elastic half space.
Bearing internal load distribution results obtained from the bearing numerical model are verified with numerical and experimental results from the literature. Within the scope of investigating the effects of roller end-flange geometry on bearing life, which is the main subject of the thesis study, the effects of flange angle on bearing life for a cylindrical roller bearing with spherical roller end and conical flange are investigated under various external loads.
Except for the spherical roller end and the conical flange; for roller end-flange pairs such as toroidal-toroidal, toroidal-conical, and spherical-toroidal, novel mathematical expressions of the flange deformation which is not available in the literature are derived. The effect of the variation of the ratios of curvature radii of the roller end and flange in both principal planes on the bearing life is investigated. Besides, the changes in the contact pressure between the roller end and flange versus the changes in ratios of curvature radii are investigated.
For spherical roller end and conical flange; it has been observed that under radial and axial loads, as the flange angle increases up to a certain value, the bearing life decreases and then the reducing effect on the life decreases. Under radial load and angular misalignment of the inner ring, it has been observed that the bearing life increases as the flange angle increases for small inner ring angular misalignments. However, for high angular misalignments, the bearing life decreases up to a certain value of the flange angle and then increases.
For toroidal roller end and toroidal flange; it is observed that the bearing life increases when the roller end and flange change to toroidal geometry. In addition, it has been observed that the roller end-flange contact pressures increase as the roller end changes from spherical geometry to toroidal geometry in a cylindrical roller bearing with a conical flange.