Dynamic simulations of rolling element bearing cages

Abstract

In dieser Diplomarbeit werden die Ergebnisse dynamischer Simulationen von Wälzlagern betrachtet und diskutiert. Es wurden dazu zwei verschiedene Bauarten von Wälzlagern betrachtet. Diese sind das einreihige Schrägkugellager und das einreihige Zylinderrollenlager. Insgesamt beinhaltet diese Arbeit drei verschiedene Simulationen mit dem Ziel, Informationen über das Verhalten des Käfigs bei verschiedenen Betriebsbedingungen, wie hohe Drehzahlen, erhöhte axiale Lagerluft und/oder starke Verzögerung zu erhalten. Zur Sicherstellung einer angemessenen Übersichtlichkeit bzw. eines angemessenen Umfangs der Arbeit wurden nur Messing-Käfige betrachtet. Die verwendete Software ist eine von SKF entwickelte Mehrkörpersimulationssoftware mit dem Namen BEAST. Diese Software ist konzipiert, Mehrkörperprobleme mit auftretenden Kontakten zu behandeln. Sie ist außerdem in der Lage, flexible Körper in das Modell zu integrieren und kombiniert so die Mehrkörpersimulation mit Spannungsberechnungen. Das Hauptziel dieser Diplomarbeit besteht darin, die verwendete Software BEAST auf ihre praktische Anwendbarkeit zu testen. Deshalb wurden bewusst Betriebsbedingungen gewählt, die bereits auf Versuchsanordnungen getestet wurden. Ein weiterer Fokus lag bei der Schädigungsrechnung und darin, wie verschiedene Parameter, zum Beispiel die Oberflächenrauhigkeit oder Eigenspannungen, das Ergebnis beeinflussen. Die wesentliche Schlussfolgerung, die aus dieser Arbeit gezogen werden kann, ist die Erkenntnis, dass die Software BEAST ein gutes Instrument ist, um Tests, die an Prüfständen gemacht wurden, zu ergänzen und Kräfte, die im Inneren des Lagers auftreten, zu quantifizieren. Sie ist ebenfalls in der Lage, Anhaltspunkte über die Lebensdauer des Käfigs für die entsprechenden Betriebsbedingungen zu geben.

In this work, the results of dynamic simulations of rolling element bearings are presented and discussed. The focus is set on investigating the performance of the cage. Two variants of rolling element bearings are investigated, which are the Single Row Angular Contact Ball Bearing and the Single Row Cylindrical Roller Bearing. Overall, three simulations are included in this documentation with the goal to get information about the cage performance at high rotating speed, increased clearance and/or strong deceleration. In order to reduce the complexity of this document, only machined brass cages are investigated. The used software is a SKF simulation software for multi-body systems called BEAring Simulation Tool (BEAST). This tool offers the possibility to perform dynamic simulations of multi-body systems with occurring contacts. It is also able to handle flexible bodies and combines multi-body systems with stress calculation. The main goal of this work is to test the practicability of the software package BEAST. For this reason, also tests performed by the global test centre in Steyr were simulated. A further focus is set on fatigue calculation. The sensitivity of the results with respect to parameters, like surface roughness and residual stress due to manufacturing, are investigated. The main conclusion of this diploma thesis is, that the used software tool BEAST is useful for supplementing real tests and to get an idea of the occurring forces within the bearing and the life time of the cage in the investigated case.