Wirsching S, Bartz M (2023)
Publication Type: Journal article
Publication year: 2023
Original Authors: Sven Wirsching, Marcel Bartz
Book Volume: 69
Pages Range: 54-61
Issue: 5-6
In rib-guided roller bearings, there are a large number of different tribological contact forms. These include not only line contacts on the raceways, the cage and the rolling elements, but also point and elliptical contacts between the rolling element end face and the ring rib. Load is transmitted via these lubricated, concentrated rolling and rolling-sliding contacts. Depending on the load situation, these contacts contribute differently to the operating behavior of the roller bearing. Axial loads on rib-guided roller bearings are mainly transmitted via the point and elliptical contacts between the roller end and the ring rib. These oil-lubricated point and elliptical contacts can be calculated and designed using thermos-elastohydrodynamic (TEHD) simulations. In existing methods for the TEHD calculation of point and elliptical contacts, the macroscopic geometries of the contact partners are described in a simplified manner, similar to the theory according to HERTZ, using ellipsoids. However, contacts of real, complex geometry pairings of rolling elements and ribs, as used to optimize the axial load capacity or the frictional torque of roller bearings, can only be determined inaccurately with this method. Compared to the exact consideration of the macroscopic geometry, larger discrepancies in the lubricant film height, contact pressure and friction can be observed. For this reason, this paper presents a TEHD simulation that considers the exact macroscopic geometry of point or elliptical contacts. The macroscopic geometry is generated using mathematical functions and a ray-tracing method is used to generate the equivalent body for the TEHD simulation. Different geometry pairings of sphere, plane, cone and torus are investigated. The results for lubricant film height, contact pressure and friction are compared with the results from conventional TEHD simulations, which use a geometry description via ellipsoids. By comparing the calculated geometry pairings, the possibilities and limitations of the modified geometry description are assessed.
Bei bordgeführten Rollenlagern existiert eine Vielzahl von unterschiedlichen tribologischen Kontaktformen. So sind nicht nur Linienkontakte an den Laufbahnen, dem Käfig sowie den Wälzkörpern, sondern auch Punkt- und Ellipsenkontakte zwischen Wälzkörperstirnfläche und Ringbord vorhanden. Die Kraftübertragung erfolgt über diese geschmierten, konzentrierten Wälz- und Wälz-Gleit-Kontakte. Abhängig von der Belastungssituation tragen diese Kontakte unterschiedlich zum Betriebsverhalten des Rollenlagers bei. Axiale Lasten auf bordgeführte Rollenlager werden vorwiegend über die Punkt- und Ellipsenkontakte zwischen Rollenstirn und Ringbord übertragen. Diese ölgeschmierten Punkt- und Ellipsenkontakte können mit Hilfe von Thermo-Elastohydrodynamik (TEHD) Simulationen berechnet und ausgelegt werden. Bei bestehenden Methoden der TEHD Berechnung von Punkt- und Ellipsenkontakten werden die makroskopischen Geometrien der Kontaktpartner vereinfacht, ähnlich der Theorie nach HERTZ, über Ellipsoide beschrieben. Kontakte realer, komplexer Geometriepaarungen von Wälzkörper und Ringbord, wie sie zur Optimierung der axialen Belastbarkeit oder des Reibungsmomentes von Rollenlager eingesetzt werden, lassen sich damit allerdings nur ungenau ermitteln. Im Vergleich zur exakten Berücksichtigung der makroskopischen Geometrie sind größere Diskrepanzen in der Schmierfilmhöhe, des Kontaktdrucks und der Reibung zu verzeichnen. Aus diesem Grund wird in diesem Beitrag eine TEHD Simulation vorgestellt, welche die exakte makroskopische Geometrie des Punkt- bzw. Ellipsenkontaktes berücksichtigt. Die makroskopische Geometrie wird mit Hilfe von mathematischen Funktionen erzeugt und über ein Ray-Tracing Verfahren der Ersatzkörper für die TEHD Simulation generiert. Verschiedene Geometriepaarungen aus Kugel, Ebene, Kegel und Torus werden untersucht. Die Ergebnisse für Schmierfilmhöhe, Kontaktdruck und Reibung werden mit den Ergebnissen aus herkömmlichen TEHD Simulationen, welche eine Geometriebeschreibung über Ellipsoide verwendet, verglichen. Durch den Vergleich der berechneten Geometriepaarungen werden die Möglichkeiten und Grenzen der veränderten Geometriebeschreibung beurteilt.
APA:
Wirsching, S., & Bartz, M. (2023). Using exact macroscopic geometry in elastohydrodynamic simulations of point and elliptical contacts. Tribologie und Schmierungstechnik, 69, 54-61. https://dx.doi.org/10.24053/TuS-2022-0045
MLA:
Wirsching, Sven, and Marcel Bartz. "Using exact macroscopic geometry in elastohydrodynamic simulations of point and elliptical contacts." Tribologie und Schmierungstechnik 69 (2023): 54-61.
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