Astratto

L'offset della convessità dei rulli ha un effetto significativo sulla durata dei cuscinetti a rulli conici. Attraverso l'analisi degli elementi finiti, questo documento discute le variazioni della sollecitazione da contatto tra i rulli e le piste degli anelli interno ed esterno dei cuscinetti quando il centro convessità dei rulli conici si sposta verso entrambe le estremità in determinate condizioni di carico. I risultati mostrano che il centro di convessità dei rulli conici può spostarsi verso l'estremità grande del rullo entro un certo intervallo; se si supera questo intervallo, si verificherà una notevole differenza di sollecitazione su entrambe le estremità del rullo, portando al cedimento prematuro del cuscinetto. Inoltre, il centro convessità dei rulli non deve spostarsi verso l'estremità piccola del rullo. Per migliorare la durata a fatica da contatto dei cuscinetti, è necessario determinare lo spostamento consentito della convessità dei rulli.

Parole chiave: cuscinetto a rulli conici; offset della convessità; stress da contatto; analisi agli elementi finiti

1 Introduzione

I cuscinetti a rulli conici presentano i vantaggi di resistere contemporaneamente a carichi assiali e radiali, elevata capacità di carico-, attrito volvente ridotto, elevata rigidità e facilità di installazione. Sono ampiamente utilizzati in grandi apparecchiature meccaniche come automobili, ferrovie, macchine utensili, miniere e metallurgia. L'errore di offset della convessità durante la lavorazione dei rulli con convessità logaritmica e l'errore di offset dei rulli durante l'assemblaggio hanno un impatto importante sulle prestazioni di servizio e sulla durata. Pertanto, è necessario determinare un intervallo di errore ragionevole.

La determinazione dell'offset della convessità ha un significato guida per la progettazione e l'applicazione dei cuscinetti a rulli conici. Il riferimento utilizza il metodo degli elementi finiti per analizzare la distribuzione delle sollecitazioni dei cuscinetti a rulli cilindrici in determinate condizioni di carico e fornisce l'offset della convessità da controllare durante la modifica dei rulli con curva logaritmica analizzando l'offset dei rulli. Il riferimento analizza la formula per il calcolo della durata applicabile a diversi rulli modificati, indicando che la modifica della curva logaritmica ha una certa importanza per migliorare la durata dei cuscinetti. In questo documento, il cuscinetto a rulli conici a doppia-corona 353112 viene preso come esempio per l'analisi degli elementi finiti per studiare l'intervallo ragionevole del suo offset di convessità e la sua influenza sulla distribuzione dello stress da contatto.

2 Modello agli elementi finiti dei cuscinetti a rulli conici

2.1 Offset convessità dei rulli

La progettazione e la lavorazione dei rulli conici tengono conto principalmente dei requisiti relativi alle caratteristiche della superficie di lavoro, ovvero la convessità e la superficie di base sferica del rullo. Per i rulli con convessità con curva logaritmica, è possibile ottenere diversi livelli di convessità su entrambe le estremità del rullo spostando leggermente il centro della lunghezza effettiva del rullo come origine delle coordinate verso l'estremità grande del rullo. Il diagramma schematico dell'offset di convessità del rullo della curva logaritmica è mostrato nella Figura 1. L'errore di offset della convessità di un rullo conico si riferisce all'offset s tra il punto simmetrico sul rullo della curva logaritmica modificata e l'origine delle coordinate o.

Figura 1: diagramma schematico dell'offset di convessità del rullo della curva logaritmica

2.2 Modellazione

Il diagramma schematico strutturale del cuscinetto a rulli conici a doppia- fila 353112 per i mozzi delle ruote di autocarri è mostrato nella Figura 2 e i principali parametri strutturali sono elencati nella Tabella 1.

Figura 2: diagramma schematico della struttura del cuscinetto a rulli conici

Tabella 1 Principali parametri strutturali del cuscinetto

Il materiale del cuscinetto è GCr15, il coefficiente di attrito da contatto tra il rullo e le superfici della pista interna ed esterna è 0,1, il modulo elastico del materiale è 206 GPa e il rapporto di Poisson è 0,3. Il carico normale massimo sul rullo è 7.000 N. A causa della sua struttura simmetrica, è necessario stabilire solo un modello a 1/2 elementi finiti.

Quando si stabilisce il modello con un software a elementi finiti, gli smussi e i bordi che hanno poca influenza sulle sollecitazioni del cuscinetto vengono ignorati e non vengono considerati gli effetti del gioco assiale, del gioco radiale e del film di olio lubrificante sulle sollecitazioni da contatto. Il tipo di elemento adotta un elemento Solid185 a 8-nodi, con 3 gradi di libertà per nodo, che può essere utilizzato per simulare strutture solide omogenee. Dopo aver tagliato le posizioni di contatto tra le piste dell'anello interno ed esterno e i rulli, la dimensione complessiva dell'elemento viene impostata per la divisione della rete mappata e per le altre parti viene adottato il metodo di divisione della rete con scansione. L'elemento mesh minimo nella parte crittografata è inferiore alla lunghezza della metà della larghezza del contatto, come mostrato nella Figura 3.

Figura 3: Modello agli elementi finiti

Le coppie di contatto vengono create con gli anelli interno ed esterno del cuscinetto come superficie target e la superficie del rullo come superficie di contatto, con un coefficiente di attrito da contatto di 0,1. Impostazioni delle condizioni al contorno: vincoli simmetrici vengono applicati a ciascuna sezione del cuscinetto, la superficie esterna dell'anello esterno è completamente vincolata a causa dell'accoppiamento con interferenza con la sede del cuscinetto e il grado di libertà assiale dell'anello interno è vincolato. Durante il caricamento, il nodo al centro di simmetria dell'anello interno viene preso come nodo principale, i nodi adiacenti vengono selezionati come nodi slave, quindi tutti i nodi sulla superficie interna dell'anello interno vengono accoppiati con il grado di libertà (radiale) della direzione y- e il carico viene applicato sul nodo principale.

3 Risultati e analisi

Senza offset della convessità, la distribuzione delle sollecitazioni lungo la direzione della generatrice del rullo tra il rullo e le piste dell'anello interno ed esterno è mostrata nella Figura 4. Si può vedere che il valore massimo della sollecitazione tra il rullo e l'anello interno si trova nella posizione leggermente a sinistra del centro del rullo. Tuttavia, il valore massimo di sollecitazione tra il rullo conico e l'anello esterno è vicino al centro del rullo e la distribuzione delle sollecitazioni è simmetrica e uniforme.

Figura 4: Sollecitazione da contatto tra il rullo e gli anelli interno ed esterno senza offset di convessità

Quando il centro convessità del rullo si sposta di 0,4 mm verso l'estremità grande del rullo e di 0,2 mm verso l'estremità piccola del rullo, la distribuzione della sollecitazione da contatto tra il rullo e la pista dell'anello interno lungo la generatrice del rullo è mostrata nella Figura 5 e la sollecitazione da contatto non è distribuita simmetricamente e uniformemente.

Figura 5: Sollecitazione da contatto tra il rullo e la pista interna quando il centro di convessità del rullo si sposta

Quando il centro convessità del rullo si sposta verso entrambe le estremità, le variazioni dello stress da contatto tra entrambe le estremità del rullo e la pista dell'anello interno sono mostrate nella Figura 6. Dalla Figura 6a si può vedere che nelle stesse condizioni, all'aumentare dello spostamento della convessità, la sollecitazione da contatto sull'estremità piccola del rullo diminuisce gradualmente, mentre la sollecitazione da contatto sull'estremità grande del rullo aumenta rapidamente. Quando l'offset aumenta a più di 0,2 mm, la differenza nella sollecitazione da contatto tra entrambe le estremità del rullo aumenta rapidamente. La situazione in cui il centro convessità si sposta verso l'estremità piccola del rullo è mostrata nella Figura 6b. All'aumentare dell'offset, la differenza nella sollecitazione da contatto tra entrambe le estremità del rullo inizia ad aumentare in modo significativo. Si può vedere che l'offset della convessità della generatrice del rullo porterà all'asimmetria e alla non-uniformità dello stress da contatto tra entrambe le estremità del rullo e la pista.

Figura 6: Influenza dell'offset della convessità sulla sollecitazione da contatto tra le due estremità del rullo e la pista interna

La Figura 7 è una valutazione quantitativa dell'influenza dell'offset della convessità sullo stress da contatto su entrambe le estremità del rullo. All'aumentare dell'offset della convessità, la differenza relativa nella sollecitazione da contatto tra entrambe le estremità del rullo aumenta in modo non-lineare. Quando lo spostamento di convessità verso l'estremità grande è maggiore di 0,1 mm, la differenza relativa nella sollecitazione da contatto tra entrambe le estremità del rullo aumenta rapidamente, indicando che uno spostamento di 0,1 mm verso l'estremità grande rappresenta un punto di svolta. A questo punto, la differenza relativa tra entrambe le estremità del rullo è di circa il 20%, il che soddisfa l'errore relativo massimo consentito del 25% in ingegneria. Tuttavia, quando il centro di convessità si sposta verso l'estremità piccola, la differenza relativa nella sollecitazione da contatto tra entrambe le estremità del rullo è elevata e non soddisfa le condizioni ingegneristiche. Pertanto, per soddisfare l'uniformità e la simmetria della distribuzione delle sollecitazioni del cuscinetto a rulli conici 353112, il centro di convessità del rullo con curva logaritmica deve essere controllato entro 0,1 mm di sfasamento verso l'estremità grande e non verso l'estremità piccola.

Figura 7: Relazione tra l'offset del centro di convessità e la differenza di sollecitazione relativa tra entrambe le estremità del rullo)

4 Conclusione

Quando si modificano i rulli con curva logaritmica, l'offset del centro di convessità dei rulli deve essere rigorosamente controllato; in caso contrario, lo stress da contatto presenterà un'asimmetria complessa. Il centro convessità può spostarsi moderatamente verso l'estremità larga. Per il cuscinetto 353112, il centro di convessità del rullo deve essere controllato entro 0,1 mm di sfasamento verso l'estremità grande e il centro di convessità non deve essere sfalsato verso l'estremità piccola del rullo.

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