Dynamic simulation of cylindrical roller bearings

Qian, Weihua; Jacobs, Georg

doi:999910337507

Dynamic simulation of cylindrical roller bearings = Dynamische Simulation von Zylinderrollenlagern

Qian, Weihua (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Weihua Qian

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangVI, 129 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jacobs, Georg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-12-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-49034
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229010/files/4903.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (411710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Zylinderrollenlager (Genormte SW) ; Simulation (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; dynamische Simulation (frei) ; dynamic simulation (frei) ; cylindrical roller bearings (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein dreidimensionales Simulationsmodell für Zylinderrollenlager, basierend auf der Mehrkörpersimulationssoftware SIMPACK und der Programmiersprache FORTRAN entwickelt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines universellen Programms zur Berechnung des dynamischen Verhaltens von Zylinderrollenlagern. Das Programm integriert den überwiegenden Teil der Funktionen wie beispielsweise das Scheibenmodell, die gegenseitigen Einflüsse von benachbarten Scheiben, das grundlegende dreidimensionale Simulationsmodell, die Berechnung der Schmierfilmhöhe und Dämpfungskräfte, das Radialspiel, das Spiel zwischen Wälzkörper und Käfigtasche, die Fliehkräfte und die Hysterese der Dämpfungskräfte gemäß Stand der Technik aus bestehenden Programmen. Die im Rahmen der vorgelegten Arbeit entstandenen Funktionserweiterungen können wie folgt zusammengefasst werden:1) Die Wälzkörper-Tasche Kontaktsteifigkeiten werden berücksichtigt und mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse berechnet. 2) Die drei Typen von Käfigführungen, die Rollenführung, Innenringführung und Außenringführung werden detailliert modelliert.3) Die Geometrie der Käfigtasche wird für die Kontakterkennung berücksichtigt.4) Die Elastizität des Käfigs wird durch den Import reduzierter Finite-Elemente-Modelle abgebildet.Dieses erweiterte Modell des Zylinderrollenlagers wird mit Messungen validiert und zeigt eine gute Übereinstimmung. Außerdem werden zur weiteren Plausibilisierung des Modellverhaltens aber auch zur Erweiterung des Verständnisses des dynamischen Verhaltens von Zylinderrollenlagern – wie beispielsweise Schlupf des Wälzkörpers, Wälzkörper-Tasche Kontaktkräfte und Orbitalverhalten des Käfigs – Parametervariationen im Hinblick auf unterschiedliche Käfigmaterialien, Käfigführungen, Radialspiele sowie Spiele zwischen Wälzkörper und Käfigtasche durchgeführt. Schließlich wird das Lager-Modell in ein bestehendes MKS-Modell einer Windenergieanlage und zwar in das Hauptgetriebe der Anlage integriert, um eine Plausibilisierung des Lagermodells anhand bekannter Verhaltensweisen der Lager in Windenergieanlagen zu überprüfen. Durch die Weiterentwicklung des Simulationsmodells wird der heute etablierte Funktionsumfang erweitert und damit die Lagerauslegung in der Projektierung aber auch das Verständnis grundlegender dynamischer Wirkzusammenhänge bei der Entwicklung von Zylinderrollenlagern verbessert.

In this work, a three-dimensional dynamic simulation model for cylindrical roller bearings is developed based on multi-body-simulation software SIMPACK and programming language FORTRAN. The aim of this work is to build a universal program to calculate the dynamic behavior of cylindrical roller bearings. This simulation model integrates major part of the functionalities according to the state of the art of existing programs which are: the slice model, the mutual influences of neighboring slices, the basic three-dimensional model, the calculation of lubricant film thickness and damping forces, the radial clearance, the roller-pocket clearance, the centrifugal forces and the hysteresis damping forces. The extended functionalities in this work can be summarized as follows:1) Roller-pocket contact stiffness is taken into account and calculated with the help of finite element analysis. 2) The three types of cage guidance are modeled in details which are roller guidance, inner ring guidance and outer ring guidance.3) The geometry of cage pocket is modeled for contact detection.4) The elasticity of cage is built through importing the reduced finite element models.This extended model of cylindrical roller bearings is validated with the measurements and shows good agreement. Furthermore, for further plausibility of this model and also extension of the understanding of the dynamic behavior of cylindrical roller bearings such as roller slip, roller-pocket contact forces and cage mass center orbit, parameter variations in terms of different cage materials, cage guidance, radial clearances, roller-pocket clearances, are carried out. Lastly the bearing model is integrated in an existing multi-body-simulation model of a wind turbine namely in the main gearbox, in order to check the plausibility of this bearing model in wind turbines, based on the known behaviors of bearings. Through the further development of simulation model, the current established range of functions is extended. Thus the interpretation of bearings in engineering as well as the understanding of fundamental dynamic interactions during the design of cylindrical roller bearings is improved.

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