製造誤差とリングの柔軟性を考慮した4点接触旋回軸受における荷重分布と摩擦トルク

Kernkonzepte

製造誤差とリングの柔軟性を考慮することで、4点接触旋回軸受の荷重分布と摩擦トルクをより正確に計算できる。

Zusammenfassung

本稿では、ボールの予圧、製造誤差、リングの柔軟性を考慮した、4点接触旋回軸受における荷重分布計算の新しい方法論が紹介されている。

荷重分布モデルの構築

• 従来の剛体リングを仮定したモデル（Rigid-BIME）を拡張し、有限要素法を用いてリングの柔軟性を考慮したモデル（Flexible-BIME）を開発。
• Flexible-BIMEモデルでは、リングの剛性マトリックスを有限要素法の静的縮退法を用いて取得し、解析モデルに組み込んでいる。
• これにより、リングの変形が接触干渉に与える影響を考慮することが可能となり、より現実的な荷重分布計算が可能となる。

摩擦トルク計算への応用

• Flexible-BIMEモデルで得られた荷重分布の結果を用いて、摩擦トルク計算を行う。
• 摩擦トルク計算には、剛体リングを仮定した有限要素モデル（Rigid-FEM）を使用する。
• Flexible-BIMEモデルでリングの柔軟性を考慮しているため、摩擦トルク計算にはRigid-FEMモデルで十分である。

結果と考察

• リングの柔軟性を考慮することで、アイドル状態での接触干渉が減少し、より滑らかな分布になることが示された。
• これは、リングがボールと軌道面の接触荷重によって変形するためである。
• また、予圧が増加するにつれて、接触干渉の分布がより滑らかになることも示された。
• 外部荷重が加わった場合、リングの柔軟性は荷重分布に大きな影響を与えないことがわかった。

新しいアプローチの利点

• 従来の方法と比較して、計算コストを大幅に削減できる。
• リングの柔軟性を考慮することで、より正確な結果を得ることができる。

今後の展望

• 本稿で提案された方法論は、他のタイプの転がり軸受にも適用できる可能性がある。
• 軸受の動的挙動に及ぼす製造誤差とリングの柔軟性の影響を調査する必要がある。

Statistiken

軸受の平均直径：1500.00 mm
ボール直径：35.00 mm
軌道面半径：18.56 mm
初期接触角：45°
静軸方向耐荷重：6318.9 kN

Zitate

Wichtige Erkenntnisse aus

Load distribution and friction torque in four-point contact slewing bearings considering manufacturing errors and ring flexibility

by Iker Heras, ... um arxiv.org 11-06-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.02905.pdf

Tiefere Fragen

本稿で提案された方法論は、異なる動作条件（例：高速回転、高温）でどのように機能するのか？

本稿で提案された方法論は、主に低速回転時やアイドル状態での旋回軸受の挙動解析を目的としています。高速回転時や高温環境下では、以下の要素が軸受の挙動に影響を与えるため、モデルの適用範囲外となる可能性があります。

遠心力の影響: 高速回転時は、ボールにかかる遠心力が大きくなり、荷重分布や接触角が変化します。本稿のモデルでは、遠心力の影響は考慮されていません。
熱膨張の影響: 高温環境下では、軸受の各部品で熱膨張が生じ、寸法変化や内部すきまに影響を与えます。本稿のモデルでは、熱膨張の影響は考慮されていません。
潤滑状態の変化: 高速回転時や高温環境下では、潤滑油の粘度変化や油膜形成状態の変化が生じ、摩擦トルクに影響を与えます。本稿のモデルでは、これらの潤滑状態の変化は考慮されていません。
高速回転時や高温環境下での解析を行うためには、これらの要素を考慮したモデルの拡張が必要となります。

リングの製造誤差を考慮すると、結果はどう変わるのか？

リングの製造誤差は、旋回軸受の荷重分布、剛性、摩擦トルクに無視できない影響を与えます。本稿で提案されたFlexible-BIMEモデルは、リングの形状誤差を考慮することで、より現実に近い解析結果を得ることが可能となります。
具体的には、製造誤差があると、ボールと軌道面の接触点が設計値からずれた位置になるため、荷重が偏ったり、局所的に高い荷重が発生したりする可能性があります。その結果、軸受の寿命低下や、予期せぬ振動・騒音の発生につながる可能性があります。
Flexible-BIMEモデルでは、FE解析を用いてリングの形状誤差をモデルに組み込むことで、これらの影響を精度良く評価することができます。これにより、製造誤差の影響を最小限に抑えた軸受設計が可能となります。

本稿で提案されたモデルは、旋回軸受の設計最適化にどのように活用できるのか？

本稿で提案されたFlexible-BIMEモデルは、旋回軸受の設計最適化に以下の点で貢献します。

高精度な性能予測: リングの形状誤差や弾性変形を考慮することで、荷重分布、剛性、摩擦トルクをより正確に予測できます。
設計パラメータの評価: ボール径、軌道面の形状、予圧量などの設計パラメータが、軸受性能に与える影響を定量的に評価できます。
試作・実験の削減: 多くの設計案を計算機上で効率的に評価することで、試作・実験の回数を減らし、開発期間の短縮とコスト削減に貢献します。
具体的には、Flexible-BIMEモデルを用いて、以下の設計最適化が可能となります。

荷重分布の均一化: 軌道面の形状や予圧量を調整することで、ボール間の荷重分担を均一化し、軸受寿命を向上させることができます。
剛性の向上: リングの形状や板厚を最適化することで、軸受全体の剛性を向上させることができます。
摩擦トルクの低減: ボール径や接触角を調整することで、摩擦トルクを低減し、回転トルクを低減できます。
このように、Flexible-BIMEモデルは、旋回軸受の設計最適化に有効なツールとなり、高性能・高信頼性・低コストな軸受開発に貢献します。