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WO2016035676A1 - ころ軸受の解析方法および解析システム - Google Patents

ころ軸受の解析方法および解析システム Download PDF

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WO2016035676A1
WO2016035676A1 PCT/JP2015/074277 JP2015074277W WO2016035676A1 WO 2016035676 A1 WO2016035676 A1 WO 2016035676A1 JP 2015074277 W JP2015074277 W JP 2015074277W WO 2016035676 A1 WO2016035676 A1 WO 2016035676A1
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WO
WIPO (PCT)
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roller
roller bearing
bearing
spring element
raceway
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2015/074277
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English (en)
French (fr)
Inventor
丹羽 健
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NTN Corp
Original Assignee
NTN Corp
NTN Toyo Bearing Co Ltd
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Publication date
Application filed by NTN Corp, NTN Toyo Bearing Co Ltd filed Critical NTN Corp
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/02Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/22Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]

Definitions

  • This invention relates to an analysis method and an analysis system for analyzing characteristics such as rigidity and life of a roller bearing.
  • Patent Document 1 discloses a method for analyzing a rolling bearing model having rolling elements such as balls and cylindrical rollers in which rolling elements are provided between the inner ring and the outer ring so as to be able to roll in the circumferential direction.
  • the finite element model creation unit divides the elements from the CAD data for the inner ring and the outer ring, replaces the rolling elements themselves with the same number of spring elements in the circumferential direction, and based on the radial clearance of the rolling bearing, Set the characteristic of displacement with respect to the load of the element and set the analysis model of the finite element. Then, the displacement, strain, and stress of the rolling bearing or the shaft or housing supported by the rolling bearing are obtained from the created analysis model.
  • the analysis system described in Patent Document 1 in the case of a ball bearing, the rolling element itself is replaced with one spring element, but in the case of a cylindrical roller bearing, the rolling element itself is replaced with a plurality of spring elements.
  • Non-Patent Document 1 In “Tribologist”, Vol. 48, No. 9 (2003) 765 to 772 (Non-Patent Document 1), in order to calculate the natural frequency of the outer ring of a tapered roller bearing to which an axial load is applied, a roller and a raceway surface are calculated. Assuming a vibration system due to elastic contact between the outer ring, the inertial moment system angular direction natural frequency and the outer ring mass system axial direction natural frequency are shown.
  • Non-patent Document 2 describes rolling elements and inner / outer rings in a bearing, and elements that contact outer rings and housings, respectively The use of spring elements in between is described.
  • the present invention provides a roller bearing analysis method and an analysis system for a roller bearing capable of analyzing a bearing that can reduce the influence of the axial movement of the roller and analyzing characteristics such as surface pressure and life. With the goal.
  • the present invention is an analysis method for analyzing a roller bearing including a roller and a bearing ring, the step of generating a finite element model of the roller bearing, a roller of the generated finite element model of the roller bearing, Using the step of generating a finite element model with a spring element added between the opposite race and the finite element model of a roller bearing with a spring element, the displacement of the spring element can be detected when a load is applied to the roller bearing. And a step of adding a spring element, starting from one of the rolling surface of the roller and the raceway surface of the raceway, extends in a direction away from the facing surface. Adding an appendage, and adding a pseudo-spring element that connects either the rolling surface of the roller or the raceway surface of the raceway to the tip of the appendage.
  • the roller bearing is a radial roller bearing
  • the pseudo spring element extends in a radial direction of the roller.
  • one end of the appendage is provided on the rolling surface of the roller, and the pseudo spring element is provided between the other end of the appendage and the raceway surface of the raceway, or one end of the appendage is provided on the raceway.
  • the pseudo spring element is provided between the other end of the appendage and the rolling surface of the rolling element.
  • the roller bearing is a spherical roller bearing including a spherical roller, and the tip of the additional member extends in the radial direction of the spherical roller and is positioned on the center of curvature of the raceway surface of the raceway ring.
  • Another aspect of the present invention is an analysis system for analyzing a roller bearing including a roller and a bearing ring, and inputs various data including dimensions relating to each part of the roller and the bearing ring, and clearances between the parts.
  • a finite element model creating means for creating a second finite element model of the roller bearing to which a pseudo spring element for connecting the tip of the appendage is added, and a finite element model creating means.
  • To under a load for the second finite element model of the bearing comprising an analysis means for analyzing the contact load on the basis of the displacement of the pseudo-spring element.
  • This analysis system can reduce the change in the length of the pseudo spring element even if the roller moves in the axial direction, so that the influence on the analysis of the contact load due to the movement of the roller in the axial direction can be reduced.
  • bearing analysis can be performed with less influence from axial movement, and characteristics such as surface pressure and life can be analyzed.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining the influence when the cylindrical roller slides in the axial direction.
  • a cylindrical roller bearing is analyzed by replacing the elastic contact stiffness between the raceway surfaces of the cylindrical roller 1 and the inner ring 2 and the outer ring 3 with a spring element 4 as described in Patent Document 1.
  • the inner ring 2 and the outer ring 3 are track rings.
  • a clearance C1 exists between the cylindrical roller 1 and the raceway surface of the inner ring 2 or the outer ring 3, and the length from the raceway surface of the inner ring 2 or the outer ring 3 to the center of rotation of the cylindrical roller 1 is L1.
  • the gap C1 is almost 0 or a minute value, and it is only necessary to evaluate the pushing amount of the cylindrical roller 1 in the radial direction. Therefore, even if the gap C1 exists, no problem occurs.
  • the spring element 4 is inclined by ⁇ 1 with respect to the radial direction of the cylindrical roller 1, and the spring element 4 has a length.
  • the length increases from L1 to L2.
  • FIGS. 2 and 3 are views showing an addition to the cylindrical roller bearing in order to explain an analysis method of the cylindrical roller bearing as an example of the radial bearing according to the embodiment of the present invention.
  • a pseudo spring element 7 added to a virtual appendage 5 is used instead of the spring element 4 shown in FIG. That is, a virtual additional material 5 extending from a rolling surface of the cylindrical roller 1 or a raceway surface of the raceway to a direction away from the facing surface is added to the rolling of the cylindrical roller 1.
  • a pseudo spring element 7 is added to connect one of the surface and the raceway surface of the raceway and the tip of the appendage 5.
  • the cylindrical roller 1 that operates as a rolling element is positioned between the inner ring 2 that operates as a raceway and the raceway surface of the outer ring 3 with a gap C3.
  • the appendage 5 is provided by providing a plurality of sufficiently long pseudo spring elements 7 between one end of the appendage 5 and the raceway surface of the outer ring 3 so that the cylindrical roller 1 slides in the axial direction. This is to reduce the influence of the inclination of the.
  • One end of the appendage 5 is provided on the rolling surface of the cylindrical roller 1 on the outer ring 3 side, and the tip of the appendage 5 extends to the inner ring 2 side.
  • One end of the pseudo spring element 7 is provided on the raceway surface that is a contact surface of the outer ring 3 with the cylindrical roller 1 across the cylindrical roller 1, and the other end of the pseudo spring element 7 is provided at the tip of the appendage 5.
  • the pseudo-spring element 7 is added in the radial direction with respect to the rolling surface of the cylindrical roller 1 and has a length L3. The reason why the pseudo spring element 7 is added in the radial direction is that the angle formed between the extending direction of the pseudo spring element 7 and the rolling surface of the cylindrical roller 1 is approximately 90 degrees.
  • the pseudo spring element 7 is a virtual element for analyzing the life of the cylindrical roller bearing using a model represented by a finite element method.
  • the amount of expansion / contraction with respect to the load of the pseudo spring element 7 is defined in advance or is obtained in advance by experiment or calculation.
  • the pseudo spring element 7 may be equivalent to a spring element that can be calculated by giving Young's modulus and Poisson's ratio as a cross-sectional area and material property values.
  • the finite element method is one of the methods for numerically obtaining an approximate solution of a differential equation that is difficult to solve analytically.
  • the region in which the equation is defined is divided into subregions (elements), and each subregion Approximate equations with a relatively simple and common interpolation function.
  • L3 is set to 100 times or more of the sliding amount of the cylindrical roller 1, the evaluation error of the change in the direction of the load and the gap can be made sufficiently small. Although it depends on the amount of slide, it is preferable to select L3> a cylindrical roller diameter as a guideline for L3.
  • the outer ring 3 is supported by a mounting hole of a housing (not shown), and a shaft (not shown) is fitted into a fitting hole (not shown) of the inner ring 2.
  • a shaft is rotatably supported with respect to a housing by a cylindrical roller bearing.
  • a load supported by the cylindrical roller 1 is referred to as a rolling element load, and the rolling element load is calculated in consideration of deformation due to contact between the cylindrical roller 1 and the raceway surfaces of the inner ring 2 and the outer ring 3.
  • the contact load based on the Hertzian contact model between the cylindrical roller 1 and the inner ring 2 and the outer ring 3 is analyzed using the displacement amount of the pseudo spring element 7 when a load is applied to the cylindrical roller 1 as a parameter.
  • the balance relationship of the three-dimensional cylindrical roller 1 considering not only the radial direction and the circumferential direction but also the axial movement can be obtained.
  • the Hertz contact model is a technique for analyzing stress or pressure applied to elastic contact portions such as a spherical surface and a spherical surface, a cylindrical surface and a cylindrical surface, and an arbitrary curved surface and curved surface (“Mechanical Engineering Handbook” Design Edition ⁇ 4 machine) Element / Tribology (2005) 145-147).
  • FIG. 4 and 5 are conceptual diagrams for explaining a method for analyzing a cylindrical roller bearing according to another embodiment of the present invention.
  • the appendage 5 and the pseudo spring element 7 are provided only on the inner ring 2 side.
  • the embodiment shown in FIG. Are respectively provided on the inner ring 2 and outer ring 3 side of the cylindrical roller 1, and as shown in FIG. 4B, a pseudo spring element is provided between the rolling surface of the cylindrical roller 1 on the outer ring 3 side and the tip side of the appendage 5.
  • 7 is arranged in the radial direction
  • the pseudo spring element 8 is arranged in the radial direction between the rolling surface of the cylindrical roller 1 on the inner ring 2 side and the tip of the appendage 6.
  • one end of the appendage 5 is arranged on the raceway surface of the inner ring 2, and one end of the appendage 6 is arranged on the raceway surface of the outer ring 3.
  • a pseudo spring element 7 is arranged in the radial direction between the tip of the appendage 5 and the rolling surface on the inner ring 2 side of the cylindrical roller 1, and the tip of the appendage 6.
  • a pseudo spring element 8 is arranged in the radial direction between the portion and the rolling surface of the cylindrical roller 1 on the outer ring 3 side.
  • FIG. 6 is a view showing an example in which an additional material is provided on a spherical roller of a spherical roller bearing (self-aligning bearing) according to another embodiment of the present invention.
  • the spherical roller 1 a uses a convex curved surface generated when a circular arc having a certain radius is rotated around its central axis as a rolling surface.
  • the inner ring raceway surface of the inner ring 2a and the outer ring raceway surface of the outer ring 3a have a spherical shape centered on the bearing center.
  • the center of curvature of the raceway surface of the outer ring 3a is P1
  • the center of curvature of the raceway surface of the inner ring 2a is P2.
  • the centers of curvature P1 and P2 are on an extension line in the radial direction with respect to the rolling surface on the inner ring 2a side and the rolling surface on the outer ring 3a side of the spherical roller 1a.
  • the tip of the appendage 5 is provided at the center of curvature P1, and the other end of the appendage 5 is provided on the rolling surface of the spherical roller 1a on the inner ring 2a side.
  • the tip of the appendage 6 is provided at the center of curvature P2, and the other end of the appendage 6 is provided on the outer ring 3a side rolling surface of the spherical roller 1a.
  • a plurality of pseudo spring elements 7 are provided between the center of curvature P1 of the appendage 5 and the raceway surface of the outer ring 3a, and a plurality of pseudo spring elements 8 are provided between the center of curvature P2 of the appendage 6 and the raceway surface of the inner ring 2a. Is added. Since the pseudo spring elements 7 and 8 are respectively provided in the radial direction, the angle formed by the extension direction of the pseudo spring elements 7 and 8 and the rolling surface of the spherical roller 1a can be approximately 90 degrees. In the same manner as described above, it is possible to mitigate the influence when an action is applied to the spherical roller 1a in the axial direction.
  • FIG. 7 is a block diagram of a rolling bearing analysis system according to an embodiment of the present invention.
  • the analysis device 30 includes an input unit 31 that operates as input means, a control unit 32, a memory 33, and an output unit 34.
  • the input unit 31 is operated by an operator so that, for example, the cylindrical roller 1, the inner ring 2, the outer ring 3, the additions 5 and 6, and the pseudo spring elements 7 and 8 shown in FIG. Enter design data including clearance.
  • the control unit 32 is configured by, for example, a CPU, and includes a finite element model generation unit 35 for a bearing, a finite element model generation unit 36 for a shaft and a housing, a finite element model coupling unit 37, an adduct generation unit 38, a pseudo A spring element generation unit 39 and an analysis unit 40 that operates as analysis means are included.
  • the bearing finite element model generating unit 35, the shaft and housing finite element model generating unit 36, and the finite element model coupling unit 37 operate as a finite element model generating means.
  • the bearing finite element model generation unit 35 is based on various design data input from the input unit 31, for example, a three-dimensional finite element of a cylindrical roller bearing including the cylindrical roller 1, the inner ring 2, and the outer ring 3. Generate a model.
  • the shaft or housing finite element model generation unit 36 generates a three-dimensional finite element model of the shaft or housing to be fitted to the inner ring 2 based on various design data input from the input unit 31.
  • the finite element model coupling unit 37 couples the generated finite element model of the cylindrical roller bearing and the three-dimensional finite element model of the shaft and the housing.
  • the adduct generation unit 38 generates a finite element model of the additions 5 and 6 including virtual finite elements and rigid elements
  • the pseudo spring element generation unit 39 generates the pseudo spring elements 7 and 8.
  • the analysis unit 40 loads the cylindrical roller bearing using a finite element model obtained by adding the appendages 5 and 6 and the pseudo spring elements 7 and 8 to the finite element model of the cylindrical roller bearing fitted to the shaft or the housing. The displacement amount of the pseudo spring elements 7 and 8 under load is analyzed.
  • the memory 33 temporarily stores various data input from the input unit 31 and outputs the data to the control unit 32, or a bearing finite element model generation unit 35, a shaft or housing finite element model generation unit 36, a finite element model coupling unit. 37, the output images of the addition product generation unit 38 and the pseudo spring element generation unit 39 are stored, and the data analyzed by the analysis unit 40 is stored.
  • the output unit 34 includes, for example, a printer and a display.
  • FIG. 8 is a flowchart for explaining the operation of the rolling bearing analysis system according to the embodiment of the present invention.
  • the operator obtains data of the shaft and the housing, the cylindrical roller 1 constituting the cylindrical roller bearing, the inner ring 2, the outer ring 3, the appendage 5, and the pseudo spring elements 7 and 8. Input from the input unit 31.
  • Various rolling bearing data may be input in advance from the input unit 31 and stored in the memory 33, and the operator may read out desired data when analysis is necessary.
  • the shaft / housing finite element model generation unit 36 of the control unit 32 generates a finite element model of the shaft / housing to which the cylindrical roller bearing is fitted.
  • the bearing finite element model generator 35 generates a finite element model of the cylindrical roller bearing.
  • the finite element model coupling unit 37 couples the finite element model of the shaft or housing and the finite element model of the cylindrical roller bearing to generate a finite element model.
  • step S4 the adduct generation unit 38 generates adducts 5 and 6 including finite elements and rigid elements, and generates a finite element model obtained by adding the adducts 5 and 6 to the finite element model of the cylindrical roller bearing.
  • one end of the appendage 5 is provided on the outer ring 3 side rolling surface of the cylindrical roller 1
  • one end of the appendage 6 is provided on the inner ring 2 side rolling surface.
  • one end of the appendage 5 is provided on the inner ring 2
  • one end of the appendage 6 is provided on the outer ring 3.
  • one end of the appendage 5 is provided on the inner ring 2a side rolling surface of the spherical roller 1a, and one end of the appendage 6 is provided on the outer ring 3a side rolling surface.
  • step S5 the pseudo spring element generation unit 39 generates the pseudo spring elements 7 and 8, and adds the generated pseudo spring elements 7 and 8 to the model to which the appendages 5 and 6 are added.
  • a pseudo spring element 7 is added between the tip of the appendage 5 and the raceway surface of the outer ring 3, and between the tip of the appendage 6 and the raceway surface of the inner ring 2.
  • the pseudo spring element 8 is added to the above.
  • a pseudo spring element 7 is added between the tip of the appendage 5 and the inner ring 2 side rolling surface of the cylindrical roller 1, and the tip of the appendage 6 and the cylinder
  • a pseudo spring element 8 is added between the outer ring 3 side rolling surface of the roller 1.
  • a pseudo spring element 7 is added between the center of curvature P1 and the raceway surface of the outer ring 3a, and a pseudo spring element 8 is added between the center of curvature P2 and the raceway surface of the inner ring 2a.
  • step S6 the analysis unit 40 determines the displacement amount, load, and finite element of the pseudo spring elements 7 and 8 when a load is applied to the shaft of each roller bearing to which the appendages 5 and 6 and the pseudo spring elements 7 and 8 are added. Analyze characteristic values such as model deformation and stress, bearing surface pressure and life.
  • the finite element model of the roller bearing including the shaft and the housing generated in steps S1 to S3 is defined as the first finite element model, and the adduct is added in steps S4 and S5.
  • a finite element model to which a pseudo spring element is added is defined as a second finite element model.
  • the finite element model before adding the appendage and the pseudo spring element is referred to as a first finite element model
  • the finite element model to which the appendage and the pseudo spring element are added is referred to as a second finite element model. .
  • the pseudo spring elements 7 and 8 when a load is applied to the cylindrical roller bearing, the pseudo spring elements 7 and 8 are extended and the gap C3 shown in FIG. 2B is increased like C4.
  • L4 is selected to be sufficiently large. Therefore, ⁇ 2 is approximately 90 degrees, and the influence of the inclination of the pseudo spring elements 7 and 8 can be reduced. Therefore, based on the displacement amount and load of the spring element when the value of the load is changed, the total deformation amount of the cylindrical roller 1, the stress and deformation of the shaft shaft and the housing, and the bearing life can be calculated.
  • data such as the mounting position, bearing internal specifications, and clearance for prolonging the life of the cylindrical roller bearing may be obtained from the life analysis result.
  • the contact surface pressure and life can be determined from a Hertz contact model based on the spring load.
  • the oil film thickness can be obtained from the rotational speed and the transfer speed, or the PV value of the soot can be obtained.
  • the PV value is expressed as the product of the surface pressure P and the sliding speed V, and is used to determine the allowable operating range of the bearing material.
  • the present invention can be applied not only to radial bearings but also to thrust bearings.
  • This invention is used to analyze the characteristics of cylindrical roller bearings, tapered roller bearings and spherical roller bearings.

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Abstract

 ころ軸受の第1の有限要素モデルを生成し、生成されたころ軸受の第1の有限要素モデルのころ(1,1a,1b)の転動面と、軌道輪(2、3)の軌道面とのうちのいずれか一方を起点として、それらの対向面から離れる方向に延びる付加物(5,6)を付加し、ころ(1,1a,1b)の転動面と、軌道輪(2,3)の軌道面のうちのいずれか他方と、付加物(5,6)の先端部とを疑似ばね要素で接続した第2の有限要素モデルを作成し、ころ軸受に荷重をかけたときの疑似ばね要素(7,8)の変位に基づいて接触荷重を解析する。

Description

ころ軸受の解析方法および解析システム
 この発明は、ころ軸受の剛性や寿命などの特性を解析するための解析方法および解析システムに関する。
 内輪と外輪との間に転動体が周方向に転動可能に設けられた、玉や円筒ころ等の転動体を有する転がり軸受のモデルの解析方法が特許第5445258号公報(特許文献1)に記載されている。この方法は、有限要素モデル作成部によって、CADデータから内輪および外輪について要素分割するとともに、転動体自体を周方向において同一数のばね要素に置き換え、転がり軸受の径方向のクリアランスに基づいて、ばね要素の荷重に対する変位の特性を設定して有限要素の解析モデルを設定する。そして、作成された解析モデルに対して、転がり軸受、または転がり軸受に支持されるシャフトあるいはハウジングの変位、ひずみ、応力を求める。特許文献1に記載の解析システムでは、玉軸受の場合は転動体自体を1つのばね要素に置き換えているが、円筒ころ軸受の場合は転動体自体を複数のばね要素に置き換えている。
 また、「トライボロジスト」第48巻第9号(2003)765~772(非特許文献1)には、アキシアル荷重が加わる円錐ころ軸受の外輪の固有振動数を計算するために、ころと軌道面間の弾性接触による振動系を想定し、外輪慣性モーメント系角方向固有振動数および外輪質量系軸方向固有振動数の計算式を示すことが記載されている。
 さらに、「日本機械学会論文集」第78巻790号(2012-6)2278~2291(非特許文献2)には、軸受内部における転動体と内外輪および、外輪とハウジングのそれぞれの接触する要素間にばね要素を用いることが記載されている。
 実際の軸受解析では、半径方向、周方向のみならず、軸方向移動も考慮した3次元の軸受解析が必要となる。しかし、いずれの文献にも、転動体をばね要素に置き換えるか、あるいは転動体と軌道輪との間にばね要素を設けることが記載されているものの、ころ軸受の軸方向移動を考慮して軸受解析を行うことについて記載していない。
特許第5445258号公報
「トライボロジスト」第48巻第9号(2003)765~772 「日本機械学会論文集」第78巻790号(2012-6)2278~2291
 そこで、この発明はころ軸受において、ころの軸方向の移動による影響を少なくできる軸受解析が可能であって、面圧や寿命などの特性を解析できるころ軸受の解析方法および解析システムを提供することを目的とする。
 この発明は、ころと、軌道輪とを含むころ軸受を解析するための解析方法であって、ころ軸受の有限要素モデルを生成するステップと、生成されたころ軸受の有限要素モデルのころと、それに対向する軌道輪との間にばね要素を付加した有限要素モデルを生成するステップと、ばね要素を付加したころ軸受の有限要素モデルを用いて、ころ軸受に対する荷重負荷時に、ばね要素の変位に基づいて接触荷重を解析するステップとを備え、ばね要素を付加するステップは、ころの転動面および軌道輪の軌道面のうちのいずれか一方を起点として、それらの対向面から離れる方向に延びる付加物を付加することと、ころの転動面および軌道輪の軌道面のうちのいずれか他方と、付加物の先端部とを接続する疑似ばね要素を付加することとを含む。
 この発明では、ころが軸方向に移動しても疑似ばね要素の長さの変化を少なくできるので、ころの軸方向への移動による接触荷重の解析に与える影響を少なくできる。
 好ましくは、ころ軸受は、ラジアルころ軸受であって、疑似ばね要素は、ころの径方向に延びる。疑似ばね要素を径方向に延びるように設けることで、ころが軸方向に移動しても疑似ばね要素の傾きを少なくできるので、その影響を少なくできる。より好ましくは、疑似ばね要素は、ころの径よりも長くすることにより、ころが軸方向に移動したときの影響をさらに少なくできる。
 好ましくは、付加物の一端は、ころの転動面に設けられ、疑似ばね要素は付加物の他端と軌道輪の軌道面との間に設けられるか、あるいは付加物の一端は、軌道輪の軌道面に設けられ、疑似ばね要素は付加物の他端と転動体の転動面との間に設けられる。
 好ましくは、ころ軸受は、球面ころを含む球面ころ軸受であって、付加物の先端部は、球面ころの半径方向に延びて、軌道輪の軌道面の曲率中心上に位置する。このように付加物を設けることで、球面ころが軸方向に移動しても疑似ばね要素の傾きを少なくできるので、軸方向への移動に対する影響を少なくできる。
 この発明の他の局面は、ころと、軌道輪とを含むころ軸受を解析するための解析システムであって、ころと軌道輪の各部品に関する寸法、各部品同士のクリアランスを含む各種データを入力するための入力手段と、入力手段によって入力された各種データに基づいて、ころを含むころ軸受の第1の有限要素モデルを生成し、生成された第1の有限要素モデルにおけるころの転動面および軌道輪の軌道面のうちのいずれか一方を起点として、それらの対向面から離れる方向に延びる付加物を付加するとともに、ころの転動面および軌道輪の軌道面のうちのいずれか他方と、付加物の先端部とを接続する疑似ばね要素を付加したころ軸受の第2の有限要素モデルを作成する有限要素モデル作成手段と、有限要素モデル作成手段によって作成された軸受の第2の有限要素モデルに対する荷重負荷時に、疑似ばね要素の変位に基づいて接触荷重を解析する解析手段を備える。
 この解析システムにより、ころが軸方向に移動しても疑似ばね要素の長さの変化を少なくできるので、ころの軸方向への移動による接触荷重の解析に与える影響を少なくできる。
 この発明によれば、軸方向の移動による影響を少なくして軸受解析が可能であって、面圧や寿命などの特性を解析できる。
円筒ころ軸受に軸方向荷重が加わったときの影響を説明するための概念図である。 この発明の一実施形態の円筒ころ軸受の解析方法を説明するために、円筒ころ軸受に付加物と疑似ばね要素を付加して示した図である。 この発明の一実施形態の円筒ころ軸受の解析方法を説明するために、疑似ばね要素を省略して円筒ころと付加物とを示した図である。 この発明の他の実施形態の円筒ころ軸受の解析方法を説明するための概念図である。 この発明のさらに他の実施形態の円筒ころ軸受を示す概念図である。 この発明のその他の実施形態の球面ころ軸受を示す概念図である。 この発明の一実施形態の円筒ころ軸受解析システムのブロック図である。 この発明の一実施形態の円筒ころ軸受解析システムの動作を説明するためのフローチャートである。
 以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。
 図1は、円筒ころが軸方向にスライドしたときの影響を説明するための概念図である。図1(a)において、特許文献1に記載されているように円筒ころ1と内輪2や外輪3の軌道面間の弾性接触剛性をばね要素4に置き換えて円筒ころ軸受を解析する。内輪2と外輪3は軌道輪となる。円筒ころ1と内輪2または外輪3の軌道面との間にすき間C1が存在し、内輪2または外輪3の軌道面から円筒ころ1の回転中心までの長さをL1とする。軸受を解析するときにすき間C1はほぼ0あるいは微小値となり、円筒ころ1の半径方向の押し込み量を評価できればよいので、すき間C1が存在しても、問題は生じない。
 図1(b)に示すように、円筒ころ1が矢印Aに示す方向に荷重が加わってスライドすると、ばね要素4は円筒ころ1の径方向に対してθ1だけ傾き、ばね要素4が長さL1からL2のように長くなる。このとき、内輪2または外輪3と円筒ころ1との間のすき間が、図1(c)に示すように、C2=C1+(L2-L1)、C2>C1となり、大きめに(圧縮量が小さめに)評価されてしまう。
 図2および図3は、この発明の一実施形態のラジアル軸受の一例の円筒ころ軸受の解析方法を説明するために、円筒ころ軸受に付加物を付加して示した図である。
 この発明の一実施形態では、図1に示したばね要素4に代えて、仮想的な付加物5に付加された疑似ばね要素7を用いる。すなわち、円筒ころ1の転動面および軌道輪の軌道面のうちのいずれか一方を起点として、それらの対向面から離れる方向に延びる仮想的な付加物5を付加し、円筒ころ1の転動面および軌道輪の軌道面のうちのいずれか他方と、付加物5の先端部とを接続する疑似ばね要素7を付加する。
 図2(a)に示すように、転動体として作動する円筒ころ1は、軌道輪として作動する内輪2と外輪3の軌道面との間に、それぞれすき間C3を有して位置している。付加物5を設けるのは、付加物5の一端と外輪3の軌道面との間に十分長い複数の疑似ばね要素7を設けて、円筒ころ1が軸方向にスライドしたときの疑似ばね要素7の傾きの影響を小さくするためである。
 付加物5の一端は円筒ころ1の外輪3側の転動面に設けられ、付加物5の先端部は内輪2側に延びている。疑似ばね要素7の一端は、円筒ころ1を跨いで外輪3の円筒ころ1との当接面である軌道面に設け、疑似ばね要素7の他端は付加物5の先端部に設けられる。疑似ばね要素7は、円筒ころ1の転動面に対して径方向に付加されており、長さをL3とする。疑似ばね要素7を径方向に付加するのは、疑似ばね要素7の延びる方向と、円筒ころ1の転動面とがなす角度をほぼ90度にするためである。
 ここで、疑似ばね要素7とは、有限要素法で表したモデルを用いて円筒ころ軸受の寿命などを解析するための仮想的なものである。疑似ばね要素7の荷重に対する伸縮量などは、予め定義しておくか、実験あるいは計算などによって予め求められる。また、疑似ばね要素7として、断面積および材料物性値としてヤング率とポアソン比を与えて計算できるようなばね要素と等価なものを用いてもよい。有限要素法とは、解析的に解くことが難しい微分方程式の近似解を数値的に得る方法の一つであり、方程式が定義された領域を小領域(要素)に分割し、各小領域における方程式を比較的単純で共通な補間関数で近似する。
 図2(b)に示すように、円筒ころ1が矢印A方向へスライド量δだけスライドすると、疑似ばね要素7は伸びてL3<L4となる。このとき、すき間C3は不変のはずであるが、疑似ばね要素7が伸びたことにより、計算上、図2(c)に示すようにC4=C3+(L4-L3)となり、すき間C4がすき間C3よりも増加する。L3=L4cosθ2であるので、C4=C3+L4(1-cosθ2)となる。ただし、L3(≒L4)が十分大きいとき、L4と外輪3の軌道面とのなす角度はほぼ90度、θ2≒0になるので、L4(1-cosθ2)≒0、すなわち、C4≒C3となり、疑似ばね要素7の傾きの影響が小さくなると考えられる。
 次に補足のため、図3を参照して、円筒ころ1のスライド量δに対して、C4とC3との差ΔC=C4-C3が十分小さいことを示し、C4≒C3となることについて説明する。
 ΔC=C4-C3は三平方の定理より
   =√(L3+δ)-L3
   =L3×(1+(δ/L3)0.5-L3で示され、テーラ展開すると、
   ≒L3×(1+0.5×(δ/L3))-L3
   ≒0.5×L3×(δ/L3)
 つまり、ΔC≒0.5×(δ/L3)×δ
仮に、δ=0.1mm、L3=10mmとすると、
ΔC≒0.05×δ(=0.005×0.1=0.0005)
 よって、L3を円筒ころ1のスライド量の100倍以上にとれば,概ね荷重の向きの変化やすき間の評価誤差を十分小さくできる。スライド量にもよるが、L3の目安は、L3>円筒ころ径程度に選ぶのが好ましい。
 円筒ころ軸受は、外輪3が図示しないハウジングの取付孔によって支持され、内輪2の図示しない嵌合孔に図示しないシャフトが嵌合される。これにより、シャフトが円筒ころ軸受によってハウジングに対して回転可能に支持される。円筒ころ軸受は、シャフトを介して荷重が加わると、軸受内部では円筒ころ1が荷重を分担して支持する。円筒ころ1が支持する荷重を転動体荷重と称し、転動体荷重は円筒ころ1と内輪2および外輪3の軌道面との接触による変形を考慮して算出される。
 この実施形態では、円筒ころ1に対する荷重負荷時の疑似ばね要素7の変位量をパラメータとして、円筒ころ1と、内輪2および外輪3との間のヘルツ接触モデルなどに基づく接触荷重を解析することで、半径方向、周方向のみならず、軸方向移動も考慮した3次元の円筒ころ1の釣合関係を求めることができる。
 ここで、ヘルツ接触モデルとは、球面と球面、円柱面と円柱面、任意の曲面と曲面などの弾性接触部分にかかる応力あるいは圧力を解析する手法である(「機械工学便覧」デザイン編β4 機械要素・トライボロジー(2005)145~147)。
 図4、図5はこの発明の他の実施形態の円筒ころ軸受の解析方法を説明するための概念図である。図2では説明の簡略化のために、内輪2側にのみ付加物5と疑似ばね要素7とを設けたが、図4(a)に示した実施形態は、仮想的な付加物5,6をそれぞれ円筒ころ1の内輪2および外輪3側に設け、図4(b)に示すように、円筒ころ1の外輪3側の転動面と付加物5の先端側との間に疑似ばね要素7を径方向に配置し、円筒ころ1の内輪2側の転動面と付加物6の先端部との間に疑似ばね要素8を径方向に配置したものである。
 図5(a)に示した例は、付加物5の一端を内輪2の軌道面に配置し、付加物6の一端を外輪3の軌道面に配置したものである。そして、図5(b)に示すように、付加物5の先端部と円筒ころ1の内輪2側の転動面との間に疑似ばね要素7を径方向に配置し、付加物6の先端部と円筒ころ1の外輪3側の転動面との間に疑似ばね要素8を径方向に配置する。
 図4および図5に示した実施形態においても、軸方向変化による疑似ばね要素7,8への影響を小さくできるため、荷重の向きの変化が微小になり、円筒ころ1の転動面と、内輪2および外輪3の軌道面との間のすき間の評価誤差もわずかになる。なお、円筒ころ1に代えて円錐ころを用いてもよい。
 図6は、この発明のその他の実施形態の球面ころ軸受(自動調心軸受)の球面ころに付加物を設けた例を示す図である。図6において、球面ころ1aは、その中心軸の周りに、ある半径をもった円弧を回転させたとき生じる凸曲面を転動面とする。内輪2aの内輪軌道面および外輪3aの外輪軌道面は、軸受中心を中心とする球状をしている。
 外輪3aの軌道面の曲率中心をP1とし、内輪2aの軌道面の曲率中心をP2とする。曲率中心P1,P2は球面ころ1aの内輪2a側の転動面および外輪3a側の転動面に対して径方向の延長線上にある。付加物5の先端部は、曲率中心P1に設け、付加物5の他端は、球面ころ1aの内輪2a側転動面に設ける。付加物6の先端部は、曲率中心P2に設け、付加物6の他端は、球面ころ1aの外輪3a側転動面に設ける。
 付加物5の曲率中心P1と外輪3aの軌道面との間に複数の疑似ばね要素7を設け、付加物6の曲率中心P2と、内輪2aの軌道面との間に複数の疑似ばね要素8を付加している。疑似ばね要素7,8はそれぞれ径方向に設けることにより、疑似ばね要素7,8の伸びる方向と、球面ころ1aの転動面とのなす角度をほぼ90度にすることができるので、図2の説明と同様にして、球面ころ1aに軸方向へ作用が加わったときの影響を緩和することができる。
 図7は、この発明の一実施形態の転がり軸受解析システムのブロック図である。
 図7において、解析装置30は、入力手段として作動する入力部31と、制御部32と、メモリ33と、出力部34とを含む。入力部31は、オペレータが操作することより、例えば図4に示した円筒ころ1と、内輪2と、外輪3と、付加物5,6と、疑似ばね要素7,8に関する寸法、各部品同士のクリアランスを含む設計上のデータを入力する。
 制御部32は例えばCPUによって構成されており、軸受の有限要素モデル生成部35と、シャフトやハウジングの有限要素モデル生成部36と、有限要素モデル結合部37と、付加物生成部38と、疑似ばね要素生成部39と、解析手段として作動する解析部40とを含む。軸受の有限要素モデル生成部35と、シャフトやハウジングの有限要素モデル生成部36と、有限要素モデル結合部37は有限要素モデル作成手段として作動する。
 軸受の有限要素モデル生成部35は、入力部31から入力された設計上の各種データに基づいて、例えば円筒ころ1と、内輪2と、外輪3とを含む円筒ころ軸受の3次元の有限要素モデルを生成する。シャフトやハウジングの有限要素モデル生成部36は、入力部31から入力された設計上の各種データに基づいて、内輪2に嵌合するためのシャフトやハウジングの3次元の有限要素モデルを生成する。有限要素モデル結合部37は生成された円筒ころ軸受の有限要素モデルと、シャフトやハウジングの3次元の有限要素モデルとを結合する。
 付加物生成部38は仮想的な有限要素や剛体要素からなる付加物5,6の有限要素モデルを生成し、疑似ばね要素生成部39は疑似ばね要素7,8を生成する。解析部40は、シャフトやハウジングに嵌合された円筒ころ軸受の有限要素モデルに対して付加物5,6と、疑似ばね要素7,8を付加した有限要素モデルを用いて円筒ころ軸受に対する荷重負荷時の疑似ばね要素7,8の変位量などを解析する。
 メモリ33は入力部31から入力された各種データを一時記憶して制御部32に出力したり、軸受の有限要素モデル生成部35,シャフトやハウジングの有限要素モデル生成部36,有限要素モデル結合部37,付加物生成部38,疑似ばね要素生成部39の出力画像を記憶したり、解析部40で解析されたデータを記憶する。出力部34は例えばプリンタやディスプレィなどを含む。
 図8は、この発明の一実施形態の転がり軸受解析システムの動作を説明するためのフローチャートである。
 オペレータは、円筒ころ軸受を解析するために、シャフトやハウジングと、円筒ころ軸受を構成する円筒ころ1と、内輪2と、外輪3と、付加物5と、疑似ばね要素7,8のデータを入力部31から入力する。なお、種々の転がり軸受のデータを予め入力部31から入力してメモリ33に記憶しておき、解析が必要なときにオペレータが所望のデータを読み出すようにしてもよい。
 図8に示すステップS1において、制御部32のシャフトやハウジングの有限要素モデル生成部36は、円筒ころ軸受が嵌装されるシャフトやハウジングの有限要素モデルを生成する。ステップS2において、軸受の有限要素モデル生成部35は、円筒ころ軸受の有限要素モデルを生成する。ステップS3において、有限要素モデル結合部37は、シャフトやハウジングの有限要素モデルと、円筒ころ軸受の有限要素モデルとを結合して有限要素モデルを生成する。
 ステップS4において、付加物生成部38は、有限要素や剛体要素からなる付加物5,6を生成して、円筒ころ軸受の有限要素モデルに付加物5,6を付加した有限要素モデルを生成する。図4(a)に示した例では、円筒ころ1の外輪3側転動面に付加物5の一端を設け、内輪2側転動面に付加物6の一端を設ける。図5(a)に示した例では、内輪2に付加物5の一端を設け、外輪3に付加物6の一端を設ける。図6に示した例では、球面ころ1aの内輪2a側転動面に付加物5の一端を設け、外輪3a側転動面に付加物6の一端を設ける。
 ステップS5において、疑似ばね要素生成部39は疑似ばね要素7,8を生成し、生成した疑似ばね要素7,8を付加物5,6の付加されたモデルに付加する。図4(b)に示した例では、付加物5の先端部と外輪3の軌道面との間に疑似ばね要素7を付加し、付加物6の先端部と内輪2の軌道面との間に疑似ばね要素8を付加する。図5(b)に示した例では、付加物5の先端部と、円筒ころ1の内輪2側転動面との間に疑似ばね要素7を付加し、付加物6の先端部と、円筒ころ1の外輪3側転動面との間に疑似ばね要素8を付加する。図6に示した例では、曲率中心P1と、外輪3aの軌道面との間に疑似ばね要素7を付加し、曲率中心P2と、内輪2aの軌道面との間に疑似ばね要素8を付加する。
 ステップS6において、解析部40は付加物5,6と疑似ばね要素7,8を付加した各ころ軸受のシャフトなどに荷重をかけたときの疑似ばね要素7,8の変位量や荷重、有限要素モデルの変形や応力、軸受の面圧や寿命などの特性値を解析する。
 なお、図8に示した実施例では、ステップS1~S3で生成されたシャフトとハウジングとを含むころ軸受の有限要素モデルを第1の有限要素モデルと定義し、ステップS4,S5で付加物と疑似ばね要素を付加した有限要素モデルを第2の有限要素モデルと定義する。言い換えれば、付加物と疑似ばね要素とを付加する前の有限要素モデルを第1の有限要素モデルと称し、付加物と疑似ばね要素とを付加した有限要素モデルを第2の有限要素モデルと称する。
 この実施形態では、円筒ころ軸受に荷重が加えられたことにより、疑似ばね要素7,8が伸びて図2(b)に示すすき間C3がC4のように増加するが、L4が十分大きく選ばれているため、θ2はほぼ90度となり疑似ばね要素7,8の傾きの影響を小さくできる。したがって、荷重の値を変化させたときのばね要素の変位量や荷重に基づいて、円筒ころ1の全体の変形量や、シャフト軸やハウジングの応力や変形や軸受寿命を計算することができる。
 さらに、寿命の解析結果から円筒ころ軸受の寿命を長期化させるための取付位置、軸受内部諸元、クリアランス等のデータを求めるようにしてもよい。さらに、ばね荷重をもとにヘルツ接触モデルなどから接触面の面圧や寿命を求めることもできる。その他に、回転数、転送速度から油膜厚さを求めたり、鍔のPV値を求めたりすることもできる。PV値は、面圧Pと滑り速度Vの積として表され軸受材の使用可能な運転許容範囲を判定するために利用される。
 なお、本件発明はラジアル軸受のみならずスラスト軸受にも適用できる。
 この発明は、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受や球面ころ軸受の特性を解析するために利用される。
 1 円筒ころ、1a 球面ころ、2,2a 内輪、3,3a 外輪、5,6 付加物、7,8 疑似ばね要素、30 解析装置、31 入力部、32制御部、33 メモリ、34 出力部、35 軸受の有限要素モデル生成部、36 シャフトやハウジングの有限要素モデル生成部、37 有限要素モデル結合部、38 付加物生成部、39 疑似ばね生成部、40 解析部。

Claims (7)

  1.  ころと、軌道輪とを含むころ軸受を解析するための解析方法であって、
     前記ころ軸受の画像を生成するステップと、
     前記生成されたころ軸受の画像の前記ころと、それに対向する前記軌道輪との間にばね要素を付加するステップと、
     前記ばね要素を付加したころ軸受の有限要素モデルを用いて、前記ころ軸受に対する荷重負荷時に、前記ばね要素の変位に基づいて接触荷重を解析するステップとを備え、
     前記ばね要素を付加するステップは、
      前記ころの転動面および前記軌道輪の軌道面のうちのいずれか一方を起点として、それらの対向面から離れる方向に延びる有限要素や剛体要素からなる付加物を付加することと、
      前記ころの転動面および前記軌道輪の軌道面のうちのいずれか他方と、前記付加物の先端部とを接続する疑似ばね要素を付加することとを含む、ころ軸受の解析方法。
  2.  前記ころ軸受は、ラジアルころ軸受であって、
     前記疑似ばね要素は、前記ころの径方向に延びる、請求項1に記載のころ軸受の解析方法。
  3.  前記疑似ばね要素は、前記ころの径よりも長い、請求項1または2に記載のころ軸受の解析方法。
  4.  前記付加物の一端は、前記ころの転動面に設けられ、前記疑似ばね要素は前記付加物の他端と前記軌道輪の軌道面との間に設けられる、請求項1~3のいずれかに記載のころ軸受の解析方法。
  5.  前記付加物の一端は、前記軌道輪の軌道面に設けられ、前記疑似ばね要素は前記付加物の他端と前記転動体の転動面との間に設けられる、請求項1~3のいずれかに記載のころ軸受の解析方法。
  6.  前記ころ軸受は、球面ころを含む球面ころ軸受であって、
     前記付加物の先端部は、前記球面ころの半径方向に延びて、前記軌道輪の軌道面の曲率中心上に位置する、請求項1~3のいずれかに記載のころ軸受の解析方法。
  7.  ころと、軌道輪とを含むころ軸受を解析するための解析システムであって、
     前記ころと前記軌道輪の各部品に関する寸法、各部品同士のクリアランスを含む各種データを入力するための入力手段と、
     前記入力手段によって入力された各種データに基づいて、前記ころを含むころ軸受の第1の有限要素モデルを生成し、前記生成された第1の有限要素モデルにおける前記ころの転動面および前記軌道輪の軌道面のうちのいずれか一方を起点として、それらの対向面から離れる方向に延びる付加物を付加し、前記ころの転動面および前記軌道輪の軌道面のうちのいずれか他方と、前記付加物の先端部とを接続する疑似ばね要素を付加したころ軸受の第2の有限要素モデルを生成する有限要素モデル作成手段と、
     前記有限要素モデル作成手段によって作成された前記ころ軸受の第2の有限要素モデルに対する荷重負荷時に、前記疑似ばね要素の変位に基づいて接触荷重を解析する解析手段を備える、ころ軸受の解析システム。
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