Resumo

O deslocamento da convexidade dos rolos tem um efeito significativo na vida útil dos rolamentos de rolos cônicos. Através da análise de elementos finitos, este artigo discute as mudanças na tensão de contato entre os rolos e as pistas dos anéis interno e externo dos rolamentos quando o centro de convexidade dos rolos cônicos se desloca em direção a ambas as extremidades sob certas condições de carga. Os resultados mostram que o centro de convexidade dos rolos cônicos pode se deslocar em direção à extremidade maior do rolo dentro de uma certa faixa; se exceder esta faixa, ocorrerá uma grande diferença de tensão em ambas as extremidades do rolo, levando à falha prematura do rolamento. Além disso, o centro de convexidade dos rolos não deve deslocar-se em direção à extremidade pequena do rolo. Para melhorar a vida útil dos rolamentos em fadiga de contato, é necessário determinar o deslocamento de convexidade permitido dos rolos.

Palavras-chave: rolamento de rolos cônicos; deslocamento de convexidade; estresse de contato; análise de elementos finitos

1 Introdução

Os rolamentos de rolos cônicos têm as vantagens de suportar cargas axiais e radiais simultaneamente, grande capacidade de carga-, pequeno atrito de rolamento, alta rigidez e fácil instalação. Eles são amplamente utilizados em grandes equipamentos mecânicos, como automóveis, ferrovias, máquinas-ferramentas, minas e metalurgia. O erro de deslocamento de convexidade durante a usinagem de rolos de convexidade logarítmica e o erro de deslocamento de rolo durante a montagem têm impactos importantes em seu desempenho e vida útil. Portanto, é necessário determinar uma faixa de erro razoável.

A determinação do deslocamento da convexidade tem um significado orientador para o projeto e aplicação de rolamentos de rolos cônicos. A referência usa o método dos elementos finitos para analisar a distribuição de tensão dos rolamentos de rolos cilíndricos sob certas condições de carga e fornece o deslocamento da convexidade a ser controlado durante a modificação dos rolos da curva logarítmica, analisando o deslocamento do rolo. A referência analisa a fórmula de cálculo de vida útil aplicável a diferentes rolos modificados, indicando que a modificação da curva logarítmica tem certo significado para melhorar a vida útil do rolamento. Neste artigo, o rolamento de rolos cônicos de duas carreiras 353112 é tomado como exemplo de análise de elementos finitos para estudar a faixa razoável de seu deslocamento de convexidade e sua influência na distribuição da tensão de contato.

2 Modelo de elementos finitos de rolamentos de rolos cônicos

2.1 Deslocamento de convexidade do rolo

O projeto e a usinagem de rolos cônicos consideram principalmente os requisitos para as características de sua superfície de trabalho, ou seja, a convexidade e a superfície de base esférica do rolo. Para rolos de convexidade de curva logarítmica, diferentes quantidades de convexidade em ambas as extremidades do rolo podem ser obtidas movendo ligeiramente o centro do comprimento efetivo do rolo como a origem coordenada em direção à extremidade maior do rolo. O diagrama esquemático do deslocamento da convexidade do rolo da curva logarítmica é mostrado na Figura 1. O erro de deslocamento da convexidade de um rolo cônico refere-se ao deslocamento s entre o ponto simétrico no rolo da curva logarítmica modificado e a origem da coordenada o.

Figura 1: Diagrama esquemático do deslocamento de convexidade do rolo de curva logarítmica

2.2 Modelagem

O diagrama esquemático estrutural do rolamento de rolos cônicos de duas carreiras 353112 para cubos de rodas de caminhão é mostrado na Figura 2, e os principais parâmetros estruturais estão listados na Tabela 1.

Figura 2: Diagrama esquemático da estrutura do rolamento de rolos cônicos

Tabela 1 Principais Parâmetros Estruturais do Rolamento

O material do rolamento é GCr15, o coeficiente de atrito de contato entre o rolo e as superfícies interna e externa da pista é 0,1, o módulo de elasticidade do material é 206 GPa e o coeficiente de Poisson é 0,3. A carga normal máxima no rolo é de 7.000 N. Devido à sua estrutura simétrica, apenas um modelo de 1/2 elemento finito precisa ser estabelecido.

Ao estabelecer o modelo com software de elementos finitos, os chanfros e arestas que têm pouca influência na tensão do rolamento são ignorados e os efeitos da folga axial, folga radial e película de óleo lubrificante na tensão de contato não são considerados. O tipo de elemento adota um elemento Solid185 de 8-nós, com 3 graus de liberdade por nó, que pode ser usado para simular estruturas sólidas homogêneas. Depois de cortar as posições de contato entre as pistas dos anéis interno e externo e os rolos, o tamanho geral do elemento é definido para a divisão da malha mapeada e o método de divisão da malha varrida é adotado para outras peças. O elemento mínimo da malha na parte criptografada é menor que o comprimento da meia largura do contato, conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3: Modelo de Elementos Finitos

Os pares de contato são criados com os anéis interno e externo do rolamento como superfície alvo e a superfície do rolo como superfície de contato, com um coeficiente de atrito de contato de 0,1. Configurações de condição de limite: restrições simétricas são aplicadas a cada seção do rolamento, a superfície externa do anel externo é totalmente restringida devido ao ajuste interferente com o assento do rolamento e o grau de liberdade axial do anel interno é restringido. Ao carregar, o nó no centro de simetria do anel interno é considerado o nó mestre, os nós adjacentes são selecionados como nós escravos e, em seguida, todos os nós na superfície interna do anel interno são acoplados ao grau de liberdade da direção y- (radial) e a carga é aplicada no nó mestre.

3 Resultados e Análise

Sem deslocamento de convexidade, a distribuição de tensão ao longo da direção da geratriz do rolo entre o rolo e as pistas do anel interno e externo é mostrada na Figura 4. Pode-se observar que o valor máximo da tensão entre o rolo e o anel interno está localizado na posição ligeiramente à esquerda do centro do rolo. No entanto, o valor máximo da tensão entre o rolo cônico e o anel externo está próximo ao centro do rolo e a distribuição da tensão é simétrica e uniforme.

Figura 4: Tensão de contato entre o rolo e os anéis interno e externo sem deslocamento de convexidade

Quando o centro de convexidade do rolo se desloca 0,4 mm em direção à extremidade maior do rolo e 0,2 mm em direção à extremidade menor do rolo, a distribuição da tensão de contato entre o rolo e a pista do anel interno ao longo da geratriz do rolo é mostrada na Figura 5, e a tensão de contato não é distribuída simétrica e uniformemente.

Figura 5: Tensão de contato entre o rolo e a pista interna quando o centro de convexidade do rolo se desloca

Quando o centro de convexidade do rolo se desloca em direção a ambas as extremidades, as mudanças na tensão de contato entre ambas as extremidades do rolo e a pista do anel interno são mostradas na Figura 6. Pode ser visto na Figura 6a que, sob as mesmas condições, à medida que o deslocamento da convexidade aumenta, a tensão de contato na extremidade pequena do rolo diminui gradualmente, enquanto a tensão de contato na extremidade maior do rolo aumenta rapidamente. Quando o deslocamento aumenta para mais de 0,2 mm, a diferença na tensão de contato entre ambas as extremidades do rolo aumenta rapidamente. A situação em que o centro da convexidade se desloca em direção à extremidade menor do rolo é mostrada na Figura 6b. À medida que o deslocamento aumenta, a diferença na tensão de contato entre ambas as extremidades do rolo começa a aumentar significativamente. Pode-se observar que o deslocamento da convexidade da geratriz do rolo levará à assimetria e à não-uniformidade da tensão de contato entre ambas as extremidades do rolo e a pista.

Figura 6: Influência do deslocamento de convexidade na tensão de contato entre ambas as extremidades do rolo e da pista interna

A Figura 7 é uma avaliação quantitativa da influência do deslocamento da convexidade na tensão de contato em ambas as extremidades do rolo. À medida que o deslocamento da convexidade aumenta, a diferença relativa na tensão de contato entre ambas as extremidades do rolo aumenta de forma não-linear. Quando o deslocamento da convexidade em direção à extremidade maior é maior que 0,1 mm, a diferença relativa na tensão de contato entre ambas as extremidades do rolo aumenta rapidamente, indicando que o deslocamento de 0,1 mm em direção à extremidade maior é um ponto de viragem. Neste momento, a diferença relativa entre ambas as extremidades do rolo é de cerca de 20%, o que atende ao erro relativo máximo permitido de 25% em engenharia. Contudo, quando o centro de convexidade se desloca em direção à extremidade pequena, a diferença relativa na tensão de contato entre ambas as extremidades do rolo é grande e não atende às condições de engenharia. Portanto, para atender à uniformidade e simetria da distribuição de tensão do rolamento de rolos cônicos 353112, o centro de convexidade do rolo de curva logarítmica deve ser controlado dentro de um deslocamento de 0,1 mm em direção à extremidade grande e não deve ser deslocado em direção à extremidade menor.

Figura 7: Relação entre o deslocamento do centro de convexidade e a diferença de tensão relativa entre ambas as extremidades do rolo)

4 Conclusão

Ao modificar os rolos da curva logarítmica, o deslocamento do centro de convexidade do rolo deve ser estritamente controlado; caso contrário, a tensão de contato exibirá uma assimetria complexa. O centro de convexidade pode compensar moderadamente em direção à extremidade maior. Para o rolamento 353112, o centro de convexidade do rolo deve ser controlado dentro de um deslocamento de 0,1 mm em direção à extremidade maior, e o centro de convexidade não deve ser deslocado em direção à extremidade menor do rolo.

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