JP5473814B2 - Dynamic stress analysis method and analysis system for bearing cage - Google Patents

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この発明は、円すいころ軸受等の転がり軸受における保持器の応力解析方法および応力解析システムに関し、運転中の転がり軸受の保持器に生じる応力を、動力学解析により数値計算する技術に関する。   The present invention relates to a stress analysis method and a stress analysis system for a cage in a rolling bearing such as a tapered roller bearing, and relates to a technique for numerically calculating a stress generated in the cage of the rolling bearing during operation by dynamic analysis.

転がり軸受の保持器の設計には、保持器の動的な挙動や応力履歴の把握が重要であり、その解明には動力学解析が有効である。従来、保持器が剛体のままでの動力学解析が存在し、保持器に作用する力を数値計算で求める技術が実用に供されている(たとえば非特許文献1参照)。前記数値計算で求めた保持器への干渉力をFEM(有限要素法)解析に導入し、保持器にかかる応力を計算することが考えられる。軸受全部品をFEMソフト上に導入し、その中で動力学計算をすることも考えられる(たとえば非特許文献2参照)。   For the design of rolling bearing cages, it is important to understand the dynamic behavior and stress history of the cages, and kinetic analysis is effective in elucidating them. Conventionally, there is a dynamic analysis in which the cage remains a rigid body, and a technique for obtaining a force acting on the cage by numerical calculation has been put to practical use (for example, see Non-Patent Document 1). It is conceivable to calculate the stress applied to the cage by introducing the interference force to the cage obtained by the above numerical calculation into FEM (finite element method) analysis. It is also conceivable to introduce all the bearing parts on the FEM software and perform dynamics calculation therein (for example, see Non-Patent Document 2).

上記非特許文献1に係る技術では、剛体のままで動力学解析するため、保持器の応力を計算することができない。また、前記数値計算で求めた保持器への干渉力に基づいて、保持器にかかる応力を計算する技術では、静的な場合は境界条件の設定が難しく、動的な場合は導入した干渉力自体に動的な変形の影響が含まれていないので、変形剛性の低い保持器では接触した瞬間の値からが大きくなり、これによる応力計算値も過大となる。そのため、解析精度の良い計算は難しい。
非特許文献2に係る技術は、軸受全部品をFEMソフト上に導入し、その中で動力学計算をするが、計算の自由度は要素数に比例して増加するため、計算時間を減らすための軸受解析仮定の簡易化が求められ、結果として高精度な保持器応力計算は難しい。
In the technique according to Non-Patent Document 1, since the dynamic analysis is performed with a rigid body, the stress of the cage cannot be calculated. In addition, in the technology that calculates the stress applied to the cage based on the interference force to the cage obtained by the numerical calculation, it is difficult to set the boundary condition in the static case, and the introduced interference force in the dynamic case. Since the effect of dynamic deformation is not included in itself, a cage having low deformation rigidity increases from the value at the moment of contact, and the calculated stress value is excessive. Therefore, it is difficult to calculate with high analysis accuracy.
The technology related to Non-Patent Document 2 introduces all bearing parts on the FEM software and calculates the dynamics in it, but the degree of freedom of calculation increases in proportion to the number of elements, so the calculation time is reduced. As a result, it is difficult to calculate the cage stress with high accuracy.

これらの課題を解決するものとして、保持器の弾性変形を考慮した動力学解析方法が提案されている(特許文献1)。保持器の応力計算は、モード合成法を用いている。   In order to solve these problems, a dynamic analysis method that takes into account the elastic deformation of the cage has been proposed (Patent Document 1). The stress calculation of the cage uses the mode synthesis method.

特開2008−116040号公報JP 2008-1106040 A

(社)日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集,2004-11 ,円すいころ軸受保持器の3次元動力学解析第2報計算結果)Japan Tribology Society Tribology Conference Proceedings, 2004-11, 3D Dynamic Analysis of Tapered Roller Bearing Cage 2nd Report (社)日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集,2001-11 ,FEM による玉軸受の動解析保持器の応力解析(第1報)Japan Tribology Society Tribology Conference Proceedings, 2001-11, Dynamic Analysis of Ball Bearing by FEM Stress Analysis of Cage (1st Report)

上記従来の技術では、いずれも、運転中の転がり軸受の保持器の応力を精度良くかつ効率的に予測することは難しかった。
特許文献1に開示の方法は、保持器の応力計算にモード合成法を用いていて、計算速度では優れるものの、予測精度はあまり高くない。特に、ポケットのころと接触する面上の様々な点に、ころからの接触荷重が負荷した場合、発生応力の計算精度が低下することがある。
In any of the above conventional techniques, it has been difficult to accurately and efficiently predict the stress of the cage of the rolling bearing during operation.
The method disclosed in Patent Document 1 uses a mode synthesis method for the stress calculation of the cage, and although the calculation speed is excellent, the prediction accuracy is not so high. In particular, when contact loads from the rollers are applied to various points on the surface of the pocket that contacts the rollers, the calculation accuracy of the generated stress may be reduced.

同特許文献1の〔0031〕段落には、保持器の柱に少なくとも1つのモード合成法の自由度を設置することで、保持器の応力の計算精度を向上させることが記載されている。この技術の中では、柱の1次の変形のみで、実際上の柱の変形を再現できる場合を考えており、その場合、柱の変形が最も大きくなる長手方向の中間付近に自由度を設けることを提案している。
動力学解析の計算量は、自由度の数に大きく依存し、無用な自由度の設定は避けなければならないが、上記1点の自由度だけでは、精度の良い保持器応力を求めることができない。
In the paragraph [0031] of Patent Document 1, it is described that the accuracy of calculating the stress of the cage is improved by installing at least one degree of freedom of the mode synthesis method on the pillar of the cage. In this technology, the case where the actual column deformation can be reproduced only by the primary deformation of the column is considered. In this case, a degree of freedom is provided near the middle in the longitudinal direction where the column deformation is greatest. Propose that.
The calculation amount of the dynamic analysis greatly depends on the number of degrees of freedom, and setting of unnecessary degrees of freedom should be avoided. However, it is not possible to obtain a highly accurate cage stress with only one degree of freedom. .

なお、同段落において、柱の長手方向の端部のいずれかの少なくとも一方に自由度を設けることにつき、一応は触れられているが、その効果は記載されていない。また、柱の長手方向の端部との記載はあるが、その端部とは、具体的にどの部位を示すかにつき明記がない。また、保持器の柱にモード合成法の自由度を設定する場合、柱の保持器外径面、内径面、肉厚中心などのどの部位に自由度を設定するかにつき、転動体から保持器への荷重の作用の形態によっても異なるが、荷重作用形態に対する適切な自由度の設定箇所についは、考察されていない。   In the same paragraph, the provision of a degree of freedom in at least one of the end portions in the longitudinal direction of the column is mentioned for the time being, but the effect is not described. Moreover, although there exists description with the edge part of the longitudinal direction of a pillar, it does not specify clearly which site | part shows with the edge part. In addition, when setting the degree of freedom of the mode composition method to the pillar of the cage, the rolling element to the cage will be determined according to which part of the pillar, such as the outer diameter surface, inner diameter surface, and thickness center, of the cage. Although it depends on the mode of the action of the load on the load, the setting point of the appropriate degree of freedom for the load action mode has not been considered.

この発明の目的は、応力計算の高精度化と効率化とを両立させ、運転中の保持器応力の高精度かつ効率的な計算が可能になる軸受保持器の動的応力解析方法および解析システムを提供することである。   An object of the present invention is to achieve a dynamic stress analysis method and analysis system for a bearing cage that can achieve both high accuracy and efficiency in stress calculation and enable highly accurate and efficient calculation of cage stress during operation. Is to provide.

この発明の軸受保持器の動的応力解析方法は、ころ軸受からなる転がり軸受の保持器の応力を解析する過程として、軸受構成部品を剛体とみなした転がり軸受の動力学解析モデルに、超要素法により得られる保持器の動的な弾性変形モードと固有変形モードをモード合成法に基づき導入する過程と、前記過程で導入される弾性変形の自由度と、定められた軸受構成部品の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出する過程と、この過程で算出される変形履歴を応力分布に変換することで、保持器応力を算出する過程とを含む転がり軸受保持器の動的応力解析方法において、 前記モード合成法で保持器に導入する自由度の設置箇所を、保持器のポケット間の柱の保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱の並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点であって、かつ保持器のポケット間の柱の幅方向の中心となる中心断面上の複数箇所とし、
これら複数箇所の自由度の設置箇所のうちの2点は、前記柱の前記中心断面上で、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向両端部となる2点とすることを特徴とする。
The dynamic stress analysis method for a bearing cage of the present invention is based on a dynamic analysis model of a rolling bearing in which a bearing component is regarded as a rigid body as a process of analyzing the stress of the cage of a rolling bearing composed of roller bearings. Of the dynamic elastic deformation mode and natural deformation mode of the cage obtained by the method based on the mode synthesis method, the degree of freedom of elastic deformation introduced in the process, and the motion of the specified bearing components The cage stress is calculated by calculating the deformation history of the cage including the dynamic characteristics of deformation by numerically integrating the degrees of freedom at the same time and converting the deformation history calculated in this process into a stress distribution. In the dynamic stress analysis method for a rolling bearing cage including a process of performing the following steps, the installation position of the degree of freedom to be introduced into the cage by the mode synthesis method is the outer diameter surface of the cage between the cage pockets and the cage. Inner surface In other words, it is a point on the surface where the displacement due to the translation and torsion of the column becomes larger due to the load from the roller, and multiple points on the central cross section that is the center in the width direction of the column between the pockets of the cage. ,
Two points of these multiple places of freedom of installation are the two points on the central cross section of the column that are both ends in the axial direction of the roller within a range in which a load acts from the roller. Features.

この構成によると、特許文献1に記載の方法と同様に、動力学解析モデルに、保持器の動的な弾性変形の特性(すなわち超要素法により求めた固有変形モードとその周波数)をモード合成法に基づき導入し、弾性変形の自由度と、予め定める軸受構成部品の運動の自由度とを同時に数値積分する。これによって、変形の動特性を含む保持器の変形履歴が得られる。この変形履歴を応力分布に変換することで、保持器応力を得る。また上記動力学解析モデルにおいて、保持器の他の構成部品は、剛体とみなす。したがって、他の従来技術と比べて、運転中の保持器応力を高精度にかつ効率的に計算することが可能となる。   According to this configuration, similar to the method described in Patent Document 1, the dynamic analysis characteristics of the cage (that is, the natural deformation mode and its frequency obtained by the super element method) are combined into the dynamic analysis model. Introduced based on the law, the degree of freedom of elastic deformation and the degree of freedom of movement of predetermined bearing components are numerically integrated simultaneously. Thereby, the deformation history of the cage including the dynamic characteristics of the deformation is obtained. Cage stress is obtained by converting this deformation history into a stress distribution. In the dynamic analysis model, the other components of the cage are regarded as rigid bodies. Therefore, it is possible to calculate the cage stress during operation with high accuracy and efficiency as compared with other conventional techniques.

固有変形モードの導入において、保持器の柱の変形を再現することが重要であるが、この考慮には非常に高次までの固有変形モードを導入する必要があり、動力学解析の数値積分が長時間化する。この発明の構成によると、特許文献1の発明と同様に、保持器の各柱に超要素法の自由度を設定することで、柱の変形モードが必ず拘束変形モードに出力されるようになり、かつそれ以外の固有変形モードの残留モード数を減少させることで、効率的かつ妥当な保持器応力値を得ることができる。換言すれば、前述の非常に高次までの固有変形モードを導入する手法に比べて、動力学解析に要する時間短縮を図ることができる。あるいは確実に柱の変形モード導入することで解の精度が高い水準で維持できる。   In introducing the eigendeformation mode, it is important to reproduce the deformation of the cage column, but it is necessary to introduce eigendeformation modes up to a very high order for this consideration. It takes a long time. According to the configuration of this invention, as in the invention of Patent Document 1, by setting the degree of freedom of the super element method for each column of the cage, the column deformation mode is always output to the constraint deformation mode. By reducing the number of remaining modes of the other natural deformation modes, an efficient and appropriate cage stress value can be obtained. In other words, the time required for the dynamic analysis can be shortened as compared with the method of introducing the inherent deformation mode up to the very high order described above. Alternatively, the accuracy of the solution can be maintained at a high level by reliably introducing the column deformation mode.

特に、この発明の構成では、特許文献1の発明と異なり、上記の動力学解析モデルに、保持器の動的な弾性変形の特性をモード合成法に基づき導入する際に、保持器の柱の軸方向の中心断面上に複数の自由度を設置する。こうすることで、ころからポケット面への荷重が応力集中する隅部へ近づいてきても、比較的精度良く、隅部の応力を予測することができる。
複数箇所の自由度の設置箇所のうちの2点は、柱の、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向両端部となる2点としたが、自由度の設置箇所や個数を種々変えて検討した結果、上記2点が、上記モード合成法で計算する場合に、保持器に作用する応力が最も精度良く現ることが判明した。そのため、複数箇所の自由度の設置箇所において、上記2点を含めることで、より精度良く保持器応力を計算することができる。
また、自由度の設置箇所を、保持器のポケット間の柱の保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱の並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点とするため、さらに精度良く保持器応力を計算することができる。
In particular, in the configuration of the present invention, unlike the invention of Patent Document 1, when the dynamic elastic deformation characteristics of the cage are introduced into the above dynamic analysis model based on the mode synthesis method, A plurality of degrees of freedom are set on the axial central section. By doing so, even if the load from the roller approaches the corner where the stress is concentrated, the stress at the corner can be predicted with relatively high accuracy.
Two points of the multiple degree of freedom installation points are the two points that are both ends of the column in the axial direction of the roller within the range where the load is applied from the roller. As a result of various studies, it has been found that when the above two points are calculated by the above mode synthesis method, the stress acting on the cage appears most accurately. Therefore, the cage stress can be calculated with higher accuracy by including the above two points in the installation places with a plurality of degrees of freedom.
In addition, place the degree of freedom on the outer surface of the cage between the pockets of the cage and the inner surface of the cage on the side where displacement due to translation and torsion of the column becomes larger due to the load from the rollers. Therefore, the cage stress can be calculated with higher accuracy.

この発明において、前記保持器の柱の複数箇所に設置する自由度の設置箇所を、前記柱両端の2点のみとするのが良い。
保持器応力の解析結果の検討のため、自由度の設置箇所や個数を種々変えて計算し、その結果を有限要素法による計算結果と比較したところ、自由度の設置箇所を上記2点とした場合は、自由度の設置箇所を、例えば10箇所程度に多数設置した場合と比べても、有限要素法による計算結果と同程度に近い値が得られた。有限要素法は、計算量が多くて計算時間が長くなるが、実際の応力値であると推定できる精度の高い解析方法である。また自由度の設置箇所は、少なくするほど、計算量が少なくて済み、効率良く計算できる。したがって、有限要素法による解析結果と近い結果が得られる上記2点を自由度の設置箇所とすることが、保持器応力の計算の高精度化と効率化との両立の点で最も優れている。
なお、自由度の設置箇所を上記2点とすることは、後述の補正を併用する場合に、より一層、保持器応力の計算の高精度化と効率化との両立の点で優れたものとなる。
In this invention, it is preferable that only two points at both ends of the pillar are installed at a plurality of places on the pillar of the cage.
In order to examine the analysis results of the cage stress, calculation was performed by changing the number of places and number of degrees of freedom, and the results were compared with the results calculated by the finite element method. In this case, a value close to the same level as the calculation result by the finite element method was obtained even when compared to the case where a large number of installation places with a degree of freedom were installed at about 10 places, for example. The finite element method is a highly accurate analysis method that can be estimated to be an actual stress value, although the calculation amount is large and the calculation time is long. In addition, the smaller the number of installation locations with the degree of freedom, the smaller the calculation amount and the more efficient the calculation. Therefore, using the above two points where the results close to the results of analysis by the finite element method are set as the installation locations with the degree of freedom is the most excellent in terms of both high accuracy and efficiency in cage stress calculation. .
It should be noted that the above-mentioned two points for setting the degree of freedom are more excellent in terms of both higher accuracy and higher efficiency in calculating the cage stress when the correction described later is used together. Become.

この発明において、前記保持器の柱の複数箇所に設置する自由度の設置箇所を、前記柱両端の2点と、これら2点の間の中心部との3点としても良い。
自由度の設置箇所を上記3点とした場合は、上記2点とした場合に比べて、有限要素法による解析結果が、僅かではあるが、近い結果が得られる。3点としても、計算の効率は満足できる範囲であり、したがって上記3点とした場合も、保持器応力の計算の高精度化と効率化との両立の点で優れたものとなる。なお、後述の補正を行わない場合は、上記3点とすることが、保持器応力の計算の高精度化の面で好ましい。
In this invention, it is good also considering the installation location of the freedom degree installed in the multiple places of the pillar of the said cage | basket as 3 points | pieces, 2 points | pieces of the said pillar both ends, and the center part between these 2 points | pieces.
When the number of degrees of freedom is set to the above three points, the analysis result by the finite element method is slightly smaller than the above two points, but a close result is obtained. Even if three points are used, the calculation efficiency is in a satisfactory range. Therefore, even if the above three points are used, the calculation of the cage stress is excellent in terms of both high accuracy and high efficiency. In the case where correction described later is not performed, the above three points are preferable in terms of increasing the accuracy of cage stress calculation.

この発明において、前記動力学解析モデルは、3次元のモデルであるのが良い。解析対象を2次元とする場合に比べて、3次元とすると、ころや保持器の軸方向の変位や傾きを考慮できるため、そのような挙動が想定される運転時の保持器応力を高精度に計算することが可能となる。例えば、ころと保持器との軸方向の接触による応力を考慮することができる。   In the present invention, the dynamic analysis model may be a three-dimensional model. Compared to the case where the analysis target is two-dimensional, if the three-dimensional model is used, the axial displacement and inclination of the rollers and cages can be taken into consideration, so the cage stress during operation that assumes such behavior is highly accurate. Can be calculated. For example, stress due to axial contact between the roller and the cage can be considered.

この発明方法において、予備調査を行い、補正係数を求めて補正する方法を採っても良い。予備調査による補正には、次の2種類が採用できる。
予備調査による補正の一つは、有限要素長に係る補正係数による方法であり、予備調査として、所定部つまり、前記自由度の設置箇所となる各点につき、前記動力学解析モデルに用いられる有限要素長と、この有限要素長よりも短い有限要素長とをそれぞれ用いて有限要素法によって同一荷重条件下の応力を求め、両応力の比を求めておき、この比を、有限要素長による補正係数とし、前記の変形履歴を応力分布に変換することで算出する過程で得られた保持器応力を、前記有限要素長に係る補正係数の乗算により補正する方法である。
この場合、動力学解析に用いた前記所定部の有限要素長に対して、その長さを必要十分な長さまで短くした場合の前記所定部の応力を求める。この求めた応力と、前記動力学解析に用いた有限要素長における応力との比を、補正係数として得ることで、応力推定精度を向上させる。このように、予備調査として一旦、補正係数を得た後は、前記所定部の有限要素長を都度短くすることなく、保持器応力の出力の工程で出力された保持器応力に単に補正係数を乗算するだけで、応力推定精度を向上させることができる。これにより、演算手段の処理負荷の軽減を図ることができるうえ、保持器寿命をより正確にかつ簡単に求めることが可能となる。
In the method of the present invention, a method may be adopted in which a preliminary investigation is performed to obtain and correct a correction coefficient. The following two types can be adopted for the correction by the preliminary survey.
One of the corrections by the preliminary survey is a method using a correction coefficient related to the finite element length. As a preliminary survey, a finite number used in the dynamic analysis model for each point that is a predetermined portion, that is, the installation position of the degree of freedom. Using the element length and a finite element length shorter than this finite element length, obtain the stress under the same load condition by the finite element method, find the ratio of both stresses, and correct this ratio by the finite element length. This is a method of correcting the cage stress obtained in the process of calculating the coefficient by converting the deformation history into a stress distribution by multiplying the correction coefficient related to the finite element length.
In this case, with respect to the finite element length of the predetermined portion used for the dynamic analysis, the stress of the predetermined portion when the length is shortened to a necessary and sufficient length is obtained. By obtaining the ratio between the obtained stress and the stress at the finite element length used in the dynamic analysis as a correction coefficient, the stress estimation accuracy is improved. As described above, once the correction coefficient is obtained as a preliminary investigation, the correction coefficient is simply applied to the cage stress output in the cage stress output process without shortening the finite element length of the predetermined portion each time. Stress multiplication accuracy can be improved only by multiplication. As a result, the processing load on the computing means can be reduced, and the cage life can be determined more accurately and easily.

予備調査による補正の他の一つは、モード合成法に係る補正係数による方法であり、予備調査として、前記弾性変形特性の導入の過程、前記変形履歴の算出の過程、および前記保持器応力の算出の過程を用いた動力学計算により保持器応力を求めると共に、有限要素法により前記保持器の応力を求め、この有限要素法により求められた応力と、前記動力学計算により求められた応力の比を求めておき、この比を、モード合成法に係る補正係数とし、解析対象の保持器の応力解析過程における、前記変形履歴を応力分布に変換することで算出する過程で得られた保持器応力を、前記モード合成法に係る補正係数の乗算により補正する。
上記動力学計算上では、モード合成法により保持器変形を再現しているが、その応力値は、有限要素法による解析つまりFEM解析と比較すると小さくなることが、計算を実施していくことで判明した。理想的には、超要素法での固有変形モードの残留モード数の増加や拘束変形モードの自由度の数を増加させて、目的とする位置の応力値がFEM解析とモード合成法とで同等にするべきであるが、保持器の形状が変化すると超要素法の最適な解析条件が変化するため、都度検討する必要がある。それ故、有限要素法により求められた応力と、動力学計算により求められた問題となる部位の応力の比を、補正係数として得ることで、応力推定精度を向上させる。このように、予備調査として一旦、補正係数を得た後は、モード合成法による応力値に、前記補正係数を乗算するだけで、応力推定精度を向上させることができる。これにより、演算手段の処理負荷の軽減を図ることができるうえ、保持器寿命をより正確にかつ簡単に求めることが可能となる。
Another one of the corrections by the preliminary investigation is a method using a correction coefficient according to the mode synthesis method. As preliminary investigations, the process of introducing the elastic deformation characteristics, the process of calculating the deformation history, and the stress of the cage The cage stress is obtained by dynamic calculation using the calculation process, the stress of the cage is obtained by the finite element method, and the stress obtained by the finite element method and the stress obtained by the dynamic calculation are calculated. Cage obtained in the process of calculating the ratio by converting the deformation history into stress distribution in the stress analysis process of the cage to be analyzed, using this ratio as the correction coefficient for the mode synthesis method. The stress is corrected by multiplying the correction coefficient according to the mode synthesis method.
In the above dynamics calculation, the cage deformation is reproduced by the mode synthesis method, but the stress value is smaller than the analysis by the finite element method, that is, the FEM analysis. found. Ideally, by increasing the number of residual modes in the eigendeformation mode and the number of degrees of freedom of the constrained deformation mode in the super element method, the stress value at the target position is the same in the FEM analysis and the mode synthesis method. However, when the cage shape changes, the optimum analysis conditions of the super element method change, so it is necessary to consider each time. Therefore, the stress estimation accuracy is improved by obtaining, as a correction coefficient, the ratio of the stress obtained by the finite element method and the stress of the problematic part obtained by the dynamic calculation. As described above, once the correction coefficient is obtained as a preliminary investigation, the stress estimation accuracy can be improved only by multiplying the stress value obtained by the mode synthesis method by the correction coefficient. As a result, the processing load on the computing means can be reduced, and the cage life can be determined more accurately and easily.

この有限要素長に係る補正係数と、モード合成法に係る補正係数とは、併用することができる。例えば、有限要素長に係る補正係数とモード合成法に係る補正係数とを乗算して得られた補正係数を用いても良い。   The correction coefficient related to the finite element length and the correction coefficient related to the mode composition method can be used in combination. For example, a correction coefficient obtained by multiplying the correction coefficient related to the finite element length and the correction coefficient related to the mode composition method may be used.

この発明において、上記いずれの補正係数も用いない場合は、自由度の設置箇所を次の3点とするのが良い。すなわち、この発明において、前記保持器の柱の中心断面上の複数箇所に設置する自由度の設置箇所を、前記柱の両端の2点と、これら2点の間の中心部との3点とし、前記変形履歴を応力分布に変換することで算出する過程で得られた保持器応力を、解析結果として出力する保持器応力とする。上記補正係数を用いない場合は、自由度の設置箇所を上記3点とする方が、上記2点とする場合よりも、精度の高い応力計算結果が得易い。   In the present invention, when none of the above correction coefficients is used, it is preferable to set the following three points for the degree of freedom. That is, in this invention, the installation places with a degree of freedom to be installed at a plurality of locations on the central cross section of the retainer column are three points, two points on both ends of the column and a central part between these two points. The cage stress obtained in the process of calculating by converting the deformation history into the stress distribution is set as the cage stress output as the analysis result. When the correction coefficient is not used, it is easier to obtain a highly accurate stress calculation result when the degree of freedom is set to the above three points than when the above two points are set.

このように、上記いずれの補正係数も用いず、かつ自由度の設置箇所を上記3点とするのは、ころ、軌道輪、および保持器の剛体モードの運動の自由度、並びに保持器の弾性変形の自由度を2次元上に限定する場合に適用するのが良い。2次元上での計算とすると、3次元上での計算に比べて精度や求められる応力の種類については劣るが、計算量が少なく、効率的に計算できる。この場合に、自由度の設置箇所を上記3点とすることで、自由度の設置箇所が少なく計算量の少ない演算でありながら、できるだけ高い精度で保持器応力を求めることができる。
この場合に、ころ、軌道輪、および保持器の剛体モードの運動の自由度、並びに保持器の弾性変形の自由度を2次元上に限定し,
かつ前記モード合成法で保持器に導入する自由度の設置箇所を、保持器のポケット間の柱の保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱の並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点であって、かつ保持器のポケット間の柱の幅方向の中心となる中心断面上の複数箇所とし、
これら複数箇所の自由度の設置箇所のうちの1点は、前記柱の前記中心断面上で、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向端部となる1点とするのが良い。
前記保持器の柱の複数箇所に設置する自由度の設置箇所を、前記柱端の1点と柱の長手方向の中心点の2点のみとしても良い。
As described above, the above-described three correction factors are not used and the degree of freedom is set at the above three points because the degree of freedom of movement of the rigid body mode of the roller, the race, and the cage, and the elasticity of the cage. This is preferably applied when the degree of freedom of deformation is limited to two dimensions. When the calculation is performed in two dimensions, the accuracy and the type of stress required are inferior to those in the calculation in three dimensions, but the calculation amount is small and the calculation can be performed efficiently. In this case, by setting the number of freedom installation locations as the above three points, the cage stress can be obtained with as high accuracy as possible while the number of freedom installation locations is small and the calculation is small.
In this case, the degree of freedom of movement of the rigid body mode of the roller, the race, and the cage, and the degree of freedom of elastic deformation of the cage are limited to two dimensions,
And the installation position of the degree of freedom to be introduced into the cage by the mode synthesis method is based on the translation and torsion of the column due to the load from the roller among the cage outer diameter surface and the cage inner diameter surface between the pockets of the cage. It is a point on the surface on the side where displacement becomes larger, and a plurality of locations on the central cross section that is the center in the width direction of the column between the pockets of the cage,
One point of the plurality of degrees of freedom of installation places is a point that becomes an axial end portion of the roller within a range in which a load is applied from the roller on the central cross section of the column. good.
It is good also considering only the two points of the one point of the said column end, and the center point of the longitudinal direction of a column as the installation location of the freedom degree installed in the multiple places of the column of the said holder | retainer.

この発明において、前記転がり軸受が円すいころ軸受であって、前記保持器が、軸方向の両端の一対の円環部と、これら円環部間に設けられた複数の柱とでなる円すい状の窓形であり、大径側の円環部が外径側へ突出するフランジ状であって良い。
このような保持器形状、軸受種類の場合に、自由度の設置箇所を上記2点または3点とすることによる、応力計算の高精度化と効率化とを両立させ、運転中の保持器応力の高精度かつ効率的な計算が可能になるという効果が良好に得られる。
In this invention, the rolling bearing is a tapered roller bearing, and the cage is a conical shape including a pair of annular portions at both ends in the axial direction and a plurality of columns provided between the annular portions. It is a window shape and may be a flange shape in which the annular portion on the large diameter side protrudes toward the outer diameter side.
In the case of such a cage shape and bearing type, the accuracy of the stress calculation is improved and the efficiency is improved by setting the above-described two or three degrees of freedom as the installation location, and the cage stress during operation It is possible to obtain an advantageous effect of enabling highly accurate and efficient calculation.

この発明の軸受保持器の動的応力解析システムは、ころ軸受からなる転がり軸受の保持器の応力を解析する軸受保持器の動的応力解析装置であって、入力手段2(図3)と演算手段3と出力手段4とを備える。
前記演算手段3は、保持器を除く軸受構成部品を剛体とみなし、保持器には弾性変形の自由度を与えることを可能とした転がり軸受の動力学解析モデルを定めた解析モデル設定部3aと、
前記転がり軸受の動力学解析モデルに、超要素法により得られる保持器の動的な弾性変形モードと固有変形モードをモード合成法に基づき導入する処理と、この導入した弾性変形の自由度と、定められた軸受構成部品の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出する処理、およびこの処理で算出される変形履歴を応力分布に変換することで、保持器応力を算出する処理を行う応力演算部3bと、 この応力演算部で得られた保持器応力を前記出力手段へ出力する出力処理部3cと、
を有する。
前記応力演算部3bは、前記モード合成法で保持器に導入する自由度の設置箇所を、保持器のポケット間の柱の保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱の並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点であって、かつ保持器のポケット間の柱の幅方向の中心となる中心断面上の複数箇所とし、かつ
これら複数箇所の自由度の設置箇所のうちの2点は、前記柱の前記中心断面上で、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向両端部となる2点とする。
The dynamic stress analysis system for a bearing cage according to the present invention is a dynamic stress analysis device for a bearing cage that analyzes the stress of the cage of a rolling bearing comprising roller bearings, and is operated with the input means 2 (FIG. 3). Means 3 and output means 4 are provided.
The calculation means 3 regards the bearing components excluding the cage as a rigid body, and an analysis model setting unit 3a that defines a dynamic analysis model of the rolling bearing capable of giving the cage freedom of elastic deformation; ,
A process for introducing a dynamic elastic deformation mode and a natural deformation mode of the cage obtained by the super element method into the dynamic analysis model of the rolling bearing based on the mode synthesis method, and the degree of freedom of the introduced elastic deformation, A process to calculate the deformation history of the cage including the dynamic characteristics of deformation, and the deformation history calculated by this process to stress distribution by numerically integrating the specified degree of freedom of movement of the bearing components at the same time A stress calculator 3b that performs a process of calculating the cage stress, an output processor 3c that outputs the cage stress obtained by the stress calculator to the output unit,
Have
The stress calculation unit 3b determines the installation position of the degree of freedom to be introduced into the cage by the mode synthesis method by the load from the roller among the cage outside diameter surface and the inside diameter surface of the cage between the pockets of the cage. Multiple points on the center cross-section that are points on the side where the displacement due to translation and torsion of the column becomes larger, and that are the center in the width direction of the column between the pockets of the cage. Two points of the installation locations of the degree are two points which are both ends in the axial direction of the roller within a range where the load is applied from the roller on the central cross section of the column.

この構成のシステムによると、この発明の動的応力解析方法で説明したと同様に、応力計算の高精度化と効率化とを両立させ、運転中の保持器応力の高精度かつ効率的な計算が可能になるという効果が得られる。   According to the system of this configuration, as described in the dynamic stress analysis method of the present invention, high accuracy and efficient calculation of cage stress during operation can be achieved by achieving both high accuracy and efficiency of stress calculation. Can be obtained.

この発明の軸受保持器の動的応力解析方法は、ころ軸受からなる転がり軸受の保持器の応力を解析する過程として、軸受構成部品を剛体とみなした転がり軸受の動力学解析モデルに、超要素法により得られる保持器の動的な弾性変形モードと固有変形モードをモード合成法に基づき導入する過程と、前記過程で導入される弾性変形の自由度と、定められた軸受構成部品の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出する過程と、この過程で算出される変形履歴を応力分布に変換することで、保持器応力を算出する過程とを含む転がり軸受保持器の動的応力解析方法において、前記モード合成法で保持器に導入する自由度の設置箇所を、保持器のポケット間の柱の保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱の並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点であって、かつ保持器のポケット間の柱の幅方向の中心となる中心断面上の複数箇所とし、これら複数箇所の自由度の設置箇所のうちの2点は、前記柱の前記中心断面上で、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向両端部となる2点とするため、応力計算の高精度化と効率化とを両立させ、運転中の保持器応力の高精度かつ効率的な計算が可能となる。   The dynamic stress analysis method for a bearing cage of the present invention is based on a dynamic analysis model of a rolling bearing in which a bearing component is regarded as a rigid body as a process of analyzing the stress of the cage of a rolling bearing composed of roller bearings. Of the dynamic elastic deformation mode and natural deformation mode of the cage obtained by the method based on the mode synthesis method, the degree of freedom of elastic deformation introduced in the process, and the motion of the specified bearing components The cage stress is calculated by calculating the deformation history of the cage including the dynamic characteristics of deformation by numerically integrating the degrees of freedom at the same time and converting the deformation history calculated in this process into a stress distribution. In the dynamic stress analysis method of the rolling bearing cage including the process of performing the following steps: the degree of freedom to be introduced into the cage by the mode synthesis method, the outer diameter surface of the cage between the pockets of the cage and the cage Inner surface The point on the surface where the displacement due to the translation and torsion of the column becomes larger due to the load from the roller, and a plurality of locations on the central cross section that is the center in the width direction of the column between the pockets of the cage, In order to make two points of the installation places of these multiple degrees of freedom to be two points that are both ends in the axial direction of the roller within the range where the load acts on the center cross section of the column, It is possible to achieve both high accuracy and efficient stress calculation, and highly accurate and efficient calculation of cage stress during operation.

この発明の軸受保持器の動的応力解析システムは、ころ軸受からなる転がり軸受の保持器の応力を解析する軸受保持器の動的応力解析装置であって、入力手段と演算手段と出力手段とを備え、前記演算手段は、保持器を除く軸受構成部品を剛体とみなし、保持器には弾性変形の自由度を与えることを可能とした転がり軸受の動力学解析モデルを定めた解析モデル設定部と、前記転がり軸受の動力学解析モデルに、超要素法により得られる保持器の動的な弾性変形モードと固有変形モードをモード合成法に基づき導入する処理、この導入した弾性変形の自由度と、定められた軸受構成部品の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出する処理、およびこの処理で算出される変形履歴を応力分布に変換することで、保持器応力を算出する処理を行う応力演算部と、この応力演算部で得られた保持器応力を前記出力手段へ出力する出力処理部とを有し、前記応力演算部は、前記モード合成法で保持器に導入する自由度の設置箇所を、保持器のポケット間の柱の保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱の並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点であって、かつ保持器のポケット間の柱の幅方向の中心となる中心断面上の複数箇所とし、かつこれら複数箇所の自由度の設置箇所のうちの2点は、前記柱の前記中心断面上で、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向両端部となる2点とするため、応力計算の高精度化と効率化とを両立させ、運転中の保持器応力の高精度かつ効率的な計算が可能となる。   A dynamic stress analysis system for a bearing cage according to the present invention is a dynamic stress analysis device for a bearing cage that analyzes the stress of a cage of a rolling bearing composed of a roller bearing, and includes an input means, an arithmetic means, an output means, The calculation means regards the bearing component excluding the cage as a rigid body, and an analysis model setting unit that defines a dynamic analysis model of the rolling bearing that allows the cage to be given a degree of freedom of elastic deformation. And a process for introducing the dynamic elastic deformation mode and the natural deformation mode of the cage obtained by the super element method into the dynamic analysis model of the rolling bearing based on the mode synthesis method, the degree of freedom of the elastic deformation introduced, and Calculating the deformation history of the cage including the dynamic characteristics of the deformation by numerical integration of the determined degrees of freedom of movement of the bearing components at the same time, and the deformation history calculated by this processing into the stress distribution In other words, a stress calculation unit that performs processing for calculating cage stress, and an output processing unit that outputs the cage stress obtained by the stress calculation unit to the output unit, The position of the degree of freedom to be introduced into the cage by the mode synthesis method is determined by the translation and torsion of the column due to the load from the roller among the cage outer diameter surface and the cage inner diameter surface between the pockets of the cage. It is a point on the surface on the side where displacement becomes larger, and a plurality of locations on the central cross section that is the center in the width direction of the column between the pockets of the cage, and among the installation locations of these multiple degrees of freedom These two points are the two axial ends of the roller within the range where the load is applied from the roller on the central cross section of the column, so that the stress calculation is highly accurate and efficient. Achieving both high accuracy and efficient calculation of cage stress during operation That.

(A)はこの発明の第1の実施形態に係る動的応力解析方法で用いる軸受の動力学解析モデルを表す斜視図、(B)は同転がり軸受の保持器の動力学解析モデルを、同図(A)とは逆方向に見た斜視図である。(A) is a perspective view showing a dynamic analysis model of a bearing used in the dynamic stress analysis method according to the first embodiment of the present invention. (B) is a dynamic analysis model of a cage of the rolling bearing. It is the perspective view seen in the reverse direction to a figure (A). 同実施形態に係る応力解析方法を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the stress analysis method concerning the embodiment. (A)は同実施形態に係る応力解析システムの電気的構成を表すブロック図、(B)は同応力解析システムの概念構成を示すブロック図である。(A) is a block diagram showing an electrical configuration of the stress analysis system according to the embodiment, and (B) is a block diagram showing a conceptual configuration of the stress analysis system. 同保持器の動力学解析モデルの各柱に自由度を設定する箇所の例を示す部分拡大斜視図である。It is a partial expansion perspective view which shows the example of the location which sets a freedom degree to each pillar of the dynamics analysis model of the cage. 運転中の軸受の保持器への干渉力、および保持器応力の計算結果例を表す図である。It is a figure showing the calculation result example of the interference force to the holder | retainer of the bearing in driving | operation, and a holder | retainer stress. 保持器寿命の測定値と、保持器の最大Mises 応力の計算値との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the measured value of a cage life, and the calculated value of the maximum Mises stress of a cage. (a)はこの発明の第2の実施形態に係る応力解析システムにおいて、2次元自由度に限定する拘束条件並びに自由度の設定方法を説明する保持器の説明図、(b)は同保持器の一部の拡大斜視図である。(A) is explanatory drawing of the holder explaining the constraint condition limited to a two-dimensional degree of freedom and the setting method of the degree of freedom in the stress analysis system according to the second embodiment of the present invention, (b) is the holder FIG. 第2の実施形態における転がり軸受の動力学解析モデルにつき、軸受中心のラジアル平面で切断した斜視図である。It is the perspective view cut | disconnected by the radial plane of a bearing center about the dynamic analysis model of the rolling bearing in 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る運転中の軸受の保持器への干渉力、および保持器応力の計算結果例を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the calculation result example of the interference force to the holder | retainer of the bearing in operation | movement which concerns on 2nd Embodiment, and a holder | retainer stress. ポケット隅部の有限要素長とその応力との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the finite element length of a pocket corner part, and its stress. 有限要素解析により求めた保持器応力と、モード合成法による動力学解析により求めた保持器応力との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the cage | basket stress calculated | required by the finite element analysis, and the cage | basket stress calculated | required by the dynamics analysis by a mode synthesis method. 保持器寿命の測定値と、補正係数を見込んだ保持器の最大Mises 応力の計算値との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the measured value of a cage life, and the calculated value of the maximum Mises stress of a cage which considered the correction coefficient. 保持器の柱中央部における応力発生箇所を表す斜視図である。It is a perspective view showing the stress generation | occurrence | production location in the pillar center part of a holder | retainer. 自由度設置場所が外径側で、荷重作用点が外径側の場合の、保持器のポケット大径側隅部におけるモード合成法に対する有限要素法による最大応力の比を示すグラフである。It is a graph which shows ratio of the maximum stress by the finite element method with respect to the mode composition method in the pocket large-diameter side corner part of a holder | retainer when a freedom degree installation place is an outer diameter side and a load action point is an outer diameter side. 自由度設置場所が外径側で、荷重作用点が外径側の場合の、保持器のポケット小径側隅部におけるモード合成法に対する有限要素法による最大応力の比を示すグラフである。It is a graph which shows ratio of the maximum stress by the finite element method with respect to the mode composition method in the pocket small diameter side corner part of a holder | retainer when a freedom degree installation place is an outer diameter side and a load action point is an outer diameter side. 自由度設置場所が外径側で、荷重作用点が内径側の場合の、保持器のポケット大径側隅部におけるモード合成法に対する有限要素法による最大応力の比を示すグラフである。It is a graph which shows the ratio of the maximum stress by the finite element method with respect to the mode composition method in the pocket large-diameter side corner of the cage when the degree of freedom installation place is the outer diameter side and the load application point is the inner diameter side. 自由度設置場所が外径側で、荷重作用点が内径意の場合の、保持器のポケット小径側隅部におけるモード合成法に対する有限要素法による最大応力の比を示すグラフである。It is a graph which shows ratio of the maximum stress by the finite element method with respect to the mode composition method in the pocket small diameter side corner part of a cage | basket | case, when a freedom degree installation place is an outer diameter side and a load action point is an inner diameter meaning. ポケット隅部でのモード合成法に対する有限要素法による最大応力の比に影響を及ぼす荷重作用位置毎の影響の変化率を示すグラフである。It is a graph which shows the change rate of the influence for every load action position which affects the ratio of the maximum stress by the finite element method with respect to the mode synthetic | combination method in a pocket corner. 自由度設置場所が内径側で、荷重作用点が外径側の場合の、保持器のポケット大径側隅部におけるモード合成法に対する有限要素法による最大応力の比を示すグラフである。It is a graph which shows ratio of the maximum stress by the finite element method with respect to the mode composition method in the pocket large diameter side corner of a cage when the degree of freedom installation place is the inner diameter side and the load application point is the outer diameter side. 自由度設置場所が内径側で、荷重作用点が外径側の場合の、保持器のポケット小径側隅部におけるモード合成法に対する有限要素法による最大応力の比を示すグラフである。It is a graph which shows the ratio of the maximum stress by the finite element method with respect to the mode composition method in the pocket small diameter side corner part of a holder | retainer when a freedom degree installation place is an inner diameter side and a load action point is an outer diameter side. 自由度設置場所が内径側で、荷重作用点が内径側の場合の、保持器のポケット大径側隅部におけるモード合成法に対する有限要素法による最大応力の比を示すグラフである。It is a graph which shows the ratio of the maximum stress by the finite element method with respect to the mode composition method in the pocket large-diameter side corner of the cage when the degree of freedom installation place is the inner diameter side and the load application point is the inner diameter side. 自由度設置場所が内径側で、荷重作用点が内径意の場合の、保持器のポケット小径側隅部におけるモード合成法に対する有限要素法による最大応力の比を示すグラフである。It is a graph which shows the ratio of the maximum stress by the finite element method with respect to the mode synthetic method in the pocket small diameter side corner part of a holder | retainer when a freedom degree installation place is an inner diameter side and a load action point is an inner diameter meaning. 保持器の柱の変形前後の状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state before and behind a deformation | transformation of the pillar of a holder | retainer. 保持器の柱の変形前後の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state before and behind a deformation | transformation of the pillar of a holder | retainer. 解析対象となる円すいころ軸受の一例の部分破断側面図である。It is a partially broken side view of an example of the tapered roller bearing to be analyzed. 解析対象となる円すいころ軸受の一例の部分破断正面図である。It is a partially broken front view of an example of the tapered roller bearing used as an analysis object.

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。以下の説明においては、各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。   Hereinafter, a plurality of embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are given to portions corresponding to the matters described in the preceding forms in each embodiment, and overlapping description may be omitted. When only a part of the configuration is described, the other parts of the configuration are the same as those described in the preceding section. Not only the combination of the parts specifically described in each embodiment, but also the embodiments can be partially combined as long as the combination does not hinder.

本発明の第1の実施形態に係る応力解析システムは、たとえば、円すいころ軸受の保持器に適用される。ただし円すいころ軸受用の保持器だけに必ずしも限定されるものではなく、種々の転がり軸受の保持器の応力解析に適用される。以下の説明は、3次元での円すいころ軸受の動力学解析における保持器の応力解析方法についての説明をも含む。   The stress analysis system according to the first embodiment of the present invention is applied to a tapered roller bearing retainer, for example. However, the present invention is not necessarily limited to the cage for tapered roller bearings, and is applied to stress analysis of various rolling bearing cages. The following description also includes a description of a cage stress analysis method in the dynamic analysis of a tapered roller bearing in three dimensions.

図1の動力学解析モデルで表現される円すいころ軸受を図25,図26に示す。この円すいころ軸受は、内輪11と外輪12との対向する軌道面間に、保持器13に保持された転動体である複数のころ14を介在させたものである。内輪11および外輪12は、対向する軌道面が円すい面であり、ころ14は円すいころからなる。内輪11は、軌道面の両側に、大端の鍔11aと小端の鍔11bとを有する両鍔付きであり、外輪12は鍔無しである。
保持器13は、軸方向の両端の一対の円環部13a,13bと、これら円環部13a,13b間に設けられた複数の柱13cとでなる円すい状の窓形であって、隣合う柱13cの間が、ころ14を保持するポケットとなる。大径側の円環部13aは外径側へ突出するフランジ状とされ、小径側の円環部13bは内径側へ突出するフランジ状とされている。保持器13は、例えば鋼板のプレス加工品である。
Tapered roller bearings expressed by the dynamic analysis model of FIG. 1 are shown in FIGS. In this tapered roller bearing, a plurality of rollers 14 which are rolling elements held by a cage 13 are interposed between raceways facing the inner ring 11 and the outer ring 12. The inner race 11 and the outer race 12 have conical surfaces facing each other, and the rollers 14 are tapered rollers. The inner ring 11 has both hooks having a large end hook 11a and a small end hook 11b on both sides of the raceway surface, and the outer ring 12 has no hooks.
The cage 13 has a conical window shape composed of a pair of annular portions 13a and 13b at both ends in the axial direction and a plurality of pillars 13c provided between the annular portions 13a and 13b, and is adjacent to each other. A space between the columns 13c is a pocket for holding the rollers 14. The large-diameter side annular portion 13a has a flange shape protruding toward the outer diameter side, and the small-diameter side annular portion 13b has a flange shape protruding toward the inner diameter side. The cage 13 is, for example, a pressed product of a steel plate.

転がり軸受の動力学解析モデルについて説明する。図1は、転がり軸受の動力学解析モデルおよび座標系を表す図であり、同図(A)は転がり軸受の全体のモデルを、同図(B)は同軸受の保持器のモデルを示す。なお、同図(A)と(B)とは、互いに表裏逆に図示してある。すなわち、図面(A)は、ころの大径側から軸受を俯瞰した図であって、ころの小径側から大径側に向かう方向がz+となっており、(B)は、保持器の小径側から保持器を俯瞰した図であって、保持器の小径側から大径側に向かう方向がz+となっている。座標系は、互いに直交する三軸方向の矢符x,y,zで表記する。xおよびy方向は、互いに直交するラジアル方向を表し、z方向は、アキシアル方向を表す。保持器は、同図(B)に示すように、荷重を負荷するポケットから離れた3点(P1,P2,P3)を変位拘束することで、空間に固定した。具体的には、YZ平面と交差する円環部の端部2か所(P1,P2)の3並進変位と、−X方向の端点(P3)のZ変位を拘束した。   A dynamic analysis model of a rolling bearing will be described. FIG. 1 is a diagram showing a dynamic analysis model and a coordinate system of a rolling bearing. FIG. 1A shows an entire model of the rolling bearing, and FIG. 1B shows a cage model of the bearing. In addition, the same figure (A) and (B) is shown in reverse with respect to each other. That is, the drawing (A) is an overhead view of the bearing from the large diameter side of the roller, the direction from the small diameter side of the roller toward the large diameter side is z +, and (B) is the small diameter of the cage. It is the figure which looked down at the retainer from the side, Comprising: The direction which goes to the large diameter side from the small diameter side of a retainer is z +. The coordinate system is expressed by arrows x, y, and z in three axis directions orthogonal to each other. The x and y directions represent radial directions orthogonal to each other, and the z direction represents an axial direction. As shown in FIG. 5B, the cage was fixed in the space by restraining displacement at three points (P1, P2, P3) away from the pocket where the load is applied. Specifically, the three translational displacements at the two end portions (P1, P2) of the annular portion intersecting the YZ plane and the Z displacement at the end point (P3) in the −X direction were constrained.

解析対象の円すいころ軸受(図25,図26)は、主要寸法(内径×外径×幅)が、たとえばφ75mm×φ160mm×40mm、ころ本数が14、保持器13は転動体案内形式である。保持器については、柱の板厚が、それぞれB1,B2(B1=3.5mm, B2=5.0mm)と互いに異なる2種類の軸受について検討した。潤滑剤はグリースを適用した。内輪の回転速度は1000rpmであり、内外輪間の軸方向変位は固定とし、1000Nのラジアル荷重が作用した場合で、代表温度は60℃に設定した。ただし、これらの条件に必ずしも限定されるものではない。   The tapered roller bearings to be analyzed (FIGS. 25 and 26) have main dimensions (inner diameter × outer diameter × width) of, for example, φ75 mm × φ160 mm × 40 mm, the number of rollers is 14, and the cage 13 is a rolling element guide type. Regarding the cage, two types of bearings in which the plate thicknesses of the columns are different from B1 and B2 (B1 = 3.5 mm, B2 = 5.0 mm) were examined. Grease was applied as the lubricant. The rotational speed of the inner ring was 1000 rpm, the axial displacement between the inner and outer rings was fixed, and the representative temperature was set to 60 ° C. when a radial load of 1000 N was applied. However, it is not necessarily limited to these conditions.

3次元動力学解析の仮定条件を以下の通り規定した。前提として、保持器を除く軸受構成部品を剛体とみなす。
(i )ころおよび保持器に6自由度を与える。
(ii)外輪は空間に固定する。
(iii )内輪には、一定の軸方向変位と一定速度の自転角変位とを強制的に与え、ラジアル方向の2並進変位の自由度を与える(自由度は2)。
(iv)遠心力等の見かけの力を全て含む。
(v )水平軸回りの軸受姿勢とし、重力を考慮する。
(vi)ころ転動面の干渉力分布は、スライス法で評価する。
The assumed conditions for the three-dimensional dynamic analysis were defined as follows. As a premise, bearing components excluding the cage are regarded as rigid bodies.
(I) Give 6 degrees of freedom to the rollers and cage.
(Ii) The outer ring is fixed in the space.
(Iii) A constant axial displacement and a constant rotational angular displacement are forcibly given to the inner ring to give a degree of freedom of two translational displacements in the radial direction (degree of freedom is 2).
(Iv) Includes all apparent forces such as centrifugal force.
(V) Use a bearing orientation around the horizontal axis and consider gravity.
(Vi) Interference force distribution on the roller rolling surface is evaluated by the slice method.

(vii )流体潤滑下のトラクション係数μhdは、村木らの簡易理論式{村木 正芳,木村 好次;潤滑油のトラクション特性に関する研究(第2報),潤滑,28,10(1983)753−760}で与えるが、等温条件とする。
(viii)境界潤滑下の摩擦係数μbdは、Kragelskiiのモデル{Kragelskii,I,V.,;Friction and Wear,Butterworths,London(1965)178-184 }を修正した式(1)で与える。
(ix)ころと軌道面間の接線力は、潤滑領域の変化を考慮し、式(2)で与える。また弾性流体潤滑(略称EHL)状態下では転がり粘性抵抗{R.S.Zhou,M.R.Hoeprich;Trans.ASME,J.Trb,113,7(1991)590.}を考慮する。
(Vii) The traction coefficient μhd under fluid lubrication is a simple theoretical formula of Muraki et al. Masayoshi Muraki, Koji Kimura; Study on Traction Characteristics of Lubricating Oil (2nd Report), Lubrication, 28, 10 (1983) 753-760. }, But the conditions are isothermal.
(Viii) The friction coefficient μbd under boundary lubrication is given by Equation (1) obtained by correcting the Kragelskii model {Kragelskii, I, V., Friction and Wear, Butterworths, London (1965) 178-184}.
(Ix) The tangential force between the roller and the raceway surface is given by equation (2) in consideration of the change in the lubrication region. In addition, rolling viscous resistance {RSZhou, MRHoeprich; Trans. ASME, J. Trb, 113, 7 (1991) 590.} is considered under the elastohydrodynamic lubrication (abbreviated as EHL) state.

(x )ころ大端面と内輪大つば面との干渉力は、最大近接点に全て作用するものと仮定する。接線力係数は式(2)で与えられる。
(xi)ころと保持器間の接線力係数は、境界潤滑下のみを仮定する。
(xii )ころ端面に対する小つば面とポケット面の接触は、最大めり込み点に全ての接触力と接線力が作用する。

Figure 0005473814
ここで、「s」は、すべり率である。 (X) It is assumed that the interference force between the roller large end face and the inner ring large brim surface acts on the maximum proximity point. The tangential force coefficient is given by equation (2).
(Xi) The tangential force coefficient between the roller and cage is assumed only under boundary lubrication.
(Xii) In contact between the small brim surface and the pocket surface with respect to the roller end surface, all contact forces and tangential forces act on the maximum penetration point.
Figure 0005473814
Here, “s” is a slip rate.

Figure 0005473814
ここで、「μr」は、接線力係数であり、「Λ」は、油膜パラメータである。
Figure 0005473814
Here, “μr” is a tangential force coefficient, and “Λ” is an oil film parameter.

図2は、第1の実施形態に係る応力解析方法を段階的に表すフローチャートである。まず、ステップs1で、実際の保持器を模擬した有限要素モデルを作成する。FEM解析を実行するためのソフトウェア(たとえばI-DEASやNastran 等)を用いて後述する超要素法による解析を実行することで、保持器の動特性情報を得る。この動特性情報の結果を、複数のモードシェイプを重ね合わせ妥当な弾性変形を作るいわゆるモード合成法に基づき、前述の動力学解析モデルに導入する。   FIG. 2 is a flowchart showing the stress analysis method according to the first embodiment step by step. First, in step s1, a finite element model simulating an actual cage is created. The dynamic characteristic information of the cage is obtained by executing analysis by the super element method described later using software (for example, I-DEAS, Nastran, etc.) for executing FEM analysis. The result of the dynamic characteristic information is introduced into the above-described dynamic analysis model based on a so-called mode synthesis method in which a plurality of mode shapes are overlapped to produce an appropriate elastic deformation.

次にステップs2に移行し、軸受構成部品の運動の自由度と、ステップs1で導入される保持器の弾性変形の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出する。このステップs2では、同ステップs2の処理を行う手段に組み込まれている計算ルーチンである、保持器と、軸受構成部品である「ころ」との干渉力の計算ルーチンに基づいて該干渉力を計算する。ここでは、導入された保持器ポケット面の節点(有限要素の頂点)が、ころとの幾何学的な干渉が生じた場合に干渉力を作用させるようにした。   Next, the process proceeds to step s2, where the degree of freedom of movement of the bearing components and the degree of freedom of elastic deformation of the cage introduced in step s1 are simultaneously numerically integrated, so that A deformation history is calculated. In this step s2, the interference force is calculated based on a calculation routine for the interference force between the cage and the "roller" which is a bearing component, which is a calculation routine incorporated in the means for performing the processing of step s2. To do. Here, the nodes (the vertices of the finite elements) of the introduced cage pocket surface cause the interference force to act when geometrical interference with the rollers occurs.

具体的には、ポケット面上の節点位置ところ上のある基準点、ならびにその傾きを示すオイラー角を慣性座標系で取得し、該節点をころに固定した座標系へ変換後に、ころの輪郭情報から該節点ところとの干渉量を求めた。干渉が生じている場合には、接触力ならびに本干渉点でのすべり速度から摩擦力を求め、それらの合力を干渉力として取り扱えばよい。本手法では、保持器の挙動や弾性変形が全て考慮された状態でのころとの干渉力を計算することが可能になる。以上の数値計算において、運動方程式の数値積分時の時々刻々の履歴を記録することで、保持器の挙動や各変形モードの変形履歴が得られる。その後ステップs3に移行し、算出された変形履歴を、ひずみおよび応力分布に変換し、出力する。その後、同図の流れ図で示す処理を終了する。   Specifically, a reference point on a node position on the pocket surface and an Euler angle indicating its inclination are acquired in an inertial coordinate system, and after converting the node to a coordinate system fixed to the roller, the contour information of the roller From this, the amount of interference with the node was determined. When interference occurs, the frictional force is obtained from the contact force and the sliding speed at the interference point, and the resultant force may be handled as the interference force. In this method, it is possible to calculate the interference force with the roller in a state where all the behavior and elastic deformation of the cage are taken into consideration. In the above numerical calculation, the history of moments during numerical integration of the equation of motion is recorded to obtain the behavior of the cage and the deformation history of each deformation mode. Thereafter, the process proceeds to step s3, where the calculated deformation history is converted into strain and stress distribution and output. Thereafter, the processing shown in the flowchart of FIG.

図3(A)は、この実施形態に係る応力解析システムの電気的構成を表すブロック図、同図(B)は同応力解析システムの概念構成のブロック図である。この応力解析システム1は、主に、入力手段2と、演算手段3と、出力手段4とを有する。演算手段3は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータと、これに実行される解析プログラム(図示せず)とで構成される。入力手段2は、例えはキーボードやポインティングデバイス、または記録媒体を読み込む手段や、通信回線と接続する手段などによって実現される。
図3(B)において、演算手段3は、解析モデル設定部3aと、応力演算部3bと、出力処理部3cとからなる。解析モデル設定部3aは、前述の動力学解析モデルを設定し、この動力学解析モデルに、保持器の動的な弾性変形の特性(固有変形モードおよびその周波数)を、モード合成法に基づき入力可能としたものである。
解析モデル設定部3aは、図2の流れ図のステップs1の処理を行う手段であり、応力演算部3bは、s2の処理と、ステップs3の処理のうちの、変形履歴を保持器応力に変換する処理を行う手段である。
FIG. 3A is a block diagram showing an electrical configuration of the stress analysis system according to this embodiment, and FIG. 3B is a block diagram of a conceptual configuration of the stress analysis system. The stress analysis system 1 mainly includes an input unit 2, a calculation unit 3, and an output unit 4. The computing means 3 is composed of a computer such as a personal computer and an analysis program (not shown) executed on the computer. The input means 2 is realized by, for example, a keyboard, a pointing device, means for reading a recording medium, means for connecting to a communication line, or the like.
In FIG. 3B, the calculation means 3 includes an analysis model setting unit 3a, a stress calculation unit 3b, and an output processing unit 3c. The analysis model setting unit 3a sets the above-described dynamic analysis model, and inputs the dynamic elastic deformation characteristics (natural deformation mode and its frequency) of the cage based on the mode synthesis method to the dynamic analysis model. It is possible.
The analysis model setting unit 3a is a unit that performs the process of step s1 in the flowchart of FIG. 2, and the stress calculation unit 3b converts the deformation history of the process of s2 and the process of step s3 into cage stress. It is a means for performing processing.

応力演算部3bは、解析モデル設定部3aで導入される弾性変形の自由度と、定められた軸受構成部品(例えば、ころ)の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出する変形履歴算出部3baと、該算出される変形履歴を応力分布に変換する応力分布変換部3bbとを有する。出力処理部3cは、応力分布変換部3bbで変換した応力分布を出力手段4へ出力する。なお、応力演算部3bには、後に説明する補正演算部3bcを設けても良い。   The stress calculation unit 3b simultaneously numerically integrates the degree of freedom of elastic deformation introduced by the analysis model setting unit 3a and the degree of freedom of movement of a predetermined bearing component (for example, a roller), thereby performing deformation motion. A deformation history calculation unit 3ba that calculates the deformation history of the cage including the characteristics, and a stress distribution conversion unit 3bb that converts the calculated deformation history into a stress distribution. The output processing unit 3c outputs the stress distribution converted by the stress distribution conversion unit 3bb to the output unit 4. In addition, you may provide the correction calculating part 3bc demonstrated later in the stress calculating part 3b.

演算手段3は、たとえば、中央演算処理装置5(CPU )、メモリ6,7(リードオンリーメモリ6(ROM )、ランダムアクセスメモリ7(RAM ))、バス8、入出力インターフェース9、および出力手段4を駆動するための駆動回路10とを有する。   The arithmetic means 3 includes, for example, a central processing unit 5 (CPU), memories 6 and 7 (read only memory 6 (ROM), random access memory 7 (RAM)), bus 8, input / output interface 9, and output means 4. Drive circuit 10 for driving the.

入出力インターフェース9には、バス8を介して中央演算処理装置5、メモリ6,7がそれぞれ接続されている。入出力インターフェース9に、入力手段2が電気的に接続されるうえ、駆動回路10を介して出力手段4が電気的に接続されている。出力手段4は、例えば表示出力可能なディスプレイやプリンタなどによって実現される。例えば、メモリ6またはメモリ7に、前述の変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出し、該算出される変形履歴を応力分布に変換するための解析プログラムが格納される。メモリ7には、入力値、算出される値などが一時的に記憶される。   A central processing unit 5 and memories 6 and 7 are connected to the input / output interface 9 via a bus 8. The input means 2 is electrically connected to the input / output interface 9, and the output means 4 is electrically connected via the drive circuit 10. The output unit 4 is realized by, for example, a display or a printer capable of display output. For example, the memory 6 or the memory 7 stores an analysis program for calculating the deformation history of the cage including the above-described deformation dynamic characteristics and converting the calculated deformation history into a stress distribution. The memory 7 temporarily stores input values, calculated values, and the like.

図4は、円すいころ軸受の保持器の各柱に自由度を設定する箇所を表す斜視図である。保持器13は、円周方向一定間隔おきに複数の柱13cを備え、隣接する柱13c間に転動体としてのころが配設される。各柱13cは、配設されるべきころの軸線方向に略平行に延在する直方体形状に形成される。この保持器の前記動力学解析モデルにおいて、保持器13の各柱13cに超要素法の自由度(略称DOF:Degree Of Freedom ,ここでは3並進とする)を設定する。   FIG. 4 is a perspective view showing a place where a degree of freedom is set for each column of the retainer of the tapered roller bearing. The cage 13 includes a plurality of columns 13c at regular intervals in the circumferential direction, and rollers as rolling elements are disposed between adjacent columns 13c. Each column 13c is formed in a rectangular parallelepiped shape extending substantially parallel to the axial direction of the roller to be disposed. In the dynamic analysis model of the cage, the degree of freedom of the super element method (abbreviated as DOF: Degree Of Freedom, here, 3 translation) is set for each column 13c of the cage 13.

自由度DOFの設置箇所は、柱13cの保持器外径面と保持器内径面のうちの、ころからの荷重により柱13cの並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点であって、柱13cの幅方向の中心となる中心断面上の複数箇所とする(なお、図4では、各点(−2,−1,0,+1,+2)を示している。これら複数箇所の自由度の設置箇所のうちの2点は、柱13cの、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向両端部でかつ柱の中心断面上となる2点(−2,+2)とする。上記の「柱13cの保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱13cの並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面」は、転がり軸受の各種の条件によって異なるが、図示の例では保持器外径面である。   The DOF is installed at a point on the surface on the side where the displacement due to translation and torsion of the column 13c becomes larger due to the load from the roller, of the outer diameter surface of the cage and the inner diameter surface of the cage. Thus, a plurality of points on the central cross section that is the center in the width direction of the column 13c are shown (in FIG. 4, each point (-2, -1, 0, +1, +2) is shown. Two points of the installation places with the degree of freedom are two points (−2, +2) that are on both ends of the column 13c in the axial direction of the roller and within the central cross section of the column within the range where the load is applied from the roller. The above-mentioned “surface on the side of the outer diameter surface of the cage 13c and the inner diameter surface of the cage where the displacement due to translation and torsion of the column 13c due to the load from the roller is larger” refers to various types of rolling bearings. Although it depends on conditions, in the illustrated example, the outer diameter surface of the cage.

自由度DOFの設置箇所は、上記のころの軸方向両端部となる2点(−2,+2)のみとすることが好ましいが、前記両端の2点(−2,+2)と、これら2点(−2,+2)の間の中心部(0)との3点とであっても良く、さらに多くの箇所としても良い。例えば、上記両端部となる2点(−2,+2)と中心部(0)との間の中央となる点(−1,+1)を加えても良い。
上記の「柱13cの並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面」が保持器内径面である場合は、自由度DOFの設置箇所は、中心断面上で、保持器内径面上であって、かつころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向両端部となる2点(保持器内径側の柱の面上でかつ−2,+2に相当する点)とするのが良く、または、これに保持器内径面上の中心部(保持器内径側の柱の面上でかつ0に相当する点)を加えても良く、さらにその両端部となる2点(保持器内径側の柱の面上でかつ−2,+2に相当する点)と中心部(保持器内径側の柱の面上でかつ0に相当する点)との間の中央となる点(保持器内径側の柱の面上でかつ−1,+1に相当する点)を加えても良い。
自由度DOFの設置箇所を上記のようにすることが好ましい理由については、後に、FEM解析の結果との対比等を行って説明する。
It is preferable that the degree of freedom DOF is installed at only two points (−2, +2) that are both ends in the axial direction of the roller, but the two points (−2, +2) at both ends and these two points. It may be three points with the central portion (0) between (−2, +2), or more points. For example, a point (−1, +1) serving as the center between the two points (−2, +2) serving as both end portions and the center portion (0) may be added.
When the above-mentioned “surface on which the displacement due to translation and twist of the column 13c becomes larger” is the cage inner diameter surface, the installation position of the DOF degree of freedom is on the inner cross section on the center cross section, And it is good to set it as two points (points on the surface of the column on the inner diameter side of the cage and corresponding to -2 and +2) that are both ends in the axial direction of the roller within the range in which the load acts from the roller. Alternatively, a central portion on the inner diameter surface of the cage (a point corresponding to 0 on the surface of the column on the inner diameter side of the cage) may be added, and two points (both on the inner diameter side of the cage). A point (center of the cage inner diameter side) between the center of the column (point corresponding to -2, +2) and the center (point of the column on the inner diameter side of the cage and corresponding to 0). A point on the column surface and corresponding to -1, +1) may be added.
The reason why it is preferable to install the DOF with the degree of freedom as described above will be described later by comparing with the result of the FEM analysis.

ここで前記超要素法(スーパーエレメント法ともいう)について説明する。この方法は、有限要素法(FEM)による特性行列の定式化からグヤンの静縮小を行って解析する方法である。ある部分構造の質量行列を[M],剛性行列を[K]とし、超要素法の縮小過程で消去される自由度を添字a,残される自由度を添字bで表す。自由度aには外力が作用しないとすれば、不減衰振動の運動方程式は、周波数領域で次のようになる。前記の超要素法の自由度DOFとは、自由度{xb}である。   Here, the super element method (also referred to as super element method) will be described. This method is a method in which the characteristic matrix is formulated by the finite element method (FEM), and Guyan's static reduction is performed for analysis. A mass matrix of a partial structure is represented by [M], a stiffness matrix is represented by [K], a degree of freedom to be deleted in the reduction process of the super element method is represented by a subscript a, and a remaining degree of freedom is represented by a subscript b. If an external force does not act on the degree of freedom a, the equation of motion of undamped vibration is as follows in the frequency domain. The degree of freedom DOF of the super element method is the degree of freedom {xb}.

Figure 0005473814
Figure 0005473814

式(3)において、{x}は変位振幅ベクトル,{fb}は外力ベクトルを表す。式(3)において慣性項を省略し、上半分の関係式から消去される自由度の変位{xa }を残される自由度の変位{xb }で式(4)のように表す。   In Expression (3), {x} represents a displacement amplitude vector, and {fb} represents an external force vector. In equation (3), the inertia term is omitted, and the displacement {xa} of the degree of freedom eliminated from the upper half of the relational expression is expressed as equation (4) by the displacement {xb} of the remaining degree of freedom.

Figure 0005473814
Figure 0005473814

式(4)の関係を用いて元の質量行列と剛性行列とを{xb }の自由度に等しい行列に縮小する。縮小後の質量行列は式(5)のように表される。   The original mass matrix and stiffness matrix are reduced to a matrix equal to {xb} degrees of freedom using the relationship of equation (4). The mass matrix after the reduction is expressed as Equation (5).

Figure 0005473814
Figure 0005473814

剛性行列は式(6)のように表される。

Figure 0005473814
The stiffness matrix is expressed as Equation (6).
Figure 0005473814

これら式(5)、式(6)の行列の表現される分系モデルを超要素とよぶ。超要素による分系の特性行列を構造物の結合状態のように重ね合わせ、全系の縮小された運動方程式を作成して解く。   A segregated model in which the matrices of these equations (5) and (6) are expressed is called a super element. Superimposes the characteristic matrix of the superordinate system as a coupled state of the structure, creates a reduced equation of motion for the entire system, and solves it.

ところで、変形モードの導入において、保持器の柱の変形を再現することが重要であるが、この考慮には非常に高次までの固有変形モードを導入する必要があり、動力学解析の数値積分が長時間化していた。本実施形態において、保持器の各柱に、前述の超要素法の自由度を設定することで、柱の変形モードが必ず動特性に含まれるようになり、かつそれ以外の固有変形モードの残留モード数を減少させることで、最終的に効率的かつ妥当な保持器応力値を得ることができる。保持器の各柱に超要素法の自由度を設定する場合、高次の固有変形モードを導入する手法に比べて、動力学解析に要する時間短縮を図ることができる。   By the way, in introducing the deformation mode, it is important to reproduce the deformation of the cage column. To take this into account, it is necessary to introduce a natural deformation mode up to a very high order. Was getting longer. In this embodiment, by setting the degree of freedom of the super element method described above for each pillar of the cage, the deformation mode of the pillar is always included in the dynamic characteristics, and the remaining of the other inherent deformation modes remains. By reducing the number of modes, an efficient and reasonable cage stress value can be finally obtained. When the degree of freedom of the super element method is set for each column of the cage, the time required for the dynamic analysis can be shortened as compared with the method of introducing a higher-order natural deformation mode.

本発明で記しているモード合成法とは、具体的には、超要素法による拘束変形モードと固有値解析による固有変形モードとの線形和により、保持器の弾性変形を模擬することを意味する。動力学解析への導入には、以下に示すモード変形を考慮したラグランジェの運動方程式を利用することで実現している。   Specifically, the mode composition method described in the present invention means that the elastic deformation of the cage is simulated by a linear sum of the constraint deformation mode by the super element method and the eigen deformation mode by the eigenvalue analysis. The introduction to the dynamic analysis is realized by using the Lagrangian equation of motion considering the mode deformation shown below.

次に、軸受構成部品の運動の自由度と、保持器の動的な弾性変形の自由度とを同時に数値積分する態様を、運動方程式に基づいて説明する。以下のラグランジェの運動方程式で、一般化座標やラグランジアンLに弾性変形の自由度も導入され解かれる。   Next, an aspect in which the degree of freedom of movement of the bearing component and the degree of freedom of dynamic elastic deformation of the cage are numerically integrated simultaneously will be described based on the equation of motion. In the following Lagrangian equation of motion, the degrees of freedom of elastic deformation are introduced into the generalized coordinates and Lagrangian L and solved.

Figure 0005473814
Figure 0005473814

Figure 0005473814
Figure 0005473814

Figure 0005473814
ここでx、y、zは並進変位、ψ、θ、φは角変位、qi は、各変形モードのモーダル座標である。
以下、ラグランジアンLの定義について説明する。
L=T−V
ここでTは運動エネルギである。弾性体の運動エネルギは微小要素dVの運動エネルギの積分により次式のように表される。
Figure 0005473814
Here, x, y, z are translational displacements, ψ, θ, φ are angular displacements, and qi are modal coordinates of each deformation mode.
Hereinafter, the definition of Lagrangian L will be described.
L = TV
Here, T is kinetic energy. The kinetic energy of the elastic body is expressed by the following equation by integrating the kinetic energy of the minute element dV.

Figure 0005473814
ここで、式(10)のvは速度、ρは密度、mpは有限要素の微小要素ノードpの質量、vpはノードpの速度、GωBpはその角速度、Ipはその慣性モーメントのテンソルである。速度vpの算出は下式に基づく。
Figure 0005473814
ここで、GABは物体に固定した座標系から、慣性座標系への変換行列である。spはノードpの弾性変形が無い場合の位置ベクトルで、upはその弾性変形ベクトルである。
変換行列の変化量については、下式の変換が可能である。
Figure 0005473814
ここで、記号の上に付くチルダ(〜)はスキュー演算子であり、行列の積で外積演算を表すことができる。
また、一般化座標上の角変位の時間微分を慣性座標系に変換すれば角速度がえられるため、
Figure 0005473814
の関係も成立する。ここで、Bは慣性から物体の基準点への座標変換行列である。
よって、速度は下式となる。
Figure 0005473814
Figure 0005473814
Here, v in equation (10) is the velocity, ρ is the density, mp is the mass of the microelement node p of the finite element, vp is the velocity of the node p, GωBp is the angular velocity, and Ip is the tensor of the moment of inertia. The calculation of the speed vp is based on the following equation.
Figure 0005473814
Here, GAB is a transformation matrix from a coordinate system fixed to an object to an inertial coordinate system. sp is a position vector when there is no elastic deformation of the node p, and up is its elastic deformation vector.
The amount of change in the conversion matrix can be converted using the following equation.
Figure 0005473814
Here, a tilde (˜) attached to the symbol is a skew operator, and can express a cross product operation by a matrix product.
Also, since the angular velocity can be obtained by converting the time derivative of angular displacement on generalized coordinates to the inertial coordinate system,
Figure 0005473814
The relationship is also established. Here, B is a coordinate transformation matrix from inertia to the reference point of the object.
Therefore, the speed is as follows.
Figure 0005473814

式(10)に対して、vやωを置き換えて簡単化すると、一般化質量行列と一般化座標上では、下式が導かれる。

Figure 0005473814
If the equation (10) is simplified by replacing v and ω, the following equation is derived on the generalized mass matrix and generalized coordinates.
Figure 0005473814

上式の質量行列は、その内容を明確化すると、式(12)のように区分けされる。下付き添字のt、rおよびmはそれぞれ、並進、回転およびモードの変位を表す。

Figure 0005473814
If the contents of the mass matrix in the above equation are clarified, they are classified as shown in Equation (12). The subscripts t, r, and m represent translation, rotation, and mode displacement, respectively.
Figure 0005473814

式(12)の9つのM行列は下式で表現される。

Figure 0005473814
The nine M matrices in Expression (12) are expressed by the following expression.
Figure 0005473814

Figure 0005473814
Figure 0005473814

Figure 0005473814
Figure 0005473814

Figure 0005473814
Figure 0005473814

Figure 0005473814
Figure 0005473814

Figure 0005473814
Figure 0005473814

Figure 0005473814
Figure 0005473814

Vはポテェンシャルエネルギであり、次式のように表される。   V is potential energy and is expressed by the following equation.

Figure 0005473814
Figure 0005473814

式(20)での剛性行列Kは,式(21)となる。

Figure 0005473814
The stiffness matrix K in Equation (20) is Equation (21).
Figure 0005473814

ここで、Kmmは、モード座標系での一般化剛性行列で、物体のモード行列をΦ、剛性行列をKとすると、
Kmm=ΦT KΦ
となる。
Here, Kmm is a generalized stiffness matrix in the mode coordinate system, where the mode matrix of the object is Φ and the stiffness matrix is K,
Kmm = Φ T
It becomes.

Vgは重力による位置エネルギである。

Figure 0005473814
ここで、gは重力加速度ベクトルである。ラグランジェの運動方程式に入る一般化された重力による力は下式となる。
Figure 0005473814
Vg is the potential energy due to gravity.
Figure 0005473814
Here, g is a gravitational acceleration vector. The generalized gravity force that falls into Lagrange's equation of motion is
Figure 0005473814

Fは散逸エネルギであり、レイリーの散逸関数より次式のように表される。ここで、Dはモーダル減衰行列である。   F is dissipative energy, and is expressed by the following equation from Rayleigh's dissipative function. Here, D is a modal attenuation matrix.

Figure 0005473814
Figure 0005473814

上記の式をラグランジェの運動方程式に導入すると、最終的に、弾性変形部の一般化座標系における運動方程式は次式となる。   When the above equation is introduced into the Lagrangian equation of motion, the equation of motion in the generalized coordinate system of the elastically deformed portion is finally given by the following equation.

Figure 0005473814
Figure 0005473814

Figure 0005473814
Figure 0005473814

図5は、運転中の軸受の保持器への干渉力、および保持器応力の計算結果例を表す図である。本図において、保持器のカラーコンタはMises 応力であり、内輪、外輪、およびころは非表示状態である。図5に示すように、保持器の柱から半径方向外方側でかつ略接線方向に向けて、ころからの干渉力ベクトル12が作用している。本実施形態に係る応力解析においては、水平軸回りに配設される当該保持器の頂上付近部の複数の柱に、この頂上付近部以外の周方向他部に存する柱よりも、大きい干渉力が作用していることが明らかになっている。しかも前記頂上付近部の複数の柱には、半径方向外方側でかつ前記略接線方向とは異なる方向に向けて、ころからの干渉力ベクトル12が作用していることが明らかになっている。保持器の上半部では、該保持器の内周に沿って応力が付与され、内周から柱、および外周にわたって応力が付与されている。   FIG. 5 is a diagram illustrating a calculation result example of the interference force of the bearing during operation to the cage and the cage stress. In this figure, the color contour of the cage is Mises stress, and the inner ring, outer ring, and rollers are not displayed. As shown in FIG. 5, the interference force vector 12 from the roller acts radially outward from the retainer column and in a substantially tangential direction. In the stress analysis according to the present embodiment, the interference force greater than the columns existing in the other circumferential portions other than the top vicinity of the plurality of columns near the top of the cage disposed around the horizontal axis. Has been shown to be working. In addition, it is clear that the interference force vector 12 from the rollers acts on the plurality of columns near the top in the radially outward direction and in a direction different from the substantially tangential direction. . In the upper half of the cage, stress is applied along the inner periphery of the cage, and stress is applied from the inner periphery to the column and the outer periphery.

以上説明した保持器の応力解析方法および応力解析システムによれば、軸受構成部品を剛体とみなした転がり軸受の3次元の動力学解析モデルに、保持器の動的な弾性変形の特性(固有変形モードおよびその周波数)をモード合成法に基づき導入し、弾性変形の自由度と、軸受構成部品であるころの運動の自由度とを同時に数値積分する。これによって、変形の動特性を含む保持器の変形履歴が得られる。このような変形履歴に基づいて保持器応力を得ることができる。また、上記動力学解析モデルにおいて、保持器の他の構成部品は、剛体とみなす。   According to the cage stress analysis method and stress analysis system described above, the dynamic elastic deformation characteristics of the cage (inherent deformation) are added to the three-dimensional dynamic analysis model of a rolling bearing in which the bearing components are regarded as rigid bodies. Mode and its frequency) are introduced based on the mode synthesis method, and the degree of freedom of elastic deformation and the degree of freedom of movement of the roller which is a bearing component are numerically integrated simultaneously. Thereby, the deformation history of the cage including the dynamic characteristics of the deformation is obtained. The cage stress can be obtained based on such deformation history. In the above dynamic analysis model, the other components of the cage are regarded as rigid bodies.

したがって、前記非特許文献1,2等の従来技術と比べて、運転中の保持器応力を高精度にかつ効率的に計算することが可能となる。それ故、たとえば保持器の柱の断面積を小さくしたり柱中心のピッチ円径を変更することで軸受サイズを大きくすることなく転動体の数を増加させ、負荷容量を増大させるような設計変更を、高精度にかつ効率的に計算することができる。これにより、たとえば高負荷時の接触面圧を低減させ、過酷な潤滑条件下や異物混入潤滑条件下での寿命向上を図るとともに高剛性化も同時に実現し得るような転がり軸受の保持器を、短時間で求めることが可能となる。それ故、軸受製作のコストを低減することが可能となる。本応力解析方法および応力解析システムによって、実験代替技術を確立することが可能となる。   Therefore, it is possible to calculate the cage stress during operation with high accuracy and efficiency as compared with the prior arts such as Non-Patent Documents 1 and 2. Therefore, for example, design changes that increase the load capacity by increasing the number of rolling elements without increasing the bearing size by reducing the cross-sectional area of the pillar of the cage or changing the pitch circle diameter at the center of the pillar. Can be calculated with high accuracy and efficiency. With this, for example, a rolling bearing retainer that reduces the contact surface pressure at high load, improves the life under severe lubrication conditions and foreign matter contamination lubrication conditions, and can achieve high rigidity at the same time, It can be obtained in a short time. Therefore, it is possible to reduce the cost of manufacturing the bearing. With this stress analysis method and stress analysis system, it is possible to establish an experimental alternative technique.

また、保持器11の各柱11aに、超要素法の自由度を設定するので、柱11aの変形モードが必ず動特性に含まれるようになり、かつそれ以外の固有変形モードの残留モード数を減少させることで、効率的かつ妥当な保持器応力値を得ることができる。換言すれば、従来の非常に高次までの変形モードを導入する手法に比べて、動力学解析に要する時間短縮を図ることができる。   In addition, since the degree of freedom of the super element method is set for each column 11a of the cage 11, the deformation mode of the column 11a is always included in the dynamic characteristics, and the remaining mode number of other natural deformation modes is set. By reducing it, an efficient and reasonable cage stress value can be obtained. In other words, the time required for the dynamic analysis can be shortened as compared with the conventional method of introducing a deformation mode up to a very high order.

特に、この実施形態では、上記の動力学解析モデルに、保持器の動的な弾性変形の特性をモード合成法に基づき導入する際に、保持器の柱の軸方向の中心断面上に複数の自由度を設置する。こうすることで、ころからポケット面への荷重が応力集中する隅部へ近づいてきても、比較的精度良く、隅部の応力を予測することができる。
複数箇所の自由度の設置箇所のうちの2点は、柱の、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向両端部となる2点とし、あるいはこの2点のみとしたため、自由度の設置箇所をできるだけ少なくして計算量を減らしながら、精度良く保持器応力を計算することができる。また、自由度の設置箇所を、保持器のポケット間の柱の保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱の並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点とするため、さらに精度良く保持器応力を計算することができる。
In particular, in this embodiment, when the dynamic elastic deformation characteristics of the cage are introduced into the dynamic analysis model based on the mode synthesis method, a plurality of axial cross sections of the cage pillars are arranged. Set the degree of freedom. By doing so, even if the load from the roller approaches the corner where the stress is concentrated, the stress at the corner can be predicted with relatively high accuracy.
Two points of the installation locations with multiple degrees of freedom are the two points that are both ends of the roller in the axial direction within the range where the load is applied from the roller, or only these two points. The cage stress can be calculated with high accuracy while reducing the amount of calculation by reducing the number of installation points as much as possible. In addition, place the degree of freedom on the outer surface of the cage between the pockets of the cage and the inner surface of the cage on the side where displacement due to translation and torsion of the column becomes larger due to the load from the rollers. Therefore, the cage stress can be calculated with higher accuracy.

次に、上記実施形態において、補正により、保持器応力の計算精度を向上させる方法(1)、(2)について説明する。
(1)有限要素長による応力補正について
図10は、保持器のポケット隅部の有限要素長とその応力との関係を表す図である。同図は、動力学解析に用いた所定部としてのポケット隅部の有限要素長、例えば0.7mmに対して、その長さを必要十分に短くした場合、例えば0.35mm以下にした場合のポケット隅部の応力を、有限要素法上で計算したものである。
すなわち、予備調査として、応力集中部となるポケット隅部につき、動力学解析モデルに用いられる有限要素長(図10の丸点線参照)と、この有限要素長よりも短い有限要素長(同図、矢符参照)とをそれぞれ用いて有限要素法によって応力を求める。
Next, methods (1) and (2) for improving the calculation accuracy of the cage stress by correction in the above embodiment will be described.
(1) Stress Correction by Finite Element Length FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the finite element length of the pocket corner of the cage and the stress. This figure shows the case where the length of the pocket corner as a predetermined part used in the dynamic analysis is sufficiently short with respect to a finite element length of 0.7 mm, for example, 0.35 mm or less. The stress at the corner of the pocket is calculated by the finite element method.
That is, as a preliminary investigation, with respect to the pocket corner that becomes a stress concentration portion, a finite element length (see the dotted line in FIG. 10) used in the dynamic analysis model and a finite element length shorter than this finite element length (the same figure, The stress is obtained by the finite element method using each of the arrows.

これら両応力の比を求めておく。本実施形態では、動力学解析に用いた有限要素長、例えば0.7mmのポケット隅部の応力は6×10−3KPaであり、この有限要素長を必要十分に短くした場合、例えば0.07mmのポケット隅部の応力は1×10−2KPaである。この1×10−2KPaを6×10−3KPaで除した両応力の比は「1.66」となる。この比を補正係数αとして、保持器応力の計算の過程で出力された保持器応力を、前記補正係数αの乗算により補正する。前記補正係数αは、図3に示す演算手段3におけるRAM7等に書換え可能に記憶され、演算に供される。この保持器応力の補正は、図3の応力演算部3bで行う。例えば、応力演算部3bに補正演算部3bcを設け、応力分布変換部3bbで出力される保持器応力を、補正演算部3bcで補正し、その補正結果を出力処理部3cから出力する。なお、補正係数αは、「1.66」に限定されるものではない。   The ratio of these two stresses is obtained in advance. In this embodiment, the stress at the corner of the finite element used in the dynamic analysis, for example 0.7 mm, is 6 × 10 −3 KPa, and when this finite element length is shortened sufficiently and sufficiently, for example, 0.07 mm The stress at the corner of the pocket is 1 × 10 −2 KPa. The ratio of both stresses obtained by dividing 1 × 10 −2 KPa by 6 × 10 −3 KPa is “1.66”. Using this ratio as a correction coefficient α, the cage stress output in the cage stress calculation process is corrected by multiplication of the correction coefficient α. The correction coefficient α is stored in a rewritable manner in the RAM 7 or the like in the calculation means 3 shown in FIG. The cage stress correction is performed by the stress calculation unit 3b in FIG. For example, a correction calculation unit 3bc is provided in the stress calculation unit 3b, the cage stress output from the stress distribution conversion unit 3bb is corrected by the correction calculation unit 3bc, and the correction result is output from the output processing unit 3c. The correction coefficient α is not limited to “1.66”.

このように、予備調査として一旦、前記補正係数αを得た後は、前記ポケット隅部の有限要素長を都度短くすることなく、保持器応力の出力の工程で出力された保持器応力に単に補正係数αを乗算するだけで、応力推定精度を向上させることができる。これにより、演算手段3の処理負荷の軽減を図ることができるうえ、保持器寿命をより正確にかつ簡単に求めることが可能となる。本例では、応力集中部として、ポケット隅部の例を説明したが、応力集中部はポケット隅部だけに限定されるものではない。例えば、柱の中央部に応力が集中しやすい形状がある場合(図13)には、その部分の応力に対する有限要素長の影響を上記のごとく解析すればよい。図13において、丸点線で囲まれた箇所Hcが、柱の中央部での応力発生箇所である。   As described above, once the correction coefficient α is obtained as a preliminary survey, the cage stress output in the cage stress output process is simply reduced without shortening the finite element length of the pocket corner each time. The stress estimation accuracy can be improved only by multiplying the correction coefficient α. As a result, the processing load on the computing means 3 can be reduced, and the cage life can be determined more accurately and easily. In this example, the example of the pocket corner portion has been described as the stress concentration portion, but the stress concentration portion is not limited to the pocket corner portion. For example, when there is a shape in which stress is likely to concentrate at the central part of the column (FIG. 13), the influence of the finite element length on the stress at that part may be analyzed as described above. In FIG. 13, a portion Hc surrounded by a round dotted line is a stress generation portion at the center of the column.

(2)モード合成法による応力補正について
図11は、有限要素解析により求めた保持器応力と、モード合成法による動力学解析により求めた保持器応力との関係を表す図である。動力学解析上では、上記動力学解析モデルに、保持器の動的な弾性変形の特性をモード合成法に基づき導入して、保持器変形を再現している。このモード合成法による動力学解析におけるポケット隅部の応力値は、有限要素法による解析つまりFEM解析と比較すると小さくなることが、計算を実施していくことで判明した。理想的には、超要素法での固有変形モードの残留モード数の増加や拘束変形モードの自由度の数を増加させて、目的とする位置の応力値がFEM解析とモード合成法とで同等にするべきであるが、保持器の形状が変化すると超要素法の最適な解析条件が変化するため、都度検討する必要がある。それ故、有限要素法により求められたポケット隅部などの問題となる部位の応力と、動力学計算により求められた同部の応力の比を、補正係数βとして得ることで、応力推定精度を向上させる。
(2) Stress Correction by Mode Synthesis Method FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the cage stress obtained by finite element analysis and the cage stress obtained by dynamic analysis by the mode synthesis method. In the dynamic analysis, the dynamic deformation of the cage is introduced into the dynamic analysis model based on the mode synthesis method to reproduce the cage deformation. It was found by carrying out the calculation that the stress value at the corner of the pocket in the dynamic analysis by the mode synthesis method is smaller than the analysis by the finite element method, that is, the FEM analysis. Ideally, by increasing the number of residual modes in the eigendeformation mode and the number of degrees of freedom of the constrained deformation mode in the super element method, the stress value at the target position is the same in the FEM analysis and the mode synthesis method. However, when the cage shape changes, the optimum analysis conditions of the super element method change, so it is necessary to consider each time. Therefore, the stress estimation accuracy can be improved by obtaining the ratio of the stress at the problematic part such as the pocket corner obtained by the finite element method and the stress at the same part obtained by the dynamic calculation as the correction coefficient β. Improve.

本実施形態では、保持器の板厚が主に異なる2種類の軸受B1,B2にて検討した。図11において、前記軸受B1の応力計算結果は一点鎖線で表記され、前記軸受B2の応力計算結果は長点線で表記される。動力学計算による応力値に対して、FEM解析による応力値は、軸受B1で1.6倍、軸受B2で1.2倍となった。すなわち、予備調査として、軸受B1における補正係数β「1.6」、軸受B2における補正係数β「1.2」を得ることができる。この補正係数βは、図3に示す演算手段3におけるRAM7等に書換え可能に記憶され、演算に供される。この保持器応力の補正は、補正演算部3bcにより行われる。なお、補正係数βは、「1.6」、「1.2」に限定されるものではない。   In the present embodiment, two types of bearings B1 and B2 in which the cage thicknesses are mainly different were studied. In FIG. 11, the stress calculation result of the bearing B1 is represented by a one-dot chain line, and the stress calculation result of the bearing B2 is represented by a long dotted line. The stress value obtained by the FEM analysis was 1.6 times that of the bearing B1 and 1.2 times that of the bearing B2 with respect to the stress value obtained by the dynamic calculation. That is, as a preliminary survey, the correction coefficient β “1.6” in the bearing B1 and the correction coefficient β “1.2” in the bearing B2 can be obtained. This correction coefficient β is stored in a rewritable manner in the RAM 7 or the like in the calculation means 3 shown in FIG. 3, and is used for calculation. The correction of the cage stress is performed by the correction calculation unit 3bc. The correction coefficient β is not limited to “1.6” and “1.2”.

したがって、予備調査として一旦、補正係数βを得た後は、モード合成法による応力値に、前記補正係数βを乗算するだけで、応力推定精度を向上させることができる。これにより、演算手段3の処理負荷の軽減を図ることができるうえ、保持器寿命をより正確にかつ簡単に求めることが可能となる。
なお、図3の補正演算部3bcは、上記有限要素長による応力補正を行うものであっても、またモード合成法による応力補正を行うものであっても良く、さらに両方の応力補正を行うものであっても良い。補正演算部3bcが上記両方の補正を行うものである場合、保持器応力の算出の過程で出力された保持器応力に対して、例えば、前記補正係数αおよび補正係数βの両方の乗算により補正するようにする。この両方の補正を行うことが、応力推定精度をより向上させる点で好ましい。この場合、保持器寿命をさらに正確に求めることが可能となる。
Therefore, once the correction coefficient β is obtained as a preliminary investigation, the stress estimation accuracy can be improved only by multiplying the stress value obtained by the mode synthesis method by the correction coefficient β. As a result, the processing load on the computing means 3 can be reduced, and the cage life can be determined more accurately and easily.
Note that the correction calculation unit 3bc in FIG. 3 may perform the stress correction by the finite element length or the stress correction by the mode synthesis method, and further perform both stress corrections. It may be. When the correction calculation unit 3bc performs both of the above corrections, the cage stress output in the cage stress calculation process is corrected by, for example, multiplying both the correction coefficient α and the correction coefficient β. To do. It is preferable to perform both corrections in terms of further improving the stress estimation accuracy. In this case, the life of the cage can be obtained more accurately.

次に、実際の補正による計算例と保持器寿命試験との比較例を以下に示す。保持器寿命試験では、運転中の一対の軸受にラジアル方向振動を強制的に与えて、保持器破損時間を測定した。前記保持器破損時間は、保持器寿命と同義である。試験対象の円すいころ軸受は、主要寸法(内径×外径×幅)が、例えばφ75mm×φ160mm×40mmであり、ころ本数が14、保持器の板厚(B1,B2) が異なる(B1=3.5mm, B2=5.0mm)2種類の軸受について実施した。軸受アキシアル隙間は0.2mmであり、潤滑剤はグリースを適用した。内輪の回転速度は1000rpmであり、周波数100Hz、196m/s2の加振を与えた。軸受1個あたり1000Nのラジアル荷重を水平方向に負荷した。   Next, a comparison example between a calculation example by actual correction and a cage life test is shown below. In the cage life test, radial vibration was forcibly applied to a pair of bearings during operation, and the cage breakage time was measured. The cage breakage time is synonymous with the cage life. The tapered roller bearing to be tested has main dimensions (inner diameter × outer diameter × width) of, for example, φ75 mm × φ160 mm × 40 mm, the number of rollers is 14, and the plate thickness (B1, B2) of the cage is different (B1 = 3). .5 mm, B2 = 5.0 mm) Two types of bearings were carried out. The bearing axial gap was 0.2 mm, and grease was applied as the lubricant. The rotation speed of the inner ring was 1000 rpm, and excitation was performed at a frequency of 100 Hz and 196 m / s2. A radial load of 1000 N per bearing was applied in the horizontal direction.

図12は、保持器寿命の測定値と、補正係数を見込んだ保持器の最大Mises 応力の計算値との関係を表す図である。これら二種類の軸受B1,B2では、二種類の補正係数αおよび補正係数βを共に乗算した最大Mises 応力の計算値が表されている。保持器が破損した軸受の保持器応力SB1は、点線で示す材料疲労限界FLを超えている。逆に言えば、保持器が破損していない軸受の保持器応力SB2は、材料疲労限界FLを超えていない。したがって本実施形態に係る保持器の応力解析の妥当性を、この保持器寿命試験によって確認できる。保持器破損は、ポケットの小径側の隅を起点に生じているが、応力解析でも同様の位置で高応力が発生している。高応力は、ころが保持器を上方へ加速させる場合に生じている。
本実施形態では、保持器応力に補正係数αおよびβを乗算して補正したため、保持器応力が材料疲労限界FLを超えるか超えないかの判定を、より正確に行うことができる。本結果では、補正係数βを考慮して初めて、実験結果との整合性を見出すことができたが、補正係数がなくても保持器応力の水準を推定することが可能で強度設計において役立つ情報となる。また保持器の形状が不変であれば、保持器応力に及ぼす運転条件の影響などを検討する場合には、補正係数αやβは不要となる。
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the measured value of the cage life and the calculated value of the maximum Mises stress of the cage that allows for the correction coefficient. In these two types of bearings B1 and B2, the calculated values of the maximum Mises stress obtained by multiplying the two types of correction coefficient α and correction coefficient β are shown. The cage stress SB1 of the bearing in which the cage is broken exceeds the material fatigue limit FL indicated by the dotted line. Conversely, the cage stress SB2 of the bearing in which the cage is not damaged does not exceed the material fatigue limit FL. Therefore, the validity of the stress analysis of the cage according to the present embodiment can be confirmed by this cage life test. The cage breakage occurs from the corner on the small diameter side of the pocket, but high stress is generated at the same position in the stress analysis. High stress occurs when the rollers accelerate the cage upward.
In this embodiment, since the cage stress is corrected by multiplying by the correction coefficients α and β, it is possible to more accurately determine whether the cage stress exceeds or does not exceed the material fatigue limit FL. In this result, the consistency with the experimental results could be found for the first time in consideration of the correction coefficient β, but it is possible to estimate the cage stress level without the correction coefficient, which is useful information for strength design. It becomes. If the shape of the cage is unchanged, the correction coefficients α and β are not necessary when examining the influence of operating conditions on the cage stress.

次に、自由度の設置箇所の位置や個数の違いによる保持器応力の計算精度を比較検討した結果を説明する。
図1(B)の保持器に対して、図4の5点(−2,−1,0.+1,+2)となる各箇所に、次の表1の組み合わせパターンで自由度を設置し、かつ各々においてポケット面上の10箇所の点にころ荷重を模擬した荷重を順次負荷し、ポケット隅部の最大主応力を、有限要素法と実施形態のモード合成法(ただし自由度の設置箇所は実施形態に含まれない場合を含む)とで計算した。
Next, a description will be given of the results of a comparative examination of the calculation accuracy of the cage stress due to the difference in the position and number of the installation positions of the degree of freedom.
With respect to the cage of FIG. 1 (B), the degree of freedom is set in each of the five points (−2, −1, 0. + 1, +2) in FIG. In each case, a load simulating a roller load is sequentially applied to 10 points on the pocket surface, and the maximum principal stress at the corner of the pocket is determined by the finite element method and the mode synthesis method of the embodiment (however, the installation place of the degree of freedom is (Including the case not included in the embodiment).

Figure 0005473814
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モード合成法に対する有限要素法の応力の比を、図14〜図17に示す。横軸は、荷重負荷点を表し、それぞれ一点のみに負荷している。ただし、ALLは、10点の全てに荷重を負荷した場合である。
これらの図からわかるように、荷重作用点が柱の中央である0Uや0Lであれば、自由度を1つ設けたパターン1でも、応力比は比較的小さい。しかしながら、−2や+2と、長手方向の端に偏ると、応力比は大きくなる。自由度を2点としたパターン2B,2C場合、荷重点の偏りに伴う応力比の増加幅は、パターン1と比べ減少する。図14や図15からわかるように、自由度を両端にしたパターン2Cでは、荷重点が両端の場合の応力比はパターン2Bよりも小さいが、−1から+1の間に荷重が作用する場合には、自由度の間隔が短いパターン2Bの方が応力比が小さくなる。自由度を3点としてパターン3Eは、いずれの位置に荷重が作用しても,比較的小さな応力比となる。
自由度を5点全てに設定したパターン5では、全域において最も低い応力比となった。したがって、ポケットの接触面上でのいずれの接触位置でも、有限要素法に近い応力値を算出するためには、より多くの自由度を持つパターン5が好ましい。しかしながら、動力学解析での計算コストは最も大きく、かつ、パターン3Eとの差異は小さい。よって、計算効率と精度を考慮すると、両端2点と中央1点との合計3点としたパターン3Eが好ましい。
The ratio of the stress of the finite element method to the mode synthesis method is shown in FIGS. The horizontal axis represents a load point, and each one is loaded at only one point. However, ALL is a case where a load is applied to all 10 points.
As can be seen from these figures, if the load application point is 0 U or 0 L which is the center of the column, the stress ratio is relatively small even in the pattern 1 provided with one degree of freedom. However, the stress ratio increases when it is biased to the end in the longitudinal direction, such as -2 or +2. In the case of the patterns 2B and 2C having two degrees of freedom, the increase width of the stress ratio due to the bias of the load points is reduced as compared with the pattern 1. As can be seen from FIG. 14 and FIG. 15, in the pattern 2C with the degrees of freedom at both ends, the stress ratio when the load points are at both ends is smaller than the pattern 2B, but when the load acts between −1 and +1. The pattern 2B having a shorter degree of freedom has a smaller stress ratio. With 3 degrees of freedom, the pattern 3E has a relatively small stress ratio regardless of the position at which the load is applied.
In pattern 5 in which the degree of freedom was set to all five points, the stress ratio was the lowest in the entire region. Therefore, in order to calculate a stress value close to the finite element method at any contact position on the contact surface of the pocket, the pattern 5 having a greater degree of freedom is preferable. However, the calculation cost in the dynamic analysis is the largest, and the difference from the pattern 3E is small. Therefore, in consideration of calculation efficiency and accuracy, the pattern 3E having a total of three points including two points at both ends and one point at the center is preferable.

応力補正係数を用いて、ポケット隅部の応力を推定する場合は、上記応力比に及ぼす荷重作用位置の影響が小さいことが望ましい。そこで、荷重作用位置を変えた場合の応力比の最小値に対する最大値の比を図18に示す。この比が小さければ、荷重作用位置が変わってもモード合成法で出てきた応力値に補正係数を乗じることで、比較的精度良く、有限要素法、すなわち実際の応力値が推定できる。図18より、最も良いのはパターン5である。次に小さい(良好な)のはパターン2Cであり、パターン5との差異は非常に小さい。パターン2Cの計算コストは、パターン5に比べ自由度が6割も減少するため、効率的な計算を行える。   When estimating the stress at the pocket corner using the stress correction coefficient, it is desirable that the influence of the load application position on the stress ratio is small. FIG. 18 shows the ratio of the maximum value to the minimum value of the stress ratio when the load application position is changed. If this ratio is small, the finite element method, that is, the actual stress value can be estimated with relatively high accuracy by multiplying the stress value obtained by the mode synthesis method by the correction coefficient even if the load application position changes. From FIG. 18, pattern 5 is the best. The next smallest (good) is the pattern 2C, and the difference from the pattern 5 is very small. The calculation cost of the pattern 2C can be calculated efficiently because the degree of freedom is reduced by 60% compared to the pattern 5.

上記は、モード合成法の自由度を保持器の柱の外径面側に設置した。しかし、実際に自由度の設置場所は、柱の内径面側とすることも可能である。そこで、自由度の設置場所を内径面側の−2と+2となる位置とした場合の応力補正比を求めたところ、図19〜図22となった。図にはパターン1と2Cの結果を比較用に掲載しておいた。内側に設置したものは2CIと記載したものである。応力比は、パターン2Cの場合よりも大きい。自由度は変形による変位の大きな部位に設置することが適切である.今回の保持器の柱の変形は、図23,図24のように、荷重による変形が斜め左上方向への並進成分と反時計回りのねじり成分からなり、内径側(I点)よりも外径側(O点)がより大きな変位となる。よって、自由度の設置における内径側か外径側かの選択は、ころからの荷重により並進的に変形する方向とねじれによる変形する方向とが一致し、変位が増加する側とすべきである。   In the above, the degree of freedom of the mode synthesis method was set on the outer diameter surface side of the cage pillar. However, it is also possible to actually set the degree of freedom on the inner diameter surface side of the column. Therefore, when the stress correction ratio when the installation location of the degree of freedom is set to the positions of −2 and +2 on the inner diameter side is obtained, FIGS. 19 to 22 are obtained. In the figure, the results of patterns 1 and 2C are shown for comparison. The one installed on the inner side is described as 2CI. The stress ratio is larger than that of the pattern 2C. It is appropriate that the degree of freedom is set at a location where displacement due to deformation is large. As shown in FIGS. 23 and 24, the deformation of the cage column this time is composed of a translational component in the diagonally upper left direction and a counterclockwise torsional component, and the outer diameter is larger than the inner diameter side (point I). The side (point O) has a larger displacement. Therefore, the selection of the inner diameter side or the outer diameter side in the installation of the degree of freedom should be the side on which the direction of translational deformation by the load from the roller coincides with the direction of deformation by torsion and the displacement increases. .

上記を踏まえて、最も好ましい計算手法は、ころからの荷重により柱の並進とねじれによる変位がより大きくなる側で、かつポケット間の中心断面上において、ころから荷重が作用する範囲内でのころの軸方向の両端部に、モード合成法の自由度を計2つ設置して、転がり軸受の動力学解析を行い保持器の応力を算出し、加えて予め求めた2種類の応力補正係数を乗じることである。   Based on the above, the most preferable calculation method is to use a roller within the range where the load acts from the roller on the side where the displacement due to translation and torsion of the column becomes larger due to the load from the roller and on the central cross section between the pockets. Install two total degrees of freedom of the mode synthesis method at both ends of the shaft direction, perform dynamic analysis of the rolling bearing to calculate the stress of the cage, and add two types of stress correction factors determined in advance. It is to multiply.

なお、応力補正係数を用いない場合では,更に柱の荷重が作用する範囲内でころの軸方向の中央部に更に自由度を1つ追加し、転がり軸受の動力学解析にて保持器応力を計算することが、計算精度と計算速度を両立させる上で、好ましい。   If the stress correction factor is not used, one more degree of freedom is added to the central part of the roller in the axial direction within the range where the column load is applied, and the cage stress is calculated by dynamic analysis of the rolling bearing. It is preferable to calculate in order to achieve both calculation accuracy and calculation speed.

次に、運転中の転がり軸受の保持器に生じる応力を、計算時間が短くて済む2次元の動力学解析により数値計算する保持器の応力解析システムについて説明する。本実施形態に係る保持器の応力解析システムは、たとえばニードル軸受や円筒ころ軸受の保持器に適用される。ただし、これらの軸受用の保持器だけに必ずしも限定されるものではなく、種々のころ軸受である転がり軸受の保持器の応力解析に適用される。以下の説明は、2次元でのニードル軸受や円筒ころ軸受の動力学解析における保持器の応力解析方法についての説明をも含む。   Next, a stress analysis system for a cage that numerically calculates stress generated in the cage of the rolling bearing during operation by two-dimensional dynamic analysis that requires a short calculation time will be described. The cage stress analysis system according to this embodiment is applied to a cage of a needle bearing or a cylindrical roller bearing, for example. However, the present invention is not necessarily limited only to the cage for these bearings, and is applied to stress analysis of a cage of a rolling bearing which is various roller bearings. The following description includes a description of a cage stress analysis method in the dynamic analysis of a two-dimensional needle bearing or cylindrical roller bearing.

前述の3次元での転がり軸受の保持器応力の動力学解析システムは、各種転がり軸受に適用可能である。しかしながら、3次元での動力学解析では、各部品の6自由度ならびに保持器の3次元的な弾性変形の自由度の全てを同時に数値積分するため、計算コストは高い。ところで、ニードル軸受や円筒ころ軸受などでは、ラジアル平面上の物体の挙動のみを取り扱いたい場合がある。この場合に上記の3次元全ての自由度を考慮する動力学解析では効率的でない。また、剛体部品の運動の自由度の拘束は容易にできるが、弾性体として取り扱う保持器の軸方向変位、ならびに自転を除く2軸周りの角変位を拘束するのは難しい。   The above-described three-dimensional rolling bearing cage stress dynamics analysis system can be applied to various types of rolling bearings. However, in the three-dimensional dynamic analysis, since all the six degrees of freedom of each part and the three-dimensional degree of freedom of elastic deformation of the cage are simultaneously numerically integrated, the calculation cost is high. By the way, in a needle bearing, a cylindrical roller bearing, etc., there are cases where it is desired to handle only the behavior of an object on a radial plane. In this case, the dynamic analysis considering all the three-dimensional degrees of freedom is not efficient. In addition, although the degree of freedom of movement of the rigid parts can be easily constrained, it is difficult to constrain the axial displacement of the cage handled as an elastic body and the angular displacement around two axes excluding rotation.

そこで、本発明の第2の実施形態に係る転がり軸受の保持器応力の動力学解析システムでは、保持器の弾性変形の自由度を2次元上に限定し、かつ転動体や軌道輪の運動の自由度も2次元上に限定することで、数値積分の必要処理量が減少する。これにより、転がり軸受の保持器応力を、3次元解析で行った場合よりも短時間で計算を完了させることができる。第2の実施形態の保持器の応力解析システムは、第1の実施形態と同様に、図3に示すように、入力手段2と演算手段3と出力手段4とを含む。
前記演算手段3は、前記演算手段3は、保持器を除く軸受構成部品を剛体とみなし、保持器には弾性変形の自由度を与えることを可能とした転がり軸受の動力学解析モデルを定めた解析モデル設定部3aと、前記転がり軸受の動力学解析モデルに、超要素法により得られる保持器の動的な弾性変形モードと固有変形モードをモード合成法に基づき導入する処理と、この導入した弾性変形の自由度と、定められた軸受構成部品の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出する処理、およびこの処理で算出される変形履歴を応力分布に変換することで、保持器応力を算出する処理を行う応力演算部3bと、この応力演算部で得られた保持器応力を前記出力手段へ出力する出力処理部3cとを有する。
ただし、この実施形態では、解析モデル設定部3aに設定する動力学解析モデル、および応力演算部3bは、保持器の弾性変形の自由度を2次元上に限定し、かつ転動体や軌道輪の運動の自由度も2次元上に限定する。この2次元上への限定は、軸心を含む平面、例えば図7におけるyz平面である。
Therefore, in the dynamic analysis system for the cage stress of the rolling bearing according to the second embodiment of the present invention, the degree of freedom of elastic deformation of the cage is limited to two dimensions, and the motion of the rolling elements and the bearing rings is limited. Limiting the degree of freedom to two dimensions also reduces the amount of processing required for numerical integration. Thereby, calculation can be completed in a shorter time than the case where the cage stress of a rolling bearing is performed by three-dimensional analysis. Similar to the first embodiment, the cage stress analysis system of the second embodiment includes an input unit 2, a calculation unit 3, and an output unit 4, as shown in FIG.
The calculation means 3 defines a dynamic analysis model of a rolling bearing that makes it possible to give the cage a degree of freedom of elastic deformation, assuming that the bearing components excluding the cage are rigid bodies. The analysis model setting unit 3a, and a process for introducing the dynamic elastic deformation mode and the natural deformation mode of the cage obtained by the super element method into the dynamic analysis model of the rolling bearing based on the mode synthesis method, and this introduction A process for calculating the deformation history of the cage including the dynamic characteristics of deformation by simultaneously numerically integrating the degree of freedom of elastic deformation and the degree of freedom of movement of the determined bearing components, and is calculated by this process By converting the deformation history into a stress distribution, a stress calculation unit 3b that performs processing for calculating the cage stress, and an output processing unit 3c that outputs the cage stress obtained by the stress calculation unit to the output unit. Have
However, in this embodiment, the dynamic analysis model set in the analysis model setting unit 3a and the stress calculation unit 3b limit the degree of freedom of elastic deformation of the cage to two dimensions, and the rolling elements and the raceway The degree of freedom of movement is also limited to two dimensions. This limitation to two dimensions is a plane including the axis, for example, the yz plane in FIG.

動力学解析の運動の自由度を2次元上に限定した場合の保持器の変形自由度DOFの設置箇所は、図4の3次元モデルを例に説明すると、保持器はその軸方向の中心で切断され図4の右側部のみが残された場合を想定した場合,柱13cの幅方向の中心となる中心断面上の複数箇所であり、具体的には、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向両端部となる1点(+2)と、こ中心部(0U)との2点とする。また、柱13cの保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱13cの並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点とする。上記の自由度を設定する各点(0,+2)は、保持器外径面が、ころからの荷重により柱13cの並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面となる場合に設定する点であり、上記 柱13cの並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面が保持器内径面である場合は、内径面上の上記片端1点とその中央の2点(0,+2)とする。   When the degree of freedom of movement of the dynamic analysis is limited to two dimensions, the installation position of the deformation degree of freedom DOF of the cage will be described by taking the three-dimensional model in FIG. 4 as an example. Assuming the case where only the right side of FIG. 4 is left after cutting, there are a plurality of locations on the central cross section which is the center in the width direction of the column 13c, specifically, within the range in which the load acts from the rollers. The two points, one point (+2) which is both ends in the axial direction of the roller and the center part (0U). Moreover, it is set as the point on the surface of the side where the displacement by translation and torsion of column 13c becomes larger by the load from a roller among the cage outer diameter surface and cage inner diameter surface of column 13c. Each point (0, +2) for setting the above-mentioned degree of freedom is a point set when the outer diameter surface of the cage becomes a surface on the side where displacement due to translation and torsion of the column 13c becomes larger due to the load from the roller. If the surface on which the displacement due to translation and torsion of the column 13c becomes larger is the cage inner diameter surface, the one end on the inner diameter surface and the two points (0, +2) at the center thereof are set. .

この構成によると、動力学解析モデルに保持器の動的な弾性変形の特性をモード合成法に基づき導入し、弾性変形の自由度と、軸受構成部品の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を得ることができる。該変形履歴に基づいて保持器応力を得ることができる。特に、保持器の弾性変形ならびに転動体、軌道輪ならびに保持器の剛体モードの運動の自由度を2次元上に限定する構成により、3次元解析で行った場合よりも短時間で保持器応力の計算結果を得ることが可能となる。   According to this configuration, dynamic elastic deformation characteristics of the cage are introduced into the dynamic analysis model based on the mode synthesis method, and the degree of freedom of elastic deformation and the degree of freedom of motion of the bearing components are numerically integrated simultaneously. Thus, the deformation history of the cage including the dynamic characteristics of the deformation can be obtained. Cage stress can be obtained based on the deformation history. In particular, the structure that restricts the elastic deformation of the cage and the motion of the rolling element, the raceway, and the rigid body mode of the cage to two dimensions in a shorter time than the case of the three-dimensional analysis. Calculation results can be obtained.

図7に示すように、動力学解析モデルに導入する保持器11Aの動的な弾性変形の特性(固有変形モードとその周波数)を計算する時点で、当該保持器11Aを、その各柱11bの長手方向の中間付近(いわゆる保持器中心)でラジアル方向つまりyz平面に沿って切断し、該切断した一方のみを解析対象とする。図7,8に示すように、ここで互いに直交するx,y,z方向の座標系のうち、x方向は、転がり軸受を基準とするアキシアル方向を表し、yおよびz方向は、それぞれラジアル方向を表す。前記ラジアル平面とは、yz平面と同義である。   As shown in FIG. 7, at the time of calculating the dynamic elastic deformation characteristics (natural deformation mode and its frequency) of the cage 11A to be introduced into the dynamic analysis model, the cage 11A is connected to each column 11b. Cut along the radial direction, that is, the yz plane, in the vicinity of the middle in the longitudinal direction (so-called cage center), and only one of the cuts is the analysis target. As shown in FIGS. 7 and 8, in the x, y, and z coordinate systems orthogonal to each other, the x direction represents the axial direction based on the rolling bearing, and the y and z directions are radial directions, respectively. Represents. The radial plane is synonymous with the yz plane.

一方の保持器11Aの切断面smに、2次元拘束(ラジアル方向の2並進とこれに垂直な軸周りの自転の自由度)を与え、超要素法による解析を実行することで、保持器11Aの動特性情報を得る。この動特性情報の結果を、モード合成法に基づき動力学解析モデルに導入する。次に、軸受構成部品の運動の自由度と、保持器11Aの弾性変形の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器11Aの変形履歴を算出する。   By giving a two-dimensional constraint (two translations in the radial direction and a degree of freedom of rotation about an axis perpendicular to the radial direction) to the cut surface sm of one of the cages 11A, and performing analysis by the super element method, the cage 11A Get dynamic characteristic information. The result of this dynamic characteristic information is introduced into the dynamic analysis model based on the mode synthesis method. Next, the deformation history of the cage 11A including the dynamic characteristics of the deformation is calculated by simultaneously numerically integrating the degree of freedom of movement of the bearing component and the degree of freedom of elastic deformation of the cage 11A.

動力学解析上では、ころ、内輪、外輪の各部品も、上記保持器11Aと同様にラジアル平面に沿って切断し、該切断した一方のみを解析対象とする。そしてこれらの部品ならびに超要素法で解析した保持器に対してそれぞれの断面上の1代表点に2次元自由度に限定する拘束条件を動力学解析上で与える。超要素法上ですでに切断面は2次元拘束されており、各柱11bの切断面smは、全てこの切断平面上に拘束されることになり、かつ動力学解析上でも、本断面上の任意の1点に2次元拘束を与えれば、この保持器の剛体的な運動の自由度はラジアル平面上の3自由度のみに限定することができる。また、前述の第1の実施形態と同様に、保持器11Aの各柱11bの前記各自由度設置箇所毎に、2並進自由度を与えれば、保持器11Aの各柱11bの変形モードが必ず出力され、通常の固有モードの残留数を少なくしても、各柱の変形が動力学解析でうまく再現され、かつ数値積分の計算時間も3次元解析で行った場合より短縮できる。したがって保持器設計に要する時間短縮を図ることができ、工数低減を図ることが可能となる。   In the dynamic analysis, each part of the roller, the inner ring, and the outer ring is cut along a radial plane in the same manner as the cage 11A, and only one of the cut pieces is set as an analysis target. Then, for these parts and the cage analyzed by the super element method, a constraint condition limited to a two-dimensional degree of freedom is given to one representative point on each cross section in the dynamic analysis. The cut surface has already been two-dimensionally restricted on the super element method, and all the cut surfaces sm of the pillars 11b are constrained on this cut plane. If a two-dimensional constraint is applied to an arbitrary point, the degree of freedom of the rigid movement of the cage can be limited to only three degrees of freedom on the radial plane. Similarly to the first embodiment described above, if two translational degrees of freedom are provided for each degree of freedom installation location of each column 11b of the retainer 11A, the deformation mode of each column 11b of the retainer 11A is necessarily set. Even if the number of remaining normal eigenmodes is reduced, the deformation of each column can be reproduced well by the dynamic analysis, and the calculation time of the numerical integration can be shortened compared to the case of performing the three-dimensional analysis. Therefore, the time required for the cage design can be shortened, and the number of man-hours can be reduced.

本実施形態に係る動力学解析では、保持器11Aを各柱11bの長手方向中間付近でyz平面に沿って切断した一方のみを解析対象としている。このため、保持器の質量が実際の保持器質量の半分になることから、ころ、内輪、外輪の各部品も、上記保持器と同様にラジアル平面に沿って切断し、各部品の質量も実際の部品質量の半分としている。したがって、軸受に作用する荷重やモーメントも、実際に作用する荷重やモーメントの半分とする。   In the dynamic analysis according to the present embodiment, only one of the cage 11A cut along the yz plane in the vicinity of the middle in the longitudinal direction of each column 11b is an analysis target. For this reason, since the mass of the cage is half of the actual mass of the cage, each part of the roller, inner ring, and outer ring is cut along the radial plane in the same manner as the cage, and the mass of each part is actually Is half the mass of the parts. Therefore, the load and moment acting on the bearing are also half of the actual load and moment.

特にニードル軸受では、保持器は軌道輪で案内される形式が多く、保持器と軌道輪間の干渉力も評価する必要がある。ニードル軸受において、その保持器が軌道輪で案内される形式のとき、干渉力を本来あるべき干渉力の半分を動力学解析で導入すればよい。こうすることで、運動方程式上では、質量、接触ばね(2物体の干渉量に対する干渉力の大きさの比)および力の成分が、全て本来の半分となり、得られる挙動や弾性変形量は極力正しい値となる。   In particular, in a needle bearing, the cage is often guided by a raceway, and it is necessary to evaluate the interference force between the cage and the raceway. In the needle bearing, when the cage is guided by the raceway, half of the interference force that should be originally introduced may be introduced by dynamic analysis. By doing this, in the equation of motion, the mass, contact spring (ratio of the magnitude of the interference force to the interference amount of the two objects), and force components are all half of the original, and the resulting behavior and elastic deformation are as much as possible. Correct value.

図9は、第2の実施形態に係り、運転中の軸受の保持器への干渉力、および保持器応力の計算結果例を表す図である。この第2の実施形態では、遊星歯車機構による遊星運動下の転がり軸受の保持器応力を計算した一例を表している。遊星歯車機構は、外歯太陽歯車および内歯歯車に複数(例えば3〜5個)の遊星歯車が噛み合い、各遊星歯車を、キャリアと一体の軸の外周に転がり軸受を介して回転自在に支持したものである。   FIG. 9 is a diagram illustrating a calculation result example of the interference force of the bearing during operation to the cage and the cage stress according to the second embodiment. In the second embodiment, an example is shown in which the cage stress of a rolling bearing under planetary motion by a planetary gear mechanism is calculated. In the planetary gear mechanism, a plurality of (for example, 3 to 5) planetary gears mesh with the externally toothed sun gear and the internal gear, and each planetary gear is rotatably supported on the outer periphery of the shaft integral with the carrier via a rolling bearing. It is a thing.

前記転がり軸受は、軸の外径面および遊星歯車の内径面が、各転動体の転接する軌道面となる。この転がり軸受は、円周方向の複数箇所にポケット13が形成された保持器14を備え、各ポケット13内に転動体15を保持する。転動体15は、針状ころ等のころからなる。遊星歯車機構の各構成部品の自由度につき、ラジアル面内の自由度のみを対象としてモデルを用いる。また、このモデルにおいて、転がり軸受に作用する遊星歯車機構に特有の荷重は、以下の仮定で表現されるものとする。   In the rolling bearing, the outer diameter surface of the shaft and the inner diameter surface of the planetary gear serve as raceway surfaces on which the rolling elements roll. This rolling bearing includes a cage 14 in which pockets 13 are formed at a plurality of locations in the circumferential direction, and holds rolling elements 15 in each pocket 13. The rolling element 15 includes rollers such as needle rollers. For the degree of freedom of each component of the planetary gear mechanism, a model is used only for the degree of freedom in the radial plane. Moreover, in this model, the load peculiar to the planetary gear mechanism which acts on a rolling bearing shall be expressed by the following assumptions.

・動力学解析対象部品の慣性力ならびに遠心力を考慮する。
・転動体、保持器、軸、および遊星歯車の互いの接触力および接線力を考慮する。
・キャリアおよび遊星歯車の自転角速度は、一定または、既知の関数等による既知条件として与える。よって、遊星歯車の公転角速度は動力学解析の自由度とする。
・外歯太陽歯車、内歯歯車、およびキャリアの中心位置は固定とし、互いに一致する。 ・遊星歯車と外歯太陽歯車および内歯歯車との歯面接触部のかみ合い隙間は、遊星歯車を支持する転がり軸受のラジアル内部隙間よりも大きいため、このラジアル内部隙間分の遊星歯車の2並進の自由度を与える。
・内歯歯車および外歯太陽歯車から遊星歯車への干渉力は、遊星歯車の公転方向の並進力と自転モーメントに帰着できる。さらに、定常運転状態下では、この並進力は伝達トルクで決定される。
・ Consider the inertial force and centrifugal force of parts subject to dynamic analysis.
-Consider the contact force and tangential force of the rolling elements, cage, shaft, and planetary gear.
The rotation angular velocity of the carrier and the planetary gear is given as a constant or a known condition such as a known function. Therefore, the revolution angular velocity of the planetary gear is defined as the degree of freedom in dynamic analysis.
-The center positions of the external sun gear, the internal gear, and the carrier are fixed and coincide with each other. -Since the meshing clearance of the tooth surface contact portion between the planetary gear, the external sun gear, and the internal gear is larger than the radial internal clearance of the rolling bearing that supports the planetary gear, two translations of the planetary gear for this radial internal clearance Give a degree of freedom.
The interference force from the internal gear and the external sun gear to the planetary gear can be reduced to the translational force and rotation moment of the planetary gear in the revolution direction. Further, under the steady operation state, this translational force is determined by the transmission torque.

本図において、保持器のカラーコンタは最大主応力であり、半径方向外方から内方に向けて、外輪からころ15への干渉力ベクトル16が作用し、半径方向内方から外方に向けて、内輪からころ15への干渉力ベクトル17が作用している。上記は遊星運動用であるが、2次元運動仮定で解析したい全ての転がり軸受に適用できる。運転条件としては,遊星運動以外にもクランク運動するコンロッド部や自動車の手動変速機に多用されるアイドラ用の軸受などにも適用できる。   In this figure, the collar contour of the cage is the maximum principal stress, and the interference force vector 16 from the outer ring to the roller 15 acts from the outer side in the radial direction toward the inner side. Thus, the interference force vector 17 from the inner ring to the roller 15 acts. The above is for planetary motion, but can be applied to all rolling bearings to be analyzed on the assumption of two-dimensional motion. In addition to planetary motion, the operating conditions can also be applied to connecting rod parts that perform crank motion and idler bearings frequently used in automobile manual transmissions.

以上説明した第2の実施形態に係る保持器の動力学解析システムおよび動力学解析方法によれば、ころ、内輪、外輪の各部品ならびに超要素法で解析した保持器に対してそれぞれの断面上の3点または2点となる代表点に2次元自由度に限定する拘束条件を動力学解析上で与える。保持器の各柱の両端となる2点、または両端と長手方向中間付近部の3点に、2並進自由度を与えれば、保持器の各柱の変形モードが必ず出力され、通常の固有モードの残留数を少なくしても、各柱の変形が動力学解析でうまく再現され、かつ数値積分の計算時間も3次元解析で行った場合より短縮できる。したがって保持器設計に要する時間短縮を図ることができ、工数低減を図ることが可能となる。特に、ニードル軸受や円筒ころ軸受などでラジアル平面上の物体の挙動のみを取り扱いたい場合に、3次元全ての自由度を不所望に考慮する必要がなくなる。超要素法上で当該保持器のラジアル平面(切断面)は2次元拘束されており、各柱の切断面は、全てこの切断平面上に拘束される。保持器を、その各柱の長手方向中間付近でラジアル平面に沿って切断し、該切断した一方のみを解析対象とするだけで、2次元拘束を簡単に実現できる。   According to the cage dynamic analysis system and the dynamic analysis method according to the second embodiment described above, each of the rollers, the inner ring, the outer ring, and the cage analyzed by the super element method, In the dynamic analysis, a constraint condition limited to the two-dimensional degree of freedom is given to the representative points which are three points or two points. If two translational degrees of freedom are given to the two points at both ends of each pole of the cage, or the three points at both ends and the middle part in the longitudinal direction, the deformation mode of each pole of the cage is always output, and the normal eigenmode Even if the number of residuals is reduced, the deformation of each column can be reproduced well by the dynamic analysis, and the calculation time of the numerical integration can be shortened compared with the case of performing the three-dimensional analysis. Therefore, the time required for the cage design can be shortened, and the number of man-hours can be reduced. In particular, when only the behavior of an object on a radial plane is to be handled with a needle bearing or a cylindrical roller bearing, it is not necessary to undesirably consider all three-dimensional degrees of freedom. In the super element method, the radial plane (cut plane) of the cage is two-dimensionally restricted, and all the cut faces of the pillars are restricted on the cut plane. A two-dimensional constraint can be easily realized by cutting the cage along the radial plane in the vicinity of the middle in the longitudinal direction of each column, and using only the cut one as an analysis target.

1:動的応力解析システム
2:入力手段
3:演算手段
3a:解析モデル設定部
3ba:変形履歴演算部
3bb:応力分布変換部
3bc:補正演算部
4:出力手段
11:内輪
12:外輪
13:保持器
13a,13b:円環部
13c:柱
14:ころ
1: dynamic stress analysis system 2: input means 3: calculation means 3a: analysis model setting unit 3ba: deformation history calculation unit 3bb: stress distribution conversion unit 3bc: correction calculation unit 4: output means 11: inner ring 12: outer ring 13: Cage 13a, 13b: Ring portion 13c: Pillar 14: Roller

Claims (11)

ころ軸受からなる転がり軸受の保持器の応力を解析する過程として、軸受構成部品を剛体とみなした転がり軸受の動力学解析モデルに、超要素法により得られる保持器の動的な弾性変形モードと固有変形モードをモード合成法に基づき導入する過程と、前記過程で導入される弾性変形の自由度と、定められた軸受構成部品の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出する過程と、この過程で算出される変形履歴を応力分布に変換することで、保持器応力を算出する過程とを含む転がり軸受保持器の動的応力解析方法において、
前記モード合成法で保持器に導入する自由度の設置箇所を、保持器のポケット間の柱の保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱の並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点であって、かつ保持器のポケット間の柱の幅方向の中心となる中心断面上の複数箇所とし、
これら複数箇所の自由度の設置箇所のうちの2点は、前記柱の前記中心断面上で、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向両端部となる2点とすることを特徴とする軸受保持器の動的応力解析方法。
As a process of analyzing the stress of a roller bearing cage consisting of roller bearings, the dynamic analysis mode of the cage obtained by the super element method is added to the dynamic analysis model of the rolling bearing in which the bearing components are regarded as rigid bodies. The process of introducing the natural deformation mode based on the mode synthesis method, the degree of freedom of elastic deformation introduced in the above process, and the degree of freedom of motion of the specified bearing components are numerically integrated simultaneously, so that Dynamic stress analysis of rolling bearing cages including the process of calculating the deformation history of the cage including characteristics and the process of calculating the cage stress by converting the deformation history calculated in this process into a stress distribution In the method
The position of the degree of freedom to be introduced into the cage by the mode synthesis method is the displacement of the column between the cage pockets by the translation and torsion of the column due to the load from the roller, between the outer diameter surface of the cage and the inner diameter surface of the cage. Are points on the surface on the larger side, and a plurality of locations on the central cross section that is the center in the width direction of the column between the pockets of the cage,
Two points of these multiple places of freedom of installation are the two points on the central cross section of the column that are both ends in the axial direction of the roller within a range in which a load acts from the roller. A dynamic stress analysis method for a bearing cage.
請求項1において、前記保持器の柱の複数箇所に設置する自由度の設置箇所を、前記柱両端の2点のみとした軸受保持器の動的応力解析方法。   The dynamic stress analysis method for a bearing cage according to claim 1, wherein installation positions with a degree of freedom to be installed at a plurality of locations of the pillar of the cage are only two points at both ends of the pillar. 請求項1において、前記保持器の柱の複数箇所に設置する自由度の設置箇所を、前記柱両端の2点と、これら2点の間の中心部との3点とした軸受保持器の動的応力解析方法。   2. The operation of the bearing cage according to claim 1, wherein the installation locations of the degree of freedom to be installed at a plurality of locations of the pillar of the cage are three points, two points at both ends of the pillar and a central portion between the two points. Stress analysis method. 請求項2または請求項3において、前記動力学解析モデルが、3次元のモデルである軸受保持器の動的応力解析方法。   4. The dynamic stress analysis method for a bearing cage according to claim 2, wherein the dynamic analysis model is a three-dimensional model. 請求項2ないし請求項4のいずれか1項において、予備調査として、前記自由度の設置箇所となる各点につき、前記動力学解析モデルに用いられる有限要素長と、この有限要素長よりも短い有限要素長とをそれぞれ用いて有限要素法によって同一荷重条件下の応力を求め、両応力の比を求めておき、この比を、有限要素長による補正係数とし、変形履歴を応力分布に変換することで算出する過程で得られた保持器応力を、前記有限要素長に係る補正係数の乗算により補正する軸受保持器の動的応力解析方法。   5. The finite element length used in the dynamic analysis model and a shorter length than the finite element length for each point that is the installation location of the degree of freedom as a preliminary survey according to claim 2. Obtain stress under the same load condition by the finite element method using each finite element length, find the ratio of both stresses, use this ratio as a correction factor by the finite element length, and convert the deformation history into stress distribution A dynamic stress analysis method for a bearing cage, wherein the cage stress obtained in the calculation process is corrected by multiplication of a correction coefficient related to the finite element length. 請求項2ないし請求項5のいずれか1項において、予備調査として、前記弾性変形特性の導入の過程、前記変形履歴の算出の過程、および前記保持器応力の算出の過程を用いた動力学計算により保持器応力を求めると共に、有限要素法により前記保持器の応力を求め、この有限要素法により求められた応力と、前記動力学計算により求められた応力の比を求めておき、この比を、モード合成法に係る補正係数とし、解析対象の保持器の応力解析過程における、前記変形履歴を応力分布に変換することで算出する過程で得られた保持器応力を、前記モード合成法に係る補正係数の乗算により補正することを特徴とする保持器の応力解析方法。   6. Dynamic calculation using the process of introducing the elastic deformation characteristics, the process of calculating the deformation history, and the process of calculating the cage stress as preliminary investigations according to any one of claims 2 to 5. To obtain the cage stress by the finite element method, obtain the ratio of the stress obtained by the finite element method and the stress obtained by the dynamics calculation, , The correction coefficient according to the mode composition method, and the cage stress obtained in the process of calculating the deformation history into the stress distribution in the stress analysis process of the cage to be analyzed is related to the mode composition method. A method for stress analysis of a cage, wherein correction is performed by multiplication of a correction coefficient. 請求項1において、前記保持器の柱の中心断面上の複数箇所に設置する自由度の設置箇所を、前記柱の両端の2点と、これら2点の間の中心部との3点とし、前記変形履歴を応力分布に変換することで算出する過程で得られた保持器応力を、解析結果として出力する保持器応力とする軸受保持器の動的応力解析方法。   In Claim 1, the installation location of the degree of freedom to be installed at a plurality of locations on the central cross section of the pillar of the cage is three points, two points on both ends of the pillar, and a central portion between these two points, A dynamic stress analysis method for a bearing cage, wherein the cage stress obtained in the process of calculating by converting the deformation history into a stress distribution is a cage stress output as an analysis result. 請求項7において、ころ、軌道輪、および保持器の剛体モードの運動の自由度、並びに保持器の弾性変形の自由度を2次元上に限定し,
かつ前記モード合成法で保持器に導入する自由度の設置箇所を、保持器のポケット間の柱の保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱の並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点であって、かつ保持器のポケット間の柱の幅方向の中心となる中心断面上の複数箇所とし、
これら複数箇所の自由度の設置箇所のうちの1点は、前記柱の前記中心断面上で、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向端部となる1点とすることを特徴とする軸受保持器の動的応力解析方法。
In Claim 7, the freedom degree of movement of the rigid body mode of the roller, the race, and the cage, and the degree of freedom of elastic deformation of the cage are limited to two dimensions,
And the installation position of the degree of freedom to be introduced into the cage by the mode synthesis method is based on the translation and torsion of the column due to the load from the roller among the cage outer diameter surface and the cage inner diameter surface between the pockets of the cage. It is a point on the surface on the side where displacement becomes larger, and a plurality of locations on the central cross section that is the center in the width direction of the column between the pockets of the cage,
One point of the plurality of degrees of freedom of installation points is one point that becomes an axial end portion of the roller within a range in which a load is applied from the roller on the central cross section of the column. A dynamic stress analysis method for a bearing cage.
請求項8において、前記保持器の柱の複数箇所に設置する自由度の設置箇所を、前記柱端の1点と柱の長手方向の中心点の2点のみとした軸受保持器の動的応力解析方法。   9. The dynamic stress of the bearing cage according to claim 8, wherein installation positions with a degree of freedom to be installed at a plurality of locations of the pillar of the cage are only two points, that is, one point of the column end and a center point in the longitudinal direction of the column. analysis method. 請求項1ないし請求項5のいずれか1項において、前記転がり軸受が円すいころ軸受であって、前記保持器が、軸方向の両端の一対の円環部と、これら円環部間に設けられた複数の柱とでなる円すい状の窓形であり、大径側の円環部が外径側へ突出するフランジ状である軸受保持器の動的応力解析方法。   The rolling bearing according to any one of claims 1 to 5, wherein the rolling bearing is a tapered roller bearing, and the cage is provided between a pair of annular portions at both ends in the axial direction and the annular portions. A dynamic stress analysis method for a bearing retainer having a conical window shape including a plurality of pillars and a flange shape in which a ring portion on the large diameter side protrudes toward the outer diameter side. ころ軸受からなる転がり軸受の保持器の応力を解析する軸受保持器の動的応力解析装置であって、入力手段と演算手段と出力手段とを備え、
前記演算手段は、保持器を除く軸受構成部品を剛体とみなし、保持器には弾性変形の自由度を与えることを可能とした転がり軸受の動力学解析モデルを定めた解析モデル設定部と、
前記転がり軸受の動力学解析モデルに、超要素法により得られる保持器の動的な弾性変形モードと固有変形モードをモード合成法に基づき導入する処理、この導入した弾性変形の自由度と、定められた軸受構成部品の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出する処理、およびこの処理で算出される変形履歴を応力分布に変換することで、保持器応力を算出する処理を行う応力演算部と、
この応力演算部で得られた保持器応力を前記出力手段へ出力する出力処理部と、
を有し、
前記応力演算部は、前記モード合成法で保持器に導入する自由度の設置箇所を、保持器のポケット間の柱の保持器外径面と保持器内径面のうち、ころからの荷重により柱の並進とねじれによる変位がより大きくなる側の面上の点であって、かつ保持器のポケット間の柱の幅方向の中心となる中心断面上の複数箇所とし、
これら複数箇所の自由度の設置箇所のうちの2点は、前記柱の前記中心断面上で、ころから荷重が作用する範囲内での、ころの軸方向両端部となる2点とすることを特徴とする軸受保持器の動的応力解析システム。
A dynamic stress analysis device for a bearing cage that analyzes the stress of a cage of a rolling bearing composed of a roller bearing, comprising an input means, a calculation means, and an output means,
The calculation means regards the bearing component excluding the cage as a rigid body, and an analysis model setting unit that defines a dynamic analysis model of the rolling bearing capable of giving the cage flexibility of elastic deformation;
A process for introducing the dynamic elastic deformation mode and natural deformation mode of the cage obtained by the super element method into the dynamic analysis model of the rolling bearing based on the mode synthesis method, and the degree of freedom of the elastic deformation introduced. Processing to calculate the deformation history of the cage including the dynamic characteristics of deformation, and to convert the deformation history calculated by this processing into a stress distribution By doing so, a stress calculation unit that performs processing to calculate the cage stress,
An output processing unit that outputs the cage stress obtained by the stress calculation unit to the output unit;
Have
The stress calculation unit is arranged in accordance with the load from the roller on the outer diameter surface of the cage between the pockets of the cage and the inner diameter surface of the cage. The points on the surface on the side where the displacement due to translation and torsion becomes larger, and a plurality of locations on the central cross section that is the center in the width direction of the column between the pockets of the cage,
Two points of these multiple places of freedom of installation are the two points on the central cross section of the column that are both ends in the axial direction of the roller within a range in which a load acts from the roller. A dynamic stress analysis system for bearing cages.
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