Development of a new bearing geometry to reduce friction losses

The choice of the optimal rolling bearing depends on the boundary conditions and the requirements of the application. This way, the rolling bearings are designed in terms of their requirements of carrying capacity, the resulting frictional losses or the velocity limit among others. The optimization of the internal geometry of rolling bearings for specific applications is still a focus of study. Moreover, new rolling bearings, based on the existing geometries have been developed in the recent years and are on continuous development up to now. One of the most commonly used rolling bearings for combined load when high load carrying capacity is needed is the tapered roller bearing (TRB). Although this type of rolling bearing has been used in widespread application, its relatively high friction losses occurring at the rib contact are a spotlight for the engineers on this area of work. A solution for reducing the frictional losses appearing at TRBs for applications where a high load carrying capacity is needed is still being searched for. Many recent studies focus on the optimization of the contact between the roller end and the raceway rib surface. On the contrary, this work focuses on the development of a new type of rolling bearing, based on the existing TRB, but where a rib contact is no longer needed. First of all, the geometrical parameters defining the internal geometry of the rolling bearings, more specifically the contact between the roller and the raceways, have been studied. Moreover, several patents defining new geometries of rolling bearings have been analyzed. Based on the correlations observed between the different geometrical parameters, types of geometries and outcomes, the geometry of a new type of rolling bearing has been developed. In order to study its behavior, a Multi-Body-Simulation (MBS) Model of the new type of rolling bearing has been generated. Moreover, in order to validate the model, a prototype of the geometry under study has been manufactured and experimentally tested. The results obtained have been compared with the simulated results as well as with a TRB of same main dimensions. After the validation of the model, several simulations have been conducted in order to understand better the behavior of the new rolling bearing design. To do so, a sensitivity analysis has been conducted. Within the analysis, the main geometrical parameters defining the roller-raceway contact have been varied and their influence on main outcomes examined. Finally, an application example of an axle-gearbox for heavy-duty trucks is presented and its result compared with those of a tapered roller bearing.Die Auswahl des optimalen Wälzlagers wird durch die Randbedingungen und die vorherrschenden Anforderungen der entsprechenden Anwendung bedingt. Also gibt es unterschiedliche Ausprägungen von Wälzlager was unter anderem die Anforderung an Tragfähigkeit, die Reibungswiderstände und die Grenzdrehzahl angeht. Die Optimierung der internen Geometrie eines Wälzlagers gilt nach wie vor nicht als abgeschlossen. In den vergangenen Jahren wurden weiter neue Wälzlager auf Basis der bereits vorhandenen Geometrien entwickelt. Bis zum heutigen Tage finden neue Entwicklungen in diesem Bereich statt. Ein typisches Wälzlager für kombinierte Belastung die eine hohe Tragfähigkeit aufweisen sind Kegelrollenlager. Obwohl diese Art von Lager bereits in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kam stellt der relativ hohe Reibungsverlust des Lagers, der am Bordkontakt auftaucht, den Fokus vieler Überlegungen von Ingenieuren aus diesem Bereich dar. Eine Lösung des genannten Problems der hohen Reibungsverluste eines Kegellagers am Bordkontakt, bei der Anforderung eine hohe Tragfähigkeit aufzuweisen, konnte bislang nicht gefunden werden. Der Fokus von vielen neueren Studien in diesem Bereich liegt auf der Optimierung des Kontaktes zwischen dem Rollen und den Bord des Innenrings. Im Gegensatz zu diesem Ansatz befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung eines neuen Wälzlagers welches auf dem Kegelrollenlager basiert, bei dem jedoch kein Bordkontakt mehr nötig ist. Zunächst fand eine Untersuchung der geometrischen Parameter, welche die interne Geometrie eines Wälzlagers bestimmen, genauer gesagt welche den Kontakt zwischen dem Wälzkörper und der Laufbahn bestimmen, statt. Darüber hinaus wurden verschiedene Patente, welche neue Geometrien von Wälzlagern offenbaren analysiert. Letztlich wurde die Geometrie eines neuen Wälzlagers entwickelt basierend auf den Korrelationen, die zwischen den verschiedenen geometrischen Parametern und den verschiedenen Geometrien und deren Ergebnissen, aufgezeigt werden konnten. Um Verhaltensmuster der neuen Art von Wälzlager studieren zu können, wurde ein Mehrkörpersimulation (Multi-Body-Simulation, MBS) Modell angefertigt. Des Weiteren wurde ein Prototyp der zu untersuchenden Geometrie hergestellt und experimentell getestet mit dem Ziel der Validierung des Modells. Die so generierten Daten wurden sowohl mit den simulierten Ergebnissen als auch mit einem Kegelrollenlager mit den gleichen Hauptabmessungen verglichen. Nach der Validierung des Modells fanden mehrere Simulationen statt mit dem Ziel das Verhalten des neuen Wälzlagertyp besser zu verstehen. Um dies zu ermöglichen wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Während des Analysevorgangs wurden die Hauptgeometrischen Parameter die einen Wälzkörper-Laufbahn Kontakt ausmachen variiert und deren Einfluss auf das Hauptergebnis untersucht. Letztlich werden die Ergebnisse des Vergleichs eines Anwendungsbeispiels bei einem Achsgetriebe in Schwerlastfahrzeugen mit dem neuen Wälzlager und einem Kegelrollenlager dargestellt