A study of the stress field generated by the contact between a sphere and a flat plate for a simplified model of deep-groove ball bearing

Un estudio del campo de tensión generado por el contacto entre una esfera y una placa plana para un modelo simplificado de rodamientos rígidos de bolas

Los rodamientos son elementos mecánicos capaces de transferir movimiento entre dos o más partes en una máquina. Cuando se aplica una carga externa, los elementos rodantes y sus anillos tienden a iniciar un movimiento cíclico entre ellos. Por lo tanto, están vinculados por un tipo variable de contacto, creando altas tensiones superficiales. Como estos elementos están sujetos a millones de ciclos en su vida útil, estas tensiones cíclicas pueden crear grietas y causar fallas debido a la fatiga por contacto. Debido a la importancia de este tema, es vital estudiar el campo de tensión causado por el contacto entre las partes rodantes en un rodamiento.Este documento ofrece dos enfoques sobre las tensiones cíclicas en un rodamiento rígido de bolas: un enfoque analítico, utilizando la teoría de Hertz para las tensiones de contacto; y una simulación numérica, utilizando el Método de Elementos Finitos con el software Inventor y Nastran In-CAD. Los resultados de ambos enfoques se compararon y se analizó el comportamiento de las tensiones a medida que aumentaba la profundidad del anillo interior. Se llegó a la conclusión de que las tensiones superficiales son muy superiores a la resistencia de los materiales utilizados en los rodamientos, y que el área influenciada por estas tensiones es pequeña en comparación con las dimensiones del conjunto.

INTRODUCCIÓN

Los rodamientos son elementos mecánicos utilizados en la industria naval, aeronáutica, automovilística y en otros sectores. Son elementos cruciales en la transmisión de movimiento entre dos partes, por ejemplo, un rodamiento y un eje. Un buen rendimiento del rodamiento requiere una combinación de diferentes parámetros que actúan simultáneamente sobre el elemento, como la velocidad de rotación, las cargas aplicadas, la lubricación y la geometría de las piezas que intervienen en el contacto.

Los rodamientos se definen por el tipo de sus elementos rodantes (bolas, agujas, rodillos, etc.), el número de hileras (simple, doble, triple) y el tipo de carga aplicada (radial y/o axial) (Norton, 2013). El tipo de rodamiento se elige en función de las condiciones y requisitos de su aplicación. Estos elementos de máquina suelen estar formados por elementos rodantes de acero entre dos anillos (interior y exterior), que están retenidos dentro de una jaula.

Cuando una carga externa inicia la rotación, las tensiones superficiales de contacto pueden provocar una grieta subsuperficial, que puede crecer hasta alcanzar la superficie. Esto pone en peligro el rodamiento, con el riesgo de fallos como picaduras y desconchados, que pueden comprometer toda la máquina y causar grandes pérdidas económicas y humanas.

Debido a la importancia de este asunto, muchos trabajos tratan de comprender el mecanismo de este problema. Sin embargo, se sabe que el estudio del contacto entre piezas de rodamientos es un tema complejo, ya que la zona de contacto está sometida a tensiones de hasta 2~5 GPa (Norton, 2013; Rycerz, Olver, y Kadiric, 2017; Morales-Espejel y Gabelli, 2015; Bhattacharyya, Londhe, Arakere, y Subhash, 2017; Li, Hu, Meng, Zhan, y Shen, 2017 Arakere, 2016), así como varios otros parámetros que influyen en la situación, como la lubricación, la vibración, la rugosidad (Yusof y Ripin, 2014), las dimensiones del rodamiento (Chen y Wen, 2015), la velocidad de rotación, las cargas aplicadas (Guo, Cao, He, y Yang, 2015) y la curvatura de los anillos interior y exterior (Deng, Hua, Han, y Huang, 2013; Chen y Wen, 2015).