Detta kandidatexamensarbete syftar till att konstruera ett förslag på en lagerlösning till en generator av typen TFM [1], utvecklad av Anders Hagnestål vid KTH, som är tänkt att användas i vind- eller vågkraft. Generatorn alstrar inre elektromagnetiska krafter som ger upphov till påfrestningar på dess konstruktion, inte minst på de kullager som håller generatorns struktur på plats. Valet av lager föll på ett axialkullager i hybridutförande då den betydande delen av den elektromagnetiska kraften verkar rent axiellt. Hybridlagret består av keramiska kulor mot en kulbana av lagerstål, en kombination som motstår högre tryck än axialkullager med stålkulor. Keramiska kulor används främst för att undvika problem med elektriska urladdningar mellan lagerbana och kula, vilka uppkommer på grund av switchtransienter i strömmen från kraftelektroniksystemet. Lagrets placering i generatorn är av stor vikt, något som togs i beaktning för att minimera utböjningen i konstruktionen. Fokus har lagts på att analysera utböjningen av rotorskivan och de punkter där trycket på kullagret är som störst, dvs i kontaktytan mellan kulan och lagerbanan. Hertz yttryck användes för att beräkna kontakttrycket mellan kula och lagerbana och Finita Element Metoden för att beräkna utböjningen av rotorskivan. / The purpose of this Bachelor thesis project is the design of a bearing solution for a TFM generator [1], developed by Anders Hagnestål at KTH, suitable for windand wave power. The generator produces inner electromagnetic forces that puts stress on the generators architecture. The bearings will have an essential role in withstanding the force from the electromagnets. The most suitable solution was a hybrid axial bearing since the electromagnetic forces are mainly in the axial direction. The hybrid bearing consists of ceramic balls and a steel bearing race, a combination being able to withstand pressures better than axial bearings with steel balls. Ceramic balls are mainly used to avoid electrical discharges between the bearing race and balls. These discharges occur due to switchtransients in the current from the powerelectronic system. The placement of the bearing in the generator is of great importance and has to be considered to minimize the displacement of the rotor discs. The project is focused on analyzing the displacement of the rotor disc and the area with greatest pressure in the bearing, this area occurs in the contact point between the ceramic ball and the steel bearing race. Hertzian contact pressure was used for the contact pressure between the ball and the bearing race and the Finite Element Method for calculating the displacement of the rotor disc.

Les roulements à billes sont l’un des composants les plus importants et les plus critiques dans les turbomachines ou dans les éoliennes. Les butées à billes rencontrées dans les pieds de pales d’éoliennes doivent supporter des chargements très élevés, avec des bagues très fines par rapport aux dimensions du palier. Le roulement à quatre points de contact à haute vitesse est un autre exemple de bagues minces, où la cinématique interne est fortement liée à la géométrie des pistes qui elle, dépend de la rigidité des bagues et des logements. Pour cette application, les pistes intérieures et extérieures sont archées et bien souvent constituées de deux demi-bagues. La souplesse de ces dernières ainsi que celle du logement modifie la géométrie interne et l’interaction entre les composants. Il est proposé dans cette thèse un modèle permettant de dimensionner des roulements à billes à quatre points de contact, principalement dans le domaine d'application des turbines aéronautiques. Ce modèle est capable de rendre compte des déformations globales des bagues et de leur logement et environnement proche. Un ensemble de travaux existants et différentes possibilités envisagées pour la mise en place d’un modèle de roulement à bagues déformables est présenté pour définir une stratégie de couplage efficace entre un modèle analytique et un modèle éléments finis. La prise en compte de la souplesse des bagues s’appuie sur la résolution préalable d’un problème semi analytique de modélisation avec bagues rigides. Ensuite un couplage entre les résultats de ce modèle et un modèle éléments finis est réalisée pour prendre en compte la souplesse des bagues. Des choix sont nécessaires pour ce couplage, notamment sur la modélisation des contacts billes/bagues par l’utilisation de forces nodales pour simuler fidèlement ces contacts. Plusieurs méthodes sont ainsi évaluées pour calculer au mieux la nouvelle géométrie de la bague, en observant son comportement lorsqu'elle est soumise au contact d'une bille. Finalement, cette souplesse est intégrée au modèle semi analytique pour comparer le comportement d'un roulement à bagues rigides à celui d'un roulement à bagues souples. Des premiers résultats numériques sur une géométrie académique montrent des variations des grandeurs internes du roulement (angles de contact, ellipse de contact) ainsi qu’une meilleure répartition du chargement. Des essais ont été réalisés pour valider expérimentalement le modèle développé dans cette thèse. Les comparaisons par mesures du déplacement axial des bagues et des ondulations en surface des bagues montrent que la souplesse du support n’est pas négligeable, même dans le cas de bagues larges. Egalement, ces essais ont démontré la pertinence du couplage entre un modèle analytique et un modèle éléments finis pour rendre compte des déformations de bagues de roulements à billes à quatre points de contact. / Ball bearings are one of the most important and most critical part in turbomachine and wind turbine. They require a careful design in order to create reliability and economic relevance, which leads to compact bearings with high dynamic and static load capacity. Then ball bearing encountered in wind turbine must carry high loads, with thin rings regarding mean diameter of the bearing. High speed four point contact ball bearing is another example of thin rings, where internal kinematics is highly linked to raceway geometry, and raceway geometry depends on rings and housing stiffness. For this application, internal and external ring are arched and frequently made of two parts. There stiffness change the internal geometry and interaction with bearings components. It implies a change in load distribution and internal speed. As a consequence bearing and housing stiffness is an important parameter in order to estimate the admissible loads for the bearing. This thesis propose a model for the four point contact ball bearing, mainly for aeronautical turbine engine. This model can account for structural ring deformation as well as of housing deformation. Some existing work and different possibility for such a model are presented in order to define a coupling strategy between an analytical model and a finite element model. The accounting for ring stiffness rely on the resolution of a rigid ring semi analytical model. Then a coupling between this results and finite element results is done in order to account for ring stiffness. Some choices are made for the coupling, especially on ball/ring interaction by using nodal forces to model contact with fidelity. Some methods are evaluated to compute new ring geometry due to contacts with balls. Finally this stiffness is integrated in the semi analytical model in order to compare the behavior of rigid ring bearing with deformable ring bearing. First numerical results on an academic bearing shows change in internal parameter (contact angle, contact ellipse) and a better load distribution. Some experimental tests are made in order to validate the model presented in this thesis. Comparison on axial displacement and ring surface undulation shows that housing stiffness is not negligible even with large ring bearing. This tests show the relevance of a coupling between an analytical model and a finite element model in order to account for ring deformation in four point contact ball bearing.

This thesis deals with design of 3 axis manipulator which manipulate wit ball bearing and moulding of pulley. Moulding of pulley is product of injection press. Part of this work is also technical-economics valuation of manipulating possibilities with ball bearing and pulley and is determinate the most useful option. Next is work out a conception of conveyor for ball bearings and pulleys.

Master thesis is focused on the research of influence of selected substantial parameters on stress – strain states in the deep groove radial ball bearing. The influence of radial load is analyzed, such as the influence of size of the bearing and row of the bearing, also influence of radial clearance is quantified. Next, the influence of thermal distribution in the bearing is analyzed for different combinations of thermal distributions and radial clearances. Conclusions from analyses are then used in the last task – suggestion of radial clearance for customer – specified assembly. Problem is solved using the finite element method (FEM) in pre/post processor MSC.Patran and solver MSC.Marc. To make analyses faster the substantial parameters are implemented in the algorithm for automatic generation of the bearing calculation (batch file).The theme of this thesis was commissioned by ZKL - Research and development, a. s.

Bien que le diagnostic des roulements par analyse vibratoire soit un domaine très développé, la recherche sur les représentations parcimonieuses des signaux de vibration est encore nouvelle et difficile pour le diagnostic des machines tournantes. Dans cette thèse, de méthodes nouvelles ont été développées, au moyen de différents modèles stochastiques, associées à des algorithmes efficaces afin de servir l’industrie dans le diagnostic des roulements. Tout d’abord, les modèles parcimonieux présentés dans la littérature sont revus. Les principales publications concernant le diagnostic des machines tournantes ont également été considérées. Enfin, en discutant des avantages et des inconvénients des représentations parcimonieuses, une interprétation des structures creuses d’un point de vue Bayésien est proposée, ce qui donne lieu à deux nouveaux modèles de diagnostic des machines tournantes. Dans un second temps, un nouveau modèle stochastique est proposé : il introduit une variable cachée relative à l’apparition d’impacts et estime le contenu spectral des transitoires correspondants ainsi que le spectre du bruit de fond. Cela donne lieu à un algorithme de détection automatique - sans besoin de pré-filtrage manuel - à partir duquel les fréquences de défaut peuvent être révélées. Le même algorithme permet également de filtrer le signal de défaut de manière très efficace par rapport à d’autres approches basées sur l’hypothèse stationnaire. La performance de l’algorithme est étudiée sur des signaux synthétiques. L’efficacité et la robustesse de la méthode sont également vérifiées sur les signaux de vibration mesurés sur un banc d’essai (engrenages et paliers). Les résultats sont meilleurs ou au moins équivalents à ceux de l’analyse d’enveloppes classique et du kurtogramme rapide. Dans un troisième temps, un nouveau schéma pour l’extraction de signaux cyclostationnaires (CS) est proposé. En considérant la variance périodique en tant que variable cachée, un filtre temporel est conçu de manière à obtenir la reconstruction intégrale des signaux CS caractérisés par une fréquence cyclique préétablie, qui peut être connue à priori ou estimée à partir de la corrélation spectrale. Un intérêt particulier de la méthode est sa robustesse lorsqu’elle est appliquée sur des données expérimentales ainsi qu’une capacité d’extraction supérieure par rapport au filtre de Wiener conventionnel. Finalement, ces exemples expérimentaux témoignent de l’utilisation polyvalente de la méthode à des fins de diagnostic de signaux composés. Pour finir, une analyse comparée utilisant le calcul rapide de la corrélation spectrale est réalisée sur une base de données publiquement disponible et largement utilisée. C’est un point crucial qui fixe un défis non-trivial à résoudre. / Although vibration-based rolling element bearing diagnostics is a very well-developed field, the research on sparse representations of vibration signals is yet new and challenging for machine diagnosis. In this thesis, several novel methods have been developed, by means of different stochastic models, associated with their effective algorithms so as to serve the industry in rolling element bearing diagnostics. First, the sparsity-based model (sparse code, in natural image processing) is investigated based on the current literature. The historical background of sparse representations has been inquired in the field of natural scenes. Along three aspects, its mathematical model with corresponding algorithms has been categorized and presented as a fundamental premise; the main publications are therefore surveyed in the literature on machinery fault diagnosis; finally, an interpretation of sparse structure in the Bayesian viewpoint is proposed which then gives rise to two novel models for machinery fault diagnosis. Second, a new stochastic model is introduced to address this issue: it introduces a hidden variable to indicate the occurrence of the impacts and estimates the spectral content of the corresponding transients together with the spectrum of background noise. This gives rise to an automatic detection algorithm – with no need of manual prefiltering as is the case with the envelope spectrum – from which fault frequencies can be revealed. The same algorithm also makes possible to filter out the fault signal in a very efficient way as compared to other approaches based on the stationary assumption. The performance is investigated on synthetic signals with a high noise-to-signal ratio and also in the case of a mixture of two independent transients. The effectiveness and robustness of the method are also verified on vibration signals measured on a test-bench (gears and bearings). Results are found superior or at least equivalent to those of conventional envelope analysis and fast kurtogram. Third, a novel scheme for extracting cyclostationary (CS) signals is proposed. By regularizing the periodic variance as hidden variables, a time-varying filter is designed so as to achieve the full-band reconstruction of CS signals characterized by some pre-set characteristic frequency. Of particular interest is the robustness on experimental data sets and superior extraction capability over the conventional Wiener filter. It not only deals with the bearing fault at an incipient stage, but it even works for the installation problem and the case of two sources, i.e. bearing and gear faults together. Eventually, these experimental examples evidence its versatile usage on diagnostic analysis of compound signals. Fourth, a benchmark analysis by using the fast computation of the spectral correlation is provided. One crucial point is to move forward the benchmark study of the CWRU data set by uncovering its own unique characteristics.

Detta examensarbete har gjorts på uppdrag av SP Maskiner AB och berör längdmätningsenheten på skördaraggregatet SP451LF. Pulsgivaren i den befintliga längdmätningen anses inte nå en acceptabel livslängd och därför skall ett sensorlager prövas som ersättare. Uppdraget består i att söka ett lämpligt sensorlager, dimensionera en komplett mäthjulslagring samt att ta fram ett konstruktionsförslag till prototyp på längdmätning. Arbetet begränsas av att den omkonstruerade längdmätningen skall passa på SP451LF aggregatet. Det betyder att längdmätningens infästning mot aggregatet inte får förändras och dess yttermått måste hållas inom de gränser som aggregatets chassi tillåter. / This diploma work has been done on commission by SP Maskiner AB and affects the length meter unit on the single-grip harvester SP451LF. The pulse encoder in the present length meter has too short duration why a sensor-bearing will be tested as replacement. The tasks are to find a suitable sensor-bearing unit, to dimension a complete measuring wheel bearing and create a construction proposal for a prototype of a length meter. The diploma work is limited by the fact that the reworked length meter has to fit into the SP451LF harvester. That means that the length meter’s contact points on the harvester’s frame are not to be altered.

<p>Detta examensarbete har gjorts på uppdrag av SP Maskiner AB och berör längdmätningsenheten på skördaraggregatet SP451LF. Pulsgivaren i den befintliga längdmätningen anses inte nå en acceptabel livslängd och därför skall ett sensorlager prövas som ersättare.</p><p>Uppdraget består i att söka ett lämpligt sensorlager, dimensionera en komplett mäthjulslagring samt att ta fram ett konstruktionsförslag till prototyp på längdmätning.</p><p>Arbetet begränsas av att den omkonstruerade längdmätningen skall passa på SP451LF aggregatet. Det betyder att längdmätningens infästning mot aggregatet inte får förändras och dess yttermått måste hållas inom de gränser som aggregatets chassi tillåter.</p> / <p>This diploma work has been done on commission by SP Maskiner AB and affects the length meter unit on the single-grip harvester SP451LF. The pulse encoder in the present length meter has too short duration why a sensor-bearing will be tested as replacement.</p><p>The tasks are to find a suitable sensor-bearing unit, to dimension a complete measuring wheel bearing and create a construction proposal for a prototype of a length meter.</p><p>The diploma work is limited by the fact that the reworked length meter has to fit into the SP451LF harvester. That means that the length meter’s contact points on the harvester’s frame are not to be altered.</p>

La tenue des surfaces des contacts rugueux roulants est un problème crucial l’évaluation de la durée de vie des mécanismes. Cette durée de vie est conditionnée dès les premiers cycles par le rodage puis par les mécanismes de fatigue des surfaces. Le rodage est défini par le temps nécessaire à l’accommodation géométrique des surfaces rugueuses entre elles, à l’interface du contact. La charge transmise sur une faible aire de contact par rapport à l’aire apparente, crée des pressions importantes qui induisent de fortes contraintes en couche superficielle et des déformations plastiques de la microgéométrie. Cette plastification a lieu dans les tous premiers cycles puis la surface se stabilise, c’est le rodage. La répétition cyclique des sollicitations au cours du fonctionnement conduit enfin à l’endommagement du matériau et des avaries en surface telles que des micro-écailles. Après une étude bibliographique sur le contact roulant rugueux et les dispositifs expérimentaux existants, la difficulté de ce type d’analyse est mise en évidence. Elle consiste à effectuer un suivi en continu de l’évolution de l’état de surface du contact à une échelle suffisamment fine et précise. Une micromachine bi-disque a été développée afin de réaliser ce suivi quasi "in-situ" à l’échelle des rugosités permettant d’identifier les mécanismes de rodage et de dégradation. Un protocole expérimental précis permet de mesurer les surfaces antagonistes dans les premiers cycles correspondant au rodage. Les surfaces vierges mesurées sont utilisées comme paramètre d’entrée d’une simulation numérique du contact rugueux d’une sphère sur un plan. La déformée de surface numériquement obtenue à l’état stabilisé est comparée à celle mesurée expérimentalement à la fin du rodage. La très bonne superposition de ces résultats permet de valider cette méthode et les résultats numériques tels que les contraintes résiduelles et déformations plastiques. Les surfaces à l’état stabilisé obtenues, sont exploitées à travers différents critères de fatigue multiaxiaux. Les résultats numériques sont également comparés aux observations expérimentales pour déterminer le critère le plus adapté à cette analyse et permettant d’expliquer la formation de fissures et d’avaries de surfaces. / The surface life of rolling rough contacts is an important problem in the evaluation of the life expectancy of a machine. This life span is conditioned by the first cycles of the running-in process and then by the surface fatigue. The running-in period is defined by the time necessary for the rough surfaces to accommodate. The real area of contact is small compared with the apparent area, hence the load creates important pressures which lead to important stresses in the superficial layer and to plastic deformation of the microgeometry. The plastic deformation takes place over the first cycles then the surface stabilizes, this is the end of running-in process. The repeated cyclic loading finally leads to material damage below the surface and to surface micropitting. After a bibliographical study on the rough rolling contact and the existing experimental test machines, the difficulty of analysing the roughness evolution is pointed out. It requires a precise, continuous monitoring of the contact surface evolution on a small enough scale. A two-disk micro-machine was developed to perform this almost "in situ" monitoring at the roughnesses scale, allowing one to identify the mechanisms of running-in and surface degradation. An accurate experimental protocol allows one to measure the opposing surfaces in the first cycles corresponding to the running-in period. The initial surfaces are used as entrance parameters for a numerical simulation of the rough contact of a sphere on a plane. The deformed surface numerically obtained in the stabilized state is compared with the measured one at the end of the running-in period. The very good agreement between these results allows one to validate this method and the numerical results such as the residual stresses and the plastic deformation. Different multiaxial fatigue criteria are applied to the numerical results obtained in the stabilized state. The results are compared to the experimental observations to determine the criterion that is the most suited for this analysis and allows one to explain the crack formation and surfaces damage.

Le roulement est un élément essentiel dans la conception des machines tournantes. À l'échelle industrielle, sa défaillance peut avoir de coûteuses conséquences. La maintenance prédictive sert à minimiser les coûts d'entretien et à prévenir de l'état de fatigue du composant mécanique. Dans ce cadre, nous proposons une étude de l'endommagement par fatigue de contact de roulement appliquée au cas des butées à billes. Cette étude se structure en deux axes : numérique et expérimental. Le premier consiste à établir une modélisation numérique tridimensionnelle dynamique du passage cyclique d'une bille sur une bande de roulement en présence d'un indent, en utilisant la méthode des éléments finis. L'estimation de l'évolution de la taille d'un défaut d'écaillage initié en surface en fonction des cycles de chargement est effectuée. Ces résultats sont en adéquation avec les essais en laboratoire effectués dans les mêmes conditions à l'aide d'un banc d'essais de fatigue dédié aux butées à billes. Le deuxième axe consiste à déterminer un indicateur vibratoire utilisant l'analyse modale et permettant d'estimer le niveau d'endommagement de la butée à billes in situ en présence d'indent. La technique développée dans ces travaux permet de suivre l'évolution des valeurs de l'amortissement modal en fonction des cycles de vie, évolution déterminée à partir des essais en modes statique et dynamique. Cette étude contribuera à l'estimation de la durée de vie résiduelle du composant mécanique après apparition d'un écaillage en surface, en utilisant la méthode des éléments finis et en prenant compte de l'état d'endommagement de la structure. / The bearing is an essential element in the design of rotating machines. In an industrial context, bearing failure can have extremely costly consequences. Predictive maintenance minimizes the intervention costs and warns about the state of fatigue of the mechanical component. In this frame, we propose a study of the rolling contact fatigue damage applied to thrust ball bearings. This study is twofold: numerical and experimental. The first axis consists in establishing a dynamic three-dimensional numerical model of the cyclic shift of a ball on a running surface in the presence of an indent, using the finite element method. An estimation of the size evolution of a surface initiated spall depending on loading cycles is also performed. These results are consistent with laboratory tests executed in the same conditions using a fatigue test rig dedicated to ball bearings. The second axis consists in determining a vibratory indicator using modal analysis to estimate the on-line structural damage level of the ball bearing in the presence of an indent. The technique developed in this work enables monitoring the evolution of the modal damping values based on the life cycles determined from tests in static and dynamic modes. This study will contribute to estimate the residual life of the mechanical component after onset of a spall using the finite element method and accounting for the structural damage state.

The inclusion of electric vehicles in the automotive industry represents an opportunity for lubricating grease producers. Different speed, loads, and electric conditions are present in the bearings of the electric vehicles when compared with the conditions in a traditional internal combustion engine vehicle. Therefore, the development of new grease formulations is desired to overcome these, and other challenges introduced by this new technology. This project aims to compare two grease-thickener technologies through the installation, development, and validation of a novel high-speed bearing-grease test HSBT machine. This rig allows emulating the conditions present in the bearings of an electric vehicle. In this thesis, 6208 deep groove ball bearings were used to compare the mechanical performance of the greases. The comparative study of lithium complex and polypropylene greases was performed through the analysis of the frictional moment and self-induced temperature of the tested grease-bearing combinations. The results present the energy-saving potential of both greases and show the feasibility of using the HSBT machine as a grease testing machine. This project is the first step in an ambitious plan of enhancing e-mobility through grease research. It gives the input for future development of the machine and the creation of new standards for testing electric vehicle greases. / Införandet av elfordon i bilindustrin utgör en möjlighet för smörjfettproducenter. Olika hastigheter, belastningar och elektriska förhållanden är närvarande i de elektriska fordonens kullager i jämförelse med förhållandena i ett traditionellt förbränningsmotorfordon. Detta kräver utveckling av nya fetter som kan hantera de utmaningar som uppkommer med denna nya teknik. Detta projekt ämnar jämföra två fettförtjockningstekniker genom att installera, utveckla och validera en ny höghastighetslagermaskin (HSBT-maskin) för smörjfettstestning. Denna maskin möjliggör att förhållanden som finns i lagren hos ett elektriskt fordon kan efterliknas. I denna masteruppsats användes spårkullager med beteckningen 6208 för att jämföra smörjfettens mekaniska prestanda. I denna studie jämfördes litiumkomplex- och polypropenfetter genom att analysera friktionsmomentet och den självinducerade temperaturen för de testade kullagersmörjfettskombinationerna. Resultatet av studien visar energibesparingspotentialen för båda smörjfetterna och visar möjligheten att använda HSBT-maskinen för att testa smörjfetter. Detta projekt är det första steget i en ambitiös plan att förbättra e-mobilitet genom smörjfettsforskning. Studien ger indata för framtida utveckling av elektriska maskiner och bidrar till skapandet av nya standarder för testning av fetter för elektriska fordon.