Rulmanlarda sürünme riskinin deneysel olarak incelenmesi ve rulman tasarım parametrelerinin sürünme üzerine etkisinin analizi
Experimental investigation of creep risk on bearings and analysis of bearing design parameters for creep
- Tez No: 1010386
- Danışmanlar: DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Dönen makinelerin en kritik taşıyıcı elemanlarından biri olan rulmanlar, sistem güvenilirliği ve performansı üzerinde doğrudan belirleyici rol oynar. Bu elemanlar, değişken yükler ve tekrarlayan hareketler altında çalışırken sahip oldukları çok serbestlik dereceli karmaşık yapıları nedeniyle, performans analizleri ve arıza mekanizmalarının öngörülmesi bakımından önemli zorluklar içerir. Özellikle gerçek çalışma koşullarında çevresel etkiler ve beklenmeyen yükleme senaryoları, rulmanların öngörülen ömürlerinin altında hasar görmesine yol açarak makine verimliliğini ve güvenilirliğini ciddi biçimde sınırlamaktadır. Dolayısıyla rulmanlardaki arıza mekanizmalarının anlaşılması, tasarım ve bakım stratejilerinde kritik bir gereklilik olarak öne çıkmaktadır. Rulman bilezikleri ile şaft veya mahfaza yüzeyleri arasında ortaya çıkan rölatif mikro hareketler, yüzeylerde aşınma, yorulma ve malzeme kaybına neden olabilmektedir. Literatürde“creep”veya“fretting”olarak tanımlanan bu olgu, özellikle flanşsız katalog rulmanlarında dış bilezikler için incelenmiştir. Yüksek yük ve hız gereksinimlerinin gerektiği ve özel rulman tasarımlarıyla hafifliğin sağalanmaya çalışıldığı havacılık rulmanlarında ise flanşlı tasarım ile birlikte dış bilezik sürünme riskleri sıfıra indirilmekle birlikte, iç bileziğin zorlu koşullar altında yüksek fitlerde çalışmasına rağmen şafta göre rölatif dönerek şaft veya bilezik üzerinde sürünme izleri bıraktığı görülmektedir. Bunun önlemi olarak uygulana yüksek fitlerin ise aşırı ön gerilmelere (çember gerilmeleri) maruz bıraktığı ve bilezik dayanım ömrünü kısıtladığı bir gerçektir. Çalışmanın ilk bölümünde, literatürde sıkça vurgulanan sürünme hareketinin bilezik üzerinde oluşan elastik dalgaların neden olduğu peristaltik deformasyonların dinamik bir sonucu olup olmadığı incelenmiştir. Rulman iç kuvvetleri ve momentlerinin oluşturduğu etkiler değerlendirilmiş ve bu etkilerin sürünmeyi doğuramayacak kadar küçük olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Öte yandan, söz konusu dalga hareketlerinin bilezik üzerinde titreşimli bir zorlamaya neden olabileceği ve bunun sürtünme kaybına katkı sağlayabileceği araştırılmıştır. Test rulmanlarından elde edilen parametreler ile yapılan hesaplamalar, bu etkinin yaklaşık %4 seviyesinde oldukça sınırlı olduğunu ortaya koymuştur. Bu kapsamda, dinamik etkilerin sürünmeye yol açıp açamayacağı tartışılmış; farklı dinamik mekanizmaların sürünme davranışına katkısı ve bunlar üzerinden anlamlı bir benzetim modeli kurulup kurulamayacağı değerlendirilmiştir. İncelenen benzetim modelleri arasında peristaltik hareket yaklaşımı, ultrasonik motor prensibi, titreşim destekli mikro kayma yaklaşımı ve harmonik tahrik sistemi yer almıştır. Çalışma sonunda, bu modeller ile sürünme olgusu arasında anlamlı ve geçerli bir benzeşim kurulamadığı sonucuna varılmıştır. Literatürde iki temel sürünme (creep) mekanizması tanımlanmaktadır: makro kaymaya dayalı klasik yaklaşım ve elastik gerinim dalgalanmalarına bağlı hareketli dalgalanma (travelling wave) teorisi. Bu çalışmada, literatürde daha geniş yer bulan ikinci yaklaşım esas alınmış; rulman iç bileziklerinin elastik şekil değiştirmeleri analitik yöntemler ve sonlu elemanlar analizi (FEA) aracılığıyla modellenmiştir. Elde edilen dalga genlikleri sürünme torku olarak hesaplanmış ve bu değerler; fit, sıkma torku ve eksenel kuvvetler sonucu oluşan sürtünme torkları ile karşılaştırılmıştır. Deneysel testlerle doğrulanan bulgular, endüstriyel yöntemlerle kıyaslanmış ve sürünme riskinin tahmin edilebileceği bir grafik önerilmiştir. Endüstriyel yöntemler, genel olarak elastisite teorisine dayanan ve rulman üzerine uygulanan radyal yükleri esas alarak bileziğin ne kadar sıkı geçmesi gerektiğini belirleyen yaklaşımlardır. Bu yaklaşımlar, firmalar tarafından deneysel yöntemlerle elde edilen grafikler ve bu grafiklerden türetilen katsayılarla doğrudan ilişkilidir. Bu çalışma kapsamında elde edilen test verilerine dayalı sürünme bulguları üzerinden, endüstriyel sürünme yaklaşımlarının doğruluk düzeyi tartışılmıştır. Sürünme hatasının önüne geçilebilecek bazı pratik tasarım çözüm önerileri de sunularak literatüre pratik katkı sunulmak amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında bazı dişli kutuları üzerinde test kampanyaları yürütülmüş; bu testlerin sonuçları görsel muayeneler ile derinlik ve iz incelemeleri aracılığıyla değerlendirilmiştir. Üç farklı yük koşulu altında, dört farklı rulman tipini temsil eden toplam dokuz rulmanın 42 adet test verisi temel alınarak analizler gerçekleştirilmiştir. Her bir test senaryosuna karşılık gelen rulman ve yük durumunun ABAQUS yazılımında modelleri oluşturulmuş ve sürünme davranışını ortaya çıkaran yapısal analizler gerçekleştirilmiştir. Simülasyon çıktıları, görsel muayene bulguları ile karşılaştırılarak“sürünme tork büyüklüğü”olarak tanımlanan bir parametre üzerinden değerlendirilmeler yapılmıştır. Elde edilen sürünme tork büyüklüğü ile sürtünme torku arasında, test verilerine dayalı olarak anlamlı bir ilişki grafiği oluşturulmuştur. Bunun yanı sıra, Weibull dağılımı kullanılarak sürünmenin olasılıksal riskleri hesaplanmış ve dağılımdan elde edilen katsayıların doğruluğu her bir test verisinin olasılıksal karşılığı üzerinden doğrulanarak tablolarda sunulmuştur. Çalışmanın devamında, literatürde sıkça raporlanan ancak çoğunlukla deneysel gözlemlerle sınırlı kaldığı için teorik bir sonuçla desteklenmeyen rulman içi tasarımsal değişikliklerin sürünme davranışına etkisi incelenmiştir. Araştırma, creep (sürünme) hatasında etkili olabilecek rulman iç tasarım parametrelerinin değerlendirilmesine odaklanmıştır. Önerilen sürünme risk tahmin grafiğinden yararlanılarak çeşitli parametreler için etki analizleri gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, sürünme davranışını en fazla etkileyen değişkenlerin eksenel yük, fit miktarı ve rulman ile şaft kalınlığı olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca çalışma yalnızca deneysel verilere dayanmamakta; olasılıksal değerlendirmelerle de desteklenmektedir. Böylelikle, mühendislik uygulamalarında kullanılabilecek pratik ve uygulanabilir tasarım önerileri geliştirilmiş, sistem güvenilirliğine katkı sağlanmıştır. Araştırma sonunda parametreler arası etki katsayıları tanımlanmış ve bu bulgular görsel karşılaştırmalı grafikler aracılığıyla desteklenmiştir.
Özet (Çeviri)
Bearings represent one of the most essential load-carrying components within rotating machinery, functioning as multi-degree-of-freedom systems whose health directly dictates overall machine reliability and operational continuity. Their structural complexity, coupled with continuously changing loads and repeated motion cycles, renders the analysis of bearing performance and the prediction of failure modes inherently challenging. Under real operating conditions, deviations from ideal lubrication, thermal variations, contamination ingress, and unexpected loading scenarios often trigger premature failure, reducing efficiency and compromising mission-critical system integrity. Consequently, the understanding of failure mechanisms in bearings has become a pivotal requirement for both robust design practices and effective maintenance strategies. Among the various failure modes, micro-scale relative motion between the bearing rings and their mating shaft or housing surfaces can lead to wear, fretting fatigue, and progressive material loss. This phenomenon, commonly termed“creep”or“fretting,”has traditionally been investigated for outer rings in catalog bearings where non- flanged configurations promote looseness. In aerospace applications, where high loads, elevated speeds, and weight-optimized architectures prevail, flanged outer ring designs successfully suppress external creep. However, despite the use of tight interference fits on the shaft, inner rings still exhibit relative motion under severe operating conditions, leaving distinct creep marks. Increasing fit magnitude to counter this motion introduces significant hoop stresses in the ring, resulting in life-limiting effects; thus, creep prevention strategies compete directly with ring durability constraints. Furthermore, detecting creep on inner rings is inherently challenging because both the shaft and the inner ring operate at high rotational speeds. While outer- ring creep can be captured visually using camera-based diagnostics, inner-ring creep requires sophisticated and highly instrumented test systems. For this reason, the present study relies on indirect inferencing through creep-induced surface evidence rather than direct in-situ measurement. The present study initially investigates whether commonly observed creep behaviour originates from peristaltic deformation waves propagating along the ring surface. Analytical assessment of internal forces and moments revealed that their magnitude alone is insufficient to induce creep. Nonetheless, these elastic waves were shown to impose oscillatory excitation, causing minor frictional losses. Based on measured parameters of tested bearings, the contribution of such effects was quantified to be approximately four percent of the overall mechanism—too small to govern creep formation. Several dynamic analogies, including peristaltic actuation, ultrasonic motor principles, vibration-assisted micro-slip, and harmonic drive behaviour, were examined. The analyses demonstrated that these analogies fail to establish a meaningful correspondence with the observed creep phenomenon. The research emphasizes two principal creep mechanisms cited in literature: classical macro-slip-driven behaviour and the travelling wave theory associated with elastic strain fluctuations. Although studies based on shear-stress (slip-based) reasoning are limited, they nevertheless offer valuable insight, particularly when examined alongside strain-wave interpretations. The latter was selected as the analytical basis of this work. Inner ring deformation profiles were modelled both analytically and through finite element simulations, yielding strain wave amplitudes that were transformed into estimated creep torque values. These torque predictions were compared against friction torques arising from interference fits, tightening torque from lock nuts, and axial preload. Unlike traditional industrial models, this work explicitly incorporates the contributions of lock-nut tightening forces and axial loading into the creep formulation—an essential refinement because axial loading alters both stress distribution and local strain behaviour. While axial loading tends to homogenize the load distribution and theoretically reduce wave amplitude, it simultaneously increases contact pressure and strain energy, producing a nonlinear interaction that makes its influence considerably more complex than conventional radial-only models assume. A comprehensive test programme was executed using gearbox assemblies to assess system-level creep manifestation. Forty-two bearing samples across four bearing types and three different loading configurations were subjected to operational endurance testing, followed by visual inspection and depth profiling of wear marks. Structural models were constructed in ABAQUS for each corresponding test case, enabling correlation of elastic deformation-induced travelling wave amplitudes with observed failure severity. A creep torque parameter was defined to quantify this relationship, and a meaningful interaction curve between creep torque and friction torque was derived. Furthermore, creep was evaluated probabilistically using Weibull distributions; estimated coefficients were validated against empirical test outcomes and tabulated accordingly. Beyond model validation, the investigation focused on how design-level modifications influence creep behaviour—an area frequently discussed experimentally but seldom addressed through theory. Interpreting the derived creep-risk chart enabled sensitivity analyses across various geometric and structural parameters. The results revealed axial force, interference fit, and ring/shaft thickness as the most influential contributors to creep tendency. Importantly, the methodology does not rely solely on experimental observations; rather, it integrates probabilistic inference, offering a practical framework that enhances engineering decision-making. Comparative graphical representations of parameter influences were also developed, providing an intuitive interpretation tool for design engineers. Despite its analytical scope, the model retains high practical applicability by supporting early-stage design decisions and enabling creep risk visualization before implementation. A critical reflection on the study highlights that the probabilistic nature of creep mirrors the probabilistic formulation of fatigue life in bearing engineering. In this sense, creep is not merely present or absent but instead possesses a likelihood and severity distribution dependent on application conditions. Although industrial creep assessment methods remain prevalent, this research confirmed that their predictive capability is limited by insufficient parameter coverage—particularly neglecting axial load and locking torque—which explains frequent mismatches between prediction and real damage. The dimensionless modelling technique employed here resolves this deficiency by jointly embedding multiple design parameters onto a single evaluation domain, thereby revealing their relative impact. Such an approach constitutes the first holistic modelling effort that visually unifies inner and outer ring design factors and allows cross-comparison between different bearing architectures. Despite the value of the contributions, the dataset was necessarily constrained by the high cost of bearing-specific testing. Expansion of the experimental pool is expected to strengthen model accuracy and predictive resolution. Furthermore, creep identification relied on visual and dimensional inspection, which inherently embeds subjectivity. The development of automated or numerical creep-quantification techniques—such as topographic scanning, digital image correlation, or acoustic signature analysis—would enhance repeatability and diagnostic confidence. Another extension proposed is the enlargement of the parametric test space beyond fit variation and load condition. Investigations involving isolated manipulation of shaft stiffness, shaft material, or standalone axial preload parameters would deepen understanding of multivariable interactions. Moreover, the model has so far been validated for cylindrical roller bearings and angular contact bearings; extending the methodology towards other bearing families—needle roller, spherical roller, or tapered roller bearings—could provide comprehensive generality. In conclusion, this thesis offers a novel design-oriented creep risk model formed through graphical interpretation of structural mechanics principles and experimental validation. It enables simultaneous evaluation of multiple design attributes, provides a predictive basis for creep mitigation at early design phases, and reduces dependency on post-test interpretation. When compared with industrial approaches that consider only simplified loading conditions, the proposed framework embeds a richer physical interpretation—including complex axial load effects—and demonstrates strong potential to guide practical engineering applications. If further validated for additional bearing families, the model may represent a widely deployable engineering tool that significantly improves creep risk prediction and prevention capabilities across critical rotating systems.
Benzer Tezler
- An Investigation into rolling element bearing diagnostics via digital signal processing
Sayısal sinyal çözümleme ile rulmanlı yataklarda sorun tanılama
CEM KARAKURT
- Frauenbild und Erziehung eine vergleichende Arbeit zu Thomas Mann“Buddenbrooks”und Reşat Nuri Güntekin“Yaprak Dökümü”
Başlık çevirisi yok
KADRİYE ÖZTÜRK
- Fault diagnosis of gears by computer simulation
Başlık çevirisi yok
MELEK YALÇINTAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
1990
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. H. NEVZAT ÖZGÜVEN
- “Peyami Safa”imzalı romanlarda fiktif yapı
Başlık çevirisi yok
MEHMET ÖNAL
Doktora
Türkçe
1989
Türk Dili ve EdebiyatıSelçuk ÜniversitesiTürk Dili ve Edebiyatı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADIK KEMAL TURAL
