A study on crack initiation for rolling contact fatigue in planet gears

Rolling elements such as bearing gears are widely used in mechanical applications in industrial, automotive, aerospace and many other fields. Research and design development are focusing on increasing the components reliability and the materials’ properties to guarantee a long service life and the performance stability. Despite all the efforts, bearings are still failing, therefore is interesting to understand the mechanisms governing this phenomenon, called Rolling Contact Fatigue (RCF). Numerical and FEM models have been developed. which can simulate the fatigue behavior of those materials starting from theoretical considerations, validated with experimental evidences. A general overview on the state-of-the-art studies on RCF will be given in this thesis by illustrating the factors that take part in this process. Plus,mechanisms driving crack formation and growth will be analyzed and compared in order to focus on the subsurface crack initiation and propagation in case of lubricated rolling contact conditions, which are proper of rolling elements and gears. Moreover, a numerical model simulating the damage evolution inside the material will be proposed by utilizing the Continuum Damage Mechanics (CDM) method to predict the fatigue initiation life of a rolling element. Some widely used bearing gears steels, such as AISI 52100 and SAE 4340, have been taken as references for this simulation. In the end, this model will be joined by a Finite Elements Model (FEM) which will simulate the mechanical behavior of an epicyclic gearbox system, with a specific focus on the section that includes the planet bearing gear subjected to the RCF phenomenon. The stress state resulting from torque and motion transmission will be then compared to literature references and used as an operative datum in the numerical model, to give a first approximation of the component’s general behavior.

I componenti meccanici che sfruttano la presenza di elementi volventi, come gli ingranaggi a cuscinetti, trovano un'ampio utilizzo nel settore industriale, automobilistico, aerospaziale ed in molti altri campi. La ricerca e lo sviluppo di sono quindi focalizzati nel migliorare l'affidabilità e le proprietà dei materiali utilizzati, per garantire un lunga durata in servizio ed una stabilità di rendimento di questi componenti. Nonostante l'ampio sforzo, si verificano tutt'oggi dei casi di fallimento principalmente causati dalla fatica per contatto da rotolamento (RCF). Modelli analitico-numerici ed agli elementi finiti (FEM) sono stati sviluppati per simulare il comportamento a fatice dei materiali utilizzati, partendo da considerazioni teoriche, validate successivamente da prove sperimentali. In questo lavoro di tesi viene data una panoramica generale sullo stato dell'arte riguardante lo studio della fatica da rotolamento, illustrando i fattori che prendono parte in questo complesso processo. I principali meccanismi responsabili della formazione e propagazione delle cricche sono stati analizzati e comparati per fornire una descrizione specifica della formazione di cricche al di sotto della superficie in condizioni di contatto da rotolamento in presenza di lubrificanti. Un modello analitico-numerico, in grado di simulare l'evoluzione dello stato di dannno all'interno del materiale, sarà proposto in questo lavoro servendosi della teoria della meccanica di danno continuo (CDM), per predirre l'iniziazione del danno da fatica da rotolamento. I materiali studiati saranno delle leghe largammente utilizzate per la realizzazione di ingranaggi e cuscinetti (AISI 52100 e SAE 4340), spesso indicati come riferimento in letteratura. Nella seconda parte di questo lavoro infine, sarà introdotto un modello agli elementi finiti in cui è stato studiato il comportamento della sezione di una trasmissione planetaria, con interesse particolare sulla sezione di contatto da rotolamento tra cuscinetti ed ingranaggio planetario. Lo stato di sforzo risultante dalla applicazione di coppia e rotazione trasmesse attraverso il sistema, sarà paragonato con la letteratura ed i parametri di sforzo ottenuti dal modello analitico-numerico, per fornire una prima approssimazione del comportamento a fatica dell'ingranaggio planetario sotto esame.