Leonardo Helicopter Division Edge stress analysis of roller-race contact in bearings; FEM and analytical tool results comparison

Cylindrical Roller bearings are designed to carry heavy radial loads but due to edge stress its life could be severely affected. In the design of cylindrical roller bearings the profile of the roller plays an important roll. The cylindrical profile of roller element typically results in edge stress concentration. Circular crowning eliminates the edge stress concentration at low loads, however it develops edge concentration at heavy loads. A complex and detailed study is performed to create a reliable FE model able to represent exactly the behaviour of the bearing at different loads. The reliability of this model is the core of the entire project so all the passages and the techniques used are carefully explained along this study. Four different geometry cases are analyzed in order to cover the dimensional range used in Leonardo Helicopter Division. For each geometry different load cases are analyzed, from low load without edge stress to high load in edge stress condition. All the cases are analyzed in terms of: applied load, contact pressure, contact extension and stresses. The results are compared with the analytic software used from Leonardo Helicopter Division in order to understand the pros and the cons of this analytic software. Due to reduced computational time required from the analytic software, the goal of Leonardo Helicopter Division is to use it for a quick detection of the edge stress condition and for an initial general analysis of the working conditions. At the end some conclusions about the risk of working in edge stress conditions are drawn and some guidelines to set the important parameters of the analytic software are reported.

I cuscinetti a rulli cilindrici vengono ampiamente impiegati per applicazioni ad alto carico ma a causa dello stress di bordo, che può crearsi a causa dei disallineamenti o dell’alto carico, la loro vita utile può essere ampliamente ridotta. Per questo motivo nella progettazione dei cuscinetti a rulli cilindrici il profilo dei rulli gioca un ruolo di fondmentale importanza. La modifica micro geometrica elimina il problema dello stress di bordo per bassi crichi, ma il problema rimane per carichi elevati. Un complesso e dettagliato studio è stato fatto per creare un modello ad elementi finiti affidabile, in grado di rappresentare esattamente il comportamento dei cuscinetti a carichi differenti. L’affidabilità del modello è il cuore dell’intero progetto, per questo motivo tutti i passaggi e le tecniche usate sono state attentamente spiegate nel corso di queto scritto. Quattro geometrie differenti sono state analizzate per coprire il range dimensionale di normale utilizzo di Leonardo Helicopter Division. Per ogni geometria diversi carichi sono stati analizzati, partendo da un carico basso senza stress di bordo fino a carichi elevati con stress di bordo. Per prendere familiarità con questo problema, tutti i casi sono stati analizzati in termini di: carichi applicati, pressione di contatto, estensione del contatto e sforzi. Tutti i risultati sono stati confrontati con il programma analitico usato da Leonardo Helicopter Division per capirne i pregi e i difetti. Grazie al minor tempo di calcolo richiesto dal programma analitico, lo scopo di Leonardo Helicopter Division è il suo utilizzo per una veloce individuazione della condizione di stress di bordo e per un’ iniziale analisi generale delle condizioni di lavoro. Alla fine sono state tratte alcune conclusioni sul rischio di lavorare in condizioni di stress di bordo e sono state indicate alcune linee guida per impostare i parametri principali del programma analitico.