This thesis sheds light on a novel alternate assessment of the phenomenon of rolling contact fatigue; also specifically in planetary gear bearings: a core component in the epicyclic module of high-power transmission gearboxes for aerospace applications such as GTFs and MGBs in aircraft. It is in response to the IDERPLANE research project which is formulated to address the concern of RCF in planetary gear bearings in the epicyclic modules of aerospace applications. The project is part of the Clean Sky 2 Horizon 2020 call by the ERC, and its consortium is headed by the Politecnico di Milano. Here the assessment is based on the principles of damage tolerance. The methodology assesses the component both in terms of fatigue threshold and critical fatigue fracture behaviour. The two-pronged approach uses a multiaxial fatigue criterion and a fatigue fracture material characterization based on LEFM technique. Relevant material characterization is performed to ascertain the material fatigue properties, and this is then used to generate the acceptable stress levels for the material and the full-scale component too. These prediction models are then presented as “damage acceptance maps”. The other novel prediction model, coined the “RANK” methodology, uses LEFM principles to quantify the anomalous behaviour observed in planetary gear bearings that are in essence, thin-rimmed gears and so susceptible to ovalization stress. Here, a crack front from a crater-deep sharp-edged bottom which is possibly generated from the remnant of an ejected spall due to rolling contact fatigue on the inside race of the component has a tendency to propagate in-core into the bulk of the material leading to a hazardous condition of uncontained critical failure. This has been verified experimentally using again, a novel 3-gear train fatigue testing setup on the actual full-scale component, and confirms the validity, coherence, and robustness of this prediction model. These methodologies can hence lead to a more in-depth, nuanced and yet-to-be surpassed matured understanding of fatigue fracture under rolling contact fatigue; and also extended and applied in the assessment of reliable planetary gear bearings that are mission-critical components directly affecting the air worthiness of aerospace-application systems.
Questa tesi fa luce su una nuova valutazione alternativa del fenomeno della fatica da contatto volvente; anche specificatamente nei cuscinetti degli ingranaggi planetari: un componente fondamentale nel modulo epicicloidale di riduttori di trasmissione ad alta potenza per applicazioni aerospaziali come GTF e MGB negli aerei. È una risposta al progetto di ricerca IDERPLANE che è formulato per affrontare il problema della RCF nei cuscinetti degli ingranaggi planetari nei moduli epicicloidali delle applicazioni aerospaziali. Il progetto fa parte del bando Clean Sky 2 Horizon 2020 dell'ERC e il suo consorzio è guidato dal Politecnico di Milano. Qui la valutazione si basa sui principi di tolleranza al danno. La metodologia valuta il componente sia in termini di soglia di fatica che di comportamento critico di frattura da fatica. L'approccio a due punte utilizza un criterio di fatica multiassiale e una caratterizzazione del materiale di frattura da fatica basata sulla tecnica LEFM. Viene eseguita una caratterizzazione del materiale pertinente per accertare le proprietà di fatica del materiale, che viene quindi utilizzata per generare livelli di stress accettabili per il materiale e anche per il componente su scala completa. Questi modelli di previsione vengono poi presentati come "mappe di accettazione del danno". L'altro nuovo modello di previsione, denominato metodologia "RANK", utilizza i principi LEFM per quantificare il comportamento anomalo osservato nei cuscinetti degli ingranaggi planetari che sono essenzialmente ingranaggi con bordo sottile e quindi suscettibili allo stress di ovalizzazione. Qui, un fronte di crepa da un fondo con bordi affilati profondi come un cratere, che è probabilmente generato dal residuo di una scheggia espulsa a causa della fatica da contatto volvente sulla pista interna dei componenti, ha la tendenza a propagarsi nel nucleo nella massa del materiale, portando a una condizione pericolosa di guasto critico non contenuto. Ciò è stato verificato sperimentalmente utilizzando di nuovo una nuova configurazione di test di fatica a 3 ingranaggi sul componente effettivo a grandezza naturale e conferma la validità, la coerenza e la robustezza di questo modello di previsione. Queste metodologie possono quindi portare a una comprensione maturazione più approfondita, sfumata e ancora da superare della frattura da fatica in caso di fatica da contatto volvente; e sono stati inoltre estesi e applicazioni nella valutazione di cuscinetti per ingranaggi planetari affidabili, componenti critici per la missione che incidono direttamente sulla navigabilità dei sistemi per applicazioni aerospaziali.
Multiaxial and fracture mechanics crack growth criteria under rolling contact fatigue, specifically applied to planetary gear bearings for aerospace applications
Rao, Prasad Mahendra
2024/2025
Abstract
This thesis sheds light on a novel alternate assessment of the phenomenon of rolling contact fatigue; also specifically in planetary gear bearings: a core component in the epicyclic module of high-power transmission gearboxes for aerospace applications such as GTFs and MGBs in aircraft. It is in response to the IDERPLANE research project which is formulated to address the concern of RCF in planetary gear bearings in the epicyclic modules of aerospace applications. The project is part of the Clean Sky 2 Horizon 2020 call by the ERC, and its consortium is headed by the Politecnico di Milano. Here the assessment is based on the principles of damage tolerance. The methodology assesses the component both in terms of fatigue threshold and critical fatigue fracture behaviour. The two-pronged approach uses a multiaxial fatigue criterion and a fatigue fracture material characterization based on LEFM technique. Relevant material characterization is performed to ascertain the material fatigue properties, and this is then used to generate the acceptable stress levels for the material and the full-scale component too. These prediction models are then presented as “damage acceptance maps”. The other novel prediction model, coined the “RANK” methodology, uses LEFM principles to quantify the anomalous behaviour observed in planetary gear bearings that are in essence, thin-rimmed gears and so susceptible to ovalization stress. Here, a crack front from a crater-deep sharp-edged bottom which is possibly generated from the remnant of an ejected spall due to rolling contact fatigue on the inside race of the component has a tendency to propagate in-core into the bulk of the material leading to a hazardous condition of uncontained critical failure. This has been verified experimentally using again, a novel 3-gear train fatigue testing setup on the actual full-scale component, and confirms the validity, coherence, and robustness of this prediction model. These methodologies can hence lead to a more in-depth, nuanced and yet-to-be surpassed matured understanding of fatigue fracture under rolling contact fatigue; and also extended and applied in the assessment of reliable planetary gear bearings that are mission-critical components directly affecting the air worthiness of aerospace-application systems.File | Dimensione | Formato | |
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