Analisi strutturale e verifica a fatica di un perno per catena lubrificata di un bulldozer cingolato

Several components are involved in the chain-drive transmission of a tracked system; among these, the pin has shown, in the real system, localized failures at the sharp edge of the internal hole. This thesis work analyzes its structural and fatigue behavior, with the aim of identifying the mechanisms responsible for the failure and identifying a configuration with greater fatigue resistance. To address these needs, a Global-Local finite element modeling strategy was developed. The global model, simplified but representative of a single chain unit, reproduces the interference-fit assembly conditions and the in-service loading conditions across different configurations with varying hole depth; the local model, built around the critical corner region and characterized by a finer mesh, instead allows for a more accurate analysis of the stress state as a function of the fillet radius, explored over the range between 0.1 mm and 1 mm. The interpretation of the results is based on the theory of elastic singularities, invoked to correctly describe the stress gradients generated by the geometric discontinuity of the sharp edge, and on the Dang Van multiaxial fatigue criterion, from which an equivalent stress at inversion was derived, used as a synthesis quantity to compare the different configurations. Near the edge, the stress trend confirms the asymptotic behavior predicted by singularity theory, with a growth described by a power law of the type σ ∼ r⁻ᵞ as the distance from the critical point tends to zero. This result not only highlights the consistency between the theoretical framework and the numerical simulations, but also constitutes a validation of the simplified model adopted: the response of the Global-Local system reflects both the behavior observed on the real component and the theoretical predictions associated with the geometric discontinuity of the sharp edge. The comparative analysis of the different hole depths further reveals a non-monotonic behavior: configurations with very high and very low depths are overall less critical, while intermediate depths show significantly higher stress values. This effect is also attributable to the stress contribution of the interference coupling, which is particularly significant at intermediate depths, amplifying the severity of the loading condition. The joint analysis of hole depth and fillet radius finally made it possible to identify the most favorable geometric combination, useful for guiding the subsequent redesign phase of the component. To complete the numerical study, a series of preliminary simulations was finally carried out to assess the possibility of experimentally reproducing the failure observed on the real component, hypothesizing different but equivalent loading modes in terms of local stress state. These simulations, based on the same geometric model discussed previously, made it possible to verify that the load required to reproduce the failure is compatible with the operational limits of the available equipment. This confirms the feasibility of the test in terms of load capacity and provides the necessary basis for its future execution.

Nella trasmissione del tiro della catena di un sistema cingolato sono coinvolti diversi componenti; tra questi, il perno ha mostrato, nel sistema reale, cedimenti localizzati in corrispondenza dello spigolo vivo del foro interno. Il presente lavoro di tesi ne analizza il comportamento strutturale e a fatica, con l'obiettivo di individuare i meccanismi responsabili del cedimento e di individuare una configurazione con maggiore resistenza a fatica. Per rispondere a tali esigenze è stata sviluppata una strategia di modellazione agli elementi finiti di tipo Global-Local. Il modello globale, semplificato ma rappresentativo di una singola unità della catena, riproduce le condizioni di montaggio per interferenza e di carico in esercizio su diverse configurazioni a profondità variabile del foro; il modello locale, costruito attorno alla zona critica dello spigolo e caratterizzato da una mesh più fine, consente invece di analizzare con maggiore accuratezza lo stato tensionale al variare del raggio di raccordo, esplorato nell'intervallo compreso tra 0,1 mm e 1 mm. L'interpretazione dei risultati si fonda sulla teoria delle singolarità elastiche, richiamata per descrivere correttamente i gradienti tensionali generati dalla discontinuità geometrica dello spigolo, e sul criterio di fatica multiassiale di Dang Van, dal quale è stata derivata una tensione equivalente all'inversione, utilizzata come grandezza di sintesi per confrontare le diverse configurazioni. In prossimità dello spigolo, l'andamento delle tensioni conferma il comportamento asintotico previsto dalla teoria delle singolarità, con una crescita descritta da una legge di potenza del tipo σ ∼ r⁻ᵞ al tendere della distanza dal punto critico a zero. Questo risultato non solo evidenzia la coerenza tra quadro teorico e simulazioni numeriche, ma costituisce anche una validazione del modello semplificato adottato: la risposta del sistema Global-Local rispecchia infatti sia il comportamento osservato sul componente reale, sia le previsioni teoriche associate alla discontinuità geometrica dello spigolo vivo. Dall'analisi comparativa delle diverse profondità del foro emerge inoltre un comportamento non monotono: le configurazioni con profondità molto elevate e molto ridotte risultano complessivamente meno critiche, mentre le profondità intermedie mostrano valori di tensione significativamente più alti. Questo effetto è attribuibile anche al contributo tensionale dell’accoppiamento con interferenza, che risulta particolarmente rilevante per profondità intermedie, amplificando la severità della condizione di carico. L’analisi congiunta della profondità del foro e del raggio di raccordo ha infine permesso di individuare la combinazione geometrica più favorevole, utile per orientare la successiva fase di riprogettazione del componente. A completamento dello studio numerico, è stata infine condotta una serie di simulazioni preliminari volte a valutare la possibilità di riprodurre sperimentalmente la rottura osservata sul componente reale, ipotizzando modalità di carico differenti ma equivalenti in termini di stato tensionale locale. Tali simulazioni, basate sullo stesso modello geometrico discusso in precedenza, hanno permesso di verificare che il carico necessario a riprodurre la rottura risulta compatibile con i limiti operativi delle attrezzature disponibili, confermando la fattibilità della prova in termini di capacità di carico e fornendo così le basi necessarie per la sua futura esecuzione.