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Gearbox Condition Monitoring Based On Angle Measurement Using A Gear As Material Measure

Koch, Yanik (2024)
Gearbox Condition Monitoring Based On Angle Measurement Using A Gear As Material Measure.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027892
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Gearbox Condition Monitoring Based On Angle Measurement Using A Gear As Material Measure
Language: English
Referees: Kirchner, Prof. Dr. Eckhard ; Stahl, Prof. Dr. Karsten
Date: 4 September 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VIII, 146 Seiten
Date of oral examination: 24 July 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027892
Abstract:

Gearboxes are used in a wide range of industrial applications to facilitate the transmission of rotational movement. The occurrence of unanticipated gearbox failures can result in the complete standstill of entire systems, thereby reducing their availability. Consequently, there has been a growing tendency in industrial applications to monitor gearboxes with externally applied acceleration sensors. The acceleration sensors acquire vibrations on the gearbox housing in order to detect damages. This technology has been demonstrated to be effective in the detection of gearbox damage. However, the long transfer path from the gear damage via the shaft and bearings to the housing results in a reduction in the amount of usable damage information and can be superimposed by external disturbances. In recent years, rotational angle measurement has emerged as a promising alternative to vibration measurement in the academic field. Rotational angle measurement can be used to measure the instantaneous angular speed and the transmission error. In comparison to externally applied acceleration sensors, these techniques offer the potential to make more precise predictions about damages, with the possibility of determining it at an earlier stage and with greater accuracy. Furthermore, the additional rotational angle information enables damages to be detected at transient speeds. Furthermore, the measurement of transmission error enables the quantification of damages, a process that was previously only possible through manual inspection of the gears. Despite the outlined advantages, these techniques have thus far only been used to a limited extent in industrial applications. Reasons for this are the high cost of the optical rotational angle sensors that are most commonly used and the necessity of making design changes when mounting the angle sensor. In this thesis, a measuring device is therefore developed that can be integrated to measure the rotational angle of gearboxes without the necessity of modifying the design of the rotating gear elements. The proposed measuring system uses the helical gear wheel of a gearbox as a material measure to measure the rotational angle with a magnetoresistive sensor. The impact of utilising the gear wheel on the accuracy of the measurement is analysed, and the dependencies on operational conditions are investigated. The suitability of the measuring device for damage detection is then analysed on two test rigs. The results of the damage detection are compared with those obtained using acceleration sensors and reference rotational angle sensors. Firstly, the basic suitability of the measuring device for damage detection is analysed using artificial damages. Subsequently, a number of artificial damage tests are used for the purpose of damage classification using a machine learning approach. The aforementioned results are then subjected to a long-term fatigue test, during which real pitting damage is generated. The fatigue test is employed to illustrate the viability of the measuring device for the detection of real damages. Finally, the potential of the measuring device for measuring the absolute rotational angle and the torque of a gear stage is demonstrated, thereby providing the basis for predictive maintenance approaches.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Getriebe werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen zur Umformung von Drehbewegungen eingesetzt. Unvorhergesehene Ausfälle von Getrieben können zum Stillstand ganzer Anlagen führen, was eine reduzierte Anlagenverfügbarkeit zur Folge hat. Daher werden in der industriellen Praxis zunehmend Getriebe mit extern applizierten Beschleunigungssensoren überwacht. Diese Beschleunigungssensoren nehmen Schwingungen am Getriebe auf, um darüber auf Schäden im Getriebe zu schließen. Diese Technik hat sich bei der Detektion von Getriebeschäden bewährt. Allerdings führt der lange Übertragungsweg vom Verzahnungsschaden über die Welle, die Lager zum Gehäuse zu einer Reduktion der nutzbaren Schadensinformationen und kann durch externe Störungen überlagert werden. Im akademischen Bereich hat sich in den letzten Jahren die Drehwinkelmessung zur Schadensdetektion als aussichtsreiche Alternative zur Schwingungsmessung herausgestellt. Über eine Drehwinkelmessung kann beispielsweise die momentane Winkelgeschwindigkeit und der Übersetzungsfehler gemessen werden. Diese Messgrößen ermöglichen im Vergleich zu Schwingungsmessung präzisere Vorhersagen über einen Schaden und haben das Potential, diese früher und genauer zu bestimmen. Durch die zusätzliche Winkelinformation können des Weiteren Schäden bei transienten Geschwindigkeiten erkannt werden. Die Messung des Übersetzungsfehlers erlaubt darüber hinaus eine Quantifizierung des Schadens, was bisher nur durch manuelle Inspektion der Verzahnungen möglich war. Trotz der beschriebenen Vorteile finden diese Techniken bislang nur einen begrenzten Einsatz in industriellen Anwendungen. Dies ist zum einen auf die hohen Kosten der meist verwendeten optischen Drehwinkelsensoren und zum anderen auf die notwendigen konstruktiven Änderungen bei der Montage der Winkelverkörperung zurückzuführen. In dieser Arbeit wird daher ein Messsystem entwickelt, das ohne konstruktive Anpassung der rotierenden Getriebeelemente integriert werden kann, um den Drehwinkel eines Stirnradgetriebes zu messen. Dieses Messsystem nutzt das schrägverzahnte Zahnrad eines Getriebes als Maßverkörperung, um mit einem magnetoresistiven Sensor den Drehwinkel zu messen. Die Einflüsse der Verwendung des Zahnrades auf die Genauigkeit werden untersucht und die Abhängigkeiten von den Betriebsbedingungen dargestellt. Anschließend wird die Eignung des Messsystems zur Schadensdetektion an zwei Prüfständen untersucht. Diese wird mit Beschleunigungssensoren und Referenz-Drehwinkelsensoren verglichen. Zunächst wird anhand von künstlichen Schäden die prinzipielle Eignung des Messsystems zur Schadensdetektion untersucht. Anschließend werden verschiedene künstliche Schäden zur Schadensklassifikation mit einem Machine Learning Ansatz vorgestellt. Diese Ergebnisse werden dann auf einen Ermüdungs-Dauerversuch übertragen, in welchem reale Pittingschäden erzeugt werden. Anhand dieses Dauerversuchs wird die Anwendbarkeit des Messsystems zur Detektion realer Schäden demonstriert. Abschließend werden weitere Potentiale des Messsystems zur Messung des absoluten Drehwinkels und des Drehmoments einer Zahnradstufe aufgezeigt, um damit die Grundlage für vorausschauende Wartungsansätze zu schaffen.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-278928
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Product Development and Machine Elements (pmd)
Date Deposited: 04 Sep 2024 12:05
Last Modified: 05 Sep 2024 06:16
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27892
PPN: 521104572
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