Measuring instantaneous angular speed using a gear wheel as material measure to detect pitting damage during an endurance test

Gearbox condition monitoring is mostly carried out using accelerometers at the housing. The long transfer path interferes with the information on damaged gears. Therefore, new technologies such as measuring the instantaneous angular speed (IAS) are gaining interest. But these require constructive changes in the power-transmitting elements. Therefore, this contribution uses magnetoresistive (MR) sensors and a minimally invasive integration approach to measure IAS. Three sensor classes are integrated: accelerometers at the gearbox housing, MR sensors, which use a gear wheel as a material measure and MR sensors, which use an encoder magnet at the end of the shaft. These sensor concepts are introduced by Koch et al. 2022 [1] and applied to a 3-stage bevel helical gearbox in this contribution. The first results are on artificial tooth flank damage. Therefore, this contribution focuses on real fatigue pitting damage.

A back-to-back test stand is set up for the endurance test. The tests are carried out with an overload load at a constant speed to generate fatigue pitting damage. The results are evaluated in the frequency domain by exploring the gear mesh frequency (GMF) and sidebands modulated with the shaft frequency of the damaged pinion. Results show that with all sensor concepts, the damages can be detected. Influences when using a gear wheel as a material measure are described for one measurement concept. A feature to compare the damage-specific information over the endurance test is introduced and the influence of the transfer path is evaluated through analysis of the relative rise of damage-specific amplitudes.

Die Zustandsüberwachung von Getrieben wird meist mit Beschleunigungssensoren am Gehäuse durchgeführt. Der lange Übertragungsweg beeinträchtigt die Informationen über beschädigte Zahnräder. Daher gewinnen neue Technologien wie die Messung der momentanen Winkelgeschwindigkeit (IAS) an Interesse. Diese erfordern jedoch konstruktive Änderungen an den kraftübertragenden Elementen. Daher werden in diesem Beitrag magnetoresistive (MR) Sensoren und ein minimalinvasiver Integrationsansatz zur Messung der IAS verwendet. Es werden drei Sensorklassen integriert: Beschleunigungssensoren am Getriebegehäuse, MR-Sensoren, die ein Zahnrad als Maßverkörperung nutzen und MR-Sensoren, die einen Encoder-Magneten am Ende der Welle verwenden. Diese Sensorkonzepte werden von Koch et al. 2022 [1] vorgestellt und in diesem Beitrag auf ein dreistufiges Kegelstirnradgetriebe angewendet. Die ersten Ergebnisse beziehen sich auf künstliche Zahnflankenschäden. Diese Ergebnisse werden in diesem Beitrag durch reale Pittingschäden erweitert.

Für den Dauerversuch wird ein Back-to-Back-Prüfstand aufgebaut. Die Versuche werden bei einer Überlastbelastung mit konstanter Drehzahl durchgeführt. Die Ergebnisse werden im Frequenzbereich ausgewertet, indem die Zahneingriffsfrequenz und die mit der Wellenfrequenz des beschädigten Ritzels modulierte Seitenbänder untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass mit allen Sensorkonzepten die Schäden erkannt werden können. Für ein Messkonzept werden Einflüsse bei der Verwendung eines Zahnrades als Maßverkörperung beschrieben. Eine Funktion zum Vergleich der schadensspezifischen Informationen über den Dauertest wird vorgestellt und der Einfluss des Übertragungsweges durch Analyse des relativen Anstiegs der schadensspezifischen Amplituden bewertet.