Test method for time-scaled fatigue tests of gear transmission systems

Abstract

Under real operating conditions, gear transmissions usually suffer a wide spectrum of loads. The required runtimes, which have to be reached without any damage may cover long periods of time. Tests with the load spectrum in its whole extension are both time and money consuming. The use of shortened test methods can reduce the required testing time and lead to cost savings.

In this paper, an extensive test methodology for time-scaled fatigue tests of transmission systems under variable load is presented. The method in general is divided in two steps. In a first step, a load spectrum truncation is performed based on a detailed system analysis of the gearbox. Exemplary the gearing itself is investigated regarding the main damage mechanisms pitting and tooth breakage as well as micropitting and sliding wear. Nevertheless the shown method is also applicable for further components in the transmission. The observed damage mechanisms are investigated locally and analyzed by means of a local damage accumulation. Based on the evaluated (local) Miner sums both the decisive damage mechanism and the damage location can be identified. This approach allows a truncation of the load spectrum without change of the main damage mechanism. An increase of load-levels on the one hand and omission of low loads on the other hand result in a reduced test time.

A further reduction of test time is possible by performing and evaluating shortened test runs with the truncated load spectrum without reaching any failure criteria in a second step. The described evaluation is mainly based on destructive and non-destructive examination methods on gears as well as statistical methods which help to estimate the remaining service life of pre-damaged parts. With the described method, a realistic truncation by factor 5 to 20 is possible depending on the original load spectrum and transmission design.

Zusammenfassung

Im realen Betrieb erfahren Fahrzeuggetriebe üblicherweise eine ausgeprägte Lastkollektivbelastung. Die geforderten Lebensdauern, welche ohne Schäden erreicht werden sollen, können mitunter lange Zeiträume umfassen. Lebensdauerprüfungen mit dem gesamten Lastkollektiv sind zeit- und kostenintensiv. Die Verwendung verkürzter Lebensdauerprüfungen kann zu einer Verkürzung der Testzeit sowie finanziellen Einsparungen führen.

Im Rahmen dieses Beitrags wird eine umfangreiche Testmethodik für verkürzte Lebensdauerprüfungen von Getriebesystemen unter wechselnden Lasten vorgestellt. Das Vorgehen ist dabei zweigeteilt. Zunächst wird eine Lastkollektivraffung auf Basis einer detaillierten Systembetrachtung des Getriebes durchgeführt. Exemplarisch wird hierbei die Verzahnung hinsichtlich der Hauptschadensmechanismen Grübchen, Zahnfußbruch sowie Graufleckigkeit und Langsamlaufverschleiß untersucht. Darüber hinaus ist die Methode auch auf weitere Getriebekomponenten anwendbar. Die betrachteten Schadensmechanismen werden lokal im Rahmen einer lokalen Schadensakkumulation untersucht. Basierend auf den ermittelten (lokalen) Schadenssummen kann sowohl der maßgebende Schadensmechanismus als auch der Ort des Schadens identifiziert werden. Dieser Ansatz erlaubt eine Lastkollektivraffung unter Beibehaltung des maßgebenden Schadensmechanismus. Durch eine Erhöhung der Last auf der einen Seite und das Weglassen von Niedriglasten auf der anderen Seite kann die Prüfzeit reduziert werden.

Die Durchführung und Auswertung von verkürzten Prüfläufen ohne Schadenseintritt mit dem bereits gerafften Lastkollektiv ermöglicht eine weitere Reduktion der Prüfzeit. Die beschriebene Auswertung beruht maßgebend auf zerstörenden und zerstörungsfreien Analysemethoden an Zahnrädern sowie auf statistischen Methoden, welche insgesamt eine Abschätzung der Restlebensdauer von vorgeschädigten Komponenten ermöglichen. In Abhängigkeit vom Ausgangs-Lastkollektiv und dem Getriebedesign ist mit Hilfe der beschriebenen Methodik eine realistische Raffung um den Faktor 5 bis 20 möglich.