Master's Thesis

Experimental apparatus for testing gear transmissions in space applications

Final Thesis 8.92 MB Appendix 14.99 MB

Author of thesis: Ing. Tadeáš Volf

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. David Košťál, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D.

Abstract:

This master’s thesis deals with the design, realization and experimental validation of a device
intended for testing materials and lubricants of gear transmissions under conditions
simulating the space environment. The device was designed to enable lifetime testing of gear
pairs under defined operating load, vacuum conditions and controlled thermal conditions.
The aim of the thesis was to define the operating parameters and based on them, to design,
manufacture and verify the function of the experimental device. The input design parameters
were determined through a systematic review focused on gear transmissions in space
applications, their failure mechanisms, commonly used materials and lubricants, and current
testing methods. Based on the defined requirements, several conceptual variants were
developed and evaluated. For further development, a solution based on a closed-loop backto-
back test rig was selected.
The selected solution was further developed within the preliminary and detailed design
stages. In this part, a mathematical model was created to support the design of operating
parameters and the dimensioning of key structural components. Based on this model, a 3D
model of the device and manufacturing drawings for non-standard components were created.
The resulting device was subsequently manufactured, assembled, integrated into the existing
bearing tester and validated through partial functional tests, atmospheric experiments and
vacuum validation experiments.
The main contribution of this thesis is the development of a functional experimental device
that enables testing of gear pairs under conditions close to selected parameters of the space
environment in terms of pressure and temperature. From the perspective of technology
readiness, the device corresponds to a functional prototype validated in a relevant laboratory
environment, approximately at TRL 5. The proposed device represents a versatile platform
for experimental research on materials, lubricants and gear geometries in the field of space
tribology.

Keywords:

gear transmissions, experimental device, closed-loop test rig, back-to-back, space tribology,
space environment, vacuum, lubricants, life testing

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky oponenta. Otázka oponenta 1: V matematickém modelu uvádíte, že pro vznik pittingu u kritického soukolí je zapotřebí moment 8,2 Nm, ale hřídele jsou dimenzovány pouze na 6 Nm. Lze za těchto podmínek považovat zařízení za validní pro životnostní testování ocelových soukolí? Jakou úpravu geometrie vzorků byste navrhl, aby bylo možné sledovat únavové poškození i při omezeném momentu 6 Nm? ZODPOVĚZENO Otázka oponenta 2: Jaký konkrétní dopad má naměřené házení (cca 6,5 % modulu) na distribuci kontaktního tlaku po šířce zubu? Jak toto zkreslení ovlivňuje validitu vašich výsledků v porovnání s Blockovým modelem pro scuffing, který předpokládá ideální kontakt? ZODPOVĚZENO Otázka oponenta 3: Při kontinuální rotaci se ukázalo, že šum generovaný čelním házením 3D tištěných podložek překrývá užitečný signál. Jaký konkrétní postup byste navrhl pro kalibraci a stanovení nejistoty měření momentu v dynamickém režimu, aby byla data věrohodná? ZODPOVĚZENO Otázka oponenta 4: Uvádíte, že hřídel u servomotoru byla vyrobena z PLA. Jak jste ověřil integritu této komponenty při testu V5 (87,5 °C), když teplota skelného přechodu PLA je výrazně nižší (55 až 60 °C)? Existovalo riziko tečení nebo uvolnění uložení během vakuového testu? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Nepřemýšlel jste o dynamickém předepínání? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Nevzniklo v důsledku výměny hřídelí ke zvýšení rizika rezonance? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Nebylo na místě použít profesionální mobilní jednotku? ZODPOVĚZENO doc. Koutný: Jaký bude postup při testování maziv na Vašem zařízení? Jaké jsou v tomto ohledu limity Vašeho zařízení? Nehrozí úniky maziva? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Jaký předpokládáte vliv absence gravitace na testované mazivo? ZODPOVĚZENO

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Machine and Industrial Design

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Dočkal, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. David Košťál, Ph.D.

Motivací pro zadání této práce bylo zvýšení kompetence pracoviště v oblasti testování komponent pro vesmírné mechanismy. Cílem práce tedy bylo navrhnout zařízení, které bude schopné otestovat ozubené soukolí, včetně případného maziva, v relevantních podmínkách.

Na práci kladně hodnotím její komplexnost. Domnívám se totiž, že žádná část práce nebyla podceněna a všem krokům návrhu až do realizace byla věnována stejná, a to maximální pozornost. Všechny části práce byly zpracovány velmi detailně a přehledně. Pro čtenáře se sice jedná o rozsáhlé dílo, nicméně z mého pohledu je to ucelená práce, která obsahuje vše podstatné do vysoké míry detailnosti. Velkým přínosem je také konstrukce snímače momentu, který je sám o sobě významným přínosem k práci a může být využíván univerzálně i při jiných testech ve vakuovém prostředí.

K práci nemám žádné výhrady a jsem maximálně spokojen. Realizaci sice provázely komplikace, nicméně žádná z nich nebyla způsobena studentem. Ten je naopak pomáhal dynamicky řešit a hledat alternativní řešení.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D.

Jedná se o komplexní a technicky náročnou vývojově-konstrukční úlohu, jejímž cílem bylo vytvoření unikátního laboratorního standu pro testování ozubení v kosmických aplikacích. Význam práce je podtržen skutečností, že autor dovedl návrh od teoretické rešerše přes matematický model až k fyzické realizaci funkčního vzorku a jeho následné integraci do stávající experimentální sestavy.

Za hlavní silné stránky považuji metodicky precizní rešerši, podložený analytický výpočet staticky neurčitého uložení hřídelí, a především vlastní vývoj systému měření momentu. Autor prokázal vysokou míru samostatnosti při programování mikrokontroléru v jazyce C a při návrhu synchronního čtení absolutních enkodérů pomocí bloků PIO, což je u studenta konstrukčního zaměření nadstandardní výkon.

Práce má však i technická omezení, která nelze pominout. Během validace nebylo dosaženo nízkých teplot ani maximálního návrhového zátěžného momentu v dynamickém stavu kvůli nadměrným vibracím. Dalším limitem je vysoký šum při dynamickém měření momentu, který při ocelovém zkrutném členu překrývá užitečný signál.

Závěrem konstatuji, že se jedná o vynikající inženýrské dílo. Autor v práci otevřeně analyzoval příčiny zjištěných problémů, což svědčí o jeho odborné poctivosti.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. V matematickém modelu uvádíte, že pro vznik pittingu u kritického soukolí je zapotřebí moment 8,2 Nm, ale hřídele jsou dimenzovány pouze na 6 Nm. Lze za těchto podmínek považovat zařízení za validní pro životnostní testování ocelových soukolí? Jakou úpravu geometrie vzorků byste navrhl, aby bylo možné sledovat únavové poškození i při omezeném momentu 6 Nm?
  2. Jaký konkrétní dopad má naměřené házení (cca 6,5 % modulu) na distribuci kontaktního tlaku po šířce zubu? Jak toto zkreslení ovlivňuje validitu vašich výsledků v porovnání s Blockovým modelem pro scuffing, který předpokládá ideální kontakt?
  3. Při kontinuální rotaci se ukázalo, že šum generovaný čelním házením 3D tištěných podložek překrývá užitečný signál. Jaký konkrétní postup byste navrhl pro kalibraci a stanovení nejistoty měření momentu v dynamickém režimu, aby byla data věrohodná?
  4. Uvádíte, že hřídel u servomotoru byla vyrobena z PLA. Jak jste ověřil integritu této komponenty při testu V5 (87,5 °C), když teplota skelného přechodu PLA je výrazně nižší (55 až 60 °C)? Existovalo riziko tečení nebo uvolnění uložení během vakuového testu?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová