"Anstatt Feuerwehr und Großreparaturen"
Die Schäden an Kugel- und Rollenlagern können auf verschiedene Ursachen zurückgeführt werden: fehlerhafte Montage, technologische Fehler bei der Montage der Wellenelemente, Einwirkung von Dampf, Überlastung, zu hohe Drehzahl, schlechte oder fehlende Schmierung, Material- und Fertigungsfehler. Grundsätzlich führt die normale Belastung des Lagers - abhängig von der Lebensdauer des Lagers - früher oder später zu Materialermüdung, die dann zuerst zu kleinen und dann rasch zu immer größeren Schäden führt.
Wenn ein Lager beschädigt ist, entstehen Vibrationen, und deren Frequenz hängt davon ab, an welchem Lagerbauteil der Schaden aufgetreten ist. Die Fehlerfrequenzen - oft als Lagerfrequenzen oder Lagerfehlerfrequenzen bezeichnet - können leicht berechnet werden, wenn bestimmte grundlegende geometrische Abmessungen des Lagers bekannt sind.
Die folgenden Daten sind für die Berechnung der Fehlerfrequenzen erforderlich:
Häufigste Lagerfehler
Die folgenden Lagerfehlerfrequenzen (grundlegende Lagerfrequenzen) existieren:
Der häufigste Lagerfehler ist die Beschädigung des Außenrings, da sich der Außenring in den meisten Fällen befindet und die Belastung (z. B. das Gewicht des rotierenden Teils) immer über die Rollen auf denselben Punkt des Außenrings wirkt. Die Berechnung der Fehlerfrequenzen muss je nachdem erfolgen, ob der Innen- oder Außenring des Lagers rotiert.
Aufgrund der axialen Kräfte in den einzelnen Maschinen erfolgt die Kraftübertragung nicht im im Lager angegebenen Berührungswinkel. Der Berührungspunkt verschiebt sich minimal seitlich, wodurch sich der tatsächliche Berührungswinkel ändert. Dies wirkt sich auf die erwarteten Fehlerfrequenzen aus, die durch Berechnung erhalten werden. In der Praxis tritt dies hauptsächlich bei hohen axialen Belastungen auf, wobei die axialen Kräfte den Berührungswinkel erhöhen und die Entwicklung der Fehlerfrequenzen beeinflussen. Dieser Effekt ist recht gering, höchstens 2 Prozent, aber auch bei dieser geringen Abweichung decken die berechneten Fehlerfrequenzen nicht genau die tatsächlich gemessenen Frequenzen ab. In den meisten üblichen Fällen (Innenring dreht sich, Außenring steht still) können die für Lagerfehler charakteristischen Vibrationsfrequenzen mit einer Genauigkeit von ±20 Prozent anhand der folgenden Gleichungen abgeschätzt werden:
Berechnungsbeispiel
Die Wellendrehzahl beträgt 2940 U/min, was 49 Hz entspricht, der Außenring des Lagers steht still, der Innenring dreht sich. Die Anzahl der Kugeln im Lager beträgt Z=8, der Durchmesser der Kugeln d=6,75 mm, der Durchmesser der Laufbahn D=28,5 mm, der Berührungswinkel Q=0 Grad.
Das Diagramm zeigt die spektrale Darstellung der Fehlerfrequenzen des im Beispiel genannten Lagers in vereinfachter (schematischer) Form. Die Fehlerfrequenzen des Außenrings (BPFO) sind etwas dicker dargestellt, um sie von den Fehlerfrequenzen des Innenrings (BPFI) unterscheiden zu können. Das Auftreten von Lagerproblemen im Frequenzspektrum hängt davon ab, ob es sich um ein mildes - beginnendes - oder ein ausgeprägtes - schwerwiegendes - Fehlerphänomen handelt. Entsprechend müssen weitere theoretische Aspekte berücksichtigt werden.
Vorkommen der Lagerfehlerfrequenzen Die Käfigfrequenz tritt nur sehr selten dominant auf. Käfigschäden treten häufig in Form von Modulationen um die anderen Lagerfrequenzen (Rollen-, Innen- und Außenringfrequenz) auf. Wenn das Überrollen der Lagerfehler bei kontinuierlich wechselnder Belastung erfolgt, können gelegentlich Modulationen der Drehzahl mit Lagerfehlerfrequenzen beobachtet werden.
Während ein intakter Motor läuft, sind die Grundfrequenzen des Lagers in den meisten Fällen nicht vorhanden. Ein beginnender Lagerschaden zeigt sich durch die Vielfachen der Hochfrequenzfehlfrequenzen des Lagers, während sich der Schaden verschlimmert, verstärken sich die Grundfrequenzen des Lagers zunehmend. Periodische Stoßanregungen bei einem Lagerschaden erzeugen immer Vielfache der Stoßfrequenz (in unserem Fall die Grundfrequenzen des Lagers). Wenn jedoch eine rein sinusförmige Anregung auftritt (zum Beispiel bei Kräften aus der Unwucht), erscheint nur die Grundfrequenz der Anregung im Spektrum.
Wenn beispielsweise aufgrund von Spannungen die Lagerkomponenten verformt sind, sind sinusförmige Kräfte zu erwarten, wenn die Rollen abrollen. Dies tritt häufig bei zu engen Lagerpassungen nach Reparaturen auf oder bei stark belasteten, verformten Lagergehäusen (zum Beispiel Riemenantrieb). In solchen Fällen erscheint nur die Grundfrequenz der Lagerfehler im Spektrum.
Bei zu geringem Lagerluftspalt wird hauptsächlich die Fehlerfrequenz des äußeren Rings sichtbar. Tatsächlich ist das überlastete Lagerbauteil der Käfig, dessen Ursache die folgende ist: Aufgrund des zu geringen Spalts muss der Käfig die Lagerrollen durch die engste Spalte drücken, was zu Lagerbelastungen führt. Letztendlich sollte die Fehlerfrequenz des Käfigs erscheinen, aber dies ist in den meisten Fällen nicht der Fall. Der Grund dafür ist, dass der Käfig jede Rolle einzeln durch das enge Querschnittsstück drücken muss, wodurch die Käfigfrequenz und die Anzahl der Rollen multipliziert werden. Dies entspricht der Fehlerfrequenz des äußeren Rings.
Lärm und Vibrationen bei Zahnradantrieben
Zahnradantriebe übertragen Kräfte nicht vollständig linear. Obwohl das Drehmoment ohne Schlupf übertragen wird, tritt bei jedem Zahneingriff eine minimale Drehzahlvariation (Torsionspulsation) auf, die zu Pulsationen in der Kraftübertragung führt. Selbst bei intakten Zahnrädern erzeugen diese Pulsationen Kräfte, die zu den "üblichen" Geräuschen und Vibrationen führen. Die Stärke dieser pulsierenden Kräfte hängt von verschiedenen Faktoren ab:
Zur Bestimmung des Zustands von Antrieben und Zahnrädern werden oft die Konstruktionsparameter (Zahnprofiltyp und Zahnkonstruktion) sowie die Betriebsbedingungen (Belastung) berücksichtigt. Besonderes Augenmerk wird auf die Oberflächeneigenschaften der Zähne gelegt. Dazu können die nachfolgend detaillierten Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge genutzt werden.
Stoßimpulse beim Zahneingriff
Beim Eingriff zweier Zähne entsteht der sogenannte Zahnkontaktstoß. Diese natürliche Kraftwirkung tritt bei jedem Zahnkontakt auf. Ihre Stärke hängt von der Belastungsgröße, bei schrägem Zahnprofil von der Zahnüberdeckung und von der Zahnform ab. Bei intakten Zahnrädern tritt fast reine sinusförmige Anregung auf, die im Spektrum als Zahnkontaktfrequenz erscheint. Die oft als Zahnfrequenz bezeichnete Zahnkontaktfrequenz (gear mesh frequency) kann gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: Ff= n1 / 60 × Z1 = n2 / 60 × Z2 wobei Ff die Zahnfrequenz, n1 die Drehzahl der Welle 1, Z1 die Zähnezahl des Zahnrads der Welle 1, N2 die Drehzahl der Welle 2, Z2 die Zähnezahl des Zahnrads der Welle 2 ist. Die Zahnkontaktfrequenz entspricht der Anzahl der Zahnkontakte pro Sekunde. Die Vibration mit Zahnfrequenz ist eine natürliche (und daher nicht beseitigbare) Eigenschaft von Zahnradübersetzungen.
Stoßimpulse aufgrund von Zahnradbeschädigungen
Wenn ein oder mehrere Zähne beschädigt sind, treten über die "natürliche" Zahnfrequenz hinaus zusätzliche Stoßanregungen auf, wenn das "Überrollen" an diesen unvollständigen Stellen erfolgt. Da in der Regel pro Zahn mehrere Stöße auftreten, treten hauptsächlich Vielfache der Zahnfrequenz auf, obwohl hier keine sinusförmige Kraftwirkung vorliegt. Die praktische Erfahrung zeigt, dass bei einer oder wenigen Beschädigungen an einem Zahn die Werte der Vielfachen der Zahnfrequenz zunehmen. Zahnwiederholungsfrequenz Wenn in beiden sich berührenden Zahnrädern ein oder mehrere fehlerhafte Zähne vorhanden sind, tritt neben der Zahnfrequenz und deren Modulationen auch die Zahnwiederholungsfrequenz auf, wenn ein Zahnpaar existiert, bei dem besonders starke Vibrationsimpulse auftreten, wenn sie in Kontakt kommen. Die Zahnwiederholungsfrequenz ist das Produkt des größten gemeinsamen Teilers der Zähne der Zahnräder geteilt durch das Produkt der Zähne der sich berührenden Zahnräder. Zu beachten ist, dass bei der Auslegung von Übersetzungen jeder Hersteller bestrebt ist, sicherzustellen, dass - zur Vermeidung von ungleichmäßigem Verschleiß - die gleichen Zähne so selten wie möglich aufeinandertreffen.
Zur Erzielung einer möglichst großen gemeinsamen Unterteilung der Zähne dieser beiden Zahnräder müssen Primzahlen verwendet werden. Torsionsschwingungen treten aufgrund von Ausbrüchen im Zahnrad auf. Jeder Zahnradantrieb zeigt Torsionsschwingungen. Diese äußern sich in Schwankungen der Drehzahl der angetriebenen Wellen. Der Grund dafür liegt in der nicht zu 100 % linearen Kraftübertragung und der Oberflächenrauheit der Zähne aufgrund der Fertigungstechnologie. Bei einem intakten Zahnantrieb sind die Torsionsschwingungen sehr gering. Wenn jedoch mehrere Zähne beschädigt sind, ist neben den zuvor beschriebenen Stoßimpulsen und den daraus resultierenden Zahnfequenz-Seitenbändern auch ein Anstieg der Torsionsschwingungen zu beobachten. Torsionsschwingungen verursachen eine Änderung der Zahnfrequenz, sodass die Zähne nicht in gleichen Zeitabständen aufeinandertreffen. Dieses Phänomen tritt in Form einer Frequenzmodulation im Schwingungsspektrum auf: Die Zahnfrequenz (Zahnberührungsfrequenz) wird durch Modulation ("Mischen") mit der Drehfrequenz des beschädigten Zahnrads. Die Modulation wird in Form von Seitenbändern der Zahnfrequenz-Drehfrequenz-Entfernung sichtbar. Das Frequenzspektrum kann wie im obigen Diagramm aussehen (schematische Darstellung). Leider ist die Situation nicht ganz so einfach: Da die Zähne die durch Unwucht und Achsfehlausrichtung verursachten Kräfte – wie im Beispiel angegeben – übertragen, erzeugen sie auch Torsionsschwingungen, wodurch auch hier die Modulation der Zahnfrequenz mit der Drehfrequenz der beiden Wellen erscheint. Seitenbänder von Torsionsschwingungen deuten nur eindeutig auf schwerwiegende Zahnfehler hin, wenn der Zahnantrieb keiner Torsionsbelastung ausgesetzt ist.
Fehlerdiagnose basierend auf Schwingungsanalyse
Bei einstufigen Antrieben müssen die genannten Frequenzen und deren Seitenbänder untersucht werden. Bei mehrstufigen Zahnradantrieben werden die von den einzelnen Stufen erzeugten Frequenzen nacheinander berechnet: Die Drehfrequenz der angetriebenen Welle der vorherigen Stufe entspricht immer der Drehfrequenz der Antriebsseite (Eingangsseite) der nächsten Stufe. Auf diese Weise können mit der beschriebenen Methode die Zahnfrequenz und deren Modulationen für alle Stufen bestimmt werden. (Die Anzahl der Seitenbänder nimmt jedoch stark zu, da selbst die letzte Stufe die Zahnfrequenz der ersten Stufe und deren Modulationen "sieht". Dies bedeutet eine weitere Modulation der Zahnfrequenz der letzten Stufe – über die Effekte von Antriebsseite und angetriebener Welle hinaus.) Es versteht sich von selbst, dass zur Entdeckung und Trennung der oben genannten Frequenzen ein Schwingungsanalysator mit ausreichend hoher Auflösung und Frequenzbandbreite erforderlich ist. Je mehr Stufen im Antrieb vorhanden sind, desto höhere Auflösung (3200, 6400 oder sogar 12.800 Linien-Spektren) wird benötigt.
Bei geradverzahnten Getrieben suchen wir radiale Schwingungen, bei Schrägverzahnungen axiale Schwingungen und bei Schrägverzahnungen in beiden Richtungen nach Zahnfrequenzschwingungen und deren Harmonischen sowie nach den als Seitenbänder auftretenden Frequenzmodulationen.
Der Abstand (Frequenz) der Seitenbänder charakterisiert den Fehlertyp und -ort, z. B. eine Modulation mit einer Frequenz proportional zur Drehzahl der Antriebs-, Zwischen- oder angetriebenen Welle weist auf Probleme mit diesen Elementen hin, während Modulationen mit anderen Frequenzen möglicherweise auf Drehzahl- oder Lastschwankungen hinweisen, und die Modulation der Zahnfrequenzen die Häufigkeit von Zahnfehlern kennzeichnet.
Seitenbänder, die eng um die Zahnfrequenzen gruppiert sind, deuten meist auf fehlerhafte Zahnradkreise hin. Die "breiten" (hochfrequenten) Seitenbänder weisen auf impulsartige, zufällige Schwingungen hin, die durch gebrochene Zähne verursacht werden können. Bei mehreren Fehlern können auch Intermodulations-Seitenbänder auftreten, die sich aus den Summen und Differenzen der Fehlermodulationsfrequenzen ergeben.
Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu
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