Anleitung zur dynamischen Wellenauswuchtung: Statisch vs. Dynamisch, Feldverfahren & ISO 21940-Gütestufen
Alles, was ein Serviceingenieur zum Auswuchten von Rotoren vor Ort braucht – von der Physik der Unwucht bis zum abschließenden Verifizierungslauf. Siebenstufiges Verfahren, Formeln für Testgewichte, Messung des Korrekturwinkels und ISO-Toleranztabellen. Basierend auf der Feldarbeit von Vibromera an Ventilatoren, Mulchern, Brechern und Wellen.
Was ist dynamisches Auswuchten?
Dynamisches Auswuchten Das dynamische Auswuchten ist der Prozess der Messung und Korrektur der ungleichmäßigen Massenverteilung eines rotierenden Körpers (Rotors) während seiner Rotation mit Betriebsdrehzahl. Im Gegensatz zum statischen Auswuchten, das Massenabweichungen in einer einzigen Ebene ausgleicht, korrigiert das dynamische Auswuchten Unwuchten in zwei oder mehr Ebenen gleichzeitig, wodurch sowohl die Zentrifugalkraft als auch das Kippmoment eliminiert werden, die Lagerschwingungen verursachen.
Jedes rotierende Bauteil – vom 200 kg schweren Rotor eines Mulchers bis zur 5 g leichten Spindel eines Dentalbohrers – weist eine gewisse Restunwucht auf. Fertigungstoleranzen, Materialabweichungen, Korrosion und Ablagerungen verlagern den Massenschwerpunkt weg von der geometrischen Rotationsachse. Die Folge ist eine Zentrifugalkraft, die quadratisch mit der Drehzahl zunimmt: Verdoppelt sich die Drehzahl, vervierfacht sich die Kraft.
Ein Rotor, der sich mit 3.000 U/min dreht und bei einem Radius von 150 mm eine Unwucht von nur 10 g aufweist, erzeugt eine Rotationskraft von etwa 150 N – genug, um Lager innerhalb weniger Wochen zu zerstören. Durch dynamisches Auswuchten wird diese Kraft auf ein in internationalen Normen (ISO 21940-11, ehemals ISO 1940) festgelegtes Niveau reduziert. Dadurch verlängert sich die Lagerlebensdauer von Monaten auf Jahre und vibrationsbedingte Ausfallzeiten werden minimiert.
Statisches vs. dynamisches Gleichgewicht
Der Schwerpunkt des Rotors ist gegenüber der Rotationsachse versetzt in einer Ebene. Wenn sie auf messerscharfen Unterlagen platziert werden, rollt die schwerere Seite nach unten – das kann man auch ohne Drehen feststellen.
Korrektur: An einer einzigen Winkelposition gegenüber dem Schwerpunkt kann Masse hinzugefügt oder entfernt werden. Eine Korrekturebene genügt.
Gilt für: schmale scheibenförmige Teile, bei denen L/D unter etwa 0,5 liegt – Schwungräder, Schleifscheiben, einteilige Laufräder, Sägeblätter, Bremsscheiben.
Zwei (oder mehr) Massenversätze befinden sich in verschiedene Ebenen entlang der Rotorlänge. Sie können sich statisch gegenseitig aufheben – der Rotor steht still auf Messerkanten –, aber erzeugen ein Kippmoment beim Drehen. Dieses Kräftepaar kann ohne Rotation weder erkannt noch korrigiert werden.
Korrektur: Zwei Ausgleichsgewichte in zwei getrennten Ebenen. Das Gerät berechnet Masse und Winkel für jede Ebene anhand der Einflusskoeffizientenmatrix.
Gilt für: längliche Rotoren – Wellen, Ventilatoren mit breiten Laufrädern, Mulcherrotoren, Walzen, mehrstufige Pumpenlaufräder, Turbinen.
Vier Arten von Unwucht
ISO 21940-11 unterscheidet vier grundlegende Unwuchtmuster. Das Verständnis, welches Muster überwiegt, hilft bei der Wahl der richtigen Ausgleichsstrategie.
In der Praxis weist nahezu jeder Rotor, dem man im Feld begegnet, eine dynamische Unwucht auf – eine Kombination aus Kraft- und Momentenkomponenten. Daher ist das Auswuchten in zwei Ebenen das Standardverfahren für jeden Rotor, der keine dünne Scheibe ist.
Wann verwendet man die Ein-Ebenen- bzw. die Zwei-Ebenen-Auswuchtung?
Der entscheidende Faktor ist das Geometrieverhältnis L/D (Axiallänge im Verhältnis zum Außendurchmesser) kombiniert mit der Betriebsgeschwindigkeit.
| Kriterium | Einzelebene (1 Sensor) | Zwei-Ebenen (2 Sensoren) |
|---|---|---|
| L/D-Verhältnis | L/D < 0.5 (schmaler scheibenartiger Rotor) | L/D >= 0.5 oder signifikante axiale Massenverteilung |
| Typische Teile | Schleifscheibe, Schwungrad, Einscheiben-Laufrad, Riemenscheibe, Bremsscheibe, Sägeblatt | Lüfterrotor, Mulcher, Welle, Walze, mehrstufige Pumpe, Turbine, Brecher |
| Korrigierte Unwuchtarten | Nur statisch (Kraft) | Statisch + Kräftepaar + dynamisch (Kraft + Moment) |
| Korrekturebenen | 1 | 2 |
| Messläufe | 2 (Initiallauf + 1 Probelauf) | 3 (Initiallauf + 2 Probeläufe, je einer pro Ebene) |
| Zeit vor Ort | 15–20 Minuten | 30–45 Minuten |
Auswuchtgüteklassen nach ISO 21940-11
ISO 21940-11 (die Nachfolgenorm von ISO 1940-1) ordnet jeder Klasse rotierender Maschinen eine Auswuchtgüteklasse G, definiert als die maximal zulässige Geschwindigkeit des Rotorschwerpunkts in mm/s. Die zulässige Restunwucht epro (in g·mm/kg) wird aus der Güteklasse und der Betriebsgeschwindigkeit abgeleitet:
G — Auswuchtgüteklasse (z. B. G 6,3 bedeutet 6,3 mm/s)
ω — Winkelgeschwindigkeit, rad/s
Drehzahl — Betriebsdrehzahl, U/min
| Grad | e-ω, mm/s | Maschinentypen |
|---|---|---|
G 0,4 |
0.4 | Gyroskope, Spindeln von Präzisionsschleifmaschinen |
G 1.0 |
1.0 | Turbolader, kleine Elektroanker mit besonderen Anforderungen |
G 2,5 |
2.5 | Elektromotoren und Generatoren mit besonderen Anforderungen (gewöhnliche Industriemotoren sind G 6,3), mittlere/große Turbinen, Pumpen |
G 6.3 |
6.3 | Ventilatoren, Pumpen, Prozessmaschinen, Schwungräder, Zentrifugen, allgemeine Industriemaschinen |
G 16 |
16 | Landwirtschaftliche Maschinen, Brecher, Antriebswellen (Kardanwellen), Teile von Brechmaschinen |
G 40 |
40 | Räder für Pkw, Kurbelwellenbaugruppen (Serienfertigung) |
G 100 |
100 | Kurbelwellenbaugruppen schnelllaufender Dieselmotoren mit sechs oder mehr Zylindern |
Beispielrechnung: Lüfterrotor
Der Rotor eines Radialventilators wiegt 80 kg, arbeitet mit 1450 U/min und hat einen Korrekturradius von 250 mm. Erforderliche Güteklasse: G 6.3.
Bei einem Korrekturradius von 250 mm: maximale Restmasse = 3320 / 250 = 13,3 g gesamte Restmasse
Bei einem Zweiebenen-Fall verteilen Sie diese Gesamttoleranz auf beide Ebenen; eine einfache Gleichverteilung ergibt etwa 6.6 g pro Ebene.
Verwandte Normen: ISO 21940‑11 (starre Rotoren), ISO 21940‑12 (flexible Rotoren), ISO 10816‐3 (Grenzwerte der Schwingungsstärke), ISO 1940 (Vorgänger der alten Version).
Sieben-Schritte-Verfahren zum Auswuchten vor Ort
Dies ist die Einflusskoeffizientenmethode zum Auswuchten in zwei Ebenen vor Ort, angewendet mit einem tragbaren Messgerät wie dem Balanset-1A. Die gleiche Logik funktioniert mit jedem Zweikanal-Auswuchtanalysator.
Mt = Mr × Ksupport × Kvibration / (Rt × (N/100)²) wobei Mr = rotor mass (g), Ksupport = support stiffness coefficient (0.5–5.0, use 3 for standard pedestals), KVibration = vibration level coefficient (0.5–3.0, use 1.0 for normal vibration of 5–10 mm/s), Rt = Einbauradius (cm), N = Drehzahl. Oder verwenden Sie unser Online-Probegewichtsrechner — Geben Sie Ihre Rotorparameter ein und erhalten Sie sofort die empfohlene Masse.
Probegewichtsberechnung
The trial weight must be heavy enough to produce a noticeable vibration change, but light enough not to overload bearings or create a dangerous condition. The standard empirical formula accounts for rotor mass, correction radius, operating speed, support stiffness, and the measured vibration level:
Mr — Rotormasse, Gramm
Ksupport — support stiffness coefficient (0.5–5.0: 1 = soft rubber mounts, 2–3 = standard bearing pedestals, 4–5 = massive rigid foundation)
KVibration — vibration level coefficient (0.5–3.0: 0.5 = up to 5 mm/s, 1.0 = 5–10 mm/s, 1.5 = 10–20 mm/s, 2.0 = 20–40 mm/s, 2.5–3.0 = above 40 mm/s)
Rt — Installationsradius des Probegewichts, cm
N — Betriebsdrehzahl, U/min
Sie möchten die Berechnungen nicht von Hand durchführen? Nutzen Sie unsere Online-Probegewichtsrechner ↗ — Geben Sie Ihre Rotorparameter, die Art der Lagerung und den Vibrationsgrad ein und erhalten Sie sofort die empfohlene Masse.
Worked Examples (Ksupport = 3, KVibration = 1.0)
| Maschine | Rotormasse | Drehzahl | Radius | Trial weight (KStütz = 3, KVibration = 1) |
|---|---|---|---|---|
| Mulcherrotor | 120 kg | 2,200 | 30 cm | 360.000 / (30 × 484) ≈ 25 g |
| Industrieller Ventilator | 80 kg | 1,450 | 40 cm | 240.000 / (40 × 210,25) ≈ 29 g |
| Zentrifugentrommel | 45 kg | 3,000 | 15 cm | 135.000 / (15 × 900) = 10 g |
| Brecherwelle | 250 kg | 900 | 25 cm | 750.000 / (25 × 81) ≈ 370 g |
Values shown assume Ksupport = 3 (standard bearing pedestals) and KVibration = 1.0 (normal vibration of 5–10 mm/s); scale accordingly for other support and vibration conditions.
Korrekturwinkelmessung
Das Auswuchtgerät gibt zwei Werte pro Ebene aus: Masse (wie viel Gewicht) und Winkel (wo es platziert werden soll). Der Winkel bezieht sich immer auf die Position des Probegewichts.
Wie man den Winkel misst
- Bezugspunkt (0°): die Winkelposition, an der Sie das Probegewicht platziert haben. Markieren Sie diese vor dem Probelauf deutlich auf dem Rotor.
- Messrichtung: immer in Richtung der Rotordrehung.
- Den Winkel ablesen: the result window shows the Correction mass und Angle for each plane. From the trial weight mark, count that many degrees in the rotation direction — that is where the correction weight goes.
- Beim Materialabtrag (Massenentfernung): select Remove mass in the Correction method group — the software adds 180° to the computed angle automatically, so drill or grind exactly at the displayed angle.
Gewichtsverteilung auf feste Positionen
When the rotor has pre‑drilled holes or fixed mounting positions (e.g. fan blade bolts), you may not be able to place a weight at the exact calculated angle. In the Balanset‑1A software this is handled by the Weight Installing Method setting, which offers four modes: Freie Positionen, Feste Positionen, Kreisförmige Rille, und Drill (material removal, with drilling-depth calculation). With Fixed positions you enter the angles of the two nearest available positions, and the software decomposes the single correction vector into two smaller weights at those positions. The combined effect matches the original vector.
Korrekturebenen & Sensorplatzierung
Die Korrekturebene ist die axiale Position am Rotor, an der Masse hinzugefügt oder entfernt wird. Der Sensor misst die Schwingung am nächstgelegenen Lager. Einige wichtige Regeln:
- Der Sensor wird am Lagergehäuse angebracht. — so nah wie möglich an der Lagermittellinie, in radialer Richtung (horizontal bevorzugt).
- Ebene 1 entspricht Sensor 1, Ebene 2 zu Sensor 2. Achten Sie auf eine konsistente Nummerierung, sonst vertauscht die Software die Korrekturebenen.
- Maximieren Sie den Ebenenabstand: Je größer der Abstand zwischen den beiden Korrekturebenen, desto besser die Paarauflösung. Der minimale praktische Abstand beträgt ein Drittel der Lagerlänge.
- Wählen Sie zugängliche Positionen: Die Korrekturebene muss eine Stelle sein, an der man Gewichte physisch anbringen kann – eine Flanschkante, ein Lochkreis, eine Felge oder eine Schweißfläche.
Auf dem Foto oben ist ein Mulchrotor für die Zwei-Ebenen-Auswuchtung vorbereitet. Die blauen Markierungen 1 und 2 zeigen die Sensorpositionen an den Lagergehäusen an. Die roten Markierungen 1 und 2 zeigen die Korrekturebenen – in diesem Fall die Flanschenden des Rotorkörpers, an denen die Gewichte angeschweißt werden.
Freitragender Rotor
Freitragende Rotoren – wie Lüfterlaufräder, außerhalb des Lagerbereichs montierte Schwungräder und Pumpenlaufräder – erfordern eine andere Sensor- und Ebenenanordnung. Beide Korrekturebenen befinden sich auf derselben Seite der Lager, und die Sensorplatzierung muss die durch die überhängende Masse verstärkte Momentenunwucht berücksichtigen.
Anwendungen nach Maschinentyp
Gewichtsbefestigungsmethoden
| Verfahren | Anhang | Am besten geeignet für | Grenzen |
|---|---|---|---|
| Schweißen | Stahlscheiben oder -platten, die an den Rotorrand geheftet sind | Mulcher, Brecher, schwere Industrierotoren | Dauerhaft. Ohne Spezialstab nicht auf Aluminium oder Edelstahl anwendbar. |
| Schrauben und Muttern | Schrauben durch vorgebohrte Löcher mit Sicherungsmuttern | Lüfterlaufräder, Schwungräder, Kupplungsflansche | Erfordert vorhandene Löcher oder neue Bohrungen. |
| Schlauchschellen | Schlauchschelle aus Edelstahl mit dazwischenliegendem Gewicht | Wellen, Walzen, zylindrische Rotoren vor Ort | Temporär oder semi-permanent. Klemmdrehmoment prüfen. |
| Klemmbefestigung mit Stellschraube | Vorgefertigte Aufsteckgewichte (wie Reifengewichte) | Lüfterflügel, dünne Felgen, leichte Rotoren | Begrenzter Massenbereich. Kann bei hohen Drehzahlen durchrutschen. |
| Klebstoff (Epoxidharz) | Gewicht auf die Oberfläche geklebt | Präzisionsrotoren, saubere Umgebungen | Erfordert eine saubere, trockene Oberfläche. Temperaturgrenze: ca. 120 °C. |
| Materialabtrag | Material von der schweren Seite abbohren oder abschleifen | Turbolader, Hochgeschwindigkeitsspindeln, Laufräder | Dauerhaft und präzise, aber unumkehrbar. Anwendung, wenn eine Gewichtszunahme nicht sicher ist. |
Häufige Fehler beim Auswuchten vor Ort
| # | Fehler | Folge | Fix |
|---|---|---|---|
| 1 | Sensor an einem Schutzgitter oder einer Abdeckung montiert | Resonanz der Abdeckung verfälscht Amplituden- und Phasenmessungen → falsche Korrektur | Immer auf der Metalloberfläche des Lagergehäuses montieren. |
| 2 | Probegewicht zu leicht | Phasen- und Amplitudenänderung liegen innerhalb des Rauschens → Einflusskoeffizienten sind unzuverlässig | Sorgen Sie mindestens an einem Sensor für eine Amplitudenänderung von 20–30 % oder eine Phasenverschiebung von 20–30 Grad |
| 3 | Drehzahlabweichung zwischen den Läufen | Die Vibrationen bei 1× ändern sich mit der Drehzahl² – selbst eine Drehzahländerung bei 5% verfälscht die Daten. | Verwenden Sie einen Drehzahlmesser zur präzisen Drehzahlerfassung. Warten Sie, bis sich die Drehzahl stabilisiert hat. |
| 4 | Leaving the trial weight on without telling the software | Correction calculation is skewed by the unaccounted trial weight → result is meaningless | Remove the trial weight before installing correction weights — or tick Leave on rotor in the Trial weight group so the software accounts for it |
| 5 | Verwechslung von Ebene 1 und Ebene 2 | Korrekturgewichte sitzen in den falschen Ebenen → Vibrationen nehmen zu | Sensoren und Ebenen eindeutig beschriften. Sensor 1 → Ebene 1, Sensor 2 → Ebene 2 |
| 6 | Messung des Winkels entgegengesetzt zur Drehung | Correction goes 360° − f instead of f → the weight lands mirrored about the reference mark — up to 180° away from the correct position | Drehrichtung vor Beginn prüfen. Immer in Drehrichtung messen. |
| 7 | Thermische Ausdehnung während der Läufe | Lagerspieländerungen zwischen Kaltstartläufen → driftende Messungen | Entweder vor Lauf 0 bis zum Erreichen eines stabilen Zustands aufwärmen oder alle Läufe schnell absolvieren (im Abstand von weniger als 5 Minuten). |
| 8 | Verwendung einer einzelnen Ebene auf einem langen Rotor | Die Momentenunwucht bleibt unkorrigiert → die Vibrationen können am entfernten Lager sogar zunehmen. | Verwenden Sie Zweiebenen-Auswuchten für jeden Rotor, bei dem L/D >= 0.5 ist, der Abstand zwischen den Ebenen erheblich ist oder eine Korrektur in einer Ebene das entfernte Lager beeinflusst |
Feldbericht: Auswuchten des Mulcherrotors
Maschine: Maschio Bisonte 280 Schlegelmulcher, 165 kg Rotorgewicht, 2100 U/min Zapfwellendrehzahl. Der Kunde meldete starke Vibrationen nach dem Austausch von 8 Schlegelmessern.
Einrichten: Zwei Beschleunigungsmesser an den Lagergehäusen, Laser-Drehzahlmesser an der Zapfwelle. Balanset-1A Zwei-Ebenen-Modus.
Lauf 0: Sensor 1 = 12,4 mm/s bei 47°, Sensor 2 = 8,9 mm/s bei 213°. ISO 10816-3 Zone D (Gefahr).
Testläufe: In beiden Ebenen wurde ein Probegewicht von 500 g verwendet. Deutliche Reaktion – Amplitudenänderung >60% an beiden Sensoren.
Trial mass note: with Ksupport = 3 and KVibration = 1 the trial weight formula suggests only ≈ 37 g for this rotor — the formula result is a minimum, and higher Ksupport/KVibration factors call for heavier weights. The 500 g weight used on this job was well above that minimum; the >60% amplitude response confirmed a valid trial, which is the criterion that actually matters.
Korrektur: Ebene 1: 340 g, verschweißt bei 128°. Ebene 2: 215 g, verschweißt bei 276°.
Verifizierung: Sensor 1 = 0,8 mm/s, Sensor 2 = 0,6 mm/s. ISO-Zone A (gut). Kein Trimmvorgang erforderlich.
Dynamische Zwei-Ebenen-Auswuchtung eines Ventilators
Industrieventilatoren – Radial-, Axial- und Halbaxialventilatoren – gehören zu den am häufigsten vor Ort ausgewuchteten Rotoren. Die folgende Vorgehensweise beschreibt eine reale Zwei-Ebenen-Auswuchtung an einem Radialventilator mit dem Balanset-1A.
Ermitteln von Ebenen und Installieren von Sensoren
Reinigen Sie die Montageflächen für die Sensoren von Schmutz und Öl. Die Sensoren müssen passgenau auf der Metalloberfläche des Lagergehäuses sitzen – montieren Sie sie niemals auf Abdeckungen, Schutzvorrichtungen oder ungestützten Blechplatten.
- Sensor 1 (rot): Den Einbau näher an der Vorderseite des Lüfters (Seite Ebene 1) vornehmen.
- Sensor 2 (grün): Installation näher an der Rückseite des Lüfters (Seite Ebene 2) vornehmen.
- Ebene 1 (rote Zone): Korrekturebene auf der Laufradscheibe, näher an der Vorderseite.
- Ebene 2 (grüne Zone): Korrekturebene näher an der Rückplatte oder Nabe.
Schließen Sie sowohl die Vibrationssensoren als auch den Laser-Drehzahlmesser an das Balanset-1A an. Bringen Sie reflektierendes Klebeband an der Welle oder Nabe als Drehzahlreferenz an.
Auswuchtverfahren
Starten Sie den Ventilator und führen Sie erste Schwingungsmessungen durch (Lauf 0). Platzieren Sie ein Testgewicht bekannter Masse an einer beliebigen Stelle auf Ebene 1, starten Sie den Ventilator und erfassen Sie die Schwingungsänderung (Lauf 1). Verschieben Sie das Testgewicht an eine beliebige Stelle auf Ebene 2, starten Sie den Ventilator erneut und erfassen Sie die Schwingungsänderung (Lauf 2). Die Software Balanset-1A verwendet alle drei Messungen, um die Korrekturmasse und den Korrekturwinkel für jede Ebene zu berechnen.
Winkelmessung für Lüfterkorrekturgewichte
Der Winkel wird von der Position des Testgewichts in Drehrichtung des Ventilators aus gemessen – genau wie im Korrekturwinkelmessung Siehe oben. Markieren Sie die Stelle, an der das Testgewicht platziert wurde (0°-Referenzpunkt), und zählen Sie dann den angegebenen Winkel entlang der Drehrichtung, um die Position des Korrekturgewichts zu ermitteln.
Installieren Sie anhand der von der Software berechneten Winkel und Massen die Korrekturgewichte auf Ebene 1 und Ebene 2. Lassen Sie den Ventilator erneut laufen und überprüfen Sie, ob die Vibration auf ein akzeptables Niveau gemäß ISO 21940‑11 (typischerweise G 6.3 für Allzwecklüfter). Falls die Restvibrationen immer noch über dem Zielwert liegen, führen Sie einen Trimmlauf durch.
Häufig gestellte Fragen
Ausrüstung für die Feldauswuchtung
Die Balanset-1A Es handelt sich um ein tragbares Zweikanal-Messgerät, das dynamisches Auswuchten in einer und zwei Ebenen sowie Schwingungsanalysen (Gesamtgeschwindigkeit, Spektren, Wellenform) ermöglicht. Es wird als Komplettset geliefert.
- 2x MEMS-Schwingungssensoren (ADXL335-basierte Beschleunigungssensoren) mit Magnetbefestigungen
- Laser-Drehzahlmesser (berührungsloser Drehzahlsensor) mit reflektierendem Klebeband
- USB-Messeinheit (Anschluss an jeden Windows-Laptop möglich)
- Software: Auswuchtassistent, Schwingungsmessgerät, Spektrumanalysator
- Tragetasche mit allen Kabeln und Zubehör
RPM range: 250-90,000. Vibration range: 0.2-80 mm/s RMS. Frequency range: 5-1000 Hz. Phase accuracy: ±1°. Weight splitting, trim runs, tolerance checking, and report generation included in the software. Full kit weighs approximately 4 kg.
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