Was ist BPFI? Erläuterung der Kugeldurchlauffrequenz im Innenring • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren Was ist BPFI? Erläuterung der Kugeldurchlauffrequenz im Innenring • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren

Was ist BPFI? Erläuterung der Kugeldurchlauffrequenz im Innenring

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BPFI verstehen – Ball Pass Frequency Inner Race

Definition: Was ist BPFI?

BPFI (Ball Pass Frequency, Inner Race) ist einer der vier grundlegenden Lagerfehlerfrequenzen Dies gibt die Geschwindigkeit an, mit der Wälzkörper über einen Defekt am Innenring eines Wälzlagers laufen. Wenn sich am rotierenden Innenring ein Abplatzer, Riss oder eine Vertiefung befindet, treffen die stationären Wälzkörper beim Vorbeilaufen wiederholt auf den Defekt und erzeugen periodische Stöße, die Vibration bei der BPFI-Frequenz.

BPFI ist dadurch gekennzeichnet, dass es häufiger auftritt als BPFO (Außenringfrequenz) und weist fast immer ausgeprägte ±1× Seitenbänder aufgrund der Amplitudenmodulation, wenn sich der Defekt in die Lastzone des Lagers hinein und wieder heraus dreht. Diese Seitenbänder sind ein wichtiges diagnostisches Merkmal, das Innenringdefekte von anderen Lagerproblemen unterscheidet.

Mathematische Berechnung

Formel

Der BPFI wird anhand der Lagergeometrie und der Wellendrehzahl berechnet:

  • BPFI = (N × n / 2) × [1 – (Bd/Pd) × cos β]

Variablen

  • N = Anzahl der Wälzkörper im Lager
  • n = Wellendrehfrequenz (Hz) oder Geschwindigkeit (RPM/60)
  • Bd = Kugel- bzw. Rollendurchmesser
  • Pd = Teilkreisdurchmesser (Durchmesser des Kreises durch die Mittelpunkte der Wälzkörper)
  • β = Kontaktwinkel

Warum BPFI > BPFO

BPFI ist für dasselbe Lager immer höher als BPFO, weil:

  • Der Innenring rotiert mit der Welle, während die Wälzkörper mit Käfiggeschwindigkeit (~0,4×) umlaufen.
  • Die Relativgeschwindigkeit zwischen Innenring und Wälzkörpern ist höher
  • Die Formel zeigt BPFI = (N × n / 2) × [1 – Bd/Pd], während BPFO = (N × n / 2) × [1 + Bd/Pd]
  • Das Minuszeichen in BPFI macht es größer (Subtraktion eines Bruchteils von 1)
  • Typisches Verhältnis: BPFI/BPFO ≈ 1,6–1,8

Typische Werte

  • Für gängige Lager: BPFI typischerweise 5-7× Wellendrehzahl
  • Beispiel: 10-Kugellager bei 1800 U/min (30 Hz) → BPFI ≈ 173 Hz (5,8× Wellendrehzahl)

Physikalischer Mechanismus und Lastzonenmodulation

Der rotierende Defekt

Defekte im Innenring führen zu einer einzigartigen Situation:

  1. Der Defekt liegt am rotierenden Innenring
  2. Bei Rotation des Innenrings bewegt sich der Defekt um den Lagerumfang
  3. Jeder Wälzkörper trifft beim Vorbeifahren auf einen Defekt (BPFI-Frequenz)
  4. Die Schwere des Aufpralls variiert jedoch je nach Defektposition im Verhältnis zur Lastzone

Lastzoneneffekt

Die Lastzone des Lagers erzeugt eine Amplitudenmodulation:

  • Defekt in der Lastzone: Hohe Anpresskraft, starker Aufprall beim Auftreffen des Wälzkörpers
  • Defekt gegenüber der Lastzone: Geringe oder keine Kontaktkraft, schwacher oder kein Aufprall
  • Modulationsfrequenz: Der Defekt durchläuft die Lastzone einmal pro Wellenumdrehung (1× Frequenz)
  • Ergebnis: BPFI-Amplitude moduliert bei 1× Wellengeschwindigkeit

Seitenbanderzeugung

Durch Amplitudenmodulation entstehen mathematische Seitenbänder:

  • Trägerfrequenz: BPFI
  • Modulationsfrequenz: 1× Wellendrehzahl
  • Seitenbänder: BPFI ± 1×, BPFI ± 2×, BPFI ± 3×
  • Muster: Symmetrische Seitenbänder im Abstand von 1× um BPFI
  • Diagnosewert: Dieses Seitenbandmuster ist nahezu pathognomonisch für Innenringdefekte

Vibrationssignatureigenschaften

Typisches Spektrum-Erscheinungsbild

  • Zentralgipfel: Bei BPFI-Frequenz
  • Seitenbandfamilie: Mehrere Peaks bei BPFI ± n×(1×), wobei n = 1, 2, 3, …
  • Harmonische Familien: Zusätzliche Seitenbandfamilien bei 2×BPFI, 3×BPFI mit eigenen ±1× Seitenbändern
  • Visuelles Muster: Sieht aus wie ein “Lattenzaun” oder Kammmuster

Hüllkurvenspektrum-Funktionen

  • BPFI-Peak dominiert das Hüllkurvenspektrum
  • Seitenbänder extrem klar und diagnostisch
  • Früherkennung Monate bevor die Standard-FFT Spitzenwerte anzeigt
  • Die Amplitude steigt exponentiell mit dem Wachstum des Defekts

Erkennung und Diagnose

Erkennungsschritte

  1. BPFI berechnen: Anhand der Lagermodellnummer oder -geometrie
  2. Suchspektrum: Suchen Sie nach Spitzenwerten bei der berechneten Frequenz (±5% Toleranz)
  3. Seitenbänder überprüfen: Bestätigen Sie, dass ±1× Seitenbänder vorhanden sind (wichtiges Diagnosemerkmal).
  4. Oberschwingungen prüfen: Suchen Sie nach 2×BPFI, 3×BPFI mit eigenen Seitenbändern
  5. Amplitude beurteilen: Vergleichen Sie mit den Basis- oder Schweregradrichtlinien
  6. Diagnose bestätigen: BPFI + Seitenbänder = Innenringdefekt bestätigt

Differentialdiagnose

Besonderheit BPFI (Inner Race) BPFO (Außenring)
Frequenz Höher (5-7× Wellengeschwindigkeit) Niedriger (3-5× Wellengeschwindigkeit)
Seitenbänder Fast immer vorhanden (±1×) Kann vorhanden sein oder nicht
Seitenbandmuster Sehr regelmäßige, klare Abstände Weniger regelmäßig, falls vorhanden
Auftreten Weniger häufig (~25% Fehler) Am häufigsten (~40% Fehler)

Verlauf und Schweregrad

Phasen der Fehlerentwicklung

  1. Einleitung: Es bilden sich mikroskopisch kleine Risse oder Vertiefungen, die noch nicht erkennbar sind
  2. Beginn: Im Hüllkurvenspektrum erscheint ein kleiner BPFI-Peak (0,1–0,5 g).
  3. Früh: Klarer BPFI-Peak mit 1–2 Harmonischen und Seitenbändern (0,5–2 g)
  4. Mäßig: Mehrere Harmonische, ausgeprägte Seitenbänder, Absplitterungen bei Inspektion sichtbar (2–10 g)
  5. Fortschrittlich: Sehr hohe Amplitude, zahlreiche Harmonische, erhöhtes Grundrauschen (>10 g)
  6. Schwer: Breitbandrauschen dominiert, Lager kurz vor dem Ausfall, katastrophaler Ausfall unmittelbar bevorstehend

Schätzung der verbleibenden Lebensdauer

  • Beginnend bis früh: Normalerweise verbleiben 6–18 Monate
  • Früh bis mittelschwer: 3-6 Monate verbleibend
  • Mittel bis Fortgeschritten: 1-3 Monate verbleibend
  • Fortgeschritten bis Schwerwiegend: Verbleibende Tage bis Wochen
  • Variablen: Der tatsächliche Zeitrahmen hängt von der Belastung, der Geschwindigkeit, den Betriebsbedingungen und der Lagergröße ab

Ursachen für Innenringdefekte

  • Ermüdung: Hochzyklische Ermüdung durch wiederholte Belastung
  • Unsachgemäße Installation: Beschädigung bei der Montage (Hammerschlag auf den Innenring)
  • Wellenschaden: Raue oder beschädigte Wellenoberfläche verursacht Reibkorrosion
  • Enge Presspassung: Zu große Kraft beim Einpressen
  • Fehlausrichtung: Ungleichmäßige Belastung beschleunigt die Ermüdung
  • Kontamination: Partikel, die Eindruckschäden verursachen
  • Schmierfehler: Unzureichende Schmierung führt zu Oberflächenschäden

Korrekturmaßnahmen

Sofortige Reaktion (bei Erkennung)

  • Erhöhen Sie die Überwachungshäufigkeit (monatlich → wöchentlich → täglich, wenn der Schweregrad zunimmt).
  • Planen Sie den Lageraustausch bei der nächsten geeigneten Betriebsunterbrechung
  • Trendamplitude zur Vorhersage der verbleibenden Nutzungsdauer
  • Vermeiden Sie den Betrieb bei kritischen Geschwindigkeiten, die den Ausfall beschleunigen könnten

Ersatzplanung

  • Ersatzlager bestellen (auf richtiges Modell achten)
  • Planen Sie eine Welleninspektion ein (Defekte im Innenring können die Welle beschädigen).
  • Untersuchen Sie die Grundursache, um ein erneutes Auftreten zu verhindern
  • Bei vorzeitigem Ausfall sollten Sie eine verbesserte Lagerspezifikation in Betracht ziehen

Die BPFI-Erkennung durch Schwingungsanalyse ist ein Eckpfeiler der Lagerzustandsüberwachung. Die charakteristische Hochfrequenzspitze mit 1× Seitenbändern weist eindeutig auf Defekte im Innenring hin und ermöglicht so rechtzeitige Wartungsmaßnahmen, die katastrophale Lagerausfälle und damit verbundene Folgeschäden an Wellen und Gehäusen verhindern.

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