BPFI verstehen – Kugelpassierfrequenz, Innenring
BPFI (Ball Pass Frequency, Inner Race) ist einer der vier grundlegenden Lagerfehlerfrequenzen und gibt die Geschwindigkeit an, mit der die Wälzkörper über einen Defekt auf der rotierenden Innenlaufbahn eines Lagers hinwegrollen. Wenn sich auf dieser Innenlaufbahn eine Abplatzung, ein Riss oder eine Vertiefung bildet, trifft jeder Wälzkörper auf den Defekt, während die Laufbahn ihn vorbeiführt, wodurch periodische Stöße entstehen, die sich in der Vibration Signal bei der BPFI-Frequenz. Was die BPFI von den anderen charakteristischen Frequenzen unterscheidet, ist ihre nahezu konstante Begleitfrequenz von ±1× Seitenbänder — ein Erkennungsmerkmal, das Innenringschäden zu den am sichersten diagnostizierbaren Fehlern bei Schwingungsanalyse.
1. Definition: Was ist BPFI?
BPFI zählt, wie viele Durchläufe der Wälzkörper pro Zeiteinheit über einen Punkt auf dem Innenring erfolgen. Da sich der Innenring mit der Welle dreht, während die Wälzkörper langsamer mit der Käfiggeschwindigkeit umlaufen, ist die Relativbewegung zwischen Ring und Wälzkörpern groß – ebenso wie die Frequenz. Der Defekt befindet sich auf dem rotierenden Ring und wird daher von jeder vorbeilaufenden Kugel oder jeder vorbeilaufenden Rolle wiederholt getroffen. Zusammen mit der Frequenz des Außenrings (BPFO), die Käfigfrequenz (FTF) sowie die Drehfrequenz der Wälzkörper (BSF), bildet BPFI den Standardsatz von Frequenzen, die ein Analytiker berechnet, um Schäden innerhalb eines Lagers zu lokalisieren. Die Fehler selbst gehören zum umfassenderen Thema der Lagerdefekte.
2. Mathematische Berechnung
Formel und Variablen
Der BPFI ergibt sich aus der Lagergeometrie und der Wellendrehzahl:
BPFI = (N × n / 2) × [1 − (Bd/Pd) · cos β]
- N = Anzahl der Wälzkörper im Lager.
- n = Drehfrequenz der Welle in Hz (oder U/min ÷ 60).
- Bd = Kugel- oder Rollendurchmesser.
- Pd = Teilkreisdurchmesser (der Kreis, der durch die Mittelpunkte der Wälzkörper verläuft).
- β = Kontaktwinkel.
Warum der BPFI immer höher ist als der BPFO
Für dasselbe Lager liegt der BPFI stets über dem BPFO, und die Formel zeigt genau, warum:
- Der Innenring dreht sich mit der Welle, während die Wälzkörper mit etwa dem 0,4-fachen der Käfiggeschwindigkeit umlaufen, sodass die Relativgeschwindigkeit am Innenring größer ist.
- BPFI verwendet den Ausdruck [1 − Bd/Pd], während BPFO [1 + Bd/Pd] verwendet.
- Durch das Abziehen eines Bruchs von eins bleibt der Multiplikator von BPFI größer als der von BPFO.
- Das typische Verhältnis von BPFI zu BPFO beläuft sich auf etwa 1.6–1.8.
Typical values
- Bei gängigen Lagern liegt der BPFI bei etwa 5–7× Wellendrehzahl.
- Rechenbeispiel: Ein 10-Kugellager bei 1800 U/min (30 Hz) ergibt eine BPFI von ≈ 173 Hz, was etwa dem 5,8-fachen der Wellendrehzahl entspricht.
Anstatt dies für jede Maschine einzeln von Hand zu überprüfen, lesen die meisten Analysten den Wert – zusammen mit BPFO, BSF und FTF – direkt aus der Lagerfehlerhäufigkeitsrechner, indem man die Lagergeometrie und die Drehzahl einmal eingibt.
3. Physikalischer Mechanismus und Lastzonenmodulation
Der rotierende Defekt
Ein Fehler im inneren Ring führt zu einer Situation, die der äußere Ring nie wahrnimmt, da sich der Fehler selbst bewegt:
- Der Defekt befindet sich auf dem rotierenden Innenring.
- Während sich der Laufring dreht, wandert der Defekt um den Lagerumfang herum.
- Jeder Wälzkörper trifft beim Vorbeilaufen darauf – das ist die BPFI-Rate.
- Die Kraft jedes Schlags hängt jedoch davon ab, wo sich der Defekt in diesem Moment im Verhältnis zur Belastungszone befindet.
Der Lastzoneneffekt
Jedes belastete Lager weist einen Bereich auf – die Belastungszone –, in dem die Wälzkörper am stärksten gegen die Laufringe drücken. Da der Defekt am Innenlaufring bei jeder Umdrehung der Welle durch diese Zone rotiert und sie wieder verlässt, steigen und sinken die Aufprallkräfte:
- Fehler innerhalb der Belastungszone: hohe Kontaktkraft, ein starker Aufprall bei jedem Auftreffen eines Elements.
- Fehler gegenüber der Belastungszone: kaum oder gar keine Kontaktkraft, ein schwacher oder fehlender Aufprall.
- Modulationsfrequenz: Der Defekt durchläuft diesen Zyklus einmal pro Umdrehung der Welle – d. h. bei 1× Betriebsdrehzahl.
- Ergebnis: Die BPFI-Impulse werden mit der 1-fachen Wellendrehzahl amplitudenmoduliert.
Seitenbandbildung
Diese Amplitudenmodulation erzeugt den diagnostischen Seitenbandkamm:
- Trägerfrequenz: BPFI.
- Modulationsfrequenz: 1× Wellendrehzahl.
- Seitenbänder: BPFI ± 1×, BPFI ± 2×, BPFI ± 3×, symmetrisch um den Träger angeordnet.
- Diagnostischer Wert: Diese Familie regelmäßiger 1×-Seitenbänder ist so gut wie pathognomonisch für einen Innenring-Defekt – und genau das unterscheidet BPFI von den im FTF-Abstand liegenden Seitenbändern eines BSF-Fehlers.
4. Merkmale der Schwingungssignatur
Typisches Spektrum
- Central peak bei der BPFI-Frequenz.
- Seitenbandfamilie der Peaks bei BPFI ± n×(1×).
- Harmonische Familien bei 2×BPFI und 3×BPFI, wobei jede ihre eigenen ±1×-Seitenbänder aufweist.
- Visuelles Muster: ein „Staketenzaun“ oder eine Reihe gleichmäßig verteilter Spitzen.
Warum das Hüllkurvenspektrum entscheidend ist
Stöße am Innenring regen hochfrequente Lagerresonanzen an, anstatt ihre gesamte Energie direkt am BPFI abzugeben, sodass ein Rohwert FFT kann in den frühen Stadien unscheinbar wirken. Hüllkurvenanalyse diese Resonanzimpulse demoduliert und im daraus resultierenden Hüllkurvenspektrum Die BPFI-Spitze dominiert, und die 1×-Seitenbänder treten mit außergewöhnlicher Klarheit hervor – oft schon Monate vor dem Standard Spektrum zeigt sich nichts. Mit zunehmender Ausbreitung des Defekts steigt die Amplitude der Hüllkurve steil an.
5. Erkennung, Diagnose und Praxis vor Ort
Eine zuverlässige Erkennungssequenz
- Calculate BPFI anhand der Lagernummer oder der Geometrie.
- Das Spektrum durchsuchen nach einem Peak bei der berechneten Frequenz zu suchen, wobei eine Toleranz von etwa ±5 % zulässig ist.
- Überprüfen Sie die ±1×-Seitenbänder — das entscheidende Erkennungsmerkmal.
- Harmonische überprüfen (2×BPFI, 3×BPFI) für ihre eigenen Seitenbänder.
- Amplitude bestimmen im Vergleich zu den Basislinienwerten oder Schwingstärke-Richtwerten.
- Confirm: BPFI plus 1× Seitenbänder ergibt einen Defekt im inneren Ring.
Im Außeneinsatz läuft derselbe Arbeitsablauf auf einem tragbaren Zweikanal-Messgerät ab. Ein Prüfer kann einen Beschleunigungsmesser am Lagergehäuse anbringen, die hochfrequenten Schwingungen bei Betriebsdrehzahl erfassen und die Hüllkurve direkt vor Ort auswerten – genau die Art von „Messen-wo-es-läuft“-Aufgabe, für die ein Werkzeug wie das Balanset-1A ist dafür ausgelegt, neben seiner Funktion als Rotorauswuchtgerät auch als Vibrationsanalysator im Außeneinsatz zu dienen.
BPFI und BPFO im Vergleich
| Besonderheit | BPFI (Innenring) | BPFO (Außenring) |
|---|---|---|
| Frequenz | Höher (5–7-fache Wellendrehzahl) | Niedriger (3–5-fache Wellendrehzahl) |
| Seitenbänder | Fast immer vorhanden (±1×) | Kann vorhanden sein oder nicht |
| Seitenbandmuster | Sehr regelmäßige, klare Abstände | Weniger regelmäßig, wenn vorhanden |
| Auftreten | Weniger häufig (~25 % der Ausfälle) | Am häufigsten (~40 % der Ausfälle) |
6. Schadensfortschritt, Schweregrad und Restlebensdauer
Stadien der Fehlerentwicklung
- Einleitung: Es bilden sich mikroskopisch kleine Risse oder Vertiefungen, die noch nicht erkennbar sind
- Beginn: Im Hüllkurvenspektrum zeichnet sich eine kleine BPFI-Spitze ab (≈ 0,1–0,5 g).
- Früh: ein deutlicher BPFI-Peak mit einer oder zwei Harmonischen und Seitenbändern (≈ 0,5–2 g).
- Mäßig: mehrere Harmonische, ausgeprägte Seitenbänder, bei der Untersuchung sichtbare Abplatzung (≈ 2–10 g).
- Fortschrittlich: sehr hohe Amplitude, zahlreiche Harmonische, ein ansteigender Grundrauschpegel (> 10 g).
- Schwer: Wenn Breitbandrauschen überwiegt, verschwimmen die einzelnen Spitzen, und ein katastrophaler Ausfall steht unmittelbar bevor.
Leitlinien zur verbleibenden Lebensdauer
- Anfangsstadium bis frühes Stadium: in der Regel noch 6 bis 18 Monate verbleibend.
- Leicht bis mittelschwer: 3–6 months.
- Mittelstufe bis Fortgeschrittene: 1–3 months.
- Fortgeschritten bis schwer: days to weeks.
- Caveat: Die tatsächliche Lebensdauer hängt von der Belastung, der Drehzahl, der Schmierung und der Lagergröße ab – die angegebenen Werte dienen lediglich als Richtwerte, stellen keine Garantie dar und fließen in jede formelle verbleibende Nutzungsdauer estimate.
7. Ursachen und Abhilfemaßnahmen
Häufige Ursachen für Innenringdefekte
- Ermüdung: Ermüdung im Untergrund durch hohe Zyklenanzahl aufgrund wiederholter Belastung – der klassische Mechanismus für das Ende der Lebensdauer.
- Falsche Installation: Montageschäden, beispielsweise durch Aufschlagen des Lagers auf den Innenring.
- Shaft damage: ein rauer oder zerkratzter Wellensitz, der zu Reibverschleiß führt.
- Übermäßiger Presssitz: Eine zu feste Presspassung erhöht die Ringspannung (Umfangsspannung).
- Fehlausrichtung: uneinheitliche Belastung, die die Ermüdung beschleunigt.
- Kontamination: harte Partikel, die die Laufbahn beschädigen.
- Schmiermittelausfall: eine unzureichende Schmierfilmdicke, die zu Oberflächenbeschädigungen führt und Abplatzungen.
Reaktions- und Ersatzplanung
Bei Feststellung des Problems sollte das Überwachungsintervall verkürzt werden (monatlich → wöchentlich → täglich, je nach Schweregrad), der Austausch für die nächste geeignete Wartungsunterbrechung geplant und die Amplitude zur Prognose der verbleibenden Lebensdauer ausgewertet werden. Vermeiden Sie es, sich bei kritische Geschwindigkeiten was zu einem vorzeitigen Ausfall führen könnte. Bestellen Sie bei der Planung des Austauschs das richtige Lagermodell, überprüfen Sie die Welle (ein fortgeschrittener Defekt am Innenring kann den Sitz zerkratzen) und führen Sie eine Ursachenanalyse durch, damit der Ersatz nicht auf die gleiche Weise versagt. Eingebunden in einen disziplinierten Zustandsüberwachung Im Rahmen dieses Programms wird die BPFI-Erkennung zu einem Eckpfeiler der Lagerzuverlässigkeit – ihr unverkennbarer Hochfrequenzspitzenwert mit 1×-Seitenbändern liefert eine rechtzeitige, eindeutige Warnung, die Folgeschäden an Wellen und Gehäusen verhindert.
