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

Was ist BPFO? Erläuterung der Kugeldurchlauffrequenz am Außenring

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BPFO verstehen – Ball Pass Frequency Outer Race

Definition: Was ist BPFO?

BPFO (Ball Pass Frequency, Outer Race) ist einer der vier grundlegenden Lagerfehlerfrequenzen Dies gibt die Geschwindigkeit an, mit der Wälzkörper (Kugeln oder Rollen) über einen Defekt am Außenring eines Wälzlagers laufen. Wenn am Außenring ein Abplatzer, ein Riss, eine Vertiefung oder ein anderer Defekt vorhanden ist, trifft jeder Wälzkörper beim Passieren auf den Defekt und erzeugt einen wiederholten Aufprall, der Vibration bei der BPFO-Frequenz.

BPFO ist die diagnostisch wichtigste Lagerfrequenz, da Außenringdefekte die häufigste Lagerausfallart sind und für etwa 40 % aller Wälzlagerausfälle verantwortlich sind. Das Erkennen von BPFO-Spitzen in Schwingungsspektren ermöglicht die frühzeitige Identifizierung von Außenringproblemen, bevor es zu Lagerausfällen kommt.

Mathematische Berechnung

Formel

BPFO wird anhand der Lagergeometrie und der Wellendrehzahl berechnet:

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

Variablen

  • N = Anzahl der Wälzkörper (Kugeln oder Rollen) 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 (typischerweise 0° für Radialkugellager, 15–40° für Schrägkugellager)

Vereinfachte Näherung

Für Null-Kontaktwinkellager (β = 0°):

  • BPFO ≈ (N × n / 2) × [1 + Bd/Pd]
  • Für typische Lager mit Bd/Pd ≈ 0,2 ergibt sich BPFO ≈ 0,6 × N × n
  • Faustregel: BPFO ≈ 60% von (Anzahl der Kugeln × Wellenfrequenz)

Typische Werte

  • Für Lager mit 8-12 Wälzkörpern: BPFO typischerweise 3-5× Wellendrehzahl
  • Beispiel: 10-Kugellager bei 1800 U/min (30 Hz) → BPFO ≈ 107 Hz (3,6-fache Wellendrehzahl)

Physikalischer Mechanismus

Warum äußere Laufringdefekte BPFO erzeugen

Der Außenring ist bei den meisten Lagern stationär und im Gehäuse fixiert:

  1. Ein Defekt (Abplatzung, Grübchen) liegt an einer festen Stelle am Außenring vor
  2. Wenn sich der Käfig dreht, trägt er Wälzkörper um das Lager
  3. Jeder Wälzkörper überfährt nacheinander die Fehlerstelle
  4. Wenn ein Ball auf den Defekt trifft, entsteht ein kleiner Aufprall oder ein “Klick”.
  5. Bei N Wälzkörpern tritt der Defekt N-mal pro Käfigumdrehung auf
  6. Da sich der Käfig mit etwa 0,4-facher Wellengeschwindigkeit dreht und jede Kugel einmal pro Käfigumdrehung auftrifft, ist die Gesamtschlagrate = N × Käfigfrequenz ≈ BPFO

Schlageigenschaften

  • Jeder Aufprall ist kurz (Mikrosekunden Dauer)
  • Die Stöße erfolgen periodisch mit der BPFO-Frequenz
  • Aufprallenergie regt hochfrequente Resonanzen in der Lagerstruktur an
  • Die repetitive Natur erzeugt klare spektrale Spitzen

Schwingungssignatur in Spektren

Im Standard-FFT-Spektrum

  • Primärer Peak: Bei BPFO-Frequenz
  • Obertöne: Bei 2×BPFO, 3×BPFO, 4×BPFO (zeigt die Schwere des Defekts an)
  • Seitenbänder: Kann ±1× Seitenbänder aufweisen, wenn sich der Außenring leicht drehen kann oder aufgrund von Lastzonenschwankungen
  • Amplitude: Steigt mit der Ausbreitung des Defekts

Im Hüllkurvenspektrum

  • BPFO-Spitze viel klarer und mit höherer Amplitude als bei Standard-FFT
  • Harmonische deutlich dargestellt
  • Früherkennung möglich (Mängel schon Monate früher erkennbar)
  • Weniger Störungen durch niederfrequente Vibrationen

Typischer Amplitudenverlauf

  • Beginn: 0,1–0,5 g (Umschlag), kaum nachweisbar
  • Früh: 0,5–2 g, deutlicher BPFO-Peak mit 1–2 Harmonischen
  • Mäßig: 2-10 g, mehrere Harmonische, Seitenbänder erscheinen
  • Fortschrittlich: >10 g, zahlreiche Harmonische, erhöhtes Grundrauschen

Warum Außenringdefekte am häufigsten sind

Aus mehreren Gründen überwiegen Ausfälle des Außenrings:

Lastkonzentration

  • Bei typischer horizontaler Wellenausrichtung befindet sich die Lastzone unten
  • Der äußere Laufring unten trägt die Hauptlast
  • Ständige Belastung des gleichen Außenringabschnitts beschleunigt die Ermüdung
  • Der Innenring rotiert und verteilt die Last über den gesamten Umfang

Installationsspannungen

  • Der in das Gehäuse eingepresste Außenring kann bei der Installation beschädigt werden
  • Presspassungen erzeugen Eigenspannungen
  • Unsachgemäße Installation (Fehlausrichtung, Verkanten) beschädigt den Außenring

Kontaminationseffekte

  • Partikel gelangen am Außenring in das Lager
  • Konzentrierte Verunreinigung im äußeren Laufringbereich
  • Partikel lagern sich in weicherem Außenringmaterial ein

Diagnostische Bedeutung

Hohe Diagnosesicherheit

BPFO ist einer der zuverlässigsten diagnostischen Indikatoren:

  • Die Frequenz ist präzise berechenbar und für jeden Lagertyp einzigartig
  • Verwechslungen mit anderen Maschinenfrequenzen sind unwahrscheinlich
  • Klares Verlaufsmuster bei Verschlechterung des Defekts
  • Gut verstandene Beziehung zwischen Amplitude und Defektgröße

Schweregradbewertung

  • Anzahl der Harmonischen: Mehr Oberwellen = fortgeschrittenerer Defekt
  • Spitzenamplitude: Höhere Amplitude = größerer Defektbereich
  • Seitenbandpräsenz: Ausgedehnte Seitenbänder weisen auf Modulation hin, oft aufgrund von Lastzonenschwankungen
  • Grundrauschen: Erhöhtes Grundrauschen weist auf weitverbreitete Oberflächenverschlechterung hin

Beziehung zu anderen Lagerfrequenzen

BPFO vs. BPFI

  • BPFI (Innenring) hat bei gleichem Lager immer eine höhere Frequenz als BPFO
  • Typisches Verhältnis: BPFI/BPFO ≈ 1,6–1,8
  • Wenn beide vorhanden sind, deutet dies auf mehrere Defekte hin (fortgeschrittener Fehler).
  • BPFO ist anfänglich häufiger; BPFI kann sich als Sekundärschaden entwickeln

Seitenbänder mit 1-facher Geschwindigkeit

  • Bei ruhendem Außenring sind leichte Bewegungen möglich
  • Durch einen lockeren Lagersitz kann der Außenring wandern oder sich leicht drehen
  • Lastzonenvariation bei Rotorumlaufbahnen erzeugt Amplitudenmodulation
  • Ergebnisse in ±1× Seitenbändern um den BPFO-Peak

Praktische Überwachungsstrategie

Routineüberwachung

  • Monatliche oder vierteljährliche Hüllkurvenanalyse an jedem Lagerstandort
  • Automatische BPFO-Spitzenerkennung und Trendanalyse
  • Alarm auf 2-3× Basislinienamplitude eingestellt
  • Trendverlaufsdaten zur Vorhersage des Ausfallzeitpunkts

Bestätigungstests

Wenn BPFO erkannt wird:

  • Überprüfen Sie, ob die Frequenz mit dem berechneten Wert übereinstimmt (innerhalb von ±5%).
  • Auf Oberwellen prüfen (2×BPFO, 3×BPFO)
  • Suchen Sie nach charakteristischen Seitenbandmustern
  • Vergleichen Sie mit anderen Lagern an derselben Maschine (sollte nur bei defekten Lagern vorkommen)
  • Erhöhen Sie die Überwachungshäufigkeit auf wöchentlich oder täglich

Die Erkennung und Überwachung von BPFO stellt eine der erfolgreichsten Anwendungen der Schwingungsanalyse in der vorausschauenden Wartung dar. Sie verhindert Lagerausfälle und ermöglicht zustandsbasierte Austauschstrategien, die sowohl die Zuverlässigkeit der Ausrüstung als auch die Wartungskosten optimieren.

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