Was ist BSF? Kugeldrehfrequenz in der Lagerdiagnose • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren Was ist BSF? Kugeldrehfrequenz in der Lagerdiagnose • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren

Was ist BSF? Kugeldrehfrequenz in der Lagerdiagnose

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BSF verstehen – Ballspinfrequenz

Definition: Was ist BSF?

BSF (Kugeldrehfrequenz, auch Rollelementdrehfrequenz genannt) ist eine der vier Grundfrequenzen Lagerfehlerfrequenzen stellt die Rotationsgeschwindigkeit eines Wälzkörpers (Kugel oder Rolle) dar, der sich um seine eigene Achse dreht. Wenn ein Wälzkörper einen Oberflächendefekt wie beispielsweise einen Abplatzer, Riss oder Einschluss aufweist, wirkt sich der Defekt zweimal pro Umdrehung des Wälzkörpers auf den Innen- und Außenring aus und erzeugt periodische Stöße mit der BSF-Frequenz.

BSF ist die am seltensten beobachtete der vier Lagerhäufigkeiten, da Wälzkörperdefekte im Vergleich zu Laufringdefekten relativ selten sind und nur etwa 10-15% der Lagerausfälle ausmachen. Wenn BSF jedoch vorhanden ist, erzeugt es ein ausgeprägtes und komplexes Vibration Signatur, die durch sorgfältige Schwingungsanalyse.

Mathematische Berechnung

Formel

BSF wird anhand der Lagergeometrie und der Wellendrehzahl berechnet:

  • BSF = (Pd / 2×Bd) × n × [1 – (Bd/Pd)² × cos² β]

Variablen

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

Vereinfachte Form

Für Null-Kontaktwinkellager (β = 0°):

  • BSF ≈ (Pd / 2×Bd) × n × [1 – (Bd/Pd)²]
  • Für typische Lager mit Bd/Pd ≈ 0,2 ergibt sich BSF ≈ 2,4 × n
  • Faustregel: BSF typischerweise 2-3× Wellengeschwindigkeit

Typische Werte

  • BSF liegt typischerweise zwischen 1,5× und 3× Wellengeschwindigkeit
  • Niedriger als beide BPFI und BPFO
  • Höher als FTF (Käfigfrequenz)
  • Beispiel: Lager bei 1800 U/min (30 Hz) → BSF ≈ 71 Hz (2,4× Wellendrehzahl)

Physikalischer Mechanismus

Rollelementrotation

Um BSF zu verstehen, muss man sich die Bewegung des Wälzkörpers vorstellen:

  1. Wälzkörper umkreisen das Lager mit Käfigfrequenz (~0,4× Wellendrehzahl)
  2. Gleichzeitig dreht es sich bei BSF um die eigene Achse
  3. Die Spinrate hängt vom Verhältnis des Pitchdurchmessers zum Kugeldurchmesser ab
  4. Jede vollständige Drehung bringt Defekt in Kontakt mit beiden Rennen

Doppelter Aufprall pro Umdrehung

Ein Defekt an einem Wälzkörper erzeugt ein einzigartiges Muster:

  • Erster Aufprall: Defekt trifft Innenring
  • Halbe Revolution später: Derselbe Defekt (jetzt um 180° gedreht) betrifft den Außenring
  • Ergebnis: Zwei Stöße pro Kugelumdrehung = 2×BSF
  • Tatsächlich beobachtete Häufigkeit: Oftmals sind Spitzenwerte sowohl bei BSF als auch bei 2×BSF zu sehen

Modulation durch Käfigfrequenz

Zusätzliche Komplexität entsteht durch die Umlaufbewegung des Wälzkörpers:

  • Defekte Kugel passiert die Lastzone einmal pro Käfigumdrehung
  • Die Schwere des Aufpralls wird durch die Belastung moduliert (hoch in der Belastungszone, niedrig anderswo)
  • Erzeugt Seitenbänder bei FTF (Käfigfrequenz) Abstand
  • Seitenbandmuster: BSF ± n×FTF, wobei n = 1, 2, 3…

Vibrationssignatur

Spektrumeigenschaften

  • Primärer Peak: Bei BSF- oder 2×BSF-Frequenz
  • FTF-Seitenbänder: In Käfigfrequenzintervallen angeordnet (im Gegensatz zu den 1×-Seitenbändern von BPFI)
  • Mehrere Harmonische: 2×BSF, 3×BSF oft vorhanden
  • Komplexes Muster: Komplizierter als Rassendefektmuster
  • Variable Amplitude: Kann zwischen den Messungen erheblich variieren, da sich die Position des defekten Balls in der Lastzone ändert

Hüllkurvenspektrum

Hüllkurvenanalyse ist für die BSF-Erkennung besonders wichtig:

  • BSF-Spitzen sind in der Hüllkurve oft deutlicher als bei Standard-FFT
  • FTF-Seitenbandstruktur besser sichtbar
  • Früherkennung möglich, bevor Spitzen im Standardspektrum sichtbar werden

Warum Wälzkörperdefekte seltener auftreten

Mehrere Faktoren führen dazu, dass Wälzkörperdefekte relativ selten sind:

Lastverteilung

  • Die Wälzkörper rotieren und verteilen Belastung und Verschleiß auf der gesamten Oberfläche
  • Laufringe (insbesondere Außenlaufringe) weisen konzentrierte Belastungszonen auf
  • Gleichmäßigere Spannungsverteilung verzögert die Ermüdung der Wälzkörper

Fertigungsqualität

  • Kugeln und Rollen unterliegen typischerweise höchster Qualitätskontrolle
  • Härteres Material und bessere Oberflächenbeschaffenheit als Laufringe in vielen Lagern
  • Geringere Wahrscheinlichkeit von Materialfehlern

Stressmuster

  • Über die Oberfläche verteilte Rollkontaktspannung
  • Laufringe erfahren höhere maximale Hertzsche Kontaktspannungen
  • Kanten und Ecken von Laufbahnen sind anfälliger für Spannungskonzentrationen

Diagnostische Herausforderungen

Komplexität

  • BSF-Signatur komplexer als Race-Defekte aufgrund von FTF-Seitenbändern
  • Kann mit anderen Maschinenfrequenzen verwechselt werden
  • Variable Amplitude erschwert Trendanalyse
  • Mehrere fehlerhafte Bälle erzeugen überlappende Signaturen

Erkennungsschwierigkeit

  • BSF-Spitzen haben manchmal eine geringere Amplitude als Race-Defekt-Spitzen bei ähnlichen Defektgrößen
  • Die Frequenz kann im Bereich anderer Maschinenkomponenten liegen
  • Erfordert Erfahrung, um BSF-Muster von Rassendefekten zu unterscheiden

Praktische Diagnose

Bestätigungsschritte

  1. BSF berechnen: Aus den Lagerspezifikationen
  2. Suchen Sie nach BSF Peak: Suche nach Hüllkurvenspektrum bei berechneter Frequenz
  3. Prüfen Sie auf 2×BSF: Oft stärker als grundlegende BSF
  4. FTF-Seitenbänder überprüfen: Suchen Sie nach Seitenbändern im Käfigfrequenzabstand (NICHT 1× Abstand)
  5. Amplitudenvariabilität: Die BSF-Amplitude kann zwischen den Messungen variieren (charakteristisch für Balldefekte)
  6. Beseitigung: Schließen Sie BPFI und BPFO aus, bevor Sie BSF abschließen

Wenn mehrere Bälle defekt sind

  • Mehrere defekte Bälle erzeugen komplexe überlappende Muster
  • BSF-Spitzen können sich verbreitern oder mehrere nahegelegene Frequenzen aufweisen
  • Zeigt eine fortgeschrittene Lagerverschlechterung an
  • Sofortiger Austausch empfohlen

Ursachen und Prävention

Häufige Ursachen für Wälzkörperdefekte

  • Materialeinschlüsse: Innere Hohlräume oder Fremdkörper in der Kugel/Rolle
  • Installationsschäden: Brinelling durch Stöße während der Handhabung
  • Kontamination: Harte Partikel, die sich in die Balloberfläche einlagern oder diese beschädigen
  • Elektrische Schäden: Elektrischer Strom, der durch das Lager schlägt und Löcher erzeugt
  • Falsche Brinellierung: Reiben durch Vibrationen im Stand
  • Korrosion: Feuchtigkeit oder chemische Angriffe verursachen Löcher auf der Oberfläche

Präventionsstrategien

  • Verwenden Sie hochwertige Lager namhafter Hersteller
  • Sorgfältige Handhabung bei der Installation
  • Wirksame Kontaminationskontrolle (Dichtungen, saubere Umgebung)
  • Richtige Schmierung verhindert Korrosion
  • Elektrische Isolierung für Motoren mit VFD-Antrieben
  • Schwingungsisolierung bei Lagerung und Versand

Obwohl BSF seltener auftritt als BPFO oder BPFI, ermöglicht die Kenntnis seiner Eigenschaften eine umfassende Lagerdiagnose. Das charakteristische FTF-Seitenbandmuster und die Möglichkeit einer schnellen Progression nach der Erkennung machen BSF zu einem wichtigen Bestandteil umfassender Lagerzustandsüberwachungsprogramme.

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