Diagnose von Getriebedefekten mit Schwingungsanalyse
Gear defects sind Verschleiß- und Schadensformen – Zahnverschleiß, Risse, Exzentrizität, Fehlausrichtung –, die in den Zahnradsätzen auftreten, die in der Kraftübertragung von Industriemaschinen zum Einsatz kommen. Das Ineinandergreifen von Zahnradzähnen ist von Natur aus ein geräusch- und vibrationsintensiver Vorgang, sodass intakte Zahnräder ein sehr klares und stabiles Schwingungsmuster erzeugen; jede Abweichung von diesem Muster ist ein deutlicher Hinweis auf ein Problem. Da Schwingungsanalyse kann diese Abweichungen bereits in einem sehr frühen Stadium erkennen und erkennt Getriebeschäden lange bevor sie zu einem katastrophalen Ausfall des Getriebes führen.
1. Die Schwingungssignatur von Zahnrädern
Jedes Getriebe hat im Frequenzbereich einen charakteristischen Fingerabdruck, der von der Eingriffsfrequenz der Zähne geprägt und von der mit der Drehung der einzelnen Wellen verbundenen Aktivität umgeben ist. Eine Basismessung eines einwandfreien Getriebes ist daher eine der wertvollsten Referenzgrößen, über die ein Zuverlässigkeitsprogramm verfügen kann: Fehler werden nicht anhand einer absoluten Zahl diagnostiziert, sondern anhand dessen, wie sich das heutige Spektrum und Zeitwellenform von dieser als einwandfrei bekannten Signatur abweichen. Bei der Getriebediagnose geht es im Wesentlichen darum, diesen Unterschied richtig zu deuten, weshalb Getriebe bei Routineuntersuchungen eine so wichtige Rolle spielen Zustandsüberwachung.
2. Zahnradeingriffsfrequenz (GMF)
Die wichtigste Frequenz bei der Getriebeanalyse ist die Zahneingriffsfrequenz (GMF) — die Frequenz, mit der die Zähne zweier ineinandergreifender Zahnräder ineinander greifen.
GMF = Anzahl der Zähne eines Zahnrads × Drehzahl dieses Zahnrads
In einem einwandfreien Getriebe ist das FFT-Spektrum zeigt einen deutlichen Peak bei der GMF, meist mit einigen kleinen Obertöne (2×GMF, 3×GMF). Die Amplitude des GMF-Peaks spiegelt die Belastung der Zahnräder wider, sodass ein hoher GMF-Peak an sich nicht unbedingt auf einen Fehler hindeutet – er kann einfach bedeuten, dass das Getriebe stark beansprucht wird. Die eigentlichen diagnostischen Informationen liegen in den Frequenzen um den GMF-Spitzenwert, nicht die Spitze selbst. Da der GMF sowohl von der Zahnanzahl als auch von der Drehzahl abhängt, lässt er sich manuell leicht falsch identifizieren; ein Rechner für die Zahnrad-Eingriffsfrequenz berechnet die GMF und ihre Seitenbänder für einen bestimmten Zahnradsatz in Sekundenschnelle.
3. Fehlerdiagnose mithilfe von Seitenbändern
Seitenbänder sind das wirksamste Instrument zur Diagnose spezifischer Getriebeprobleme. Es handelt sich um kleine Spitzen, die beiderseits der Zahneingriffsfrequenz (GMF) und ihrer Oberwellen auftreten und entstehen, wenn ein Fehler den Eingriffsprozess moduliert. Der entscheidende Hinweis ist ihre Abstände: Der Abstand zwischen einem Seitenband und dem GMF-Peak entspricht der Drehzahl der Welle, auf der sich das defekte Zahnrad befindet, was Ihnen sofort Aufschluss gibt die Welle zur Überprüfung.
- Abgenutzte oder exzentrische Zahnräder: a worn, eccentric oder ein fehlerhaftes Zahnrad moduliert die GMF bei seiner eigenen Drehzahl und erzeugt Seitenbänder, deren Abstand Drehfrequenz (1×) der Welle dieses Zahnrads. Wenn die Seitenbänder mit der Drehzahl der Antriebswelle übereinstimmen, liegt der Fehler am Antriebszahnrad.
- Allgemeiner Zahnverschleiß: Zahnradverschleiß erhöht in der Regel die Amplitude der Zahneingriffsfrequenz (GMF) und ihrer Oberwellen, begleitet von 1× Seitenbändern des entsprechenden Zahnrads.
- Riss oder Bruch eines Zahns: Ein einzelner angerissener oder abgebrochener Zahn erzeugt bei der 1-fachen Drehzahl dieses Zahnrads eine starke Spitze, oft mit zahlreichen Oberwellen sowie Seitenbändern um die Zahneingriffsfrequenz (GMF), deren Abstände der Drehzahl des Zahnrads entsprechen. Die Zeitwellenform ist hier besonders aussagekräftig – sie zeigt einen deutlichen, periodischen Stoß, sobald der beschädigte Zahn in Eingriff zu kommen versucht.
- Zahnradversatz: Fehlausrichtung Die Fehlausrichtung der Zahnräder erzeugt häufig eine starke 2×GMF-Oberwelle, die manchmal höher ist als der primäre GMF-Spitzenwert und ebenfalls von Seitenbändern bei Betriebsdrehzahl begleitet wird.
Ein damit zusammenhängender, bemerkenswerter Effekt ist der Hunting-Tooth-Frequenz, die sehr niedrige Frequenz, mit der ein bestimmtes Zahnpaar erneut in Eingriff kommt; Störungen, bei denen jeweils ein defekter Zahn an jedem Zahnrad beteiligt ist, können sie anregen.
4. Spezielle Analysetechniken
Da die Schwingungen von Zahnrädern so komplex sind, wird die Standard-Spektralanalyse häufig durch Verfahren ergänzt, die das Zahnradsignal isolieren:
- Zeit-Wellenform-Analyse: unverzichtbar zur Bestätigung von gebrochenen oder angerissenen Zähnen, die sich als scharfe, sich wiederholende Stöße äußern, die eher mit der Drehung des Zahnrads als mit dem Eingriff synchronisiert sind.
- Cepstrum-Analyse: Eine Transformation, die ganze Familien von gleichmäßig beabstandeten Seitenbändern zu einzelnen, leicht ablesbaren Komponenten verdichtet und so Seitenbandmuster sichtbar macht, die in einer überfüllten FFT-Darstellung sonst untergehen würden.
- Hüllkurvenanalyse: demoduliert den hochfrequenten Träger, um die niederfrequente Aufprallrate eines lokalisierten Zahnfehlers zu ermitteln, und ergänzt damit das Seitenbandbild.
5. Stadien des Getriebeausfalls
Die Schwingungsanalyse ermöglicht es, den Verlauf eines Getriebeschadens anhand von vier erkennbaren Phasen zu verfolgen, wodurch Wartungsteams genügend Vorlaufzeit für die Planung von Maßnahmen erhalten:
- Stufe 1 (früh): Um das GMF herum treten kleine Seitenbänder auf. Der Gesamtschwingungspegel ändert sich möglicherweise überhaupt nicht.
- Stufe 2 (moderat): Die Seitenbandamplituden nehmen zu, und es treten Oberwellen der GMF auf, die ihre eigenen Seitenbänder mit sich bringen.
- Stufe 3 (ernst): Das GMF und seine Oberwellen tragen viele große Seitenbänder; die 1×-Drehfrequenz des problematischen Zahnrads beginnt zu steigen, und der Rauschpegel des Spektrums hebt sich an.
- Stufe 4 (katastrophal): Das GMF kann verschwinden und durch ein rauschbehaftetes, zufälliges Schwingungsmuster ersetzt werden, wenn die Zähne stark beschädigt oder zerstört sind.
6. Umsetzung in der Praxis vor Ort
Die Diagnose von Getrieben beginnt mit einer sauberen Messung vor Ort bei Betriebsdrehzahl und -last. Ein tragbares Zweikanal-Messgerät wie das Balanset-1A erfasst das FFT-Spektrum und die Rohzeitwellenform an jeder Lagerposition, sodass ein Techniker die GMF lokalisieren, den Seitenbandabstand ablesen kann, um den Fehler auf eine bestimmte Welle einzugrenzen, und die Wellenform auf die verräterischen periodischen Schläge eines abgebrochenen Zahns überprüfen kann – und das alles, ohne das Getriebe zu öffnen. Wenn ein Getriebe zudem einen Rotor antreibt oder stützt, überprüft dasselbe Gerät, ob Rest Lager und die durch Unwucht verursachten Schwingungen bleiben innerhalb der Grenzwerte von Normen wie ISO 20816, sodass ein nachgewiesener Getriebeschaden nicht durch andere Ursachen überdeckt wird. Wird ein Getriebeschaden bereits im Stadium 1 oder 2 erkannt, wird er zu einer planmäßigen Reparatur statt zu einem ungeplanten Ausfall.
