Seitenbänder in der Schwingungsanalyse verstehen
Seitenbänder sind kleine Frequenzspitzen, die in einem FFT-Spektrum in gleichen Abständen zu beiden Seiten eines größeren zentralen Peaks, der sogenannten Trägerfrequenz, auftreten. Ihre Anwesenheit ist ein eindeutiges Zeichen für Modulation — ein Zustand, bei dem ein Signal auf ein anderes „überlagert“ wird — und der Abstand zwischen den Seitenbändern entspricht der Frequenz des Modulationssignals. Da dieser Abstand direkt auf das dafür verantwortliche rotierende Element hinweist, gehören Seitenbänder zu den aussagekräftigsten und eindeutigsten diagnostischen Mustern in der Schwingungsanalyse, insbesondere zur Fehlererkennung bei Getriebe und Lager .
1. Was sind Seitenbänder: Modulation im Frequenzspektrum
Modulation ist ein aus dem Rundfunk bekanntes Phänomen, und der Mechanismus in einem Getriebe funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Die Stärke eines gleichbleibenden Hochfrequenztons (der Träger) wird durch ein sich langsamer wiederholendes Ereignis (den Modulator) variiert; im Spektrum führt diese Schwankung nicht zu einer Unschärfe des Trägerpeaks – stattdessen wird Energie auf symmetrische Nebenpeaks verteilt. Der Träger selbst ist in der Regel eine erzwungene Schwingung die im Normalbetrieb entsteht, während der Modulator der einmal pro Umdrehung auftretende Rhythmus einer defekten Komponente ist. Das Erkennen dieses Musters ist der entscheidende Unterschied zwischen einer sicheren Diagnose und einer bloßen Vermutung.
2. Wie Seitenbänder erzeugt werden
Seitenbänder entstehen, wenn die Amplitude eines primären Schwingungssignals – des Trägers – im Laufe der Zeit durch ein zweites, langsameres Signal – den Modulator – verändert wird. Das klassische Beispiel ist ein defekter Zahnradzahn:
- Zahneingriffsfrequenz (GMF) ist der Träger. Dabei handelt es sich um eine hohe Frequenz, die durch das normale Ineinandergreifen der Zahnradzähne entsteht.
- Ein einziger rissiger Zahn an diesem Zahnrad verursacht bei jeder Umdrehung einen Stoß. Jedes Mal, wenn der defekte Zahn in das Getriebe eingreift, moduliert dieser Stoß das GMF-Signal – verändert also dessen Amplitude.
- Drehzahl des Zahnrads ist daher die Modulationsfrequenz.
Das Ergebnis im FFT-Spektrum ist eine große Spitze bei der GMF (der Trägerfrequenz), flankiert von kleineren Seitenbandspitzen, deren Abstand der Drehzahl des Zahnrads entspricht. Dieses Muster belegt nicht nur, dass ein Fehler vorliegt, sondern auch, dass er sich an genau diesem Zahnrad befindet. Dieser Zusammenhang lässt sich durch eine einfache Formel beschreiben:
Seitenbandfrequenz = Trägerfrequenz ± (n × Modulationsfrequenz), wobei n = 1, 2, 3 …
Die Gruppe von Spitzen oberhalb und unterhalb des Trägers bildet somit einen gleichmäßig angeordneten Kamm, und durch Zählen der Abstände in Hertz – und anschließender Umrechnung in Umdrehungen pro Minute – kann der Analytiker genau feststellen, welche Welle ein Fehlverhalten aufweist.
3. Wichtige Anwendungsbereiche in der Maschinendiagnostik
Getriebediagnose
Dies ist die primäre Anwendung der Seitenbandanalyse.
- Seitenbänder um GMF: Wenn um die Zahneingrifffrequenz (GMF) eines Zahnrads herum Seitenbänder im Abstand der Drehzahl des Zahnrads auftreten, deuten diese auf einen Defekt an diesem Zahnrad hin – einen angerissenen Zahn, einen abgenutzten Zahn oder Exzentrizität.
- Seitenbänder um Harmonische von GMF: Schwerwiegende Störungen erzeugen oft auch Seitenbänder um das 2-fache und 3-fache des GMF. Das Kammmuster wiederholt sich daher auch um jede Harmonische.
- Frequenz des Wanderzahns (Hunting Tooth Frequency): bei komplexen Zahnradsätzen bestimmte nicht ganzzahlige Seitenbänder an der Jagdzahnfrequenz können einen Fehler lokalisieren, der nur auftritt, wenn zwei bestimmte Zähne an unterschiedlichen Zahnrädern miteinander in Kontakt kommen.
Diagnose von Wälzlagern
Auch Seitenbänder sind ein entscheidender Beleg für Lagerfehler, insbesondere Innenring-Defekte:
- Ein Defekt am Innenring dreht sich mit der Welle, und während er sich in den Belastungsbereich des Lagers hinein- und wieder herausbewegt, schwankt die Stärke der dadurch erzeugten Stöße.
- Dies führt zu einer Amplitudenmodulation der Innenring-Fehlerfrequenz, BPFI.
- Das resultierende Spektrum zeigt einen Peak bei BPFI mit Seitenbändern im Abstand der 1-fachen Drehzahl der Welle. Das Auftreten dieses Musters ist ein äußerst zuverlässiger Hinweis auf einen Innenring-Defekt – und es ist ein Grund dafür, warum die Hüllkurvenanalyse so effektiv bei der Demodulation dieser Signale ist.
Diagnose von Elektromotoren
Probleme mit den Rotorstäben in einem AC-Induktionsmotor können dazu führen, dass Seitenbänder um die 1x-Drehzahlspitze herum auftreten. Diese Seitenbänder sind im Abstand der Poldurchgangsfrequenz — die Schlupffrequenz der Motordrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Motorpole – und sind ein klassisches Kennzeichen für gebrochene Rotorstäbe.
4. Überlegungen zur Analyse
Um die Seitenbandanalyse effektiv nutzen zu können, sind qualitativ hochwertige Daten unerlässlich:
- Hohe Auflösung: Eine hochauflösende FFT (zum Beispiel 3200 oder 6400 Linien) ist erforderlich, um die Seitenbandpeaks deutlich zu erkennen und ihren Abstand genau zu messen. Bei niedriger Auflösung verschmelzen die Seitenbänder mit dem Trägerpeak. Zur Überprüfung des Verhältnisses zwischen Linienanzahl, Messspanne und Auflösung dient ein Rechner für die FFT-Auflösung.
- Trend: Die Anzahl und Amplitude der Seitenbänder sind ein guter Indikator für den Schweregrad eines Fehlers. Wenn sich ein Fehler verschlimmert, treten mehr Seitenbänder auf und ihre Amplitude nimmt zu, sodass ihre Erfassung im Zeitverlauf durch Trendanalyse die Verschlechterung verfolgt.
- Zoom-FFT: die Zoom FFT — mit dieser Funktion eines Analysators kann der Analytiker einen engen Frequenzbereich mit sehr hoher Auflösung vergrößern, um das Vorhandensein und den Abstand von Seitenbändern zu überprüfen.
5. Die Abstände lesen: Vom Muster zur Diagnose
Die diagnostische Aussagekraft einer Seitenbandfamilie beruht auf ihrer Berechnung. Da der Abstand der Modulationsfrequenz entspricht, kann ein Analytiker vom Kamm rückwärts zum Verursacher vorgehen: Ein Abstand bei 1× Wellendrehzahl deutet auf die Welle hin; ein Abstand bei der schlupfabhängigen Poldurchgangsfrequenz deutet auf den elektrischen Zustand des Motors hin; ein nicht ganzzahliger Abstand deutet auf ein bestimmtes Zahnpaar hin. Die Vorabmessung der Zahnrad-Eingriffsfrequenz und ihrer erwarteten Seitenbandstruktur – beispielsweise mit einem speziellen Rechner für die Zahneingriffsfrequenz — ermöglicht es dem Analysten, schon vor dem Öffnen des Spektrums genau vorherzusagen, wo er suchen muss.
Vor Ort werden diese Muster mit einem tragbaren Spektrumanalysator erfasst, der von Maschine zu Maschine mitgenommen wird. Ein Gerät wie das Balanset-1A misst das Schwingungsspektrum an einer laufenden Maschine mit einer ausreichend hohen Auflösung, um den Seitenbandkamm um die Frequenz eines Zahnrad- oder Lagerfehlers herum zu erkennen, sodass ein Techniker die Diagnose vor Ort bestätigen kann; und wenn dieselbe Untersuchung ergibt, dass das Hauptproblem einfach Unwucht anstatt eines Zahn- oder Laufbahnfehlers ist, wechselt das Instrument direkt in Feldauswuchten um es zu korrigieren
Wenn ein Analytiker ein klares, symmetrisches Seitenbandmuster im erwarteten Abstand feststellt, wächst das Vertrauen in die Diagnose von „möglich“ auf „sehr wahrscheinlich“ – und genau deshalb gelten Seitenbänder als einer der zuverlässigsten Fingerabdrücke in diesem Bereich.
