Die Schwingungsanalyse ist eine wichtige Methode zur Diagnose des technischen Zustands von Maschinen. Verschiedene Maschinenfehler erzeugen charakteristische Muster im Schwingungsfrequenzspektrum. Durch die Untersuchung des Frequenzspektrums von Maschinenschwingungen (typischerweise mittels FFT-Analyse) lassen sich spezifische Fehlerarten identifizieren. Nachfolgend werden häufige Fehlerkategorien (Unwucht, Fehlausrichtung, Spiel, Lagerdefekte, Getriebedefekte) tabellarisch dargestellt. Jede Tabelle beschreibt die Untertypen des Fehlers und beschreibt ihr typisches Schwingungsspektrum, die beobachteten Spektralkomponenten, wichtige Erkennungsmerkmale und ein anschauliches Spektrumdiagramm (eingebettet als SVG). Alle Frequenzangaben beziehen sich auf Vielfache der Drehzahl (z. B. „1ד = Frequenz pro Umdrehung).
Ungleichgewicht
| Fehlertyp | Spektrumbeschreibung | Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten | Hauptmerkmal | SVG-Diagramm |
|---|---|---|---|---|
| Statisches Ungleichgewicht (Eine Ebene) | Das Spektrum wird von einem einzelnen Peak bei der Grundgeschwindigkeit (1 × U/min) dominiert: Die Schwingung ist sinusförmig, mit minimaler Energie bei anderen Frequenzen. | Vorwiegend eine starke 1×-Rotationsfrequenzkomponente. Wenig bis keine höheren Harmonischen (ein reiner 1×-Ton):. | Große 1×-Amplitude in allen radialen Richtungen: Die Vibration an beiden Lagern ist in Phase (keine Phasendifferenz zwischen den beiden Enden):. Zwischen horizontalen und vertikalen Messungen am gleichen Lager wird häufig eine Phasenverschiebung von etwa 90° beobachtet:. | |
| Dynamisches Ungleichgewicht (Zweiflugzeug/Paar) | Das Spektrum weist außerdem eine dominante Frequenzspitze (1×) auf, die einer statischen Unwucht ähnelt. Die Vibration erfolgt bei Rotationsgeschwindigkeit, ohne nennenswerten höherfrequenten Anteil, wenn die Unwucht das einzige Problem ist. | Dominante 1× RPM-Komponente (oft mit einem „Schwingen“ oder Taumeln des Rotors): Höhere Harmonische sind im Allgemeinen nicht vorhanden, sofern keine anderen Fehler vorliegen. | 1× Vibration an jedem Lager ist phasenverschoben – Zwischen den Schwingungen an den beiden Rotorenden besteht ein Phasenunterschied von etwa 180° (was auf eine Unwucht des Rotors hindeutet). Der starke 1×-Peak bei dieser Phasenbeziehung ist ein Zeichen für eine dynamische Unwucht. |
Fehlausrichtung
| Fehlertyp | Spektrumbeschreibung | Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten | Hauptmerkmal | SVG-Diagramm |
|---|---|---|---|---|
| Parallele Fehlausrichtung (Versetzte Wellen) | Das Schwingungsspektrum weist erhöhte Energie bei der Grundschwingung (1x) und ihren Harmonischen (2x und 3x Laufgeschwindigkeit) auf, insbesondere in radialer Richtung. Typischerweise ist die 1x-Komponente bei vorhandener Fehlausrichtung dominant, begleitet von einer deutlichen 2x-Komponente. | Enthält signifikante Spitzen bei 1×, 2× und 3× der Wellenrotationsfrequenz. Diese treten vor allem bei radialen Schwingungsmessungen (senkrecht zur Welle) auf: | Hohe 1×- und 2×-Schwingungen in radialer Richtung sind ein Hinweis. Häufig wird eine Phasendifferenz von 180° zwischen radialen Schwingungsmessungen auf gegenüberliegenden Seiten der Kupplung beobachtet, was diese von einer reinen Unwucht unterscheidet. | |
| Winkelfehlstellung (Schrägschächte) | Das Frequenzspektrum zeigt starke Harmonische der Wellengeschwindigkeit, insbesondere eine ausgeprägte 2-fache Laufgeschwindigkeitskomponente zusätzlich zur 1-fachen: Es treten Vibrationen bei 1-facher, 2-facher (und oft 3-facher) Geschwindigkeit auf, wobei axiale (entlang der Welle) Vibrationen von Bedeutung sind. | Auffällige Spitzen bei 1-facher und 2-facher (und manchmal 3-facher) Laufgeschwindigkeit: Die 2-fache Komponente ist oft genauso groß oder größer als die 1-fache. Diese Frequenzen sind im axialen Schwingungsspektrum (entlang der Maschinenachse) ausgeprägt: | Relativ hohe Amplitude der zweiten Harmonischen (2×) im Vergleich zu 1×, kombiniert mit starker axialer Vibration. Axiale Messungen auf beiden Seiten der Kupplung sind um 180° phasenverschoben, ein Kennzeichen für Winkelfehlausrichtung. |
Lockerheit
| Fehlertyp | Spektrumbeschreibung | Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten | Hauptmerkmal | SVG-Diagramm |
|---|---|---|---|---|
| Mechanische Lockerheit (Lockerheit der Komponenten) | Das Spektrum ist reich an Harmonischen der Laufgeschwindigkeit. Ein breites Spektrum ganzzahliger Vielfacher von 1× (von 1× bis zu hohen Ordnungen wie ~10×) erscheint mit signifikanten Amplituden. In fortgeschrittenen Fällen können auch subharmonische Frequenzen (z. B. 0,5×) auftreten. | Es dominieren mehrere Oberwellen der Laufgeschwindigkeit (1×, 2×, 3× … bis etwa 10×). Gelegentlich können aufgrund wiederholter Stöße auch gebrochene (halbe) Frequenzkomponenten bei 1/2×, 3/2× usw. vorhanden sein. | Eine markante „harmonische Reihe“ von Spitzen im Spektrum – zahlreiche gleichmäßig verteilte Spitzen bei ganzzahligen Vielfachen der Rotationsfrequenz. Dies deutet auf lose oder nicht richtig sitzende Teile hin, die wiederholte Stöße verursachen. Das Vorhandensein vieler Harmonischer (und möglicherweise Unterharmonischer halber Ordnung) ist ein typisches Merkmal. | |
| Strukturelle Lockerheit (Lockerheit der Basis/Montage) | Das Schwingungsspektrum wird oft von der ein- oder zweifachen Drehzahl dominiert. Üblicherweise erscheint im Spektrum ein Peak bei 1-facher Drehzahl und/oder 2-facher Drehzahl. Höhere Harmonische über 2-facher Drehzahl weisen im Vergleich zu diesen Grundschwingungen in der Regel eine deutlich geringere Amplitude auf. | Zeigt hauptsächlich Frequenzkomponenten bei der 1-fachen und 2-fachen Wellendrehzahl. Andere Harmonische (3-fach, 4-fach usw.) fehlen im Allgemeinen oder sind geringfügig. Je nach Art der Lockerung (z. B. ein Schlag pro Umdrehung oder zwei Schläge pro Umdrehung) kann die 1- oder 2-fache Komponente überwiegen. | Ein im Vergleich zum restlichen Spektrum deutlich erhöhter 1- oder 2-facher Peak (oder beides) deutet auf lockere Stützen oder Strukturen hin. Bei lockerer Lagerung der Maschine ist die Schwingung oft in vertikaler Richtung stärker. Ein oder zwei dominante niederfrequente Peaks mit wenigen höheren Harmonischen sind charakteristisch für lockere Strukturen oder Fundamente. |
Lagerdefekte
| Fehlertyp | Spektrumbeschreibung | Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten | Hauptmerkmal | SVG-Diagramm |
|---|---|---|---|---|
| Defekt am Außenring | Das Schwingungsspektrum weist eine Reihe von Spitzen auf, die der Frequenz des Außenringdefekts und seinen Harmonischen entsprechen. Diese Spitzen liegen in der Regel bei höheren Frequenzen (keine ganzzahligen Vielfachen der Wellenumdrehung) und zeigen an, wann ein Wälzkörper über den Außenringdefekt läuft. | Es sind mehrere Harmonische der Außenring-Kugeldurchgangsfrequenz (BPFO) vorhanden. Typischerweise sind bei einem ausgeprägten Außenringfehler 8–10 Harmonische der BPFO im Spektrum zu beobachten. Der Abstand zwischen diesen Spitzen entspricht der BPFO (einer charakteristischen Frequenz, die durch Lagergeometrie und Drehzahl bestimmt wird). | Eine deutliche Abfolge von Spitzen am BPFO und seinen nachfolgenden Harmonischen ist das Erkennungsmerkmal. Das Vorhandensein zahlreicher gleichmäßig verteilter Hochfrequenzspitzen (BPFO, 2×BPFO, 3×BPFO, …) weist eindeutig auf einen Defekt im Außenring des Lagers hin. | |
| Defekt im Innenring | Das Spektrum eines Innenlauffehlers weist mehrere markante Spitzen bei der Innenlauffehlerfrequenz und deren Harmonischen auf. Zusätzlich wird jede dieser Fehlerfrequenzspitzen typischerweise von Seitenbandspitzen begleitet, die im Abstand der Laufgeschwindigkeit (1×) liegen. | Enthält mehrere Harmonische der Innenring-Kugeldurchgangsfrequenz (BPFI), oft in der Größenordnung von 8–10 Harmonischen. Typischerweise werden diese BPFI-Spitzen durch Seitenbänder bei ±1 × U/min moduliert. Das bedeutet, dass neben jeder BPFI-Harmonischen kleinere Nebenspitzen erscheinen, die vom Hauptpeak um einen Betrag getrennt sind, der der Wellenrotationsfrequenz entspricht. | Das verräterische Zeichen ist das Vorhandensein von Harmonischen der Innenringdefektfrequenz (BPFI) mit einem Seitenbandmuster. Die im Abstand der Wellendrehzahl um die BPFI-Harmonischen angeordneten Seitenbänder deuten darauf hin, dass der Innenringdefekt einmal pro Umdrehung belastet wird. Dies bestätigt ein Problem mit dem Innenring und nicht mit dem Außenring. | |
| Wälzkörperdefekt (Kugel/Rolle) | Ein Defekt am Wälzkörper (Kugel oder Rolle) erzeugt Vibrationen mit der Wälzkörper-Drehfrequenz und deren Harmonischen. Das Spektrum zeigt eine Reihe von Spitzen, die kein Vielfaches der Wellendrehzahl, sondern ein Vielfaches der Kugel-/Rollen-Drehfrequenz (BSF) sind. Eine dieser harmonischen Spitzen ist oft deutlich größer als die anderen und spiegelt die Anzahl der beschädigten Wälzkörper wider. | Spitzen bei der Grundfrequenz des Wälzkörperdefekts (BSF) und deren Harmonischen. Beispielsweise treten BSF, 2×BSF, 3×BSF usw. auf. Das Amplitudenmuster dieser Spitzen kann insbesondere die Anzahl der beschädigten Elemente anzeigen – beispielsweise kann eine größte zweite Harmonische darauf hindeuten, dass zwei Kugeln/Rollen Absplitterungen aufweisen. Oftmals gehen damit Vibrationen bei den Laufbahnfehlerfrequenzen einher, da Wälzkörperschäden häufig auch zu Laufbahnschäden führen. | Das Vorhandensein einer Reihe von Spitzen, deren Abstand eher der BSF (Lagerelement-Drehfrequenz) als der Wellenrotationsfrequenz entspricht, weist auf einen Wälzkörperdefekt hin. Eine besonders hohe Amplitude der N-ten Harmonischen der BSF deutet oft darauf hin, dass N Elemente beschädigt sind (z. B. könnte eine sehr hohe 2×BSF-Spitze auf zwei defekte Kugeln hinweisen). | |
| Käfigdefekt (Lagerkäfig / FTF) | Ein Käfigdefekt (Separator) in einem Wälzlager führt zu Schwingungen mit der Käfigrotationsfrequenz – der Grundfrequenz (FTF) – und deren Harmonischen. Diese Frequenzen liegen üblicherweise subsynchron (unterhalb der Wellendrehzahl). Das Spektrum weist Spitzen bei FTF, 2×FTF, 3×FTF usw. auf und weist aufgrund von Modulation häufig Wechselwirkungen mit anderen Lagerfrequenzen auf. | Niederfrequente Spitzen entsprechen der Rotationsfrequenz des Käfigs (FTF) und ganzzahligen Vielfachen davon. Wenn beispielsweise die FTF ≈ 0,4× Wellendrehzahl ist, können Spitzen bei ~0,4×, ~0,8×, ~1,2× usw. auftreten. In vielen Fällen treten neben Käfigdefekten auch Laufringdefekte auf, sodass die FTF die Laufringdefektsignale modulieren und so Summen-/Differenzfrequenzen (Seitenbänder um die Laufringfrequenzen) erzeugen kann. | Ein oder mehrere subharmonische Spitzen (unter 1×), die mit der Rotationsrate des Lagerkäfigs (FTF) übereinstimmen, deuten auf ein Käfigproblem hin. Dies tritt häufig zusammen mit anderen Lagerfehlern auf. Das wichtigste Merkmal ist das Vorhandensein der FTF und ihrer Harmonischen im Spektrum, was ansonsten nur bei einem Käfigausfall ungewöhnlich ist. |
Getriebefehler
| Fehlertyp | Spektrumbeschreibung | Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten | Hauptmerkmal | SVG-Diagramm |
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| Zahnradexzentrizität / Gebogene Welle | Dieser Fehler führt zu einer Modulation der Zahneingriffsschwingung. Im Spektrum ist die Spitze der Zahneingriffsfrequenz (GMF) von Seitenbandspitzen umgeben, die im Abstand der Wellendrehzahl des Zahnrads (1× Zahnraddrehzahl) liegen. Oftmals ist auch die Eigenschwingung des Zahnrads bei 1× Laufgeschwindigkeit aufgrund des unwuchtähnlichen Effekts der Exzentrizität erhöht. | Deutliche Amplitudenerhöhung bei der Zahneingriffsfrequenz und ihren unteren Harmonischen (z. B. 1×, 2×, 3× GMF). Deutliche Seitenbänder erscheinen um die GMF (und manchmal um ihre Harmonischen) in Abständen, die der einfachen Drehzahl des betroffenen Zahnrads entsprechen. Das Vorhandensein dieser Seitenbänder deutet auf eine Amplitudenmodulation der Eingriffsfrequenz durch die Drehung des Zahnrads hin. | Die Zahneingriffsfrequenz mit ausgeprägten Seitenbändern bei der 1-fachen Zahnradfrequenz ist das charakteristische Merkmal. Dieses Seitenbandmuster (Spitzen, die durch die Laufgeschwindigkeit gleichmäßig um die GMF verteilt sind) deutet stark auf eine Exzentrizität des Zahnrads oder eine verbogene Zahnradwelle hin. Darüber hinaus kann die Grundschwingung des Zahnrads (1-fach) höher als normal sein. | |
| Verschleiß oder Beschädigung der Zahnräder | Zahnradfehler (wie abgenutzte oder gebrochene Zähne) führen zu einer erhöhten Vibration bei der Zahneingriffsfrequenz und deren Harmonischen. Das Spektrum zeigt häufig mehrere GMF-Spitzen (1×GMF, 2×GMF usw.) mit hoher Amplitude. Zusätzlich treten um diese GMF-Spitzen herum zahlreiche Seitenbandfrequenzen auf, die durch die Wellendrehfrequenz voneinander getrennt sind. In einigen Fällen kann auch die Anregung von Zahnrad-Eigenfrequenzen (Resonanzen) mit Seitenbändern beobachtet werden. | Erhöhte Spitzen bei der Zahneingriffsfrequenz (Zahneingriffsfrequenz) und ihren Harmonischen (z. B. 2×GMF). Um jede Hauptharmonische der GMF herum gibt es Seitenbandspitzen im Abstand von der einfachen Laufgeschwindigkeit. Anzahl und Größe der Seitenbänder um die 1×-, 2×- und 3×-GMF-Komponenten nehmen tendenziell mit der Schwere des Zahnschadens zu. In schweren Fällen können zusätzliche Spitzen auftreten, die den Resonanzfrequenzen des Zahnrads entsprechen (mit eigenen Seitenbändern). | Kennzeichnend sind mehrere Harmonische der Zahneingriffsfrequenz mit hoher Amplitude, begleitet von dichten Seitenbandmustern. Dies deutet auf unregelmäßigen Zahndurchgang aufgrund von Verschleiß oder einem Zahnbruch hin. Ein stark verschlissenes oder beschädigtes Zahnrad weist ausgeprägte Seitenbänder (in Intervallen von 1× Zahnraddrehzahl) um die Eingriffsfrequenzspitzen auf und unterscheidet sich dadurch von einem intakten Zahnrad (dessen Spektrum bei der GMF sauberer ist). |
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