Montage-Toleranzen und Unwucht beim Auswuchten und im Betrieb –> Lassen Sie sich beraten!

Wir von PMB sind mehr als einfach nur Lohnwuchter und Hersteller von Auswuchtsystemen und Maschinen. Wir haben sehr viel Erfahrung mit den Anforderungen an rotierende Bauteile und werden Sie gerne dabei unterstützen mit individuell angepassten Methoden die Qualität Ihrer Produkte zu sichern.

In diesem Artikel beschreibe ich, an einem realen Auftrag der Lohnwuchtung, was ich damit meine. Es geht um ein Schwungrad als Energiespeicher einer Anlage. Dieses sollte gegenüber der beim Hersteller sonst üblichen Wuchtgüte G6,3 auf G2,5 gewuchtet werden, damit die Anlagen spürbar ruhiger laufen. Die Schwungscheibe können Sie sich als einfache Stahlscheibe mit folgenden Eckdaten vorstellen:

Da = Außendurchmesser = 240 mm
Di = Durchm. der Aufnahmebohrung der Welle = 48 mm
T = Dicke der Scheibe = 20 mm
Dw = Wuchtdurchmesser für die Massenkorrektur = 200 mm
m = Masse der Scheibe = 7,15 kg
n = Betriebsdrehzahl = 1.500 U/min
Passung auf der Antriebswelle im Produkt H7/h9

Mit diesen Angaben rechnen wir nun die Aufgabenstellung nach.

Wie können wir sicherstellen, dass Sie den gewünschten Effekt in Ihrer Anlage feststellen?

Wir stellen uns ein paar Fragen und sprechen mit Ihnen darüber.

Passt die Montagetoleranz zur geforderten Wuchtgüte?

Aus der Passungsbezeichnung ergibt sich ein max. Durchmesserdifferenz zwischen Welle und Schwungscheibe von 0,087 mm und damit eine max. Exzentrizität von 0,044 mm. Das sind durchaus vernünftige Werte, woraus sich aber ergeben:

U = 314,6 gmm Unwucht
u = 3,146 g Unwuchtmasse
G = 6,92 mm/s Wuchtgüte.

Selbst bei einer auf „0“ gewuchteten Schwungscheibe, kann diese nach der Montage wieder eine Wuchtgüte von G = 6,92 zeigen. Darauf werden wir Sie ansprechen, denn wir sollen ja auf G = 2,5 wuchten und das passt nicht zusammen. Wenn Sie uns dann bestätigen, dass das beachtet wurde, ist alles prima – falls nicht, unterstützen wir Sie dabei Ihr Ziel zu erreichen.

Können wir die Schwungscheibe so aufspannen, dass wir G = 2,5 zuverlässig und reproduzierbar erreichen?

Eine kritische Frage, die sich viele andere Lohnwuchter unserer Erfahrung nach nicht stellen.

Ja, wir können das. Über unsere Spannmethoden, Überprüfungsverfahren, das Umschlagverfahren und unser Know-How können wir sicher stellen, dass die Schwungscheibe unsere Lohnwuchtung mit G = 2,5 verlässt.

Was wäre unsere Anregung in diesem Fall?

Verlässt die Scheibe unsere Lohnwuchtung mit G = 2,5, dann würde aufgrund der Toleranz der Bohrung die Schwungscheibe, auf eine perfekte Welle (gibt es leider nicht) montiert, eine Wuchtgüte von G = 4,5 haben. Auf der laut Spezifikationen vorgesehenen Welle wird die Scheibe sogar G = 9,42 haben. Falls Sie das beachtet haben, ist alles i.O.

Soll die Scheibe auch eingebaut in die Anlage G = 2,5 haben, dann schlagen wir vor über die Montagepassung nachzudenken. Wenn möglich enger wählen, wenn das nicht geht kann evtl. über einen zentrierfähigen Spannsatz montiert werden. Wenn wir statt auf G = 2,5 auf „0“ wuchten, kommen Sie damit bei höherem Aufwand in die richtige Richtung. Ist die Laufruhe in der Anlage dann noch nicht da wo sie sein soll, dann können wir den Rest der Wuchtung als Betriebswuchtung im eingebauten Zustand machen. Oder wir zeigen Ihnen, wie Sie das mit einem Auswuchtsystem von uns selbst erledigen können.

Falls die Laufruhe sehr hohe Priorität hat und damit die Betriebsauswuchtung ohnehin durchgeführt wird, empfehlen wir die Wuchtung der Scheibe gemäß der Spezifikationen auf G = 2,5. Der Rest der Laufruhe wird dann nach Bedarf mit der Betriebswuchtung eingestellt. Mit unseren Auswuchtsystemen können Sie das komfortabel erreichen.

Sie sehen: Es gibt mehrere Optionen. Wir würden diese mit Ihnen besprechen, damit wir gemeinsam den besten Weg festlegen können.

Übrigens: Je schneller drehend, umso kritischer. Die 1.500 U/min aus dem Beispiel sind ja noch recht moderat.

Rechnet man z.B. mit dem Verdichterrad eines Turbos (30 Gramm, 220.000 U/min, perfekt auf „0“ gewuchtet) und einer angenommenen Exzentrizität aus der Montage von 0,001 mm, ergeben sich:

U = 0,03 gmm
G = 23
F = 15,9 N Unwuchtkraft!

Zur Erinnerung: Wir gehen von einem perfekt gewuchteten VR aus, das auf ±0,001 mm exakt auf die Welle gesetzt wird! Und selbst wenn man sich einbildet es so exakt aufsetzen zu können und die Mutter so mild und perfekt passend anzuziehen, entsteht für einen Turbo erhebliche Unwucht. Der Turbo wird also pfeifen und muss mit einer Betriebsauswuchtung ruhig gestellt werden.

Auch in diesem Beispiel sind wir von PMB die richtigen Ansprechpartner. Wir wuchten Verdichterräder, sodass man später mit dem Turbo auf Drehzahl gehen kann. Und sichern dann mit Betriebsauswuchtungen der Turbos in unseren Anlagen deren Laufverhalten. Und Sie können Anlagen für diese Aufgaben von uns erwerben.

Kennzahl: Unwucht U und Unwuchtmasse u

Nur um sicher zugehen: Die Unwucht U (Großbuchstabe) ist etwas anderes als die Unwuchtmasse u (Kleinbuchstabe).

Die intuitivste Kennzahl für den Unwuchtzustand eines Rotors ist die Unwuchtmasse u. Mit der Angabe u = 1 Gramm ist direkt klar, dass an einer Stelle des Rotors 1 Gramm zuviel oder zuwenig ist. Leider hat diese direkte Angabe der Unwuchtmasse einen Nachteil: Sie führt leicht zu Missverständnissen. Denn die Wirkung dieser Masse hängt vom Radius ab, auf dem sie sitzt. Je weiter außen am Rotor, desto größer die Fliehkraft und damit die Wirkung. Also sollte man dem Kollegen statt „mach mal 1 Gramm weg“ besser sagen „mach mal 1 Gramm auf dem Radius 100 mm weg“.

Und genau dafür gibt es die Angabe der Unwucht U=u*r. Sagen Sie nun dem Kollegen „mach mal 100 g*mm weg“, dann bohrt er eben 1 Gramm auf 100 mm Radius oder 2 Gramm auf 50 mm Radius weg.

Empfehlung: Wenn beim Radius Interpretationsspielraum ist, dann unbedingt in Unwucht [gmm] kommunizieren. In unserer Lohnwuchtung ist das aus gutem Grund die übliche Einheit.

Falls Sie mehr über U <-> u wissen wollen, dann schauen Sie mal hier rein.

Wenn ich eine Serie wuchte, was ist zu beachten?

Unser Auswuchtsystem wird sehr gerne für die Prototypenwuchtung in Entwicklungsabteilungen und ebenso in der Produktion für die Serienwuchtung verwendet. Beides kennen wir aus unserer PMB-Lohnwuchtung und von den vielen Systemen bei den Anwendern unserer Technologie. Was dabei auffällt:

Die Anforderungen in der Produktionsumgebung sind in vielen Dingen sehr ähnlich zu der Laborarbeit – Genauigkeit und deren Überprüfbarkeit, Flexibilität, einfache Bedienung, das wird in beiden Bereichen gewünscht und bereit gestellt. Natürlich wünschen sich Anwender bei der Serienwuchtung eine Automatisierung wiederkehrender Aufgaben, das ist keine Überraschung.

Interessanter wird es mit dem Thema…

Überprüfbarkeit und Reproduzierbarkeit

Die Überprüfbarkeit der Ergebnisse eines hochpräzisen Auswuchtsystems ist immer wieder ein wichtiges Thema in den Gesprächen mit unseren Kunden. Denn geometrische DImensionen eines Bauteils können einfach nachgemessen werden, die Unwucht nur auf einer Auswuchtanlage. Und da jeder Hersteller solcher Anlagen diesen bestimmte Eigenschaften mitgibt, ist ein direkter Vergleich der Ergebnisse schwierig.

Wie man die Ergebnisse im Einzelfall überprüft führt hier zu weit – dieses Thema gehen wir gerne in unseren Anwenderschulungen an. Denn darin können wir gezielt auf die passenden Vorgehensweisen eingehen. Für die Serienwuchtung ist zusätzlich wichtig:

  • Kalibrierservice für die Elektronik nutzen
    Die verwendeten Gerätschaften sollten regelmäßig (z.B. jährlich) überprüft werden. Wer ISO9001 zertifiziert ist, ist ohnehin dazu angehalten.
    Unsere Messelektronik (PMB-BALANCER…) wird bei der Kalibrierung komplett überprüft und mögliche Einflüsse der Elektronik auf das Ergebnis werden ausgeglichen.
  • Statistiken nutzen, „Augen offen halten“, Kennzahlen verfolgen
    Die statistische Auswertungsfunktion unserer Auswuchtsoftware hilft systematische Abweichungen zu verfolgen. Nimmt die mittlere Eingangsunwucht zu, dann ist das ein wichtiger Hinweis für die vorangehenden Produktionsschritte. Nimmt die Anzahl der Massenkorrekturen je Bauteil zu, dann ist auch das ein Hinweis, das etwas aus dem Ruder läuft. Schulen Sie die Bediener darin sich veränderndes Verhalten der Rotoren nicht einfach hinzunehmen, sondern zu überprüfen und zu melden. Legen Sie einfache Kennzahlen fest, die dem Bediener und Ihnen helfen, ungewollte Zustände rechtzeitig zu erkennen.
  • Kalibrierung regelmäßig kontrollieren
    Das Auswuchten ist immer ein vergleichender Arbeitsschritt. Über die Kalibrierung mit Testmassen wird mit einem Master für die Software ein Zusammenhang zwischen gemessenem Schwingungsbild und Unwuchtzustand hergestellt. Unsere Systeme führen Sie in einfach verständlicher Weise durch den kurzen Prozess der Unwuchtkalibrierung. Diese Kalibrierung wird dann für alle nachfolgenden Werkstücken verwendet und man geht davon aus, dass sich diese auf der Anlage identisch wie der Master verhalten.
    Bei der Serienanwendung empfehlen wir mehrere Master zu haben und diese bei der Kalibrierung miteinander zu vergleichen. Gilt jede Kalibrierung jedes Master auch für die anderen Master, können Sie loslegen. Und um Sicherheit zu schaffen, können wir bei PMB für jeden dieser Master Referenzwerte bestimmen.Sehr wichtig:
    Behandeln Sie Master sorgfältig und speichern Sie nach der Kalibrierung die aktuellen Werte des Masters ab. Legen Sie einen Überprüfungszyklus fest (z.B. alle 10 /100/1000 Werkstücke), in dem der Master zur Vermessung erneut aufgenommen wird. Sind die Werte innerhalb der Toleranz zur Kalibrierung, dann kann die Serie weiterlaufen, ansonsten liegt eine zu ergreifende Maßnahme an.
  • Prozesse davor/danach stabil halten
    Laufen die Prozesse vor dem Auswuchten aus dem Ruder, wird das häufig erst beim Auswuchten bemerkt, denn hier laufen viele der Rotoren das erste mal im Produktionsprozess. Stellt man also beim Auswuchten Abweichungen fest und mit dem Master ist bei einer Überprüfung alles in Ordnung, dann schauen Sie sich unbedingt die Prozesse vor dem Auswuchten an. Wenn Sie beispielsweise auf eine rechnerische Restexzentrizität von wenigen Nanometern auswuchten, dann kann eine Kleinigkeit in der Dreherei in der Auswuchterei zu Auffälligkeiten führen.
  • Dokumentieren Sie!
    Führen Sie im Sinne der Nachverfolgbarkeit Seriennummern ein und speichern Sie zu jedem Wuchtobjekt den Auswuchtverlauf. Dann können Sie im Fall der Fälle nachträglich wertvolle Hinweise zu Ihrem Prozess finden.
  • Pflegen Sie die Mechanik
    Unsere Prüfstände sind robust aufgebaut. Gehen Sie bitte sorgfältig damit um, reinigen Sie regelmäßig oder besser noch nach Bedarf, dann bleibt der Verschleiß gering. Und wenn ein Verschleißteil an seine Grenze kommt, dann tauschen Sie es aus. Abgelaufene Schuhe tauschen Sie ja auch aus ohne Ihre Beine in Frage zu stellen.

Da Auswuchtsysteme meist nur durch sich selbst überprüfbar sind, sind QM und QS in der Auswuchtserie unverzichtbar. Wie Sie das effizient und sicher organisieren, werden wir gerne gemeinsam festlegen – unsere Schulungen und das Consulting leisten das. Das Thema ist komplex und wir unterstützen Sie gerne darin.

Kennzahlen: Wuchtgüte G

Die Wuchtgüte G in mm/s ist ein Qualitätsmerkmal, das den auswuchttechnischen Vergleich von Rotoren ermöglicht.

Im Allgemeinen darf die zulässige Unwucht umso größer sein, je schwerer der Rotor ist. Deshalb wird die zulässige Restunwucht Uzul auf die Rotormasse m bezogen. Erfahrungen aus der statistische Auswertung von Schadensfällen zeigen, dass auch die Drehzahl eine wichtige Rolle spielt und eine Schädigung eines bestimmten Maschinentyps bei gleichem Produkt aus ezul (zulässige Exzentrizität) und Drehzahl eintritt. Ist also die Wirkung auf eine Maschine mit ezul*ω=const gleich, ist auch die Lagerbeanspruchung ungefähr gleich.

Im Begriff der Wuchtgüte wird also berücksichtigt:

  • Höhere Drehzahlen verursachen größere Unwuchtkräfte auf die Lagerung.
  • Größere Rotoren erzeugen bei gleichem ezul größere Unwuchtwuchtkräfte auf die Lager, wobei größere Rotoren auch Lager größerer Tragfähigkeiten haben.
  • Ist für zwei unterschiedliche Rotoren ezul*ω identisch, werden beide Rotoren voraussichtlich die gleiche Funktionsdauer zeigen.

Die Zusammenhänge als recht einfache Formel:

mit

Alle Rotoren einer Güteklasse haben also bei gleicher Drehzahl:

  • auch bei unterschiedlichem Gewicht gleiche Exzentrizitäten,
  • das gleiche Verhältnis von U/m (Unwucht zu Masse).

Zur Veranschaulichung der Einflüsse von Unwucht, Gewicht und Drehzahl auf die Wuchtgüte, werden im Folgenden drei Beispiele angeführt.

Beispiel 1: Gleiche Rotoren, gleiche Drehzahl, unterschiedliche Unwucht:

U= 400 gmm; n = 3.000 1/min; m = 7.500 g = 7,5 kg

U= 200 gmm; n = 3.000 1/min; m = 7.500 g = 7,5 kg

Eine Halbierung der Unwucht hat also eine Verbesserung der Wuchtgüte um den Faktor zwei zur Folge. Gewicht und Drehzahl wurden nicht verändert.

Beispiel 2: Gleiche Unwucht, gleiche Drehzahl, unterschiedliches Rotorgewicht

U = 400 gmm; n = 3.000 1/min; m1= 7.500 g = 7,5 kg 

U = 400 gmm; n = 3.000 1/min; m2 = 3000 g = 3 kg

Eine Reduktion des Rotorgewichts, um den Faktor 2,5, führt zu einer Verschlechterung der Wuchtgüte um diesen Faktor. Unwucht und Drehzahl wurden nicht verändert.

Beispiel 3: Gleiche Unwucht, gleiches Rotorgewicht, unterschiedliche Drehzahl

U = 400 gmm; n1 = 3.000 1/min; m = 7.500 g = 7,5 kg

U = 400 gmm; n= 1.000 1/min; m = 7.500 g = 7,5 kg

Senkt man die Drehzahl auf ein Drittel, verbessert sich die Wuchtgüte um den Faktor drei. Rotorgewicht und Unwucht sind gleich.

Zusammenfassend:

  • Die Wuchtgüte ist keine direkte Angabe der Unwucht oder Unwuchtmasse, erlaubt aber den Vergleich verschiedenster Rotorgrößen.
  • Je schwerer ein Rotor ist, desto mehr Unwucht darf er bei gleicher Wuchtgüte haben.
  • Je höher die Drehzahl ist, desto besser muss bei gleichem Rotorgewicht ausgewuchtet werden.