Unwucht gegossener Räder

Die Lohnwuchtung von PMB bekommt immer wieder Gussteile (z.B. Turbinenräder oder Verdichterräder mit Bohrung und bearbeiteter Außenkontur) zum Vermessen / Wuchten. Die Kunden gehen dabei des öfteren davon aus, dass nur geringe bis keine Unwucht vorhanden ist, was wir bestätigen und bestenfalls optimieren sollen. Da die Außenkontur ja sehr gut laufend zur Bohrung bearbeitet ist, könne ja kaum noch Unwucht vorhanden sein.

Beim Vermessen auf unseren hochgenauen Anlagen zeigt sich dann, dass hier Theorie und Praxis immer wieder weit auseinander liegen. Einige Gussräder haben sogar soviel Unwucht, dass sie nicht wuchtbar sind (ohne Funktionsgefährdung nicht ausreichend Masse entfernbar).

Aber woran liegt das? Wir beschreiben hier zwei typische Ursachen, die für die Unwucht verantwortlich sein können. Dabei kann die Unwucht sowohl aus der Bearbeitung als auch aus dem Guss heraus kommen.

Variante 1 (Bearbeitung): Bohrung exzentrisch, Nabe zentrisch

Hier wurde bei der Bearbeitung die Bohrung (ungewollt) exzentrisch zur geplanten Drehachse des Gussrades gesetzt. Der Nabenteil des Rades ist also zentrisch, die Bohrung darin jedoch nicht. Nach der Bohrung erfolgte eine Überarbeitung durch Überdrehen der Außenkontur, um möglichst guten Rundlauf zu erreichen. Als Spannreferenz wurde also die zuvor gesetzte Bohrung genutzt.
Exzentrische Bohrung

In der überspitzten Zeichnung sieht man deutlich, dass links viel mehr „Flügelanteil“ und rechts viel mehr „Nabenanteil“ vorhanden ist. Vermisst man nun, auf der Suche nach der Unwuchtursache, die Außenkontur des Bauteil zur Spannreferenz (Bohrung), wird man keine Abweichung feststellen, das Rad läuft ohne Schlag sehr gut rund. Alles scheint in Ordnung zu sein, dennoch gibt es eine ungleichmäßige Verteilung der Masse im Bauteil. Was jetzt im Fertigteil den größeren Unwuchteinfluss hat, der exzentrische Nabenteil oder der exzentrische Flügelteil, kann berechnet werden. In der Turbopraxis überwiegt häufig die Nabe. Muss bei der Bearbeitung also viel Material zerspant werden, lohnt es sich das Rad genauer anzusehen.

Varinate 2 (Fehler in Gussform): Bohrung zentrisch, Nabe exzentrisch:

Bei dieser Variante sitzt die Bohrung zentrisch zur Außenkontur. Bei der Bearbeitung der Außenkontur auf Rundlauf wird nur minimal Material abgenommen, hat also auch nur kleinen Einfluss auf die Unwucht. Bei der Kontrolle der Außenkontur ist auch dieses Rad unauffällig.

Exzentrischer Guss

Im Lauf hat das Rad jedoch ein Unwucht, da die schwere Nabe exzentrisch ist, es liegt wieder einen ungleichmäßige Verteilung der Masse vor. Hier liegt also ein Fehler in der Gussform, häufig systematisch.

Abhilfe durch Auswuchten:

Durch Auswuchten kann man beide Varianten in die Spezifikation des Hersteller bringen. Voraussetzung hierfür ist, dass genug „Opfermasse“ vorhanden ist, also z.B. die Wandstärken nicht bis an die Grenze optimiert wurden. Der Wuchter braucht unbedingt Material für den Massenabtrag (z.B. Schleißring und Opfernase).

Für beide Fehlervarianten können wir bei PMB Nachweise führen und gemeinsam mit Ihnen Herstellprozesse oder Form optimieren.

 

Hat die Breite der Markierung einen Einfluss? Führt eine besonders schmale Markierung zu besonders genauen Messungen?

In unseren Schulungen und Lehrgängen fällt mir immer wieder auf, dass eine auf den ersten Blick ganz einfache Sache viele Fragen aufwerfen kann. Intuitiv machen sehr viele Teilnehmer den Strich der Markierung für den Phasengeber so schmal wie möglich. Und fragen dann: Muss ich die Markierung eigentlich so schmal wie möglich machen, um ganz genau auszuwuchten?

Wie immer zuerst die kurze Antwort für Anwender des PMB Auswuchtsystems CAROBA-BALANCER:

Nein, die Strichbreite hat nur minimalen Einfluss auf die Genauigkeit des Auswuchtsystems, solange der Strich breit genug ist, um überhaupt vom Phasengeber erkannt zu werden (dazu gleich mehr). Eine breite Markierung ist in aller Regel sogar von Vorteil.

Wie breit muss meine Markierung denn mindestens sein?

Das hängt von der Rotorgeschwindigkeit (Drehzahl), der Lichtschranke und davon, wo Sie den Rotor markieren können (an welchem Durchmesser), ab. Solange die Breite der Markierung nicht winzig im Vergleich zum Rotorumfang ist und der Rotor nicht rasend schnell dreht, ist in der Regel alles prima. Für die Anwender, die den Grenzbereich ausloten wollen oder müssen, die z.B. mit großen Rotoren bei sehr hohen Drehzahlen wuchten müssen, gebe ich hier Formeln zur Berechnung der Mindeststrichbreite an.

Mindeststrichbreite für den Lasertaster des Auswuchtsystems PMB CAROBA:

Trigger Formel Laser

 

 

Mindeststrichbreite für den Kontrasttaster des Auswuchtsystems PMB CAROBA:

Trigger Formel Kontrast

 

 

b = Breite des Striches [mm]
fDreh = Drehfrequenz der Spindel [1/s]
d = Durchmesser, auf dem sich der Strich befindet [mm]
π ≈ 3,14

Beispielrechnung
Wir machen zur Veranschaulichung eine Beispielrechnung für der Kontrasttaster mit folgenden Rotordaten:
Unser Rotor wird sich beim Auswuchten mit 60.000 U/min drehen. Das entspricht 1.000 Hz:

fDreh = 1.000 1/s

Unsere Markierung ist 10 mm von der Mitte der Rotationsachse entfernt, also auf einem Durchmesser von 20 mm:

d = 20 mm

Wir setzen ein:

Trigger Formel Strichbreite

 

 

Aufgerundet kommt man so auf einen Wert von 7 mm als absolutes Minimum, das entspricht ca. 1/9 des Umfangs – schmaler darf der Strich nicht sein. In der Praxis würde man hier einfach eine Breite von 20 mm (1/3 Umfang) wählen, um locker über den 7 mm zu liegen.

Richtlinien für die optimale Markierungsbreite

  • Je kleiner der Durchmesser ist, auf dem Sie markieren können, umso schmaler kann der Strich sein.
  • Je schneller der Rotor dreht, umso breiter muss der Strich sein
  • Lieber ein bischen zu breit als zu schmal
  • Aber: Wenn die Markierung merklich Masse auf den Rotor bringt übertreiben Sie es nicht mit der Breite. Schauen Sie bei Bedarf nach einem anderen Markierer. Ein Lack-Edding macht merklich schwere Striche, ein normaler Edding-Marker macht leichte Striche.

Wo ist die Null der Winkelzählung? Am Anfang, in der Mitte, am Ende der Markierung?

Auch das sind sehr häufig in Lehrgängen gestellte Fragen:

  • Wenn die Nullmarkierung („Triggerstrich“) verwendet wird, um die Winkellage der Unwucht zu berechnen, muss ich den Triggerstrich dann genau auf meine gewünschte „Null“ setzen?
  • Und wenn ich es ganz genau machen will: Ist dann in Drehrichtung die vordere oder hintere Kante der Markierung die „Null“? Oder die Mitte des Strichs?

Die kurze Antwort für Anwender des PMB Auswuchtsystems: Wo die „Null“ Ihres Rotors ist, legen Sie bei der Kalibrierung fest. Wo die Triggermarkierung ist, ist dabei in sehr vielen Fällen völlig unerheblich.

Das klingt paradox, wo doch nach der Markierung der Ort der Unwucht berechnet wird. Daher erkläre ich hier kurz die Hintergründe, deren Verständnis die Sache enorm erleichtert. Wie angedeutet, gilt das Folgende für das PMB-CAROBA, ob andere Hersteller es auch so flexibel und einfach gelöst haben, will ich hier nicht beurteilen.

Wohin kann ich den Nullpunkt der Winkelzählrichtung auf meinem Rotor legen?

Wohin sie wollen, beliebig auf dem Rotor.

Es bietet sich an einen vorhandenen Nullpunkt (Werkzeugpunkt, Körnung, Beschriftung, Passfedernut…) weiter zu nutzen. Die Messung wird damit zurückverfolgbar und kann zu beliebigen Zeitpunkten mit identischen Festlegungen wiederholt werden.

Sie legen den Nullpunkt bei der Kalibrierung fest, dazu jetzt mehr.

Nullpunkt wird bei Kalibrierung festgelegt!

Der Nullpunkt wird nicht durch die Triggermarkierung, sondern durch die Angabe des Winkels zwischen Kalibriergewicht und Triggermarkierung bei den Kalibrierläufen festgelegt. Das versteht man am schnellsten durch Unterscheidung folgender zwei Fälle:

  • Triggerstrich dort, wo „Null“ sein soll:
    So mache ich es immer, denn es ist am einfachsten. Einfach den Triggerstrich dahin machen, wo die Null sein soll. Beim Kalibrieren bringen Sie dann das Testgewicht „am Strich“ an, geben seine Position mit 0° ein und fertig. Beim Auswuchten werden die Winkel also ab Strich gezählt.
  • Kalibriermasse gegenüber Nullmarkierung verdreht:
    Das kommt beispielsweise vor, wenn man die Kalibriermassen nicht an einer bereits an einem Rotor vorhandenen Null anbringen kann, häufig bei Turboladern. Damit entstehen 2 weitere Fälle:

    • Triggerstrich soll die Null sein:
      Bringen Sie das Kalibriergewicht an und geben Sie in der Software den Winkel zwischen Triggerstrich und der Kalibriergewicht an. Damit rechnet die Software diese Verdrehung heraus und die Auswuchtanweisungen beziehen sich damit direkt auf die Triggermarkierung.
    • Ort des Kalibriergewichts soll die Null sein:
      Bringen Sie das Kalibriergewicht an und tragen Sie bei der Software den Winkel 0° ein. Ab jetzt werden Auswuchtanweisungen auf diesen Nullpunkt bezogen. Das ist praktisch, wenn der Triggerstrich „irgendwo“ ist, man den Winkel zum Kalibriergewicht nicht bestimmen kann oder will.

Ich empfehle entweder den Triggerstrich dorthin zu machen, wo die Null sein soll und auch das Kalibriergewicht dort anzubringen, es ist die einfachste Lösung.

Alternativ kümmern Sie sich einfach nicht um die Triggermarkierung und sagen der Software, das Testgewicht sei bei 0° – dann zählen Sie Winkel ab sofort ab der durch das Testgewicht definierten Null.

Und ist nun eine Kante oder die Mitte des Strichs die Null?

Ganz wie Sie wollen!

Wenn Sie nach einem oben genannten Weg vorgehen, zählen Sie einfach immer ab Mitte des Strichs oder ab Ihrer Lieblingskante. Solange Sie das immer so machen, ist alles in bester Ordnung.

Und wenn ich mehrere Teile zu wuchten habe, muss ich den Strich immer gleich machen?

Ja, falls Sie die Kalibrierung des ersten Werkstücks auch für die folgenden verwenden wollen.Ich gehe darauf in einem anderen Artikel genauer ein, hier als Zusammenfassung:

Der Strich ist die Null: Es reicht in der Praxis aus, wenn die Strichbreite halbwegs identisch machen. Die erste Kalibrierung kann weiter verwendet werden.

Der Strich ist nicht die Null, aber Sie kennen den Winkel zur Null: Machen Sie den Strich immer halbwegs identisch und an halbwegs identische Position. Die erste Kalibrierung kann weiter verwendet werden.

Der Strich ist nicht die Null und „irgendwo“: Ein sehr seltener Fall, bei der PMB-Lohnwuchtung noch nie aufgetreten. Sie müssten für jedes Werkstück neu kalibrieren.

Und nochmal für ganz Sicherheitsbewusste meine Empfehlung gegen Verwirrung mitten im Wuchtprozess: Wenn möglich Strich bei 0° machen, dort kalibrieren und als Winkel bei der Kalibrierung 0° eingeben. Dann ist der Strich der Nullpunkt.

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Nullmarkierung und Phasensignal

Bei meinen Schulungen und Optimierungen an Kundenanlagen werden mir Fragen rund um den Trigger, auch als Phasengeber bezeichnet, recht häufig gestellt. Der Phasengeber liest eine Markierung auf dem Werkstück (z.B. ein Turboläufer) ab und zusammen mit den Schwingungssignalen berechnet das PMB-CAROBA Auswuchtsystem daraus die Unwucht in Betrag und Winkel.

Damit hat der Phasengeber direkten Einfluss in die Qualität der Korrekturanweisung beim Auswuchten. Bei den Details, welche Einstellungen welchen Einfluss auf die Genauigkeit haben, gibt es anscheinend Klärungsbedarf. Glücklicherweise ist das schnell erklärt, denn softwareseitig haben wir von PMB beim Auswuchtsystem CAROBA die wichtigsten Grundlagen für höchste Präzision geschaffen. In den folgenden Artikeln gehe ich auf folgende Fragen ein, folgen Sie einfach den Links:

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Wie funktioniert der Phasengeber eigentlich?

Bei der dynamischen Unwuchtmessung werden die Schwingungen während einer Umdrehung des Werkstücks (z.B. ein Verdichterrad eines Turboladers) gemessen. Gleichzeitig tastet der Phasengeber eine Markierung auf dem Werkstück ab. Damit liegen dem PMB-CAROBA Auswuchtsystem Messwerte zu den Unwuchtschwingungen, der Drehzahl und der Zeit seit dem letzten Passieren der Markierung am Phasengeber vor.

Daraus wird die Unwucht U [gmm] und der Winkel, an dem diese sitzt, berechnet. Das wird zusammen mit einer Auswuchtanweisung zur Anzeige gebracht.

Die Markierung auf dem Werkstück (Welle, Verdichterrad…) sollte sich im Kontrast vom Werkstück unterscheiden. Werkstücke aus Metall versehen wir in unserer Lohnwuchtung fast immer mit einem Eddingstrich.

Triggermarkierung

Typische Triggermarkierung in einem PMB-internen Kalibrieraufbau.

Zum Zeitpunkt dieses Artikels (2.2014) steht das Auswuchtsystem mit 3 einfach zu bedienenden Phasengebern zur Verfügung. Auf Wunsch sind nahezu beliebige andere Phasengeber möglich. Alle Phasengeber können mit Montagematerial (Universalhalter, Gelenkarm…) bezogen werden.

Kontrasttaster mit Teach-in:

Der Kontrasttaster hat 12,5 mm Arbeitsabstand. Sensorlicht auf die Markierung auf dem zu wuchtenden Bauteil richten, den Teach-in-Knopf drücken, neben die Markierung richten, den Teach-in-Knopf erneut drücken, fertig eingerichtet.

Lasertaster

Der Lasertaster funktioniert bis zu einem Arbeitsabstand von 250 mm. Statt Teach-in wird hier die Empfindlichkeit manuell eingestellt, bis eine Kontroll-LED bei Passieren der Markierung kurz leuchtet oder aus geht (je nachdem ob hellere oder dunklere Markierung).

Induktiver Taster

Dieser Taster kann unter Öl und in extremen Umgebungen eingesetzt werden, da er nicht optisch funktioniert. Allerdings ist statt eines Striches auf dem Werkstück eine Nut oder eine Erhebung nötig. Der Arbeitsabstand beträgt 1,5 mm.

Die Sensoren sind ein sehr zuverlässiger Bestandteil des Auswuchtsystems. Bei der Einrichtung kann das Signal in der Signal-Anzeige („Signal-Tab“) kontrolliert werden. Es sollte bei drehendem Werkstück ein störungsfreies Rechtecksignal zu sehen sein. Über den Arbeitsabstand und die Empfindlichkeitseinstellung ist die Justage auf ein sauberes Signal schnell erledigt.

Triggersignal

Sauberes Triggersignal in der Signalanzeige des PMB-CAROBA Auswuchtsystems.

Sind in dieser Anzeige wie im Bild keine Störungen zu erkennen, ist alles richtig eingestellt und die Phasenmessung wird mit hoher Genauigkeit funktionieren

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Die dynamische Unwucht

Nachdem wir mit Die statische Unwucht und Die Momentenunwucht die Grundkomponenten jeglicher Unwucht betrachtet haben wenden wir uns heute deren Mischformen zu.

Die quasi-statische Unwucht

Quasi-statische Unwucht ist eine spezielle Kombination aus statischer Unwucht und Momentenunwucht. Die Besonderheit, die die quasi-statische Unwucht von der allgemeinen dynamischen Unwucht unterscheidet ist die Lage der statischen und Momentenunwucht zueinander: Beide Komponenten liegen in derselben Längsebene.

Dieser Zustand stellt sich am perfekt ausgewuchteten Rotor ein, wenn eine einzige Unwuchtmasse in einer Radialebene abseits der Schwerpunktebene angebracht wird.

Durch diese Besonderheit lässt sich eine quasi-statische Unwucht durch den Ausgleich in einer Ebene beseitigen.

Die dynamische Unwucht

Dies ist der allgemeinste Begriff der Unwucht. Eine dynamische Unwucht kann aus einer beliebigen Kombination aus statischer und Momentenunwucht bestehen, ohne das dabei bestimmte Beziehungen zwischen den einzelnen Komponenten bestehen müssten.

Der Unwuchtzustand kann immernoch durch eine Kombination aus statischer und Momentenunwucht dargestellt werden. In dem obigen Bild beschreiben die Vektoren Um, -Um und US den Unwuchtzustand des Rotors.

Üblicherweise wird der Unwuchtzustand jedoch durch die Angabe von zwei Unwuchtvektoren in beliebig gewählten Ebenen angegeben. UE1 und UE2 in obiger Abblidung beschreiben den Unwuchtzustand des Rotors genau so akkurat wie die drei Vektoren, die ihn als Kombination aus statischer Unwucht und Momentenunwucht beschreiben.

Die Beschreibung des Unwuchtzustandes durch zwei Vektoren hat einen entscheidenden Vorteil: Sie gibt Anleitung zur Beseitigung der Unwucht durch zwei Massekorrekturen. Dazu müssen nur die Ebenen, in der die Unwucht dargestellt wird in die Ausgleichsebenen gelegt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen:

Da alle Arten der Unwucht letztendlich nur Sonderfälle der dynamichen Unwucht sind wird klar: Jeder Unwuchtzustand kann durch zwei Unwuchtvektoren dargestellt und ausgeglichen werden.

Die Momentenunwucht

Aufbauend auf Die statische Unwucht machen wir heute den nächsten Schritt in der Auswuchttheorie: Wir betrachten den Sonderfall der reinen Momentenunwucht. Dieser Zwischenschritt ist sehr hilfreich, wenn man in den Folgeartikeln die quasi-statische Unwucht und die allgemeine dynamische Unwucht verstehen will.

Bei der reinen Momentenunwucht sind 2 Unwuchten so genau gegenüber und mit einem Abstand l angeordnet, dass sich keine statische Unwucht ergibt (U1=U2). Statisch betrachtet kann, z.B. durch Auspendeln, keine Unwucht festgestellt werden.

Erst bei einer Rotation des Rotors entstehen durch den Abstand l zwischen beiden Unwuchten U1 und U2 entgegengesetzte Fliehkräfte, die bezüglich eines beliebigen Punktes des Rotors ein Drehmoment erzeugen. Um weiterhin statt mit Kräften mit Unwuchten hantieren zu können, führen wir hier den Begriff der Momentenunwucht ein. Die Momentenunwucht berechnet sich nach:

Um [g·mm2] = l·U und liegt senkrecht zu der Längsebene, in der die Unwuchten liegen.

Die Auswirkungen von Um, also die bei der Rotation entstehenden Lagerkräfte, sind dabei unabhängig von der Lage der Unwuchtebenen zu den Lagern oder zum Schwerpunkt – solange U und l konstant bleiben, ändern sich auch die Lagerkräfte nicht. Die Lagerkräfte sind gleich groß für beide Lager, jedoch einander entgegengesetzt.

Die Korrektur einer Momentenunwucht erfolgt in zwei Ausgleichsebenen, sodass eine Um entgegengerichtete Momentenunwucht Uma entsteht.

-Um = Uma = la·Ua

Dazu werden in zwei Radialebenen mit Abstand la, die nicht den Unwuchtebenen entsprechen müssen, Ausgleichsmassen angebracht, die wieder gleich große entgegen gesetzte Unwuchten Ua verursachen.

Zusammenfassend läst sich sagen:

  • Die Momentenunwucht ist eine andere Art der Unwucht als die statische Unwucht.
  • Sie kann nur dynamisch (bei drehendem Rotor) festgestellt werden.
  • Sie ist unabhängig vom Schwerpunkt.
  • Sie erzeugt in den Rotorlagern gleichgroße Lagerkräfte.
    Je geringer der Lagerabstand, umso größer die Lagerkräfte.
    Je größer der Lagerabstand, umso geringer die Lagerkräfte.
  • Die entstehenden Lagerkräfte steigen quadratisch mit der Drehzahl (wie auch bei der statischen Unwucht).
  • Sie wird in 2 Ebenen ausgeglichen.
  • Die Ausgeichsebenen können beliebig gewählt werden

Im nächsten Artikel behandeln wir dann die quasi-statische Unwucht. Und auch gleich die allgemeine dynamische Unwucht, denn damit haben wir dann endlich alle Arten der Unwucht zusammengefasst.

Wie ist Ihre Meinung zu diesem Artikel? Sind die Zusammenhänge verständlich erläutert?
Ich habe in diesem Artikel bewusst auf die Berechnung der Lagerkräfte verzichtet, da ich dazu Unwuchtkräfte, Momentenunwucht und Unwuchtmomente, Abstände l=Ebenenabstand und L=Lagerabstand einführen müsste. Ich habe die Erfahrung gemacht, dass damit eher Verwirrung als Klärung entsteht.
Falls Sie die Berechnung der Lagerkräfte vermissen: Ich würde gerne erst alle Unwuchten erklären und dann in einem späteren Artikel die Lagerkräfte berechnen. Meiner Meinung nach ist das der einfachere Weg.

Ich freue mich auf Ihre Rückmeldungen!