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.

 

Aus dem Support: Welche Auflagerung brauchen meine Rotoren?

Einleitung

Ich beschreibe hier einen aktuellen Fall aus unserem Support – die Mitarbeiter lagen mit Ihrer Meinung goldrichtig: Der Einfluss der Lagerung auf das Wuchtergebnis ist natürlich sehr wichtig. Mit kleinen und richtigen Veränderungen am Aufbau kann eine Grenze weit verschoben werden – wie unser Support das erreicht hat, schildere ich hier.

Einer unserer Kunden wuchtet relativ kleine Wellen für seine Produkte auf unserem Prüfstand CAROBA-WORKSTATION-L, ausgerüstet mit unseren Lagerböcken-S (Rollen montiert) und dem Bandantrieb-S. Er hat damit bisher sehr gute Erfahrungen gemacht und wuchtet seine Wellen zuverlässig und schnell auf G=2,5 mm/s. Das ist bereits sehr gut, bezieht sich diese Wuchtgüte doch auf die Einsatzdrehzahl von bis zu 40.000 U/min. Dieses gute Ergebnis überrascht uns bei PMB nicht besonders, genau für diese Aufgabe haben wir den Kundenprüfstand individuell optimiert.

Für eines seiner Produkte ist nun die Betriebsdrehzahl von 40.000 U/min auf 50.000 U/min erhöht worden. Gleichzeitig hat sich die Anforderung an die Wuchtgüte von G=2,5 mm/s auf G=1 mm/s verschärft.

Das Problem

Der Kunde kommt mit der Welle auf Lagerböcken mit Rollen nicht unter G=2,0 mm/s für 50.000 U/min. Das Ziel sind G=1 mm/s. Die angezeigten Korrekturvorschläge springen ab G=2,0 mm/s so stark, dass trotz der ausgefeilten Filtermechanismen des Auswuchtsystems-CAROBA sinnvolles Wuchten einfach nicht mehr möglich ist.

Polardiagramm: Springende PunkteAuch im Polardiagramm, in dem der Auswuchtverlauf dargestellt wird, verteilen sich die Unwuchten der Einzelmessungen ziellos (siehe Bild rechts: Die 5 Einzelmessungen für einen Mittelwert sind zufällig verteilt). Auswuchten ist bei solchen Messungen schwer oder gar unmöglich. Wir bewegen uns zwar schon im Bereich von einzelnen Milligramm, aber hier muss es eben noch besser werden.

Der Kunde hat alles richtig gemacht und uns sofort angerufen. Per Fernwartung haben wir uns mit seiner Erlaubnis in das System eingeklinkt und im ersten Schritt die Sensorsignale überprüft. Dazu haben wir übrigens eine in die CAROBA-Auswuchtsoftware eingebaute Funktion verwendet. Anwender unserer Systeme können das bei Bedarf auch, es ist eine Basisfunktion und in jedem Lieferumfang enthalten!

springende Punkte FFT

Bei der Drehfrequenz (236 Hz = 14.160 U/min) ist im Spektrum der Signale für beide Wuchtebenen ein deutlicher Peak zu erkennen. Aus dem unvermeidlichen Rauschen und Rappel der Rollen auf der Wellenoberfläche kann also durch das Programm ganz sicher ein Unwuchtsignal extrahiert werden. Daran kann das Springen der Punkte also nicht liegen.

Wir haben uns dann die Unwuchtsignale in Betrag und Phase angesehen und festgestellt, dass beides sehr stark schwankt. In diesem Fall sind daran die Rollen schuld: Sie übertragen die Unwucht, aber auch jede kleinste Störung auf der Oberfläche der Welle, sehr hart in die Lagerböcke. Bei diesen Wellen wird dann tatsächlich unter einer Wuchtgüte von G=2 mm/s das Unwuchtsignal so von den Störungen überlagert, dass Betrag und Phase springen.

Also: Für diese Aufgabe sind die Rollen „zu laut“. Störungen aus den Rollen und dem Kontakt Rolle zu Welle überlagern die Unwuchtsignale.

Die schnelle Lösung

Der Kunde hat aus unserem Modulbaukasten per Express Gleitprismen geliefert bekommen. Die Welle läuft darauf zwar mit etwas mehr Reibwiderstand als auf Rollen, dafür laufen die Wellen deutlich leiser. Das Signal sieht dadurch wesentlich klarer aus und besonders wichtig: Betrag und Phase sind nun auch unterhalb G=2 mm/s wieder stabil.

springende Punkte beseitigt

Das Polardiagramm zeigt den ersten manuellen Auswuchtlauf der kritischen Ebene. Der Bediener ist recht vorsichtig vorgegangen und hat daher viele Bearbeitungspunkte gesetzt. Bereits bei der nächsten Welle wird er sich trauen mehr als 0,2 Milligramm auf einmal zu korrigieren und dann wird er wieder in ca. 3 Bearbeitungsschritten das gewünschte Ergebnis erreichen.

Es ist immer wieder beeindruckend: Hier erreicht also eine angelernte Kraft zuverlässig eine Restunwucht von U=0,0009708 g*mm, bei dieser Welle bleibt damit eine Restunwuchtmasse von u=0,177 Milligramm, so wenig kann man kaum noch abschleifen. Ein weiterer Beleg dafür, wie leistungsfähig das Auswuchtsystem CAROBA und in diesem Fall der Universal-Auswuchtstand CAROBA-WORKSTATION-L ist. Ohne spezialisierte Aufbauten! Morgen wird der Bediener wieder ganz andere Wellen mit ganz anderen Anforderungen auf dem gleichen Auswuchtstand auswuchten.

Kritische Betrachtung

Man kann sich selbstkritisch die Frage stellen, ob eine Wuchtung auf G=1 mm/s oder besser auf Rollen oder Gleitlagerprismen wirklich sinnvoll ist. Folgende kleine Überschlagsrechnung ist in fast jedem Consulting von mir mehrfach in der Anwendung:

e bei Welle mit spr Punkten

Mit G=1 mm/s und n=50.000 U/min erhalten wir damit eine Exzentrizität e=0,191 µm. Zur  Vereinfachung teilen wir es jetzt nicht auch noch auf die Wellenenden auf, der Wert ist so schon klein genug. Und runden wir ihn zusätzlich noch auf, wir wollen hier nicht um Nanometer streiten (1 Nanometer ist ca. 7 Eisenatome).

Zielexzentrizität bei dieser Welle ist kleiner 0,2 µm

Grundsätzlich kann das Auswuchtsystem CAROBA das und noch viel mehr. Aber nehmen wir mal an, dass die Welle nicht perfekt rund sei. Tatsächlich ist die Rundheit auf den Zeichnungen mit 1 µm spezifiziert und nehmen wir mal an, dass die Fertigung das einhalten konnte. Dann ist die Form der Welle, die Rundheit, vereinfacht ausgedrückt um den Faktor 5 zu schlecht.

Die mittlere Rauheit Ra ist mit 0,8 µm spezifiziert. Und da das die MITTLERE Rauheit ist, sind einzelne Spitzen deutlich höher. Auch hier passen die Dimension nicht zu der gewünschten Wuchtgüte.

Direkt ausgesprochen:

  • Die Grenze der Wuchtbarkeit wird primär durch das Wuchtobjekt und die Auflagerung bestimmt. 
  • Man kann diese Welle nicht wirtschaftlich so herstellen, dass sie sich auf Gleitlagerprismen oder gar Rollen bis hin zu G=1 mm/s bei 50.000 U/min auswuchten lässt!
  • Wie diese Wuchtgüte zuverlässig erreicht werden kann, wird unten in „Die gute Lösung“ angesprochen. 

Die gute Lösung

Die Welle wird später in Wälzlagerungen betrieben, es werden also Lager aufgezogen. Dabei entsteht wieder eine Exzentrizität, denn die Montageungenauigkeit ist unvermeidlich. Hoffentlich hat der Konstrukteur daran gedacht und entsprechend die Wunschwuchtgüte mit Sicherheit angesetzt.

Die beste Lösung wäre eine Wuchtung mit bereits montierter Betriebslagerung! In diesem Fall wuchten wir sogar die Montageungenauigkeit gleich mit weg! Dann wäre G=1 mm/s eine Leichtigkeit für uns und die Anwender unserer Systeme. Leider wurde diese Lösung vom Endkunden verworfen, der Logistikaufwand sei zu groß. So ist das Leben, der Kunde hat immer Recht und muss nun mit einem diskussionswürdigem Wuchtergebnis leben.

Die zweitbeste Lösung wäre die Wuchtung in einem Luftlager oder Öllager. PMB kann das leisten und hat entsprechende Module im Auswuchtsystem CAROBA . In diesem Fall bleibt zwar die Montageungenauigkeit beim Aufziehen der Wälzlager, aber die kann ein Konstrukteur ja einplanen. Diese Lösung kam hier leider nicht in Frage, da die geringe Stückzahl den Aufwand nicht rechtfertigt.

Fazit

  • Nutzen Sie das PMB-CONSULTING möglichst schon in der Konstruktionsphase. Wenn das Auswuchten von vorneherein eingeplant wird, spart man in der Serie deutlich mehr ein, als man vorher an Überlegungen hereingesteckt hat.
  • Wir finden immer eine technisch und wirtschaftlich schöne Lösung, die auch in den Produktionsablauf passt. In diesem Beispiel liefert unser Kunde nun seinem Kunden wie gewünscht wieder Wellen innerhalb der Spezifikation. Das weitere Optimierungspotential ist vorhanden, der Endkunde braucht und will es nicht nutzen, alle sind glücklich.

Wie immer: Ich freue mich über Rückmeldung zu diesem Artikel. Falls Sie einen Fehler finden, Fragen haben… → Tragen Sie einen Kommentar ein oder nehmen Sie Kontakt mit mir auf, ich freue mich drauf!

Auto-Service-Praxis berichtet über die PMB-Technologie – Teil 2

Zeitwertgerechte Instandsetzung – ein wichtiger Trend für Werkstätten

Zur Freude von PMB Bobertag GmbH berichtet die ASP – Auto-Service-Praxis wieder über unsere Auswuchttechnologie. Hintergrund der Reihe ist die immer wichtiger werdende zeitwertgerechten Instandsetzung im Automobilbereich.

Während sich der erste Teil (ASP Ausgabe 12/11, „Link zum Artikel“) noch mit der allgemeinen Vorstellung unsere Auswuchttechnologie befasst, widmet sich der zweite Artikel nun der Praxis des Auswuchten und was man unter Auswuchten versteht.
Zur besseren Veranschaulichung werden die Beschreibungen im Artikel mit Beispielen hinterlegt. Aufgrund der aktuellen Trends in der Automobilindustrie (verstärkter Einsatz von Turboladern, effizienteren Motoren, kleine Spezialserien) habe wir uns für die folgenden Beispiele entschieden:

  • Laufzeug eines generalüberholten Turboladers
  • Für den Rennsport optimiert Schwungscheibe

Anhand der Beispiele wird der gesamte Auswuchtvorgang erklärt.
Hierzu zählt:

  • Wie kommt es zur Unwucht (Laufleistung, Modifizierung, …)
  • Was benötige ich (Geräte, Messsystem, …)
  • Wie wird die Unwucht gemessen (Einrichtung, Einstellungen, Messungen)
  • Wie beseitige ich die Unwucht (welche Möglichkeiten gibt es)

Grob gesagt: Von der Einrichtung bis zum perfekt gewuchteten Austauschteil.

Doch überzeugen Sie sich bitte selbst von der Einfachheit des Auswuchtens mit dem PMB-Auswuchtsystem CAROBA. Der Artikel kann durch einen Klick auf das Bild geöffnet werden.

Einleitende Worte oder „Hallo Welt“

Wenn sich etwas dreht und nicht oder schlecht ausgewuchtet ist, funktioniert es nicht optimal. Reifen lassen das ganze Auto vibrieren, Elektromotoren brummen und Maschinen verschleißen schneller. Natürlich kann man in der Fertigung darauf achten, dass so wenig Unwucht wie möglich entsteht – eine perfekte Drehmaschine könnte perfekt rund laufende Teile herstellen. Leider gibt es keine perfekte Drehmaschine. Und baut man mehrere „perfekte“ Teile zusammen, entsteht durch die unvermeidbare Montagetoleranz wieder Unwucht.

Dieses Blog geht das Thema von der praktischen Seite an. Die dahinter stehende Mathematik und Physik wird so einfach wie möglich behandelt. Wer ein fundamentales Werk über Rotordynamik sucht, möge bitte weitersuchen. Wer wissen möchte, was man gegen dieses lästige Brummen machen kann und welche Qualitätssteigerung effektiv erreichbar ist, ist hier richtig.

Wir bei PMB sind alle damit beschäftig perfekte Auswuchtsysteme und -maschinen zu bauen. Wir entwickeln bei PMB die Hardware, Software und Mechanik, aus denen wir zu unseren Kunden passende Lösungen erstellen. Und dabei stelle ich regelmäßig fest, dass es bei vielen unserer Kunden um sehr ähnliche Fragen geht. Genau diese Fragen werden hier beantwortet. Meine Koautoren und ich wollen und werden die Dinge dabei einfach halten. Dann funktionieren sie.

Wenn Sie weiter gehende Unterstützung wünschen, können Sie gerne anrufen oder schreiben.  Bei Info und im Impressum finden Sie innerhalb dieses Blogs Kontaktmöglichkeiten.

Von 5 mm Mikroturbinen über Turbolader, Kreiselkompasse bis hin zu riesigen Zentrifugen, wir bei PMB sind die Experten. Und weil es mir sehr großen Spaß macht technisch zu arbeiten und zu unterstützen, erzähle ich nicht nur gerne wie wir bei PMB unsere Ergebnisse erreichen, ich höre Ihnen sogar aufmerksam zu. Also sagen Sie mir, welches Thema rund um Auswuchten Sie interessiert und ich werde es in meinen Zeitplan aufnehmen.

Also auf gehts! Der Plan ist hier eine wachsende Infoplattform über das Auswuchten mit dem PMB-Auswuchtsystem CAROBA zu schaffen. Sie können durch die Artikel blättern, ebenso können Sie sich sehr gerne auch strukturiert über das Inhaltsverzeichnis bewegen.

Ich wünsche Ihnen viel Spaß auf diesen Seiten, auch wenn das Thema manchmal trocken erscheinen mag. Unwucht und Auswuchten ist interessant, überzeugen Sie sich bei YouTube :