Wellen Auswuchten

Die Auswuchtung von wellenelastischen Rotoren ist eine besonders anspruchsvolle Aufgabe. Im Auswuchtzentrum in Hinwil können wir auch Ihre Rotoren, Wellen, Lüfterräder etc. auswuchten.

Entspricht die Einbautoleranz der erforderlichen Auswuchtqualität?

Bei PMB sind wir mehr als nur Lohnwuchtmaschinen und Wuchtmaschinenhersteller. Die Passung führt zu einer maximalen Differenz zwischen Durchmesser und Schwungrad von 0,087 und damit zu einer maximalen Rundlaufgenauigkeit von 0,044 mmm. Verläßt die Disc unser Vertragswuchten mit G = 2,5, dann hätte das Schwungrad, das auf einer perfekten Achse gelagert ist (leider nicht vorhanden), aufgrund der Bohrungstoleranz eine Auswuchtgüte von G = 4,5.

Bei der in den technischen Daten angegebenen Achse hat die Platte auch G = 9,42. Wie Sie das selbst machen können, demonstrieren wir Ihnen mit einem Wuchtsystem von uns. Dies können Sie mit unseren Wuchtsystemen bequem realisieren. Wir gehen von einem perfekten Gleichgewicht des VS aus, das genau auf der Achse auf ±0,001 mm liegt!

Auch wenn man sich vorstellt, dass man sie so genau anziehen und die Muttern so leicht und passgenau anziehen kann, ist das Ergebnis für einen Turbolader ein erhebliches Ungleichgewicht. Wie beeinflussen unterschiedliche Lagerstellen die Schwingungsqualität im Fertigprodukt beim Auswuchten? Als Scheibenläufer gilt ein Rotor mit reiner Schwerpunktunwucht (im einfachsten Falle 1 Ebenenunwucht in der Schwerpunktebene).

Für einen schlupffreien Vergleich mit der Unruh U=100gmm verwenden wir folgende einfache Gleichung zur Berechnung der einer solchen Unruh entsprechenden Exzentrizität: Daraus resultiert eine zulässige imaginäre Restunzentrizität der Platte von 10µm, relativ zur tatsächlichen Rotationsachse. 0,01mm Excentrizität, die erreicht werden soll. Vieles ist möglich, zur Klärung noch ein einfacher Fall: Die Achse wurde mit einer kleinen Biegung verwendet, s. Abb..

Dabei sind beide Wellenenden leicht geneigt. Betrachten wir nun zwei verschiedene Lagerpunkte, das Auswuchtlager LA auf der Außenseite und das Betriebslager LB auf der Innenseite, als die spätere Lage der Lagerung. Angenommen, die gebogene Achse verursacht eine Konzentrizitätsdifferenz von 10µm (Spitze-Spitze), d.h. die Drehachsen der Lagerpunkte A und A haben eine Rundlaufgenauigkeit von 5µm gegeneinander.

Auf dem Auswuchtsystem wird der Kreisel nun als "innerhalb der Spezifikationen = OK" dargestellt. Bevor Sie auswuchten: Nachdem Sie gewuchtet haben: Der Läufer wird nach dem Auswuchten eingebaut. Hierdurch wird die Unsymmetrie um 50 gmm geändert. Schlimmstenfalls (mit dem wir immer gerechnet haben) summiert sich diese Unsymmetrie durch Umschichtung auf die vorhandene Restwucht von 100 gmm.

Dadurch hätte der Läufer dann eine Unsymmetrie von 150gmm und ist damit weit außerhalb der Toleranzen, s. Abb. u. Wellen, Läufer und Montageabschnitte haben immer kleine Fehler. Eine gute Wuchtstrategie eliminiert die Folgen dieser unvermeidlichen mechanischen Fehler. Stützt sich der Läufer beim Auswuchten ab, wo er auch im weiteren Verlauf abgestützt wird, werden auch die Einwirkungen der " geneigten " Achse kompensiert.

Die beste Lösung ist das Auswuchten in den Lagerpunkten, d.h. der betriebsbereite Läufer - was leider nicht immer möglich ist. Die PMB als Entwicklung, Herstellung und erfahrene Anwendung von Präzisionswuchtsystemen ist weit mehr als viele Lohnwuchtmaschinen. Häufig gehen unsere Auftraggeber davon aus, dass es kaum oder gar kein Ungleichgewicht gibt, was wir überprüfen und allenfalls verbessern sollten.

Durch die sehr gute Bearbeitbarkeit der Aussenkontur zur Aufnahmebohrung kann kaum noch eine Unsymmetrie entstehen. Manche gegossene Räder haben so viel Ungleichgewicht, dass sie nicht ausgewuchtet werden können (nicht genügend Gewicht kann nicht entfernt werden, ohne ihre Funktion zu gefährden). Hier werden zwei charakteristische Gründe beschrieben, die für das Ungleichgewicht ursächlich sein können. Das Ungleichgewicht kann sowohl bei der Zerspanung als auch beim Gießen entstehen.

Auf der übertriebenen Skizze erkennt man klar, dass es auf der linken Seite viel mehr "Flügelteil" und auf der rechten Seite viel mehr "Nabenteil" gibt. Beim Bearbeiten der Aussenkontur auf Konzentrizität wird das Werkstück nur geringfügig abgetragen und hat daher nur einen geringen Einfluß auf die Auswuchtung. Innerhalb des Laufs hat das Laufrad jedoch eine Unsymmetrie, weil die schwerere Radnabe eine exzentrische ist, wiederum ist eine ungleiche Masseverteilung gegeben.

Gegenmaßnahme durch Auswuchten: Beide Ausführungen können durch Auswuchten in die Herstellerspezifikation aufgenommen werden. Grundvoraussetzung dafür ist, dass es genügend "Opfermasse" gibt, d.h. nachdem wir uns mit The Static Unbalance und The Moment Unbalance die Grundbausteine jeder Unsymmetrie angesehen haben, kommen wir nun zu deren Zwischenformen. Die quasistatische Unsymmetrie ist eine besondere Verbindung von Statikunwucht und Momentwucht.

Das Besondere, das die quasistatische von der allgemeinen Schwingungsunwucht abhebt, ist die Position der Statik- und Momentunwucht zueinander: Beide Bauteile befinden sich in der gleichen Längenebene. Diese besondere Eigenschaft ermöglicht es, eine quasistatische Unsymmetrie durch Auswuchten in einer einzigen Fläche zu unterdrücken. Das ist der allgemeine Ausdruck für Ungleichgewicht. Ein dynamisches Ungleichgewicht kann aus einer beliebig kombinierten Statik- und Momentenungleichgewicht ohne spezifische Zusammenhänge zwischen den Einzelkomponenten entstehen.

Die Unwuchtbedingung kann weiterhin durch eine Verknüpfung von Statik und Momentunwucht repräsentiert werden. In der Regel wird der Ungleichgewichtszustand jedoch durch die Vorgabe von zwei Ungleichgewichtsvektoren in beliebigen Flächen angezeigt. In der obigen Abbildung beschreibt E1 und E2 den Unsymmetriezustand des Läufers genauso exakt wie die drei Faktoren, die ihn als Verbindung von ruhender Unsymmetrie und Momentasymmetrie ausdrücken.

Ein entscheidender Pluspunkt ist die Darstellung des Unwuchtzustands durch zwei Vektoren: Sie gibt Hinweise zur Behebung der Unsymmetrie durch zwei Massenkorrekturen. Zu diesem Zweck müssen nur die Flächen, in denen die Unsymmetrie angezeigt wird, in die Ausgleichsebene gestellt werden. Fazit: Da alle Unwuchtarten letztlich nur Spezialfälle der dynamischen Unwucht sind, ist es offensichtlich, dass jeder Zustand der Wucht durch zwei Unwuchtzustände abgebildet und kompensiert werden kann.

Ausgehend von der statischen Unsymmetrie machen wir heute den folgenden theoretischen Schritt: Wir berücksichtigen den Spezialfall der puren Momentwucht. Diese Zwischenstufe ist sehr nützlich, wenn Sie das quasistatische Ungleichgewicht und das generelle Dynamik-Ungleichgewicht in den folgenden Artikeln nachvollziehen wollen. Im Falle einer rein momentanen Unsymmetrie sind 2 Unsymmetrien so exakt gegenüberliegend und in einem gewissen Abstand l angebracht, dass keine statischen Ungleichgewichte entstehen (U1=U2).

Ein Ungleichgewicht kann z. B. durch Schwingen nicht erkannt werden. Damit wir auch in Zukunft mit Ungleichgewichten statt mit Gewalt umgehen können, stellen wir hier das Konzept der Momentenungleichgewichte vor. Das Moment Ungleichgewicht wird neu berechnet: Der Ausgleich einer Momentenstörung wird in zwei Korrekturebenen durchgeführt, so dass eine Um entgegengesetzte Momentenstörung Uma auftritt. Zusammengefasst ist die Momentenungleichheit eine andere Form der Ungleichheit als die der statischen Ungleichheit.

Mit der Geschwindigkeit nehmen die resultierenden Lagerungskräfte im Quadrat zu (wie bei der elektrostatischen Unwucht). Es ist in 2 Stufen ausgewogen. Der nächste Beitrag behandelt dann das quasistatische Ungleichgewicht. Aber auch die generelle Dynamikunwucht, denn dann haben wir endlich alle möglichen Unwuchten zusammengefaßt. In diesem Beitrag habe ich bewußt auf die Ermittlung der Tragkräfte abgesehen, da ich dazu Ungleichgewichte, Momentenunwuchten und -momente, Abstände l=Ebenenabstand und L=Lagerabstand einbringen müßte.

Wir haben bereits im Beitrag "Unwucht, Fliehkraft: Der Anfang" verkündet und die Auswuchtungstheorie an dieser Stelle vertieft. Schritt für Schritt gehen wir vor und starten mit der elektrostatischen Unsymmetrie in einer und zwei Etagen. Der folgende Beitrag behandelt dann Unwuchtmomente oder dynamische Unwuchten. Am Beispiel des obigen Beitrags haben wir bereits die Zentrifugalkraft und die Unsymmetrie eines Schwungrades errechnet.

Das Beispiel nehmen wir an dieser Stelle noch einmal auf und erklären die elektrostatische Unsymmetrie in einem Flugzeug mit einem idealen Schwungrad. Dann kommen wir zu den nicht plattenförmigen Läufern und der elektrostatischen Unsymmetrie in zwei Etagen. Stationäre Auswuchtung 1 Ebene: Das ideale Schwungrad ist in diesem Falle der perfekte Scheibenläufer.

Damit kann die Unsymmetrie bei stehendem Läufer erfasst werden. Dieses Ungleichgewicht wird daher auch als statisches Ungleichgewicht bezeichnet. Dieses Ungleichgewicht liegt immer im Rotorschwerpunkt. Bei einem unbelasteten Läufer schwingt er während des Betriebs nicht. Der Kraftaufwand für die Vibration kann auf unterschiedliche Weise verringert werden.

Einzig die Ausgleichung der Unwuchtmasse ist möglich. Der Unwuchtausgleich kann durch Anlegen der Massen in der entgegengesetzten Winkelstellung erfolgen. Bei nicht scheibenförmigen Rotoren: Wenn die Unruh den Schwerpunktschwerpunkt eines von der idealen Scheibchenform abgewichenen Läufers angreift, ist auch eine elektrostatische Unruh vorhanden. Korrigiert man diese Unsymmetrie, so ist der Läufer im Stand und während der Drehung von Unwuchtkräften befreit.

Weil zum Ausgleich einer elektrostatischen Unsymmetrie nur eine einzige Fläche benötigt wird, bezeichnet man dies auch als 1-Ebenen-Wuchten. Statischer Unwuchtausgleich mit 2-Ebenen-Wuchtung: Wenn sich die elektrostatische Unsymmetrie in ihrer Lage (Schwerpunktebene) nicht korrigieren lässt, würde die Kompensation zu einer Momentenasymmetrie oder dynamischen Unsymmetrie führen. Wird jedoch die Korrektion auf zwei Flächen so aufgeteilt, dass als Ergebnis die Auswirkung einer einzigen Massen in der Mittelebene erreicht wird, kann ein Momentenungleichgewicht umgangen werden.

Grundsätzlich liegt die elektrostatische Unsymmetrie im Rotorschwerpunkt. Nachfolgend wird das Theme vertieft und auf das bereits angekündigte Momenten-Ungleichgewicht oder dynamisches Ungleichgewicht eingegangen. Mit der Auswuchtqualität D in mm/s steht ein Gütemerkmal zur Verfügung, das den Auswuchtvergleich von Kreiseln ermöglich. Generell gilt: Je höher der Läufer, desto höher die erlaubte Unruhen.

Damit haben alle Kreisel einer Qualitätsklasse die selbe Drehzahl: auch bei unterschiedlichen Gewichten, gleichen Unwuchten, gleichem U/min. Nachfolgend werden drei Anwendungsbeispiele aufgeführt, die den Einfluss von Ungleichgewicht, Eigengewicht und Geschwindigkeit auf die Auswuchtgüte verdeutlichen. Das Halbieren der Auswuchtung führt somit zu einer Verdoppelung der Auswuchtqualität.

Ungleichgewicht und Geschwindigkeit wurden nicht geändert. Läufergewicht und Auswuchtung sind gleich. Fazit: Die Auswuchtgüte ist kein direkter Hinweis auf die Unruh oder Schwungmasse, sondern ermöglicht den Abgleich verschiedener Rotoren. Bei gleichbleibender Auswuchtgüte kann ein Läufer umso größer sein, je größer sein Gewicht ist.