VDI-Buch

Auswuchttechnik

vonHatto Schneider

7., neu bearb. Aufl.

Springer 2007

Verlag C.H. Beck im Internet:www.beck.de

ISBN 978 3 540 49091 3

Zu Inhaltsverzeichnis

schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

1 Einführung

Auswuchten ist ein Vorgang, bei dem die Massenverteilung eines Rotors ge-prüft und soweit verbessert wird, dass die unwuchtbedingten Kräfte und Schwingungen in zulässigen Grenzen liegen. Als Rotor in diesem Sinne gelten nicht nur alle die Teile, die sich im Betriebszustand drehen, sondern auch jene, die aus funktionalen Gründen drehbar gelagert sind.

Rotoren können extrem unterschiedliche Eigenschaften haben und dadurch extrem unterschiedliche Aufgaben stellen, Tabelle 1.1.

Tabelle 1.1. Bandbreite von Rotoren

Kriterium Untere Grenze Beispiel

Obere Grenze Beispiel

Masse < 1 g Unruhe

> 300 t ND-Dampfturbine

Durchmesser < 3 mm Falschdrahtspindel

> 6 m Wasserturbine

Länge < 10 mm Anker Modelleisenbahn

> 20 m Turbogenerator

Betriebsdrehzahl 0 min-1

grüne Schleifscheibe > 1 000 000 min-1

Turbine Zahnarztbohrer

Unwuchttoleranz als Schwerpunktsexzentrizität

< 0,01 μm Luftfahrtkreisel

> 0,5 mm Eisenbahnrad

Wert eines Rotors < 1 EURO Spielzeuganker

> 500 Mio. EURO Kommunikationssatellit

Auswuchten von Rotoren auf einer Maschine

< 10 Stück pro Jahr Satelliten

> 3 Mio. Stück pro Jahr Motoranker für KFZ

Bei nahezu allen Rotoren wird heute das Auswuchten als unbedingt not-

wendig angesehen, sei es, um die Lebensdauer der Maschine zu verlängern, ihre Funktion zu verbessern oder um durch den schwingungsarmen Lauf ein zusätzliches Verkaufsargument zu erhalten.

Obwohl viele Verantwortliche von seiner Notwendigkeit überzeugt sind, wird der Arbeitsgang „Auswuchten“ nur manchmal harmonisch in den Ferti-gungsablauf eingegliedert. Häufig – ausgenommen in der Großserienfertigung – wird der Auswuchtprozess als kostspieliges, aber leider unumgängliches Übel betrachtet, irgendwo angehängt und dadurch unnötig teuer.

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Während für andere Arbeitsgänge, wie z.B. Drehen, alle wichtigen Daten vorgegeben werden − die Werkzeugmaschine, die Aufnahme für das Werk-stück, der Drehstahl, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Spantiefe, Rüst- und Stückzeit − überlässt man beim Auswuchten häufig alles dem „Wuchter“, dem Vorarbeiter oder dem Meister.

Diese müssen dann aufgrund von Erfahrungen oder aus dem Gefühl heraus entscheiden, was und wie es getan werden soll. Das liegt hauptsächlich daran, dass trotz aller Informations- und Normungsarbeit, die Ingenieure und Fach-leute seit Jahrzehnten auf diesem Gebiet leisten, das Grundlagenwissen der Auswuchttechnik noch nicht hinreichend Allgemeingut geworden ist. Manchmal wird auch verkannt, in welchem Maße Einsichten und Methoden weiterentwickelt wurden, man arbeitet nach tradierten Verfahren und Maßstä-ben, so dass die heute gegebenen Möglichkeiten nur unzureichend genutzt werden.

Kein geübter Konstrukteur wird heute ein Maschinenteil entwerfen, ohne die Fertigungsmöglichkeiten zu berücksichtigen und dafür sachgemäße Tole-ranzen festzulegen. Das Auswuchten wird dabei häufig ausgeklammert, ob-wohl die wesentlichen Voraussetzungen für einen realisierbaren und kosten-günstigen Auswuchtvorgang bereits im Konstruktionsbüro geschaffen werden müssen.

Ebenso besteht weitgehend Unklarheit darüber, wie die verschiedenen Auswuchtprobleme am zweckmäßigsten gelöst werden, und welche Möglich-keiten der Auswuchtmaschinenmarkt heute bietet. Dieses Buch soll zum Ver-ständnis der Auswuchttechnik beitragen, dem Anfänger zur Einarbeitung in dieses Fachgebiet dienen, aber vor allem dem Praktiker in Industrie und For-schung eine selbständige Beurteilung der anstehenden Auswuchtprobleme ermöglichen.

1.1 Entwicklung der Auswuchttechnik und der -maschinen

Man kann annehmen, dass das Problem „Auswuchten“ schon vor vielen tau-send Jahren mit den ersten Wasser- und Windrädern auftauchte. Wenn diese Laufräder nicht hinreichend symmetrisch gebaut wurden, oder bei der Aus-wahl des Materials nicht sorgsam auf gleiche Dichte und identische Abmes-sung geachtet wurde, traten Schwierigkeiten auf: das Rad drehte sich gerne in eine bestimmte Position (schwere Stelle nach unten) und lief bei schwachen Strömungen erst gar nicht an.

Diese „statische Unwucht“ konnte man empirisch durch Zusatzmassen m auf dem Radius r (im Ruhezustand oberhalb der Achse) ausgleichen, so dass das Laufrad anschließend „rund“ lief (Bild 1.1).

Im Laufe der Zeit wurden die Hilfsmittel verbessert und Anfang des 19. Jahrhunderts hatte man die statische Unwucht hinreichend im Griff: die Rotoren wurden mit viel Geschick und Einfühlungsvermögen auf Schneiden oder Rollen „ausgependelt“. Manchmal mussten sie aber auch im Betriebszu-stand noch weiter korrigiert werden, um einen ruhigen und störungsfreien Lauf zu erreichen.

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Bild 1.1. Ein Problem seit vielen Jahrtausenden: Eine statische Unwucht an einem Wasserrad, d.h. der Schwerpunkt liegt im Ruhezustand unterhalb der Achse. Die statische Unwucht kann durch eine Ausgleichsmasse m am Radius r korrigiert werden

Dazu wurden Ausgleichsmassen in unterschiedliche Positionen gesetzt und aus den Ergebnissen Rückschlüsse auf einen optimalen Ausgleich gezogen.

Mit den ersten schnelllaufenden Maschinen in der 2. Hälfte des 19. Jahr-hunderts und dem Siegeszug der elektrischen Maschinen trat ein weiteres, bis dahin unbekanntes Unwuchtproblem auf, die erprobten Auswuchtmethoden reichten plötzlich nicht mehr aus. Man entdeckte eine weitere Unwuchtart, die „Momentenunwucht“ (Bild 1.2) und lernte, dass man sie nur unter Rotation erkennen kann. Durch die wachsende Zahl der Dampfturbinen, Generatoren, Elektromotoren, Kreiselpumpen und -kompressoren wurde dieses Problem immer ausgeprägter. Im Betriebszustand oder in einfachen Gestellen und mit einfachen Markiermitteln – Kreide, Bleistift – wurde in zwei Ausgleichsebe-nen ausgewuchtet. Es war ein iteratives Verfahren, d.h. man kam dem Ziel nur in kleinen Schritten näher. Meist hatte jeder Hersteller rotierender Maschinen seine eigenen Auswuchtvorrichtungen, sein eigenes „Geheimrezept“ und spe-zielle Auswuchtexperten für diese „Geheimwissenschaft“.

Bild 1.2. Ein bis dahin unbekanntes Problem, die Momentenunwucht: zwei gleich große, aber entgegengesetzt liegende Unwuchten in zwei verschiedenen Radialebenen. Eine Momentenun-wucht kann nur während der Rotation entdeckt werden

m

r

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Bild 1.3. Modale Unwucht: die Einzelunwuchten entlang des Rotors werden mit einer Biege-Eigenform (hier erste Eigenform) gewichtet. Zur Korrektur modaler Unwuchten werden im Allgemeinen mehr als 2 Ausgleichsebenen benötigt

In den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts traten wiederum neue Prob-leme beim Auswuchten aus. Rotoren, die mit der Erfahrung der Vergangenheit ausgewuchtet wurden, zeigten gravierende Schwingungsprobleme. Es waren immer Rotoren, deren Betriebsdrehzahl knapp unterhalb oder sogar oberhalb einer Biegeresonanz liefen, die also typische Resonanzphänomene zeigten. Für diese Rotoren wurden zusätzliche bzw. ganz spezielle Auswuchtverfahren erforderlich, wobei man meistens in die Nähe dieser Resonanzen fuhr, um die Durchbiegungen durch gezielte Korrekturen in mehreren Ebenen reduzieren zu können. Später wurden diese besonderen Unwuchten „modale“ Unwuchten genannt (Bild 1.3).

Ein sehr frühes Patent, das sich mit dem Auswuchten beschäftigte, wurde 1870 − also vier Jahre nach Erfindung der Dynamomaschine durch W. VON SIEMENS − in Kanada von H. MARTINSON angemeldet (Bild l.4). Es handelte vom Antrieb durch eine Gelenkwelle und zeigt das Modell einer Auswucht-maschine, das noch nicht auf die Belange der Industrie abgestimmt war.

Um die Jahrhundertwende erhielt die Auswuchttechnik neue Impulse durch N.W. AKIMOFF in den USA und A. STODOLA in der Schweiz.

In Deutschland wurde 1907 durch F. LAWACZEK eine Maschine zum Aus-wuchten in zwei Ebenen zum Patent angemeldet (Bild 1.5) und bei Carl Schenck, Darmstadt, gebaut. Die erste Ausführung machte noch einige Prob-leme, aber die Idee wurde weiterentwickelt (Patent auf horizontale Aus-wuchtmaschine 1912) und durch die Arbeit von H. HEYMANN erfolgreich modifiziert.

Diese Maschinen wurden an Firmen in der ganzen Welt geliefert und stell-ten damit den Beginn einer industriellen Produktion von Auswuchtmaschinen dar.

Maschinen aus den Anfangsjahren des 20. Jahrhunderts haben nur wenige Gemeinsamkeiten mit den modernen Auswuchtmaschinen des beginnenden 21. Jahrhunderts. Zwar musste auch damals der Rotor eingelagert und ange-trieben werden − im Grunde mit ähnlichen Elementen wie heute − aber die Messtechnik steckte noch in den Kinderschuhen. Man war für die industrielle Nutzung auf robuste und einfach anwendbare Lösungen und damit auf rein mechanische Messmittel angewiesen.

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Bild 1.4. Ein Auszug aus dem Patent von H. MARTINSON über eine Auswuchtmaschine, 1870. Es handelt sich hier eher um ein physikalisches Modell als um eine Lösung für die industrielle Produktion

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Bild 1.5. Auszug aus Patent LAWACZEK (1907). Auswuchtmaschine mit vertikaler Anordnung des Rotors

Um die Messempfindlichkeit zu steigern, wurde während des Auslaufs in der Abstützungsresonanz gemessen, wobei als Nebenprodukt eine recht gute Frequenzselektivität anfiel.

Über die Winkellage konnten anfangs aber nur Vermutungen angestellt werden, und eine exakte Zuordnung der Messwerte zu den gewünschten Aus-gleichsebenen (Ebenentrennung) war ebenfalls noch nicht möglich.

Bild 1.6. Eine LAWACZEK-HEYMANN-Auswuchtmaschine mit horizontal gelagertem Rotor (1), Pendelkugellager (2), Markierer für den Unwuchtwinkel (3) und für die Unwuchtgröße (4)

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Mit einer Fülle von neuen Ideen und Patenten wurden in den folgenden Jahrzehnten die Maschinen vervollständigt und verbessert, Varianten oder neue Systeme entwickelt (Bild 1.6). Wesentliche Ziele waren dabei immer die Verbesserung der Genauigkeit, um den steigenden Forderungen zu genügen, und eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, die vor allem durch Kürzung der Stückzeiten erreicht werden konnte. Alle diese Fortschritte fanden damals nur auf der Maschinenbauseite statt.

Dies änderte sich etwas mit der Einführung der mechanisch-elektrischen Messwertwandlers, aber die grundlegende Veränderung kam erst nach dem Zweiten Weltkrieg mit der raschen Entwicklung der elektronischen Messtech-nik, der Halbleitertechnik und der Einführung von Computern in alle Bereiche der Industrie.

Mit der stärkeren Betonung der Messseite konnte die Mechanik der Aus-wuchtmaschine wieder einfacher gestaltet werden und hat, abgesehen von Sondermaschinen, wieder zu der übersichtlichen Bauweise der frühen Jahre zurückgefunden (Bild 1.7). Alle wichtigen Aufgaben wie: Empfindlichkeit, Frequenzselektion, Ebenentrennung, Ausgleichsanweisung usw. werden heute von der Messeinrichtung übernommen.

Trotzdem darf man die Bedeutung der Mechanik nicht vergessen, denn es geht letztlich immer um das harmonische Zusammenspiel von allen Kompo-nenten: der Mechanik, der Antriebstechnik und der Messtechnik.

Auch wenn heute noch gelegentlich Auswuchtmaschinen älterer Bauart auf den Markt kommen, werden im folgenden nur neuzeitliche Konzeptionen zu Grunde gelegt und beschrieben.

Bild 1.7. Aktuelle Auswuchtmaschine für universelle Anwendung, mit Gelenkwellenantrieb und Schutz gegen wegfliegende Teile durch Teleskop-Verkleidung nach DIN ISO 7475, Klasse C

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1.2 Normen und Richtlinien

Die ersten Bestrebungen, einheitliche Maßstäbe zu erhalten, betrafen die Ma-schinenschwingungen. In Deutschland begann Mitte der fünfziger Jahre ein Arbeitsausschuss der VDI1-Fachgruppe „Schwingungstechnik“ die Arbeit für die Richtlinie VDI 2056 „Beurteilungsmaßstäbe für mechanische Schwingun-gen von Maschinen“ (1964).

Überlegungen zur Unwucht führten zu der Richtlinie VDI 2060 „Beurtei-lungsmaßstäbe für den Auswuchtzustand rotierender starrer Körper“ (1966).

Die VDI-Richtlinie 2060 wurde dem zuständigen ISO2-Sekretariat als Vor-schlag eingereicht. Sie war wesentliche Grundlage für die ISO 1940 „Balance quality of rotating rigid bodies“ (1973).

Für die Verständigung auf dem Gebiet der Auswuchttechnik wurde die ISO 1925 „Balancing – Vocabulary“ (1974) eine wesentliche Hilfe. In ihr wurden die wichtigsten Begriffe der Auswuchttechnik festgelegt und definiert.

Eine Anleitung für die vollständige Beschreibung und richtige Beurteilung von Auswuchtmaschinen für universellen Einsatz entstand mit der ISO 2953 „Balancing machines − Description and evaluation“ (1975).

ISO 5406 „The mechanical balancing of flexible rotors“ (1980) beschreibt verschiedene nachgiebige Rotoren und ordnet ihrem Verhalten niedrigtourige und hochtourige Auswuchtverfahren zu. Auswuchttoleranzen für dieses Ge-biet wurden in der ISO 5343 „Criteria for evaluating flexible rotor balance“ (1983) beschrieben. Beide wurden später zur ISO 11342 (mit dem gleichen Titel wie ISO 5406) zusammengefasst und aktualisiert.

Zu den Gefahren beim Auswuchten von Rotoren nahm erstmalig ISO 7475 „Balancing machines − Enclosures and other safety measures“ (1984) Stellung und empfahl gestaffelte Maßnahmen.

Nach den frühen Jahren, in denen jedes Land seine eigenen Maßstäbe und Klassifizierungen aufgestellt hat, erfolgt bis etwa zur Jahrtausendwende die richtungweisende Arbeit auf internationaler Ebene − getragen von den wesent-lichen Industrieländern, so dass die Verständigung auch auf diesem Gebiet einfacher wurde. Dann ließ das internationale Interesse leider etwas nach, so dass der für Deutschland zuständige Ausschuss im NALS3 C 6.1 zwei Ar-beitskreise einrichtete, um wichtige Themen weiter zu bringen: • Die Anwendung statistischer Verfahren zur Qualitätskontrolle beim Aus-

wuchten und die • praktische Vorgehensweise beim Auswuchten wellenelastischer Rotoren.

Viele ISO-Standards wurden wortgetreu übersetzt als DIN4 ISO Norm oder als VDI-Richtlinie veröffentlicht.

Die für die Auswuchttechnik wichtigen heute gültigen Normen und Richtli-nien sind im Literaturverzeichnis aufgelistet.

1 VDI: Verein Deutscher Ingenieure 2 ISO: International Organization for Standardization 3 NALS: Normenausschuss Akustik, Lärmminderung und Schwingungstechnik im DIN und

VDI 4 DIN: Deutsches Institut für Normung