Wälzlagerschaden früh erkennen: Was Hüllkurve und Lagerfrequenzen verraten

Ein Wälzlager fällt selten plötzlich aus. Am Anfang steht fast immer ein kleiner Defekt auf einer Laufbahn oder einem Wälzkörper: ein Pitting, ein Riss, eine Stelle mit beschädigter Oberfläche. Jedes Mal, wenn ein Wälzkörper über diese Stelle rollt, entsteht ein kurzer Stoß. Diese Stöße sind anfangs so schwach, dass sie im Gesamtpegel der Schwingung untergehen. Ihre Wiederholrate aber ist genau bestimmt durch die Geometrie des Lagers und die Drehzahl. Darauf baut die Wälzlagerdiagnose auf.

Warum ein Lagerschaden eine eigene Frequenz hat

Ein Lager besteht aus Außenring, Innenring, Wälzkörpern und Käfig. Bei laufender Spindel dreht der Innenring mit der Welle, der Außenring steht im Gehäuse, und die Wälzkörper rollen mit dem Käfig um. Daraus folgt für jedes Bauteil eine eigene Überrollfrequenz:

• BPFO (Ball Pass Frequency Outer race): wie oft pro Sekunde ein Wälzkörper eine bestimmte Stelle des Außenrings überrollt.
• BPFI (Ball Pass Frequency Inner race): dasselbe für eine Stelle auf dem Innenring.
• BSF (Ball Spin Frequency): wie oft sich ein Wälzkörper um die eigene Achse dreht.
• FTF (Fundamental Train Frequency): die Umlauffrequenz des Käfigs.

Sitzt der Defekt auf dem Außenring, wiederholen sich die Stöße mit BPFO. Sitzt er auf dem Innenring, mit BPFI. Die Diagnose fragt also nicht „Ist die Schwingung hoch?“, sondern „Gibt es Energie genau bei der Frequenz, die zu diesem Bauteil gehört?“. Das ist der Grund, warum eine frequenzbezogene Auswertung einen Schaden deutlich früher zeigt als ein Effektivwert.

Die Formeln für BPFO, BPFI, BSF und FTF

Die Schadensfrequenzen lassen sich aus vier Geometriewerten und der Wellendrehfrequenz fr berechnen. Die Formeln gelten für Abrollen ohne Schlupf bei stehendem Außenring:

Die Geometriewerte stehen im Datenblatt des Lagerherstellers. Man sollte sie nie schätzen: Schon eine falsche Wälzkörperzahl verschiebt alle Frequenzen, und die Diagnose sucht dann an der falschen Stelle. Spindellager sind meist Schrägkugellager. Deshalb geht der Kontaktwinkel α in die Rechnung ein, bei Rillenkugellagern ist er null.

Rechenbeispiel

Für ein angenommenes Schrägkugellager mit 16 Kugeln, einem Verhältnis d/D von 0,2 und 15° Kontaktwinkel bei 6.000 min⁻¹ (f_r = 100 Hz) ergibt sich:

Weil alle Werte proportional zur Drehzahl sind, gibt man sie oft als Vielfache der Drehfrequenz an. So bleibt die Kennzahl gleich, wenn die Spindel mit einer anderen Drehzahl läuft. Für die Diagnose muss die aktuelle Drehzahl trotzdem bekannt sein. An CNC-Maschinen liefert sie die Steuerung.

Hüllkurvenanalyse: So werden die Stöße sichtbar

Ein Stoß im Lager regt die Struktur um das Lager herum zum Schwingen an, meist bei einer hohen Eigenfrequenz im Kilohertz-Bereich. Im normalen Frequenzspektrum sieht man deshalb nicht die Schadensfrequenz selbst, sondern ein breites Hochfrequenz-Band, das im Takt der Stöße an- und abschwillt. Die Hüllkurvenanalyse holt diesen Takt heraus:

1. Messen: Ein Beschleunigungssensor am Spindelgehäuse nimmt das Rohsignal mit hoher Abtastrate auf.
2. Filtern: Ein Bandpass schneidet den Frequenzbereich heraus, in dem die Stöße die Struktur anregen. Drehfrequenz, Zahneingriffe und Bearbeitungskräfte liegen meist tiefer und fallen weg.
3. Demodulieren: Aus dem gefilterten Signal wird die Hüllkurve gebildet, also der Verlauf der Amplitude über die Zeit.
4. Transformieren: Das Spektrum der Hüllkurve zeigt, wie oft pro Sekunde die Stöße kommen. Hier erscheinen die Schadensfrequenzen als Linien.

Welches Muster zu welchem Schaden gehört

Im Hüllkurvenspektrum hat jeder Schaden eine typische Handschrift. Diese Muster sind in der Schwingungsdiagnose seit Jahrzehnten beschrieben:

Zwei praktische Fallstricke: Erstens schlupfen reale Lager um etwa ein bis zwei Prozent, die Linien liegen also nicht exakt an der berechneten Stelle. Die Suche braucht deshalb ein Toleranzband. Zweitens können Vielfache verschiedener Schadensarten fast zusammenfallen, etwa 3 × BPFO und 2 × BPFI bei manchen Lagern. Unser System wertet einen Schaden deshalb nur als erkannt, wenn die Grundfrequenz selbst sichtbar ist und nicht nur ein Vielfaches.

Wie sich ein Lagerschaden entwickelt

Der Verlauf eines Lagerschadens folgt einem bekannten Muster, auch wenn die Dauer jedes Abschnitts stark von Last, Drehzahl, Schmierung und Lagerbauart abhängt:

1. Anfang: Erste Stöße. Im Hüllkurvenspektrum erscheint eine schwache Linie bei der Schadensfrequenz. Effektivwert und Geräusch sind unverändert. In dieser Phase lohnt sich die frequenzbezogene Überwachung am meisten.
2. Ausbreitung: Die Linie wird stärker, Vielfache und Seitenbänder kommen hinzu. Kennwerte wie Scheitelfaktor und Kurtosis steigen, weil das Signal impulshaltiger wird.
3. Fortgeschritten: Der Schaden vergrößert sich, die Stöße verschmieren. Der Gesamtpegel steigt, das Lager wird hörbar und warm.
4. Endphase: Breitbandiges Rauschen überdeckt die klaren Linien. Der Ausfall steht bevor.

Wie viel Zeit zwischen erster Linie und Ausfall liegt, kann niemand pauschal sagen. Seriöse Aussagen dazu gibt es nur für eine konkrete Maschine und erst nach einer Beobachtungszeit. Wer Ihnen eine feste Zahl an Wochen verspricht, kennt Ihre Spindel nicht.

So setzen wir das im System um

Die Lagerfrequenzen sind die Grundlage. Ob eine gefundene Linie aber wirklich auffällig ist, entscheidet in unserem System der Vergleich mit der gelernten Normallage genau dieser Spindel. Jede Spindel hat ihr eigenes Grundrauschen, abhängig von Einbau, Alter und Bearbeitung. Die Box berechnet die Kennwerte direkt an der Maschine und überträgt nur die Ergebnisse. Eine Meldung entsteht erst, wenn eine Abweichung über mehrere Messungen bestehen bleibt, damit ein einzelner Stoß beim Werkzeugwechsel keinen Alarm auslöst. Mehr dazu im Artikel feste Schwellen oder gelernte Normallage.

Jede Meldung nennt das vermutete Bauteil, die Frequenz und die Stärke der Abweichung. Der Instandhalter sieht also nicht nur eine rote Ampel, sondern den Grund: „Linie bei BPFO mit drei Vielfachen, deutlich über der Normallage“.

Häufige Fragen