Lagerdiagnose über Schwingungsfrequenzen: BPFO, BPFI, BSF und FTF

Die Studie im Überblick

Brüel & Kjær (HBK) beschreibt die systematische Nutzung von lagercharakteristischen Frequenzen zur Identifikation von Wälzlagerschäden in rotierenden Maschinen. Die Methodik basiert auf der Tatsache, dass jeder Schaden an einer bestimmten Lagerkomponente ein charakteristisches Schwingungsmuster mit berechenbarer Frequenz erzeugt.

Diese Frequenzanalyse ist eines der leistungsfähigsten Werkzeuge in der zustandsbasierten Instandhaltung. Aber sie hat klare Grenzen, die in der Praxis oft unterschätzt werden.

Die vier lagercharakteristischen Frequenzen

Jedes Wälzlager besteht aus vier Hauptkomponenten: Aussenring, Innenring, Wälzkörper und Käfig. Jede Komponente erzeugt bei einem Schaden eine spezifische Frequenz:

BPFO (Ball Pass Frequency Outer Ring): Die Frequenz, mit der die Wälzkörper über einen Schaden auf dem Aussenring rollen. BPFO-Signale sind in der Praxis am häufigsten, weil der Aussenring als stationäres Bauteil die gesamte Last aufnimmt und der Schaden sich nicht aus der Lastzone bewegt. Typisch: klares, gleichmässiges Signal, gut im Spektrum identifizierbar.

BPFI (Ball Pass Frequency Inner Ring): Die Frequenz, mit der die Wälzkörper über einen Schaden auf dem Innenring rollen. BPFI-Signale sind komplexer, weil der Innenring mit der Welle rotiert. Der Schaden wandert durch die Lastzone und das Signal wird amplitudenmoduliert mit der Drehfrequenz. In der Spektralanalyse zeigen sich charakteristische Seitenbänder um die BPFI-Frequenz.

BSF (Ball Spin Frequency): Die Eigenrotationsfrequenz der Wälzkörper. BSF-Signale deuten auf Oberflächenschäden an den Kugeln oder Rollen hin. Diese Frequenz ist in der Praxis schwer zu detektieren, weil der Kontaktpunkt zwischen Wälzkörper und Laufbahn sich mit jeder Umdrehung verschiebt und das Signal dadurch unregelmässig wird.

FTF (Fundamental Train Frequency): Die Umlauffrequenz des Käfigs. Käfigschäden erzeugen niederfrequente Signale (die FTF liegt typisch bei 0,35 bis 0,45 mal der Drehfrequenz). Käfigschäden sind selten, aber wenn sie auftreten, können sie zum plötzlichen Totalausfall führen, weil ein gebrochener Käfig die Wälzkörper freigibt.

So werden die Frequenzen berechnet

Alle vier Frequenzen lassen sich aus drei Grössen berechnen: Drehzahl der Welle, Anzahl der Wälzkörper und das Verhältnis von Wälzkörperdurchmesser zu Teilkreisdurchmesser (Kontaktwinkel bei Schrägkugellagern). Die Formeln sind geometrisch hergeleitet und in den Datenbanken aller grossen Lager- und Messtechnikhersteller hinterlegt.

In der Praxis werden die Frequenzen nicht manuell berechnet, sondern aus Lagerdatenbanken abgerufen. Brüel & Kjær stellt solche Datenbanken als Teil ihrer Analysesoftware bereit. Auch die Lagerhersteller (SKF, Schaeffler, NSK, Timken) bieten eigene Berechnungstools an.

Warum Frequenzanalyse allein nicht reicht

Die Methodik klingt bestechend einfach: Frequenz berechnen, Spektrum messen, Übereinstimmung prüfen. In der Praxis gibt es jedoch erhebliche Einschränkungen:

Frühphase des Schadens: Die ersten Mikrorisse in einer Laufbahn erzeugen Signale im Ultraschallbereich (über 20 kHz), nicht im hörbaren Vibrationsbereich. Standardbeschleunigungssensoren mit einem Frequenzbereich bis 10 oder 15 kHz erfassen diese Frühsignale nicht. Für die Früherkennung braucht es Hüllkurvenanalyse (Envelope Analysis), Hochfrequenz-Beschleunigungssensoren oder Ultraschalltechnik.

Schlupf: Die berechneten Frequenzen setzen voraus, dass die Wälzkörper perfekt auf den Laufbahnen abrollen. In der Realität gibt es immer Schlupf, besonders bei geringer Last, hoher Drehzahl oder mangelhafter Schmierung. Schlupf verschiebt die tatsächlichen Frequenzen gegenüber den berechneten Werten um 1 bis 3%. Das bedeutet: Die Suchfenster im Spektrum müssen breit genug eingestellt werden, sonst wird der Schaden übersehen.

Maschinenhintergrund: Zahneingriffe, Unwuchten, Ausrichtungsfehler, Strukturresonanzen und elektrische Störungen erzeugen Frequenzen, die Lagersignale überlagern oder maskieren können. In einer Getriebeanwendung mit mehreren Wellen und Zahnradstufen kann das Spektrum so komplex werden, dass eine Lagerfrequenz im Rauschen untergeht.

Drehzahlschwankungen: Bei drehzahlvariablen Antrieben (Frequenzumrichter) verschieben sich die Lagerfrequenzen mit der Drehzahl. Ohne drehzahlsynchrone Messung (Order Tracking) verschmiert das Signal im Spektrum und wird unkenntlich.

Die richtige Analysetiefe wählen

Brüel & Kjær beschreibt ein abgestuftes Vorgehen, das in der Praxis oft zu kurz kommt:

Stufe 1, Trendüberwachung: Summenparameter (Gesamtschwingung in mm/s RMS) werden über die Zeit verfolgt. Ein ansteigender Trend zeigt, dass sich etwas verändert. Was sich verändert, bleibt offen. Diese Stufe reicht für die Terminplanung von Inspektionen, nicht für die Schadensidentifikation.

Stufe 2, Spektralanalyse: Das Frequenzspektrum wird mit den berechneten Lagerfrequenzen abgeglichen. Taucht eine BPFO, BPFI, BSF oder FTF mit ihren Harmonischen auf, ist die geschädigte Komponente identifiziert. Die Amplitude gibt einen Hinweis auf den Schadensfortschritt, aber keine absolute Aussage.

Stufe 3, Hüllkurvenanalyse: Hochfrequente Stosssignale werden durch Bandpassfilterung und Demodulation in niederfrequente Hüllkurvensignale umgewandelt. Diese Methode macht Lagerschäden sichtbar, die im Rohspektrum noch nicht erkennbar sind. Für die Früherkennung ist sie die wichtigste Stufe.

Stufe 4, Zeitwellenform-Analyse: Die direkte Betrachtung des Zeitsignals zeigt Stosspulse, Modulationen und transiente Ereignisse, die im gemittelten Spektrum verloren gehen. Für Käfigschäden und intermittierende Kontakte ist diese Stufe oft die einzige, die den Schaden zeigt.

Einordnung aus der Praxis: 210+ Maschinendiagnosen

In unseren forensischen Diagnosen bei Maschinenprofiler ist die Frequenzanalyse ein zentrales Werkzeug. Wir setzen sie bei jeder Maschinendiagnose ein, die rotierende Komponenten betrifft. Aber wir wissen aus über 210 Diagnosen: Die Frequenz zeigt das Symptom. Sie zeigt nicht die Ursache.

Ein Beispiel: Eine BPFO-Frequenz im Spektrum sagt, dass der Aussenring beschädigt ist. Sie sagt nicht, warum. Die Ursache kann in der Ausrichtung liegen (zu hohe Radialkraft durch Wellenversatz), in der Schmierung (Mischreibung durch falsches Fett oder fehlendes Nachschmierintervall), in der Montage (Aussenring unter Spannung eingebaut, Passungsfehler) oder in der Belastung (Prozessparameter erzeugen Kräfte, für die das Lager nicht ausgelegt ist).

Wer bei der Frequenz stehen bleibt, tauscht das Lager und wartet auf den nächsten Schaden. Wer die Ursache sucht, findet sie im System rund um die Maschine. In keiner unserer Diagnosen liess sich ein wiederkehrender Lagerschaden allein auf die Komponente zurückführen.

Die Vibrationsanalyse nach Brüel & Kjær liefert den Befund: welche Komponente, welcher Schaden, wie weit fortgeschritten. Die forensische Diagnose beginnt danach: warum dieser Schaden, an dieser Stelle, zu diesem Zeitpunkt. Die Frequenz ist der Startpunkt, nicht das Ergebnis.

Handlungsempfehlungen für Instandhaltungsleiter

1. Frequenzanalyse als Standard etablieren: Jede Vibrationsmessung an rotierenden Maschinen sollte eine Frequenzanalyse mit Abgleich gegen die Lagerdatenbank beinhalten. Ohne diesen Abgleich bleibt die Messung bei Summenparametern stehen und verpasst die Schadensidentifikation.
2. Hüllkurvenanalyse einsetzen: Für die Früherkennung von Lagerschäden ist die Hüllkurvenanalyse (Envelope Analysis) aussagekräftiger als das Rohspektrum. Sie filtert die hochfrequenten Stossimpulse heraus und macht Lagerfrequenzen sichtbar, die im Rohsignal noch im Rauschen untergehen.
3. Suchfenster breit genug einstellen: Wegen Schlupf und Fertigungstoleranzen die Suchfenster um mindestens 3% symmetrisch um die berechnete Frequenz erweitern.
4. Betriebsbedingungen bei der Messung dokumentieren: Drehzahl, Last, Temperatur und Betriebszustand müssen zur Messung erfasst werden. Ohne diese Kontextdaten ist die Interpretation mehrdeutig.
5. Bei wiederkehrenden Lagerschäden nicht nur das Lager tauschen, sondern die Systemursache suchen. Die Frequenz zeigt, was kaputt ist. Die Diagnose zeigt, warum.

Quelle

Brüel & Kjær (HBK). “Bearing Fault Detection Using Vibration Analysis.” https://www.hbkworld.com/en/knowledge/resource-center/articles