Torsionsschwingungen im Antriebsstrang: Ursachen und Erkennung

Torsionsschwingung ist eine Verdrehschwingung um die eigene Achse einer rotierenden Welle, ein ermüdungsförderndes Phänomen, das von der üblichen radialen Schwingungsüberwachung nicht erfasst wird. Seitliche Schwingungen biegen eine Welle von Seite zu Seite und zeigen sich an einem am Gehäuse montierten Beschleunigungssensor. Torsionsschwingungen hingegen wickeln die Welle wie eine Feder auf und ab zusätzlich zum laufenden Drehmoment, mit geringen radialen Auslenkungen im Lagergehäuse, sodass konventionelle Überwachung sie bis zum Versagen einer Kupplung oder der Welle übersehen kann.

Wodurch sich Torsionsschwingungen unterscheiden

Torsionsschwingung ist eine dynamische Abweichung des konstanten Drehmoments, das eine Welle überträgt, verursacht durch das Ver- und Entdrehen (Winkelverdrehung) zwischen Antrieb und Last. Da die Anregung entlang der Rotationsachse und nicht quer dazu wirkt, koppelt die Energie selten in das Gehäuse, wo Beschleunigungssensoren sitzen. Ein Antriebsstrang kann torsional in Resonanz sein und die Welle ermüden, während die Maschine in einer standardmäßigen Schwingungsroute normal erscheint. Das ist die zentrale Falle für die Zuverlässigkeit: Torsionsprobleme sind für die Instrumentierung, die an den meisten Standorten bereits vorhanden ist, verborgen. Sie treten nur durch die Folgen zutage: abgerissene Passfedern, gerissene Kupplungen, Ausfälle von Zahnradzähnen oder ermüdungsbedingte Brüche an Passfedernuten oder Wellenabsätzen.

Ursachen torsionaler Anregung

Torsionale Anregung entsteht durch alles, was das Drehmoment zeitlich ungleichmäßig macht:

• Hub- bzw. Kolbenlasten: Kompressoren und Kolbenpumpen erzeugen Drehmomentstöße einmal oder mehrfach pro Umdrehung und regen torsionale Oberschwingungen der Drehzahl an.
• Frequenzumrichter-Drehmomentpulsationen: Antriebe erzeugen Drehmomentripple, die mit Schaltfrequenz, Stromoberschwingungen und Pulsweitenmodulationsschritten bei niedrigen Drehzahlen zusammenhängen und während einer Drehzahlrampe torsionale Moden anregen können.
• Kupplungssteifigkeit und Fehlausrichtung: Die torsionale Steifigkeit der Kupplung legt weitgehend fest, wo die Eigenfrequenzen liegen. Eine falsch gewählte oder verschlissene Kupplung kann eine Resonanz in den Betriebsbereich verschieben.
• Zahnradverzahnung und Transienten: Verzahnungsfehler, Anlauftransienten des Motors, synchrones Einziehen (pull‑in) und lastseitige Stöße durch Brecher oder Mühlen injizieren torsionale Energie.

Zahnrangantriebe verdienen besondere Beachtung, weil die Verzahnung selbst eine Anregungsfunktion darstellt; siehe auch Analyse der Zahnradverzahnungfrequenz neben der torsionalen Bewertung.

Torsionale Eigenfrequenzen

Ein Antriebsstrang, modelliert als rotierende Trägheiten, die durch Torsionsfedern verbunden sind, hat eigene torsionale Eigenfrequenzen, unabhängig von den lateralen kritischen Drehzahlen, die in der üblichen Rotordynamikanalyse betrachtet werden. Diese ergeben sich aus einem torsionalen Masse‑Elastik‑Modell der gesamten Antriebskette – vom Motorrotor über das Getriebe bis zur angetriebenen Maschine – nicht aus einer einzelnen Welle in Isolation. Die gefährliche Situation ist das Zusammentreffen: eine torsionale Eigenfrequenz liegt in der Nähe einer Anregungsfrequenz innerhalb des Betriebsbereichs oder wird beim Anlaufen und Abfahren wiederholt durchlaufen. Hub- und frequenzumrichtergetriebene Antriebsstränge sind besonders exponiert, da sie starke niederordnige Oberschwingungen genau dort erzeugen, wo die ersten torsionalen Moden typischerweise liegen. Das steht in Beziehung zu, ist aber von der lateralen kritischen Drehzahl-Analyse flexibler Rotoren zu unterscheiden.

Versagensmechanismen: Wellen‑ und Kupplungsermüdung

Torsionsschwingungen schädigen durch Hochzyklusermüdung: Wiederholte Ver‑ und Entdrehzyklen erzeugen wechselnde Schubspannungen an Passfedernuten, Wellenabsätzen, Verzahnungen und Kupplungsnaben. Typische Kennzeichen sind:

• Wellenbrüche auf einer 45‑Grad‑schraubenförmigen Bruchfläche, typisch für torsionale Schubermüdung, oft beginnend an der Wurzel einer Passfedernut.
• Abgerissene oder verformte Passfedern, die nach dem Austausch erneut auftreten können, wenn die Resonanz nicht behoben wird.
• Gerissene oder delaminierte Elemente elastischer Kupplungen in Resonanznähe.
• Ermüdungsbedingte Rissbildung an Zahnradzähnen, verursacht durch Drehmomentripple und nicht durch Fehlausrichtung oder Schmierung.

Weil die Ursachen für radiale Sensoren unsichtbar sind, werden diese Ausfälle oft als Materialfehler oder Überlast fehlinterpretiert und das Bauteil wird ersetzt, ohne die Resonanz zu identifizieren — wodurch das Versagen erneut auftritt.

Erkennungsverfahren

Die Bestätigung von Torsionsschwingungen erfordert Messverfahren, die sich von der standardmäßigen radialen oder Lagerüberwachung unterscheiden.

Die Analyse der Motorstromsignatur ist oft der praktische Einstiegspunkt, da sie Instrumente nutzt, die bereits an frequenzumrichtergetriebenen oder direkt am Netz betriebenen Motoren vorhanden sind, obwohl sie weniger präzise ist als eine direkte Messung. Sie überschneidet sich mit der Erkennung gebrochener Rotorstäbe, da beide auf Stromspektren beruhen. Eine vollständige Torsionsanalyse sollte von einem Spezialisten für jeden neuen Hub- oder großen verzahnten VFD‑Antrieb oder für einen Antriebsstrang mit wiederkehrenden Ausfällen ohne offensichtliche Ursache in Auftrag gegeben werden.

Torsionalrisiko in ein Instandhaltungsprogramm integrieren

Torsionsbedingte Ausfälle sind selten zufällig; sie häufen sich, sobald die Resonanz verstanden ist, um bestimmte Drehzahlbereiche, Lastbedingungen oder Startsequenzen. Die Dokumentation der Ausfallhistorie in Bezug auf Betriebsbedingungen — statt jeden Ausfall als isoliertes Ereignis zu behandeln — macht das Muster sichtbar. Das Verfolgen wiederkehrender Ausfälle nach Anlage und Zustand in einem CMMS wie Fabrico ermöglicht es, eine Kupplung zu identifizieren, die immer bei derselben Drehzahl oder demselben Anlauframp wieder versagt — ein Signal, dass eine torsionale Untersuchung überfällig ist. Buchen Sie eine Fabrico‑Demo, um zu sehen, wie Ausfall‑ und Zustandsdaten so strukturiert werden können, dass dieses Muster sichtbar wird.

Häufig gestellte Fragen

Kann die Standard‑Schwingungsüberwachung Torsionsschwingungen erkennen?

Nicht zuverlässig. Am Gehäuse montierte radiale Beschleunigungssensoren erfassen laterale Wellenbewegungen und Lagerdefekte. Torsionsschwingungen wirken entlang der Rotationsachse und koppeln typischerweise nicht in radiale Messungen, sodass eine separate Methode erforderlich ist.

Sind Torsionsschwingungen nur bei Hubmaschinen relevant?

Nein. Kolbenkompressoren und -pumpen sind klassische Quellen, aber auch frequenzumrichtergetriebene Antriebsstränge, verzahnte Systeme, synchrone Motoranläufe und Stoßbelastungen wie bei Brechern oder Mühlen können torsionale Resonanzen in rotierenden Maschinen anregen.

Was ist der Unterschied zwischen einer torsionalen Eigenfrequenz und einer kritischen Drehzahl?

Eine kritische Drehzahl ist eine laterale bzw. Biege‑Resonanz des Rotors. Eine torsionale Eigenfrequenz ist eine separate Resonanz desselben Antriebsstrangs in Verdrehung. Eine Maschine kann frei von ihren kritischen Drehzahlen sein und gleichzeitig nahe an einer torsionalen Resonanz liegen.

Wie dringend sollte ein vermutetes Torsionsproblem untersucht werden?

Torsionsermüdungsversagen können mit wenig oder ohne Vorwarnung auftreten, daher sollten wiederkehrende Kupplungs-, Passfeder‑ oder Wellenversagen ohne offensichtliche Ursache vorrangig mit einer gezielten Messung untersucht und nicht durch wiederholten Teileaustausch behandelt werden.