Hüllkurvenanalyse für vorausschauende Instandhaltung

Die Untersuchung von Maschinenschwingungen ist ein seit Jahrzehnten etabliertes Mittel, um Störungen und deren Ursachen zu ermitteln sowie gezielte Arbeiten planen zu können. Spezielle Analysemethoden erweitern die Einsatzmöglichkeiten, um während der gesamten Lebensdauer eine Aussage über das Nutzungspotential zu erhalten.

Bereits unsere menschlichen Ohren und das Tastgefühl erlauben uns den Schwingungszustand qualitativ zu beschreiben. Diese persönlichen Einschätzungen über längere Zeit zu vergleichen ist allerdings eine Herausforderung. Zudem ist die heutige Messtechnik in der Lage kleinere Veränderungen zu registrieren als unsere individuellen Sinne. [1][2]

Neben einer zuverlässigen Messtechnik sind für aussagekräftige Schwingungsmessungen ein ausreichend aufgelöster Messbereich sowie eine hinreichend hohe Abtastrate erforderlich. Reicht nach DIN ISO 2954 [3] und DIN ISO 10816-3 bereits eine Arbeitsfrequenz von maximal 1 kHz für qualitative Aussagen aus, so sind für detaillierte Schadensdiagnosen oft höhere Frequenzen erforderlich. [4]

Potential der Hüllkurvenanalyse

Mit diesen klassischen Schwingungsanalysen können Schäden in einem frühen Stadium, deutlich bevor sie für den Maschinenführer hör- oder fühlbar sind, ermittelt und lokalisiert werden.

Hüllkurvenanalyse oder Stresswellenanalyse kann sowohl bei Schäden im Frühstadium als auch im Spätstadium erfolgreich eingesetzt werden. Sie ist somit leistungsfähiger als Ölanalyse, Schwingungsanalyse und thermische Untersuchungsverfahren.
Das Potential der Hüllkurvenanalyse (Stresswellenanalyse) [5, S. 199]

Eine andere gebräuchliche Untersuchungsmethode ist die Temperaturerfassung, etwa durch Thermoelemente oder mittels Infrarot-Thermografie. Diese Methode liefert wie oben abgebildet erst spät Hinweise auf Schäden. Eine Ölanalyse kann dagegen in vielen Fällen schon vor einer Schwingungsmessung auf Schäden hindeuten, diese allerdings nur selten lokalisieren.

Die Analyse eines gemessenen hochauflösenden Frequenz­spektrums kann sogar in einem noch früheren Stadium entstehende Schäden entdecken; sie ist aber ebenso geeignet den Schadens­fortschritt zu verfolgen und somit Instandhaltungs­maßnahmen immer dann durchzuführen, wenn sie ökonomisch angebracht sind. Die gebräuchlichste Form einer solchen Analyse ist die Hüllkurvenanalyse [6].

Gewinnung des Hüllkurvenspektrums durch eine Einhüllende des Originalsignals und anschließende Bildung des Frequenzspektrums.
Bildung des Hüllkurvenspektrums [7, S. 78]


Die Hüllkurve ergibt sich durch Gleichrichtung des Messsignals und ggf. einer Filterung. Aus diesem Signal-Zeit-Verlauf wird mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) das Hüllkurvenspektrum ermittelt. [8] Dieses bildet nun die Frequenzen der in der Hüllkurve abgebildeten Impulse nach. Insbesondere die Grundfrequenz und mehrere Oberschwingungen werden dargestellt.

Auswertung von Hüllkurvenspektren

Bei der Auswertung von Hüllkurvenspektren wird auf auffällige Frequenzen geachtet. Diese werden mit den in Frage kommenden Anregungsfrequenzen verglichen.

ausgeprägte Peaks bei Oberschwingungen der Zahneingriffsfrequenz
Hüllkurvenanalyse zeigt beschädigte Zahnflanken [9, S. 79]

Im gezeigten Beispiel liegt die betreffende Zahneingriffsfrequenz bei etwa 109 Hz. Dadurch, dass die Kraftübertragung beim Zahneingriff – insbesondere wegen beschädigter Zahnflanken – nicht sinusförmig verläuft, kommt es zur hohen Ausprägung der 1. und 2. Oberschwingung bei 2 bzw. 3 mal 109 Hz. Inwieweit der Schaden im betrachteten Beispiel schon fortgeschritten ist, lässt sich nur anhand von Vergleichsgetrieben oder durch Trendanalyse ermitteln. [9]

Amplitudenmodulation und Seitenbänder

Treten Stoßimpulsfolgen amplitudenmoduliert – also in der Höhe veränderliche – auf, wie es beispielsweise bei einem umlaufenden Wälzlagerschaden der Fall ist, dann zeigt die Frequenzanalyse sogenannte Seitenbänder, die die ermittelte Grundfrequenz flankieren.

erkennbar sind 2 Signale mit Amplitudenmodulation, diese äußerst sich im Hüllkurvenspektrum durch symmetrische Seitenbänder zur Schadensfrequenz
Schematische Darstellung des Zeitsignals und der Hüllkurvenspektren mit den ersten drei Harmonischen; für Außenring-, Innenring- und Wälzkörperschaden [10, F. 8]

Im betrachteten Beispiel ist der Außenring fest, ein Schaden befindet sich also immer an gleicher Stelle und die Krafthöhe und -richtung bleibt gleich. Anders bei einem umlaufenden Innenring oder Wälzkörpern: Durch deren Umlauf ändert sich die lokal jeweils wirksame Kraft an der Schadensstelle.

Hüllkurvenspektrum bei Wälzkörperbeschädigung [7, S. 79]
Hüllkurvenspektrum bei Wälzkörperbeschädigung [7, S. 79]

Treten Seitenbänder zu der Schadensfrequenz auf, die im Abstand der Drehfrequenz liegen, so kann von einer lokalen Beschädigung ausgegangen werden. Durch die variierende Höhe des Zeitsignals ist der Schaden dann größer, als es die dargestellten Messwerte erwarten lassen.

Einsatzmöglichkeiten

Die Hüllkurvenanalyse ist vielfältig und dank moderner Technik einfach einsetzbar. Bei einer Offline-Analyse im Bedarfsfall können geeignete Instandsetzungsarbeiten abgeleitet werden. Damit ist beispielsweise die aufwändige Demontage intakter Teile eines großen Industriegetriebes vermeidbar.

Erweiterte Möglichkeiten zur zustandsbasierten Instandhaltung bringen regelmäßige Untersuchungen. Diese können mit mobilen oder fest installierten Messsystemen offline durchgeführt werden. Ebenso möglich ist eine Online-Überwachung. Sowohl Online- als auch Offline-Schwingungsmessungen können einer regelmäßigen Trendanalyse unterzogen werden, um so entscheidender Baustein einer vorausschauenden Instandhaltung zu sein. So kann das ganze, in der einleitenden Abbildung versprochene Potential genutzt werden.

Dienstleistungsangebot

I-Care bietet umfassende Dienstleistungen in Condition Monitoring an. Der Ursprung des Unter­nehmens liegt im Bereich Schwingungs­diagnose; hier macht es sich seit 2004 zur Aufgabe, aussagekräftige Schwingungsanalysen für sämtliche Anforderungsprofile anzubieten.

Täglich werden Messungen von Ingenieuren in den ver­schie­densten Industrie­branchen durchgeführt und aus­gewertet. Zusätzlich sind weitere Systeme zur Online-Schwingungs­über­wachung und zur Fern­diagnose im welt­weiten Einsatz. Dazu gehört auch das eigen­entwickelte, leistungs­starke Funk-Messsystem Wi-care.

Zum weiteren Angebot gehören heute auch Produkt­vertrieb/-verleih, Schulungen sowie individuelle Projekt­unter­stützung.



  • [1] Gasch, Robert u.a.: Schwingungsüberwachung von Maschinen – Normen und Richtlinien. In: Rotordynamik. 2. Aufl, Springer, 2002.

  • [2] Möser, Michael: Messtechnik der Akustik. Springer, 2010.

  • [3] DIN ISO 2954: Mechanische Schwingungen von Hubkolbenmaschinen und von Maschinen mit rotierenden Bauteilen – Anforderungen an Schwingstärkemessgeräte (ISO 2954:2012). Deutsche Norm, 2012.

  • [4] DIN ISO 10816-3: Mechanische Schwingungen – Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen – Teil 3: Industrielle Maschinen mit einer Nennleistung über 15 kW und Nenndrehzahlen zwischen 120 min–1 und 15 000 min–1 bei Messungen am Aufstellungsort (ISO 10816-3:2009)

  • [5] Reichel, J. u.a.: Betriebliche Instandhaltung. Springer, 2009.

  • [6] Schlecht, Berthold: Maschinenelemente 2; Getriebe Verzahnungen und Lagerungen. 2. Aufl, Addison-Wesley, 2009.

  • [7] Wirth, Rainer: Maschinendiagnose an Industriegetrieben – Grundlagen. In: Antriebstechnik Bd. 37, Nr. 10, S. 75-80, 1998.

  • [8] Deckers, Jörg: Entwicklung einer Low-Cost Körperschallsensorik zur Überwachung des Verschleißverhaltens von wälz- oder gleitgelagerten Kreiselpumpen kleiner Leistung. Dissertation, Universität Duisburg, 2001.

  • [9] Wirth, Rainer: Maschinendiagnose an Industriegetrieben – praktische Signalidentifikation. In: Antriebstechnik Bd. 37, Nr. 11, S. 77-81, 1998.

  • [10] Ganeriwala, Suri: Review of Techniques for Bearings & Gearbox Diagnostics. International Modal Analysis Conference (IMAC), Jacksonville, 2010.