Fluchtungsfehler

Fluchtungsfehler – Ursachen, Folgen und Korrektur

Ein Fluchtungsfehler liegt vor, wenn die Achsen miteinander verbundener Bauteile nicht wie vorgesehen auf einer gemeinsamen geometrischen Linie liegen. Besonders häufig treten Fluchtungsfehler zwischen Motoren, Pumpen, Getrieben, Spindeln, Lagern und Kupplungen auf.

Bei zwei korrekt ausgerichteten Wellen stimmen die Drehachsen innerhalb der zulässigen Toleranz überein. Sind die Wellen gegeneinander verschoben oder verkippt, entstehen zusätzliche Kräfte und Momente. Diese können Lager, Kupplungen, Dichtungen und Wellen erheblich beanspruchen.

Fluchtungsfehler werden auch als Ausrichtfehler, Wellenversatz oder Misalignment bezeichnet.

Was ist ein Fluchtungsfehler?

Die Flucht beschreibt die geometrische Übereinstimmung mehrerer Achsen, Führungen oder Bauteilflächen. Bei einer Wellenverbindung bedeutet korrekte Fluchtung, dass beide Wellenachsen in der vorgesehenen Betriebsposition möglichst genau übereinstimmen.

Ein Fluchtungsfehler kann vorliegen, wenn:

• zwei Wellen parallel gegeneinander verschoben sind,
• die Wellenachsen in einem Winkel zueinander stehen,
• horizontaler und vertikaler Versatz gleichzeitig auftreten,
• Parallel- und Winkelfehler kombiniert vorkommen,
• Lagersitze nicht auf einer gemeinsamen Achse liegen,
• Führungen gegeneinander verdreht oder versetzt sind.

In realen Maschinen treten häufig mehrere Fehlerarten gleichzeitig auf.

Parallelversatz

Beim Parallelversatz verlaufen die beiden Wellenachsen parallel, liegen jedoch nicht auf derselben Linie. Der Abstand zwischen den Achsen wird als Versatz oder Offset bezeichnet.

Ein Parallelversatz kann auftreten als:

• horizontaler Parallelversatz,
• vertikaler Parallelversatz,
• kombinierter horizontaler und vertikaler Versatz.

Die Wellen können trotz des Versatzes über eine flexible Kupplung miteinander verbunden sein. Die Kupplung muss sich dann jedoch bei jeder Umdrehung verformen. Dadurch entstehen zusätzliche Rückstellkräfte, die auf Wellen und Lager übertragen werden.

Ein Parallelversatz wird üblicherweise in Millimeter oder Mikrometer angegeben.

Winkelfehler

Bei einem Winkelfehler schneiden sich die verlängerten Wellenachsen unter einem bestimmten Winkel. Die Achsen sind nicht parallel zueinander.

Der Winkelfehler kann in verschiedenen Ebenen auftreten:

• horizontaler Winkelfehler,
• vertikaler Winkelfehler,
• kombinierter Winkelfehler.

An den Kupplungsflächen zeigt sich ein Winkelfehler häufig durch einen umlaufend unterschiedlichen Spalt. Ist der Abstand zwischen den Kupplungshälften auf einer Seite größer als auf der gegenüberliegenden Seite, stehen die Kupplungsflächen nicht parallel zueinander.

Der Winkelfehler kann in Grad, Winkelminuten, Milliradiant oder als Steigungswert in Millimeter pro Längeneinheit angegeben werden.

Kombinierter Fluchtungsfehler

In der Praxis treten Parallel- und Winkelfehler häufig gemeinsam auf. Die Wellenachsen sind dann sowohl gegeneinander verschoben als auch verkippt.

Zusätzlich können horizontale und vertikale Abweichungen gleichzeitig vorhanden sein. Für eine vollständige Ausrichtung müssen deshalb mindestens vier Werte betrachtet werden:

• horizontaler Parallelversatz,
• horizontaler Winkelfehler,
• vertikaler Parallelversatz,
• vertikaler Winkelfehler.

Ein einzelner Messwert reicht nicht aus, um einen kombinierten Fluchtungsfehler vollständig zu beschreiben.

Axialversatz und Fluchtungsfehler

Ein axialer Abstand zwischen zwei Kupplungshälften ist nicht automatisch ein Fluchtungsfehler. Viele Kupplungen benötigen einen definierten axialen Montageabstand, damit sie Längenänderungen oder begrenzte Axialbewegungen aufnehmen können.

Ein falscher axialer Abstand kann die Kupplung dennoch überlasten. Er muss deshalb nach Herstellerangabe eingestellt werden.

Zu unterscheiden sind:

• radialer beziehungsweise paralleler Versatz,
• Winkelfehler,
• vorgesehener axialer Kupplungsabstand,
• unerwünschte axiale Verschiebung während des Betriebs.

Nicht jede Kupplung kann alle Abweichungen in gleichem Umfang ausgleichen.

Fluchtungsfehler an Lagerstellen

Auch Lagersitze innerhalb eines Gehäuses können Fluchtungsfehler aufweisen. Sind die Lagerbohrungen nicht koaxial, werden die Lagerringe gegeneinander verkippt oder radial versetzt.

Mögliche Ursachen sind:

• Bearbeitungsfehler,
• ungenaue Gehäusemontage,
• geteilte Gehäuse,
• Verformung beim Verschrauben,
• Schweißverzug,
• Wellendurchbiegung,
• thermische Verformung,
• Setzungen des Fundaments.

Nicht selbstausrichtende Lager können Winkelfehler nur sehr begrenzt aufnehmen. Die tatsächliche zulässige Verkippung hängt von der konkreten Lagerbauart, Belastung und dem Betriebsspiel ab.

Pendelrollenlager und Pendelkugellager besitzen dagegen eine selbstausrichtende Funktion. Sie können bestimmte statische Winkelfehler und Wellendurchbiegungen ausgleichen. Der zulässige Einstellwinkel muss dennoch aus den Herstellerdaten entnommen werden.

Berechnung eines Winkelfehlers

Wird über eine bekannte Messlänge (L) eine Höhen- oder Seitenabweichung (\Delta h) gemessen, kann der Winkel berechnet werden:

[
\alpha=\arctan\left(\frac{\Delta h}{L}\right)
]

Für kleine Winkel gilt näherungsweise:

[
\alpha\approx\frac{\Delta h}{L}
]

Wenn (\Delta h) und (L) in derselben Einheit eingesetzt werden, ergibt sich der Winkel zunächst im Bogenmaß.

Beispiel:

Über eine Messlänge von 500.00mm wird eine Abweichung von 0.10mm festgestellt.

[
\alpha\approx\frac{0.10}{500.00}
]

[
\alpha\approx0.0002,\text{rad}
]

Dies entspricht:

[
\alpha\approx0.2,\text{mrad}
]

Ob dieser Wert zulässig ist, hängt von Maschine, Drehzahl, Kupplung, Lagerung und Herstellervorgaben ab.

Ursachen von Fluchtungsfehlern

Fluchtungsfehler können bereits bei der Fertigung oder Montage entstehen. Sie können sich aber auch erst während des Betriebs entwickeln.

Typische Ursachen sind:

• ungenaue Aufstellung der Maschine,
• fehlerhafte Bearbeitung von Lagersitzen,
• verschmutzte Montageflächen,
• Grate unter Maschinenfüßen,
• falsche oder ungleichmäßige Unterlegbleche,
• ungleichmäßig angezogene Befestigungsschrauben,
• weicher Maschinenfuß,
• verzogene Grundplatten,
• Rohrleitungskräfte an Pumpen,
• thermische Ausdehnung,
• Setzungen von Fundamenten,
• verschlissene Lager,
• verbogene Wellen,
• überlastete Kupplungen,
• Kollisionen,
• unsachgemäße Reparaturen.

Eine im kalten Zustand korrekt ausgerichtete Maschine kann im warmen Betriebszustand einen Fluchtungsfehler entwickeln. Ursache dafür sind unterschiedliche Betriebstemperaturen und thermische Ausdehnungen der beteiligten Maschinen.

Weicher Maschinenfuß

Ein weicher Maschinenfuß liegt vor, wenn nicht alle Maschinenfüße gleichmäßig auf der Grundplatte aufliegen.

Wird die Befestigungsschraube eines nicht vollständig aufliegenden Fußes angezogen, kann sich das Maschinengehäuse verformen. Dadurch verändert sich gleichzeitig die Position der Welle.

Ursachen eines weichen Maschinenfußes sind:

• unebene Grundplatten,
• Schmutz oder Farbe unter dem Maschinenfuß,
• Grate,
• zu viele Unterlegbleche,
• verbogene Maschinenfüße,
• schräg stehende Unterlegbleche,
• mechanische Verspannungen.

Der weiche Maschinenfuß sollte vor der eigentlichen Wellenausrichtung geprüft und korrigiert werden.

Folgen eines Fluchtungsfehlers

Fluchtungsfehler erzeugen zusätzliche Kräfte, die bei jeder Umdrehung auf die Maschinenkomponenten wirken können.

Mögliche Folgen sind:

• erhöhte Lagerbelastung,
• vorzeitiger Lagerverschleiß,
• Schwingungen,
• ungewöhnliche Laufgeräusche,
• erhöhte Kupplungstemperatur,
• Verschleiß elastischer Kupplungselemente,
• beschädigte Dichtungen,
• Leckagen,
• Wellenverformung,
• gelockerte Befestigungen,
• höherer Energieverbrauch,
• verringerte Maschinenleistung,
• ungenaue Bearbeitungsergebnisse,
• ungeplante Maschinenstillstände.

Flexible Kupplungen können einen begrenzten Fluchtungsfehler ausgleichen. Sie beseitigen jedoch nicht die dabei entstehenden Reaktionskräfte. Die zulässigen Versatzwerte einer Kupplung dürfen deshalb nicht als Zielwerte für die Maschinenausrichtung verwendet werden.

Fluchtungsfehler erkennen

Eine reine Sichtprüfung reicht für eine präzise Beurteilung normalerweise nicht aus. Kleine Abweichungen können bei hohen Drehzahlen bereits erhebliche Auswirkungen haben.

Mögliche Prüfverfahren sind:

• Haarlineal,
• Fühlerlehre,
• Messuhr,
• Doppel-Messuhren-Verfahren,
• Laser-Wellenausrichtung,
• Prüfung mit Prüfdorn,
• Koordinatenmessung,
• Rundlaufmessung,
• Schwingungsanalyse,
• Temperaturüberwachung.

Ein Haarlineal eignet sich nur für eine grobe Kontrolle. Eine Messuhr oder ein Laserausrichtsystem ermöglicht deutlich genauere Aussagen über Parallel- und Winkelfehler.

Ausrichtung mit Messuhren

Bei der klassischen Wellenausrichtung werden eine oder mehrere Messuhren an den Kupplungshälften befestigt. Durch gemeinsames Drehen der Wellen werden Messwerte an verschiedenen Winkelpositionen aufgenommen.

Typische Messpositionen sind:

• 0°,
• 90°,
• 180°,
• 270°.

Aus den Messwerten können horizontaler und vertikaler Versatz sowie der Winkelfehler bestimmt werden.

Das Verfahren erfordert Erfahrung. Messfehler können unter anderem durch Halterdurchbiegung, Umkehrspiel, verschmutzte Messflächen oder nicht gemeinsam gedrehte Wellen entstehen.

Laser-Wellenausrichtung

Laserbasierte Systeme messen die relative Lage zweier Wellen und berechnen die erforderliche Korrektur an den Maschinenfüßen.

Sie können typischerweise anzeigen:

• horizontalen Versatz,
• vertikalen Versatz,
• horizontalen Winkelfehler,
• vertikalen Winkelfehler,
• erforderliche Unterlegbleche,
• notwendige seitliche Verschiebung.

Die Maschine wird zunächst vertikal durch das Einlegen oder Entfernen geeigneter Unterlegbleche korrigiert. Anschließend erfolgt die horizontale Verschiebung.

Nach dem Anziehen aller Befestigungsschrauben muss die Ausrichtung erneut kontrolliert werden.

Fluchtungsfehler korrigieren

Die Korrektur erfolgt üblicherweise durch Verschieben oder Unterlegen einer der miteinander verbundenen Maschinen.

Ein sinnvoller Ablauf ist:

1. Maschine sicher abschalten und gegen Wiedereinschalten sichern.
2. Kupplung und Befestigungen kontrollieren.
3. Weichen Maschinenfuß prüfen.
4. Äußere Kräfte wie Rohrleitungsverspannungen beseitigen.
5. Ausgangszustand messen.
6. Vertikale Position mit Unterlegblechen korrigieren.
7. Horizontale Position durch seitliches Verschieben korrigieren.
8. Schrauben mit dem vorgesehenen Drehmoment anziehen.
9. Ausrichtung erneut messen.
10. Kupplungsabstand und Schmierung kontrollieren.
11. Probelauf und abschließende Zustandskontrolle durchführen.

Die Toleranzen müssen zur Drehzahl, Kupplungsbauart, Wellenlänge und Maschine passen. Allgemeine Richtwerte ersetzen keine Herstellervorgaben.

Fluchtungsfehler bei CNC-Maschinen

In CNC-Maschinen können Fluchtungsfehler zwischen Servomotor, Kupplung, Kugelgewindetrieb und Lagerung auftreten.

Mögliche Auswirkungen sind:

• ungleichmäßiger Achslauf,
• erhöhte Motorlast,
• Erwärmung der Kupplung,
• vorzeitiger Verschleiß der Spindellager,
• Positionsabweichungen,
• Umkehrfehler,
• Schwingungen,
• schlechtere Oberflächenqualität,
• Beschädigung des Kugelgewindetriebs.

Auch Linearführungen müssen parallel und spannungsfrei montiert werden. Sind Führungsschienen gegeneinander versetzt oder verdreht, entstehen Zwangskräfte in Führungswagen und Maschinenstruktur.

Bei der Montage einer CNC-Achse sollten Motorwelle, Kupplung, Kugelgewindespindel, Festlager und Loslager als zusammenhängendes System betrachtet werden.

Ausgleich durch Kupplungen und Lager

Bestimmte Bauteile können begrenzte Fluchtungsfehler aufnehmen:

• elastische Kupplungen,
• Metallbalgkupplungen,
• Klauenkupplungen,
• Zahnkupplungen,
• Pendelkugellager,
• Pendelrollenlager,
• Gelenklager,
• Ausgleichskupplungen.

Die mögliche Kompensation ist abhängig von Bauart, Drehzahl, Drehmoment und Belastung.

Ein ausgleichsfähiges Bauteil ersetzt keine sorgfältige Ausrichtung. Je kleiner der verbleibende Fluchtungsfehler, desto geringer sind normalerweise die zusätzlichen Kräfte und Verformungen.

Zusammenfassung

Ein Fluchtungsfehler liegt vor, wenn miteinander verbundene Wellen, Lagerstellen oder Führungen nicht auf der vorgesehenen gemeinsamen Achse liegen.

Grundformen sind Parallelversatz und Winkelfehler. In realen Maschinen treten häufig kombinierte horizontale und vertikale Abweichungen auf.

Fluchtungsfehler können Lager, Kupplungen, Dichtungen und Wellen zusätzlich belasten. Typische Folgen sind Schwingungen, Erwärmung, Verschleiß, Energieverluste und ungeplante Ausfälle.

Für eine zuverlässige Diagnose eignen sich Messuhren und Laser-Ausrichtsysteme. Vor der Korrektur müssen weiche Maschinenfüße, äußere Kräfte und thermische Veränderungen berücksichtigt werden.