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Industriegetriebe nach der Instandsetzung prüfen: Lastprüfung, Wirkungsgrad und Schwingung
Ein instandgesetztes Industriegetriebe sollte vor dem Einbau unter Last laufen. Erst unter Last liegen die Zahnflanken an, Lager und Öl erreichen Betriebstemperatur, und Fehler in Tragbild, Lagereinstellung oder Dichtung werden messbar. Wer zusätzlich Drehmoment und Drehzahl an beiden Wellen misst, belegt den Wirkungsgrad.
Reicht ein Leerlauf nach der Getriebe-Instandsetzung?
Für grobe Montagefehler ja, für eine Aussage über den Betrieb nein. Ein Leerlauf zeigt Drehrichtung, Geräusch, erste Temperaturen und Dichtheit. Tragbild, Lagereinstellung und Schwingungsverhalten zeigen sich erst unter Last, wenn die Zahnflanken anliegen und Lager und Gehäuse sich wie im Betrieb erwärmen.
Erst unter Last werden sichtbar:
- ein Tragbild, das zur Zahnkante läuft, weil Wellen oder Lagerbohrungen nicht fluchten
- zu viel Vorspannung an Kegelrollenlagern, die sich erst mit der Wärme aufbaut
- Zahneingriffs- und Lagerfrequenzen im Schwingungsspektrum, die im Leerlauf im Rauschen untergehen
- Leckagen, die erst bei warmem, dünnflüssigem Öl auftreten
- verstopfte Ölbohrungen oder falsch eingelegte Dichtungen, die sich als Temperaturanstieg zeigen
Bei schrägverzahnten Getrieben kehrt sich die Axialkraft mit der Drehrichtung um. Läuft das Getriebe im Betrieb in beide Richtungen, gehört die Lastprüfung in beide Richtungen.
Wie misst man den Wirkungsgrad eines Getriebes?
Man misst Drehmoment und Drehzahl an Antriebs- und Abtriebswelle, berechnet daraus beide Leistungen und teilt die abgegebene durch die aufgenommene Leistung. Die Differenz ist die Verlustleistung, die im Getriebe zu Wärme wird. Aus Drehmoment und Drehzahl folgt die Leistung:
P = 2 · π · n · M60
- P
- Wellenleistung in W
- n
- Drehzahl in 1/min
- M
- Drehmoment in N m
Beispiel: 1.000 N m bei 1.500 1/min am Antrieb ergeben 157,1 kW.
Für Wirkungsgrad, Übersetzung und Verlustleistung gilt:
η = PabPan = Mab · nabMan · nan = Mabi · Man i = nannab PV = Pan − Pab
- η
- Getriebewirkungsgrad (ohne Einheit, meist in % angegeben)
- Pan, Pab
- Leistung an der Antriebs- und an der Abtriebswelle in W
- Man, Mab
- Drehmoment an Antriebs- und Abtriebswelle in N m
- nan, nab
- Drehzahl an Antriebs- und Abtriebswelle in 1/min
- i
- Übersetzung (ohne Einheit), bei Zahnradgetrieben gleich dem Verhältnis der Zähnezahlen
- PV
- Verlustleistung in W, sie wird im Getriebe zu Wärme
Beispiel: Übersetzung 5, also 300 1/min am Abtrieb, gemessen werden 4.850 N m. Die Abtriebsleistung beträgt 152,4 kW, der Wirkungsgrad 4.850 geteilt durch 5.000, also 97,0 %. Die Verlustleistung liegt bei 4,7 kW.
Bei Zahnradgetrieben steht die Übersetzung durch die Zähnezahlen fest, es gibt keinen Schlupf. Die Drehzahlmessung trägt deshalb kaum zum Fehler bei, entscheidend ist die Messung der beiden Drehmomente. Die Drehzahlen dienen vor allem zur Kontrolle: Weicht das gemessene Verhältnis von der Übersetzung ab, stimmt etwas mit der Messung nicht.
Die Verluste entstehen in Verzahnung, Lagern, Dichtungen und durch Planschen im Öl. Ein Teil wächst mit dem Drehmoment, der lastunabhängige Teil fällt auch im Leerlauf an. Bei kleiner Last ist der Wirkungsgrad deshalb deutlich schlechter als bei Nennlast. Vergleichen Sie Wirkungsgrade immer bei gleicher Last, Drehzahl und Öltemperatur.
Zur Größenordnung: Ein Hersteller nennt für einen zweistufigen Kegelradgetriebemotor einen mechanischen Wirkungsgrad von mindestens 96 %, für eine dreistufige Ausführung 94 %. Jede Stufe kostet also Wirkungsgrad, Schneckengetriebe liegen deutlich darunter.
Warum verzerren kleine Drehmomentfehler den Getriebewirkungsgrad?
Weil die Verlustleistung als kleine Differenz zweier großer Leistungen entsteht. Bei 97 % Wirkungsgrad sind die Verluste nur 3 % der Antriebsleistung, jeder Fehler in einem der beiden Drehmomente geht aber voll in diese 3 % ein. Ein Messfehler von 0,5 % kann die Verluste schon um ein Drittel verfälschen.
Δη ≈ η · (|δan| + |δab|) ΔPVPV ≈ Δη1 − η
- Δη
- größte Abweichung des gemessenen Wirkungsgrads (ungünstigster Fall)
- δan, δab
- relative Messabweichung der Drehmomente an Antrieb und Abtrieb, bezogen auf den Messwert
- ΔPV / PV
- relative Abweichung der ermittelten Verlustleistung
Beispiel: Zeigt der Antriebsaufnehmer im Beispiel 0,5 % zu wenig und der Abtriebsaufnehmer 0,5 % zu viel, misst der Prüfstand 98,0 % statt 97,0 % und 3,2 kW statt 4,7 kW Verlust. Die Verluste sind um ein Drittel zu klein. Mit 0,1 % je Aufnehmer sind es 97,2 % und 4,4 kW.
Dazu kommt: Die Genauigkeitsklasse eines Drehmomentaufnehmers bezieht sich bei vielen Herstellern auf das Nennmoment des Aufnehmers, nicht auf den Messwert. Bei einem Aufnehmer der Klasse 0,05 mit 1.000 N m Nennmoment entsprechen 0,05 % einer Abweichung von 0,5 N m, und zwar bei jedem Messwert. Bei 250 N m Prüfmoment sind das 0,2 % vom Messwert, also viermal so viel wie bei Nennmoment.
So vermeiden Sie Messfehler beim Wirkungsgrad
- Messbereich der Aufnehmer nach dem tatsächlichen Prüfmoment wählen, bei großem Bereich zwei Aufnehmer oder zwei Messbereiche vorsehen
- Aufnehmer unmittelbar am Getriebe einbauen, damit keine Lager, Kupplungen oder Zwischenwellen mitgemessen werden
- Nullpunkt vor jeder Messreihe im drehmomentfreien Zustand abgleichen
- Erst nach dem Einlauf und bei beharrter Öltemperatur messen, denn Viskosität und Planschverluste ändern sich mit der Temperatur
- Aufnehmer regelmäßig kalibrieren und den Kalibrierschein zum Prüfprotokoll legen
Der Wirkungsgrad eignet sich deshalb vor allem zum Vergleich: zwischen Getrieben gleichen Typs, vor und nach der Instandsetzung, auf demselben Prüfstand.
Bremse, Verspannung oder generatorische Last: welcher Getriebeprüfstand passt?
Das Getriebe braucht am Abtrieb ein Gegenmoment. Üblich sind eine Bremse, eine mechanische Verspannung zweier Getriebe oder eine generatorische Lastmaschine. Für Instandsetzer mit wechselnden Getriebetypen ist die generatorische Last meist die flexibelste Lösung.
| Prinzip | So funktioniert es | Energie | Geeignet für |
|---|---|---|---|
| Leerlaufprüfstand | Antrieb ohne Gegenmoment | nur Leerlaufverluste | Funktionsprüfung, Dichtheit, grobe Montagefehler |
| Bremse | Wirbelstrom-, Wasser- oder Reibbremse am Abtrieb | Prüfleistung wird zu Wärme | einfache Lastprüfung, kleine Leistungen |
| Mechanische Verspannung | Zwei Getriebe im geschlossenen Kreis gegeneinander verspannt, die Leistung läuft um | Antrieb deckt nur die Verluste | Serien gleicher Getriebe, braucht ein zweites Getriebe und passende Adapter |
| Generatorische Last | Antriebsmaschine und Lastmaschine mit Umrichtern, Moment frei regelbar | bei Rückspeisung aus dem Netz im Wesentlichen nur die Verluste | wechselnde Getriebetypen, Laststufen, Wirkungsgrad |
Bei generatorischer Last fällt die Abtriebsleistung als elektrische Energie an. Über einen gemeinsamen Zwischenkreis der Umrichter oder einen rückspeisefähigen Umrichter fließt sie zurück. Die Energiebilanz zeigt den Unterschied zur Bremse:
PNetz ≈ PanηA − Pab · ηL
- PNetz
- Leistung, die der Prüfstand bei Rückspeisung aus dem Netz bezieht, in W
- ηA
- Wirkungsgrad von Antriebsmaschine und Umrichter zusammen
- ηL
- Wirkungsgrad von Lastmaschine und Umrichter zusammen
Beispiel: Mit angenommenen 93 % für Antriebs- und Lastseite nimmt der Antrieb im Beispiel 168,9 kW aus dem Netz auf, 141,7 kW fließen zurück. Netto bezieht der Prüfstand rund 27 kW. Mit einer Bremse wären es 168,9 kW, davon gut 152 kW als Wärme im Kühlwasser.
Beim Verspannungsprüfstand deckt der Antrieb die Verluste beider Getriebe im Kreis, im Beispiel also rund zweimal 4,7 kW. Dafür müssen Übersetzung und Bauform zusammenpassen, und der Wirkungsgrad eines einzelnen Getriebes lässt sich nur mit Annahmen über das zweite Getriebe angeben.
Unser NIKLAS Drive Bench arbeitet mit Antriebsmaschine und generatorischer Lastmaschine und misst Drehmoment und Drehzahl an zwei getriebenahen Messstellen vor und hinter dem Getriebe.
Wie läuft die Getriebeprüfung nach der Instandsetzung ab?
Die Prüfung folgt einer festen Reihenfolge: Kontrolle vor dem Lauf, Leerlauf, Laststufen bis zur Prüflast, Dauerlauf bis zur Temperaturbeharrung und Ölwechsel. So wird das Getriebe schrittweise belastet und die Messwerte bleiben zwischen Getrieben vergleichbar.
- Vor dem Lauf: Sichtprüfung, Flanken- und Lagerspiel nach Herstellervorgabe, Tragbild ohne Last als erste Kontrolle, Ölsorte, Ölstand und Reinheit der Füllung.
- Aufspannen: Getriebe in die passende Aufnahme setzen, Wellen zum Antrieb und zur Lastmaschine ausrichten, Drehmomentstütze oder Fuß spannungsfrei befestigen.
- Leerlauf: bei niedriger Drehzahl beginnen, dann bis Nenndrehzahl, beide Drehrichtungen. Leerlaufmoment, Geräusch und erste Temperaturen erfassen.
- Laststufen: Last schrittweise steigern, zum Beispiel in Stufen von 25 % bis zur vereinbarten Prüflast. Je Stufe Drehmoment, Drehzahl, Temperatur und Schwingung aufzeichnen.
- Dauerlauf: bei Prüflast, bis Öl- und Lagertemperaturen beharren. Dann Wirkungsgrad und Schwingung für die Abnahme messen.
- Tragbild unter Last: mit dünnem Tuschierlack auf den Flanken eines Rads, nach einer Laststufe bei kurzer Laufzeit kontrollieren und fotografieren.
- Nach dem Lauf: Dichtheit prüfen, Magnetstopfen kontrollieren, Öl ablassen, spülen und neu befüllen oder Filter wechseln. Sonst geht der Einlaufabrieb mit zum Kunden.
Wie beurteilt man das Tragbild?
Das Tragbild zeigt, wo die Zahnflanken unter Last aufeinander tragen. Ziel ist bei Prüflast ein gleichmäßiges Tragbild über Zahnbreite und Zahnhöhe, ohne harte Anlage an Kopf, Fuß oder Zahnenden. Trägt das Rad nur an einem Ende, fluchten Wellen oder Lagerbohrungen nicht, oder die Flankenkorrektur passt nicht zur Last. Ein Tragbild ohne Last ist eine erste Kontrolle, belastbar ist erst das Tragbild unter Last, weil sich Wellen und Gehäuse unter Last verformen.
Am Magnetstopfen gilt ein feiner grauer Belag als normaler Abrieb. Grobe Späne oder glitzernde Flocken deuten auf Schäden an Verzahnung oder Lagern.
Welche Temperatur- und Schwingungswerte gelten für Getriebe?
Zulässige Öl- und Lagertemperaturen nennt der Getriebehersteller, entscheidend ist der beharrte Wert unter Prüflast. Für die Schwingungsabnahme von Getrieben gilt ISO 20816-9, auf Deutsch DIN ISO 20816-9:2021-03. Welche Zone als Abnahmekriterium gilt, vereinbaren Sie vor der Prüfung.
Temperatur und Beharrung
Steigt die Öltemperatur unter konstanter Last, Drehzahl und Umgebungstemperatur weiter, stimmt etwas mit Lagereinstellung, Schmierung oder Kühlung nicht, und der Lauf wird gestoppt. ISO/TR 14179-1 rechnet die thermische Grenzleistung von Getrieben mit 95 °C Ölsumpftemperatur bei 25 °C Umgebung. Für die Beharrung gibt es bei Getrieben keinen allgemeinen Wert. Bei Elektromotoren definiert IEC 60034-1 das thermische Gleichgewicht als Änderung von höchstens 2 K pro Stunde, ein ähnliches Kriterium können Sie für den Dauerlauf vereinbaren.
Schwingung nach ISO 20816-9
ISO 20816-9 ersetzt die zurückgezogene ISO 8579-2. Sie gilt für Getriebe von 10 kW bis 100 MW und 30 bis 12.000 1/min und bewertet Breitbandwerte der Gehäuse- und Wellenschwingung in Zonen A bis D. Für die Abnahme im Werk setzt sie den Betrieb innerhalb der Auslegungswerte für Drehzahl, Last, Temperatur und Schmierung voraus. Hochlauf, Auslauf, Lastwechsel und Drehschwingungen bewertet sie nicht.
Für Verzahnungs- und Lagerschäden reicht der Gesamtwert nicht. Dafür braucht es ein Spektrum, in dem man die Zahneingriffsfrequenz und ihre Seitenbänder findet:
fz = z · n60
- fz
- Zahneingriffsfrequenz in Hz
- z
- Zähnezahl des betrachteten Rads
- n
- Drehzahl dieses Rads in 1/min
Beispiel: Ein Ritzel mit 23 Zähnen bei 1.500 1/min erzeugt eine Zahneingriffsfrequenz von 575 Hz. Die Wellendrehfrequenz beträgt 25 Hz, Seitenbänder liegen also bei 550 und 600 Hz.
| Befund im Spektrum | Häufige Ursache |
|---|---|
| Hohe Zahneingriffsfrequenz und Oberwellen bei allen Laststufen | Verzahnungsverschleiß, Fluchtungsfehler, ungünstiges Tragbild |
| Seitenbänder im Abstand der Wellendrehfrequenz | Rundlauffehler, exzentrisches Rad, beschädigter Zahn auf dieser Welle |
| Erhöhte einfache Wellendrehfrequenz | Unwucht oder Ausrichtfehler zum Antrieb oder zur Lastmaschine |
| Lagerfrequenzen und deren Oberwellen | Lagerschaden, falsche Lagervorspannung |
Messen Sie die Schwingung bei beharrter Temperatur und an denselben Messstellen wie bei früheren Prüfungen. Nur dann lassen sich Werte zwischen Getrieben und über die Zeit vergleichen.
Was gehört ins Prüfprotokoll einer Getriebeprüfung?
Das Prüfprotokoll muss zeigen, was geprüft wurde, unter welchen Bedingungen und mit welchem Ergebnis. Erst damit lässt sich eine Prüfung später mit der nächsten vergleichen.
- Getriebe mit Typ, Seriennummer, Übersetzung, Ölsorte und Füllmenge
- Prüfablauf mit Drehzahlen, Laststufen, Drehrichtungen und Dauer je Stufe
- Drehmoment und Drehzahl an Antrieb und Abtrieb, Leerlaufmoment, Wirkungsgrad je Laststufe mit Öltemperatur
- Öl- und Gehäusetemperaturen mit Verlauf bis zur Beharrung
- Schwingungswerte mit Messstellen, Messrichtung und Bewertungsgrundlage
- Tragbild ohne und unter Last als Foto
- Dichtheit, Befund am Magnetstopfen, Ölwechsel nach dem Lauf, Prüfer und Datum
Mit der NIKLAS Prüfsoftware liegen diese Werte je Getriebe mit Seriennummer und Prüfdatum an einer Stelle. Einlauf, Laststufen und Dauerlauf laufen als hinterlegter Prüfplan.
Eigener Getriebeprüfstand oder Prüfung beim Dienstleister?
Ein eigener Getriebeprüfstand lohnt sich, wenn Sie regelmäßig Getriebe instand setzen und jedes Getriebe vor der Auslieferung unter Last nachweisen wollen. Bei seltenen Prüfungen oder sehr großen Einzelgetrieben ist ein externer Prüfstand meist wirtschaftlicher.
Was bestimmt Aufwand und Kosten eines Getriebeprüfstands?
Der größte Kostentreiber wird oft unterschätzt: das Abtriebsmoment. Die Lastmaschine muss das Moment am langsamen Abtrieb aufnehmen, und das wächst mit der Übersetzung.
Mab = Man · i · η
- Mab
- Drehmoment, das die Lastmaschine aufnehmen muss, in N m
- Man
- Antriebsmoment in N m
- i
- Übersetzung
- η
- Getriebewirkungsgrad
Beispiel: 250 N m am Antrieb, Übersetzung 40 und 97 % Wirkungsgrad ergeben 9.700 N m am Abtrieb.
| Kostentreiber | Warum |
|---|---|
| Größtes Abtriebsmoment | Bestimmt Größe der Lastmaschine, Wellen, Kupplungen und Maschinenbett |
| Leistung und Drehzahlbereich | Bestimmen Antriebsmaschine, Umrichter, Netzanschluss und Rückspeisung |
| Übersetzungsbereich | Große Spreizung braucht unter Umständen ein Zusatzgetriebe vor der Lastmaschine |
| Messgenauigkeit | Wirkungsgradnachweis braucht passende Drehmomentaufnehmer an Antrieb und Abtrieb, eventuell mehrere Messbereiche |
| Getriebevielfalt | Fuß-, Flansch- und Aufsteckgetriebe brauchen eigene Aufnahmen und Adapter |
| Gewicht und Beladung | Kranbeladung, Hubtisch und Schutzgehäuse mit passendem Zugang |
| Zusatzmessungen | Schwingung, Temperaturen, Öltemperierung und Geräusch |
| Automatisierung und Software | Hinterlegte Prüfpläne, Grenzwertüberwachung, Protokoll und Datenablage |
Worauf Sie beim Kauf eines Getriebeprüfstands achten sollten
- Drehmoment an Antrieb und Abtrieb gemessen, mit Messbereichen passend zu Ihren Prüfmomenten
- Moment der Lastmaschine frei regelbar, Laststufen und Drehrichtungen im Prüfplan hinterlegt
- Wechselaufnahmen für Ihre Bauformen und kurze Rüstzeiten
- Abschaltung bei Grenzwerten für Temperatur, Moment und Drehzahl
- Geschlossener Prüfbereich, Ölauffangwanne und sichere Beladung
- Prüfprotokoll je Getriebe mit Seriennummer und Vergleich mit früheren Prüfungen
Der NIKLAS Drive Bench nimmt mit Wechselaufnahmen für Fuß-, Flansch- oder Drehmomentstützenmontage unterschiedliche Getriebetypen auf. Drehmoment- und Drehzahlbereich legen wir nach Ihren Getrieben fest. Getriebemotoren als Einheit prüfen Sie auf dem NIKLAS Motor Bench. Was in eine Anfrage gehört, zeigt unser Beitrag Lastenheft für einen Prüfstand.
Häufige Fragen zur Getriebeprüfung
Antworten zu Lastprüfung, Wirkungsgrad, Messwerten und zur Wahl eines Getriebeprüfstands.
Reicht ein Leerlauf nach der Instandsetzung?
Für grobe Montagefehler ja, für eine Aussage über den Betrieb nein. Tragbild, Lagereinstellung und Schwingungsverhalten zeigen sich erst unter Last und bei Betriebstemperatur.
Mit wie viel Last und wie lange wird geprüft?
Das wird je Getriebe vereinbart. Üblich ist eine schrittweise Steigerung, etwa in Stufen von 25 % bis zur Prüflast, und ein Dauerlauf, bis Öl- und Lagertemperaturen beharren.
Welche Schwingungsgrenzwerte gelten für Getriebe?
Für die Abnahmeprüfung von Getrieben gilt ISO 20816-9, Nachfolgerin der ISO 8579-2. Sie bewertet Breitbandwerte in Zonen A bis D. Welche Zone als Abnahmekriterium gilt, vereinbaren Sie mit dem Instandsetzer oder entnehmen es der Herstellervorgabe.
Wie genau ist der gemessene Wirkungsgrad?
Das hängt fast nur an der Drehmomentmessung. Weichen beide Aufnehmer um 0,5 % in entgegengesetzter Richtung ab, verschiebt sich ein Wirkungsgrad von 97 % um rund einen Prozentpunkt, die Verluste um ein Drittel. Vergleichen Sie Wirkungsgrade deshalb auf demselben Prüfstand, nach dem Einlauf und bei Betriebstemperatur.
Wie berechnet man die Zahneingriffsfrequenz?
Zähnezahl mal Drehzahl in 1/min geteilt durch 60 ergibt die Zahneingriffsfrequenz in Hz. Ein Ritzel mit 23 Zähnen bei 1.500 1/min liegt bei 575 Hz.
Lohnt sich ein eigener Getriebeprüfstand?
Ja, wenn Sie regelmäßig Getriebe instand setzen und jedes Getriebe vor der Auslieferung unter Last nachweisen wollen. Sie sparen Transporte und können jede Prüfung mit früheren vergleichen. Bei seltenen Prüfungen oder sehr großen Einzelgetrieben ist ein externer Prüfstand meist wirtschaftlicher.
Was bestimmt den Aufwand für einen Getriebeprüfstand?
Vor allem das größte Abtriebsmoment, denn es bestimmt die Größe der Lastmaschine. Dazu kommen Leistung, Drehzahl- und Übersetzungsbereich, die Messgenauigkeit, die Zahl der Bauformen und der Automatisierungsgrad von Prüfplan und Protokoll.
Kann ein Prüfstand unterschiedliche Getriebe und Getriebemotoren prüfen?
Ja, mit Wechselaufnahmen für die jeweilige Bauform und einem Messbereich, der zu Ihren Getrieben passt. Die Drive Bench nimmt Fuß-, Flansch- und Drehmomentstützenmontage auf. Getriebemotoren als Einheit prüfen Sie auf dem Motor Bench.
Welche Angaben brauchen Sie für ein Angebot?
Getriebetypen mit Abmessungen, Gewicht und Aufnahme, Übersetzungen, Drehmomente an Antrieb und Abtrieb, Drehzahlen, gewünschte Prüfungen, Prüfungen pro Tag und Aufstellort mit Platzangebot und Netzanschluss. Fehlende Angaben fragen wir bei Ihnen nach.
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Nennen Sie Getriebetypen, Leistung, Drehmoment und Übersetzungen. Wir melden uns mit einem Vorschlag für Prüfablauf und Prüfstand.
Simon Niklas
Maschinenbauingenieur, M.Sc.
0941 56956720[email protected]
„Gute Ingenieurarbeit zeigt sich im Produktionsalltag. Deshalb verbinden wir technische Planung mit einem genauen Verständnis für Prozess, Bedienung und Instandhaltung.“
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