Ein Schwingungsbruch an einer Welle ist ein typischer Schadensfall im Maschinenbau, diesen Schaden habe ich im Rahmen eines Gutachten näher untersucht.
In diesem Beitrag zeige ich anhand eines realen Beispiels, wie solche Schäden entstehen, wie sie analysiert werden und worauf Unternehmen im Schadensfall achten sollten.
Was ist ein Schwingungsbruch?
Der Schwingungsbruch ist ein Ermüdungsbruch: Versagen eines Bauteils durch wiederholte, zeitlich veränderliche (schwingende) Belastung, deren Spitzen unterhalb der statischen Streck- oder Bruchgrenze liegen. Durch jeden Lastwechsel entstehen lokale, irreversible Werkstoffschädigungen. Es bildet sich ein Riss, der mit steigender Lastspielzahl langsam fortschreitet, bis der verbleibende Querschnitt die maximale Last nicht mehr tragen kann – es folgt plötzlicher Restbruch. Charakteristisch ist das zweigeteilte Bruchbild (glatte Schwingzone, raue Gewaltbruchzone).
Dauerbruch
Ein Dauerbruch entsteht, wenn ein Bauteil unter einer dauerhaft schwingenden Belastung versagt, deren Spitzen unterhalb der Streckgrenze liegen. Anders als bei reiner Überlast sammeln sich durch jede Lastwechsel minimale, irreversible Schäden an, die Ermüdung. Überschreitet die Schädigung eine werkstoffabhängige Grenze (die Dauerfestigkeit), bildet sich ein Riss, der langsam fortschreitet, bis der Restquerschnitt plötzlich versagt. Typisch für wellen, Federn oder Zahnräder nach sehr vielen Lastspielen (>10⁶).
Schwingbelastung
Bei Schwingbelastung wirkt eine zeitlich veränderliche Kraft – oft als wechselnd (Zug und Druck) oder schwellend (nur Zug, aber pulsierend). Entscheidend sind Mittelspannung, Amplitudenhöhe und Frequenz. Auch weit unter der statischen Bruchlast kann der Werkstoff durch zyklische Gleitvorgänge an der Oberfläche mikroskopische Risse bilden. Mit jedem Zyklus wächst der Riss ein Stück, bis der verbleibende Querschnitt die Spitze der Schwingung nicht mehr trägt. Die Lebensdauer hängt stark von Kerben, Oberflächengüte und Eigenspannungen ab.
Typische Merkmale im Bruchbild
Ein Schwingbruch zeigt stets zwei Zonen: Die Anbruchzone (glatt, muschelähnlich mit Schwingstreifen – feine Rastlinien) und die Gewaltbruchzone (rau, faserig oder körnig). Oft verläuft die Rissfront senkrecht zur Hauptspannungsrichtung. Typisch sind Anbruchkerben (z. B. Bohrungen, Riefen) als Startpunkt. Im Gegensatz zum reinen Gewaltbruch fehlen plastische Verformungen am Gesamtbauteil – der Bruch erfolgt spröde, obwohl der Werkstoff zäh sein kann. Die Rastlinien dokumentieren das schrittweise Risswachstum.
Drei typische Ursachen für Wellenbrüche
- Materialermüdung
- Montagefehler
- Überlast
Von der Theorie zum Gutachten für den Fall aus der Praxis
Nachfolgende Untersuchungsergebnisse stammen aus dem Gutachten, dass ich für einen Kunden erstellt habe.
Wenige Wochen nach der Überholung der Rotorlagerung seiner Mühle, kam es es zu einem Bruch der Antriebswelle. Der Kunde vermutete einen Zusammenhang und rief mich zur Schadensanalyse.
Im folgenden Foto ist eine Hälfte der gebrochenen Welle der Rotorlagerung zu sehen.
Gutachten Bruchbild
Deutlich zu erkennen sind zwei Bereiche (Zonen) in der Bruchfläche.
Zone 1 auf der rechten Seite im Bild verläuft quer zur Axialrichtung. Sie ist eben und matt und zeigt kaum Verformung.
Zone 2 auf der linken Seite ist auffällig verformt, zeigt eine Abschrägung zum Rand hin und die Bruchfläche hat glänzende Bereiche.
Gutachten Antriebswelle
Die Antriebswelle der Rotorlagerung wird über 4 Riemen gespannt. Der Verdacht liegt nahe, dass die Riemenspannung viel zu hoch war. Durch das Versagen der Welle ist das Antriebssystem zum Zeitpunkt des Bruches jedoch nicht mehr eindeutig zu analysieren.
Erschwerend hinzu kommt in diesem Fall, dass nur wenige Wochen vor Ausfall der Welle die Rotorlagerung überholt und mit neuen Lagern ausgerüstet wurde. Die Lager zeigten keinerlei Auffälligkeiten.
Eine Analyse des Wellenmaterials zeigte, dass es dem in der Stückliste des Herstellers aufgeführten Material entsprach.
Das Unternehmen, das die Überholung der Rotorwelle ausgeführt und auch die Rotorlagerung in die Mühle zurückgebaut hatte, ist ein Fachbetrieb.
Der durchführende Monteur ist allerdings nicht mehr dort beschäftigt und konnte nicht befragt werden.
Gutachten und Beweisvernichtung
Der Schwingungsbruch der Welle führte in diesem Fall zu einer Beweisvernichtung durch das Antriebssystem.
Ein endgültiger Nachweis über die Ausfallursache könnte nur durch eine Nachbildung des Schadensbildes erfolgen. Das ist jedoch sehr aufwändig und war vom Kunden auch nicht gewünscht.
Als Zerstörungsfreie Alternative käme eine Simulation in Betracht.
Die gebrochene Rotorwelle war kein Neuteil. Letzten Endes kann auch Materialermüdung der fast 20 Jahre alten Welle am Ausfall beteiligt gewesen sein.
Mein Kunde hatte Glück. Der Montagebetrieb hat aus Kulanz die Hälfte der Kosten für die Sichterwelle übernommen und die anfallende Reparatur zu einem stark reduzierten Stundensatz durchgeführt.
Lesson Learned des Gutachten: Ab jetzt wird bei jedem Riemenwechsel die korrekte Riemenspannung über ein Riemenspannprotokoll nachgewiesen.
Wie wird ein solcher Schadenfür das Gutachten analysiert?
Die Analyse eines Schwingungsbruchs erfolgt systematisch:
- Sichtprüfung der Bruchstelle
- Bewertung des Bruchbildes
- Analyse der Belastungssituation
- Prüfung von Konstruktion und Auslegung
- Einordnung der Betriebsbedingungen
Ziel ist es, die tatsächliche Ursache eindeutig zu identifizieren und nicht nur Symptome zu bewerten.
Was tun bei einem Maschinenschaden?
Ein strukturierter Umgang mit Schäden ist entscheidend, um Folgekosten zu vermeiden.
Wichtige Schritte sind:
- Schaden dokumentieren (Fotos, Betriebszustand, Daten)
- Anlage sichern und weitere Schäden verhindern
- Ursachenanalyse durchführen
- technische Bewertung der Situation vornehmen
- ggf. unabhängigen Gutachter hinzuziehen
Gerade bei unklaren Ursachen oder wirtschaftlich relevanten Schäden ist eine neutrale Bewertung entscheidend.
Wenn die Ursache eines Schadens nicht eindeutig geklärt werden kann oder wirtschaftliche Entscheidungen davon abhängen, ist ein unabhängiges Gutachten sinnvoll.
Weitere Informationen zur Vorgehensweise finden Sie hier:
Typische Fehler im Schadensfall
In der Praxis treten immer wieder ähnliche Fehler auf:
- vorschnelle Reparatur ohne Ursachenanalyse
- fehlende Dokumentation
- falsche Einschätzung der Schadensursache
- keine unabhängige Bewertung bei Streitfällen
Diese Fehler können dazu führen, dass Schäden erneut auftreten oder wirtschaftliche Nachteile entstehen.
Fazit: Schwingungsbrüche früh erkennen und richtig handeln
Schwingungsbrüche gehören zu den häufigen und gleichzeitig schwer erkennbaren Schadensarten im Maschinenbau.
Eine fundierte Analyse ist entscheidend, um:
- die tatsächliche Ursache zu identifizieren
- Folgeschäden zu vermeiden
- wirtschaftlich richtige Entscheidungen zu treffen
(FAQ) Häufige Fragen zu Schwingungsbrüchen
Woran erkennt man einen Schwingungsbruch?
Typisch sind glatte, oft muschelförmige Bruchflächen, die auf eine schrittweise Rissausbreitung hinweisen.
Was ist der Unterschied zwischen Überlastbruch und Schwingungsbruch?
Ein Überlastbruch entsteht plötzlich durch eine einmalige hohe Belastung, während ein Schwingungsbruch durch wiederholte Belastungen über längere Zeit entsteht.
Kann man Schwingungsbrüche vermeiden?
Ja, durch korrekte Auslegung, richtige Spannungseinstellungen, saubere Lagerung und regelmäßige Überprüfung der Anlage.
Wann sollte ein Gutachten erstellt werden?
Wenn die Ursache nicht eindeutig ist, wirtschaftliche Schäden entstehen oder rechtliche Fragen im Raum stehen, ist ein unabhängiger Gutachter sinnvoll.
Haben Sie ein Problem an Ihrer Anlage oder Maschine?
Kommentar verfassen