Jedes rotierende Bauteil in einem Verteidigungssystem – vom Turm einer mobilen Aufklärungs- und Lenkstation über die Antriebswelle eines Strahltriebwerks bis zum Rotor eines Gyroskops in einer Lenkeinheit für Marschflugkörper – muss vor der Inbetriebnahme dynamisch ausgewuchtet werden. Die Folgen einer Unwucht sind in Verteidigungsanwendungen keine Schwingungsbeschwerden oder vorzeitiger Lagerverschleiß, wie sie bei kommerziellen Maschinen auftreten können. Sie bedeuten eine geringere Waffengenauigkeit, eine verminderte Sensorstabilität, eine verkürzte Lebensdauer von Bauteilen in Umgebungen, in denen ein Vor-Ort-Service nicht möglich ist, und im schlimmsten Fall das Scheitern der Mission.
Dynamisches Auswuchten ist das Verfahren, die ungleichmäßige Massenverteilung eines rotierenden Bauteils zu messen und auszugleichen, sodass die Hauptträgheitsachse mit der geometrischen Drehachse zusammenfällt. In der Verteidigungsindustrie gehören die Toleranzen für diese Übereinstimmung zu den engsten in allen Branchen, und die Vielfalt der auszuwuchtenden Bauteile reicht über nahezu jedes Teilsystem moderner Plattformen.
Warum rotierende Bauteile in der Verteidigungstechnik anders sind
Das kommerzielle und industrielle Auswuchten betrifft Bauteile, die in vergleichsweise unkritischen Umgebungen arbeiten, darunter Elektromotoren, Lüfter, Pumpen und Turboladerrotoren, die unter kontrollierten Bedingungen mit bekannten Drehzahlen laufen. Rotierende Bauteile im Verteidigungsbereich stellen ein grundlegend anderes Anforderungsprofil dar, von extremen Einsatzumgebungen bis hin zu regulatorischen Vorgaben und Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit.
Extreme Einsatzumgebungen. Bauteile können bei Temperaturen von −51°C bis +71°C (MIL-STD-810-Extremwerte) unter anhaltenden Schwingungs- und Stoßbelastungen sowie in Lagen arbeiten, die sich während des Flugs oder Manövers laufend ändern. Eine Unwucht, die in einer ortsfesten Industrieanlage tolerierbar ist, kann auf einer Plattform mit mehrachsigen Schwingungen und Beschleunigungen Resonanzen oder Lagerschäden verursachen.
Missionskritische Leistungsanforderungen. Ein Kreiselrotor in einem Inertialnavigationssystem muss seine Drehstabilität in einem Maß halten, bei dem jede Restunwucht – selbst Bruchteile eines Milligramms an der Ausgleichsebene – ein messbares Absinken der Navigationsgenauigkeit verursacht. Ein Turmlager, an dem schwingungsbedingter Verschleiß auftritt, beeinträchtigt die Zielgenauigkeit des Waffen- oder Sensorsystems, das es trägt.
Keine Möglichkeit für Vor-Ort-Service. Viele rotierende Bauteile im Verteidigungsbereich arbeiten in abgedichteten oder unzugänglichen Baugruppen, etwa in Lenksystemen, abgedichteten Antriebseinheiten und Druckbehältern. Anders als kommerzielle Anlagen, die bei planmäßiger Wartung neu ausgewuchtet werden können, müssen Bauteile im Verteidigungsbereich bereits bei der Fertigung korrekt ausgewuchtet werden, da es nach der Einführung praktisch keine Möglichkeit gibt, eine Unwucht zu beheben.
Regulatorische Vorgaben und Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit. Die Fertigung im Verteidigungsbereich unterliegt AS9100, ITAR und programmspezifischen Qualitätsanforderungen, die für jedes Bauteil mit Seriennummer die lückenlose Rückverfolgbarkeit jeder Messung, jedes Ausgleichs und jedes endgültigen Auswuchtzustands vorschreiben.
Das Spektrum der Auswuchtanwendungen in der Verteidigungstechnik
Cimat, eine Marke von Ascential Technologies, verfügt über umfassende Erfahrung im Bau von Auswuchtmaschinen für dynamisches Auswuchten für das gesamte Spektrum rotierender Bauteile der Rüstungsindustrie, darunter die folgenden Anwendungen.
Turmsysteme
Türme mobiler Aufklärungs- und Lenkstationen (die drehbaren Plattformen, die Radar-, elektrooptische und Waffensysteme tragen) müssen ausgewuchtet werden, damit sie sich unter Einsatzbedingungen gleichmäßig und präzise drehen. Eine Turmunwucht führt zu Nachführfehlern, erhöht die Belastung der Antriebsmotoren und erzeugt Schwingungen, welche die Leistung der auf der Plattform montierten Sensoren oder Waffen beeinträchtigen. Das Auswuchten von Turmbaugruppen erfordert Maschinen mit großer Tragfähigkeit und präzisen Messsystemen, die auch kleine Unwuchten an schweren, komplexen Baugruppen auflösen können.
Antriebsrotoren und Antriebswellen
Rotoren und Antriebswellen konventioneller Antriebe und Strahltriebwerke arbeiten bei hohen rpm unter extremen thermischen und mechanischen Belastungen. Unwucht in einem Antriebsrotor erzeugt Schwingungen, die sich über die gesamte Flugzeugzelle bzw. Fahrzeugstruktur ausbreiten und jedes daran montierte System beeinflussen. Da Verteidigungs- und Luftfahrtprogramme die Anforderungen an Schwingungsverhalten und Zuverlässigkeit weiter verschärfen, werden auch die Vorgaben für das Auswuchten von Antriebskomponenten immer strenger.
Kreiselrotoren
Kreiselrotoren in Lenk- und Navigationssystemen bilden die anspruchsvollste Auswuchtanwendung in der Verteidigungsindustrie ab. Bestimmte hochpräzise Kreiselrotoren können mit extrem hohen Drehzahlen arbeiten und erreichen dabei zehntausende rpm oder mehr, wobei die Wuchttoleranzen in Milligramm-Millimetern (mg·mm) gemessen werden. Bei diesen Drehzahlen erzeugt bereits ein Bruchteil eines Milligramms an Unwucht Kräfte, die die Navigationsgenauigkeit beeinträchtigen. Das Auswuchten von Kreiselrotoren erfordert Spezialmaschinen, deren Messauflösung um Größenordnungen über der von üblichen industriellen Auswuchtanlagen liegt.
Statische Unwucht, Momentenunwucht und dynamische Unwucht
Die verschiedenen Arten von Unwucht zu kennen, ist entscheidend, um das passende Auswuchtverfahren festzulegen.
Statische Unwucht entsteht, wenn der Massenschwerpunkt von der Drehachse abweicht oder wenn der Rotor „einseitig schwer“ ist. Statische Unwucht lässt sich erkennen, ohne den Rotor zu drehen, indem man beobachtet, in welche Richtung er sich auf reibungsarmen Lagern neigt. In Verteidigungsanwendungen sind die Toleranzen für statische Nachweisverfahren zu eng, sodass eine dynamische Messung erforderlich ist.
Momentenunwucht entsteht, wenn die Hauptträgheitsachse gegenüber der Drehachse winkelversetzt ist oder wenn der Rotor zwar hinsichtlich des Massenschwerpunkts ausgewuchtet ist, aber entlang seiner Länge eine asymmetrische Massenverteilung aufweist. Momentenunwucht lässt sich nur dynamisch erkennen und ausgleichen und erfordert eine Messung in zwei Ausgleichsebenen.
Dynamische Unwucht ist die Vektorsumme aus statischer Unwucht und Momentenunwucht, der allgemeinste Fall. Praktisch alle realen rotierenden Bauteile weisen eine dynamische Unwucht auf, weshalb das dynamische Auswuchten in zwei Ebenen das Standardverfahren für Bauteile im Verteidigungsbereich ist.
Der Auswuchtprozess
Der grundlegende Ablauf beim dynamischen Auswuchten ist bei allen Bauteiltypen gleich, auch wenn Präzision und Vorrichtungen enorm variieren.
- Messlauf: Das Bauteil wird auf einer Präzisions-Auswuchtmaschine montiert und mit kontrollierter Drehzahl in Rotation versetzt. Schwingungsaufnehmer erfassen die Unwuchtsignatur – sowohl Betrag als auch Winkellage – in jeder Ausgleichsebene.
- Berechnung des Ausgleichs: Das Messsystem der Auswuchtmaschine berechnet die Masse und die Winkellage des Ausgleichs, der in jeder Ebene erforderlich ist, um den Rotor innerhalb der Toleranz zu bringen.
- Materialausgleich: Material wird an den berechneten Positionen entweder abgetragen (Bohren, Schleifen, Fräsen oder Laserablation) oder hinzugefügt (Ausgleichsgewichte, Epoxidharz).
- Kontrolllauf: Das Bauteil wird erneut in Drehung versetzt, um zu überprüfen, ob der Ausgleich die geforderte Wuchttoleranz erreicht hat.
- Dokumentation: Die Anfangsunwucht, der vorgenommene Ausgleich und die verbleibende Restunwucht werden zur Rückverfolgbarkeit in der Qualitätsakte des Bauteils festgehalten.
Bei Bauteilen für die Rüstungsindustrie kann dieser Vorgang mehrfach wiederholt werden, um die geforderte Toleranz zu erreichen. Die Messdaten werden als Teil der Bauteilhistorie mit Seriennummernzuordnung aufbewahrt.
Was eine Auswuchtmaschine in Verteidigungsqualität ausmacht
Nicht jede Auswuchtmaschine eignet sich für Anwendungen in der Rüstungsindustrie. Auswuchtmaschinen für die Rüstungsindustrie müssen Folgendes bieten:
- Messauflösung, die der Toleranz angemessen ist, etwa mg·mm bei Kreiselrotoren, g·mm bei Antriebskomponenten
- Wiederholgenauigkeit, die ausreicht, um bei der geforderten Toleranz zuverlässige Ausgleichsentscheidungen zu treffen
- Klimasteuerung für temperaturstabilisierte Messungen an Bauteilen mit temperaturempfindlichem Wuchtzustand
- Messdatenerfassung und Rückverfolgbarkeit zur automatisierten Aufzeichnung sämtlicher Mess- und Ausgleichsdaten, integriert in Qualitätsmanagementsysteme
- Flexible Vorrichtungen, die eine Anpassung an die spezifischen Aufnahme- und Antriebsanforderungen des jeweiligen Bauteiltyps ermöglichen
Cimat konstruiert und baut Auswuchtmaschinen, die auf die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Verteidigungsanwendung zugeschnitten sind, von Auswuchtsystemen großer Tragfähigkeit für Türme bis hin zu Ultrapräzisions-Auswuchtmaschinen für Kreiselrotoren mit einer Messauflösung im Bereich unter mg·mm.
