Ein Kreiselrotor, der in einem Trägheitsnavigationssystem mit 150.000 rpm rotiert, gehört zu den am präzisesten ausgewuchteten gefertigten Objekten überhaupt. Bei diesen Drehzahlen erzeugt schon ein Bruchteil eines Milligramms an Unwucht Kräfte, die Lagerverschleiß und Schwingungen verursachen und vor allem ein Absinken im Navigationssignal bewirken, das das Gyroskop eigentlich liefern soll.
Bei Verteidigungssystemen, die auf Trägheitsnavigation angewiesen sind, etwa Marschflugkörpern, strategischen Waffen, ohne GPS operierenden U-Booten und Raumfahrzeugen, wird die Genauigkeit des Navigationssystems durch die Qualität des Gyroskops begrenzt. Und die Qualität des Gyroskops wird zum Teil dadurch begrenzt, wie präzise sein Rotor bei der Fertigung ausgewuchtet wurde.
Warum das Auswuchten von Gyroskopen besonders anspruchsvoll ist
Das Auswuchten von Kreiselrotoren nimmt innerhalb des weiteren Feldes des dynamischen Auswuchtens eine eigene Kategorie ein. Die Anforderungen sind um Größenordnungen höher als selbst beim Auswuchten von Luft- und Raumfahrtantrieben, und zwar aus mehreren Gründen:
Betriebsdrehzahl. Kleine Kreiselrotoren können mit Drehzahlen von bis zu 150.000 rpm laufen. Bei solchen Drehzahlen verstärken Fliehkräfte jede Massenasymmetrie enorm. Eine Unwucht von 1 mg bei einem Radius von 10 mm erzeugt eine Fliehkraft, die mit dem Quadrat der Drehzahl skaliert – das heißt, dieselbe Unwucht erzeugt bei 10.000 rpm 100-mal mehr Kraft als bei 1.000 rpm.
Toleranzeinheit: mg·mm. Auswuchttoleranzen von Kreiseln werden in mg·mm angegeben, dem Produkt aus der Unwuchtmasse und ihrem Abstand zur Drehachse. Schon ein Bruchteil eines Milligramms am Ausgleichsradius verursacht messbare Schwingungen, Lagerverschleiß und Absinken der Navigationsgenauigkeit. Zum Vergleich: Die Auswuchttoleranzen von Industriemotoren werden üblicherweise in g·mm angegeben, was um drei Größenordnungen weniger anspruchsvoll ist.
Lagerlebensdauer und Absinken. Kreiselrotoren laufen auf Präzisionslagern, etwa Gaslagern, Steinlagern oder magnetischer Lagerung, die auf minimale Reibung und maximale Stabilität ausgelegt sind. Durch Unwucht verursachte Schwingungen beschleunigen den Lagerverschleiß, was wiederum die Drehstabilität des Kreisels beeinträchtigt und einen sich aufschaukelnden Fehler erzeugt, der sich über die Betriebsdauer des Systems verschlimmert.
Kopplung an die Navigationsgenauigkeit. Der Zweck des Gyroskops besteht darin, Rotation zu erfassen und zu messen. Jede Schwingung oder Taumelbewegung des Rotors, die keine echte Rotation ist, etwa durch Unwucht verursachte Präzession, verfälscht das Ausgangssignal des Gyroskops. Diese Verfälschung zeigt sich als Bias-Instabilität und als Angular-Random-Walk-Rauschen im Ausgangssignal des Trägheitsnavigationssystems und beeinträchtigt so unmittelbar die Navigationsgenauigkeit.
Arten der Unwucht bei Kreiselrotoren
Die Unwucht von Kreiselrotoren tritt in denselben drei Formen auf wie bei jedem rotierenden Bauteil (statisch, Momentenunwucht und dynamisch), doch die Folgen bei Kreiseldrehzahlen sind weitaus gravierender.
Statische Unwucht: Der Massenschwerpunkt liegt außerhalb der Drehachse, und der Rotor ist „auf einer Seite schwer“. Dadurch entsteht ein mit der Drehfrequenz umlaufender Kraftvektor, der die Lager zyklisch belastet.
Momentenunwucht: Die Hauptträgheitsachse ist gegenüber der geometrischen Drehachse winklig versetzt. Die Massenverteilung des Rotors ist entlang seiner Länge verschoben, wodurch an jedem Lager gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kräfte entstehen, die ein Kippmoment erzeugen. Momentenunwucht ist bei Kreiseln besonders tückisch, weil sie ein Drehmoment auf die Drehachse ausübt, das die Drehbewegung, die der Kreisel messen soll, unmittelbar nachahmt.
Dynamische Unwucht: Die Vektorsumme aus statischer Unwucht und Momentenunwucht. Dies ist der allgemeine Fall bei realen Rotoren und erfordert Messung und Ausgleich in zwei Ebenen.
Der Auswuchtprozess für Kreiselrotoren
Der Auswuchtablauf für Kreiselrotoren folgt denselben grundlegenden Schritten wie jedes dynamische Auswuchtverfahren, jedoch mit spezialisierten Anlagen und Techniken, die auf den jeweiligen Toleranzbereich abgestimmt sind.
1. Präzisionsmessung
Der Rotor wird auf einer Präzisions-Auswuchtmaschine montiert, die im Prinzip einer Radauswuchtmaschine im Kern ähnelt, aber um Größenordnungen präziser ist. Das Lagersystem, die Schwingungsaufnehmer und die Signalverarbeitung der Maschine sind darauf ausgelegt, Unwuchten im Bereich unterhalb von mg·mm aufzulösen.
Der Rotor wird mit einer kontrollierten Drehzahl angetrieben (nicht zwingend mit der vollen Betriebsdrehzahl; stattdessen wird die Messdrehzahl so gewählt, dass ein ausreichender Signal-Rausch-Abstand erreicht wird und zugleich der sichere Arbeitsbereich der Maschine eingehalten bleibt). Schwingungsaufnehmer erfassen die Unwuchtsignatur in jeder Ausgleichsebene und liefern dabei sowohl Betrag als auch Winkellage.
2. Materialausgleich
Der Ausgleich erfolgt entweder durch Abtragen oder durch Hinzufügen von Material an berechneten Positionen.
Verfahren zum Materialabtrag
- Mikrobohren: Präzise kontrolliertes Bohren kleiner Löcher an der berechneten Winkellage, um die überschüssige Masse abzutragen
- Mikroschleifen: Flächiger Materialabtrag für Ausgleichsmaßnahmen, die einen verteilten statt eines punktuellen Abtrags erfordern
- Laserabtrag: Das präziseste Abtragsverfahren, mit dem sich Material in Mikrogramm-Mengen an exakten Positionen entfernen lässt. Der Laserabtrag ist für die engsten Toleranzen zunehmend das bevorzugte Verfahren, da er keine mechanischen Spannungen einbringt und sich äußerst präzise steuern lässt
Verfahren zum Materialauftrag
- Ausgleichsgewichte: Kleine Präzisionsgewichte, die an der berechneten Winkellage befestigt werden
- Epoxidharz: Präzise an der Ausgleichsposition dosiert und vor Ort ausgehärtet. Nützlich, wenn die Rotorgeometrie ein Bohren oder Schleifen an der erforderlichen Winkellage nicht zulässt
3. Iterative Verifizierung
Der korrigierte Rotor wird erneut in Drehung versetzt und nachgemessen. Da jeder Ausgleich die Masseverteilung des Rotors verändert, ist der Ausgleichsprozess von Natur aus iterativ: Nach jedem Ausgleich kann ein Kontrolllauf und gegebenenfalls ein zweiter Ausgleich nötig sein, bis die Toleranz erreicht ist.
Für die engsten Toleranzen können drei oder mehr Ausgleichsdurchgänge erforderlich sein. Das Messsystem der Auswuchtmaschine muss so stabil und wiederholgenau sein, dass die Restwerte nach dem Ausgleich den tatsächlichen Zustand des Rotors widerspiegeln – und nicht Messrauschen.
Welche Rolle das Auswuchten in der Fertigungskette von Verteidigungsgyroskopen spielt
Das mechanische Auswuchten ist eine Stufe in einem mehrstufigen Prozess, der ein Gyroskop vom Rohmaterial zu einem flugtauglichen Navigationsinstrument führt:
| Phase | Was geschieht |
|---|---|
| Fertigung der Komponenten | Rotor mit engen Maßtoleranzen gefertigt |
| Mechanisches Auswuchten | Restunwucht auf der Präzisions-Auswuchtanlage ausgeglichen |
| Montage und Burn-in | System wird bei Temperatur betrieben, um Lager und Werkstoffe zu stabilisieren |
| Kalibrierung | Prüfung auf Mehrachsen-Drehratentisch, thermische Wechselbelastung, Fehlermodell erstellt |
| Nachkalibrierung im Einsatz | Einige Systeme gleichen sich mithilfe von Referenzmessungen fortlaufend selbst aus |
Das mechanische Auswuchten ist der grundlegende Schritt, denn es legt die physische Qualität des Rotors fest, von der alle nachfolgenden Kalibrierungs- und Kompensationsschritte abhängen. Ein schlecht ausgewuchteter Rotor erzeugt Schwingungen und ein Absinken, die sich per Kalibrierung softwareseitig teilweise kompensieren, auf physischer Ebene aber nicht vollständig beseitigen lassen.
Der Cimat-Ansatz
Cimat, eine Marke von Ascential Technologies, baut Präzisions-Auswuchtmaschinen, die speziell für die Fertigungsumgebung von Gyroskopen in der Verteidigungsindustrie ausgelegt sind – mit einer Messauflösung im Bereich unterhalb von mg·mm, automatisierter Ausgleichsführung, iterativer Verifizierung und lückenloser Rückverfolgbarkeit der Daten für jeden ausgewuchteten Rotor.
Die Kombination aus Messpräzision, Optimierung des Ausgleichs (möglichst geringer Materialabtrag bei Einhaltung der Toleranz) und Rückverfolgbarkeit in der Produktion macht das Auswuchten von Gyroskopen für die Verteidigungsindustrie zu einer Spezialdisziplin – und die Auswuchtmaschine zu einem zentralen Bestandteil der Fertigungsinfrastruktur in der Verteidigungsindustrie.
