Was ist Torsionsschwingung?

Torsionsschwingungen treten aufgrund von Unwuchten in rotierenden Systemen auf, wie beispielsweise einer Fehlausrichtung einer rotierenden Welle oder einer schwachen Kupplung, die kleine unerwünschte Bewegungen entlang der Rotationsachse ermöglicht. Teile sind so konstruiert, dass sie sich mit konstanter Geschwindigkeit drehen oder manchmal beschleunigen oder verlangsamen müssen. Je weniger abrupte oder zufällige Schwingungen ein rotierendes Teil im Betrieb erfährt, desto länger ist seine Lebensdauer. Viele Torsionskomponenten werden mit Materialien konstruiert, die langfristigen Torsionsschäden, auch bekannt als Torsionsermüdung, widerstehen können. Ohne angemessene Tests unter Vibrationsbelastung können sich drehende Teile durchbrechen, katastrophal versagen und periphere Schäden verursachen – sogar den Maschinenbediener töten.

Rotierende Stangen, die normalerweise Teil eines Antriebsstrangs sind, wie beispielsweise Getriebewellen, Nockenwellen, Kurbelwellen, Antriebswellen und Spindeln, erfahren Torsionsschwingungen, wenn sie Leistung von einer Art Generatorvorrichtung übertragen. Solche rotierenden Wellen sind aus duktilen Materialien hergestellt, wie beispielsweise Metallen, die eine größere Bruchzähigkeit – Beständigkeit gegen Rissbildung – aufweisen. Metallische rotierende Teile versagen durch langsame Rissbildung an der Oberfläche, wo die größte Torsionsspannung auftritt und die Risse am leichtesten zu erkennen sind. Risse können auch durch rotierende Kupplungen entstehen, durch Oberflächenfehler in den Befestigungslöchern. Endrisse an Bruchflächen wachsen in einer ungefähren Ebene senkrecht zur Länge der rotierenden Welle und um die Mittelachse herum.

Ein einfaches Beispiel für Torsionsschwingungen ist ein Verkehrsschild bei stetigem Wind. Halterungen und Halterungen, die die Schilder unter normalen Bedingungen halten, sind nicht dafür ausgelegt, Drehbewegungen zu widerstehen. Bei einem Sturm peitschen Verkehrsschilder unter dem Einfluss von Torsionsschwingungen im Wind hin und her. Sogar einige sehr große Schilder können aus ihren Verankerungen gerissen werden und für die Unachtsamen, die in einen Hurrikan geraten, zu Schrapnells werden.

Drehschwingungen können bei bestimmten Resonanzgeometrien der Welle oder bei hohen Drehzahlen ab einem bestimmten Grenzwert auftreten. An diesem Punkt wird die Rotation um die Achse der Welle dynamisch instabil und es entstehen schädliche Schwingungen. Diese zufälligen Schwingungen, die im Widerspruch zur normalen kontinuierlichen Bewegung der Welle stehen, öffnen Risse im Metall und sind die Hauptursachen für den Ausfall von rotierenden Teilen.

Wenn ein Teil eines dünnen rotierenden Bauteils, zum Beispiel eine Turbinenschaufel, durch einen Durchgangsriss katastrophal versagt, kann dies zu größeren Unwuchten führen, die ganze Antriebssysteme zerstören können. Der Grund, warum Torsionsschwingungen schwer zu erklären sind, liegt darin, dass es kompliziert ist, während der Prüfung periodische Torsionsbelastungen aufzubringen. Heute werden Wellen mit Analysewerkzeugen konstruiert, um Längen und Durchmesser von Wellen zu optimieren, um Torsionsschwingungen zu minimieren.