Lastprofil Antrieb: Drehmomentspitzen, Taktzeiten und Lastkollektive erfassen

Das Wichtigste auf einen Blick

• Ein Lastprofil erfasst Drehmoment, Drehzahl und Dauer über ganze Arbeitstakte, nicht einen einzelnen Betriebspunkt.
• Die Betriebsart nach IEC 60034-1 entscheidet, ob ein Motor im Dauerbetrieb S1 oder im Aussetzbetrieb gefahren werden darf.
• Für die Erwärmung zählt das quadratisch gemittelte Moment, weil die Verluste mit dem Quadrat des Drehmoments steigen.
• Drehmomentspitzen bleiben nur sichtbar, wenn Abtastrate und Messkette zu ihrer Dauer passen.
• DIN ISO 10816-3 ergänzt das Lastprofil um eine Bewertung der Schwingungen an Lagerstellen.

Betriebsarten S1 bis S9 nach IEC 60034-1

IEC 60034-1 beschreibt, wie ein Motor zeitlich belastet wird. Die Norm trennt Dauerbetrieb, Kurzzeitbetrieb und mehrere Formen des Aussetzbetriebs. In jeder Betriebsart sind Lastzeit, Pausenzeit, Anlauf und Bremsung festgelegt, weil diese Abschnitte die Wicklungserwärmung unterschiedlich prägen.

Im Dauerbetrieb S1 läuft der Motor mit konstanter Belastung, bis sich ein thermisches Gleichgewicht einstellt. Beim Kurzzeitbetrieb S2 folgt auf eine festgelegte Belastungszeit eine Pause, die den Motor wieder nahezu auf Umgebungstemperatur bringt.

Die Aussetzbetriebe S3, S4 und S5 bestehen aus wiederholten Spielen mit gleicher Lastzeit und Pause. S4 schließt einen Anlauf ein, S5 eine elektrische Bremsung.

Die Durchlaufbetriebe S6 bis S8 verzichten auf Stillstand. Statt einer Pause läuft die Maschine leer weiter oder wechselt zwischen Laststufen und Drehzahlen. S9 erfasst nichtperiodische Last- und Drehzahländerungen, wie sie an Kranen, Mischern und Wickelantrieben auftreten. IEC 60034-1 kennt zusätzlich den Betrieb S10 mit diskreten konstanten Lasten.

Die Betriebsarten sind thermisch begründet. Eine Wicklung erwärmt sich mit einer Zeitkonstante, die je nach Baugröße zwischen wenigen Minuten und über einer Stunde liegt. Lastspiele unterhalb dieser Zeitkonstante heizen den Motor weniger auf als eine gleich hohe Dauerlast.

Kurzzeichen	Betriebsart	Kennzeichen	Beispiele
S1	Dauerbetrieb	konstante Last bis zum thermischen Beharrungszustand	Pumpe, Lüfter
S2	Kurzzeitbetrieb	feste Lastzeit, danach Pause mit Abkühlung	Torantrieb im Einzelbetrieb
S3	Aussetzbetrieb	gleiche Spiele aus Lastzeit und Pause	Taktförderer
S4	Aussetzbetrieb mit Anlauf	Anlauf in jedem Spiel	Hubwerk
S5	Aussetzbetrieb mit elektrischer Bremsung	Bremsvorgang in jedem Spiel	Positionierachse
S6	Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung	Leerlauf statt Pause	Rundtisch
S7	Durchlaufbetrieb mit Anlauf und Bremsung	Anlauf und Bremsen, kein Stillstand	Werkzeugmaschine
S8	Durchlaufbetrieb mit Last- und Drehzahlwechsel	mehrere Laststufen bei verschiedenen Drehzahlen	Wickelantrieb
S9	nichtperiodische Last- und Drehzahländerung	Laststufen treten unregelmäßig auf	Kran, Mischer

In Deutschland gelten diese Festlegungen über die Reihe DIN EN 60034. Wie internationale Vorlagen in das deutsche Normenwerk übernommen werden, beschreibt die Übersicht zu Normen und Standards bei DIN.

Typenschilder tragen die Betriebsart und die zugehörige Leistungsangabe. Ein Motor mit der Angabe S1 und 15 Kilowatt darf nicht ohne Weiteres mit 15 Kilowatt in S3 gefahren werden, weil die Leistungsangabe an die Betriebsart gebunden ist.

Wird die Betriebsart zu optimistisch angesetzt, wandert thermische Reserve in einen Bereich, der im Dauerbetrieb nicht vorhanden ist. Jede Auslegung beginnt deshalb mit der Frage, welche Betriebsart im realen Takt tatsächlich gefahren wird.

Drehmomentspitzen und Taktzeiten messtechnisch erfassen

Die direkteste Methode ist ein Drehmomentmessflansch mit Dehnungsmessstreifen, wie ihn etwa HBM, Kistler oder Lorenz Messtechnik anbieten. Solche Sensoren erreichen Genauigkeiten im Bereich von 0,1 bis 0,5 Prozent vom Messbereich. Sie erfassen Beschleunigungsmomente direkt an der Welle, erfordern aber Einbauraum und eine saubere Ausrichtung der Wellenstränge.

Indirekt liefert der Umrichter ein Drehmoment, das er aus Strom und Flussmodell berechnet. Der Wert wird im Takt des Stromreglers aktualisiert, der je nach Gerät zwischen etwa 62,5 Mikrosekunden und 500 Mikrosekunden liegt. Genauigkeit und Bandbreite hängen jedoch von Parameterschätzung, Sättigung und Temperatur ab.

Für die Messkette gilt eine einfache Regel: Die Abtastrate muss deutlich über der kürzesten interessierenden Änderung liegen. Bei einer Spitze von 20 Millisekunden Dauer sollten mindestens zehn Messwerte vorliegen, also 500 Messwerte je Sekunde. Tiefpässe und Anti-Aliasing-Filter im Messverstärker glätten genau jene Spitzen, die gesucht werden.

Beschleunigungsvorgänge mit Ruckbegrenzung dauern oft länger als die Lastphase und erreichen dennoch die höchsten Momentanwerte. Sie gehören deshalb in die Aufzeichnung, auch wenn sie nur wenige Zehntelsekunden belegen.

Taktzeiten gehören mit Zeitstempel in dieselbe Aufzeichnung. Ein einzelner Takt sagt wenig aus, weil Anfahrvorgänge, Werkstückgewichte und Temperatureinflüsse streuen. Aussagekräftig wird das Bild erst über 20 bis 50 aufeinanderfolgende Spiele, aus denen sich Minimum, Maximum und Verteilung ergeben.

Drehzahl und Taktzeit kommen aus dem Geber oder aus der Steuerung. Laufen Steuerung und Messsystem auf getrennten Uhren, verschieben sich die Zeitanteile der Drehmomentklassen.

Zu trennen sind Motorwelle und Abtriebswelle. Dazwischen liegen Übersetzung und Wirkungsgrad eines Getriebes, sodass ein Lastkollektiv an der Abtriebswelle nicht ohne Weiteres auf das Motormoment übertragen werden kann. Elastomerkupplungen und Riementriebe glätten Spitzen zusätzlich und wandeln sie in Wärme.

Lastkollektiv berechnen: Rechenbeispiel für eine Positionierachse

Ein Lastkollektiv ist die Häufigkeitsverteilung der Drehmomente über die Nutzungsdauer. Statt eines Mittelwerts werden Drehmomentklassen mit ihren Zeitanteilen erfasst. Üblich sind zehn Klassen zwischen Null und dem Spitzenmoment, denen die aufsummierte Zeit zugeordnet wird.

Ausgewertet wird über das quadratisch gemittelte Moment. Es lautet: Wurzel aus der Summe aller Momente zum Quadrat mal ihrer Zeit, geteilt durch die Summe aller Zeiten.

Für eine Positionierachse mit einer Taktzeit von 10 Sekunden ergibt sich folgendes Beispiel:

1. Beschleunigen: 1,5 Sekunden bei 95 Newtonmeter.
2. Konstantfahrt: 5,0 Sekunden bei 42 Newtonmeter.
3. Bremsen: 1,5 Sekunden bei 85 Newtonmeter.
4. Stillstand: 2,0 Sekunden bei 0 Newtonmeter.

Die Summe der quadrierten Momente mal Zeit beträgt 9025 mal 1,5 plus 1764 mal 5,0 plus 7225 mal 1,5. Das sind 13537,5 plus 8820 plus 10837,5, also 33195. Geteilt durch 10 Sekunden ergibt das 3319,5, und die Wurzel daraus liegt bei rund 58 Newtonmeter.

Der arithmetische Mittelwert beträgt dagegen 48 Newtonmeter. Die Differenz von rund 20 Prozent erklärt, warum eine Auslegung nach Mittelwert die Erwärmung unterschätzt. Die Einschaltdauer liegt in diesem Beispiel bei 8 von 10 Sekunden, also 80 Prozent.

Für die Auswahl muss das Nennmoment im Dauerbetrieb über dem äquivalenten Moment liegen. Das Spitzenmoment von 95 Newtonmeter darf den zulässigen Grenzwert nicht überschreiten, den Herstellerdatenblätter getrennt vom Nennmoment ausweisen, etwa bei den Elektromotoren von Baumüller.

Neben Nenn- und Spitzenmoment gehören die thermische Grenzleistung und die zulässige Einschaltdauer zu den Auswahlkriterien, die Lenze in seinem Motorenprogramm von Lenze dokumentiert.

Das Lastkollektiv zeigt zugleich, in welchem Drehmomentbereich die meiste Lebensdauer verbraucht wird. Liegt die Spitze nur selten an, kann ein Motor mit kleinerem Nennmoment und passendem Spitzenmoment wirtschaftlicher sein. Bei Mehrachsanlagen entsteht für jede Achse ein eigenes Kollektiv, weil die Zeitanteile unterschiedlich ausfallen.

Schwingungsbewertung nach DIN ISO 10816-3

DIN ISO 10816-3 bewertet Schwingungen, die an nicht rotierenden Teilen gemessen werden. Sie gilt für industrielle Maschinen ab 15 Kilowatt Nennleistung mit Nenndrehzahlen zwischen 120 und 15000 Umdrehungen je Minute. Bewertet wird der Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit im Frequenzbereich von 10 bis 1000 Hertz.

Die Norm ordnet Messwerte vier Bereichen zu. Zone A gilt für neu in Betrieb genommene Maschinen, Zone B für dauerhaft unbegrenzten Betrieb, Zone C für kurzzeitigen Betrieb und Zone D für Werte, die zu Schäden führen können.

Die Grenzen hängen von Maschinengruppe und Fundament ab und stehen in Tabellen der Norm. International wurde diese Bewertung in die Reihe ISO 20816 überführt.

Für die Ursachenanalyse ist der Zusammenhang zum Lastprofil wichtig. Drehmomentspitzen wirken als Drehmomentschläge und regen den gesamten Antriebsstrang an. Auffällige Schwingungen entstehen daneben durch Unwucht, Fluchtungsfehler, Lagerschäden, Lose in der Kupplung oder elektromagnetische Anregung im Luftspalt.

Die Zuordnung gelingt über die Frequenz. Drehmomentschläge treten mit der Taktfrequenz auf, Verzahnungseingriffe mit der Zahneingriffsfrequenz, elektrische Anregungen mit der doppelten Netzfrequenz oder der Schaltfrequenz des Umrichters.

Gemessen wird an Lagerstellen, radial in horizontaler und vertikaler Richtung, möglichst bei stationärem Betrieb und vergleichbaren Randbedingungen. Ein Einzelwert bleibt wenig aussagekräftig; erst der Trend über Wochen zeigt, ob ein Schaden entsteht.

Als Aufnehmer dienen meist Beschleunigungssensoren mit IEPE-Schnittstelle, deren Signal auf Schwinggeschwindigkeit umgerechnet wird. Die Befestigung beeinflusst das Ergebnis, weil ein Magnetfuß hohe Frequenzen stärker dämpft als eine Schraubverbindung. Der Normenausschuss Maschinenbau im DIN betreut die nationalen Gremien, in denen solche Bewertungsmaßstäbe mitgestaltet werden.

Messdaten auswerten: Werkzeuge von SEW-EURODRIVE und Siemens

Moderne Umrichter zeichnen die relevanten Größen intern auf. Siemens stellt in Startdrive für SINAMICS eine Trace-Funktion bereit, mit der Drehmoment-Sollwert, Drehmoment-Istwert, Drehzahl, Strom und Zwischenkreisspannung synchron erfasst werden. SEW-EURODRIVE bietet mit MOVISUITE und Motion Studio Werkzeuge für Inbetriebnahme und Aufzeichnung; DriveRadar dient der Zustandsüberwachung von Getriebemotoren.

Diese Aufzeichnungen ersetzen keine Messung, sie ergänzen sie. Der Drehmoment-Istwert folgt dem Modell des Umrichters und zeigt Spitzen gedämpft. Ein Lastkollektiv aus Umrichterdaten sollte deshalb an einer Stelle mit einem kalibrierten Sensor abgeglichen werden.

Für die Auslegung neuer Antriebe stehen Konfiguratoren bereit, etwa SIZER von Siemens oder SEW Workbench von SEW-EURODRIVE. Sie rechnen aus Drehmoment, Drehzahl und Einschaltdauer die Motorgröße und die Getriebeübersetzung. Gültig ist das Ergebnis nur, wenn das eingegebene Lastprofil dem realen Takt entspricht.

Häufige Fehlerquellen bei der Auswertung sind falsch gesetzte Filter, fehlende Kalibrierung des Drehmomentsensors, nicht erfasste Stillstandszeiten und die Verwechslung von Motor- und Abtriebsmoment. Jede dieser Ursachen verschiebt das Lastkollektiv, in der Regel zu optimistisch.

Die Dokumentation sollte Betriebsart, Einschaltdauer, Lastkollektiv, Messkette mit Unsicherheit und die Randbedingungen der Messung enthalten. Angaben zu Grenzbelastungen und bestimmungsgemäßer Verwendung verlangt auch die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG im Rahmen der technischen Dokumentation.

Für Betreiber kommt die Gefährdungsbeurteilung hinzu. Grundlagen zu Maschinen- und Betriebssicherheit stellt die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin bereit. Ein dokumentiertes Lastprofil verkürzt die Suche, wenn ein Antrieb Jahre später ausfällt.

Häufige Fragen

Warum unterschätzt der Mittelwert des Drehmoments die Erwärmung?

Die Verluste in der Wicklung steigen mit dem Quadrat des Stroms und damit näherungsweise mit dem Quadrat des Drehmoments. Ein kurzer Abschnitt mit hohem Moment trägt überproportional zur Erwärmung bei. Das quadratisch gemittelte Moment gewichtet solche Abschnitte stärker als der arithmetische Mittelwert.

Welche Abtastrate ist für Drehmomentspitzen nötig?

Als Orientierung sollten mindestens zehn Messwerte pro Spitze vorliegen. Bei einer Spitze von 20 Millisekunden sind das 500 Messwerte je Sekunde, bei 2 Millisekunden 5000. Filter im Messverstärker müssen so gesetzt werden, dass sie die gesuchte Spitze nicht entfernen.

Wie wird die Einschaltdauer in Prozent berechnet?

Die Einschaltdauer ergibt sich aus der Lastzeit geteilt durch die Spielzeit, multipliziert mit 100. Bei 8 Sekunden Last und 10 Sekunden Spielzeit sind es 80 Prozent. Anlauf- und Bremszeiten zählen zur Lastzeit.

Wann darf ein Motor im Aussetzbetrieb S3 ausgelegt werden?

Nur wenn der reale Takt tatsächlich Pausen enthält, in denen der Motor abkühlen kann. Bei kurzen Taktzeiten mit hoher Last und geringer Pause nähert sich das Verhalten dem Dauerbetrieb. Im Zweifel sollte die Auslegung auf S1 mit dem äquivalenten Moment erfolgen.

Lässt sich ein Lastprofil ohne Drehmomentsensor aufnehmen?

Ja, über den Drehmoment-Istwert des Umrichters und die Leistungsaufnahme. Diese Werte sind mit Modellunsicherheiten behaftet und zeigen kurze Spitzen gedämpft. Für eine belastbare Auslegung sollte mindestens eine Referenzmessung mit einem kalibrierten Sensor erfolgen.