Die Antriebswelle eines Zweiwellen-Shredders bricht nach 14 Monaten Betrieb – mitten in der Hochsaison. Stillstandskosten: 12.000 € pro Tag. Die Bruchfläche zeigt muschelartige Muster und eine glatte Zone, die 80 % der Fläche einnimmt. Die Diagnose: Schwingbruch durch Ermüdung, ausgehend von einer Passfedernut. Hätte man das verhindern können? Ja – mit dem Wissen aus diesem Artikel.
Wellenbrüche gehören zu den teuersten Schadensfällen in der Zerkleinerungstechnik. Sie treten selten plötzlich auf, sondern kündigen sich über Wochen oder Monate an. Wer die Brucharten kennt, die Ursachen versteht und die Warnsignale erkennt, kann Ausfälle verhindern – oder zumindest den Schaden begrenzen.
📌 TL;DR – Das Wichtigste in Kürze
- Häufigste Ursache: Ermüdungsbruch (Schwingbruch) – über 70 % aller Wellenbrüche im Maschinenbau
- Erkennungsmerkmal: Rastlinien (muschelförmige Muster) auf der Bruchfläche = Ermüdung, raue/körnige Fläche = Gewaltbruch
- Kritischste Stellen: Wellenübergänge (Schultern), Passfedernuten, Lagersitze – überall wo Kerbwirkung auftritt
- Werkstoffwahl: 42CrMo4 vergütet statt C45 verlängert die Lebensdauer um 50-200 % bei dynamischer Belastung
- Frühwarnung: Vibrationsanstieg, Temperaturerhöhung an Lagern, ungewöhnliche Geräusche – nicht ignorieren!
- Prävention: Radien ≥2 % des Wellendurchmessers, Oberflächengüte Ra ≤1,6 µm an kritischen Stellen, regelmäßige Inspektion
Die zwei Hauptbrucharten: Ermüdung vs. Gewalt
Jeder Wellenbruch lässt sich einer von zwei Kategorien zuordnen – und die Bruchfläche verrät sofort, welche vorliegt. Diese Unterscheidung ist entscheidend, denn sie bestimmt die Ursachensuche und die Präventionsmaßnahmen.
Ermüdungsbruch (Schwingbruch, Dauerbruch)
Der Ermüdungsbruch ist die häufigste Bruchart im Maschinenbau – über 70 % aller Brüche fallen in diese Kategorie. Er entsteht durch wiederholte Wechselbelastung, selbst wenn die Spannung dabei deutlich unter der Streckgrenze liegt.
Erkennungsmerkmale der Bruchfläche:
- Rastlinien: Muschelförmige, konzentrische Linien, die vom Anriss ausgehen
- Glatte Schwingbruchzone: Durch das langsame Risswachstum erscheint dieser Bereich glatt und oft dunkel verfärbt
- Kleine Restbruchfläche: Der finale Gewaltbruch erfolgt erst, wenn der Restquerschnitt zu klein wird
- Keine sichtbare Verformung: Die Welle bricht ohne vorherige Einschnürung oder Dehnung
Typischer Ablauf:
- Mikroriss entsteht an einer Kerbe oder Oberflächenfehler
- Riss wächst mit jedem Lastwechsel um Mikrometer weiter
- Nach 105 bis 107 Lastwechseln: Tragender Querschnitt zu klein
- Spontaner Restbruch – oft ohne Vorwarnung im Betrieb
[GRAFIK 1: SVG-Schematische Darstellung Ermüdungsbruch]
Bruchfläche mit Zonen: Anriss (Kerbe) → Schwingbruchzone (Rastlinien) → Restbruchfläche (rau)
Gewaltbruch (Überlastbruch)
Der Gewaltbruch entsteht durch eine einmalige Überlastung, die die Festigkeit des Materials überschreitet. Er tritt schlagartig auf – ohne Vorankündigung.
Erkennungsmerkmale der Bruchfläche:
- Raue, körnige Struktur: Typisch für duktile Werkstoffe wie Vergütungsstähle
- 45°-Scherlippen: Am Rand der Bruchfläche bei Torsionsbelastung
- Verformung sichtbar: Einschnürung oder plastische Verdrehung vor dem Bruch
- Keine Rastlinien: Fehlen muschelförmiger Muster
Typische Ursachen:
- Fremdkörper blockiert den Rotor (Metallteil, Stein)
- Reversieren unter Last ohne Drehzahlreduzierung
- Fehlerhafte Sicherheitskupplung (zu hohes Auslösemoment)
- Massiv unterdimensionierte Welle
| Merkmal | Ermüdungsbruch | Gewaltbruch |
|---|---|---|
| Bruchfläche | Glatt, Rastlinien sichtbar | Rau, körnig |
| Verformung | Keine (sprödes Verhalten) | Sichtbar (Einschnürung, Verdrehung) |
| Entstehung | Langsam (Wochen bis Jahre) | Schlagartig (Sekunden) |
| Spannung | Unter Streckgrenze | Über Bruchfestigkeit |
| Häufigkeit | ~70 % aller Brüche | ~30 % aller Brüche |
Die sechs häufigsten Bruchursachen im Shredder
Jeder Wellenbruch hat eine Ursache – meist sogar mehrere, die sich gegenseitig verstärken. Die folgende Analyse zeigt die typischen Auslöser in Zerkleinerungsmaschinen:
1. Kerbwirkung an Geometrieübergängen
Die mit Abstand häufigste Ursache für Ermüdungsbrüche. An jeder Querschnittsänderung – Wellenschultern, Nuten, Bohrungen – entstehen lokale Spannungsüberhöhungen, die das 2- bis 4-fache der Nennspannung erreichen können.
Kritische Stellen im Shredder:
- Wellenübergang am Lagersitz
- Passfedernut für Zahnrad oder Kupplung
- Sicherungsringnut
- Übergang Welle-Messerträger
❌ Typischer Fehler: Scharfkantige Wellenschulter mit Radius r = 0,5 mm bei Wellendurchmesser 80 mm. Kerbfaktor βk ≈ 2,8 – die lokale Spannung ist fast dreimal so hoch wie berechnet!
✅ Lösung: Radius auf mindestens r = 3 mm erhöhen (≈4 % des Durchmessers). Kerbfaktor sinkt auf βk ≈ 1,5 – fast Halbierung der Spannungsspitze.
Die detaillierte Konstruktionsanleitung für kerboptimierte Wellen finden Sie im Artikel Wellen & Naben Konstruktion.
2. Werkstoff-Unterdimensionierung
Die Welle ist rechnerisch korrekt dimensioniert – aber für den falschen Werkstoff. C45 mit 700 MPa Zugfestigkeit ist nicht gleichwertig zu 42CrMo4 mit 1.000 MPa, wenn es um Dauerfestigkeit geht.
Das Problem: Die statische Berechnung berücksichtigt nur Maximalspannungen. Bei Wechselbelastung (jede Umdrehung = ein Lastwechsel) versagt C45 deutlich früher.
| Eigenschaft | C45 vergütet | 42CrMo4 vergütet |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit Rm | 650-800 MPa | 900-1.100 MPa |
| Streckgrenze Rp0,2 | 350-430 MPa | 700-900 MPa |
| Biegewechselfestigkeit σbW | ~280 MPa | ~450 MPa |
| Kerbempfindlichkeit | Mittel | Gering-Mittel |
| Preis (relativ) | 1,0× | 1,3-1,5× |
💡 Faustregel: Bei dynamisch belasteten Wellen (alle Shredderwellen!) ist 42CrMo4 vergütet Standard. C45 nur bei leichten Anwendungen oder Achsen ohne Drehmomentübertragung.
Mehr zur Werkstoffauswahl im Shredder-Kontext: Werkstoffe in der Zerkleinerungstechnik.
3. Überlast durch Fremdkörper
Ein massives Stahlteil gerät in den Shredder, die Messer greifen, der Rotor blockiert schlagartig. Das Drehmoment steigt auf das 5- bis 10-fache des Nennwerts – in Millisekunden.
Warum die Welle bricht (und nicht die Kupplung auslöst):
- Sicherheitskupplung falsch eingestellt (Auslösemoment zu hoch)
- Kupplung verschlissen oder verharzt (löst nicht mehr aus)
- Keine Sicherheitskupplung vorhanden (Sparen am falschen Ende)
- Elektronische Strombegrenzung reagiert zu langsam
4. Montagefehler und Fluchtungsprobleme
Motor, Getriebe und Shredder stehen nicht exakt in einer Flucht. Die resultierende Biegebelastung bei jeder Umdrehung führt zu zusätzlicher Wechselspannung – die in der Auslegung nicht vorgesehen war.
Typische Fehler:
- Laser-Ausrichtung beim Aufstellen nicht durchgeführt
- Fundament setzt sich ungleichmäßig
- Thermische Ausdehnung nicht berücksichtigt
- Kupplung kompensiert Versatz, aber Welle wird gebogen
Grenzwerte für Wellenausrichtung:
- Winkelversatz: ≤0,05 mm/100 mm (entspricht ≤0,03°)
- Parallelversatz: ≤0,1 mm
- Prüfung: Mit Laser-Ausrichtsystem, nicht „nach Augenmaß“
5. Korrosion und Oberflächenschäden
Feuchte Umgebung, aggressive Medien oder mangelhafte Lagerung hinterlassen Spuren. Selbst oberflächliche Korrosion wirkt als Kerbe und reduziert die Dauerfestigkeit um 20-40 %.
Besonders kritisch:
- Reibkorrosion (Fretting) an Presssitzen – rotbraune Spuren
- Spaltkorrosion unter Dichtungen
- Lochfraß durch aggressive Medien im Zerkleinerungsgut
6. Fertigungsfehler und Materialungänzen
Selten, aber verheerend: Fehler im Rohmaterial oder bei der Fertigung.
Mögliche Fehler:
- Lunker oder Einschlüsse im Schmiedestück
- Härterisse nach unsachgemäßer Wärmebehandlung
- Schleifrisse durch zu hohen Vorschub
- Falsche Wärmebehandlung (zu spröde oder zu weich)
[GRAFIK 2: SVG-Kreisdiagramm Bruchursachen-Verteilung]
Kerbwirkung 40 %, Überlast 25 %, Werkstoff 15 %, Montage 10 %, Korrosion 7 %, Fertigung 3 %
Bruchflächenanalyse: Was die Welle verrät
Eine systematische Untersuchung der Bruchfläche liefert wertvolle Hinweise auf die Ursache. Diese Analyse sollte vor der Entsorgung oder Reparatur erfolgen – fotografieren Sie die Bruchfläche aus mehreren Winkeln!
Schritt-für-Schritt Bruchanalyse
- Bruchfläche sichern: Nicht reinigen! Verschmutzungen und Verfärbungen sind Hinweise.
- Fotografieren: Übersicht + Detail, mit Maßstab (Lineal, Münze)
- Bruchart bestimmen: Rastlinien → Ermüdung, raue Fläche → Gewalt
- Anrissstelle lokalisieren: Rastlinien zeigen zum Ursprung
- Flächenverhältnis beurteilen: Große Schwingbruchzone = niedrige Belastung, lange Laufzeit
- Umgebung prüfen: Korrosion? Fretting? Riefen? Anlauffarben?
💡 Praxisbeispiel: Diagnose eines Wellenbruchs
Situation: Antriebswelle Ø80 mm eines Zweiwellen-Shredders, gebrochen nach 18 Monaten Betrieb (ca. 3.000 h).
Beobachtungen an der Bruchfläche:
- Deutliche Rastlinien, ausgehend von der Passfedernut
- Schwingbruchzone ca. 75 % der Querschnittsfläche (glatt, dunkel)
- Restbruchfläche ca. 25 % (rau, hellgrau)
- Keine sichtbare Verformung
Diagnose: Klassischer Ermüdungsbruch, ausgehend von der Kerbwirkung der Passfedernut. Die große Schwingbruchzone zeigt: Die Nennspannung war nicht extrem hoch, aber die Kerbspannung führte über Monate zum Risswachstum.
Ursache: Passfedernut mit scharfkantigen Ecken (Radius <0,5 mm), direkt am Wellenübergang platziert – Kombination zweier Kerben.
Maßnahme: Neue Welle mit abgerundeten Nutenden (r = 2 mm), Passfedernut 15 mm vom Übergang entfernt, Werkstoff von C45 auf 42CrMo4 umgestellt.
Prävention: 10 Maßnahmen gegen Wellenbruch
Die gute Nachricht: Die meisten Wellenbrüche sind vermeidbar. Die folgende Checkliste fasst die wichtigsten Präventionsmaßnahmen zusammen:
Konstruktion
- Großzügige Radien: Mindestens 2-5 % des Wellendurchmessers an allen Übergängen
- Kerben trennen: Passfedernuten nicht direkt an Wellenschultern platzieren (≥10 mm Abstand)
- Entlastungsnuten: An hochbelasteten Übergängen (DIN 509)
- Werkstoff richtig wählen: 42CrMo4 vergütet für dynamische Belastung, nicht C45
Fertigung
- Oberflächengüte: Ra ≤1,6 µm an kritischen Stellen, insbesondere Kerben und Übergänge
- Wärmebehandlung dokumentieren: Härte und Gefüge prüfen (Lieferzeugnis 3.1)
- Rissprüfung: 100 % Magnetpulver- oder Eindringprüfung bei kritischen Wellen
Montage und Betrieb
- Laser-Ausrichtung: Bei jeder Montage, nicht nur bei Erstinstallation
- Sicherheitskupplung prüfen: Auslösemoment regelmäßig kontrollieren und einstellen
- Condition Monitoring: Vibrationen und Temperaturen überwachen – Trends erkennen
[GRAFIK 3: SVG-Shredderwelle mit markierten kritischen Stellen]
Schematische Welle mit Pfeilen: Lagersitz, Passfedernut, Wellenübergang, Messerträger-Verbindung
Wirtschaftlichkeit: Prävention vs. Schadensfall
Die Investition in Prävention lohnt sich – die Zahlen sprechen eine klare Sprache:
| Position | Prävention | Schadensfall |
|---|---|---|
| Welle (42CrMo4 statt C45) | +500 € | – |
| Konstruktion (Kerben optimieren) | +200 € (einmalig) | – |
| Laser-Ausrichtung (jährlich) | +400 €/Jahr | – |
| Ersatzwelle (Notfall) | – | 3.000-8.000 € |
| Demontage/Montage | – | 2.000-5.000 € |
| Stillstand (3-7 Tage) | – | 15.000-50.000 € |
| Folgeschäden (Lager, Messer) | – | 3.000-15.000 € |
| SUMME (über 5 Jahre) | ~3.500 € | 23.000-78.000 € |
💡 ROI der Prävention: Selbst wenn nur alle 5 Jahre ein Bruch vermieden wird, liegt der Return on Investment bei 600-2.000 %. Die meisten Präventionsmaßnahmen kosten weniger als ein Tag Stillstand.
Frühwarnsysteme: Den Bruch kommen sehen
Ein Ermüdungsbruch kündigt sich an – wenn man die Zeichen erkennt. Die folgenden Indikatoren sollten zu sofortiger Inspektion führen:
Vibrationszunahme
Ein wachsender Riss verändert die Steifigkeit der Welle. Die Folge: Erhöhte Schwingungen, oft bei bestimmten Drehzahlen.
- Messung: Schwinggeschwindigkeit (mm/s RMS) am Lagergehäuse
- Grenzwert: Anstieg um >50 % gegenüber Referenzwert → Inspektion
- Trend wichtiger als Absolutwert: Plötzlicher Anstieg ist kritischer als konstant erhöhter Wert
Mehr zu Vibrationsdiagnose: Typische Probleme in Zerkleinerungsmaschinen erkennen.
Temperaturerhöhung
Reibung an einem teilweise gerissenen Querschnitt erzeugt Wärme. Erhöhte Lagertemperaturen ohne andere Erklärung (Schmierstoffmangel, Überlast) sind ein Warnsignal.
Ungewöhnliche Geräusche
Ein Anriss kann bei bestimmten Lastzyklen „atmen“ – der Riss öffnet und schließt sich. Das kann als leichtes Klicken oder Knarren hörbar sein.
Leistungsabfall
Eine gerissene Welle ist weniger steif. Bei gleichem Antriebsmoment sinkt der Durchsatz oder die Stromaufnahme steigt.
FAQ – Häufig gestellte Fragen
Wie erkenne ich, ob ein Bruch durch Ermüdung oder Überlast entstanden ist?
Die Bruchfläche verrät es: Ermüdungsbrüche zeigen muschelförmige Rastlinien und eine glatte Schwingbruchzone, der finale Restbruch ist klein. Gewaltbrüche haben eine durchgehend raue, körnige Fläche ohne Rastlinien, oft mit sichtbarer Verformung (Einschnürung bei Zug, Scherlippen bei Torsion).
Warum bricht eine Welle, obwohl die berechnete Spannung unter der Streckgrenze liegt?
Bei dynamischer Belastung (jede Umdrehung = ein Lastwechsel) versagen Werkstoffe bei Spannungen weit unter der Streckgrenze. Die Dauerfestigkeit von Stahl liegt bei nur 30-50 % der Zugfestigkeit. Zusätzlich erhöhen Kerben (Schultern, Nuten, Bohrungen) die lokale Spannung um das 2- bis 4-fache. Die berechnete Nennspannung ist nicht die tatsächlich wirkende Spannung!
Welcher Radius ist an Wellenübergängen mindestens erforderlich?
Faustregel: Mindestens 2-5 % des Wellendurchmessers. Bei einer Welle Ø80 mm also mindestens r = 1,6 mm, besser 4 mm. Bei hochbelasteten Anwendungen (Shredder!) eher 5 %. Jeder Millimeter mehr Radius verlängert die Lebensdauer signifikant. Quelle: DIN 509, FKM-Richtlinie.
Ist 42CrMo4 immer besser als C45?
Für dynamisch belastete Wellen: Ja, fast immer. Die höhere Dauerfestigkeit (+60 %) und bessere Zähigkeit von 42CrMo4 rechtfertigen den Mehrpreis von 30-50 %. Ausnahme: Rein statisch belastete Achsen oder kostensensitive Anwendungen mit niedriger Beanspruchung. Details im Artikel Werkstoffwahl Maschinenbau.
Wie oft sollte die Wellenausrichtung geprüft werden?
Mindestens jährlich bei normalen Betriebsbedingungen. Nach jedem Lagerwechsel, Kuppungstausch oder Fundamentarbeiten: Sofortige Neuausrichtung mit Laser-System. Grenzwerte: Winkelversatz ≤0,05 mm/100 mm, Parallelversatz ≤0,1 mm.
Kann man eine gerissene Welle reparieren?
In der Regel: Nein, nicht sicher. Schweißreparaturen an hochbelasteten Wellen sind kritisch, da die Wärmeeinflusszone die Werkstoffeigenschaften verschlechtert und als Kerbe wirkt. Ausnahme: Auftragsschweißung bei Verschleiß an unkritischen Stellen (z.B. Lagersitz) durch Fachbetrieb mit anschließender Wärmebehandlung und Prüfung. Bei Bruch: Ersatzwelle mit verbesserter Konstruktion.
📚 Quellen und weiterführende Literatur
- DIN 743-1 bis 743-4 – Tragfähigkeitsberechnung von Wellen und Achsen
- FKM-Richtlinie – Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile
- DIN EN 10083-3 – Vergütungsstähle (technische Lieferbedingungen)
- Roloff/Matek – Maschinenelemente: Wellenberechnung
- VDI 3822 – Schadensanalyse
⚖️ Rechtlicher Hinweis
Dieser Artikel dient ausschließlich Informationszwecken und ersetzt keine fachkundige Schadensanalyse oder Konstruktionsberatung. Die genannten Richtwerte sind Orientierungshilfen und können je nach Anwendungsfall abweichen.
Haftungsausschluss:
- Die Anwendung der beschriebenen Maßnahmen erfolgt auf eigenes Risiko.
- Für konkrete Schadensanalysen und Konstruktionsänderungen konsultieren Sie qualifizierte Fachingenieure.
- Bruchflächenanalysen erfordern fachkundige Beurteilung – fotografieren Sie Bruchflächen immer vor der Entsorgung.
- DS Werk und der Autor übernehmen keine Haftung für Schäden, die aus der Anwendung der Informationen entstehen.
Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen ist eine fachkundige Prüfung und Freigabe zwingend erforderlich.
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