Torsionsschwingung ist die Schwankung der Winkelgeschwindigkeit einer rotierenden Welle, verursacht durch schwankendes Drehmoment. Statt sich gleichmäßig mit konstanter Drehzahl zu drehen, wird die Welle innerhalb jeder Umdrehung minimal beschleunigt und abgebremst – auch wenn die mittlere Drehzahl konstant bleibt.

Sie tritt praktisch in jeder Maschine mit rotierenden Bauteilen auf: Verbrennungsmotoren, Dampf- und Gasturbinen, Elektromotoren, Generatoren und Getrieben. Ein klassisches Beispiel ist die Kurbelwelle im Fahrzeug: Sie erfährt im Betrieb eine ungleichförmige Drehzahl, da jeder Verbrennungsvorgang einen Drehmomentimpuls liefert – selbst wenn die durchschnittliche Motordrehzahl auf dem Display völlig stabil erscheint.

Bleibt dies unkontrolliert, entsteht zyklische Belastung, die zu Bauteilermüdung, Rissbildung und im Extremfall zum kompletten Ausfall führt. Deshalb ist die Überwachung und Reduzierung von Torsionsschwingung eine zentrale Disziplin in Konstruktion, Prüfstandstests und Zustandsüberwachung.

Verbrennungsmotoren. Verbrennungsvorgänge lassen die Kurbelwelle innerhalb jedes Zyklus beschleunigen und abbremsen und erzeugen so zyklische Belastung, die den Verschleiß an Kupplungen, Lagern und Zahnrädern beschleunigt. Torsionsschwingung entsteht nicht nur durch Kompression und Verbrennung, sondern auch durch Lastwechsel im gesamten Antriebsstrang. Das Verständnis der Verbindung zwischen Motorordnungen und NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness) hilft Ingenieuren, Schwachstellen zu identifizieren, die Haltbarkeit zu verbessern und den Fahrkomfort zu optimieren.

Dampf- und Gasturbinen. Hier entsteht Torsionsschwingung durch das Zusammenspiel zwischen rotierenden Wellen und schwankendem Dampf- oder Gasstrom. In der Energieerzeugung kommen zusätzlich externe Einflüsse wie Netzrückwirkungen oder Subharmonische hinzu, und unkontrollierte Schwingungen können Wellen, Rotoren und Lager beschädigen – mit teuren Reparaturen und Stillstandzeiten als Folge.

Elektrofahrzeuge. EV-Antriebsstränge erfahren hochfrequente Torsionsschwingungen durch die schnelle Beschleunigung und Verzögerung von Elektromotoren. Neben den unmittelbaren NVH-Auswirkungen auf den Fahrkomfort beschleunigt anhaltende Torsionsschwingung den Verschleiß an Getriebezahnrädern und Motorlagern und verkürzt so die Lebensdauer.

Planetengetriebe in Windkraftanlagen. Diese Getriebe übertragen die stark schwankende Rotationsenergie der Rotorblätter auf den Generator. Windgeschwindigkeitsschwankungen erzeugen direkt Torsionsschwingungen, die zu Fluchtungsfehlern, Zahnradverschleiß und Ermüdungsschäden führen können, wenn sie nicht richtig gemanagt werden.

In all diesen Anwendungen zeigt sich unkontrollierte Torsionsschwingung als Getriebeheulen, Kupplungsrasseln oder Synchronisationsprobleme – mit höheren Wartungskosten und kürzerer Lebensdauer als Folge.

Torsionsschwingung zu messen bedeutet, winzige Drehzahlschwankungen präzise zu erfassen – typischerweise mit Sensoren, die mehrere Messwerte pro Wellenumdrehung liefern. Gängige Sensortypen sind:

Magnetische Aufnehmer – robust, kostengünstig und einfach zu installieren, begrenzt jedoch durch die Anzahl verfügbarer Zahnradzähne
Optische Encoder – nutzen Zebraband oder Zebrascheiben für höhere Pulsraten und feinere Genauigkeit, empfindlich gegenüber Schmutz, Staub und Öl
Inkrementalgeber – hochauflösende Geräte, die genug Messwerte pro Umdrehung liefern, um höhere Ordnungen zu analysieren – nützlich für Verzahnungsfehleranalysen und die Identifikation von Zahneingriffsordnungen

Statt sich wie in der klassischen NVH-Analyse auf zeitbasierte Daten zu verlassen, bietet sich für Torsionsschwingung ein winkelbasierter Messansatz an – mit hochauflösenden Zählern im Gigahertz-Bereich. Das liefert sehr genaue Ergebnisse und schnelle FFT-Verarbeitung dank kleinerer Datenmengen. Die erfassten Winkeldaten werden anschließend mit spezieller Software verarbeitet, um Frequenz- und Amplitudenänderungen über den gesamten Drehzahlbereich zu identifizieren.

Sie möchten es genauer wissen? Lesen Sie unseren ausführlichen Leitfaden zur Torsionsschwingungsmessung.

Torsionsordnungen sind Vielfache der Grunddrehfrequenz und der Schlüssel, um Schwingungen auf ihre Quelle zurückzuführen. In der Motorenanalyse entspricht die Torsionsordnung der Anzahl signifikanter Drehmomentimpulse pro Umdrehung – bei einem gleichmäßig zündenden 4-Zylinder-Viertaktmotor liegt die zweite Ordnung typischerweise mit den Zündereignissen zusammen.

Da reale Drehmomentimpulse nicht rein sinusförmig sind, entstehen im Spektrum Oberschwingungen (Harmonische) neben der Grundordnung. Diese Ordnungen – und die dazugehörigen Harmonischen – korrekt zu interpretieren, ist essenziell für die präzise Diagnose von Mehrzylindermotoren und anderen rotierenden Systemen.

Zur Visualisierung nutzen Ingenieure häufig:

Wasserfalldiagramme – zeigen die Amplitude über Ordnung und Drehzahl in 3D
Konturdiagramme – dieselben Daten als Draufsicht in Form einer Heatmap
Campbell-Diagramme – stellen Ordnungslinien gegen Frequenz und Drehzahl dar, um Resonanzschnittpunkte zu erkennen

Sehen Sie, wie das in der Praxis funktioniert, auf unserer Seite zur Torsionsschwingungsanalyse.

Torsionsresonanz

Torsionsresonanz tritt auf, wenn die Eigenfrequenz eines Systems mit einer äußeren Anregungsfrequenz zusammenfällt und die Schwingungen verstärkt werden. Bei Motoren kann etwa eine Kurbelwellenresonanz bei einer bestimmten Drehzahl dazu führen, dass sich die Welle übermäßig verdreht und Schwingungen im gesamten System verstärkt werden. Das Erkennen und Vermeiden von Resonanzbedingungen durch sorgfältige Auslegung und Abstimmung ist entscheidend für die Langlebigkeit jeder rotierenden Maschine.

Methoden zur Reduzierung von Torsionsschwingung

Mehrere sich ergänzende Strategien helfen, Torsionsschwingung unter Kontrolle zu halten:

Abstimmung von Motor- oder Getriebeparametern, um unregelmäßige Drehmomentimpulse zu reduzieren
Abstimmung geeigneter Torsionsdämpfer und elastischer Kupplungen auf das Antriebssystem
Konstruktive Anpassung, um Eigenfrequenzen von Betriebsdrehzahlen fernzuhalten und Resonanz zu vermeiden
Aktive Schwingungskontrolle, bei der Sensoren und Aktoren Schwingungen in Echtzeit entgegenwirken

Sensoren und Prüfsysteme für Torsionsschwingung

Die Wahl des richtigen Sensors und Prüfaufbaus hängt von Anwendung, Genauigkeitsanforderungen und Umgebung ab. Mehr dazu auf unseren Themenseiten:

• Torsionsschwingungssensoren – Sensortypen im Vergleich und Auswahlhilfe
• Torsionsschwingungsprüfung – Prüfaufbauten für Motoren, Turbinen und Antriebsstränge

Fazit

Die Messung von Torsionsschwingung ist ein zentraler Baustein bei Konstruktion, Prüfung und Instandhaltung rotierender Maschinen. Wer die Ursachen versteht und präzise Mess- und Ordnungsanalysen einsetzt, kann Probleme frühzeitig erkennen, die Bauteillebensdauer verlängern und die Gesamtleistung verbessern – ob im Automobilmotor, in der Industrieturbine oder im elektrischen Antriebsstrang.