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Antriebstechnik von Siemens und RockwellVom Hybridsystem zum doppelten Standard

Karl-Heinz Klumpe

Die KHS-Gruppe bietet die Antriebstechnik ihrer Verpackungsanlagen nun durchgängig in zwei verschiedenen Varianten an.

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KupplungenAustauschbar?

Die richtige Auslegung von Kupplungen in Antriebssträngen ist oftmals eine Gratwanderung – hohe Schwingungsdämpfung auf der einen, maximale Torsionssteifigkeit auf der anderen Seite. Aber auch, wenn diese Entscheidung gefallen ist, hat es der Anwender bei der Vielzahl der ähnlichen Produkte nicht leicht. Unterscheiden sich diese nur im Preis, gibt es doch „innere Werte“ und was versprechen die Hersteller? Dr. Peter Stipp hat bei einigen Unternehmen nachgefragt.

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Kupplungen: Austauschbar?

Die Hauptaufgaben einer Präzisionskupplung in einem Antriebsstrang liegen in der spielfreien Übertragung des Drehmoments und dem Ausgleich unzureichend fluchtender Wellen von An- und Abtriebsseite. Man unterscheidet zwei Hauptgruppen: Die schwingungsdämpfende und die torsionssteife Kupplung. Zum ersten Typ gehören die Elastomer- oder Klauenkupplungen. Hier liegt das Hauptaugenmerk auf der Dämpfung von Schwingungen, um Schäden an Lagern zu reduzieren. Bei torsionssteifen Kupplungen hingegen, wie beispielsweise Metallbalgkupplungen, auf einer hohen Steifigkeit in Drehrichtung. Das heißt, die Kupplung selbst verdreht sich unter Last nur minimal (kleiner Verdrehwinkel). Sie wird bevorzugt dann eingesetzt, wenn Drehbewegungen sehr präzise übertragen werden müssen. Eine weitere Kategorie sind die Sicherheitskupplungen; wobei die Übergänge zu den erstgenannten fließend sind. Die hier erwähnen Unternehmen haben sich in den drei genannten Segmenten etabliert und zählen dort zu den Marktführern. Elastomerkupplungen - und darum geht es in diesem Beitrag - bieten sie alle an; in einem mehr oder weniger breiten Portfolio.

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Elastomerkupplungen sind in ihrem Aufbau sehr ähnlich – manche kann der Anwender sogar nur beim genauen Hinsehen voneinander unterscheiden. Und im ersten Moment fragt man sich, wer hier von wem kopiert? Das wäre ja nichts Neues, nur muss die äußere Erscheinung damit nicht unbedingt etwas zu tun haben. Denn definierte Drehmomente und Trägheitsmomente hängen eng mit der Masse, ihrer Verteilung und dem Durchmesser der Kupplung zusammen; und das führt bei einer Optimierung zwangsläufig zu ähnlichen Konstruktionen.

Unterscheiden sich also die im Markt angebotenen Elastomerkupplungen nur im Preis? Können sie problemlos gegen ein Wettbewerbsprodukt ausgetauscht werden, wie es ein hier nicht genannter Hersteller in seinem Prospekt freimütig schreibt, oder gibt es doch die berühmten „inneren Werte“? Dass letzteres für die drei hier genannten Unternehmen keine Frage, sondern eine Tatsache ist, war zu erwarten – und da sind sich auch alle einig: Die Unterschiede zu den anderen auf dem Markt angebotenen Kupplungen liegen in den Materialeigenschaften der Elastomerkränze und den Fertigungstoleranzen der Naben.

Materialeigenschaften der Elastomerkränze

Die wesentlichen Bauteile einer Elastomerkupplung sind der Elastomerkranz und die beiden Naben. Für deren Anbindung an die Wellen der An- und Abtriebsseite stehen sowohl reibschlüssige (Aufpressen oder Klemmen) als auch formschlüssige Verbindungen (Verzahnung oder Passfeder als Mitnehmer) zur Verfügung. Elastomerkupplungen werden immer dann eingesetzt, wenn neben der Übertragung eines definierten Drehmomentes und dem Ausgleich des Wellenversatzes auch Schwingungen reduziert werden sollen. Das Ziel ist eine möglichst hohe Laufruhe. Damit kommt den Elastomerkränzen mit unterschiedlichen Materialien, Dicken und Härtegraden eine zentrale Aufgabe zu. Das Standardmaterial ist thermoplastisches Polyurethan (TPU) und wird in diesen Anwendungen für Temperaturbereiche von -30 bis ca. + 120 °C eingesetzt. Es ist in unterschiedlichen Shore-Härten lieferbar – je nachdem wie viel Dämpfungsvermögen einerseits und Torsionssteifigkeit andererseits gefordert sind. In der Praxis heißt das: Je besser die Dämpfung, umso höher der Verdrehwinkel, umso geringer aber auch die maximal zulässige Temperatur. Diese reduziert sich beispielsweise bei einer Shorehärte von 80 Sh A und damit einer sehr guten Dämpfung auf ca. 80 °C. Dass aber auch ein hoher Drehwinkel nicht unbedingt ein Nachteil ist - er kann beispielsweise Spitzendrehmomente reduzieren - zeigt, wie wichtig die richtige Auslegung für die jeweilige Anwendung ist.

Das klingt auf den ersten Blick klar und ausgereift, hat aber einen Haken. Und der hängt mit der plastischen Verformung (im dynamischen Betrieb) und der Materialermüdung von thermoplastischen Polyurethanen zusammen. Und damit sind wir bei den erwähnten inneren Werten. Die Schwierigkeit liegt darin, dass die Eigenschaften der Elastomerkränze von Betriebsparametern wie Frequenz, Temperatur, Lastamplitude und Belastungsdauer abhängen. Damit wird die Berechnung der Auslegung nicht nur sehr komplex, sie erfolgt in den meisten Fällen auch über die so ungeliebten nichtlinearen Funktionen und erreicht damit nicht die geforderte Genauigkeit. Trotzdem wird erwartet, dass die Kupplung beispielsweise bei häufigen Änderungen der Drehrichtung genau an den Ausgangspunkt zurückkehrt – also eine optimale Hysterese besitzt. Ist das nicht der Fall, kann dies in der Produktion zu fehlerhaften Chargen führen.

Anpassung über Korrekturfaktoren

Um trotzdem eine hohe Verfügbarkeit und Qualität beim Anwender zu "gewährleisten", behelfen sich die Hersteller, indem sie so genannte Korrektur- beziehungsweise Multiplikationsfaktoren angeben. Diese beziehen sich auf einzelne Parameter wie Temperatur, Stöße, Richtungsänderungen und die Häufigkeit des Anlaufs. Damit wird die Kupplung hinsichtlich eines bestimmten Bereiches überdimensioniert. Und genau an diesem Punkt ist der Betreiber gefordert! Denn nur mit realistischen Angaben der möglichen Grenzwerte kann der Kupplungshersteller die kleinstmöglichen Korrekturfaktoren ansetzen, um den Anforderungen noch gerecht zu werden - und damit auch die Kosten senken. Gab es in der Vergangenheit noch Empfehlungen von Überdimensionierungen bis zu einem Faktor 8, so sieht dies heute schon anders aus. Dazu Tobias Wolf, Produktmanager bei R+W Antriebselemente: "Die Modellrechnung beziehungsweise Echt-Zeit-Simulation der Elastomersterne ist auch heutzutage noch sehr aufwändig. Mit dem Einsatz von Hochleistungsthermoplasten kann aber eine Ermüdung auf Lebenszeit verringert und ein deutlich geringerer Berechnungsfaktor genutzt werden." Ähnlich äußert sich Günther Klingler, Geschäftsführer bei Chr. Mayr: "Die Praxis hat gezeigt, dass in der Servotechnik Auslegungsfaktoren mit Werten über 3 aufgrund der großen Kupplungsabmessungen häufig nicht mehr sinnvoll sind. Hier sind unsere Lamellenpaketkupplungen oft die bessere Alternative."

Die von den Unternehmen erwähnten inneren Werte, wie Materialeigenschaften der Elastomerkränze und Fertigungstoleranzen der Naben, zeigen sich gerade bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten. So erreichen Bearbeitungsmaschinen bis zu 50.000 Umdrehungen pro Minute. Hinzu kommen hohe Vorschubgeschwindigkeiten und Beschleunigungswerte. Dieser Bereich war bislang eher die Domäne der torsionssteifen Varianten, wie beispielsweise Metallbalgkupplungen. Da aber auch bei noch so guter Fertigungstoleranz der Naben eine Unwucht nie vollständig eliminiert werden kann, erhöhen sich mit steigender Drehzahl auch die Schwingungen. Es stellt sich also die Frage, in wieweit Elastomerkupplungen in diesen Anwendungen eingesetzt werden können. Welche Probleme treten auf und wie ist der Stand der Entwicklung?

Elastomerkupplungen in Bearbeitungsmaschinen...

Bei schnellen Umdrehungen ist der Durchmesser einer Elastomerkupplung der entscheidende Faktor. Je größer, umso höher die Zentrifugalkraft, die auf den Elastomerkranz wirkt. Dieser verformt sich, „wächst“ nach außen und damit verändern sich seine Eigenschaften. Die Lösung ist eine Gratwanderung zwischen höheren Kosten und geringerer Dämpfung. Denn entweder wird die Kupplung mit aufgeschrumpften dünnwandigen Hülsen oder Stützringen versehen, welche die Verformung verhindern, oder die Shorehärte wird entsprechend angepasst (und damit wird die Dämpfung geringer). Dass der Betreiber sogar mit einer Standardversion in Drehzahlbereiche bis zu 30.000 U/min vorstoßen kann, zeigt das Unternehmen Chr. Mayr mit seinen Elastomerkupplungen. Dazu Günther Klingler: „Geht man aber bis 50.000 U/min, so ist es kaum denkbar, eine Katalog-Kupplung als geeignet oder ungeeignet auszuwählen. In diesem Drehzahlbereich reicht es nicht, nur die Kupplung für die entsprechende Drehzahl zu konzipieren. Alle Komponenten der gesamten Antriebseinheit müssen aufeinander abgestimmt sein, einschließlich Lagerung und Maschinenbett. Durch individuelle Betrachtung muss entschieden werden, wie viel Rückstellkraft auf Grund von Verlagerungsausgleich zulässig ist, wie viel Dämpfung gebraucht wird, wie viel Massenträgheit zumutbar ist und wie drehsteif die Kupplung sein soll.“

Um die Möglichkeiten bei höheren Drehzahlen auszuloten, hat R+W eine Versuchsreihe gestartet, um herauszufinden, welche Drehzahlen sich mit schwingungsdämpfenden Elastomerkupplungen überhaupt realisieren lassen. Dabei wurde die Verformung des Elastomerkranzes mit Hilfe eines Opto-Sensors gemessen. „Das verwendete Elastomermaterial der Kupplungen wies selbst bei hohen Umfanggeschwindigkeiten nur eine minimale Bewegung nach außen auf“, so Tobias Wolf. „Bei Drehmomenten bis hin zu 60 Nm sind unsere Elastomerkupplungen der Baureihe Servomax in Abhängigkeit von der Schorehärte bis 40.000 U/min ohne Stützringe freigegeben.“ Auch bei KTR Kupplungstechnik liegen Versuchsergebnisse bis zu 42.000 U/min vor. Dazu Johannes Deister, Produktmanager für spielfreie Kupplungen: „Für diese Anforderungen hat sich unsere Elastomerkupplung Rotex GS in Verbindung mit einem 64 SH D GS Zahnkranz bewährt, der sich durch ein hohes E-Modul auszeichnet. Für noch höhere Drehzahlen bieten wir die üblichen Hülsen an.“ Auf den ersten Blick scheinen die beiden letztgenannten Produkte für einen breiten Einsatz mit hohen Umdrehungszahlen besser geeignet. Aber das täuscht, denn 60 Nm werden nicht überall ausreichen und auch die Shorehärte von 64 SH D kann in sensiblen Systemen aufgrund der Schwingungen zu Problemen führen. Auch dies zeigt wieder, wie wichtig präzise Informationen seitens der Betreiber für den Kupplungshersteller sind, um ein Optimum zu erreichen. Es gibt eben nicht „die“ Kupplung für einen breiten Einsatzbereich.

... und hochdynamischen Servos ?

Spielfreie und vorgespannte Elastomerkupplungen werden seit geraumer Zeit erfolgreich in Standard-Servoantrieben eingesetzt. Versucht man eine Ausweitung in Richtung hochdynamischer Servos, so ergibt sich eine ähnliche Frage zu den hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten: Können Elastomerkupplungen einen Teil der Stahlkupplungen in hochdynamischen Servos ersetzen und wo liegen die Grenzen? Das große Plus der Ganzstahlkupplungen sind hohe Steifigkeit, hohe Wuchtqualität, geringe Rückstellkräfte, geringe Massenträgheitsmomente, hohe Temperaturbelastbarkeit und Übertragungssicherheiten. Damit sind sie zunächst einmal den Elastomerkupplungen überlegen - haben aber materialbedingt nur geringe dämpfende Eigenschaften. "Die Forderungen und Eigenheiten von Servoachsen sind so vielfältig, dass Balg- und insbesondere Lamellenpaketkupplungen nach wie vor eine sehr große Bedeutung haben", so Günther Klingler. "Trotzdem können Bereiche der Servotechnik mit qualitativ hochwertigen Elastomerkupplungen ausgestattet werden. Als Haupteinsatzfeld sehen wir bei Mayr Antriebstechnik Antriebe mit starker Schwingungsanregung von der Regler- oder Abtriebsseite her. Um möglichst alle Servoachsen in den Anlagen des Betreibers optimal ausstatten zu können, bieten wir daher mit unseren Elastomer-, Metallbalg- und Lamellenpaketkupplungen alle drei relevanten Kupplungsbauarten an."

Im Vergleich zu diesem eher breiten Portfolio mit drei unterschiedlichen Typen, setzt KTR Kupplungstechnik für den Einsatz bei Servos auf eine etwas engere Schiene. Dazu Johannes Deister: „In Servoantrieben mit X-Y-Z-Achsen von CNC gesteuerten Werkzeugmaschinen hat sich mittlerweile unser Rotex GS System gegenüber den extrem drehsteifen Metallbalgkupplungen durchgesetzt. Natürlich gibt es auch Grenzen. Diese liegen aber weniger in der Drehmomentkapazität und einer möglichen plastischen Verformung des Elastomerteiles, sondern vielmehr in Umweltbedingungen und speziellen Antriebsparametern begründet.“ Nach Informationen der Firma sollte aber bei Temperaturen über 80° C eine Rücksprache erfolgen, ob mit speziellen Elastomeren der dauerhafte Betrieb der Kupplung gesichert oder die Alternative einer Ganzmetallkupplung von Vorteil ist. Darüber hinaus haben Simulationen und Versuche folgendes gezeigt: Erstens, die etwas geringere Drehsteifigkeit wirkt sich nicht nachteilig auf die Positioniergenauigkeit aus (hier wäre noch zu klären, wo die Grenze der Genauigkeit liegt). Und zweitens, die hier vorhandene Dämpfung hat positive Auswirkungen auf das Regelverhalten des geschlossenen Regelkreises. Schwingungen werden mechanisch und nicht elektrisch gedämpft, was tatsächlich zu einer höheren Dynamik bei regelungskritischen Antrieben führt.

Fazit

Dass Elastomerkupplungen sich in ihrem Aufbau sehr ähneln, hat zwei Gründe: Erstens ist es gerade bei (äußerlich) einfachen mechanischen Bauteilen nur eine Frage der Zeit, bis die ersten Kopien auf dem Markt erscheinen; zweitens führen identische Werte von Parametern zu ähnlichen Konstruktionen. Die Unterschiede der Produkte liegen wie so oft im Detail. Ein typisches Beispiel sind die unterschiedlichen Werte der technischen Elastomere hinsichtlich Dämpfungsfähigkeiten, Formerinnerungsvermögen, Stoßelastizität, Temperatur- und Kriechverhalten. Hinzu kommen die Fertigungstoleranzen der Naben. Jede Kupplung ist auf einen genau definierten Bereich zugeschnitten und kann nur noch in gewissen Grenzen über Korrekturfaktoren angepasst werden. Ein „Austauschen“ kann daher für die Qualität der Produktion und deren Verfügbarkeit fatale Folgen haben, egal ob Standard-, Präzisions- oder gar Sicherheitskupplung.

Die richtige Auslegung bedingt aber eine direkte und enge Zusammenarbeit zwischen Betreiber und Hersteller – es geht hierbei nicht nur um das Ausfüllen einer simplen Kupplungsanfrage. Je präziser die Angaben des Betreibers hinsichtlich der geforderten Grenzbereiche, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass er eine genau auf seine Bedürfnisse ausgelegte Kupplung erhält. Die hier genannten Unternehmen zählen zu den Marktführern für Elastomer-, Metallbalg- und Sicherheitskupplungen. Und da diese Übergänge fließend sind, sollte der Betreiber das Potenzial dieser Firmen auch ganz gezielt anzapfen. Dazu gehören sowohl neue Erkenntnisse aus Simulationen und Tests auf Prüfständen als auch Erfahrungswerte mit kleinstmöglichen Korrekturfaktoren und Spezialanwendungen. Dr. Peter Stipp

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