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Antrieb für Sensor-SchrauberLeise Schrauber mit Feingefühl

Mikro-Sensor-Schraubsysteme

Leise, hoch dynamische Kleinstantriebe mit großer Leistung in kleinem Bauraum erlauben es, Kleinkomponenten sachgemäß mit Hilfe von robusten Sensor-Schraubern zu montieren.

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KupplungenNeuen Anforderungen gerecht werden

Kupplungen in Antriebssystemen werden in der Industrie sehr unterschiedlich genutzt. Während es in der einen Anwendung um maximale Steifigkeit in Drehrichtung geht, liegt der Fokus in anderen Fällen auf der Dämpfung von Schwingungen – oder dem schnellen Trennen von An- und Abtriebsseite in Notfällen. Der Markt bietet zwar ein breites Portfolio für jeden dieser Bereiche, aber die Forderungen steigen ständig. Wie weit die maximal zulässigen Drehmomente mittlerweile hinausgeschoben wurden und welche Möglichkeiten neue Materialien bieten, lesen Sie im folgenden Beitrag.
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Kupplungen: Neuen Anforderungen gerecht werden

Der Markt für Kupplungen in Antriebssystemen ist für den Anwender dank vielfältiger Typen und Ausführungen breit aufgestellt. Und fast zu jeder Messe kommen neue Entwicklungen hinzu. Diese sind aber oft nur marginale Verbesserungen einer bereits bestehenden Produktreihe. Umso interessanter sind daher Lösungen, mit denen ein wirklicher Sprung nach vorne gelingt. Drei dieser Neuentwicklungen zur Hannover Messe, von ebenfalls drei namhaften Unternehmen, werden hier vorgestellt: Dies sind Metallbalg- und Sicherheitskupplungen für Drehmomente bis 100.000 beziehungsweise 280.000 Nm sowie ein neuer Werkstoff für Elastomerkränze bei den Klauenkupplungen.

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Metallbalgkupplungen zählen zu den torsionssteifen Kupplungen. Hier liegt das Hauptaugenmerk auf einer hohen Steifigkeit in Drehrichtung. Das heißt, die Kupplung selbst verdreht sich auch unter Last nur minimal (kleiner Verdrehwinkel). Sie ist aus zwei unterschiedlichen Bauteilen aufgebaut: den beiden Naben für die Anbindung zur An- und Abtriebsseite sowie dem Metallbalg. Er ist das Herzstück dieser Kupplung, besteht aus dünnwandigem Edelstahlmaterial und hat die Aufgabe, einen möglichen Versatz der Antriebswellen auszugleichen.

Dieser Kupplungstyp hat sich seit Jahren bewährt und der Anwender kann aus einem breiten Produktportfolio auswählen. Typische Anwendungen sind Werkzeug-, Druck- und Verpackungsmaschinen, sowie Automatisierungsanlagen und NC-Fräsmaschinen. Schwierig wurde es bislang nur in der Schwerlastindustrie. Denn die hier geforderten hohen Drehmomente in Verbindung mit maximaler Steifigkeit konnten von den Kupplungsherstellern nicht zufriedenstellend gelöst werden. Auch bei R+W in Klingenberg gingen in den letzten Jahren immer häufiger Anfragen nach Metallbalgkupplungen für Drehmomentbereiche deutlich über 10.000 Nm ein. Das Unternehmen entschloss sich daher zu einer Erweiterung seines bestehenden Produktportfolios um fünf Größen bis hin zu 100.000 Nm. „Die Haupt-entwicklungsarbeit“, berichtet Tobias Wolf, Produktmanager bei R+W, „bestand in der Auslegung der Metallbälge, die in Dimensionen bis zu einem Durchmesser von 500 mm bislang eher als Kompensatoren im Rohrleitungsbau verwendet werden.“

Metallbalgkupplungen bis 100.000 Nm

Der Metallbalg wird je nach Anforderung, wie beispielsweise Drehmoment oder Versatzkompensation, passgenau gefertigt. Denn die Eigenschaften einer modernen Metallbalgkupplung hängen direkt von seinen Kenngrößen ab. Zum einen ist eine maximale Steifigkeit in Rotationsrichtung gefordert, zum anderen sind die entstehenden Rückstellkräfte bei der Kompensation der Versätze so gering wie möglich zu halten. Aufgrund der Formengebung des Ausgleichselements stehen die beiden Parameter Torsionssteifigkeit (Drehmomentübertragung) und Federsteifigkeit (Versatzausgleich) miteinander im Verhältnis.

Die neuen Kupplungen sind aus zwei dreiwelligen Metallbälgen aufgebaut, die über ein Zwischenrohr aus Stahl verbunden sind. Über die variable Länge des Zwischenrohres können die benötigten Versatzwerte problemlos erreicht werden. Mit einem Neigewinkel zwischen 0,5 und 0,7 Grad kann über die mathematische Beziehung (Sinus) der gewünschte laterale Versatz berechnet und somit für die Kunden individuell ausgelegt werden. Als Standardanbindung zur An- und Abtriebsseite dient ein Flansch mit Innenzentrierung, auf dem alle weiteren Modellreihen basieren. Die maximalen Drehmomente der fünf Neuentwicklungen reichen von 20.000 und 35.000 Nm, über 50.000 und 75.000 Nm bis hin zu 100.000 Nm.
„Auch wenn eine Berechnungssoftware zur Verfügung stand, die praktische Erfahrung und der enorm wichtige Sicherheitsfaktor fehlten gänzlich“, erläutert Tobias Wolf. „Demzufolge konnten zum einen nur praktische Versuche an Universitäten und zum anderen nur speziell ausgewählte Kunden im Schwerlastbereich diese Erfahrung in kurzer Zeit erbringen.“ Um die notwendigen Daten zu erhalten wurden auf dem Prüfstand der RWTH Aachen (Institut für Maschinenelemente) die Baureihen für 50.000 Nm getestet. Neben einem statischen Belastungstest mit 125.000 Nm (Faktor 2,5 zum Nennmoment) wurde in einem dynamischen Dauerschwingversuch auch die Ermüdungsgrenze des Metallbalges geprüft.

Das Unternehmen R+W stellt dem Markt in den ersten Serien drei verschieden Ausführungen der fünf Drehmomentbereiche zur Verfügung. Die erste Bauform wird direkt über Flansche an die An- und Abtriebsseite verschraubt. Dadurch ist die Baulänge der gesamten Einheit sehr kurz ausgelegt. Die Flanschanbindung ermöglicht ebenfalls eine kundenspezifische Anbindung zur An- und Abtriebsseite.

Die zweite Bauform überträgt das Drehmoment über die formschlüssige Passfederverbindung. Diese Ausführung ist besonders robust und einfach zu montieren, da zusätzliche Schrauben zum Klemmen entfallen. Je nach Kundenwunsch kann über eine Doppelnut das übertragbare Drehmoment sogar nochmals gesteigert werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Wellenaufnahme bietet diese Ausführung für speziell verzahnte Wellen. Diese können ebenfalls auf Kundenwunsch umgesetzt werden. Die dritte Ausführung ist eine reibschlüssige Variante. Diese Modellreihe BK3 wird über einen außen liegenden Konusklemmring auf der zylindrischen Welle montiert. Er besteht aus zwei Bauteilen: dem Klemmring und der Nabe. Der Klemmring wird mittels der Befestigungsschraube in axialer Richtung an die Nabe gezogen. Durch die beiden zueinander konisch laufenden Flächen entsteht in vertikaler Richtung eine Flächenpressung. Die daraus resultierende Anpresskraft ist für den benötigten Nenndrehmomentbereich ausgelegt.

Während es bei der Metallbalgkupplung im Wesentlichen darum ging, die maximal zulässigen Drehmomente zu erhöhen, setzt KTR Kupplungstechnik bei seinen Klauenkupplungen wegweisende Maßstäbe mit einer neuen Materialmischung. Diese drehelastischen Kupplungen kommen zum Einsatz, wenn neben der Übertragung eines definierten Drehmomentes und dem Ausgleich des Wellenversatzes auch Schwingungen reduziert werden sollen. Das Ziel ist also eine möglichst hohe Laufruhe. Damit kommt den Elastomerkränzen mit ihren unterschiedlichen Materialien und Härtegraden eine zentrale Aufgabe zu. Und genau hier setzt KTR mit seiner Neuentwicklung an. „Aufgrund der breiten Anwendungen“, erklärt Michael Brüning, Produktmanager bei KTR, „sind die Anforderungen im Laufe der Zeit stetig angestiegen. Die Folge ist, dass standardmäßig eingesetzte Zahnkranzmischungen häufig an ihre Grenzen stoßen und der Hersteller auf kostspielige Sondermischungen zurückgreifen muss.“

Neue Polyurethanmischung bei Klauenkupplungen

Das Standardmaterial der Zahnkränze/Elastomersterne ist thermoplastisches Polyurethan (TPU) und für Temperaturbereiche von -20 bis ca. + 120 °C geeignet. 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 circa 80 °C. Es gibt also einen direkten Zusammenhang zwischen der geforderten Torsionssteifigkeit, dem Dämpfungsvermögen und der Temperatur.

„Wir haben für unsere Klauenkupplungen Rotex ein neues Zahnkranzmaterial entwickelt“, betont Michael Brüning, „das gerade bei der Dauerbelastung in Bezug auf Temperatur und Verformung alle bisherigen Materialien in den Schatten stellt – und dies unter Beibehaltung der positiven Eigenschaften wie Dämpfung und Abriebfestigkeit.“ Laut KTR ist der neue Werkstoff T-PUR für Temperaturen von -50 bis +120 °C geeignet und wird ab sofort in den Rotex-Klauenkupplungen der Größen 14 bis 90 als neuer Standard eingesetzt. Die Shorehärten der orange, lila und grünen Elastomersterne liegen bei 92 A, 98 A und 64 D. Ab der Größe 100 liefert KTR Doppelzahnelemente, die ebenfalls in dem neuen Material hergestellt werden. Nun sind neue Entwicklungen meist aufwändig, was sich für den Anwender oftmals im Preis niederschlägt. Nicht so bei dem neuen Standard-Zahnkranzwerkstoff. Diese Lösung ist eine der wenigen Ausnahmen, denn laut Angaben von KTR sind die Kosten gleich geblieben – trotz der enormen Verbesserungen.

Auch das Unternehmen Chr. Mayr verzeichnet steigende Anfragen nach höheren Drehmomenten – in diesem Fall aber für Sicherheitskupplungen. Diese Kupplungen haben die Aufgabe den An- und Abtrieb bei einer Überschreitung des eingestellten Drehmomentes zu trennen, um Schäden auf ein Minimum zu reduzieren; und das in wenigen Millisekunden. „Wir haben den Leistungsbereich unserer freischaltenden EAS-Elementekupplungen gerade erweitert“, erläutert Johann Eberle, Vertriebs- und Marketingleiter bei Chr. Mayr. „Die neueste Ausführung mit Bogenzahnkupplungen zur Verbindung von zwei Wellen ist für Drehmomente bis hin zu 280.000 Nm konzipiert.“ Eine solche freischaltende Sicherheitskupplung wird hauptsächlich in schnell laufenden Antrieben oder Anlagen mit großen Massenträgheitsmomenten eingesetzt. Das heißt, sie trennt bei Überlast An- und Abtriebsseite restmomentfrei und bleibt auch ausgerastet: Das Wiedereinrasten erfolgt entweder von Hand oder über eine spezielle Vorrichtung.

Im kleinen und mittleren Leistungsbereich hingegen konzentrieren sich die Weiterentwicklungen in erster Linie auf die kontinuierliche Optimierung der konstruktiven Gestaltung, den Einsatz verbesserter und leistungsfähigerer Werkstoffe sowie die Erhöhung der Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Qualität. Dazu gehört auch, dass jede einzelne Sicherheitskupplung auf selbst entwickelten Prüfständen exakt auf das geforderte Drehmoment eingestellt ist. So kann auch noch nach vielen Jahren nachvollzogen werden, in welchen Zustand die Kupplung geliefert wurde.

Bei den Wellenkupplungen gehen die Entwicklungen des Unternehmens ebenfalls in Richtung höherer Drehmomente. So decken die neuen Baugrößen der Roba-DS Lamellenpaketkupplung einen Nenndrehmomentbereich von 22.000 bis 110.000 Nm ab. Dazu Johann Eberle: „Bei diesen Größen wird das elastische Lamellenpaket formschlüssig und spielfrei mit den Anbauteilen verbunden. Aufgrund der neuen Konusanbindung konnten die Schraubenanzugsmomente im Vergleich zu herkömmlichen reibschlüssigen Konstruktionen auf einen Bruchteil reduziert werden. Das erleichtert die Montage und Demontage erheblich. Zudem müssen die Aggregate zum Ein- und Ausbau der Kupplung nicht verschoben werden.“

Dr. Peter Stipp

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