Kupplungstechnik

Cracken für den richtigen Sitz

Als zentrales Antriebselement hat die mechanische Kupplung in den vergangenen Jahrzehnten eine enorme Entwicklung erfahren. Bedeutende Innovationen der Kupplungstechnik haben ihren Ursprung in der Nutzung neuer Werkstoffe und Fertigungstechniken. Inspiration kommt dabei auch aus dem Automobilbau.

Dauerlauf mit Versatz: Eine doppelkardanische Rotex-Non-Sparking-Klauenkupplung mit T-Pur-Zahnkränzen muss sich beweisen.

Wie entstehen wesentliche Innovationen in der Kupplungstechnik und was sind die treibenden Technologien? Michael Brüning, Produktmanager bei KTR, zeigt mit einem Blick auf die KTR-Entwicklungsgeschichte auf: „Zentrale Innovationen entstehen immer dann, wenn ein neues Grundkonzept etabliert wird.“ So war es Anfang der 1960er Jahre bei der Bogenzahnkupplung BoWex, die erstmalig die Werkstoffe Stahl und Kunststoff kombinierte. Und so war es auch einige Jahre später bei der Klauenkupplung Rotex mit ihrem Elastomer-Zahnkranz, der zwischen den beiden Nabenhälften angeordnet ist. Neben dem Konzept spielen bei der Entwicklung neuer Kupplungen weitere Faktoren eine entscheidende Rolle. „Know-how bei den Fertigungsverfahren ist dabei ebenso entscheidend wie umfassende Kenntnisse der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik“, ergänzt Brüning.

Mit voller Absicht gebrochen – eine Rotex S-H mit Split-Naben aus Grauguss. (Bilder: KTR Kupplungstechnik)

Über die Jahrzehnte ist das Rotex-Programm vielfältig geworden: Während die dreiteilige Grundform erhalten blieb, gibt es Produktentwicklungen, die erst durch die Nutzung neuer Produktionstechniken möglich wurden. So zum Beispiel die Servokupplung Rotex GS: Dank der hohen Fertigungsgenauigkeit, sowohl der Naben als auch des Elastomer-Zahnkranzes, erfüllt sie die Anforderungen anspruchsvoller Antriebe in Sachen Gleichlaufeigenschaft, Positioniergenauigkeit sowie statisches und dynamisches Verhalten. Ihr Einsatzgebiet umfasst Positioniereinheiten in Werkzeugmaschinen sowie Antriebe von Mess- und Prüfanlagen.

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Bei der Rotex S-H mit Split-Naben hingegen war der „Blick über den Tellerrand“ der Innovationstreiber. Auf der Suche nach einer Technologie, die auch bei Graugusskupplungen eine verbesserte Montagefreundlichkeit unter beengten Verhältnissen ermöglicht, stießen die KTR-Entwickler auf ein bewährtes Verfahren aus dem Automobilbau. Dort werden Pleuelstangen häufig durch „cracken“ mechanisch aufgespalten. Bei dieser Methode entstehen unregelmäßige Bruchflächen mit formschlüssiger Passung, die für eine genaue Zentrierung der Nabenhälften sorgen; die Verschraubung erfolgt in Blockmontage. Um einen optimalen Massenausgleich zu erzielen, werden die Nabenhälften werksseitig statisch gewuchtet. Die Verschraubung der gespaltenen Nabe stellt sicher, dass keinerlei Nachteile in der Beanspruchbarkeit der Kupplung im Einsatz entstehen. Diese Fertigungstechnologie schafft die Voraussetzung für eine verbesserte Montagefreundlichkeit von Graugusskupplungen, insbesondere unter beengten Verhältnissen.

„Noch immer gibt die Materialwissenschaft entscheidende Impulse für die Entwicklung neuer Kupplungsbaureihen“, erklärt der Produktmanager. So werden die Zwischenstücke von doppelkardanischen Kupplungen, die sich durch eine besonders hohe Verlagerungsfähigkeit auszeichnen, immer häufiger aus faserverstärkten Kunststoffen (GFK/CFK) gefertigt, die sich durch hohe Belastbarkeit bei geringem Gewicht auszeichnen. Hierbei profitieren die KTR-Entwickler von ihren Erfahrungen aus der Windenergietechnik, die sich optimal auf andere Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau transferieren lassen.

Das jüngste Beispiel für die Impulse der modernen Werkstoff- und Fertigungstechnik in der Kupplungs-Entwicklung ist die Rotex Non Sparking. Die durchschlagsichere Kupplung kann wartungsfrei in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt und auch im Verschleißfall des Elastomer-Zahnkranzes ohne die Gefahr einer Funkenbildung weiterbetrieben werden. „Auf die Nabengrundkörper, die weiterhin aus Stahl oder aus anderen Metallwerkstoffen wie Aluminium gefertigt werden, wird eine Nockengeometrie aus hochfestem Kunststoff aufgespritzt“, geht Michael Brüning ins Detail. Das bedeutet: Aufgrund der Materialpaarung Metall/Kunststoff wird auch im Fall eines Totalverschleißes des Elastomer das Drehmoment weiterhin übertragen. Eine Dämpfungswirkung ist dann zwar nicht mehr vorhanden, aber die aus Sicherheitsgründen erforderliche Notlaufeigenschaft ist gegeben. Weil hier ein leitfähiger Kunststoff zum Einsatz kommt, wird auch jegliche statische Aufladung vermieden.

Forschung bringt Wachstum

Eine fortwährende Weiterentwicklung des Produktportfolios bedingt eine konsequente Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Von den weltweit mehr als 1.100 Mitarbeitern in der KTR-Gruppe sind allein 60 Ingenieure und Techniker für die Entwicklung neuer Produkte und kundenspezifischer Lösungen zuständig. Dazu gehört unter anderem ein Innovationsteam am Stammsitz in Rheine. Deren Aufgabe besteht darin, Ideen in der Organisation aufzugreifen, zu bewerten und in der weltweiten KTR-Gruppe voranzutreiben.

Ein weiterer, entscheidender Baustein für den Erfolg der Produktentwicklungen liegt in dem vielfältigen Prüffeld, das KTR sowohl für die Validierung von Neuprodukten als auch für die Erprobung neuer Werkstoffe nutzt. Im Versuchsfeld in Rheine stehen den KTR-Experten derzeit zwei Dutzend umlaufende und nicht-umlaufende Prüfstände zur Verfügung, die hydraulisch, servohydraulisch oder elektrisch betrieben werden. Die Prüfstände decken einen Prüfbereich von 0,2 Nm bis 500.000 Nm ab und ermöglichen praxisnahe Versuchsbedingungen mit dynamischer oder statischer Beanspruchung des Prüflings. Die Prüfkapazität umfasst die Bestimmung von Kupplungskennwerten, die Justierung von Überlastsystemen sowie Dauerversuche hinsichtlich Bauteilfestigkeit und Langlebigkeit. Zum Prüfprogramm gehören auch umfassende Versuchsreihen unter verschiedensten klimatischen Bedingungen. Alle Prüfstände können zusätzlich mit Heizsystemen ausgerüstet werden, das ermöglicht Versuche unter einer definierten Prüftemperatur bis +120 °C. Zudem führt KTR im eigenen Hause auch Wärme- und Kältedauerversuche im Klimawechsel zur Prüfung von Bauteilen und Werkstoffen durch. Zum Versuchsprogramm gehören mitunter Korrosionsdauerprüfungen von Metallkomponenten sowie die künstliche Alterung von Elastomeren. Dabei können Temperaturen von –20 °C bis +180 °C und ein Luftfeuchtegehalt von bis zu 98 % erzeugt werden. cs

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