Kupplungen

In modernen Maschinen treten vermehrt Direktantriebe auf.


Direktantrieb

In den meisten Fällen werden allerdings lineare Wellenverbindungen mit Kupplungen realisiert. Der Antriebsstrang besteht oft aus mehreren Einzelmaschinen wie z. B. Motor, Getriebe und Arbeitsmaschine. Kupplungen dienen als leistungsstarke und bauraumoptimierte Maschinenelemente dazu, die Ein- und Ausgangswellen der Komponenten miteinander zu verbinden.


Standardantrieb mit Kupplungen

 

Neben der Übertragung der Drehbewegung und des Drehmomentes erfüllen Kupplungen je nach Bauart auch weitere Aufgaben:

  • Begrenzung oder Unterbrechung des maximal zulässigen Drehmomentes zum Schutz der Komponenten
  • Dämpfung von Schwingungen zwischen den Einzelmaschinen
  • Aufnahme von Anbauteilen (z. B. Bremstrommel)
  • Elektrische Isolierung
  • Ausgleich von Wellenversatz bei geringen Rückstellkräften

Der Wellenversatz ist montage- oder betriebsbedingt und führt bei starrer Verbindung zweier Komponenten zu unnötig hoher statischer Belastung der Wellenlagerung.

Ein präzises Ausrichten von Komponenten alleine wäre in vielen Fällen nicht ausreichend, um diese Belastungen von den Lagerstellen fern zu halten, da sich durch elastische Verformung der Rahmen, bzw. durch thermische Einflüsse der dynamische vom statischen Maschinenzustand unterscheidet. Zur Auslegung von hoch belasteten Lagerstellen sind bei der Verwendung von Kupplungen die Rückstellkräfte zu berücksichtigen.


Kupplungsarten

Wellenkupplungen werden in zwei Hauptgruppen unterteilt: „schaltbare“ und „nicht schaltbare“. Schaltbare Kupplungen beziehen ihren Schaltimpuls entweder aus der übertragenen Leistung oder durch Fremdbetätigung.

In der Antriebstechnik werden zumeist elastische, formschlüssige Kupplungen in den unterschiedlichen Elastizitätsgraden eingesetzt.

Einteilung von Kupplungen nach dem elastischen Verhalten

Drehstarre Kupplungen sind in Umfangsrichtung verdrehsteif und in Axial- und Radialrichtung nachgiebig ausgeführt. Drehwinkel und Drehmoment werden ohne Phasenversatz durch die Kupplung geleitet. Der Wellenversatz wird durch die Konstruktion der Kupplung ausgeglichen.

Drehelastische Kupplungen besitzen Federkörper, die zumeist aus Elastomerwerkstoffen hergestellt sind. Durch eine entsprechende Ausführung des Elastomers in geeigneter Shore-Härte und Form kann die für den Anwendungsfall vorteilhafte Drehfedersteifigkeit und Dämpfung realisiert werden. Bei diesen Kupplungen wird der Wellenversatz durch die Verformung des Federkörpers kompensiert.

Hochelastische Kupplungen zeichnen sich durch einen großvolumigen (Elastomer-) Federkörper aus, der große Federwege ermöglicht. Im Allgemeinen sind diese Elastomerkörper mit geringer Steifigkeit ausgestattet. Sowohl Drehmoment, als auch Drehwinkel, werden mit deutlichem Phasenversatz durch die Kupplung geleitet. Durch diese Eigenschaften wird auch ein starker Wellenversatz ausgeglichen.

Einteilung nach Überlastverhalten

Das Verhalten einer Kupplung bei deutlich überschrittenem Drehmoment wird durch deren konstruktive Ausführung bestimmt.
Zum einen gibt es hier durchschlagsichere Baureihen, die erst bei Zerstörung metallischer Teile ihre verbindende Wirkung verlieren.
Zum anderen existieren überlastwerfende, bzw. durchschlagende Kupplungstypen. Hierbei wird bei unzulässiger Überlastung die elastomere Verbindung zwischen den Kupplungshälften zerstört, sodass die metallischen Bauteile schadensfrei bleiben.


Konstruktion und Handhabung

Konstruktiver Einfluss der Drehmomente

Bei der Neukonzeption von Wellenverbindungen mithilfe von Kupplungen hat der Konstrukteur ein breites Spektrum an unterschiedlichen Bauformen zur Auswahl. Jede zeichnet sich durch ihre spezifischen Eigenschaften aus. Neben den unter  dem Punkt Kupplungsarten dargestellten Merkmalen stellen das zu übertragende Nenndrehmoment und die Umgebungsbedingungen die wichtigsten Entscheidungskriterien zur Kupplungsauswahl dar.

Von Herstellern angegebene Nenndrehmoment bezeichnen ein theoretisch maximales Drehmoment, welches im Dauerbetrieb unter optimalen Bedingungen übertragen werden kann. Für eine tatsächliche Auslegung
nach dem Drehmoment sind unter anderem Minderungsfaktoren für die Stoßbelastungen (1,0 - 2,5), die Anlaufhäufigkeit (1,0 - 1,6) und der Temperatureinfluss (1,0 - 2,2) zu beachten.
Weiterhin sind die maximalen Momentenwerte bei Überlast, die dynamische Beanspruchung und die maximal mögliche Drehzahl zu prüfen.


Konstruktiver Einfluss der Umgebungsbedingungen

Im Allgemeinen werden Kupplungen unter Hallenbedingungen eingesetzt. Bei speziellen Anwendungsfällen werden jedoch besondere Ansprüche an die einzelnen Komponenten eines Antriebs erhoben. Für den Fall chemisch aggressiver Umgebung ist Rücksprache nötig. Auch sind die Werkstoffe je nach Einsatztemperatur zu prüfen.

Überall dort, wo eine explosionsfähige Umgebung nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden kann, müssen die eingesetzten Maschinen zur Unfallvermeidung besonderen Anforderungen genügen. Innerhalb der EU gilt heute für diese Anwendungen die Richtlinie 94/9/EG (ATEX 95). Beim Einsatz von Kupplungen in explosionsfähiger Umgebung ist deren Eignung durch Rücksprache zu prüfen.


Auswuchten

Zum Teil werden fertige Oberflächen von Kupplungsbauteilen im Gussverfahren hergestellt. Aufgrund dieser Art der Fertigung ist die Masseverteilung relativ zur Drehachse nicht immer ideal. Beim Auswuchten in verschiedene Wuchtgüteklassen wird durch Materialauftrag oder -abtrag der Schwerpunkt näher an die Rotationsachse gelegt. Ziel ist es, die Exzentrizität zu verkleinern. Dieser Vorgang ist wichtig, da Masse und Exzentrizität linear und die Drehzahl quadratisch zur Größe der Unwuchtkraft beitragen. Diese umlaufende Kraft belastet Wellen und deren Lagerungen.


Montage und Wartung

Kupplungen sind im Allgemeinen bis auf das Ausrichten meist leicht zu montieren und wartungsarm. Elastomerelemente unterliegen einem alterungs- und lastbedingtem Verschleiß. Anhand von Sichtprüfungen sind verschlissene Elastomerteile zu wechseln. Hierbei erweisen sich manche Kupplungstypen als besonders servicefreundlich. Spezielle Hinweise zur Montage, zu den Anschlussgeometrien und zur Inbetriebnahme finden Sie in der kupplungsspezifischen Betriebsanleitung. Um Beschädigungen an der Kupplung oder den Ausfall des Antriebs zu vermeiden, sind alle Baureihen (außer wartungsfreie) entsprechend der Angaben in den Betriebsanleitungen zu warten.


Ausrichten


Axialer Wellenversatz


Radialer Wellenversatz


Winkelfehler

Kupplungen können, wie in den obigen Schaubildern gezeigt wird, axialen und radialen Wellenversatz, sowie Winkelfehler ausgleichen. Dies ist jedoch abhängig von Kupplungsbauform und -größe nur begrenzt möglich. Wünschenswert ist, den Wellenversatz möglichst klein zu halten. Gut ausgerichtete Wellen optimieren den Antriebsstrang durch Reduktion von Belastungen und Schwingungen. Schlecht ausgerichtete Wellen führen zu Kupplungs- und Lagerschäden.

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