Kriterien für die Auswahl von Sicherheitskupplungen

Nicht nur auf der Straße, sondern auch in den Fabrikhallen – elektrische Antriebe liegen im Trend. Denn immer mehr Hersteller suchen verstärkt nach einfachen, energieeffizienten und sauberen Lösungen. Mit der Elektrifizierung einher geht dabei auch eine Zunahme an dynamischen, schnelldrehenden Antriebsachsen und die Sicherheit sowie die Zuverlässigkeit rücken in den Fokus.

Doch was bedeutet das konkret für die Antriebe und ihre Komponenten? „Der Auswahl von Wellenkupplungen – sozusagen als Standardbauteil – wird häufig wenig Beachtung geschenkt“, erklärt Ralf Epple, Produktmanager bei Mayr Antriebstechnik in Mauerstetten. „Aber wenn eine Wellenkupplung versagt, dreht sich am Ende der Anlage auch nichts. Deshalb ist es wichtig, dass die Kupplungen genau zu der jeweiligen Anwendung passen. Entscheidend ist aber auch, dass gerade solche Standardbauteile z. B. über einen Online-Konfigurator einfach auszuwählen und dann aber auch schnell lieferbar sind.“

Für ein exaktes Messergebnis

Wellenausgleichskupplungen sind ein essenzieller Bestandteil in Prüfständen. Denn sie minimieren die auf den Messflansch wirkenden Störgrößen. Diese Störgrößen oder sogenannte parasitäre Kräfte entstehen oftmals durch Ausrichtfehler im Antriebsstrang. So treten in fast allen Anwendungen Versätze zwischen An- und Abtriebsseite auf. Zusammen mit dem Messflansch kommen daher Wellenausgleichskupplungen zum Einsatz. Hier ist es wichtig, dass die geometrische Grundlage stimmt und die Kupplungen schon in ihrer Standardausführung für Messflansche und Highspeed ausgelegt sind. „Es gilt, die Balance zwischen Steifigkeit und Elastizität zu finden, um Rückstellkräfte auf das System zu vermeiden“, fasst Daniel Brecheisen, Konstrukteur bei Mayr Antriebstechnik, die Anforderungen an die Ausgleichskupplungen zusammen.

Präzise Fertigung und hohe Wuchtgüte

Entscheidendes Kriterium der Mayr-Kupplungen ist, dass die Kupplungen kompakt und leistungsdicht sind. Auch Ausführungen aus Stahl müssen sich bereits durch eine geringe Masse und Massenträgheit auszeichnen und dabei hohe Drehzahlen bis 30.000 min^-1 erreichen. Dazu kommen eine präzise Fertigung mit wenig Schnittstellen sowie eine hohe Laufruhe und Wuchtgüte. Generell ist es daher wichtig, dass Kunden bei der Auswahl der Kupplung und des Materials immer die Anwendung im Blick haben. Hier gilt es zwischen den Materialeigenschaften, wie etwa Gewicht, Steifigkeit oder Dauerfestigkeit und der finalen Kundenanwendung, also den tatsächlichen Drehzahlen, Lastwechseln, Lastzyklen, Lagerabständen und Bohrungsdurchmessern abzuwägen.

Gewichtsoptimierte Varianten bei gleicher Leistungsdichte

„Bei den Industrie-Prüfständen, auch im Bereich E-Mobilität, pendeln sich die Drehzahlen im Moment bei 25.000 min^-1 bis 30.000 min^-1 ein“, erläutert Ralf Epple. „Allerdings gibt es im Bereich Forschung und Entwicklung, wo wir mit Hochschulen und anderen Forschungseinrichtungen zusammenarbeiten, oder auch im Motorsport Projekte mit Drehzahlen deutlich über 30.000 min^-1.“ Die Erfahrungen aus diesen Projekten nutzt das Unternehmen zusätzlich zu den Erkenntnissen aus dem eigenen Prüffeld, um den Standard permanent weiterzuentwickeln. Aktuell hat Mayr Antriebstechnik daher basierend auf der bewährten ROBA-DS Stahllamellenkupplung eine gewichtsoptimierte Variante aus Aluminium entwickelt. Im Vergleich zur Stahlausführung ist der Außendurchmesser dieser neuen Kupplung um bis zu 10 mm reduziert, die Masse und Massenträgheit liegen bei 40 bis 60 Prozent der Stahlausführung je nach Bauform und Größe. Die Leistungsdichte dagegen bleibt unverändert.

Zuverlässiger Überlastschutz bei hohen Drehzahlen

Auch im Bereich der Überlastkupplungen hat Mayr Antriebstechnik neue Ausführungen aus Aluminium im Programm, die in Highspeed-Anwendungen zum Einsatz kommen. Und auch hier gilt: die Sicherheitskupplung, die Prüflinge und Messeinheiten vor Schäden durch Überlast schützt, muss in ihrer Ausführung zu diesen Qualitäten passen. Ein Serienprüfstand für Getriebe beispielsweise benötigt ein konstantes Prüfergebnis in einem engen Fenster. Eine unpräzise Kupplung, die das Messsystem beeinflusst, macht die Bewertung im Prüffeld schwierig. Das Messergebnis wird verfälscht. Hinzu kommt bei Highspeed-Anwendungen auch die Sicherheit von Menschen und Maschinen. So muss die Sicherheitskupplung zuverlässig zum richtigen Zeitpunkt auslösen, ansonsten können Kollisionen bei hohen Drehzahlen schwere Schäden verursachen.

Kompakte Sicherheitskupplungen mit hoher Leistungsdichte

Übersteigt in einem Prüfstand das Drehmoment den an der Sicherheitskupplung eingestellten Grenzwert, rastet die Kupplung aus und trennt An- und Abtrieb innerhalb von Sekundenbruchteilen. Damit wird ein teurer Schaden an Antriebsstrang, Messwelle oder Prüfling zuverlässig verhindert. Die Sicherheitskupplungen müssen das Drehmoment dabei spielfrei und mit hoher Drehsteifigkeit übertragen. Sie müssen außerdem kompakt bauen und ein geringes Massenträgheitsmoment aber eine hohe Leistungsdichte aufweisen. Erreicht wird ein kompaktes, leistungsdichtes Design der Kupplungen durch einen kleinen Außendurchmesser bei einem verhältnismäßig großen Bohrungsdurchmesser. Und auch die integrierten Elemente, über die bei den Kupplungen von Mayr Antriebstechnik die Drehmomentübertragung erfolgt, sind speziell ausgewählt und symmetrisch angeordnet. Letztendlich gilt für die Auslegung: Bohrungsdurchmesser, Außendurchmesser und Elementegröße müssen aufeinander abgestimmt sein, um ein schwingungsarmes System zu erhalten, das im Auslösefall präzise funktioniert.

Reproduzierbares System

Daneben ist bei Hochdrehzahl-Anwendungen eine hohe Wuchtgüte jeder Einzelkomponente unabdingbar, um in der Kombination der Bauteile eine optimale Laufruhe des Antriebsstrangs zu erreichen. Mit steigender Drehzahl verursacht Unwucht erhebliche Fliehkräfte und Schwingungen. Das belastet die gesamte Prüfstandkonstruktion, führt zu unruhigem Lauf und verfälscht die Prüfergebnisse der Messeinrichtungen. Daher stand bei der Entwicklung der Highspeed-Kupplungen auch die Optimierung der Massenunwucht im Vordergrund. Alle Bauteile sind mit sehr hoher Genauigkeit und Rundlaufqualität präzise gefertigt. „Durch definierte Geometrien berücksichtigen wir in der Konstruktion Wuchtgüte und Laufqualität“, erklärt Günter Hable. „Wir stellen sicher, dass die vielen Einzelteile, aus denen die Sicherheitskupplungen bestehen, ihre Lage innerhalb der Kupplung, auch nach Überlast, nicht verändern.“ Zudem werden die Kupplungen in komplett montiertem Zustand gewuchtet. Diese Wuchtgüte bleibt auch nach vielmaligem Ausrasten erhalten, ist also reproduzierbar. Dafür ist die Position für die synchrone Wiedereinrastung auf der Kupplung deutlich markiert.

Kein Verschleiß durch spielfreie Verbindungen

Damit die vollständig montierten, auf das erforderliche Drehmoment eingestellten und gewuchteten Sicherheitskupplungen die notwendige Wuchtgüte auch nach Integration in die jeweilige Prüfstandsanwendung gewährleisten, ist das Fügespiel zwischen der jeweiligen Kundenwelle und der Kupplungsbohrung minimiert. Die reibschlüssige Welle-Nabe-Verbindung stellt eine spielfreie Drehmomentübertragung sicher. Damit wird ein reproduzierbarer Kupplungsanbau mit reduzierten Schwingungen ermöglicht. Dies verringert den Verschleiß im gesamten Antriebsstrang und stellt die dauerhafte Funktionsfähigkeit der Kupplung sicher. Neben der Überlastkupplung selbst werden damit auch Lagerungen und die eingesetzte Messtechnik geschont.

Anwender sollten bei der Auswahl zudem auf die Verfügbarkeit achten. Bietet ein Hersteller gewichtsoptimierte Kupplungen bereits im Standard-Portfolio an? Tragen die Standard-Baureihen den stetig steigenden Anforderungen an Drehzahl und Dynamik Rechnung? Das gewährleistet, dass im Bedarfsfall schnell auf eine solide und zuverlässige Basis zurückgegriffen werden kann. (sas)

Basierend auf der bewährten ROBA-DS Stahllamellenkupplung hat Mayr Antriebstechnik eine gewichtsoptimierte Variante aus Aluminium entwickelt, bei gleichbleibender Leistungsdichte. Diese ist zugeschnitten für Highspeed-Anwendungen zum Beispiel im Bereich der Prüfstandstechnik.
Bild: Mayr Antriebstechnik

Mayr Antriebstechnik

… ist ein Hersteller von Sicherheitsbremsen, Drehmomentbegrenzern und Wellenkupplungen. Das Produktportfolio umfasst Sicherheitskupplungen, Sicherheitsbremsen, spielfreie Wellenausgleichskupplungen und Gleichstromantriebe. Auch bei kundenspezifischen Anforderungen verfügt das Unternehmen über die Expertise, um maßgeschneiderte und wirtschaftliche Lösungen zu entwickeln. Zahlreiche renommierte Maschinenhersteller vertrauen daher auf diesen ganzheitlichen Lösungen.