Kupplung Acht Gründe, warum kupplungsbetriebene Servoanwendungen ausfallen

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Werden Leistungsmerkmale wie Versatzausgleich, Drehmoment oder Drehzahl nicht richtig interpretiert, können kupplungsbetriebene Servosysteme schnell ausfallen. Wir zeigen acht Fehlerquellen auf und erklären, wie sie sich vermeiden lassen.

1. Falsche Kupplungsauswahl

Schon die Auswahl der falschen Kupplung ist die wirksamste und gängigste Weise, eine Anlage in die Knie zu zwingen.

Ein Konstrukteur muss viele Faktoren berücksichtigen, um einen Kupplungsausfall zu vermeiden. Faktoren wie Drehmoment, Drehzahl, Wellengröße, Toleranzen, Betriebsumgebung und Wellenversatz sind bei der Auswahl der richtigen Kupplung von entscheidender Bedeutung.

2. Fehler beim Erkennen des richtigen Wellenversatzes

Die meisten Servoanwendungen erfordern den Ausgleich von einer oder mehreren Versatzformen. Dieser Umstand muss im Mittelpunkt des Interesses stehen, da ein Wellenversatz nicht nur die Kupplung selbst, sondern auch andere Anlagenkomponenten wie Lager oder Motoren beeinträchtigen kann. Ein Versatz ist oft die Ursache einer Toleranzdiskrepanz zwischen der Antriebs- und der Abtriebsseite eines Systems. Die hierfür verantwortlichen Faktoren können vielfältig sein: z.B. Produkte verschiedener Hersteller, Montageungenauigkeiten, Bewegung des Systems bzw. Motors während des Betriebs, Verschleiß der Anlagenkomponenten, schlechte Halterungen und thermische Wellendehnung. Jede Kupplungsart ist in der Lage, ein Versatz unterschiedlich stark auszugleichen.

Konstrukteure müssen die bestehende Versatzart verstehen, um bestimmen zu können, ob eine Kupplung mit hohen Versatzausgleichsmerkmalen eingesetzt werden muss (zum Nachteil von Faktoren wie Drehmomenteigenschaft usw.), oder korrektive Sytemanpassungen vonnöten sind, bevor eine passenden Kupplung ausgewählt werden kann.

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3. Überschreitung der Drehzahlempfehlungen

Mit den Systemanforderungen werden auch Drehzahlen festgelegt. Bei präzisen Servoantriebssystemen sind Drehzahlen von 2000, 5000, 10.000 oder sogar 25.000 min^–1 möglich. Leider sind nicht alle Kupplungen für höhere Drehzahlen konzipiert, auch wenn sie bei anderen Eigenschaften die perfekte Lösung für das System darstellen. Das Überschreiten der Drehzahlvorgaben des Herstellers kann zu einem Ausfall der Kupplung oder zu einem Schaden von Systemkomponenten führen. Auch wenn die Kupplung für hohe Drehzahlen ausgelegt ist, können höhere Drehzahlen die negativen Auswirkungen eines Versatzes steigern. Eine Lamellenkupplung beispielsweise kann einen sehr leichten Winkelversatz bei der spezifizierten Maximaldrehzahl von 10.000 min^–1 ohne nachteilige Auswirkungen auf Kupplung oder Anlagenkomponenten ausgleichen. Sie kann aber bei einer Drehzahl von 15.000 min^–1 bei gleichem Versatz durchaus einen Schaden verursachen.

Konstrukteure müssen bei der Auswahl der passenden Kupplung die besondere maximale Betriebsdrehzahl einer Kupplung kennen. Zudem ist es besonders wichtig zu wissen, wie Hersteller die Spezifikationen erstellen: d.h. werden die einzelnen Leistungsfaktoren separat oder im Gesamtzusammenhang und bei maximaler Drehzahl geprüft.

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4. Nichtberücksichtigung der Kupplungsabnutzung

Kupplungen werden in den meisten Anlagen als Abnutzungselement eingesetzt, um kostenintensivere Komponenten wie Lager oder Motoren zu schützen. Jede Kupplung hat ihre eigene Abnutzungsart und auch deren Ausfall kann sich unterschiedlich äußern. Beam- und Balgkupplungen stoppen bei Erreichen des Endes ihrer Nutzungsdauer und einem Ausfall die gesamte Kraftübertragung. Lamellen-, Elastomer- und Oldhamkupplungen verlieren ihre Spielfreiheit, behalten aber weiterhin die Eigenschaft der Bewegungsübertragung.

Je nach Anwendungsanforderungen kann eine dieser Abnutzungsarten unerwünscht sein. Zudem müssen Konstrukteure berücksichtigen, ob die Kupplung bei Erreichen des Endes ihrer Nutzungsdauer gewartet oder ersetzt werden muss. Beam-, Balg- und Lamellenkupplungen sind wartungsfrei und müssen nach einem Ausfall komplett ausgetauscht werden. Bei Oldham- und Elastomerkupplungen kann die Leistungsfähigkeit nach Erreichen der Nutzungsdauer durch Austausch des Zwischenstücks wiederhergestellt werden. Während der Testphase können Konstrukteure die Nutzungsdauer einer Kupplung besser verstehen lernen. Hieraus können sie dann Empfehlungen für die Erstellung eines Kalenders mit individuellen Wartungsintervallen abgeben, um ungeplante Anlagenausfälle zu vermeiden.

Definition

Was ist eigentlich eine Sicherheitskupplung?

5. Unsachgemäße Montage der Kupplung

Die korrekte Auswahl der Kupplung und Optimierung der Systemparameter können durch eine unsachgemäße Montage am schnellsten zunichte gemacht werden. So können unterschiedliche Anzugsmomente von Schraubverbindungen, falsche Welleneinstecktiefen, eine nicht zentrierte Montage und das Stauchen und Dehnen der Kupplung zu einem Ausfall oder einer vorzeitigen Abnutzung von systemkritischen Komponenten führen.

Am sichersten ist es, die Montageanweisungen des Herstellers zu befolgen, die idealerweise durch Video-Angebote unterstützt werden.

6. Kauf von Nachahmerprodukten

Nicht alle Kupplungen werden auf die gleiche Weise und für die gleichen Zwecke hergestellt. Einige Kupplungen besitzen allgemein übliche Spezifikationen, Toleranzen und Konstruktionsmerkmale, die sie auf dem Markt von vielen anderen Produkten kaum unterscheidbar machen. Dies kann für Systeme mit beschränkten Leistungsanforderungen ausreichen, doch Präzisionsanlagen benötigen oder profitieren häufig von Kupplungen, die über zusätzliche Eigenschaften verfügen.

Die gewuchtete Konstruktion gehört beispielsweise nicht zum Branchenstandard – die meisten Kupplungen verfügen nicht über dieses Merkmal. Einsatzgebiete wie die Druckindustrie verlangen zwingend, dass Komponenten konstruktiv gewuchtet sind, um die Gefahr von Vibrationen zu vermeiden – weniger präzise Kupplungen würden zu Streifenbildungen und einem kostenintensiven Ersatzteilaufwand bzw. zu Stillstandszeiten führen. Alle fünf im Bild aufgeführten Servokupplungen besitzen Bohrungen, welche die Elemente konstruktiv wuchten. 1. Oldhamkupplung 2. Elastomerkupplung 3. Balgkupplung 4. Lamellenkupplung 5. Beamkupplung.

7. In der späten Konstruktionsphase ausgewählte Kupplung

Viel zu häufig werden Motion-Control-Kupplungen in der späten Konstruktionsphase ausgewählt. Dies kann die Optionen für die in einem System einsetzbare Kupplung und die damit möglichen Leistungsfähigkeiten einschränken. Für eine Anlage beispielsweise mit hohen Drehmoment- und Drehzahlanforderungen, kann die Verwendung einer Lamellenkupplung erforderlich sein. Ist jedoch der Bauraum für eine Doppelgelenkausführung zu klein, so kann der Konstrukteur möglicherweise gezwungen sein, eine Einfachgelenkversion auszuwählen. Lamellenkupplungen in Einfachgelenkausführung erfüllen zwar die Drehmoment- und Drehzahlanforderungen, können aber keinen Parallelversatz ausgleichen. Dies bedeutet, dass das System bei Installation eine höhere Präzision erfordert, um das Auftreten von Parallelversatz zu vermeiden, mit dem damit verbundenen Aufwand und den entsprechend zu erwarteten Kosten.

Wird die Frage nach der passenden Kupplung im Konstruktionsprozess früher berücksichtigt, treten diese Probleme mit höchster Wahrscheinlichkeit nicht auf, was wiederum zu Zeit- und Kostenersparnissen führt. Um den Konstruktionsprozess zu vereinfachen, stellen einige Hersteller auf ihrer Website entsprechende CAD-Zeichnungen, detaillierte Produktinformationen und technische Unterstützung zur Verfügung.

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8. Ausbleibende Testläufe

Bei der Konstruktion einer Anlage sollten Testläufe immer ganz oben auf der Prioritätenliste stehen. Auch wenn in der Konstruktionsphase alles perfekt aussieht, kann nur schwer eingeschätzt werden, ob eine Kupplung auch unter den üblichen Einsatzbedingungen die geeignete Lösung darstellt.

Eingehende Tests vor Einbau in produktiv laufende Anlagen können zur Maximierung der Leistungsfähigkeit von Kupplungen und Systemen entscheidend beitragen. Einige Hersteller bieten an, den Konstruktionsprozess mit technischem Rat unterstützend zu begleiten und sie stellen auch Produktmuster zur Verfügung, um eine perfekte Kupplungsauswahl sicherzustellen.

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* Robert Watkins ist Vice President of Sales and Applications bei Ruland Manufacturing, Marlborough, Massachusetts, USA.

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