Genaue Kenntnisse über den Einsatzfall erleichtern die Auswahl

Angesichts des umfangreichen Angebots an an drehsteifen biegeelastischen Wellenkupplungen, fragen Kunden oft nach der „besten“ Kupplung. Das Beantworten dieser Frage setzt jedoch Kenntnisse über den Einsatzfall voraus. ABP-Antriebstechnik hilft bei der Entscheidung, welche Kupplung bei welcher Anwendung die bestmöglichen Ergebnisse erzielt.

Anbieter zum Thema

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

SCHMIDT-KUPPLUNG GmbH

ORBIT GmbH Antriebstechnik

ABP Antriebstechnik GmbH

Voraussetzung für viele Aufgaben in der Handhabungstechnik, der Automatisierung sowie der Steuerung ist die exakte Weg- und Winkelmessung. Geeignete Messwertaufnehmer, wie Resolver oder Drehgeber, werden in vielfältiger Form angeboten. Doch er ist nutzlos, wenn die Wellenkupplung Übertragungsfehler verursacht.

Einerseits sind für die Positionieraufgaben von NC und CNC-Maschinen oder für die Drehzahlmessung nicht immer Drehgeber mit größtmöglicher Auflösung erforderlich. Deshalb muss folglich auch keine Wellenkupplung mit kleinstem Übertragungsfehler für diese Anwendung zum Einsatz gelangen. Je genauer die Positionierung andererseits durchgeführt werden soll, desto größer muss die Auflösung des Messsystems und demzufolge auch die des Messwertaufnehmers sein. Auch für den Einsatz von Wellenkupplungen gilt: nicht so aufwendig und so teuer wie möglich, sondern nur so aufwendig und teuer wie nötig.

Drehfedersteife ist bei Positionieraufgaben wichtiges Kriterium

Grundsätzliche muss vorausgesetzt werden, dass die Kupplung eine winkelsynchrone Übertragung zwischen dem Antriebssystem und dem Messwertaufnehmer ermöglicht. Diese konstruktive Eigenschaft erfüllen die „klassischen“ spielfreien, drehsteifen, biegeelastischen Wellenkupplungen für Drehgeberanwendungen, wie Balgen-, Federscheiben- Steg- oder Wendelkupplungen. Weniger geeignet sind Gabelkupplungen, die keine winkelsynchrone Übertragung ermöglichen, wenn parallele Wellenversätze auftreten.

Wenn es um eine Positionieraufgabe geht, gehört besonders die Drehfedersteife oder Torsionssteife zu einem der wichtigsten Kriterien. Sie ist der Quotient aus Kupplungsdrehmoment und Verdrehwinkel, der durch die Drehmomentdifferenz der Wellen und die Rückstellkraft der Kupplung zwischen den Ein- und Ausgangsnaben erzeugt wird. Diese Eigenschaft lässt die Kupplung als Energiespeicher wirken.

Eine sehr große Drehfedersteife zeigt beispielsweise die Federscheibenkupplung mit Metallmembranen. Ein Drehmoment von 80 Ncm, dieses ist für den Betrieb mit einem Drehgeber bereits ein sehr großer Wert, verwindet die Kupplung um nur 0,315 Grad. Die Angaben entsprechen einer Drehfedersteife von 146 Nm/rad. Die Klauenkupplung mit einem elastischen Mittelteil von 92 shore Härte verwindet sich bei diesem Drehmoment bereits um 1,3 Grad, das entspricht einer Drehfedersteife von nur noch 35,3 Nm/rad. Wenn auch die Drehfedersteife ein sehr wichtiges Auswahlkriterium darstellt, so ist diese Angabe nur die halbe Wahrheit. Die andere Hälfte sind die Rückstellkräfte.

Unvermeidbare Wellenverlagerungen sind auszugleichen

Die Aufgabe von verdrehsteifen, jedoch biegeelastischen Wellenkupplungen besteht darin, unvermeidbare Wellenversätze auszugleichen, die durch Fertigungs- und Montagetoleranzen oder Temperatureinwirkungen entstehen. Desweiteren entstehen durch Lagerspiel und Spiel in den Zentrierungen Fluchtungsfehler zwischen zwei Wellen, die sich dann als Radial-, Angular- und Axialversatz bemerkbar machen. Axiale Wellenverlagerungen führen bei vielen drehsteifen Wellenkupplungen nur zu statischen Kräften. Hingegen bewirken radiale und winkelige Verlagerungen durch das biegeelastische Verhalten des Kupplungselementes mechanische Wechselbeanspruchungen. Die hierdurch entstehenden Kräfte ergeben die Messwerte für die Axial-, Radial- und Winkelfedersteife der Kupplung. Die Werte lassen sich rechnerisch aus dem Quotienten der Rückstellkraft und dem ausgelenkten Weg bzw. Winkel errechnen. Alternativ machen auch einige Anbieter über dasselbe Kupplungsverhalten die Angabe als axiale, radiale und angulare Rückstellkraft, die dann besagt, mit welcher Kraft die Kupplung bei einer entsprechenden Auslenkung „zurück drückt“. Eine Kupplung ist für die Anwendung umso vorteilhafter, je geringer die Rückstellkräfte sind, denn dann sind Lagerbelastungen klein und der Verschleiß geringer. Von besonderer Bedeutung ist die Radialfedersteife bzw. die radiale Rückstellkraft, weil diese die angrenzenden Lager, aber auch die Kupplung selbst beansprucht.

Große Drehfedersteife bei möglichst kleinen Rückstellkräften

In den meisten Anwendungsfällen wird die Wellenkupplung Bestandteil eines Regelkreises sein. Aus der Regelungstechnik weiß man, dass jeder Regelkreis mit mindestens zwei Energiespeichern ein schwingungsfähiges System bildet. Aus diesem Grund muss die Drehfedersteife der Wellenkupplung so groß sein, dass die Resonanzfrequenz außerhalb des Arbeitsbereiches des Regelkreises liegt. Ist dies nicht der Fall, dann kann der Regelkreis schwingen.

Abhängig von den unterschiedlichen Kupplungssystemen bewirkt die Vergrößerung der Drehfedersteife auch eine Erhöhung der Rückstellkräfte. Der Kompromiss dieser beiden vorgenannten sich widersprechenden technischen Forderungen muss deshalb lauten: Die Drehfedersteife muss so groß wie nötig sein und die Rückstellkräfte so klein wie möglich. Aufgrund physikalischer Gegebenheiten der verwendeten Werkstoffe und der Wirkungsweise unterschiedlichster Konstruktionsprinzipien drehsteifer Wellenkupplungen stellt jede Kupplung einen Kompromiss zu dieser Forderung dar.

Ein Universalrezept, welches den Anwender immer zu der richtigen Kupplung führt, kann kaum gegeben werden. Hierfür sind die Einsatzfälle noch vielschichtiger als das breit gefächerte Kupplungsprogramm der verschiedenen Anbieter. Doch eine Hilfe für die Auswahl der geeigneten Wellenkupplung kann der Fragenkatalog darstellen.

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