Metallbalgkupplungen Kupplungen mit Anwendervorteilen für Kleinstantriebe

Neben einzelnen Punkten wie beispielsweise immer wieder auftretende Versätze die zum Kupplungsdefekt führen, werden ebenfalls Schwingungen, Resonanzen und begrenzte Einbausitutationen mit Lösungsvorschlägen beschrieben.

Anbieter zum Thema

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

SCHMIDT-KUPPLUNG GmbH

ORBIT GmbH Antriebstechnik

R+W Antriebselemente GmbH

Der Druck, immer höhere Qualität zu immer niedrigeren Kosten zu produzieren, führt zu immer härterer Auslastung der Maschinen. Hochdynamische Servoachsen, hochpräzise NC- und Schrittmotorsysteme müssen exakt und vor allem zuverlässig arbeiten. Die Folge von Störungen oder Maschinenstillstandszeiten sind kaum noch zu kalkulieren.

Eine fortschreitende Miniaturisierung in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus fordert zum einen neue Lösungen und zum anderen einen hohen Spielraum für die Montage. Diesem Trend kommt R+W mit der Modellserie MK (Miniaturkupplungen) (Bild 1) nach. Diese Metallbalgkupplunegn kompensieren bei Montage hohe Versätze und stehen bereits ab 1 Ncm zur Verfügung.

Metallbalgkupplung gleicht Versatz aus

Der Versatzausgleich ist neben der Drehmomentübertragung eine wesentliche Funktion der Kupplung. Konstruktions- und montagebedingt entstehen bei nahezu allen Anwendungen Versätze zwischen der An- und Abtriebsseite. Ursache dafür sind zum einen Toleranzen in der Maßhaltigkeit der anzubindenden Bauteile und zum anderen auf den Antriebsstrang wirkende äußere Einflüsse wie beispielsweise Temperatur oder Witterungsverhältnisse. Generell unterscheidet man drei Versatzarten (Bild 2).

Die erste Versatzart sind die axialen Versätze. Dabei handelt es sich um Längenänderungen entlang der Längsachse von Antriebs- und Abtriebswelle, die meist aus metallischen Materialien, zum Beispiel Stahllegierungen, gefertigt werden. Jeder Werkstoff verfügt über einen spezifischen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der bestimmt, um wie viel sich das Material bei Temperaturänderung ausdehnt oder zusammenschrumpft.

Die temperaturbedingte Längenänderung der Wellen kann zwischen 0,1 und 1 mm liegen. Neben diesen durch äußere Einflüsse bedingten Axialversätzen können auch anwendungsspezifische axiale Versätze auftreten. Diese erreichen je nach Anwendung Maximalwerte von bis zu 10 mm.

TIPP: Für die Kupplung ist der axiale Versatz allerdings eher unkritisch, da über federnde Ausgleichselemente aus Metall (Metallbalg) oder Kunststoff (Elastomerkranz), die zwischen An- und Abtriebsnabe angeordnet sind, eine ausreichende Elastizität sichergestellt ist.

Zur zweiten Versatzart zählen die angularen Versätze (Winkelversätze). Diese Versatzart entsteht meist durch montagebedingte Versätze der beiden Wellen zueinander. In der Regel können mit Standardkupplungen Angularversätze von bis zu 2 Grad ausgeglichen werden.

TIPP: Müssen größere Versätze kompensiert werden, besteht die Möglichkeit, durch eine Veränderung der Wellenzahl (bei Metallbalgkupplungen) oder der Shorehärte (bei Elastomerkupplungen), die Größe des Ausgleichswinkels um ein Vielfaches zu erhöhen.

Im Gegensatz zum axialen bedeutet der angulare Versatz, bedingt durch die erhöhte Belastung des Ausgleichselements, eine deutliche Mehrbeanspruchung für die Kupplung.

Die stärkste Beanspruchung der Kupplung wird durch den lateralen Versatz hervorgerufen. Bei dieser Versatzart handelt es sich um eine parallele Verlagerung der beiden Wellen zueinander. Das Ausgleichselement, also Metallbalg oder Elastomerkranz, wird somit durch zwei entgegengesetzte Winkelverlagerungen belastet.

Neben der Belastung der Kupplung ergeben sich durch Rückstellkräfte hervorgerufene zusätzliche Beanspruchungen für Lager und andere Komponenten des Antriebsstrangs, die bei der Auslegung und Konstruktion ebenfalls mit berücksichtigt werden sollten. Kupplungen in Standardausführung können laterale Versätze von bis zu 0,35 mm. ausgleichen.

TIPP: Die Ausrichtung der An- und Abtriebsseite beeinflusst maßgeblich die Lebensdauer der Kupplung und des gesamten Antriebsstrangs. Bei Einhaltung der vom Hersteller angegebenen maximalen Versätze sind die eingesetzten Kupplungen lebensdauerfest und müssen keiner regelmäßigen Wartung unterzogen werden.

Metallbalg als Ausgleichselement

Speziell bei den Miniaturmetallbalgkupplungen ist die hohe Verdrehsteifigkeit bei gleichzeitiger Flexibilität und die exakte Übertragung des Winkels und des Drehmoments ein besonders wichtiges Kriterium. Diese beiden Eigenschaften werden durch den Einsatz eines Metallbalges, als Ausgleichs- und Übertragungselement, bei der Miniaturmetallbalgkupplung, erreicht. Der Metallbalg zeichnet sich durch seine hohe Torsionssteifigkeit, bei gleichzeitigem Ausgleich von angularen, axialen und lateralen Wellenversätzen, aus.

Um die technischen Eigenschaften der Kupplungen voll auszunutzen und maximale Wellenversätze ohne Übertragungsfehler ausgleichen zu können ist die genaue Montage der Kupplung ein nicht zu vernachlässigender Faktor. Jede einzelne Miniaturkupplung von R+W wird deshalb auf einem Monatgedorn montiert. Dadurch ist eine absolute konzentrizität der beiden Bohrungen zueinander und eine hohe Qualität gewährleistet.

Kupplungen die diese Parallelität nicht aufweisen geben radiale Kräfte an die anzubindenden Elemente ab (Bild 3).

TIPP: Wird eine solche nicht exakt montierte Kupplung z.B. an ein Encoder angebaut kann das zu Übertragungsfehlern der Position aufgrund der radial wirkenden Kraft, oder zu Lagererwärmung und damit zu Verschleiß führen.

Vielseitig und exakt verbinden

In der Automatisierungstechnik, in der immer mehr geregelte Antriebe integriert werden, haben sich Metallbalgkupplungen, als hochgenaues Verbindungselement, in Zusammenhang mit Impulsgebern, Potentiometern, Tachos und anderen Meßsystemen tausendfach bewährt. Kompakte Maschinenkonstruktionen mit wenig Einbauraum, oder schwer zugänglichen Stellen, bedürfen oftmals des Einsatzes steckbarer Kupplungen, die eine hohe Verdrehsteife und Übertragungsgenauigkeit gewährleisten.

Durch Ihre hohe Präzision und Fertigungsqualität sind die steckbaren Miniaturmetallbalgkupplungen mit radialen Madenschrauben oder Klemmnaben der Baureihe MK4 und MK5 (Bild 1), für genaueste Winkelübertragungen in Meß- Steuerungs- und Regelsystemen geeignet. Sie sind in der Lage axiale, laterale und angulare Versätze bei geringen Rückstellkräften auszugleichen.

Die meisten herkömmlich angebotenen steckbaren Kupplungen arbeiten unter elastischer Verspannung zweier Kupplungshälften. So sind hier z.B. Kreuzschieberkupplungen mit Kunststoffsegment, bekannt. Konstruktionsbedingt kann eine Spiel- und Verschleißfreiheit mit diesen Steckkupplungen nicht erreicht werden.

TIPP: Durch das steckbare Prinzip des Herstellers können voreingestellte Encoder einfach auf die bereits montierte Antriebseinheit aufgeschoben werden. Montagebohrungen an Zwischenflanschen entfallen und Montagezeiten werden verkürzt. Die spezielle Formengebung der Stecksegmente und Balgsegmente garantiert dem Anwender die absolute Spiel- und Wartungsfreiheit.

Resonanzen und Schwingungen mit Kupplungen dämpfen

Treten bei Kleinstantrieben Resonanzen oder Schwingungen auf, können diese meist durch den Einsatz dämpfender Kupplungen isoliert werden. Der Hersteller hat für solche Anwendungen die Baureihe der Elastomerkupplungen SERVOMAX (Bild 4) auch in den Miniaturbereich hin ausgeweitet.

TIPP: Eine Vielzahl von unterschiedlichen Härtegraden der Elastomerkränze (80 Sh A, 92 Sh A, 98 SH A und 64 SH D) ermöglicht einen individuell anpassbaren Dämpfungsgrad in der Maschineneinheit.

Frank Kronmüller, R+W Antriebelemente, Klingenberg

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