Kupplung Resonanzen vermeiden – Kupplung mit variabler Steifigkeit entwickelt

Eine neuartige Wellenkupplung ermöglicht durch gezieltes Einstellen der Steifigkeit einen sanften Anlauf und ein drehschwingungsoptimiertes Verhalten von Antriebssträngen.

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SCHMIDT-KUPPLUNG GmbH

WITTENSTEIN SE

ORBIT GmbH Antriebstechnik

RINGFEDER POWER TRANSMISSION GMBH

Das reale dynamische Verhalten eines Antriebsstrangs kann mathematisch durch eine Verkettung von Massenträgheitsmomenten, Dämpfungen und Steifigkeiten nachgebildet werden. Beim Einsatz von Verbrennungskraftmaschinen wie den oft verwendeten Dieselmotoren, kommt es zu dynamischen Anregungen im Antriebsstrang. Diese wirken sich durch Drehschwingungen aus und sind bedingt durch die periodische Anregung der Gas- und Massenkräfte. Bei welchen Frequenzen, also Drehzahlen, die Störungen auftreten, ist abhängig von den Steifigkeiten und den Massenträgheitsmomenten des gesamten Antriebsstranges. Die Lage der niedrigsten Eigenfrequenz wird dabei durch die geringste Steifigkeit – somit signifikant von der verwendeten Kupplung – und der Verteilung der Massenträgheitsmomente der rotierenden Bauteile bestimmt. Wenn Anregungsfrequenz und Eigenfrequenz zusammentreffen, treten unvermeidbare Resonanzdrehzahlen auf. Durch die gezielte Einstellung der Massenträgheitsmomente und der Kupplungssteifigkeit können diese aus dem Betriebsdrehzahlbereich in unkritische Bereiche verschoben werden.

Flanschkupplung

Robuste Verbindungen für den Anlagenbau

Sanfter Anlauf und drehschwingungsoptimiertes Laufverhalten

Die Ingenieure der Ringfeder Power Transmission stolperten immer wieder über die Problematik, Kupplungen für Antriebsstränge nicht so auswählen zu können, dass sie zum Drehschwingungsverhalten des Kundensystems passten. Häufig mussten Kompromisse eingegangen werden, denen eine aufwändige Auslegung voranging. Aus dieser Beobachtung wurde die Idee geboren eine Kupplung zu entwickeln, bei der die Steifigkeit in weiten Bereichen einstellbar ist. Als entscheidende Idee präsentierte sich der Ansatz, die elastischen Elemente seriell anzuordnen und die daraus entstehende Variabilität zu nutzen. Im Gegensatz zu üblichen drehelastischen Wellenkupplungen, ermöglicht die neuartige, nichtschaltbare Tschan TNR durch das Einstellen der Steifigkeit einen sanfteren Anlauf und ein drehschwingungsoptimiertes Laufverhalten.

Die Besonderheit der neuen Wellenkupplung ist, dass die Kennwerte der Kupplung bei gleichbleibenden äußeren Abmessungen in einer großen Bandbreite verändert werden können. Durch die räumliche Trennung und die damit verbundene Reihenschaltung elastischer Puffer wird die Kupplung einstellbar. Nötig ist dafür lediglich die geschickte Kombination der zur Verfügung stehenden Elastomere auf einer inneren und einer äußeren Pufferebene. Kompromisse bei der Abstimmung des Drehschwingungsverhaltens gehören damit der Vergangenheit an. Durch Einsatz der Tschan TNR lassen sich die Eigenschaften der Kupplungen dynamisch mit geringem Aufwand verändern und die Steifigkeit einfach und optimal auf den Antriebsstrang abstimmen.

Erste Prototypen, Simulationen und umfangreiche Tests

Bei der Entwicklung betrachtete man zunächst die gegebenen Problemstellungen bei der Abstimmung von Antriebssträngen. Aus den Erkenntnissen entwickelten die Ingenieure einen Konzeptentwurf und erste Prototypen, die auf dem eigenen dynamischen Prüfstand auf Herz und Nieren getestet wurden. Beeindruckt von den ersten Ergebnissen, genehmigte die Geschäftsführung die kostenintensive weitere Entwicklung. Detailkonstruktionen und Simulationen wurden erstellt. weitere Tests auf dem Verspannprüfstand der Universität Bayreuth durchgeführt. Nach der Auskonstruktion mussten noch die mathematischen Zusammenhänge zwischen den einzelnen Ebenen und den darauf zum Einsatz kommenden Elastomeren genau hergeleitet und durch weitere Versuche Nachweise für die Richtigkeit der Berechnungen erbracht werden. (qui)

Hannover Messe 2015: Halle 25, Stand D23

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