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Kupplung Torsionsschwingungen an Werkzeugmaschinen reduzieren

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Johannes Deister / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Torsionsschwingungen an Werkzeugmaschinen können sich negativ auf die Bearbeitung der Werkstücke auswirken. Wie sie reduziert werden können und welche Rolle die Auswahl der Wellenkupplung spielt, zeigen wir hier.

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Ungünstige Massen- und Steifigkeitsverteilungen im drehenden Strang von Maschinenbauteilen führen zu Torsionseigenfrequenzen, die die Oberflächenqualität der zu bearbeitenden Werkstücke vermindern können.
Ungünstige Massen- und Steifigkeitsverteilungen im drehenden Strang von Maschinenbauteilen führen zu Torsionseigenfrequenzen, die die Oberflächenqualität der zu bearbeitenden Werkstücke vermindern können.
(Bild: KTR)

Die im drehenden Strang vorhandenen Maschinenbauteile sind elastische und massenbehaftete Elemente. Ungünstige Massen- und Steifigkeitsverteilungen führen zu Torsionseigenfrequenzen im Betriebsbereich, die in Wechselwirkung mit den Regelkreisen verstärkt werden können. Bei negativen Rückwirkungen der kritischen Resonanzen wird die Oberflächenqualität der Werkstücke dabei extrem vermindert.

Zur Dämpfung dieser kritischen Resonanz sind prinzipiell zwei Wege möglich: der elektrische und der konstruktive. Bei der elektrischen Variante werden die Amplituden der Schwingung gedämpft, dadurch kommt es aber zu einer Phasenverzögerung, welche die Summer der kleinen Zeitkonstanten wesentlich erhöht und die Regelung dadurch verlangsamt. Eine Dynamikverbesserung kann bei derartigen Frequenzen nicht erreicht werden. Um die kritische Resonanz konstruktiv zu ändern, müssen Trägheitsmoment und Steifigkeit von An- und Abtriebsstrang berücksichtigt und aufeinander abgestimmt werden, da die Gesamtsteifigkeit der Positioniereinheit durch die Reihenschaltung der einzelnen Elemente gegeben ist. In dieser Anordnung wird die Steifigkeit allein durch das schwächste Glied in der Kette bestimmt – durch die Axialsteifigkeit der Kugelrollspindel. Eine zu hohe Drehfedersteifigkeit der Kupplung, zum Beispiel. bei Ganzmetallkupplungen, begünstigt Schwingungen, die die Drehzahlregeldynamik begrenzen. Zudem haben diese Kupplungen ein ungünstig hohes Trägheitsmoment.

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Kupplung mit möglichst geringem Trägheitsmoment

Um den Anforderungen an die Positioniereinheiten in Sachen Gleichlaufeigenschaft, Positioniergenauigkeit sowie statisches und dynamisches Verhalten gerecht zu werden, empfiehlt sich bei der Kupplungsauslegung zu beachten, dass das Trägheitsmoment der Kupplung möglichst gering ist. Dadurch benötigt der Motor beim Beschleunigungsvorgang weniger Moment, also Leistung. Zudem muss die Steifigkeit der Kupplung nur höher sein als die geringste Steifigkeit der Achse und sie sollte gute Dämpfungseigenschaften besitzen. Spielfreie Elastomerkupplungen erfüllen die geforderten Eigenschaften und bieten Vorteile beim Einsatz in lagegeregelten Servoantrieben.

Mit der Rotex GS bietet KTR ein Kupplungssystem, das sehr gute Ergebnisse an üblich ausgelegten Werkzeugmaschinenvorschubantrieben erzielt. Auch in anspruchsvollen Antrieben hat es sich als einfache und hochdynamische Lösung bewährt. Der Kupplungstyp zeichnet sich durch ein geringes Trägheitsmoment und eine angepasste Steifigkeit aus, die zwei- bis dreimal höher ist als die eines Riementriebes. Damit erreicht die Kupplung eine Entkopplung höherfrequenter und störender Eigenfrequenzen, zum Beispiel Spindeltorsion, und bewirkt ein gutes Regelverhalten des gesamten Systems. Drehsteifigkeit und Dämpfung der Kupplung lassen sich durch die Wahl aus fünf verschiedenen Zahnkranzhärten anpassen. Bei Ganzmetallkupplungen ist dies nur durch Veränderung ihrer Masse oder der Stegstruktur möglich.

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Kupplungsprinzip ermöglicht einfache Steckmontage

Das Kupplungsprinzip der Rotex GS ermöglicht eine einfache Steckmontage. Durch axiales Ineinanderschieben von An- und Abtriebsseite wird die Verbindung in einem geschlossenen Gehäuse geschaffen, ohne dass nachträglich Nabensicherungen durch eingeengte Gehäuseöffnungen vorgenommen werden müssen. Die verhältnismäßig große Zahnkranzbreite ermöglicht Axialverschiebungen mit Aufnahme von Winkel- und Radialverlagerungen infolge von Fertigungs- und Montageungenauigkeiten. Ein Nachjustieren, wie es üblicherweise bei einteiligen Kupplungen oft der Fall ist, ist nicht erforderlich, da je nach Kupplungsgröße eine Axialverlagerung von 1 mm bis 2 mm ohne Leistungsminderung und Standzeitverkürzung aufgenommen werden kann.

Ein weiterer Vorteil der spielfreien Servokupplung ist ihre Durchschlagsicherheit, die hinsichtlich der sicherheitsrelevanten Aspekte in Vertikalachsen von besonderer Bedeutung ist. Hierbei ist die Nockengeometrie der Kupplung so widerstandsfähig ausgelegt, dass selbst bei einem unerwarteten Verschleiß des Elastomers das Drehmoment formschlüssig übertragen wird. Je nach Gefährdungspotential des Antriebs und Auslegung der Kupplung, wird die Rotex GS in Aluminium oder in Stahl gefertigt. Ist auf der An- und Abtriebsseite keine Passfeder vorhanden, empfiehlt sich bei sicherheitsrelevanten Anwendungen die Kombination mit Spannringnaben, die als montagesicher bewertet werden, da ihre Verspannung auf der Welle mit vier Schrauben erzeugt wird. (sh)

* Dipl.-Ing. Johannes Deister ist Produktmanager bei der KTR Systems GmbH in Rheine

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