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Leichtbau Wie Hightech-Materialien bei Kupplungen bis zu 60% Gewicht sparen

Leicht bauen lautet die Devise bei Neukonstruktionen und Weiterentwicklungen nicht nur für Fahrzeuge und in der Luft- und Raumfahrt, sondern auch für Maschinen und Anlagen. R + W hat das für Sicherheitskupplungen intelligent umgesetzt.

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Die internationale Raumstation ISS ist eines der größten Technologieprojekte der Neuzeit. Um Muskelrückbildung zu vermeinden, trainieren die Astronauten auf der ISS täglich auf einem speziellen Trainingsgerät - eine Sicherheitskupplungen von R+W dient als Schutzfunktion.
Die internationale Raumstation ISS ist eines der größten Technologieprojekte der Neuzeit. Um Muskelrückbildung zu vermeinden, trainieren die Astronauten auf der ISS täglich auf einem speziellen Trainingsgerät - eine Sicherheitskupplungen von R+W dient als Schutzfunktion.
(Bild: R+W)

Geht es um den vernünftigen Umgang mit Energie und Ressourcen, ist für die Luft- und Raumfahrt, aber auch für die Fahrzeugindustrie schon länger klar: Ziel muss es sein, Massen zu reduzieren, um so Geschwindigkeit zu erhöhen oder Energie einzusparen. Das gilt aber ebenso für Produktionsmaschinen wie Industrieroboter, Werkzeugmaschinen oder handgeführte Maschinen: Auch hier kann eine Reduzierung der Masse Ressourcen schonen oder die Leistungsfähigkeit erhöhen.

Mit seinen Sicherheitskupplungen folgt auch R+W dem Trend im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau, immer höherer Qualität bei gleichbleibender Präzision zu immer niedrigeren Kosten zu produzieren. Auch der Leichtbau spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle: Geringere Massenträgheitsmomente durch die Wahl neuer Hightech-Werkstoffe in Kombination mit neuartigen Beschichtungen ergeben eine enorme Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Steigerung der Ausrückdrehmomente.

Die Industrie fordert leichte und kompakte Lösungen, die gleichzeitig hohen Ansprüchen an Robustheit und Leistungsstärke gerecht werden.

Frank Kronmüller, Geschäftsführer, R+W Antriebselemente GmbH

Konstruktion komplett überdacht

Die kompakte Kupplungsbaureihe SL von R+W arbeitet über das bewährte federvorgespannte Kugel-Rast-Prinzip absolut spielfrei. In Zusammenarbeit mit Universitäten haben die Entwickler des Kupplungsherstellers innerhalb von nur zwei Jahren die Baureihe von Grund auf überdacht. Dabei beschränkte sich R+W nicht allein auf Weiterentwicklung oder Optimierung, sondern entwarf, konstruierte und fertigte eine komplett neue Baureihe. Nur so konnte das Ziel, 50 % des Gewichts zu reduzieren, erreicht werden.

Gefertigt wird die Kupplungsbaureihe SL aus High-Tech-Materialien kombiniert mit einer einzigartigen Beschichtung. Dadurch sinkt das Gewicht um bis zu 60 % im Vergleich zur Standardbaureihe. Eine Kupplung für eine Drehmomentbegrenzung von bis zu 160 Nm hat nur ein Eigengewicht von 370 g und ein Massenträgheitsmoment von 0,8 × 10-3 kg m2.

Die Baureihe umfasst vier Baugrößen. Beginnend bei 10 Nm bis 700 Nm lassen sich Drehmomente sicher begrenzen. Neben der Materialwahl wurde die Gewichtsreduzierung darüber hinaus durch eine Komprimierung der einzelnen Bauteile erzielt – ohne Einfluss auf die Lebensdauerfestigkeit oder die Genauigkeit. Die Sicherheitskupplungen in Leichtbauweise der Serie SL können im Einsatz Taktzahlen von teilweise bis zu 10.000 Ausrastungen oder mehr realisieren. Der Einsatz neuer speziell für R+W entwickelter Tellerfedern in Kombination mit einer Weiterentwicklung des Kugel-Rast-Prinzips führt zu einer Drehmomenterhöhung von bis zu 40 %.

Ergänzendes zum Thema
Auf einen Blick: Die Vorteile von Leichtbaukonstruktionen
  • Energiesparende Prozesse
  • geringe Herstellkosten
  • weniger Materialeinsatz

Mehrwerte lassen sich besonders bei dynamischen Applikationen wie der Umsetzung größerer Beschleunigung bei zeitgleicher Erhöhung der Präzision generieren.

Zu den Anwendern der neuen Kupplungen gehört ein führender Hersteller von Flugzeugen und Luftfahrtgeräten, der nach einer Sicherheitskupplung für eine intelligente Hebevorrichtung in mobilen Kabinen für Transport und Servicearbeiten suchte. Die Zielvorgabe: Reduzierung der Massenträgheitsmomente bei kompakter Bauweise. Das Ausrückmoment sollte je nach Luftfahrzeugtyp zwischen 40 und 135 Nm mit einer maximalen Gesamtlänge von 30 mm und einem maximalen Gesamtgewicht von 200 g in einem Scherenhubtisch auf engstem Raum integriert werden. Das Unternehmen entschied sich für die Sicherheitskupplung in Leichtbauweise von R+W. Die Kupplung der SLP-Serie 30 wurde dabei weiteren Kundenanforderungen angepasst: mit Überlastschutz in abgedichteter Ausführung, geschützt vor flüssigen Medien und Schmutz, einsetzbar bei jeder Witterung.

Eigengewicht nur noch 200 g

Auch in dieser Anwendung konnte der Einsatz von Hightech-Materialien das Gewicht um bis zu 60 % reduzieren. So hat zum Beispiel die SLP 30 bei einer Drehmomentbegrenzung von bis zu 135 Nm, nur noch ein Eigengewicht von 200 g und ein Massenträgheitsmoment von 0,1 × 10-3 kg m2. Aufgrund der speziellen Verzahnung von Grundkörper und Anbau­flansch reagiert die Sicherheitskupplung im Millisekundenbereich mit einer Wiederholgenauigkeit von ± 5 %.

Industriekupplung für E-Autos

Auch wer ein Elektroauto fährt, kann in Situationen kommen, die zu einer Vollbremsung zwingen. Die Bremsenergie, die dabei freigesetzt wird, bringt allerdings ein hohes Moment auf das Getriebe – höher als es verkraften würde. Für dessen Schutz sorgt daher eine Sicherheitskupplung.

Mechanisch schaltende Sicherheitskupplungen schützen eigentlich Anlagen und Maschinen im Falle einer Kollision oder Fehlbedienung. Doch die Kupplungen können mehr – mit Anpassungen lassen sie sich auch in Elektrofahrzeugen einsetzen. Für ein Pilotprojekt haben die Ingenieure von R+W auch für diese Anwendung eine mechanische Sicherheitskupplung entwickelt. Sie befindet sich zwischen den beiden Antriebswellen am Getriebe und den Bremsen. Bei einer Voll­bremsung wird die entstehende Kraft unterschiedlich an die Bremsen verteilt. Da die Bremsenergie ein höheres Moment aufbringt als das Getriebe zulässt, muss das Getriebe vor dem Rückmoment der Bremsen geschützt werden.

Die Vorgabe des Auftraggebers war es, eine mechanische Sicherheitskupplung mit einem Maximalgewicht von 1,5 kg für eine Überlast von mehr als 600 Nm bei 1100 min-1 zu entwickeln. Dies konnte durch die TÜV-zertifizierte Modellreihe SLN der Serie 300 realisiert werden. Sie trennt die An- und Abtriebsseite im Millisekundenbereich. Dabei arbeitet die Sicherheitskupplung so, dass die Spielfreiheit gewährleistet wird. Die Baureihe SL wird aus – für die Kupplungstechnik neuen – Legierungen in Kombination mit Beschichtungen gefertigt. Eine Kupplung für eine Drehmomentbegrenzung von 600 Nm, wie sie im E-Fahrzeug eingesetzt werden könnte, hat ein Eigengewicht von 1,5 kg und ein Massenträgheitsmoment von 3 × 10 kg m2.

Die Gewichtsreduzierung erreichten die Entwickler auch hier neben der Materialwahl durch eine Komprimierung der einzelnen Bauteile, ohne die Lebensdauerfestigkeit oder die Genauigkeit negativ zu beeinflussen. Diese Sicherheitskupplungen in Leichtbauweise können im Einsatz Taktzahlen von teilweise bis zu 10.000 Ausrastungen oder mehr realisieren.

Der Einsatz von eigens für R+W entwickelten Tellerfedern – sie haben eine spezielle Kennlinie – in Kombination mit einer Optimierung des Kugelrastmechanismus führte zu einer Drehmomenterhöhung von bis zu 50 %, einer genauen Drehmomentbegrenzung und kurzen Schaltzeiten.

Anwendertreff mechatronische Antriebstechnik

Im Fokus des Anwendertreffs mechatronische Antriebstechnik stehen die mechanischen Komponenten Getriebe, Kupplungen und Bremsen sowie deren Auslegung, Dimensionierung und Zusammenspiel im mechatronischen Gesamtsystem.

Mehr Infos

Verschleiß minimiert

Erst nach Überschreiten des eingestellten Ausrückmomentes kommt Bewegung in die Kupplung. Die Kugeln verlassen ihre konischen Ansenkungen und der Drehmomentfluss wird unterbrochen. Die Federkraft verringert sich gegen Null. Hin- und hergehende Bewegungen der Kugel in ihren Ansenkungen im Grenzbereich des eingestellten Ausrückmomentes sind nicht möglich. Ein Kupplungsverschleiß im Betrieb unterhalb des Ausrückmomentes wird so vermieden. Die verringerte Federkraft beim Schaltvorgang und der leichte Schaltring reduzieren die Kräfte und den Verschleiß beim Schaltvorgang auf ein Minimum.

Die internationale Raumstation ISS ist eines der größten Technologieprojekte der Neuzeit. Seit dem Jahr 2000 forschen zwischen zwei und drei Astronauten an zentralen Themen wie beispielsweise Biowissenschaften oder Materialwissenschaften. Deutsche Wissenschaftler untersuchen speziell das menschliche Gleichgewichtsystem, die Grundlagenphysik (Plasmaforschung) und strahlenbiologischen Fragen.

Die Rückbildung der Knochen und Muskeln der Astronauten während des bis zu 6-monatigen Aufenthalts ist eine bekannte Tatsache, denn unter der Schwerelosigkeit verändert sich der menschliche Körper. Die Raumfahrtmediziner wissen auch, dass bei längerem Aufenthalt im Weltraum die Abwehr gegen Infektionen sinkt, dass sich der Zuckerhaushalt verändert und dass sich Knochen und Muskeln aufgrund der geringeren Beanspruchung zurückbilden.

Sicher trainieren auf der ISS

Um die Muskelrückbildung zu vermeiden wurde ein spezielles Trainingsgerät von der ESA und OHB System entwickelt. Ähnlich einer Ruderbank können mit dessen Hilfe spezielle Muskelpartien der Astronauten trainiert werden. Eine spezielle Ausführung der R+W-Sicherheitskupplung SK1 aus Edelstahl in gewichtsoptimierter und abgedichteter Ausführung dient als Schutzfunktion in diesem Trainingsgerät. Als Überlasteinheit in winkelsynchroner Ausführung wird bei zu großer Krafteinleitung des Astronauten die sensible Belastungseinheit geschützt. Die Wiedereinrastung nach 360° ermöglicht die positionsgenaue Wiederverfügbarkeit der Ruderbank. Nach einer 15-tägigen Flugzeit wurde das wartungsfreie Trainingsgerät in der Raumstation fest integriert und dient seither der jeweiligen Besatzung zum Muskelaufbau.

Der Aufbau der speziellen Sicherheitskupplung weicht von der Standardkonstruktion in vielen Bereichen der Kupplung ab. Die Forderung nach einem vor allem „leichten“ und speziell abgedichteten Sicherheitsbauteil erfüllte der Kupplungshersteller mit Hilfe von Gewichtsreduzierung der bestehenden Sicherheitskupplungsbaureihe und der bereits langjährigen Erfahrungen im Bereich von Vakuumanwendungen.

Entscheidend für die Reduzierung des Gewichts waren die Auswahl spezieller Werkstoffe und die Komprimierung der verwendeten Komponenten – selbstverständlich ohne Einfluss auf Lebensdauerfestigkeit oder Genauigkeit.

Sonderabdichtung vermeidet den Austritt von Fett

Überlastbauteile, die auf dem Kugel-Rast-Prinzip aufgebaut sind benötigen ein Gleit- bzw. Schmiermittel. Dies verhindert im Dauereinsatz eine Korrosion der Bauteile bzw. im Überlastfall (Ausrastung der Kupplung) eine zu starke Beanspruchung der Komponenten. Durch die Restreibung der Tellerfeder entsteht in der Kupplung bei wiederholten Ausrastvorgängen eine Erwärmung die zu einer niedrigeren Viskosität des Fettes führt. Überflüssiges Fett bzw. Schmiermittel tritt aus.

Exakt dieses Verhalten musste bei der Sicherheitskupplung im Weltall vermieden werden. Sonderabdichtungen an allen Bauteilen und Komponenten der Kupplung inkl. ein verlängerter Schaltring dichten in der Kupplung das Fett hermetisch ab. Der eventuelle Austritt des überflüssigen Fettes bei wiederholtem Ausrasten wird somit vermieden.

Weiterhin fordert die ESA, dass alle eingesetzten Materialien eine Freigabe für Raumfahrtindustrie besitzen. Vor allem im Bereich der stark beanspruchten mechanischen Bauteile mussten die Komponenten der Sicherheitskupplung vorab getestet werden. Nach dem die erfolgreiche TÜV-Prüfung der R+W-Sicherheitskupplungen für Standardanwendungen durchgeführt wurde, fand eine interne Prüfung nach ähnlichen Kriterien statt. Eine abschließende Dokumentation bzw. Auflistung aller Komponenten erfüllten die hohen Anforderungen der Raumfahrtindustrie. R+W entwickelt, konstruiert und fertigt Sicherheitsbauteile somit nicht nur „für“ die Raumfahrtindustrie sondern für einen „reellen“ Einsatz im Weltall. Dies zeigt das Know-how und die Professionalität des Herstellers für nicht alltägliche Anforderungen.

Die Summe der Veränderungen des Kugel-Rast-Prinzips und der Einsatz neuer Materialien ermöglichte es R+W die Baureihe spielfreier Sicherheitskupplungen Torqlight SL zu entwickeln. Damit steht eine leichte, kompakte Sicherheitskupplung mit hoher Leistungsdichte zur Verfügung. (ud)

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