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die bibliothek der technik 312

Sicherheits- und Überlastkupplungen

Spielfreie drehmomentbegrenzung im allgemeinen Maschinenbau

r+W Antriebselemente

verlAgModerneinduStrie

verlag moderne industrie

Die Bibliothek der Technik Band 312

Sicherheits- und Überlastkupplungen

Spielfreie Drehmomentbegrenzung im allgemeinen Maschinenbau

Tobias Wolf, Philipp Bergmann, Andreas Rimpel, Michael Wöber

Dieses Buch wurde mit fachlicher Unterstützung der R+W Antriebselemente GmbH erarbeitet.

2., aktualisierte und erweiterte Auflage

© 2014 Alle Rechte beiSüddeutscher Verlag onpact GmbH, 81677 Münchenwww.sv-onpact.deAbbildungen: R+W Antriebselemente GmbH, Klingenberg Satz: JournalMedia GmbH, 85540 München-HaarDruck und Bindung: Sellier Druck GmbH, 85354 FreisingPrinted in Germany 236067ISBN 978-3-86236-067-3(ISBN 978-3-937889-75-7 Erstausgabe,erschienen bei Süddeutscher Verlag onpact GmbH)

InhaltSicherheitskupp lungen im Zeitalter der Elektronik 4

Funktionsprinzipien von Sicherheits kupplungen 7

Federvorgespannte Kugel-Rast-Kupplungen .......................................... 8Federvorgespannte Kugel-Rast-Modul-Kupplungen .............................. 16Federvorgespannte Rutsch kupplungen ................................................... 21Magnetische Dauerschlupf kupplungen ................................................... 24Pneumatische und elektro magnetische Kupplungen............................... 26

Anwendungsgebiete 30

Indirekte Antriebe ................................................................................... 30Direkte Antriebe ...................................................................................... 33

Auswahlkriterien und Eigenschaften 38

Auslegungsverfahren .............................................................................. 41Verhalten und Charakteristik ................................................................... 49Automatische Wiedereinrastung ............................................................. 52Freischaltende Ausführung ..................................................................... 59

Sicherheitskupplungstypen 64

Starre Sicherheitskupplungen ................................................................. 64Torsionssteife Sicherheits kupplungen..................................................... 66Schwingungsdämpfende Sicherheitskupplungen .................................... 74Low-Cost-Sicherheitskupplungen ........................................................... 77Sicherheitsgelenkwellen ......................................................................... 80

Zusatzkomponenten 82

Mechanische und induktive Sensoren ..................................................... 82Werkzeuge zum Einstellen des Ausrast drehmoments ............................ 83Schaltscheibe ........................................................................................... 89Ein- und Ausrastvorrichtung ................................................................... 89

Ausblick 91

Der Partner dieses Buches 95

Sicherheitskupp lungen im Zeitalter der Elektronik 54

Sicherheitskupp-lungen im Zeitalter der ElektronikAnalysiert man den heutigen Markt der Si-cherheitskomponenten für den Anlagen- und Maschinenbau, so stellt man fest, dass neben mechanischen Sicherheitskomponenten eine Vielzahl anderer Sicherheitselemente aus dem Bereich der Elektronik und der Steuerungs-technik angeboten wird. Diese reichen vom stromabhängigen Überlastschutz über Span-nungs- und Leistungsüberwachungsbauteile bis hin zu Drehmomentmessgeräten. Insbeson-dere aufgrund der permanenten Weiter- und Neuentwicklungen im Bereich der Sensortech-nik sowie der Leistungselektronik werden heute mechanische Sicherheitskomponenten in Bezug auf ihre Leistungsfähigkeit zumindest teilweise in Frage gestellt.Bei einer Bewertung beider Funktionsprinzi-pien muss jedoch in Betracht gezogen werden, dass elektronische Sicherheitskomponenten im Vergleich zu mechanischen zwei gravierende Nachteile aufweisen. Der erste Nachteil be-trifft die Reaktionszeit. Tritt beispielsweise in-nerhalb einer Maschine eine Überlast in Folge einer Blockade auf, erreicht das Signal des Überwachungskreises erst nach einem starken Drehmomentanstieg nach ca. fünf bis sieben Millisekunden die Motorsteuerung. In dieser Zeitspanne versucht die Steuerung das Dreh-moment weiter zu erhöhen, um den Sollwert zu erreichen. Danach dauert es im optimalen Fall weitere zehn Millisekunden, bis der Mo-tor abschaltet. Zusätzliche Verzögerungen können durch die verhältnismäßig großen Massenträgheitsmomente im Antriebsstrang

Sicherheits- konzepte

Nachteil: Reaktionszeit

auftreten. Im Vergleich dazu trennt die mecha-nische Sicherheitskupplung (Abb. 1) innerhalb einer Zeitspanne von drei bis maximal fünf Millisekunden An- und Abtriebsseite komplett voneinander. Eine herkömmliche mechanische Sicherheitskupplung benötigt also nur ein Drittel der Abschaltzeit, die eine elektronische Abschaltung beansprucht. Die zehn bis 15 Millisekunden Zeitunterschied können aller-dings entscheidend sein, um mögliche Maschi-nen- und Werkzeugschäden zu verhindern. Weiterhin ist die elektronische Bauteilüberwa-chung für hohe Drehzahlen aufgrund der stark rotierenden Schwungmassen nicht geeignet.Der zweite Nachteil betrifft die Zahl mögli-cher Fehlerquellen. Anlagen, die mit elektro-nischen Überwachungssystemen ausgestattet sind, erfordern meist mehrere Sensoren, um

Nachteil: Fehlerquellen

Abb. 1:TÜV-geprüfte mechanische Sicherheitskupplung

6 Sicherheitskupp lungen im Zeitalter der Elektronik 7

einen optimalen Schutz zu gewährleisten. Des-halb werden neben den Sensoren für die Motor-überwachung zusätzlich Drehmomentmessge-räte an wichtigen Positionen innerhalb der An-lage angebracht. Dieser Aufbau von Sicher-heitsschleifen birgt mögliche Fehlerquellen, da dazu mehrere verschiedene Komponenten be-nötigt werden.Der Vorteil einer mechanisch schaltenden Si-cherheitskupplung besteht darin, dass in der gesamten Anlage nur eine einzige Sicherheits-komponente pro Achse benötigt wird. Somit muss auch nur diese überwacht werden. Die Kupplung bewirkt bei Überlast eine Zwangs-trennung der An- und Abtriebsseite im Milli-sekundenbereich, die unter allen Bedingungen störungsfrei erfolgt und selbst im »worst case« nicht versagt. Ein weiterer Vorteil besteht in der einfachen Handhabung und problemlosen Verstellmög-lichkeit der Sicherheitskupplung. Treten bei-spielsweise Beschleunigungszyklen oder Mas-senträgheitsmomente im gesamten Antriebs-strang auf, für die die Kupplung im Bereich des Drehmoments zu klein dimensioniert wurde, kann das Ausrastmoment über den gro-ßen Einstellbereich problemlos nachgestellt werden. Letztendlich kann die Kupplung an der Stelle im Antriebsstrang platziert werden, an der die Wahrscheinlichkeit einer Überlast am größten ist (zum Beispiel direkt an der Kugelrollspindel).

Vorteil: nur eine Sicherheits-komponente

Vorteil: Handhabung

Funktionsprinzipien von Sicherheits-kupplungenSicherheitskupplungen, auch Überlastkupp-lungen genannt, sind meistens spiel-, ver-schleiß- und wartungsfrei arbeitende mecha-nische Verbindungselemente, die zum Schutz in Maschinen und Anlagen eingesetzt wer-den (Abb. 2). Die Funktionsprinzipien dieser Sicherheitselemente unterscheiden sich zwar je nach Kupplungshersteller, Ziel und Zweck der Kupplung sind jedoch bei allen Varianten gleich: Sie sollen eine sichere, schnelle und zuverlässige Zwangstrennung zwischen der An- und Abtriebsseite der Anlage oder der Maschine gewährleisten.In den Folgeabschnitten werden zunächst die fünf am häufigsten genutzten Funktionsprinzi-pien für Sicherheitskupplungen erläutert. Ab

Abb. 2:Einbausituation einer Sicherheits-kupplung

8 Funktionsprinzipien von Sicherheits kupplungen Federvorgespannte Kugel-Rast-Kupplungen 9

dem Kapitel »Anwendungsgebiete« (siehe S. 30 ff.) geht es in diesem Buch um Sicher-heitskupplungen nach dem federvorgespann-ten Kugel-Rast-Prinzip, da diese heute im all-gemeinen Maschinen- und Anlagenbau am häufigsten eingesetzt und in Neukonstruktio-nen von vornherein mit eingebunden werden.

Federvorgespannte Kugel-Rast-KupplungenSicherheitskupplungen, die nach dem Prinzip des federvorgespannten Kugel-Rast-Verfah-rens arbeiten, kommen vor allem in Anlagen zum Einsatz, in denen sie als absolute Not-Stopp-Elemente fungieren. Sie zeichnen sich durch eine hohe Steifigkeit der Bauteile und durch Spielfreiheit aus und gewährleisten so-mit einen dauerhaften Betrieb über die Ge-samtlebensdauer einer Anlage. Aufgrund des Funktionsprinzips lässt sich das zulässige ma-ximale Drehmoment sehr genau einstellen und somit ein optimaler Ausnutzungsgrad der ge-samten Maschine erreichen.Der Aufbau des kompletten Sicherheitsseg-ments besteht aus insgesamt neun einzelnen Bauteilen (Abb. 3). Der Grundkörper (Bauteil 1) dient einerseits als Verbindungselement zur Antriebsseite und andererseits als Stützkörper bzw. Gerüst für alle weiteren Bauteile. Er be-steht aus Stahl, der an der Oberfläche zusätz-lich durch ein Härteverfahren (Nitrocarburie-ren) veredelt wird, um den Körper selbst bei starker Beanspruchung vor Verschleiß zu schützen. Die Standzeit der Kupplung (Aus-rastzyklen) kann optional durch eine Zwei-fachhärtung nochmals erhöht werden. Auf dem Grundkörper sitzt die Einstellmutter (Bauteil 2). Mittels dieser Mutter, die über ein Feingewinde verfügt, wird eine exakt definierte axiale Kraft auf die Tellerfeder (Bauteil 3)

Funktion als Not-Stopp- Elemente

Neunteiliger Aufbau

aufgebracht. Die Einstellmutter weist neben dem Innengewinde sechs weitere Kernlöcher auf. Die ersten drei Kernlöcher mit Gewinde (3× metrisch) sichern die Einstellmutter nach dem Justieren des Ausrastdrehmoments gegen Verdrehung. Die zweiten drei Kernlöcher (3× Sackbohrung) dienen zur leichteren Justie-rung der Einstellmutter. Das Drehen der Ein-stellmutter erfolgt über einen handelsüblichen Gelenkhakenschlüssel (Abb. 4), mit dem das Ausrastdrehmoment innerhalb des Einstellbe-reichs einfach, aber gleichzeitig sehr präzise verändert werden kann. Eine in radialer Rich-tung angebrachte Gravierung auf der Einstell-mutter zeigt den möglichen Einstellbereich an. Optional kann die Einstellmutter mit einer zu-sätzlichen Klemmung ausgeführt werden. Bei dieser Ausführung entfallen die drei Schrau-

Sechs Kernlöcher

1

9

8

3

2

4

5

7

6

Abb. 3:Schnittbild einer spielfreien auf dem Kugel-Rast-Prinzip basierenden Sicher-heitskupplung1 Grundkörper2 Einstellmutter3 Tellerfeder4 Schaltring5 Kugeln6 Lagerkugeln7 Anbauflansch8 Lagerring9 Konus oder

Klemmnabe


ben zur Sicherung der Mutter gegen Verdre-hen. Somit bleibt der Wert des Ausrastdreh-moments auch bei mehrmaligem Ausrasten gleich und erfordert keine Kontrolle der Ein-stellmutter vor Wiederinbetriebnahme der Kupplung.Nach heutigem Stand der Technik ausgeführte Sicherheitskupplungen sind mit speziellen Hochleistungstellerfedern ausgerüstet, die in-nerhalb eines großen Temperaturbereichs (–30 bis +120 °C) eingesetzt werden können und über exakte Federkennlinien verfügen. Die meisten Tellerfedern haben zwei Kennlinien. Wird die gesamte Kennlinie einer Tellerfeder in einem Diagramm aufgetragen, so bezeich-net man den aufsteigenden Ast als progressive, den abfallenden Ast als degressive Kennlinie. Je nach Prägung (Formgebung) der Tellerfeder und der axialen Druckbeanspruchung kann eine der beiden Kennlinien genutzt werden. Da die degressive Kennlinie einer Feder einen größeren linearen Bereich aufweist als die pro-gressive Kennlinie, wird diese genutzt. Im de-gressiven Bereich verändert sich die Feder-kraft im Verhältnis zum Federweg proportio-nal. Das proportionale Verhältnis beider Grö-ßen ist in Kombination mit dem Feingewinde der Einstellmutter optimal für präzise Sicher-heitskupplungen. Die degressive Kennlinie ar-beitet exakt gegen die progressive Kennlinie,

Zwei Kennlinien

die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Tel-lerfedern unter zunehmender axialer Druck-belastung eine stetig wachsende Gegenkraft erzeugen. Je weiter also die Tellerfeder ge-staucht wird, desto höher werden die für die Stauchung benötigten Kräfte. In Sicherheits-kupplungen eingesetzte mit degressiver Kenn-linie arbeitende Tellerfedern kehren dieses Prinzip dagegen um. Je mehr die Tellerfeder zusammengedrückt wird, desto geringer wer-den die Gegenkräfte. Diese umgekehrt propor-tionale Beziehung bedeutet, dass die maximale Federkraft bzw. das maximale Ausrastdreh-moment bereits bei geringstmöglicher axialer Druckbeanspruchung der Feder auftritt. In der Praxis dreht der Anwender von Sicherheits-kupplungen nach dem Lösen der Fixierschrau-ben die Einstellmutter gegen den Uhrzeiger-sinn, um die Druckbelastung auf die Feder zu verringern und somit gemäß der zuvor beschriebenen Beziehung das Ausrastdreh-moment der Kupplung zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil der degressiven Kennlinie ist die sehr geringe Restreibung bei Ausrastung der Kupp-

Prinzip der degressiven Kennlinie

Geringe Restreibung

max.

min.

Abb. 4:Einstellen des Aus-rastdrehmoments mithilfe eines Ge-lenkhakenschlüssels. Die Gravierung auf der Einstellmutter zeigt den Einstell-bereich an.

TKN max

Federweg

ProgressiveKennlinie

SchaltwegDegressiveKennlinie

Fed

erkr

aft

TKN min

Abb. 5:Kennlinie für in Sicherheitskupp-lungen eingesetzte Hochleistungs-tellerfedern TKNmax Maximales Ausrastdrehmoment der Kupplung TKNmin Minimales Ausrastdrehmoment der Kupplung


lung (maximal gedrückte Tellerfeder hat na-hezu keine Höhe und verfügt somit nur über eine geringe axiale Federkraft). Der Verschleiß an den mechanisch beanspruchten Komponen-ten ist dadurch sehr gering und die Schaltge-schwindigkeit im abfallenden Ast durch die Abnahme der Federkraft wesentlich höher. Dies führt zu einer hohen Standzeit der Kupplung.Abbildung 5 zeigt das umgekehrt proportio-nale Verhältnis zwischen Federkraft und Fe-derweg im degressiven Bereich der Kennlinie. Der Federweg im unteren Drittel der Kennlinie wird als Schaltweg genutzt. Dieser Schaltweg wird über den Schaltring (Bauteil 4), der in kostengünstigen Sicherheitskupplungen häufig nicht zu finden ist, nach außen an den Nähe-rungsschalter oder die Überwachungseinheit signalisiert. Um die Überwachung realisieren zu können, ist ein bestimmter Schaltweg nötig. Auch für den Rastvorgang an sich wird ein mi-nimaler Schaltweg benötigt. Da der Federweg der verwendeten Tellerfedern größer sein muss als der gewünschte Schaltweg, ist der Einsatz von kleinen Tellerfedern problematisch. Je kleiner deren Abmessungen sind, umso gerin-ger fällt der Federweg aus. Ausrastmomente unter 0,1 Nm lassen sich daher mit Teller-federn kaum umsetzen.Zur Verwirklichung von Sicherheitskupplun-gen für diese kleinsten Bereiche werden spezi-elle Spiralfedern eingesetzt (Abb. 6). Diese bieten einen größeren, mit Näherungs- oder Endschalter überwachbaren Schaltweg. Da de-ren Kennlinie wie die Kennlinie von Tellerfe-dern linear verläuft, können auch Kupplungen mit Spiralfedern sehr genau eingestellt wer-den. Der rein progressive Kraftverlauf dieser Federn sorgt dafür, dass die Einstellmutter im Uhrzeigersinn gedreht werden muss, um das Ausrastmoment einer Kupplung zu erhöhen. Die Federkraft steigt durch das Ausrasten der

Unteres Drittel als Schaltweg

Einsatz von Spiralfedern

Progressiver Kennlinien- verlauf

Kupplung an und bleibt bis zu deren Wieder-einrasten hoch. Das ist auch der Grund für den Einsatz von Spiralfedern ausschließlich bei niedrigen Ausrastmomenten. Für höhere Aus-rastmomente würde der progressive Kennlini-enverlauf eine zu hohe Restreibung nach dem Ausrasten der Kupplung bedeuten. Durch den Einsatz bei niedrigen Drehmomenten und die Verwendung von Spiralfedern mit einer flach steigenden Kennlinie kann die Restreibung trotz der progressiven Charakteristik vernach-lässigbar klein gehalten werden. So werden überwachbare Sicherheitskupplungen mit Aus-rastdrehmomenten im hundertstel Newton-meter-Bereich realisiert.Die Kugeln (Bauteil 5) und Lagerkugeln (Bau-teil 6) bestehen aus Edel- oder Werkzeugstahl und laufen während des Ausrastvorgangs exakt mit gleicher Umlaufgeschwindigkeit (Abb. 7). Werden hingegen Rollen als Läufer verwen-

Für niedrige Ausrast- momente

Abb. 6:Miniatursicherheits-kupplung mit Spiral-feder für Ausrast-drehmomente unter 0,1 Nm

Abb. 7:3D-Darstellung der Kugeln und der Führung von Sicher-heitskupplungen mit gleicher Umlauf-geschwindigkeit


det, treten verschiedene Umlaufgeschwindig-keiten in den jeweiligen Bauteilen auf. Da Grundkörper und Anbauflansch in separaten Fräsvorgängen hergestellt werden, ist aufgrund von Fertigungstoleranzen kein exakter Sitz der Rollen möglich. Beide Faktoren erhöhen den Verschleiß im Vergleich zur Kugelversion und verringern zum einen die Standzeit und zum anderen die Systemsteifigkeit der Kupplung.Die Kugeln werden in Kernbohrungen im Grundkörper geführt. Üben die Tellerfedern ei-nen axialen Druck auf den Schaltring aus, wer-den die darunter liegenden Kugeln in die Ka-lotten (Sackbohrungen) des Anbauflanschs (Bauteil 7) gepresst. Da die Kupplungen spiel-frei arbeiten müssen, weisen die Kalotten ein spezielles Bohrbild auf. Zwei unterschiedlich große Winkel in der Kalotte sorgen für eine Verspannung der zwei nebeneinander sitzenden Kugeln (Abb. 8). Im Überlastfall ist die anlie-gende Federkraft nicht ausreichend groß, um die Kugeln in den Kalotten zu fixieren. Sie ver-lassen die Kalotte und laufen aufgrund der

Kalotten mit speziellem Bohrbild

Kernbohrungen im Grundkörper auf einer defi-nierten Umlaufbahn. In diesem Fall ist der An-bauflansch vom Grundkörper getrennt, sodass die Kupplung kein Drehmoment mehr über-trägt. Sobald die Störung durch Überlast beho-ben ist, rasten die Kugeln in der nächsten Ka-lotte wieder ein. Dieser Vorgang wird als Aus-rast- und Wiedereinrastprozess bezeichnet.Da alle mechanisch belasteten Komponenten in der Sicherheitskupplung gehärtet sind, kommt es speziell im Bereich der Kalotten-kante bei axialer Bewegung der Kugel nur zu sehr geringem Verschleiß bzw. Setzungsver-halten. Selbst wenn nach häufigem Aus- und Wiederreinrasten (mehrere tausend Wiederho-lungen) die Kanten etwas abgerundet sind, gleichen die verschiedenen Kalottenwinkel das entstandene Spiel zueinander aus, sodass die Kupplung letztlich absolut spielfrei wäh-rend der gesamten Lebensdauer arbeitet.Der Anbauflansch ist während des Dauerbe-triebs (eingerasteter Zustand) fest mit den an-deren Komponenten der Kupplung verbunden. Die Drehbewegung und das Drehmoment wer-den 1:1 übertragen. Während des Ausrastens wird der Anbauflansch von den restlichen Bauteilen getrennt. Damit dieser bei einem ge-nau definierten Drehmoment zuverlässig aus-rastet, sind zwei zusätzliche versetzte Kugel-reihen als Lager in der Kupplung integriert. Sie verhindern ein seitliches Kippen des An-bauflanschs und eine damit verbundene einsei-tige Tellerfederbelastung, die das Ausrastmo-ment erheblich beeinflussen würde. Als axiale Sicherung für den Anbauflansch und die integ-rierten Kugellager wird ein Lagerring mit ei-nem Sicherungsring versehen (Bauteil 8). Im Regelfall wird das Ketten- oder Riemenrad mittels eines Zentrierdurchmessers und eines Lochkreises an den Anbauflansch montiert. Es besteht aber auch die Möglichkeit, das Ketten-

Geringer Verschleiß

Zwei zusätzliche Kugelreihen

Verspannungswinkel

Feder

Schaltring

Kugeln

Anbauansch

Grundkörper

Abb. 8:Verspannung der beiden Kugeln zur spielfreien Dreh-momentübertragung

16 Funktionsprinzipien von Sicherheits kupplungen Federvorgespannte Kugel-Rast-Modul-Kupplungen 17

oder Riemenrad in die Kupplung zu integrie-ren. In diesem Fall entfällt der Anbauflansch. Vorteil dieser Lösung ist die Reduzierung des Gewichts und der Massenträgheitsmomente der Kupplung. Je nach Kupplungsgröße wird zur Übertragung des Drehmoments bzw. zur Verspannung der Kupplung auf der Antriebs-welle entweder ein Konus oder eine Klemm-nabe als kraftschlüssige Verbindung eingesetzt (Bauteil 9).

Federvorgespannte Kugel-Rast-Modul-KupplungenFedervorgespannte Kugel-Rast-Modul-Kupp-lungen (Abb. 9) entsprechen hinsichtlich ihrer grundlegenden Funktionsweise den federvor-gespannten Kugel-Rast-Kupplungen. Im Ge-gensatz zu diesen werden sie jedoch insbeson-dere im Schwerlastbereich eingesetzt, da sie

Gewicht sparende Lösung

hier Vorteile bieten. Durch die eingesetzten Module wird die in der Kupplung wirkende Kraft von einer zentralen Stelle auf mehrere Punkte am Kupplungsumfang verlegt. Da-durch kann die gesamte Kupplung kleiner di-mensioniert werden. Das hat geringere Kosten und eine einfachere Handhabung der Kupp-lung zur Folge. Die Hauptaufgabe der Module liegt darin, die auf sie einwirkende Querkraft zu begrenzen. Wird diese zu groß, trennen sie die Kraftüber-tragung. Erst in Verbindung mit den restlichen Kupplungsteilen erfüllen die Module die Auf-gabe der Drehmomentbegrenzung. Zu diesen Kupplungsteilen zählen der Anbauflansch (Bauteil 2), der Grundkörper (Bauteil 1) und der Lagerflansch (Bauteil 3). Grundkörper und Anbauflansch sind mit zwei versetzten Kugel-lagern drehbar zueinander gelagert. Bei Ein-satz einer Kupplung wird die Antriebswelle an den Grundkörper und die Abtriebswelle an den Anbauflansch montiert bzw. umgekehrt. Die am Rand des Grundkörpers montierten Module (Bauteile 4 und 5) stellen einen Form-schluss zwischen Anbauflansch und Grund-körper her. Dadurch wird die Drehung zwi-schen Anbauflansch und Grundkörper verhin-dert. Die Kupplung ist so in der Lage, Dreh-momente zu übertragen. Wird das zwischen Anbauflansch und Grundkörper anliegende Drehmoment zu groß, trennen die Module die Kraftübertragung und beide Teile sind bis zum erneuten Einrasten wieder frei zueinander drehbar. Der Vorteil dieser Bauweise liegt darin, dass für eine Kupplung nicht mehr ein zentrales, großes Tellerfederpaket benötigt wird, sondern mehrere kleine Pakete. Dadurch können Kos-ten gespart werden, da Tellerfedern ab einer bestimmten Größe mit wachsender Federkraft unverhältnismäßig teuer werden. Außerdem

Kraftverteilung auf mehrere Punkte

Formschlüssig montierte Module

Mehrere kleine Tellerfeder- pakete

Abb. 9:Schnittbild einer Kugel-Rast-Modul-Kupplung1 Grundkörper2 Anbauflansch3 Lagerflansch4 Schaltsegment5 Einrastsegment (Schalt- + Einrast-segment = Kugel-Rast-Modul)

3

5 4

1

2

18 Funktionsprinzipien von Sicherheits kupplungen Federvorgespannte Kugel-Rast-Modul-Kupplungen 19

verteilen sich durch die Module die Belastun-gen der Bauteile auf mehrere Stellen, sodass Kugel-Rast-Modul-Kupplungen kompakter ausgeführt werden können. Die Baugrößenre-duzierung ist der entscheidende Faktor für den wirtschaftlichen Einsatz des Kugel-Rast-Prin-zips im Schwerlastbereich.Die Module bestehen aus zwei Segmenten, dem einstellbaren Schaltsegment und dem Ein-rastsegment. Das Grundbauteil des Schaltseg-ments ist das Gehäuse (Abb. 10; Bauteil 8). In ihm befindet sich der Stößel (Bauteil 2), an dessen Ende eine Kugel (Bauteil 1) sitzt. Diese

Faktor Baugrößen- reduzierung

zwischen beiden Segmenten eine zu große Querkraft, wird die Spannkraft der Teller-federn des Schaltsegments überwunden. Die Kugel mit dem Stößel bewegt sich innerhalb des Schaltsegments nach oben weg. Die Sperr-segmente werden während dieses Ausrastvor-gangs nach außen gedrückt. Durch den Aufbau des Schaltsegments wird die progressive Kennlinie der Tellerfedern verwendet, weshalb die nach dem Ausrasten weiter zusammenge-drückten Federn mit erhöhter Kraft auf die Anlageplatte drücken. Diese gibt die Kraft über eine winklige Kontaktfläche weiter an die Sperrsegmente, die dadurch von außen an den Umfang des Stößels gepresst werden (Abb. 11). Der Stößel wird in der oberen Position gehalten. Schalt- und Einrastsegment sind dauerhaft voneinander getrennt. Um beide wieder in Eingriff zu bringen, ist die Einwir-kung einer Kraft, zum Beispiel ein Schlag mit einem Hammer, auf den Stößel nötig. Die Hal-tekraft der Sperrsegmente kann so überwun-den werden und der Stößel sowie die Sperr-segmente bewegen sich in die Ausgangsposi-tion zurück.Durch den Einsatz unterschiedlich vieler Mo-dule kann der von der Kupplung abgedeckte Drehmomentbereich angepasst werden. Die genaue Einstellung der Kupplung erfolgt an den Schaltsegmenten. Um das Ausrastmo-

Ausrast- …

… und Einrastvorgang

Kugel erfüllt die Funktion einer Rastkugel. Der Stößel dient der reinen Kraftübertragung. Ein Tellerfederpaket (Bauteil 5) wird über die Ein-stellmutter (Bauteil 6) vorgespannt. Die Vor-spannkraft der Federn wirkt über die Anlage-platte (Bauteil 4) und die winklige Kontakt-fläche der Sperrsegmente (Bauteil 3) auf den Stößel. Das Einrastsegment verfügt über eine konische Senkung.Durch Montage des Einrastsegments in gegen-überliegender Position zum Schaltsegment wird die Kugel in die Senkung gedrückt. Wirkt

Aufbau Schalt-segment

Abb. 10: Schnittbild eines Schaltsegments1 Kugel2 Stößel3 Sperrsegmente4 Anlageplatte5 Tellerfederpaket6 Einstellmutter7 Skalenring8 Gehäuse

Abb. 11:Schaltsegment in eingerastetem (links) und in ausgerastetem (rechts) Zustand

8

5 6

7

432

1

Einrast-segment

Tellerfederpaket

Stößel

Sperrsegment

Anlageplatte

20 Funktionsprinzipien von Sicherheits kupplungen Federvorgespannte Rutsch kupplungen 21

ment innerhalb des Einstellbereichs zu erhö-hen, werden die Federpakete durch Drehen der Einstellmutter im Uhrzeigersinn stärker vorgespannt. Am sogenannten Skalenring (siehe Abb. 10, S. 18; Bauteil 7), der gleich-zeitig als Abdeckung des gesamten Gehäuses dient, kann die aktuell eingestellte Umfangs-kraft abgelesen werden, bei der das Segment ausrastet. Darüber hinaus hat der Skalenring die Funktion eines Festanschlags. Er verhin-dert, dass die Federn so weit vorgespannt wer-den, dass sie bei Überlast blockieren und ein Ausrasten des Segments nicht mehr möglich ist. Der Skalenring und die Einstellmutter werden mit Feststellschrauben verspannt und mit einer zusätzlichen Sicherungsschraube gegen unerwünschtes Verdrehen gesichert. Durch Addition der Umfangskräfte aller Segmente und Multiplikation mit deren Ab-stand zur Mittelachse kann das eingestellte Ausrastmoment der Kupplung bestimmt werden. Um die für das hohe Ausrastmoment einer Schwerlastsicherheitskupplung benötig-ten Ausrastquerkräfte der Schaltsegmente zu erreichen, werden deren Kugeln mit großer Kraft von den Tellerfederpaketen in die Ein-rastsegmente gedrückt. Die dadurch stark belasteten Einrastsegmente werden deshalb aus vakuumgehärtetem, hochlegiertem Stahl gefertigt.Neben der Drehmomentbegrenzung wird das Funktionsprinzip der Kugel-Rast-Module auch zur Kraftbegrenzung bei linearen Bewegungen eingesetzt. Verwendet wird diese Variante in Verbindung mit Linearmotoren als Überlast-schutz, da diese Motoren immer größere Dyna-miken ermöglichen und daher die Schaltzeiten elektronischer Überlastüberwachungen nicht mehr ausreichen. Die Höhe der Ausrastzug- bzw. Ausrastdruckkraft kann, wie bei den Schaltsegmenten, stufenlos durch Verändern

Bestimmung des Ausrast- moments

Überlastschutz bei Linear- motoren

der Federvorspannung verstellt werden. Durch die Spannkraft der Tellerfedern und die schrä-gen Auflageflächen werden die Schaltseg-mente in die Verjüngung gedrückt und halten den Zug- oder Druckstab in Position (Abb. 12). So können Linearkräfte übertragen werden. Nimmt die Kraft so weit zu, dass die Ausrast-kraft erreicht wird, werden die Schaltsegmente durch die schrägen Kontaktflächen in der Ver-jüngung nach außen gedrückt (Abb. 13). Durch

Zug- + Druckkraft

NäherungsschalterTellerfedern

Einstellmutter

Schaltsegment(eingerastet)

Schaltsegment (ausgerastet)

Verjüngung

den speziellen Winkel an den Schaltsegmenten führen diese auch eine axiale Bewegung aus, die mit einem Näherungsschalter erfasst wird. Somit kann bei einer Störung eine sofortige Notabschaltung ausgelöst werden.

Federvorgespannte Rutsch-kupplungenDer Aufbau von federvorgespannten Rutsch-kupplungen ist vergleichbar mit dem Aufbau der Kugel-Rast-Ausführung. Beide Systeme

Abb. 12:Lineare Kraft-begrenzung im eingerasteten Zustand

Abb. 13:Lineare Kraft-begrenzung im ausgerasteten Zustand

22 Funktionsprinzipien von Sicherheits kupplungen Federvorgespannte Rutsch kupplungen 23

unterscheiden sich nur durch die Art der Aus-rastung bzw. durch die eingesetzten Bauteile. Aufgrund ihres Funktionsprinzips verfügen federvorgespannte Rutschkupplungen über eine größere Ausrasttoleranz. Sie werden des-halb überwiegend in Anlagen und Maschinen eingesetzt, in denen das Ausrast- bzw. Ab-schaltdrehmoment nicht exakt eingehalten werden muss.Das Funktionsprinzip lässt sich wie folgt be-schreiben: Zwei mit Reibbelägen besetzte Scheiben werden durch Tellerfedern aneinander gepresst (Abb. 14). Die Reibbeläge sind groß-flächig, bestehen aus asbestfreiem Material und zeichnen sich durch sehr geringen Verschleiß aus. Wird das zu übertragende Drehmoment zu groß und übersteigt es das zwischen den Belä-gen wirkende Reibdrehmoment, das durch die Tellerfedern erzeugt wird, rutscht die Kupplung durch und es kommt zu einer Zwangstrennung

Größere Ausrasttoleranz

Rutscht die Kupplung im Einsatzfall durch, ohne dass die Maschine abgeschaltet bzw. die Störung behoben wird, kommt es zu einem er-heblichen Verschleiß der Reibbeläge, durch den eine sichere Funktion der Kupplung nicht mehr gewährleistet ist. Die Wanddicke der Reibbe-läge und somit die Reibungskräfte werden deut-lich verringert, sodass ein sicheres Übertragen der anliegenden Drehmomente nicht mehr möglich ist.Die verwendeten Reibbeläge zeichnen sich durch eine gute Temperaturbeständigkeit be-sonders bei niedrigen Drehzahlen aus. Deshalb werden Rutschkupplungen meist in Anwen-dungen im Maschinen- und Anlagenbau ein-gesetzt, die im unteren Drehzahlbereich statt-finden. Ist die Kupplung verschlissen, kann sie durch das Montieren zweier neuer Reibbeläge und anschließender Neueinstellung des Aus-rastdrehmoments repariert werden. In Anwen-dungen mit Drehrichtungsänderung ist darauf zu achten, dass das Ausrastmoment nach einer gewissen Betriebsdauer in beiden Drehrich-tungen Unterschiede aufweist. Ist beispiels-weise die Kupplung im Schadensfall in Dreh-richtung rechts durchgerutscht, verändert sich der Reibbelag. Die winzigen Zähne und Haken auf der Scheibe nutzen sich in Drehrichtung rechts ab, Zähne, die in die linke Drehrichtung weisen, bleiben dagegen verschont. Dieser Aspekt sollte bei der Auswahl und Festlegung des Ausrast-Funktionsprinzips mit berücksich-tigt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Le-bensdauer der Rutschkupplung. Äußere Ein-flüsse wie zum Beispiel Temperatur oder Feuchtigkeit können zu einem Festbacken der Reibbeläge führen. Dies hat zur Folge, dass die Kupplung erst bei einem höheren als dem ursprünglich eingestellten Ausrastdrehmoment durchrutscht, da sich die Haftreibungskräfte durch das Festbacken erhöhen. Im schlimms-

Reibbeläge-wechsel

Festbacken der Reibbeläge

Reibbeläge

Einstellmutter

Kettenrad

zwischen der An- und Abtriebsseite. Sinkt das Drehmoment anschließend wieder unter die Reibkraft, haften die Reibbeläge erneut anein-ander und das Drehmoment wird spielfrei über-tragen. Nach heutigem Stand der Technik aus-gelegte Rutschkupplungen justieren sich bei auftretendem Verschleiß eigenständig nach. Dieser Nachjustierungsprozess ist allerdings an die Wanddicke der Reibbeläge gebunden.

Nachjustierung

Abb. 14:Rutschkupplung mit verschleißfesten Reibbelägen

24 Funktionsprinzipien von Sicherheits kupplungen Magnetische Dauerschlupf kupplungen 25

ten Fall können nachhaltige Folgeschäden durch das verspätete Durchrutschen der Kupp-lung auftreten.

Magnetische Dauerschlupf-kupplungenNeben der mechanischen Zwangstrennung der An- und Abtriebsseite bei Überlast ist auch eine Trennung durch Magnetkräfte möglich. Nach diesem Prinzip arbeiten magnetische Dauerschlupfkupplungen, die vorzugsweise in Anwendungen eingesetzt werden, in denen bei jedem Arbeitszyklus gezielt bis zur Überlast gefahren wird. Ein typisches Anwendungsbei-spiel dafür sind Getränkeabfüllanlagen. Dort stellen Magnetkupplungen das Verschließen der Flaschen mit einem genau definierten Drehmoment sicher. Da Magnetkupplungen auch im Dauerbetrieb verschleißfrei arbeiten, kann der Verschließvorgang nahezu beliebig oft und in kürzesten Abständen wiederholt werden.Auf dem heutigen Sicherheitskupplungsmarkt sind zwei magnetische Dauerschlupfkupp-lungstypen (Abb. 15a) verfügbar, die sich in ihrem Funktionsprinzip unterscheiden. Ein Kupplungstyp sind magnetische Sicherheits-kupplungen, die auf dem Synchronprinzip basieren (Abb. 15b). Sie übertragen das anlie-gende Drehmoment über magnetische Kräfte. Diese Kräfte werden von sich gegenüberlie-genden regelmäßig angeordneten Dauer- oder Permanentmagneten erzeugt. Wird das zu übertragende Drehmoment so groß, dass die Haltekräfte des Magnetfelds überschritten werden, rastet die Kupplung durch. Die Be-zeichnung »Synchronkupplung« resultiert aus der absolut synchronen Übertragung des Dreh-moments. In der Kupplung entsteht auch unter Nenndrehmoment ein sehr kleiner Verdreh-

Verschleißfreies Arbeiten

Synchronprinzip

winkel. Mit diesem Prinzip lassen sich im Be-reich der Standardlösungen Drehmomente von bis zu 1000 Nm übertragen.Das zweite Funktionsprinzip magnetischer Si-cherheitskupplungen wird als Hystereseprin-zip bezeichnet (Abb. 15c). Der Aufbau dieser Kupplung weicht gegenüber der Synchron-kupplung nur im Bereich der Hülse ab. An-stelle eines Dauermagneten wird hier der Ge-genpol über einen Hysteresebelag erzeugt. Die technischen Eigenschaften beider Mag-netkupplungstypen sind vergleichbar; bei der Hysteresekupplung lässt sich jedoch im Un-terschied zur Synchronkupplung das Magnet-feld mit einem geringen Energieaufwand um-polen. Kommt es im Einsatz aufgrund einer Störung zu einer Überlast, so rutscht die Kupplung durch (Umpolung). Die dabei ent-stehende Energie wird in Wärme umgewan-delt und nach außen abgegeben. Wichtig ist, dass das Nenndrehmoment selbst im Überlast-fall sicher übertragen wird. In Bezug auf die maximale Wärmeabgabe der Kupplung sollte die Grenze der Schlupfdrehzahl (Drehzahldif-ferenz zwischen den beiden Kupplungsteilen) unbedingt eingehalten werden, um einen Defekt oder eine Überhitzung des Systems zu vermeiden. Permanentmagnetische Hysterese-kupplungen sind im Regelfall für einen Dreh-momentbereich bis etwa 5 Nm ausgelegt. Die

Hystereseprinzip

Hülse Synchronkupplung Hysteresekupplung

Antrieb Abtrieb

a b c

Permanentmagnetoder Hysteresebelag

Permanent-magnete Hysteresebelag

Permanent-magnet

Abb. 15:Aufbau einer Mag-netkupplung (a) mit detaillierter Darstel-lung des Synchron- (b) bzw. Hysterese-prinzips (c)

26 Funktionsprinzipien von Sicherheits kupplungen Pneumatische und elektro magnetische Kupplungen 27

maximal zugelassene Verlustleistung bei auf-tretender Überlast reicht je nach Kupplungs-größe bis zu 30 W. Das Ausrastdrehmoment wird bei permanent-magnetischen Synchron- und bei permanent-magnetischen Hysteresekupplungen über die Eintauchtiefe der Magnete und dem daraus re-sultierenden Magnetfeld gesteuert. So trennt zum Beispiel die Sicherheitskupplung bei ei-ner 100%igen Überdeckung der beiden Mag-nete die An- und Abtriebsseite nur bei Vor-liegen des maximalen Ausrastdrehmoments. Hingegen findet bei einer Eintauchtiefe von 30 % die Trennung bereits bei einem Ausrast-drehmoment von 30 % statt (Abb. 16).

Steuerungdes Ausrast-drehmoments

eine Nachjustierung bzw. Änderung des Aus-rastdrehmoments. Diese Nachregelung erfolgt meist aus Kostengründen ohne das Abschalten der gesamten Antriebseinheit. Pneumatische oder elektromagnetische Kupplungen erlauben eine exakte Bestimmung des Ausrastdrehmo-ments über den Luftdruck oder die Strom-stärke. Somit kann das Ausrastdrehmoment in den einzelnen Phasen des Produktionszyklus jeweils angepasst werden. In automatisierten Maschinen und Anlagen können beide Funkti-onsprinzipien optimal eingebunden werden. Die Steuerung des Luftdrucks oder des Stroms wird durch die Regelgröße (Wertvorgabe) im Steuerkreis der Maschine exakt definiert. Pneumatische und elektromechanische Sicher-heitskupplungen zählen aufgrund ihres Funk-tionsprinzips zu den wenigen Kupplungstypen, die mit der Elektronik der Applikation gekop-pelt werden können. Im Gegensatz zu den Kupplungssystemen mit Tellerfedern oder Reibbelägen sind sie allerdings auch teurer und in der Montage aufwändiger. Die benö-tigte Druckluft bzw. der benötigte Strom soll-ten bereits bei Auslegung und Planung der Konstruktion berücksichtigt werden. Meist werden pneumatische oder elektromag-netische Sicherheitskupplungen nur zur defi-nierten Last- oder Drehmomentbegrenzung ohne Schaltsignal eingesetzt oder im Dauerbe-trieb mit Nachjustierfunktion benötigt. In her-kömmlichen Einsatzgebieten werden aus Kos-tengründen jedoch in der Regel Kugel-Rast- oder Rutschkupplungen eingesetzt.

Pneumatische SicherheitskupplungenJe nach Bedarf und Anwendung können pneu-matische Sicherheitskupplungen auf drei ver-schiedene Arten genutzt werden. Bei der ers-ten Variante fungiert die Kupplung als Über-lastbauteil. Das anliegende Drehmoment wird

Exakte Bestimmungdes Ausrast-drehmoments

Nutzung als Überlastbauteil, …

Antrieb Abtrieb

100 % Überdeckung der Magnete 30 % Überdeckung der Magnete

Permanentmagnete

Luftspalt

Abb. 16:Verstellung des Ausrastdrehmoments einer Magnet-kupplung

Wie bereits einleitend beschrieben, arbeiten magnetische Sicherheitskupplungen absolut verschleißfrei. Es entsteht bei diesem Prinzip keinerlei Abrieb zwischen den beiden Kupp-lungsteilen. Deshalb werden magnetische Si-cherheitskupplungen bevorzugt für Anwen-dungen eingesetzt, in denen höchste Hygiene-ansprüche erfüllt werden müssen.

Pneumatische und elektro-magnetische KupplungenVerbindungselemente mit einer Sicherheits-funktion erfordern während des Dauerbetriebs

28 Funktionsprinzipien von Sicherheits kupplungen Pneumatische und elektro magnetische Kupplungen 29

durch den Luftdruck übertragen. Ist das Dreh-moment infolge einer Überlast zu groß, wer-den An- und Abtriebsseite voneinander ge-trennt. Gleichzeitig wird über den integrierten induktiven Endschalter (meist PNP-Öffner) ein Signal übermittelt. Die Kupplung wird ent-lüftet und der Antrieb automatisch abgeschal-tet. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die pneumatische Sicherheitskupplung als Schalt-glied im Antriebsstrang zu nutzen. Durch ein-fache Regelung der Druckluft kann je nach Bedarf und Zyklen die Kupplung entweder zu- oder abgeschaltet werden. Aufgrund der stu-fenlos regelbaren Druckluftzufuhr kann die Kupplung auch als Regelglied genutzt werden. Bei dieser dritten Nutzungsvariante lässt sich die Kupplung an den jeweiligen Arbeitszyklus der Maschine und an die damit verknüpften Anforderungen anpassen.Bei allen drei beschriebenen Nutzungsmög-lichkeiten ist zu beachten, dass die ausgeras-tete Kupplung dem Antriebsstrang nur wäh-rend des Anlagenstillstands zugeschaltet wer-den darf. Die maximalen Drehzahlen, die zur sicheren Ausrastung bei Überlast möglich sind, richten sich nach der Kupplungsgröße und den in der Maschine wirkenden Massen-trägheitsmomenten.

Elektromagnetische SicherheitskupplungenElektromagnetische Sicherheitskupplungen arbeiten mit stromdurchflossenen Magnetspu-len. Über eine exakt definierte Stromstärke wird mithilfe der Magnetspule ein Magnetfeld aufgebaut. Die Ankerscheibe der Kupplung wird durch die Magnetkraft angezogen und gehalten. Da der Spulenstrom stufenlos einge-stellt werden kann, lässt sich das Ausrastmo-ment der Sicherheitskupplung optimal anpas-sen. Während der Übertragung des Nenndreh-moments sind Ankerscheibe und Nabe mitein-

… als Schaltglied oder …

… als Regelglied

Formschlüssige Verbindung

ander formschlüssig verbunden. Bei Über-schreiten des zulässigen Drehmoments reicht die eingestellte Magnetkraft nicht mehr aus, um die formschlüssige Verbindung aufrecht-zuerhalten. Die Kupplung rastet aus und gibt das Signal über den in Nähe der Kupplung an-gebrachten Endschalter direkt an die Motor-steuerung.Elektromagnetische Kupplungen sind in der Regel für Drehmomentbereiche von 4 bis 2500 Nm verfügbar. Die zur Anbindung an die An- bzw. Abtriebswelle eingesetzten Wellen weisen je nach Kupplungsgröße einen Durch-messer zwischen 6 und 100 mm auf. Für Son-derfälle werden auch Kupplungen gefertigt, die andere Drehmomente oder andere Wellen-durchmesser aufweisen.

Indirekte Antriebe 3130

AnwendungsgebieteSicherheitskupplungen werden heute in vielen Bereichen des Anlagen- und Maschinenbaus eingesetzt. Je nach Design, technischen Eigen-schaften und Anbindungsausführungen sichern und schützen sie zum Beispiel Anwendungen in

• Werkzeugmaschinen,• NC-Fräsmaschinen,• Holzbearbeitungsmaschinen, • Automatisierungsanlagen,• Textilmaschinen,• Industrierobotern und Druckmaschinen.

Zu beachten ist, innerhalb welcher Antriebsart eine Sicherheitskupplung zum Einsatz kom-men soll. Unterschieden werden generell indi-rekte und direkte Antriebe (Abb. 17).

Haupt- anwendungen

onsachse der Antriebsseite ist parallel versetzt zur Rotationsachse der Abtriebsseite. Die Drehmomentübertragung erfolgt je nach An-forderung und Größe des Drehmoments über Riemen, Zahnräder oder Ketten. Abbildung 18 zeigt eine Möglichkeit, die Motoreinheit über einen Zahnriemen mit einer Kugelrollspindel zu verbinden.

Übertragungs-elemente

Anwendungsgebiete

Indirekte Antriebe Direkte Antriebe

Die Antriebsart bestimmt die Kupplungsaus-wahl sowie die Wahl der technischen Parame-ter. Die wichtigsten relevanten Größen werden anhand von Sicherheitskupplungen des Typs Kugel-Rast-Kupplung nachfolgend beschrieben.

Indirekte AntriebeIndirekte Antriebe sind dadurch gekennzeich-net, dass der gesamte Antriebsstrang nicht auf einer gemeinsamen Achse liegt. Die Rotati-

Abb. 17:Anwendungsgebiete für Sicherheits-kupplungen

Motor

Zahnriemen

Spindel

Riemenrad

Sicherheits-kupplung

Bei indirekten Antrieben werden Kupplungen oder andere Verbindungselemente nicht zum Versatzausgleich zweier Wellen, sondern zur spiel- und vor allem wartungsfreien Drehmo-mentübertragung benötigt. Um diese Funktion zuverlässig erfüllen zu können, spielen die ge-naue Einstellung der Riemen- oder Ketten-spannung, die Lagerung in Bezug auf die Rie-men- oder Kettenbreite und eine hohe Positio-nierungsgenauigkeit von An- und Abtriebs-seite eine wesentliche Rolle.Insbesondere die Riemen- oder Kettenspan-nung ist ein zentraler Bestandteil der Ausle-gung. Je nach Kupplungsaufbau und -größe können Spannungen bzw. Zugkräfte von bis zu 20 000 N auf die Bauteile der Sicherheitskupp-lung wirken. Diese müssen durch spezielle, in

Große Kräfte

Abb. 18:Sicherheitskupplung an einer indirekt an-getriebenen Spindel

32 Anwendungsgebiete Direkte Antriebe 33

der Kupplung integrierte Lager oder zusätzli-che Nadel- bzw. Gleitlager kompensiert wer-den. Die exakte Ausrichtung der Zahn- oder Riemenräder zwischen Antriebs- und Ab-triebsseite ist vor allem bei höheren Drehzah-len zwingend erforderlich.Abbildung 19 zeigt ein Beispiel einer richtigen (a) und einer falschen Ausrichtung (b) der Übertragungseinheit. Bei einem Versatz zwi-schen den beiden Zahnriemenrädern treten

Sicherheitskupplungen mit zwei Kugellagern (Abb. 20a). Diese werden in einem bestimm-ten Abstand zueinander in die Kupplung ein-gebaut. Passt die Riemenbreite oder der Au-ßendurchmesser des Zahnriemenrads nicht zur Kupplungsgröße, lässt sich durch den Einbau eines zusätzlichen Lagers eine Abstützung er-reichen (Abb. 20b). Somit kann das Kippen eines Ketten- oder Riemenrads unabhängig von den Abmessungen verhindert werden.

Direkte AntriebeAls direkte Antriebe bezeichnet man Antriebs-stränge, bei denen Antriebs- und Abtriebsein-heit innerhalb einer Achse liegen. Je nach Aufbau und Spezifikation sitzen die Antriebs- und die Abtriebseinheit in einer Flucht (Abb. 21). Bei der Bestimmung der geeigneten Si-cherheitskupplung für diese Antriebsart sind das Ausrastdrehmoment, die Torsionssteifig-keit sowie der Versatzausgleich zwischen An-

MotorMotor

Zahnriemen

Spindel Spindel

a b

Versatz

Abb. 19:Montagebeispiel für indirekten Antrieb mit einem Riemena) Richtige

Ausrichtungb) Falsche

Ausrichtung

neben den Zugkräften am Riemen zusätzliche Querkräfte auf, die den Sitz und die Laufruhe beeinträchtigen und letztlich dazu führen, die Lebensdauer des gesamten Antriebsstrangs zu verkürzen. Weiterhin besteht bei Riemen- oder Zahnrädern ohne Kanten (Führungen) die Ge-fahr, dass sich der Zahnriemen oder die Kette löst und axial von der Übertragungseinheit springt. Neben der exakten Ausrichtung der Übertragungselemente zueinander spielt die Art der Kupplungslagerung ebenfalls eine wichtige Rolle. Damit bei Auftreten von Über-last und nachfolgend ausgelöster Zwangstren-nung von Antriebs- und Abtriebsseite ein so-genanntes Kippen vermieden wird, arbeiten

Exakte Ausrichtung

1. Kugellager 2. Kugellager Zusätzliches Lager

a b

Abb. 20:Zwei Kugellager (a) bzw. ein zusätzliches Lager (b) vermeiden das Kippen des Zahnriemens.


triebs- und Abtriebswelle zu beachten. Ver-sätze zwischen der An- und Abtriebsseite tre-ten konstruktions- und montagebedingt bei na-hezu allen Applikationen auf. Ursache dafür sind zum einen Maßtoleranzen innerhalb der anzubindenden Bauteile, zum anderen äußere auf den Antriebsstrang wirkende Einfluss-größen wie beispielsweise Temperatur oder Witterung. Generell unterscheidet man drei verschiedene Versatzarten. Die erste Versatzart sind die axialen Versätze (Abb. 22). Dabei handelt es sich um Längen-änderungen der meist aus metallischen Mate-rialien bestehenden Längsachse von Antriebs- und Abtriebswelle. Diese hängen vom spezifi-schen Wärmeausdehnungskoeffizienten des je-weiligen Werkstoffs ab. Er bestimmt, um wie

Axiale Versätze

viel sich ein Material bei Temperaturänderung ausdehnt oder zusammenzieht. Die tempera-turbedingte Längenänderung der Wellen liegt in der Regel zwischen 0,1 und 1 mm. Neben den durch äußere Einflüsse verursachten Axial-versätzen können auch anwendungsspezifi-sche axiale Versätze auftreten, die Maximal-werte von bis zu 10 mm erreichen. Für die Kupplung ist der axiale Versatz eher unkri-tisch, da über federnde zwischen An- und Ab-triebsnabe angeordnete Ausgleichselemente aus Metall (Metallbalg) oder Kunststoff (Elas-tomerkranz) eine ausreichende Elastizität si-chergestellt wird.Zur zweiten Versatzart zählen die angularen Versätze (Winkelversätze) (Abb. 23), die meist durch montagebedingte Versätze der

Angulare Versätze

beiden Wellen zueinander entstehen. Angular-versätze von bis zu 2,5° können in der Regel von Standardkupplungen ausgeglichen wer-den. Müssen größere Versätze kompensiert werden, besteht die Möglichkeit, durch eine Veränderung der Wellenzahl (bei Metallbalg-kupplungen) oder der Shorehärte (bei Elasto-merkupplungen) den Ausgleichswinkel um ein Vielfaches zu vergrößern. Im Gegensatz zum axialen Versatz bedeutet der angulare Versatz aufgrund der höheren Belastung des Ausgleichselements eine deutliche Mehrbean-spruchung für die Kupplung.

Abb. 21:Anwendungsbeispiel für direkten Antrieb (Motor-Kupplung-Spindel)

Abb. 22:Fluchtungsfehler in axialer Richtung

Abb. 23:Fluchtungsfehler in angularer Richtung


Die stärkste Belastung der Kupplung tritt beim lateralen Versatz (Abb. 24) auf. Bei dieser Versatzart handelt es sich um eine parallele Verlagerung der beiden Wellen zueinander. Das Ausgleichselement, also der Metallbalg bzw. der Elastomerkranz, wird somit durch zwei entgegengesetzte Winkelverlagerungen belastet. Neben der Belastung der Kupplung durch Rückstellkräfte ergeben sich zusätzliche

Lateraler Versatz

rigste Punkt gemessen (Abb. 25a). So lässt sich die aus der Abweichung ergebende late-rale Distanz zwischen den Achsen ermitteln und anschließend korrigieren. Beim zweiten Verfahren, das am häufigsten zum Einsatz kommt, werden An- und Abtriebsseite über einen sogenannten Zwischenflansch (Kupp-lungsglocke) miteinander verbunden (Abb. 25b). Hier müssen die beiden Wellen in der Regel aufgrund der genauen Fertigungstole-ranzen der einzelnen Bauteile nicht mehr nachjustiert werden.

Abb. 24:Fluchtungsfehler in lateraler Richtung

Beanspruchungen für Lager sowie andere Komponenten des Antriebsstrangs, die bei der Auslegung und Konstruktion der Kupplung ebenfalls mit berücksichtigt werden sollten. Kupplungen in Standardausführung können la-terale Versätze von bis zu 1 mm ausgleichen.Die drei beschriebenen Versatzarten treten bei direkten Antrieben in der Regel immer auf. Werden jedoch die vom Hersteller angegebe-nen maximalen Versätze eingehalten, sind die eingesetzten Kupplungen lebensdauerfest und müssen keiner regelmäßigen Wartung unterzo-gen werden.Um die Wellen optimal zueinander auszurich-ten, gibt es mehrere Verfahren. Diese sind von der jeweiligen Einbausituation der Kupplung abhängig. Abbildung 25 zeigt zwei mögliche Verfahren. Im ersten Verfahren wird mittels eines Messstativs und einer Präzisionsmessuhr bei Rotation der Welle der höchste und nied-

Ausrichtungs-verfahren

Messstativ

Zentrierung 1Flansch

Zentrierung 2a b

Motor Spindel

Motor

Abb. 25:Ausrichtung der An- und Abtriebs-seite ohne (a) und mit Zwischen-flansch (b)

Auswahlkriterien und Eigenschaften 3938

Auswahlkriterien und EigenschaftenDer Aufwand, einen Antriebsstrang mit seinen zahlreichen unterschiedlichen Komponenten zu dimensionieren, hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Dementsprechend sind auch die für die Auslegung von Maschinenele-menten wie beispielsweise Kupplungen not-wendigen Konstruktionen und Berechnungen immer umfangreicher geworden (Abb. 26).Im Zusammenhang mit der Auslegung spielen physikalische Größen wie Drehmoment, Torsi-onssteifigkeit, Drehzahl, Federsteifigkeit, Träg-heitsmoment, Unwuchten oder Spielfreiheit eine zentrale Rolle. Deshalb werden diese Grö-ßen nachfolgend kurz definiert.Das Drehmoment wird durch eine auf einen drehbaren Körper wirkende Kraft erzeugt und ist das Produkt aus dieser wirkenden Kraft und der wirksamen Hebellänge. Die Einheit des Drehmoments wird in Newtonmeter (Nm) angegeben. Sicherheitskupplungen beispiels-

Aufwändige Auslegung

weise werden hauptsächlich nach dem Aus-rastdrehmoment ausgelegt.Der zweite neben dem Außendurchmesser wesentliche Einflussfaktor bei der Übertragung eines Drehmoments ist die in der Einheit Nm/rad angegebene Torsionssteifigkeit der Kupplung. Sie beschreibt die Steifigkeit, die eine Kupp-lung unter einer Torsionsbelastung aufweist. Wird die maximale Torsionssteifigkeit einer Kupplung aufgrund eines zu großen Drehmo-ments überschritten, reicht die Festigkeit der Kupplung nicht mehr aus, um die anliegende rotatorische Kraft zu übertragen. Die Kupp-lung wird nicht mehr im hookschen Bereich betrieben und verwindet sich.Die Größe Drehzahl (Einheit 1/min oder U/min) beschreibt die Häufigkeit der Umdre-hungen (360°) einer rotierenden Masse pro Minute. Im allgemeinen Maschinen- und An-lagenbau können Drehzahlen von bis zu 200 000 U/min erreicht werden.Unter der Federsteifigkeit versteht man die bei differenzierten Bewegungen der Achsen von der Kupplung ausgehende Gegenkraft in axia-ler, angularer und lateraler Richtung. Die Ein-heit der Federsteifigkeit ist N/mm bzw. Nm/°. Wird die axiale Federsteifigkeit der Kupplung herstellerseitig mit 30 N/mm angegeben, bringt die Kupplung bei einer axialen Verschiebung um 1 mm eine Gegenkraft von 30 N auf. Diese zusätzlichen Kräfte sind bei der Auslegung von Lagern und weiteren Bauteilen des Antriebs-strangs immer zu berücksichtigen.Das Trägheitsmoment eines Körpers be-schreibt das auftretende Widerstandsmoment bei Drehzahländerung. Faktoren wie das Ge-samtgewicht des Körpers und der Abstand der Körpermasse von der Rotationsachse be-einflussen das Trägheitsmoment maßgebend. In der Regel verkleinert sich das Trägheits-moment eines Körpers bei Verringerung seines

Torsions- steifigkeit

Drehzahl

Federsteifigkeit

Trägheits- moment

Abb. 26:Berechnungssoftware zur Auslegung von Kupplungen

40 Auswahlkriterien und Eigenschaften Auslegungsverfahren 41

Gesamtgewichts und seines Außendurchmes-sers. Diese Beziehung gilt auch umgekehrt. Trägheitsmomente spielen bei hoch dynami-schen Anwendungen eine wichtige Rolle, da diese zusätzlichen Drehmomente vom Antrieb mit aufgebracht werden müssen.Damit Antriebsstränge eine hohe Laufruhe er-zielen, sollte die Unwucht der gesamten Anlage möglichst klein sein. Unwuchten entstehen auf-grund von nicht symmetrischen Bauteilen. Die daraus resultierende ungleiche Massenvertei-lung erzeugt überproportionale Fliehkräfte, die zu Schwingungen führen. Dadurch wird die Laufruhe des Gesamtsystems beeinträchtigt. Abhilfe schaffen sogenannte Auswuchtbohrun-gen, die meist direkt an der Unwuchtstelle an-gebracht werden. Sie sorgen für eine gleichmä-ßige Massenverteilung im gesamten Bauteil. In

Unwucht

der Antriebstechnik sind Wuchtgüteklassen festgelegt, die eine maximale Restunwucht be-schreiben (Abb. 27). Gängige Klassen sind G 16, G 6,3 und G 2,5. Dabei steht die kleinere Zahl für eine höhere Wuchtgüteklasse (gerin-gere zulässige Restunwucht).Spielfreiheit bedeutet, dass bei Änderung der Drehzahl, Drehrichtung oder des Drehmoments kein Spiel (Hohlraum) und somit keine Stöße in der Kupplung entstehen. Dies heißt allerdings nicht, dass kein Verdrehwinkel auftritt, da die einzelnen Bauteile im Antriebsstrang über eine definierte Torsionssteifigkeit verfügen und so-mit immer ein Verdrehwinkel unter Belastung entsteht. In Hinblick auf die Lebensdauer von Lagern und Antriebs- bzw. Abtriebsmaschinen ist Spielfreiheit von wesentlicher Bedeutung.

AuslegungsverfahrenSicherheitskupplungen, die nach dem Kugel-Rast-Funktionsprinzip arbeiten, werden für die meisten Anwendungen nach dem Ausrastdreh-moment ausgelegt. In hochdynamischen An-wendungen kann zusätzlich eine Auslegung nach der Resonanzfrequenz erfolgen. Die Aus-legung nach der Torsionssteifigkeit ist ebenfalls in bestimmten Anwendungsfällen notwendig.Das Ausrastdrehmoment der Kupplung liegt über dem regelmäßig anliegenden Drehmoment im Antriebsstrang, dem Nenndrehmoment, und wird vom Konstrukteur oder Entwickler je nach Einsatzgebiet festgelegt. Vor der Bestimmung des Ausrastdrehmoments ist es notwendig, das Nenndrehmoment im Antriebsstrang zu ermit-teln. Um Beschleunigungsmomente und andere Einflussfaktoren dabei zu berücksichtigen, hat sich in der Praxis der Multiplikationsfaktor 1,5 bewährt. Somit sieht die Formel zur Berech-nung des Nenndrehmoments im Antriebsstrang folgendermaßen aus:

Spielfreiheit

Auslegung nach dem Ausrast-drehmoment, …

Zul

ässi

ge R

est-

Mas

senm

ittel

pun

kt-V

erla

geru

ng e

zul i

n µm

100,1

0,2

0,5

1

2

5

10

20

50

100

200

500

1000

2000

5000

10 000

30 50 100 200 500 1000 2000 5000 10 000 50 000 100 0001/min

0,5 1 2 5 10 20 50

G0,4G1

G2,5G6,3

G16

100 200 500 1000 20001/s

Maximale Betriebsdrehzahl

Abb. 27:Diagramm zur Bestimmung der Restunwucht bezogen auf die Wuchtgüte (gemäß DIN ISO 1940 Teil 1)


TKN ≥ 1,5 · TAS

TKN Nenndrehmoment im Antriebsstrang in Nm

TAS Spitzendrehmoment der Antriebsseite in Nm

Das Spitzendrehmoment der Antriebsseite TAS kann meist auf dem Typenschild der je-weiligen Antriebsmaschine abgelesen wer-den. Fehlt diese Angabe, so kann das Spit-zendrehmoment der Antriebsseite mit einer Formel, die das Verhältnis der Anlagenleis-tung zur Drehzahl berechnet, einfach be-stimmt werden. Die im Maschinenbau übli-che Zahl 9550 kann als eine Konstante zur Umrechnung in die Einheit Nm betrachtet werden. Die Leistung der Antriebseinheit wird in Kilowatt, die Drehzahl in Umdrehun-gen pro Minute eingesetzt.

TKN ≥ 9550 · · 1,5PANn

PAN Leistung der Antriebsseite in kWn Drehzahl in 1/min

Eine weitere Variante ist das Auslegungsver-fahren nach dem Beschleunigungsdrehmo-ment (Anfahren ohne Last). Diese Methode berücksichtigt neben der Winkelbeschleuni-gung das Spitzendrehmoment der Antriebs-seite, die Massenverteilung sowie die Träg-heitsmomente der An- und Abtriebsseite. Mithilfe eines Korrekturfaktors (Stoß- oder Lastfaktor), der je nach Maschine und An-wendung festgelegt ist, wird das Beschleuni-gungsdrehmoment bestimmt. Im Allgemei-nen wird der Stoß- oder Lastfaktor in drei Gruppen aufgeteilt:

… dem Be-schleunigungs-drehmoment, …

• SA = 1 (harmonische Beanspruchung)• SA = 2 (periodische Beanspruchung)• SA = 3–4 (nicht periodische Beanspruchung)

Die nachstehende Formel spiegelt diese Bezie-hung wider:

TKN ≥ · JL ≥ α · TAS · SAJL

JA + JL

α Winkelbeschleunigung in s–2

JL Trägheitsmoment der Abtriebsseite in kgm2

JA Trägheitsmoment der Antriebsseite in kgm2

SA Stoß- oder Lastfaktor

Die präziseste und aufwändigste Drehmo-mentbestimmung zur Ermittlung der geeigne-ten Sicherheitskupplung ist die Berücksichti-gung des Beschleunigungs- und des Lastdreh-moments (Anfahren unter Last). Diese Ausle-gung simuliert einen Anwendungsfall, in dem ständig unter Belastung beschleunigt und ab-gebremst wird. Als zusätzlicher Wert zum Be-schleunigungsdrehmoment wird das Lastdreh-moment (Spitzendrehmoment der Abtriebs-seite) addiert. Nachfolgende Formel mit Diffe-renzierung der einzelnen Größen beschreibt den Zusammenhang:

TKN ≥ · JL + TAN ≥ · SA· (TAS – TAN) + TANJL

JA + JL

α

TAN Spitzendrehmoment der Abtriebsseite in Nm

Die drei beschriebenen Auslegungsverfahren beziehen sich auf die Herstellerangaben zur Antriebs- und der Abtriebseinheit. Neben den Drehmomenten werden ausschließlich Mas-

… dem Be-schleunigungs- und Lastdreh-moment, …


senträgheitsmomente und eventuell auftre-tende Beschleunigungen mit berücksichtigt. Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung des Nenndrehmoments ist die Auslegung nach der Vorschubkraft (Abb. 28). Diese Methode lässt sich je nach Gestaltung des Antriebsstrangs sowohl auf Spindelantriebe als auch auf Zahn-riemenantriebe anwenden.Bei Spindelantrieben spielen neben der Vor-schubkraft der gesamten Einheit die Spindelstei-

… der Vorschub-kraft, …

d0 Ritzeldurchmesser der Zahnriemen-scheibe in mm

Die Auslegung nach der Resonanzfrequenz erfordert detaillierte Kenntnisse der einzelnen Parameter. Jeder Körper, jede Komponente im Antriebsstrang weist eine Eigenfrequenz auf. Im Bereich dieser sogenannten Reso-nanzfrequenzen sollte die Anwendung auf-grund der dort auftretenden Vibrationen und Schwingungen möglichst nicht betrieben werden. Mit der nachfolgenden Berechnungs-formel kann sowohl die Resonanz der Kupp-lung als auch die Resonanz des gesamten An-triebsstrangs überschlägig berechnet werden. Voraussetzung für die Berechnung ist, dass man die Massenträgheitsmomente der einzel-nen Komponenten zusammenfasst. Somit lässt sich das Gesamtmassenträgheitsmoment ermitteln. Die Torsionssteifigkeit des gesam-ten Antriebsstrangs hat ebenfalls großen Ein-fluss auf die Schwingungen. Die Berechnung der Resonanzfrequenz für die Kupplung in der Einheit Hertz (Hz) erfolgt durch folgende Formel:

fe = ·1

2 · πCT ·

JA + JL

JA · JL

Die Berechnung der Eigenschwingungszahl in der Einheit 1/min erfolgt durch die Formel:

ne = ·30π CT ·

JA + JL

JA · JL

fe Eigenfrequenz des Systems in HzCT Torsionssteifigkeit der Kupplung in

Nm/radne Eigenschwingungszahl des Systems

in 1/min

… der Resonanz-frequenz, …

Sicherheitskupplung

MaschinentischServomotor FV

Spindel

gung und der Wirkungsgrad der Spindel eine wichtige Rolle. Mit nachfolgender Formel lässt sich das anliegende Drehmoment berechnen:

TAN =s · FV

2000 · · ηπ

s Spindelsteigung in mmFV Vorschubkraft in Nη Wirkungsgrad der Spindelπ Kreiszahl

Wird die Antriebsseite mit der Abtriebsseite nicht über eine Spindel, sondern über einen Zahnriemenantrieb verbunden, berechnet sich das anliegende Drehmoment mithilfe folgender Formel:

TAN =d0 · FV

2000

Abb. 28:Vorschubkraft eines Spindeltisches zur Auslegung der Kupplung


Bei der Auslegung und Konstruktion von Maschinen spielt die Torsionssteifigkeit der gesamten Anlage, wie bereits erwähnt, eine wesentliche Rolle. Ob eine Maschine steif oder dämpfend ausgelegt wird, hängt von der jewei-ligen Anwendung ab. Grundsätzlich sollte die Steifigkeit aller Einzelkomponenten und somit auch der Kupplung berücksichtigt werden. Die Theorie sagt, dass ein Körper sich unter einer bestimmten Belastung (Drehmoment) um ei-nen definierten Winkel verdreht. Der Grad der Verdrehung wird durch die Steifigkeit des Körpers (arbeitet gegen das Drehmoment) be-stimmt. Die nachfolgende Formel veranschau-licht diese Beziehung:

=ϕ ·180π

TAS

CT

ϕ Verdrehwinkel in °

Ein Einflussfaktor, der bei allen bereits ge-nannten Auslegungsverfahren zusätzlich be-rücksichtigt werden muss, ist die anliegende Drehzahl. Je nach Kupplungsbaugröße, Funk-tionsweise und Betriebsart sind die zulässigen Drehzahlen einer Kupplung begrenzt. Zu un-terscheiden sind die zulässige Drehzahl bei Ausrasten der Kupplung und die zulässige Drehzahl in eingerastetem Zustand. In einge-rastetem Zustand ist die Betriebsdrehzahl in erster Linie von der Unwucht der Kupplung abhängig und kann somit durch Auswuchten der Kupplung erhöht werden (Abb. 29). Die Hersteller bieten Wuchtgüten bis G 2,5 an.Die zulässige Drehzahl bei Ausrasten der Kupplung wird dagegen von mehreren Fakto-ren bestimmt. Da eine Kupplung mit automati-scher Wiedereinrastung nach dem Auslösen in jeder möglichen Position ein- und bei gleich-bleibendem Drehmoment wieder ausrastet,

… der Torsions-steifigkeit

Zusatzfaktor: anliegende Drehzahl

führt deren Betrieb mit hohen Drehzahlen zu einem sehr schnellen Bauteileverschleiß. Selbst mit integrierter Not-Abschaltung kann das Auslaufen der Schwungmassen zur Be-schädigung der Kupplung führen. Der zusätz-liche Einsatz einer Bremse, die den Antriebs-strang möglichst schnell zum Stillstand bringt, wäre hier ein Lösungsansatz. Um deren Not-wendigkeit zu vermeiden, werden bei höheren Drehzahlen freischaltende Sicherheitskupplun-gen empfohlen. Da diese bei Auslösen die Lasten dauerhaft trennen, können die Schwungmassen selbstständig auslaufen, ohne dass es zu Beschädigungen kommt.Betrachtet man den Ausrastvorgang genauer, werden weitere Aspekte deutlich, die in die-sem Zusammenhang berücksichtigt werden müssen. Bei vollständigem Blockieren einer Welle werden die Rastkugeln innerhalb der Kupplung um den Schaltweg in axialer Rich-tung bewegt. Da diese Bewegung, je nach Drehzahl, innerhalb von Sekundenbruchteilen aus ruhender Lage vollzogen wird, werden die Kugeln zum Teil enorm beschleunigt. Fällt

Freischaltende Sicherheits-kupplungen

Abb. 29:Auswuchten einer Präzisionskupplung

48 Auswahlkriterien und Eigenschaften Verhalten und Charakteristik 49

die Beschleunigung zu groß aus, kann es pas-sieren, dass der Schaltring von den Kugeln beschädigt, in Extremfällen axial durchschla-gen wird. Auch in radialer Richtung kann es aufgrund zu hoher Drehzahlen zu Beschädi-gungen an Bauteilen kommen, da die Kugeln im eingerasteten Zustand eine größere Aufla-gefläche an Anbauflansch und Grundkörper haben als im ausgerasteten Zustand. Reicht die Auflagefläche im eingerasteten Zustand noch aus, um die auf die Kugel wirkenden Zentrifugalkräfte aufzunehmen, kann die re-sultierende Flächenreduzierung bei Ausrasten der Kupplung dazu führen, dass die Flächen-pressung die Materialgrenzen übersteigt. Da-durch werden die Bohrungen, in denen sich die Rastkugeln befinden, in radialer Richtung ausgeweitet. Die Ausweitung kann bis zum Bruch des Grundkörpers an diesen Stellen führen. Die radiale Positionierung der Rastku-geln ist damit nicht mehr gewährleistet und somit auch die Sicherheitsfunktion der Kupp-lung nicht mehr gegeben. Abhilfe schaffen hier mehrere Maßnahmen. Zum einen können für den Grundkörper neue Materialien mit besseren Eigenschaften eingesetzt werden, die den Belastungen standhalten und somit für volle Funktionsfähigkeit sorgen. Zum anderen kann die Kraftaufnahme durch Geometrieän-derungen verbessert oder die Größe der Rast-kugeln verringert werden. Dies führt zu einer Verringerung der beschleunigten Massen und zur Senkung der Belastungen.Da die zulässige Drehzahl in eingerastetem Zustand von anderen Faktoren abhängt als die zulässige Drehzahl bei Ausrasten der Kupp-lung, kommt es häufig vor, dass eine Kupp-lung, wie bereits zuvor erwähnt, zwei unter-schiedliche zulässige Drehzahlen aufweist: die zulässige Betriebsdrehzahl und die zulässige Ausrastdrehzahl. Die Betriebsdrehzahl muss

Abhilfe- maßnahmen

Zwei zulässige Drehzahlen

mindestens der Ausrastdrehzahl entsprechen, übertrifft diese meist sogar. Diese Charakteris-tik des Kugel-Rast-Prinzips ermöglicht einen breiteren Einsatz der Kupplungen, da Elektro-motoren ihr maximales Drehmoment in niedri-geren Drehzahlbereichen leisten und dieses proportional zum Anstieg der Drehzahl ab-nimmt. Das bedeutet, dass die Kugel-Rast-Kupplungen vor Überlasten, die faktisch nur bei niedrigeren Drehzahlen vorkommen, schützen und gleichzeitig bei hohen Betriebs-drehzahlen betrieben werden können.Zur genauen Bestimmung und Auslegung der Sicherheitskupplung nach dem Ausrastdreh-moment, nach der Resonanzfrequenz oder nach der Torsionssteifigkeit mit Berücksichti-gung der anliegenden Drehzahlen ist es rat-sam, Rücksprache mit den jeweiligen Kupp-lungsherstellern zu halten. Deren langjährige Erfahrung bei der Auslegung von Kupplungen gewährleistet in nahezu allen Bereichen und für nahezu alle Anwendungen die richtige Dimensionierung der Sicherheitskupplung. In den letzten Jahren können die Hersteller auch vermehrt auf selbstentwickelte Auslegungs-software und Belastungssimulationen zurück-greifen, sodass die Entwicklungsarbeit erheb-lich beschleunigt werden konnte.

Verhalten und CharakteristikHeutige Sicherheitskupplungen, die in Ma-schinen und Anlagen eingesetzt werden, müs-sen in der Regel zwei prägnante Verhaltens-muster aufweisen:

• Bei Überlast erfolgt die Trennung von An- und Abtriebsseite zum Schutz des gesamten Antriebsstrangs nach einer Abschaltzeit von wenigen Millisekunden. Vorrangiges Ziel ist: Je schneller die Kupplung die Antriebs- von der Abtriebsseite trennt, umso geringer

Anforderungen

50 Auswahlkriterien und Eigenschaften Verhalten und Charakteristik 51

sind die Folgekosten aufgrund von Schäden im gesamten Antriebsstrang.

• Nach Ausrastung der Sicherheitskupplung darf die auftretende Restreibung nicht zu groß werden, um gekoppelte Bauteile durch Massenträgheitsmomente nicht weiter zu beschleunigen. Hier ist das Ziel: Je weniger Restreibung die Kupplung aufweist, umso geringer ist die Belastung für die An- oder Abtriebsseite im ausgerasteten Zustand.

Beide Sicherheitsanforderungen werden durch den Einsatz einer speziell gestalteten Hoch-leistungstellerfeder erfüllt. An der x-Achse des in Abbildung 30 gezeigten Diagramms ist die Schaltzeit in Millisekunden, an der y-Achse das Drehmoment der Antriebseinheit in New-tonmeter aufgetragen. Die im Diagramm rot gekennzeichnete Fläche ergibt sich aus der Kennlinie der Ausrastgeschwindigkeit und aus dem anliegenden Drehmoment im Antriebs-strang. Werden anstelle von Hochleistungstel-lerfedern konventionelle Tellerfedern verwen-det, reagiert die Kupplung langsamer auf die Überlast. Die Abschaltung bzw. Zwangstren-

nung von Antriebs- und Abtriebsseite erfolgt um einige Millisekunden später. Ein neben der Auslegung der Tellerfedern weiterer Faktor, der die Ausrastgeschwindigkeit beeinflusst, sind die Bauteilmassen, die beim Ausrasten in axiale Richtung beschleunigt werden müssen. Als Beispiel hierfür sei der Schaltring ge-nannt. Dieser sollte möglichst leicht sein, um schnell beschleunigt werden zu können. Die rot gekennzeichnete Fläche im Diagramm beschreibt die Arbeit, die beim Ausrastvor-gang verrichtet werden muss. Je größer die Fläche in dem Diagramm, desto mehr Wärme-energie wird freigesetzt und muss aus dem Antriebsstrang abgeführt werden. Sicherheits-kupplungen mit Hochleistungstellerfedern ver-fügen über ein optimales Ausrastverhalten und setzen deshalb deutlich weniger Wärmeener-gie frei. Dies zeigt sich in einer entsprechend kleineren Fläche im Diagramm.Für den konstanten Einstellbereich der Sicher-heitskupplung und das geringe Restreibungs-moment bei Trennung von An- und Abtriebs-seite ist eine spezielle Federcharakteristik der Tellerfeder verantwortlich. Die Tellerfeder wird nicht wie üblich auf der progressiven Kennlinie, sondern auf der degressiven Kenn-linie genutzt (siehe auch Kap. »Federvorge-spannte Kugel-Rast-Kupplungen«, S. 8 ff.). Nachdem alle Sicherheitskupplungen mittels induktiver Näherungs- oder Endschalter über-wacht und abgefragt werden müssen, geben diese bei Überlast ein Signal durch den axialen Weg des Schaltrings nach außen ab. Dieser so-genannte Schaltweg sollte so groß wie mög-lich sein, damit auch bei großer Verunreini-gung sicher gearbeitet werden kann. Durch den abfallenden Ast der Kennlinie und der ge-ringen Federkraft im zusammengedrückten Zustand der Tellerfeder wird diese Anforde-rung optimal erfüllt. Je nach Kupplungsgröße

Faktor Bauteilmassen

Nutzung der degressiven Kennlinie

EingestelltesAusrast-drehmoment

0 10 40 Schaltzeit in ms

ohne Sicherheitskupplung

mit konventionellenTellerfedern

Dre

hmom

ent

in N

m

mit Hochleistungs-tellerfedern

Abb. 30:Ausrastverhalten einer Sicherheits-kupplung

52 Auswahlkriterien und Eigenschaften Automatische Wiedereinrastung 53

und anliegendem Drehmoment kann ein Schaltweg von 0,7 bis 3 mm erreicht werden. Somit ist ein zuverlässiger Schutz der Anlage oder Maschine durch die Erkennung des End-schalters gegeben.

Automatische WiedereinrastungJe nach Anforderungsprofil des Antriebs-strangs werden unterschiedliche Wiedereinras-tungsausführungen für Sicherheitskupplungen eingesetzt. Bei allen vier nachfolgend be-schriebenen Funktionssystemen von Sicher-heitskupplungen ist eine unabdingbare Voraus-setzung, dass das Wiedereinrasten nur im Still-stand oder nur bei sehr geringen Drehzahlen erfolgt, da Massenträgheitsmomente der An-lage ebenfalls von der Kupplung erneut mit beschleunigt werden müssen. Eine Ausfüh-rungsart ist die automatische Wiedereinras-tung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kupplung nach Abfall der Überlast in einem definierten Winkel wieder automatisch einras-tet. Somit garantiert sie die exakte Positionie-rung zwischen der An- und Abtriebsseite. Je

Vier Funktions-systeme

nachdem ob federvorgespannte Kugel-Rast-Kupplungen oder Kugel-Rast-Module betrach-tet werden, kommen unterschiedliche Heran-gehensweisen zum Einsatz.Bei Kugel-Rast-Kupplungen wird dieses Prin-zip durch die Nutzung der Feder im Nullbe-reich ermöglicht. In diesem Bereich ist die Fe-der kurz vor dem Umspringen. Mit nur sehr ge-ringer axialer Kraft drückt sie die Kugel zurück in die Kalotten. Die automatische Wiederein-rastung (Abb. 31) kommt meist bei Anwendun-gen mit Drehzahlen bis ca. 3000 U/min zum Einsatz.Die winkelsynchrone Ausführung bei automa-tisch wiedereinrastenden Sicherheitskupplun-gen ermöglicht aufgrund speziell angeordneter Bohrungen im Grundkörper die Wiedereinras-

Winkel-synchrone Ausführung

ausgerastet eingerastet

Schaltweg

Abb. 31:Automatische Wieder-einrastung für die schnelle Wieder-inbetriebnahme

tung nach genau 360° (Abb. 32). Die Anzahl der Kugeln und Kalotten im Grundkörper ist darauf ausgelegt, dass die Kupplung nach dem Wiedereinrasten verschleißfrei und sicher arbei-tet. Dieses Prinzip gewährleistet eine absolute

Abb. 32:Winkelsynchrone Wiedereinrastung nach exakt 360°


Synchronität des Antriebsstrangs. Nach Wegfall der Überlast ist ein sehr zeitaufwändiges Nach- bzw. Neujustieren der Anlage nicht mehr nötig. Längere, kostenintensive Stillstandszeiten kön-nen somit vermieden werden.Ebenfalls auf dem automatisch wiedereinras-tenden Prinzip basierend arbeitet die Durch-rastkupplung (Abb. 33). Der Unterschied zur winkelsynchronen Kupplung liegt in der An-ordnung der Kalotten, die im symmetrischen Winkelabstand über den gesamten Grundkör-per platziert sind. Die Wiedereinrastung er-folgt in der Regel nach 30°, 45°, 60°, 90° oder 120°. Da das Bohrbild bei Fertigung jeder

Durchrast-kupplung

(Verfahrweg der Einheit mit Reversierbetrieb und einem Winkel von beispielsweise 180°) eingesetzt. Ebenso wie die winkelsynchrone Ausführung rastet die Durchrastkupplung nach dem Abfallen der Überlast automatisch wieder ein. Somit ist die Maschine sofort wieder ein-satzfähig.Eine dritte Variante im Bereich der automa-tisch wiedereinrastenden Systeme ist die ge-sperrte Version (Abb. 34). Bei dieser Variante wird die Kupplung nur als mechanisch schal-tendes Bauteil im Antriebsstrang eingesetzt. Kommt es zu einer Überlast, werden die Ku-geln aus den Kalotten gedrückt. Eine Innen-

Gesperrte Version

Kupplung speziell angefertigt wird, ist für Sonderlösungen prinzipiell jeder Einrastwin-kel möglich, der bei Division durch den Voll-winkel einen Zahlenwert ohne Komma ergibt (360°: Einrastwinkel = Quotient ohne Komma). Die Durchrastkupplung wird in langsam rotie-renden Applikationen oder bei Applikationen mit ausschließlichen Schwenkbewegungen

verzahnung der Kupplung verhindert jedoch ein freies Durchlaufen der Kugeln auf dem Grundkörper. Die beiden Kupplungsteile wei-sen einen Verdrehwinkel von etwa 4° auf. Die Kugeln bleiben am Grat der Kalotte sitzen und ermöglichen somit die automatische Wieder-einrastung der Kupplung nach Behebung der Störung. Optional kann der Verdrehwinkel im

Abb. 33:Durchrastkupplung mit Wiedereinrastung nach 45°, 60°, 90° oder 120°

Abb. 34:Gesperrte Version zur Gewährleistung der Lastsicherung


ausgerasteten Zustand auch vergrößert wer-den. Die Kupplung rastet aus, verdreht sich um diesen Winkel und muss vor Wiederinbe-triebnahme auf die Ausgangsposition zurück-gedreht werden. Sicherheitskupplungen mit der gesperrten Version kommen bei Anwen-dungen zum Einsatz, bei denen eine Lastsiche-rung gewährleistet sein muss (zum Beispiel Hebeanlagen).Die automatische Wiedereinrastung von Ku-gel-Rast-Modulen wird bauartbedingt auf an-deren Wegen realisiert. Die erste Variante ar-beitet ähnlich wie Kugel-Rast-Kupplungen. Die Sperrsegmente entfallen hier (Abb. 35).

ordnung und Anzahl der Module wird der Winkelabstand bis zur Wiedereinrastung be-stimmt. Dieser kann bei 40° oder 120° liegen. Genau wie die herkömmlichen Kugel-Rast-Kupplungen können auch die modular aufge-bauten Kugel-Rast-Kupplungen in gesperrter Ausführung mit automatischer Wiedereinras-tung produziert werden. Die Funktionsweise bleibt dabei die gleiche. Bei Ausrasten der Kupplung drehen sich die Kupplungshälften nur wenige Winkelgrade zueinander, bevor eine Innenverzahnung ein Weiterdrehen verhindert. Fällt das anliegende Drehmoment unter das Ausrastmoment, rastet die Kupplung selbststän-dig wieder ein, da die Kugeln die Einrastseg-mente nicht vollständig verlassen können.Eine weitere Kupplungsvariante bietet die au-tomatische, winkelsynchrone Wiedereinras-tung (Abb. 36). Für den Fall, dass die Kupp-lung ausrastet, wird hier der Stößel mit der

Bestimmung des Winkelabstands

Dadurch wird der Stößel im Schaltsegment nach dem Ausrasten nicht festgehalten. Die Federkraft wirkt weiterhin direkt auf die Ku-gel und auf die Kugellauffläche. Wenn sich die Kupplungshälften in der richtigen Position zu-einander befinden, rasten alle Segmente wie-der selbsttätig ein. Da die Bauteile durch die dauerhaft wirkende Federkraft relativ großen Belastungen ausgesetzt sind, ist ein sofortiger Stopp des gesamten Antriebsstrangs bei Aus-lösen der Kupplung empfohlen. Die Lebens-dauer der Kupplung würde ansonsten stark re-duziert. Das ist auch der Grund, weshalb sich diese Variante lediglich für Anwendungen mit sehr geringen Drehzahlen eignet. Durch An-

Für geringe Drehzahlen geeignet

Abb. 35:Schaltsegment mit automatischer Wiedereinrastung in eingerastetem (links) und ausgerastetem (rechts) Zustand

Abb. 36:Kugel-Rast-Modul-Kupplung mit Frei-schaltfunktion und automatischer Wiedereinrastung

Einrastsegment Tellerfederpaket

Stößel

58 Auswahlkriterien und Eigenschaften Freischaltende Ausführung 59

Kugel in ausgerasteter Position gehalten. Die Drehmomentübertragung ist damit vorerst dauerhaft getrennt. Die Drehung des Antriebs-strangs kann auslaufen, ohne dass eine Brem-sung nötig ist. Nachdem die Kupplung zum Stillstand gebracht und die Störungsursache(n) beseitigt wurden, kann die Kupplung wieder eingerastet werden. Dazu ist die Kupplung langsam, bei ca. 1 U/min anzufahren, und zwar entgegen der Drehrichtung, in der die Kupplung ausgerastet ist. Sobald die Kupp-lungshälften zueinander den Einrastpunkt er-reicht haben, rasten alle eingesetzten Module selbsttätig wieder ein. Diese Schaltvariante kombiniert die Vorteile einer freischaltenden Kupplung mit den Vorteilen einer Kupplung mit automatischer Wiedereinrastung. Die Drehmomentübertragung der Kupplung ist nach dem Ausrasten dauerhaft getrennt und gleichzeitig ist kein direkter Zugriff an der Kupplung nötig, um diese wieder in Eingriff zu bringen. Die Funktion der Sperrsegmente in den Schaltsegmenten übernimmt ein geschlossenes hydraulisches System. Dieses arbeitet mit zwei Kammern, die im eingerasteten Zustand miteinander verbunden sind (Abb. 37a). Durch die Federkraft wird der Großteil der Hydraulikflüssigkeit in die obere Kammer ge-drückt. Rastet die Kupplung aus, wird die Flüssigkeit über ein Rückschlagventil in die untere Kammer gedrückt und dort gehalten (Abb. 37b). Da die Verbindung der Kammern nun unterbrochen ist, kann die Flüssigkeit nicht zurück in die obere Kammer fließen. Der Stößel wird so in Position gehalten und rastet nicht wieder automatisch ein. Wird nun die Kupplung langsam entgegen der Ausrastdreh-richtung gedreht, wird bei Erreichen der kor-rekten Position über eine Mechanik ein Ventil in der Hydraulik geöffnet. Das Öffnen des

Anfahren entgegen der Aus-rastdrehrichtung

Zweikammern-system

Ventils stellt die Verbindung beider Kammern miteinander wieder her. Da die Kraft der Tel-lerfedern weiterhin auf den Stößel wirkt, wird dieser zurück nach unten gedrückt. Dabei strömt das Öl zurück in die obere Kammer. Durch die Mechanik, die sich an einer Position im Umfang der Kupplung befindet, wird das Ventil geöffnet. Diese Öffnung an nur einer speziellen Position der Kupplung gewährleis-tet eine winkelsynchrone Wiedereinrastung. Ein positiver Nebeneffekt dieser Variante ist, dass die mechanisch beanspruchten Sperrseg-mente entfallen und die Module somit noch weniger gegen Verschleiß anfällig sind. Für eine Überwachung des Schaltzustands kann bei allen Varianten mit Wiedereinrastung eine spezielle Schaltscheibe angebracht wer-den, deren Position mit einem Näherungs- bzw. Endschalter kontrolliert wird.

Freischaltende AusführungWie bei den Funktionsprinzipien mit automati-scher Wiedereinrastung wird auch bei der frei-schaltenden Ausführung zwischen den feder-vorgespannten Kugel-Rast-Kupplungen und den Kugel-Rast-Modul-Kupplungen unter-schieden.Während die für Applikationen bis 3000 U/min eingesetzten automatisch wiedereinrastenden

Abb. 37:Freischaltendes Schaltsegment mit automatischer, winkelsynchroner Wiedereinrastunga) Eingerastete

Grundstellungb) Ausrastung

a b

Kammer 1

Kammer 2

Ventil geöffnet

Ventil geschlossen


Kugel-Rast-Sicherheitskupplungen je nach Winkelgrad in jeder Umdrehung mindestens einen Einrastpunkt aufweisen, benötigt man für Applikationen mit Drehzahlen über 3000 U/min ein anderes Funktionssystem. Dieses wird als sogenannte Freischaltausfüh-rung bezeichnet. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen wiedereinrastenden Ausführun-gen springt bei der Freischaltausführung die Tellerfeder bei Überlast in der Sicherheits-kupplung komplett um (Abb. 38a). Somit läuft die Kupplung frei durch. Dies gilt für nahezu alle Kupplungsgrößen. Die Schwung-massen können dadurch auf der An- oder Ab-triebsseite frei auslaufen. Sobald die Überlast beseitigt ist, kann die Wiedereinrastung über

einen Hebel erfolgen (Abb. 38b). Abbildung 39 zeigt das Beispiel einer Sicherheitskupp-lung in Freischaltausführung.Bei Drehzahlen bis 10 000 U/min sowie klei-neren Kupplungsgrößen ist es nicht notwen-dig, die Kupplungen zu wuchten. So ist das

Eindrückkraft

Freidrehung derEinstellmutter

Feder(umge-

sprungen)

SchaltwegEndschalter

Feder

Hebel(Schraubendreher)

a

b

ein-gerastet

aus-gerastet

Abb. 38: a) Prinzipdarstellung

der Tellerfeder im ein- und ausgeras-teten Zustand

b) Wiederinbetrieb-nahme der Sicher-heitskupplung un-ter axialem Druck

Wiedereinrasten der Kupplung nach beispiels-weise 60° möglich. Bei Drehzahlen von deut-lich mehr als 10 000 U/min, wie sie in Prüf-ständen auftreten, ist hingegen eine Feinwuch-tung der Kupplung erforderlich. Feingewuch-tete Kupplungen können aus Gründen der Un-wuchtverteilung allerdings erst nach genau 360° wieder eingerastet werden. Bei einer Ein-rastung nach beispielsweise 180° wäre die Massenverteilung verschoben. In Applikatio-nen mit derartig hohen Drehzahlen werden die Kupplungen meist durch Glocken oder Ab-deckungen geschützt. Das Freischaltprinzip, wie es bei den Kugel-Rast-Kupplungen zum Einsatz kommt, kann bei der Modulbauweise nicht verwendet wer-

Feinwuchtung bei mehr als10 000 U/min

Abb. 39:Freischaltausführung für frei auslaufende Schwungmassen


den, da das komplette Umspringen der Teller-federn nur im degressiven Bereich der Teller-federkennlinie möglich ist. Die Federpakete in den Schaltsegmenten nutzen hingegen den progressiven Kennlinienbereich und werden zusammen mit den Sperrsegmenten verwen-det, um eine freischaltende Funktionsweise zu ermöglichen. Die Sperrsegmente liegen im eingerasteten Zustand des Schaltsegments auf der schrägen Fläche des Stößels auf und dienen zur Weitergabe der Vorspannkraft des Federpakets an diesen (Abb. 40a). Wird das Schaltsegment zum Ausrasten gebracht, schieben sich die Sperrsegmente vom Stößel nach oben und zur Seite. Die Sperrsegmente bewegen sich so lange weiter, bis deren Ab-stand zueinander groß genug ist, um den grö-ßeren Durchmesser des Stößels zwischen sich aufzunehmen. Durch die Federkraft und die konischen Anlageflächen der Sperrsegmente werden diese nach innen auf den Durchmes-ser des Stößels gedrückt. Die von den Sperr-segmenten auf den Stößel allseitig aufge-brachte Radialkraft hält diesen in ausgeraste-ter Position (Abb. 40b). Zur Wiederinbetriebnahme der Kupplung werden die Kupplungshälften in eine der Ein-rastpositionen gebracht (alle 40° oder alle

Freischalt-prinzip von Kugel-Rast- Modulen

120°). Ist diese erreicht, wird jedes Schaltseg-ment durch Krafteinwirkung auf den Stößel eingerastet. Das kann sowohl mit einem Schonhammer (Abb. 40c), mit einem Hebelei-sen und den speziell dafür vorgesehenen Ein-stich am Kupplungsumfang oder mit einer Ein- und Ausrastvorrichtung (siehe Kap. »Zu-satzkomponenten«, S. 82 ff.) erfolgen. Kommt eine spezielle Schaltscheibe zum Einsatz, kann der Einrastvorgang aller Schaltsegmente gleichzeitig mithilfe eines Hebeleisens durch-geführt werden. Sind alle Schaltsegmente wieder im Eingriff, überträgt die Kupplung das volle Drehmoment.Wie Kugel-Rast-Kupplungen in freischalten-der Ausführung sind auch die Kugel-Rast- Modul-Kupplungen in Freischaltausführung vor allem für höhere Drehzahlen geeignet. Den-noch empfiehlt sich der Einsatz einer frei-schaltenden Kugel-Rast-Modul-Kupplung auch bereits bei deutlich geringeren Drehzahlen, da im Schwerlastbereich größere Schwung-massen und Bauteilbelastungen frühzeitiger zu starken Verschleißerscheinungen führen. Die freischaltende Ausführung von Kugel-Rast- Modul-Kupplungen kann ebenfalls mittels Schaltscheibe und Näherungsschalter überwacht werden und so ein Signal zur automatischen Abschaltung einer Anlage liefern. Unabhängig von der Überwachungsart ist darauf zu achten, dass beim Auslösen der Kupplung immer eine automatische Notabschaltung integriert sein sollte.

Einrast- werkzeuge

Automatische Notabschaltung

Abb. 40:Freischaltfunktion eines Kugel-Rast-Modulsa) Eingerastete

Grundstellungb) Freilaufc) Einkuppelvorgang

mit Hammer

a b c

Stößel

Sperrsegment Tellerfederpaket

Starre Sicherheitskupplungen 6564

Sicherheitskupp-lungstypenWie bereits eingangs beschrieben, werden Si-cherheitskupplungen verwendet, um bei Stö-rungen in der Maschine diese zu schützen und somit hohe Folgekosten zu vermeiden. Des-halb kommen sie im Bereich des allgemeinen Maschinenbaus immer häufiger zum Einsatz. Je nach Anwendung und je nach den spezifi-schen Eigenschaften des gesamten Antriebs-strangs müssen Sicherheitskupplungen heute sehr flexibel sein und sich an die für den ein-zelnen Anwendungsfall geforderten Parameter problemlos anpassen lassen. Sicherheitskupp-lungen lassen sich in fünf Klassen unterteilen.

Starre SicherheitskupplungenStarre Sicherheitskupplungen kommen in indi-rekten Antriebssträngen zum Einsatz. Diese Antriebsart zeichnet sich dadurch aus, dass die gesamte Einheit des Antriebsstrangs nicht auf

Fünf Klassen

einer gemeinsamen Achse positioniert ist. Das an der Motorwelle (Antriebsseite) erzeugte Drehmoment wird über einen Riemen oder über Zahnräder auf die Abtriebsseite übertra-gen. Die Zahnriemenräder sind meist direkt auf der Motorwelle mit Spannelementen kraft-schlüssig befestigt. Ist eine Absicherung des Antriebsstrangs durch eine Sicherheitskupp-lung notwendig, wird diese meist aus Platz-gründen durch Spannelemente wie beispiels-weise Klemmnaben oder Konusspannelemente an die Motorwelle angebunden (Abb. 41). Mo-dulare Sicherheitskupplungen werden für den Schwerlastbereich auch häufig mit einer Pass-federanbindung versehen (Abb. 42). Die Zahn-

Einsatz in indirekten Antrieben

Abb. 41:Sicherheitskupplung zwischen einem Servomotor und einem Riemenrad

riemenscheibe oder das Kettenrad werden di-rekt auf die andere Kupplungsseite montiert. Somit sitzt das Ausrastsystem der Kupplung direkt im Hauptantriebsstrang und sorgt für ei-nen zuverlässigen Schutz der Maschine.Starre Sicherheitskupplungen verfügen über keine Ausgleichselemente wie beispielsweise Metallbalg oder Elastomerkranz. Somit kön-

Abb. 42:Starre Kugel-Rast-Modul-Kupplung für den Einsatz mit indirektem Antrieb

66 Sicherheitskupplungstypen Torsionssteife Sicherheits kupplungen 67

nen in vielen Fällen die sonst benötigten Lager (vor und hinter der Kupplung) entfallen. Die durch die Riemenspannung verursachten Querkräfte sind bis zu einem gewissen Maß (hängt von der Kupplungsgröße ab) vernach-lässigbar. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch das Fehlen des Ausgleichselements. Es kommt zu keiner Verdrehung innerhalb der Kupplung. Somit wird die Synchronität des Antriebsstrangs durch die Kupplung nicht be-einträchtigt.

Torsionssteife Sicherheits-kupplungenTorsionssteife Sicherheitskupplungen werden in der Regel zwischen zwei Wellen, Zapfen oder Flanschen eingesetzt und zeichnen sich im Allgemeinen durch eine sehr hohe Verdreh-steifigkeit aus. Sie können in zwei Gruppen unterteilt werden. Die erste Gruppe bilden die einteiligen torsi-onssteifen Sicherheitskupplungen. Hier be-steht die Kupplung aus zwei Naben, die zur Anbindung an die Welle benötigt werden, dem Sicherheitselement sowie dem Edelstahlme-tallbalg (Abb. 43). Letzterer übernimmt zwei Funktionen im Antriebsstrang. Zum einen

Einteilige Kupplungen

überträgt er eine Drehbewegung, zum anderen kompensiert er auftretende Fluchtungsfehler. Diese Ausgleichsfunktion spielt eine wesentli-che Rolle im gesamten Antriebsstrang. Würde das Drehmoment über eine starre Anbindung der beiden Wellen übertragen, wären die be-dingt durch den Versatz auftretenden Rück-stellkräfte möglicherweise zu groß und könn-ten Lagerschäden verursachen. Der Metallbalg ist innerhalb der Gruppe der torsionssteifen Si-cherheitskupplungen eines der wenigen Aus-gleichselemente, das alle drei möglichen Ver-satzarten, Axial-, Angular- und Lateralversatz, gleichzeitig kompensieren kann. In Stan-dardanwendungen lassen sich bei Angularver-sätzen Ausgleichswerte von bis zu 2°, bei Lateralversätzen Ausgleichswerte von bis zu 1 mm erreichen. Diese können allerdings noch durch eine Erhöhung der Wellenanzahl des Metallbalgs vergrößert werden. Für Sonder-lösungen werden beispielsweise Metallbälge mit bis zu 20 Wellen gefertigt.Bei großen Drehmomenten, bei denen die mo-dulare Bauweise zum Einsatz kommt, werden neben Metallbalgkupplungen entweder Stahl-lamellenkupplungen oder flexible Zahnkupp-lungen mit dem Sicherheitsteil kombiniert. Stahllamellenkupplungen (Abb. 44) sorgen für eine torsionssteife Drehmomentübertra-gung und sind dabei spiel- und wartungsfrei. In der Regel bestehen sie unter anderem aus zwei Naben, die meist mittels einer Passfeder-anbindung mit den Wellen verbunden werden. Weitere Nabenvarianten sind Konusklemm- und Flanschnaben. Je nach Bedarf bestehen die Kupplungen außerdem aus einem oder aus zwei Lamellenpaketen. Bei Einsatz von zwei Paketen ist ein Zwischenstück notwendig. Für torsionssteife Kugel-Rast-Modul-Kupplungen wird in der Regel die Ausführung mit zwei Lamellenpaketen und Zwischenstück einge-

Metallbalg-kupplungen

Stahllamellen-kupplungen

Abb. 43:Torsionssteife Sicherheitskupplung


setzt. Die Lamellen werden aus Federstahl mit genau definierter Geometrie gefertigt. Durch Änderung der Lamellenanzahl in den Paketie-rungen können die Eigenschaften der gesam-ten Kupplung beeinflusst werden. Das Lamel-lenpaket wird mit Schrauben an einer Nabe befestigt. An das Lamellenpaket wird, je nachdem ob ein oder zwei Pakete verwendet werden, entweder die zweite Nabe oder das Zwischenstück angeschraubt. Das zweite Pa-ket wird auf der einen Seite mit dem Zwi-schenstück und auf der anderen Seite mit der zweiten Nabe verschraubt. Die Schraubenver-bindung bietet eine spielfreie Drehmoment-übertragung von der ersten Nabe zum Lamel-lenpaket und weiter bis zur zweiten Nabe. Durch die einzelne Schichtung der Lamellen kann die Kupplung sowohl angularen als auch axialen Wellenversatz ausgleichen. Der Ein-satz von zwei Paketen ermöglicht darüber hin-aus den Ausgleich von lateralem Versatz. In der Ausführung mit zwei Lamellenpaketen gleicht die Kupplung axialen Wellenversatz bis zu 3 mm und angularen Wellenversatz bis zu 1° aus. Der mit einer solchen Kupplung ausgleichbare laterale Wellenversatz hängt von der Länge des Zwischenstücks ab und

Lamellenzahl beeinflusst Eigenschaften

kann im Bereich von mehreren Millimetern liegen. Da die Stahllamellenkupplung voll-ständig aus Stahl besteht, eignet sie sich auch für hohe Temperaturen.Flexible Zahnkupplungen (Abb. 45) ermögli-chen ebenfalls eine torsionssteife Drehmo-mentübertragung. Die verschleißarme Arbeits-weise dieser Kupplungen erlaubt große War-tungsintervalle und stellt eine lange Lebens-dauer sicher. Aufgebaut ist sie aus zwei bogenförmig außenverzahnten Naben, die mit einem über die Naben geschobenen Zwischen-stück mit beidseitiger gerader Innenverzah-nung miteinander verbunden sind. Die Wel-lenanbindung erfolgt mittels Passfederverbin-dungen oder Schrumpfpassungen. Durch die Bogenverzahnung der Naben und die gerade Verzahnung des Zwischenstücks sind die Na-ben innerhalb der Verzahnung des Zwischen-stücks kippbar. Dadurch ist die Kupplung in der Lage, Winkelversatz bis zu 1,2° und Late-ralversatz bis zu 10 mm auszugleichen. Die langgezogene Verzahnung des Zwischenstücks ermöglicht den Ausgleich von axialem Wel-lenversatz bis zu 8 mm. Da sich bei dieser Kupplung bei Versatz die Bauteile nicht ver-formen, sondern lediglich ihre Lage zueinan-

Flexible Zahn-kupplungen

Abb. 44:Torsionssteife Kugel-Rast-Modul-Kupplung mit Stahllamellen

Abb. 45:Torsionssteife Kugel-Rast-Modul-Kupplung mit kombinierter Bogen-zahnkupplung


der ändern, verursacht sie nur sehr geringe Rückstellkräfte. Die Verzahnungen werden zur Reduzierung der Reibung und des Verschlei-ßes mit Fett geschmiert. Durch einen O-Ring wird ein Austreten des Fetts nach außen ver-hindert. Um eine gleichmäßige Schmierung der gesamten Verzahnung zu ermöglichen, ist ein gewisser Wellenversatz nötig. Ohne diesen erhöht sich der Verschleiß mit der Folge, dass sich die Lebensdauer der Verzahnung redu-ziert. Durch eine spezielle Verzahnungsgeo-metrie mit konkaven Zahnformen kann jedoch dafür gesorgt werden, dass bereits bei sehr ge-ringem Wellenversatz eine optimale Schmie-rung erreicht wird. Bei den Verbindungen der Sicherheitsteile mit den Ausgleichselementen (Metallbalg, Lamel-len, Verzahnung etc.) kommen ebenfalls unter-schiedliche Methoden zum Einsatz. Die Ver-bindung zwischen den Naben, dem Sicher-heitsteil und dem Edelstahlmetallbalg erfolgt bis zu einem Nenndrehmoment von 500 Nm über eine doppelseitige Klebeverbindung, ab einem Nenndrehmoment von 500 Nm über eine Schweißverbindung. Alle torsionssteifen Sicherheitskupplungen werden auf speziell an-gefertigten Dornen endmontiert, um eine gute Rundlaufgenauigkeit und Laufruhe sicherzu-stellen und somit auf die Lager wirkende Rückstellkräfte nach Einbau in den Antriebs-strang zu minimieren. Es ist dadurch möglich, die Zeitintervalle für erforderliche Wartungs-arbeiten zu verlängern. Die Naben werden ent-weder aus hochfestem Aluminium, aus Stahl oder aus Edelstahl gefertigt (Abb. 46). Diese Materialien können noch zusätzlich durch Ver-nickeln, Verchromen, Nitrocarburieren oder Oxidieren veredelt werden.Bei allen modular aufgebauten Schwerlast- Sicherheitskupplungen, ob torsionssteif oder schwingungsdämpfend, werden die Aus-

Klebe- oder Schweiß- verbindung

gleichselemente mithilfe von Flanschverbin-dungen mit den Sicherheitsteilen verbunden. Dies bietet Vorteile bei der Handhabung und dem Transport der Kupplung, da bei Bedarf das Sicherheitsteil vom Ausgleichselement ge-trennt werden kann. Bei großen Kupplungen für den Schwerlastbereich ist das ein nicht zu vernachlässigender Aspekt. In der Stan-dardausführung werden alle Komponenten des Sicherheitsteils nitrocarburiert, wodurch sie bereits Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Die Ausgleichsteile bestehen bei Lamellen-kupplungen entweder aus Stahlteilen oder bei flexiblen Zahnkupplungen aus brüniertem Stahl, der bereits einen gewissen Korrosions-schutz bietet. Weitere Ausführungen mit Edel-stahlbauteilen, chemischen oder galvanischen Beschichtungen oder Lackierungen sind eben-falls möglich, um den jeweils nötigen Korrosi-onsschutz zu erreichen.Bei einteiligen torsionssteifen Sicherheitskupp-lungen sind das Sicherheitsteil und das Aus-gleichselement bei Anlieferung und Betrieb der Kupplung fest miteinander verbunden. Diese Verbindung kann bei Kugel-Rast-Kupplungen nicht, bei Kugel-Rast-Modul-Kupplungen nur im Stillstand durch Lösen der Flanschschrauben getrennt werden. Sie können für einen Dreh-

Flansch- verbindung

Abb. 46:Sicherheitskupplung in Edelstahlausfüh-rung mit Korrosions-schutz


momentbereich zwischen 0,01 und 160 000 Nm und einem Bohrungsdurchmesserbereich von 3 bis 290 mm eingesetzt werden.Die zweite Gruppe der torsionssteifen Sicher-heitskupplungen ist durch die Zusatzfunktion »Steckbarkeit« gekennzeichnet. Steckbare Kupplungen eignen sich insbesondere für komplexe, schwer zugängliche Montagen, da durch das einfache Zusammenstecken der bei-den vorab montierten Kupplungshälften auf-wändige Montagebohrungen für die Klemm-schrauben der Kupplungsnaben und im De-montagefall das Suchen und Justieren der Schraubenposition entfallen. Die Kupplung lässt sich ohne Lösen der Schrauben einfach nach hinten abziehen. Somit können im Ver-gleich zu den einteiligen Sicherheitskupplun-gen die Montage- bzw. Demontagezeiten um bis zu 80 % verkürzt werden.Das Stecksegment, welches das Zusammenste-cken beider Kupplungshälften ermöglicht, be-steht aus einem speziellen Hochleistungsther-moplast, der sich aufgrund seiner Zusammen-setzung für höchste mechanische, chemische und thermische Belastungen eignet. Setzt man dem Kunststoff 40 % Glasfasern zu, lassen sich Festigkeiten wie jene von Stahl erreichen.Das Prinzip der steckbaren Sicherheitskupp-lung nutzt die axiale Federwirkung des Metall-balgs, um ein Konusstecksegment in einem Gegenstück axial vorzuspannen (Abb. 47). Bei dem Konusstecksegment handelt es sich um ein Kunststoffelement, das in eine der beiden Naben integriert ist. Es verfügt über selbstzen-trierende Mitnehmernasen, die sich in die Ver-tiefungen der im Metallbalg befindlichen Ko-nusaufnahme drücken lassen. Bereits eine axi-ale Vorspannung des Metallbalgs von 0,2 mm gewährleistet eine absolut spielfreie Dreh-momentübertragung. Das selbstnachstellende Konusstecksegment garantiert einen verschleiß-

Steckbare Kupplungen

Hochleistungs-thermoplast

Axiale Vor- spannung des Stecksegments

und wartungsfreien Dauerbetrieb. Die Kombi-nation Balganbau und glasfaserverstärktes Kunststoffstecksegment stellt die Steifigkeit der Kupplung sicher. Darüber hinaus wirkt die Sicherheitskupplung elektrisch isolierend und leicht schwingungsdämpfend. Speziell für hohe Temperaturbereiche kom-men steckbare, geschweißte Metallbalgkupp-lungen zum Einsatz, bei denen alle Bauteile aus Stahl bestehen. Bei dieser Kupplungsaus-führung wird die stets spielfreie Drehmoment-übertragung durch eine spezielle Geometrie an den Stecksegmenten und der Aufnahme gewährleistet.Modul-Kupplungen in steckbarer Ausführung sind zwar auf dem Markt nicht verfügbar, je-doch lassen sich diese Kupplungen im Allge-meinen an der Flanschverbindung zwischen Sicherheitsteil und Ausgleichsteil teilen und tragen somit ebenfalls zur Vereinfachung der Montage bei.Mit steckbaren Sicherheitskupplungen lassen sich Drehmomentbereiche von 0,1 bis 1500 Nm und Bohrungsdurchmesser von 3 bis 80 mm abdecken. Als Klemmverbindungen fungieren Klemmnaben mit gemäß ISO 4762 ausgeführ-ten seitlichen Schrauben oder axial montierbare Konusklemmnaben mit einer hohen Betriebs-sicherheit.

Teilbarkeit

Abb. 47:Steckbare und spielfreie Sicher-heitskupplung

74 Sicherheitskupplungstypen Schwingungsdämpfende Sicherheitskupplungen 75

Schwingungsdämpfende Sicher-heitskupplungenAuch bei den schwingungsdämpfenden Si-cherheitskupplungen werden zuerst die feder-vorgespannten Kugel-Rast-Kupplungen und anschließend die Kugel-Rast-Modul-Kupplun-gen vorgestellt.Schwingungsdämpfende Kugel-Rast-Kupplun-gen verfügen über einen Elastomerkranz aus thermoplastischem Polyurethan (TPU), der die zwischen dem Sicherheitselement mit Klemm-nabe und der zweiten Kupplungshälfte auftre-tenden Antriebsschwingungen dämpft (Abb. 48). Aufgrund der federelastischen Eigenschaf-ten des Elastomerkranzes ist dieser Kupp-lungstyp in der Lage, Achsversätze, Schwingun-gen und Stöße zu kompensieren. An der Stirn-seite des Elastomerkranzes angebrachte Nocken sorgen darüber hinaus für ein gutes elektrisches Isolationsverhalten der Kupplung.Das gute Dämpfungsvermögen wirkt sich in Anlagen, die häufigen Stoß-, Wechsel- oder

Elastomerkranz aus TPU

Schwingungsbelastungen ausgesetzt sind, po-sitiv auf die Lebensdauer der verbundenen Maschinenteile aus, allerdings nur dann, wenn die Kupplungselemente über eine ausreichende Rundlaufgenauigkeit verfügen. Dies betrifft insbesondere die Lage der Klauen zur Rotati-onsachse. Ungenau gefertigte Naben weisen schlechtere Rundlaufeigenschaften auf, die auf die Drehachsen wirkende Querkräfte zur Folge haben.Bei geringen Schwingungen oder leichten Stoßbelastungen kann ein Elastomerkranz mit geringem Dämpfungsvermögen (hohe Torsi-onssteifigkeit), bei stark schwingenden Syste-men oder ausgeprägten Stoßbelastungen ein Elastomerkranz mit hohem Dämpfungsvermö-gen (niedrige Torsionssteifigkeit) eingesetzt werden. Der Grad der Elastomerkranzhärte wird wie bei allen elastischen Materialien mit-tels der Shorehärte festgelegt. Für die Härte-einstufung gibt es zwei unterschiedliche Prüf-verfahren. Das Shore-A-Prüfverfahren misst die Eindringtiefe einer Kugel in den Prüfling, das Shore-D-Verfahren die Eindringtiefe einer spitzen Pyramide in den Prüfling. »Weiche« Elastomere werden nach dem Shore-A-Verfah-ren, »harte« Elastomere dagegen nach dem Shore-D-Verfahren gemessen. Für die Elasto-merkränze kommen zwei Materialien zum Einsatz: Einerseits thermoplastische Polyure-thane, die als Standardmaterial gelten. Sie eig-nen sich für einen Temperaturbereich von –30 bis +120 °C und decken damit 90 % aller An-wendungen ab. Andererseits Hytrel-Materia-lien, die über einen speziellen Aufbau verfü-gen und vor allem bei Anwendungen mit stark schwankenden Temperaturen (–60 bis +150 °C) eingesetzt werden. Als Standardwerte für den allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau gelten die Shorehärten 98 Sh A, 64 Sh D und 80 Sh A.

Gute Rundlauf-genauigkeit

Zwei Materialien

Shorehärten

Sicherheitsbauteil Klemmnabe

KlaueElastomerkranz

Abb. 48:Schwingungs-dämpfende Sicher-heitskupplung

76 Sicherheitskupplungstypen Low-Cost-Sicherheitskupplungen 77

Damit eine gute Steckbarkeit der Kupplung gewährleistet werden kann, sind die Elasto-merkränze kalibriert. »Diese Kalibrierung be-steht darin, die Kränze künstlich vorzualtern. Aus der künstlichen Voralterung resultiert eine vergrößerte Auflagefläche des Kranzes, die dazu führt, dass die Druckbelastung auf den Kranz, (…), nicht mehr punktuell, sondern über eine größere Fläche verteilt wirkt. Durch die großflächigere Verteilung wird der Kranz wesentlich weniger belastet (geringer Ver-schleiß) und damit die Lebensdauer der Kupp-lung erhöht.« (aus: Wolf, Tobias; Rimpel, An-dreas; Wöber, Michael: Präzisionskupplungen und Gelenkwellen. Hochgenaue Verbindungs-elemente für die Antriebstechnik. Die Biblio-thek der Technik, Bd. 297. München: sv cor-porate media, 2006. S. 38)Schwingungsdämpfende Schwerlast-Sicher-heitskupplungen modularen Aufbaus nutzen Gummiteile (Abb. 49). Anstelle eines einteili-gen Kranzes sind die Teile aus mehreren Seg-menten aufgebaut, um diese leichter handhaben zu können. Das Material der Segmente besteht aus verschiedenen Kautschukarten, deren Aus-wahl sich nach den Anforderungen richtet, die an die Kupplung gestellt werden. So weist die

Künstliche Voralterung

Standardausführung, eine Mischung aus Natur- und Synthesekautschuk, sehr gute Abriebfestig-keit bei einer Shorehärte von 75 bis 80 Sh A und Umgebungstemperaturen von –40 °C bis +80 °C auf. Darüber hinaus werden zwei wei-tere Varianten angeboten: Die erste besteht aus Synthesekautschuk und bietet eine hohe Be-ständigkeit gegen Mineralöle und Treibstoffe bei einer Shorehärte von 73 bis 78 Sh A und Umgebungstemperaturen von –40 °C bis +100 °C. Die zweite, bestehend aus Silikonkaut-schuk, ermöglicht den Betrieb innerhalb eines großen, von –70 °C bis +120 °C reichenden, Temperaturbereichs und weist eine Shorehärte von 70 bis 75 Sh A auf. Wie bei den torsions-steifen modularen Sicherheitskupplungen wird auch bei den schwingungsdämpfenden das Ausgleichsbauteil mit einer Flanschverbindung am Sicherheitsteil befestigt.Schwingungsdämpfende Sicherheitskupplun-gen eignen sich für einen Drehmomentbereich von 2 bis 160 000 Nm. Die Bohrungsdurch-messer der Naben reichen von 3 bis 290 mm. Je nach Anwendungsanforderungen werden Naben aus Aluminium, Kunststoff, Stahl, Guss oder Edelstahl zur Anbindung an die Welle eingesetzt. Die Nabenoberfläche kann durch Vernickeln oder Eloxieren veredelt werden.

Low-Cost-SicherheitskupplungenLow-Cost-Sicherheitskupplungen (Abb. 50) finden Anwendung vor allem in Bereichen, in denen robuste bzw. einfache Überlastsysteme gefordert werden und eine kostengünstige Lösung im Vordergrund steht. Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Kupplungstypen arbeiten diese Kupplungen auf der Basis eines abgewandelten Kugel-Kalotten-Prinzips. Über vorgespannte Tellerfedern wird axial eine ex-akt definierte Kraft auf zwei übereinander lie-

Segment-material

Abgewandeltes Kugel-Kalotten-Prinzip

Abb. 49:Schwingungs-dämpfende Modul-Sicherheitskupplung

78 Sicherheitskupplungstypen Low-Cost-Sicherheitskupplungen 79

gende Kugelreihen ausgeübt. Im eingerasteten Zustand entsteht eine formschlüssige Verbin-dung, über die das Nenndrehmoment übertra-gen wird. Tritt in der Applikation aufgrund ei-ner Störung oder beispielsweise eines zu ho-hen Beschleunigungsmoments eine Überlast auf, so ist diese größer als die definierte axi-ale Federkraft, welche die Kugelreihen inein-ander presst. Dadurch werden die im soge-nannten Grundkörper sitzenden Kugeln nach oben aus dem Zwischenraum der Kugeln der Kupplungsnabe gedrückt (Abb. 51). Die Kupplung rastet durch. Dieser Zustand hält für die Dauer der Überlastsituation an. Erst wenn das Drehmoment abfällt und nicht mehr die eingestellte Federkraft des vorgespannten Systems übersteigt, rastet die Kupplung auto-matisch wieder ein.Nach heutigem Stand der Technik gefertigte Sicherheitskupplungen erfordern ein Lager zwischen Kupplungskörper und Anbau-flansch. Dieses führt das Sicherheitssegment während des Ausrastvorgangs, um axiale Ver-schiebungen bzw. Bewegungen in der Kupp-lung selbst zu verhindern. Inzwischen ist je-doch ein Funktionsprinzip entwickelt wor-den, das kein Lager benötigt. Die Zentrierung des Grundkörpers zur Kupplungsnabe erfolgt hier automatisch, da sich die Teilkreise der

Kugeln um einige Millimeter voneinander unterscheiden. Abbildung 52 zeigt die Ver-spannung bzw. Zentrierung der beiden Kugel-reihen zueinander.Im Gegensatz zu herkömmlichen Sicherheits-kupplungen, die über einen Einstellbereich verfügen, wird bei den Sicherheitskupplungen mit modifiziertem Kugel-Kalotten-Prinzip das Ausrastdrehmoment im Werk definiert einge-stellt. Eine Korrektur oder Veränderung des Werts erfolgt in der Regel durch den Herstel-ler. Deshalb benötigt dieser vom Kunden das gewünschte Ausrastdrehmoment vor Beginn der Fertigung. Dieser Sicherheitskupplungstyp

Definierte Voreinstellung

Abb. 50:Low-Cost-Sicher-heitskupplungen für Drehzahlen bis 200 U/min

Sch

altw

eg

eingerastet

ausgerastet

Abb. 51:Darstellung des abgewandelten Kugel-Kalotten- Prinzips

Abb. 52:Zentrierung der beiden Kugelreihen zueinander

arbeitet aufgrund seines speziellen Designs (Kugel auf Kugel) nahezu verschleißfrei und erreicht Ausrasttaktzahlen von mehr als 100 000. Somit bietet diese Kupplungsvariante eine echte Alternative zu Reibschluss- oder Magnetkupplungen.Sicherheitskupplungen in Low-Cost-Ausfüh-rung werden derzeit für Ausrastdrehmomente von 1 Nm bis 150 Nm gefertigt, die Bohrungs-durchmesser können innerhalb eines Bereichs

80 Sicherheitskupplungstypen Sicherheitsgelenkwellen 81

von 6 bis 38 mm frei gewählt werden. Wegen der axialen Bewegung der Kupplung bei Über-last ist ein Hubweg von 1 bis 2 mm bei jeder Ausrastung zu berücksichtigen.

SicherheitsgelenkwellenGelenkwellen oder sogenannte Zwischenach-sen werden zur Überbrückung von großen Wellenabständen eingesetzt. Konventionelle Lösungen enthielten früher oft ein Zwischen-lager oder einen Lagerbock zur Abstützung im Antriebsstrang. Heute gefertigte hochgenaue und deshalb sehr laufruhige Gelenkwellen können inzwischen bis zu 8 m Länge ohne Zwischenabstützung betrieben werden. Für den Anwender bedeutet der Einsatz von Präzisionsgelenkwellen eine deutliche Verkür-zung der Montagezeiten, weil die zeitaufwän-dige Ausrichtung der Zwischenlager entfällt und somit eine spürbare Kosteneinsparung er-reicht wird. Hochgenaue Gelenkwellen kön-nen heute mit einer integrierten Sicherheits-kupplung ausgestattet werden, die bei Störung durch Überlast die An- und Abtriebsseite schnell voneinander trennt.

Überbrückung großer Wellen-abstände

Die Einbindung der Sicherheitskupplung in die Gelenkwelle erspart dem Anwender ein separates Bauteil, das meist zusätzliche Abstütz-elemente wie zum Beispiel Lager erfordert, und verringert deutlich den Platzbedarf. Abbil-dung 53 zeigt schematisch den herkömm-lichen Aufbau mit separater Sicherheitskupp-lung im Vergleich zu einer Gelenkwelle mit integrierter Sicherheitskupplung, Abbildung 54 das Foto einer Gelenkwelle mit integrierter Sicherheitskupplung.

Sicherheitskupplung(separat)

Sicherheitskupplung(integriert)

1 m

1 mLagerblock

Zwischenachse

Zwischenachse

a

b

Abb. 53:Darstellung einer Gelenkwelle mit separater (a) und integrierter (b) Sicherheitskupplung

Abb. 54:Gelenkwelle mit inte-grierter Sicherheits-kupplung für Distan-zen von bis zu 4 m

82 Werkzeuge zum Einstellen des Ausrast drehmoments 83

ZusatzkomponentenWirkt eine Überlast auf die Kupplung, erfolgt eine Zwangstrennung zwischen der An- und Abtriebsseite. Diese Störung muss schnells-tens über Sensoren an die Motorsteuerung weitergegeben werden. Diese Sensoren wer-den von den Anbietern passend zu den jeweili-gen Kupplungsgrößen mit angeboten.

Mechanische und induktive SensorenIm Bereich der Sicherheitskupplungen misst ein Sensor Wegänderungen des Schaltrings und sendet diese an die Motorsteuerung. Für die Wegänderungsmessungen kommen sowohl mechanische als auch induktive Sensoren zum Einsatz (Abb. 55).Mechanische Sensoren erfassen das Schaltsig-nal über einen sogenannten Schalterstößel, der möglichst nahe an den sich axial bewegenden

Schaltring der Sicherheitskupplung positio-niert bzw. montiert werden sollte. Nachdem die Schaltfunktion nach der Montage überprüft wurde, arbeitet der zwangstrennende Öffner (schaltet unter allen Bedingungen) mit der Schutzart IP65 in einer Umgebungstemperatur von –30 bis +80 °C, einer maximalen Span-nung von 500 V AC und einem maximalen Dauerstrom von bis zu 10 A.Auf induktiver Basis arbeitende Sensoren (Nä-herungsschalter) enthalten eine Spule im Sen-sorkopf, über die Veränderungen im Magnet-feld registriert und gemessen werden. Sobald der metallische Schaltring eine axiale Bewe-gung durchführt (Überlastsituation), ändert sich das Magnetfeld am Sensor. Dieser meldet nun mit einer maximalen Schaltfrequenz von 800 Hz die Überlast an die Motorsteuerung. Damit der Sensor zuverlässig arbeitet, darf sein radialer Abstand zum Schaltring der Si-cherheitskupplung bei einer Einsatztemperatur von –25 bis +70 °C maximal 2 mm betragen. Im Gegensatz zum mechanischen Endschalter arbeitet der Näherungsschalter (Schutzart IP67) in einem Spannungsbereich von 10 bis 30 V DC und mit einem Ausgangsstrom von maximal 200 mA.

Werkzeuge zum Einstellen des Ausrast drehmomentsSicherheitskupplungen und -module, die auf dem federvorgespannten Kugel-Rast-Prinzip basieren, ermöglichen dem Anwender je nach Baugröße einen variablen Drehmomentein-stellbereich von 0,1 bis zu 2800 Nm bzw. 2 bis 165 kNm. Dieser wird bei Kugel-Rast-Kupp-lungen in der Regel durch die degressive Kennlinie der Tellerfedern erreicht. Damit die Ein- bzw. Verstellung des Ausrastdrehmo-ments so einfach wie möglich vorgenommen

Signalerfassung über Schalter-stößel

Magnetfeld- änderung

Variabler Einstellbereich

ca. 0,1 mm Abstand

a b

Schaltweg

max

. 2 m

m

Abb. 55:Prinzipdarstellung von mechanischen (a) und induktiven Endschaltern (b)

84 Zusatzkomponenten Werkzeuge zum Einstellen des Ausrast drehmoments 85

werden kann, sind die maximalen und mini-malen Drehmomentwerte auf der Kupplung gekennzeichnet. Die Kennzeichnung erfolgt durch spezielle Gravierungen auf der soge-nannten Einstellmutter. Neben Maximal- und Minimalwert ist zur besseren Orientierung auch das im Werk eingestellte Ausrastdrehmo-ment auf der Mutter eingraviert. Bei Kugel-Rast-Modul-Kupplungen befinden sich auf dem Skalenring in ähnlicher Weise ebenfalls Markierungen. Die hier eingesetzten Teller-federpakete nutzen allerdings im Unterschied zu den Kugel-Rast-Kupplungen einen progressi-ven Kennlinienverlauf.Die Komplexität und die Vielfalt heutiger Ma-schinen und Anlagen, die mit Sicherheitskupp-lungen ausgerüstet sind, erfordern eine Anpas-sung der Kupplung an die jeweilige Maschine. Konstrukteure und Designer legen auf der Grundlage der einzelnen integrierten Maschi-nenkomponenten wie Servomotoren, Getriebe und Spindeln die Antriebs- und Beschleuni-gungsmomente fest. Bei der »Feinabstim-mung« der Maschinen ist eine variable Anpas-sung der Sicherheitskupplung erforderlich. Diese muss in der Lage sein, nach dem jewei-ligen Grenzwert (absolut maximales Dreh-moment) die Anlage bzw. die Antriebs- von der Abtriebsseite zu trennen. Bei nahezu jeder Sicherheitskupplung, die mit dem federvorgespannten Kugel-Rast-Prinzip arbeitet, kann das Ausrastdrehmoment verän-dert werden. So ist durch einfaches Lösen der drei Fixierschrauben (Madenschrauben) das Verdrehen der Einstellmutter möglich. Da die Mutter direkt auf die sich in der Sicherheits-kupplung befindenden Tellerfedern drückt, muss ein von der jeweiligen Kupplungs-baugröße abhängiges Drehmoment aufge-bracht werden. Das Aufbringen des Drehmo-ments erfolgt meist durch einen Gelenkhaken-

Kennzeichnung von Maximal- und Minimal-wert

Anpassungs- fähigkeit

Veränderungdes Ausrast-drehmoments

schlüssel (Abb. 56). Als Orientierung bzw. Re-ferenzwert dient je nach Bauart (indirekte oder direkte Antriebe) entweder eine Gravur auf der Einstellmutter oder ein immer sichtbarer Spalt in der Kupplungsnabe. Die stufenlose Einstellung des Drehmoments wird durch das Feingewinde in der Einstellmutter ermöglicht. Da in Sicherheitskupplungen Tellerfedern mit degressiver Kennlinie genutzt werden, darf die Tellerfeder, um eine höhere Vorspannung zu erzeugen, nicht gestaucht, sondern muss ent-spannt werden. Die Einstellmutter muss daher gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, um ein höheres Ausrastdrehmoment zu erreichen. Soll ein geringeres Ausrastdrehmoment einge-stellt werden, so wird die Einstellmutter im Uhrzeigersinn gedreht. Zu beachten ist, dass die Einstellmutter zuverlässig und absolut spielfrei ausschließlich in dem vom Hersteller vorgegebenen Einstellbereich arbeitet. Dieser kann je nach Bauform bis zu 340° umfassen. Nach dem Verdrehen der Einstellmutter auf den gewünschten Wert kann diese durch die radial sitzenden Madenschrauben fixiert wer-den. Spezielle Kunststoffkugeln, die als Puffer zwischen der Madenschraube und dem Fein-gewinde sitzen, fungieren als Gewindeschutz.

Drehen der Einstellmutter

Abb. 56:Einstellung bzw. Verstellung des Ausrastdrehmoments

86 Zusatzkomponenten Werkzeuge zum Einstellen des Ausrast drehmoments 87

Sie ermöglichen ein leichtes und mehrfach mögliches Nachjustieren der Einstellmutter.Bei modularen Sicherheitskupplungen kann der Einstellbereich ebenfalls nach der Auslieferung an den Kunden verändert werden. Dazu werden Module hinzugefügt oder entfernt, je nachdem ob ein höherer oder niedriger Einstellbereich benötigt wird. Zum Anpassen des Ausrast-moments wird jedes Schaltsegment einzeln ein-gestellt. Durch Lösen der an jedem Segment angebrachten vier Klemmschrauben und der Sicherungsschraube kann die am Skalenring befestigte Einstellmutter mithilfe eines Stirn-lochschlüssels verdreht werden (Abb. 57). Auf-grund der progressiven Kennlinie steigt die Ausrastkraft, je weiter die Einstellmutter einge-schraubt wird. Ein Festanschlag verhindert eine Falscheinstellung des Schaltsegments über die Maximalkraft hinaus. Auch bei den Modulen ist durch den Einsatz eines Feingewindes eine genaue, stufenlose Einstellung möglich. Am

Festanschlag verhindert Falscheinstellung

Skalenring und dem Gehäuse kann die aktuelle Einstellung abgelesen werden. Ist die ge-wünschte Einstellung erreicht, werden die vier Klemmschrauben wieder angezogen. Durch Festschrauben der zusätzlichen Sicherungs-schraube wird ein selbsttätiges Verstellen des Segments verhindert.Zum Erreichen der optimalen Lebensdauer der Module und des Kupplungskörpers sollten alle Segmente auf die gleiche Ausrastkraft einge-stellt werden. Eine unterschiedliche Einstel-lung verschiedener Segmente führt dagegen zu ungleichmäßiger Belastung der Kupplung. So-wohl Einrastsegmente als auch die Lagerun-gen verschleißen unterschiedlich stark. Im schlimmsten Fall kann dies zur Zerstörung der Kupplung bei einem Rastvorgang führen. Sind alle Segmente auf den gleichen Wert einge-stellt, kann das Ausrastdrehmoment durch Addition der Ausrastkräfte und anschließen-der Multiplikation mit dem Kreisradius der Mon tagepositionen der Segmente berechnet werden.

GelenkhakenschlüsselGelenkhakenschlüssel werden zum Verändern des Ausrastdrehmoments von Kugel-Rast-Kupplungen benötigt (Abb. 58). Obwohl die

Gleiche Einstel-lung verschiede-ner Segmente

Abb. 57:Einstellung bzw. Verstellung der Umfangskraft eines Schaltsegments

Abb. 58:Handelsübliche Hakenschlüssel zur Verstellung von Sicherheits-kupplungen

88 Zusatzkomponenten Ein- und Ausrastvorrichtung 89

Einstellmuttern über ein Feingewinde verfügen, ist dennoch ein (je nach Kupplungsgröße) rela-tiv hohes Drehmoment zum Verstellen nötig. Für Muttern, die der DIN 1816 entsprechen, sind Gelenkhakenschlüssel auf dem Markt, die passend zur Kupplungsbauform von den Her-stellern mitgeliefert werden können. Diese Schlüssel sind mit einem vergrößerten bzw. verlängerten Hebel ausgestattet und erlauben ein präzises und einfaches Verdrehen der Einstellmutter.

StirnlochschlüsselZum Verändern des Ausrastdrehmoments von modularen Sicherheitskupplungen werden Stirnlochschlüssel benötigt (Abb. 59). Wie bei dem Gelenkhakenschlüssel sollten auch diese

SchaltscheibeEine weitere Zusatzkomponente für modulare Sicherheitskupplungen ist die Schaltscheibe. Diese ist zwingend nötig, wenn die Kupplung überwacht werden soll. Da der Schaltzustand der Module nur punktuell an den Stößeln re-gistriert werden kann, wird eine Scheibe benö-tigt, welche die Schaltbewegung am ganzen Umfang der Kupplung mit vollzieht. Diese Be-wegung kann mit den bereits vorgestellten Nä-herungs- bzw. Endschaltern registriert werden. Sie ermöglicht auch die gleichzeitige Wieder-inbetriebnahme aller Schaltsegmente einer Kupplung.

Ein- und AusrastvorrichtungBei Wartungen oder Umbauten von Maschi-nen kann es mitunter von Vorteil sein, den Antriebsstrang im spannungsfreien Zustand frei drehen zu können bzw. einen Testlauf des

Zur Über- wachung der Kupplung

Werkzeuge gemäß der Baugröße der Kupp-lung gewählt werden, da das benötigte Dreh-moment zum Verstellen der Schaltsegmente mit steigender Ausrastkraft anwächst. Hier bieten die Kupplungshersteller ebenfalls opti-mal geeignetes Werkzeug, um den Einstellvor-gang mit möglichst geringem Aufwand durch-führen zu können.

Abb. 59:Stirnlochschlüssel zur Verstellung von Kugel-Rast-Modulen

Abb. 60:Vorrichtung zur manuellen einzelnen Ein- und Ausrastung von Kugel-Rast- Modulen

9190 Zusatzkomponenten

Antriebs durchzuführen, ohne dass sich der gesamte Antriebsstrang mitbewegt. Um trotz der großen Ausrastmomente von modularen Sicherheitskupplungen ein solches Vorgehen zu ermöglichen, bieten die Hersteller sogenannte Ein- und Ausrastvorrichtungen an (Abb. 60). Mit deren Hilfe können die Schaltsegmente ei-ner Kupplung einzeln ausgerastet werden, ohne dass Drehmoment am Antriebsstrang an-liegt. Auch der Einrastvorgang kann damit bei großen Baugrößen vereinfacht werden. So kann eine Sicherheitskupplung ebenfalls einer vollständigen Funktionsprüfung unterzogen werden.

Ausrasten einzelner Schaltsegmente

AusblickDie »Industrie 4.0« – der Begriff steht für die vierte industrielle Revolution – fasst konzepti-onelle Richtlinien zusammen, die zu voll ver-netzten Produkten, Maschinen, Produktions-stätten und Unternehmen führen sollen. Die vollkommene informationstechnische Verbin-dung verschiedener Unternehmen untereinan-der ist dabei das endgültige Ziel.Mechanische Sicherheitskupplungen können dabei eine wichtige Rolle spielen und helfen, den Status von Maschinen vollständig zu erfassen. Da Sicherheitskupplungen mit Nähe-rungsschaltern überwacht werden, liefern sie bereits Informationen zum Betriebszustand der Maschine. Aufgrund ihrer Positionierung an meist kritischen Stellen von Anlagen bietet sich für Sicherheitskupplungen und auch für Servokupplungen ohne Sicherheitsfunktion die Integration zusätzlicher Sensoren z. B. für Temperatur- oder Luftfeuchtemessungen an. Die Kupplungen würden so zu Sensormodulen und würden externe Sensoren unnötig machen. Zusätzlich könnten Dehnungsmessstreifen oder Füllstandssensoren in die Kupplungen eingebaut werden, die über deren Wartungsbe-darf oder Verschleißzustand informieren.Da die Anwendungsbereiche von spielfreien Kugel-Rast-Kupplungen durch die Entwick-lungen der letzten Jahre stetig erweitert wur-den, kann die Kupplungstechnik in vielen Ge-bieten bei der Umsetzung von Konzepten der Industrie 4.0 mitwirken. Diese Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten beruht hauptsächlich auf der Ausdehnung des Drehmomentbereichs, in denen diese Kupplungen einsetzbar sind, sowohl nach unten als auch nach oben. Mit Ausrastmomenten ab 0,01 Nm ist es möglich, sehr empfindliche Maschinen vor Überlast zu

Integration zusätzlicher Sensoren

Erweiterung des Drehmoment-bereichs nach unten …

Ausblick 9392 Ausblick

schützen. So konnten beispielsweise Ausle-gungen pharmazeutischer Verpackungsma-schinen und Abfüllanlagen durch die neuen Möglichkeiten optimiert, Bauraum eingespart und Verschleiß reduziert werden. Aufgrund der schnellen Schaltzeiten und der unkompli-zierten Wiederinbetriebnahme sind mechani-sche Sicherheitskupplungen bei Drehmomenten im hundertstel Newtonmeter-Bereich alternativ-los. Daher zeichnet sich die Anwendung des spielfreien Kugel-Rast-Prinzips in Einsatz-gebieten ab, in denen bisher lediglich improvi-sierte oder überhaupt keine Sicherungen gegen Überlasten verwendet wurden. Die Vorteile: Bauteile müssen nicht mehr überdimensioniert werden bzw. als Sollbruchstelle ausgelegt werden, um einen störungs sicheren Betrieb zu ermöglichen.Ähnlich liegt der Fall bei der Erweiterung der Ausrastdrehmomente nach oben. Spielfreie modular aufgebaute Kugel-Rast-Kupplungen steigern die Einsatzmöglichkeiten des Kugel-Rast-Prinzips weit über die alten Grenzen hin-aus. Um im Schwerlastbereich mechanisch vor Überlast zu schützen, werden bisher haupt-sächlich sogenannte Scherbolzenkupplungen genutzt. Diese Kupplungen verwenden Bolzen zur formschlüssigen Drehmomentübertragung. Bei Überlast scheren diese Bolzen an einer Sollbruchstelle ab, infolge dessen die Übertra-gung unterbrochen wird. Mit dem definierten Querschnitt der Sollbruchstelle und den Mate-rialwerten kann das Scherdrehmoment der Kupplung bestimmt werden. Zur Wiederinbe-triebnahme der Kupplung müssen die Bolzen-reste entfernt, die Kupplung ausgerichtet und ein neuer Bolzen eingesetzt werden. Es ist also ein direkter Zugriff auf die Kupplung nötig. Durch Festigkeitsschwankungen des Bolzen-materials ist der Toleranzbereich des Ausrast-drehmoments dieser Kupplungen mit 30 % um

… und nach oben

einiges größer als bei Kugel-Rast-Kupplun-gen. Daher wird bei Scherbolzenkupplungen in der Regel mit einem höheren Sicherheits-faktor gearbeitet, der eine größere Dimensio-nierung der Kupplung erfordert. Aufgrund der Überdimensionierung der Kupplung müssen auch alle anderen Bauteile überdimensioniert werden. Bei Wiederinbetriebnahme von Scher-bolzenkupplungen sollten Bolzen der gleichen Charge zum Einsatz kommen, um eine mög-lichst geringe Schwankung des Ausrastdreh-moments zu gewährleisten. In der Praxis ist dies jedoch nicht immer realisierbar, was zu relativ großen Schwankungen des Ausrast-drehmoments in der Betriebsdauer einer Kupplung führen kann.Die speziell für den hohen Drehmomentbe-reich entwickelten auf dem Kugel-Rast-Prin-zip basierenden Modul-Kupplungen ermögli-chen mit einer Genauigkeit von +/-5 % eine bedarfsgerechte Auslegung des gesamten An-triebsstrangs. Auch deren schnelle und ersatz-teilfreie Wiederinbetriebnahme stellt einen großen Vorteil gegenüber der Scherbolzen-kupplung dar. Neben dem Einsatz in Anwen-dungen, bei denen bereits mechanischer Über-lastschutz verwendet wird, erschließen neuent-wickelte Kugel-Rast- und Kugel-Rast-Modul-Kupplungen auch völlig neue Bereiche für die mechanischen Sicherheitskupplungen. Aus-führungen mit automatischer Wiedereinras-tung beispielsweise ermöglichen es, Maschi-nen mit einem mechanischen Überlastschutz auszustatten, die bei einer Störung nur mit sehr großem Aufwand direkten Zugriff auf den Einbauraum zulassen. Aber auch bei einer gut zugänglichen Sicherheitskupplung erlauben Ausführungen mit automatischer Wiederein-rastung die schnellstmögliche Wiederinbe-triebnahme. Insbesondere im Schwerlastbe-reich ist jede Minute, die die Anlage schneller

Bedarfsgerechte Auslegung

Automatische Wieder- einrastung

94 Ausblick

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wieder in Betrieb genommen werden kann, von großer Bedeutung, da die Anlagen häufig 24 Stunden am Tag laufen und damit Rück-stände nicht aufgeholt werden können. In vielen weiteren Einsatzbereichen sind nach dem Kugel-Rast-Prinzip arbeitende Sicherheits-kupplungen als idealer, mechanischer Überlast-schutz denkbar. Applikationen, für die zurzeit noch keine Anwendungsmöglichkeiten beste-hen, werden durch die Weiterentwicklungen in-novativer Kupplungshersteller in Zukunft eben-falls abgedeckt werden. Schon jetzt reicht das Anwendungsspektrum von Kugel-Rast-Sicher-heitskupplungen und Kugel-Rast-Modul-Kupp-lungen von 8000 m unter bis hin zu 400 000 m über dem Meeresspiegel (Abb. 61).

Erweiterung des Anwendungs-spektrums

Abb. 61:Die Einsatzwelt von Sicherheits-kupplungen, die nach dem Kugel-Rast-Prinzip arbeiten

400 000 m über NN

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