Vermeidung von Kupplungsausfällen - Betrachtungen zur Auswahl des geeigneten Bauteils

Ruland Manufacturing Co., Inc.

Einführung

Der Hauptzweck einer mechanischen Kupplung liegt in der Verbindung drehender Wellen zur Übertragung von Drehbewegungen und Drehmoment. Wie alle mechanischen Bauteile muss eine Kupplung für ihren Verwendungszweck und die Einsatzparameter geeignet sein. Hierzu gehören unterschiedliche Leistungs-, Umwelt-, Nutzungs- und Wartungsvoraussetzungen, die jeweils erfüllt sein müssen, damit die Kupplung ihren Zweck erfüllt. Eine Kupplung, die unter Berücksichtigung dieser konstruktiven Parameter ausgewählt sowie vorschriftsmäßig eingebaut und betrieben wird, sollte während ihrer gesamten Lebensdauer keine Ausfälle verzeichnen. Wenn jedoch eine oder mehrere Voraussetzungen nicht erfüllt sind, kann eine Kupplung vorzeitig versagen und von kleineren Unannehmlichkeiten bis zu erheblichen finanziellen Verlusten oder Personenschäden vielerlei Auswirkungen haben. In diesem Artikel werden die wesentlichen Gründe für das Versagen von Kupplungen sowie die Maßnahmen beschrieben, mit denen das Ausfallrisiko erheblich begrenzt werden kann.

Typische Fehler bei der Auswahl von Kupplungen

• Die Kupplung wird bei der Planung zu spät ausgewählt:
  Viel zu häufig werden Servokupplungen bei der Systemauslegung erheblich zu spät ausgewählt und erfüllen dann nicht die komplexen Anwendungsanforderungen. Kupplungen sind kritische Komponenten, wenn es darum geht, die Gesamtleistung eines Systems festzulegen und letztlich auch zu erreichen. Eine frühzeitige Auswahl senkt die Fehlerrate und damit die Wahrscheinlichkeit vorzeitiger Kupplungsausfälle.
• Falscher Kupplungstyp für die Anwendung: 
  Bei der Kupplungsauswahl sind eine Reihe von Auslegungskriterien zu beachten, wie z.B. Einsatzzweck, Drehmoment, Verlagerung, Formsteifigkeit, Trägheitsmoment, Drehzahl, Wellenmontage, Umweltfaktoren, Platzeinschränkungen, Betriebsfaktoren, Kosten, u.a. Alle Kriterien müssen beim Auswahlprozess geprüft und berücksichtigt werden, damit die Kupplung erwartungsgemäß und ohne vorzeitigen Ausfall funktioniert. Dies ist sowohl bei der Erstauswahl der Kupplung als auch bei einer Änderung der Einsatzbedingungen im Laufe der Zeit von Bedeutung.
• Falscher Kupplungstyp für die vorhandenen Verlagerungsbedingungen:
  Um einen vorzeitigen Kupplungsausfall zu vermeiden, ist es bei der Auslegung und Auswahl besonders wichtig, die Kupplung auf die Verlagerungsart oder vorhandene Mehrfachverlagerungen abzustimmen. Es kann eine Winkel-, Parallel- oder Axialverlagerung der Welle vorliegen, und bei mehreren Verlagerungen (komplexe Verlagerung) ergeben sich zusätzliche Komplikationen. Flexible Kupplungen sind üblicherweise so ausgelegt, dass sie bestimmte Verlagerungseigenschaften einer Anwendung ausgleichen können. So besitzt z.B. eine Oldham-Kupplung eine relativ große parallele Verlagerungskapazität, ist jedoch zum Ausgleich von Winkelverlagerungen und Axialverschiebungen weniger geeignet. Eine Beamkupplung kann dagegen Winkelverlagerungen mit Axialverschiebungen hervorragend aufnehmen, besitzt dafür jedoch eine geringere parallele Verlagerungskapazität.
• Mangelnde Korrektur übermäßiger Verlagerungen:
  Übermäßige Verlagerungen zwischen verbundenen Wellen gehören zu den Hauptgründen für Kupplungsausfälle, da hier Belastungen entstehen, für die die Kupplung nicht ausgelegt ist. Alle flexiblen Wellenkupplungen sind für mindestens eine Verlagerungsart und verschiedene Flexibilitätsgrade ausgelegt. Dabei ist es von größter Wichtigkeit, die zulässige Flexibilität der anvisierten Kupplung zu berücksichtigen. Neben der Berücksichtigung eines möglichen vorzeitigen Kupplungsausfalls ist zu bedenken, dass eine Kupplung, die sich bei Verlagerung verbiegen soll, Lagerbelastungen verursacht. Eine über die Kupplungsspezifikationen hinausgehende Verlagerung birgt auch die Gefahr beschleunigter Abnutzung und das Potenzial für den vorzeitigen Ausfall anderer Anlagenkomponenten, wie z.B. Lager. Ist die Verlagerung größer als in der Kupplungsspezifikation vorgesehen, muss sie zunächst durch erneutes Richten der Welle korrigiert werden, bevor die geeignete Kupplung ausgewählt werden kann.
• Falsche Kupplung für das Motordrehmoment:
  Kupplungen werden häufig für zu geringe Belastungen ausgelegt, wenn das Drehmoment Motors nicht ausreichend berücksichtigt wird. Bei der Konstruktionsauswahl ist nicht nur das stationäre Drehmoment zu beachten, sondern auch kurzfristige Drehmomentspitzen, insbesondere bei wechselndem Drehmoment im Start-Stop-Betrieb. In einigen Fällen ist es ggf. sinnvoll, auch eine gewisse Drehelastizität in Betracht zu ziehen, um plötzliche Drehmomentbelastungen und -spitzen zu dämpfen. Flexible Kupplungen besitzen je nach Konstruktionstyp unterschiedliche statische Nenndrehmomente. So gilt es z.B. bei Auswahl zwischen zwei Kupplungen, die hinsichtlich aller anderen Anwendungsfaktoren dieselben Auslegungsdaten aufweisen, zu beachten, dass eine Doppelscheibenkupplung üblicherweise eine um 15 bis 20 Prozent höhere statische Drehmomentbelastbarkeit aufweist als eine Oldham-Kupplung identischer Größe mit einer Acetalscheibe.
• Überlegungen zur Aufwickeleffekten:
  Bei allen Kupplungen sind Aufwickeleffekte zu berücksichtigen, die auch Drehelastizität oder Verdrehsteifigkeit genannt werden. Aufwickeleffekte sind Verdrehungen zwischen dem Antriebselement (z.B. Motor) und der Last. Die Kupplung wird dabei wie eine Feder in sich gedreht. Das größte Problem in Zusammenhang mit dem Verdrehen besteht bei einer Servoanwendung darin, die Positioniergenauigkeit einzuhalten, da der Verdrehwinkel zwischen den beiden Enden der Kupplung unterschiedlich ist. Verdrehungen können auch Resonanzen in einer Anlage hervorrufen und bei unzureichender Abstimmung zur Instabilität der Servoregelung führen.
• Überlegungen zur Spielfreiheit:
  Spielfreiheit bezieht sich auf "Verdrehspiel" in den Kupplungen, d.h. nicht genutzte Bewegung. Bei Spiel in einem Antriebssystem wird die Kraftübertragung zwischen dem Antriebselement (z.B. dem Motor) und der Last unterbrochen oder getrennt. Spiel ist in Servoanwendungen nicht hinnehmbar, wobei mangelnde Positioniergenauigkeit und Schwierigkeiten bei der Abstimmung des Systems zu den wesentlichen Folgen zählen. Bei einer bewegungsorientierten Anwendung wie einer Servoregelung führt Spiel zu Problemen bei der Zeitabstimmung mit der Folge, dass die Kupplung zu stark vor und zurück bewegt wird, so dass Belastungen entstehen, die zum vorzeitigen Ausfall führen. Aus diesem Grund sind spielfreie Kupplungen für Servoanwendungen ideal geeignet.
• Die Kupplung bietet unzureichende Schwingungs- und Schlagdämpfung:
  Bei der mechanischen Kraftübertragung bedeutet Dämpfung, dass die Übertragung von Stößen und Schwingungen auf ein Mindestmaß reduziert wird. Dämpfung ist insbesondere bei Servoanwendungen und zur Kraftübertragung von Bedeutung, um unerwünschte Vibrationen zu reduzieren, die unnötig Energie verbrauchen und schädliche Belastungen von Anlagenkomponenten verursachen. Schwingungsdämpfung trägt dazu bei, die Auswirkungen von Stoßbelastungen zu senken und so Erschütterungen des Motors und anderer empfindlicher Geräte zu vermeiden. Kupplungen dürfen daher die Schwingungen innerhalb der Anlage nicht verstärken und sollten nach den gewünschten Dämpfungswirkungen ausgewählt werden. Zu den Kupplungstypen mit guten Dämpfungseigenschaften gehört die spielfreie Elastomer- oder Klauenkupplung mit einem elastischen Zahnkranz und zwei Naben. Dieser Zahnkranz ist in verschiedenen Härtegraden für die jeweilige Stoßbelastung erhältlich und sorgt für die gewünschte Dämpfung im System. Die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Kupplungsausfalls erhöht sich bei Auswahl des falschen Kupplungstyps oder eines unpassenden Zahnkranzwerkstoffs.
• Überlegungen zum Trägheitsmoment:
  Das Trägheitsmoment ist der Widerstand eines Körpers gegenüber einer Veränderung des Bewegungszustandes und bestimmt die Neigung einer Kupplung, in diesem Zustand zu verharren, solange keine äußere Kraft auf sie einwirkt (z.B. Drehmoment). In einem Kraftübertragungssystem bestimmt sich das Trägheitsmoment aus der Masse und deren Verteilung um die Achse und beeinflusst damit die Auswirkungen des Antriebsmoments. Soll eine Kupplung für einen Servoantrieb für intermittierenden Start-Stop-Betrieb ausgewählt werden, ist neben der Spielfreiheit und Torsionssteifigkeit auch das Trägheitsmoment zu prüfen. Bei der Auswahl müssen auch das Trägheitsmoment des angetriebenen Systems und dessen Auswirkungen auf die Kupplung bekannt sein. Ein zu großes Trägheitsmoment der Kupplung kann andersherum auch die Leistung der Gesamtanlage in bestimmten Anwendungsfällen erheblich beeinträchtigen, da Resonanzen entstehen und die Eigenfrequenz des Systems verändert werden kann - mit möglicherweise unerwünschten Folgen. Eine trägheitsarme Kupplung dagegen erlaubt die Abstimmung der Anlage auf eine höhere Leistungsstufe und ist für Präzisionsanwendungen eine sehr gute Wahl.
• Falsche Kupplung für die Drehzahl der Motorwelle:
  Die Motordrehzahl ist ein weiteres wichtiges Auswahlkriterium. Wird die sichere Betriebsdrehzahl einer Kupplung bei der Festlegung der Auslegungskriterien nicht berücksichtigt, kann sie schnell versagen, gelegentlich mit dramatischen Folgen. Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen sind ausgewuchtete Kupplungen von wesentlicher Bedeutung. Ebenfalls wichtig ist es, die Kupplungssteifigkeit zu berücksichtigen, da hohe Drehzahlen ebenfalls zu Verbiegungen führen. Die Herstellerangaben zur maximalen Drehzahl sind besonders zu beachten, und die dynamische Auswuchtung einer Kupplung sollte weder vor noch nach dem Einbau manipuliert werden. Eine Wellenverlagerung kann die sichere Betriebsdrehzahl einer Kupplung stets erheblich beeinträchtigen!
• Falsche Kupplung für elektrische Isolierung:
  Elektrische Isolierung bezeichnet das Prinzip, Funktionseinheiten mechanischer Systeme so voneinander zu trennen, dass kein Strom fließen kann, während die mechanische Energieübertragung stets gewährleistet bleibt. Elektrische Störströme können bei der Ansteuerung von Servoanlagen ein erhebliches Problem darstellen, wenn sie zwischen dem Antrieb und den angetriebenen Komponenten fließen. Oldham- und Elastomerkupplungen sind elektrisch nicht leitend, wenn ihre Verbindungselemente aus nichtmetallischen Werkstoffen beziehungsweise Polymeren bestehen. Andere Kupplungstypen können ebenfalls unter Verwendung von nicht leitfähigen Werkstoffen gefertigt werden.
• Auswahl einer Trenn- oder Sicherheitskupplung anstatt einer ausfallsicheren Kupplung oder umgekehrt:
  Eine Trennkupplung unterbindet die Kraftübertragung bei Ausfall, während eine ausfallsichere Kupplung die Verbindung halten soll. Einige Anwendungen erfordern zum Schutz von Personen oder Anlagen ausfallsichere Kupplungen. So ist beispielsweise bei einer Transportanlage ggf. eine ausfallsichere Kupplung erforderlich, bei der eine Unterbrechung des Materialflusses im Falle eines Kupplungsversagens zum Sicherheits- oder Prozessrisiko führt. Elastomerkupplungen gelten als ausfallsicher, da die Klauen der beiden Naben selbst bei Ausfall des Elastomersterns ineinandergreifen und so für ununterbrochene Kraftübertragung sorgen. Dagegen trennt eine Oldham-Kupplung bei einem ähnlichen Versagen der Mittelscheibe die Verbindung und lässt eine weitere Kraftübertragung nicht zu. Jede Kupplung hat je nach Anwendung, Bedienersicherheit und weiteren Faktoren andere Vorzüge.

Beispiele für geeignete Kupplungen für häufige Servosteuerungsaufgaben

Um für eine Servo- oder Kraftübertragungsaufgabe die beste Lösung empfehlen zu können, müssen die jeweilige Anwendung und die konstruktiven Systemmerkmale ebenso bekannt sein wie die eigentlichen Aufgabenstellung. Dies vorausgeschickt werden im Folgenden Beispiele für Aufgaben aus der Praxis und zu berücksichtigende Alternativen gegeben.

Das Risiko eines Kupplungsausfalls senken - Fragen stellen

• Ist für die Anwendung eine hohe Torsionssteife erforderlich?
• Welche Genauigkeitsanforderungen bestehen?
• Sind schwingungsdämpfende Eigenschaften notwendig?
• Wie stark ist die Verlagerung in der geplanten Anlage, und welche Art der Verlagerung liegt vor? Winkelverlagerung? Parallelverlagerung? Axialverlagerung? Komplexe Verlagerung?
• Soll die Kupplung die Sollbruchstelle der Anlage darstellen? Muss sie ausfallsicher sein?
• Ist elektrische Isolierung erforderlich?
• Welches maximale Drehmoment wirkt auf die Kupplung?
• Bei welcher/n Drehzahl/en soll die Kupplung laufen?
• In welcher Umgebungstemperatur wird die Kupplung betrieben?
• Gibt es andere Umweltfaktoren für die Anwendung (z.B. Chemikalien, Reinigungsprozesse, Vakuum)?

Die Bedeutung des richtigen Kupplungseinbaus

Die besten Konstruktionsbemühungen und Überlegungen bei der Auswahl einer Wellenkupplung sind im Wesentlichen bedeutungslos, wenn die Kupplung nicht richtig eingebaut wird oder die tatsächlichen Einsatzparameter nicht den ursprünglich geplanten Kriterien entsprechen. Kupplungen werden viel zu häufig in Eile oder ohne Berücksichtigung der Herstellervorgaben eingebaut und neigen so zum vorzeitigen Ausfall. Die Einbauanweisungen der Kupplungen sollten daher genauestens befolgt werden, denn hier werden erfahrungsgemäß die meisten Fehler gemacht. 

Die Einbauanweisungen beinhalten häufig Hinweise wie:

• Kupplung und Wellen vor dem Zusammenbau vorbereiten, Aufnahmeteile reinigen, Wellen leicht ölen.
• Prüfen, ob Wellenverlagerungen innerhalb der zulässigen Betriebsparameter der Kupplung liegen.
• Alle Anweisungen zur Befestigung beachten, insbesondere in welcher Reihenfolge und mit welchem Anzugsmoment Schrauben angezogen werden müssen.
• Wellen weder zu weit noch zu wenig in die Naben der entsprechenden Kupplung einstecken. Einige Kupplungen erfordern einen Mindestspalt zwischen den Wellen. In den meisten Fällen wird die Einstecktiefe innerhalb der Nabe vom Hersteller entsprechend des Kupplungstyps angegeben.
• Die Kupplung beim Einbau nicht zusätzlich durch Zusammendrücken oder Auseinanderziehen belasten. Kupplungen müssen immer im unbelasteten Zustand eingebaut werden.

Diese grundlegenden Regeln sollen die Bedeutung des korrekten Kupplungseinbaus unterstreichen und so das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls senken. Die jeweiligen Herstelleranweisungen sind beim Einbau einer Kupplung unbedingt zu beachten.

Die Bedeutung richtiger Systemwartung

Servokupplungen sind mit speziellen Ausnahmen im Wesentlichen wartungsfrei. Trotzdem ist eine regelmäßige, sorgfältige "Wartung" des Gesamtsystems wichtig, dessen Bestandteil die Kupplung ist. Die Wartungsanforderungen und -zeitpläne hängen allgemein von der jeweiligen Anwendung, der Einschaltdauer, den Betriebsparametern, den Umgebungsbedingungen und anderen Faktoren ab. Mit einem Wartungs- oder Serviceplan für das Gesamtsystem sollen Komponentenausfälle in jedem Systemteil vermieden werden - z.B. von Wellen, Kupplungen, Motoren, Lagern usw. Die Funktionsfähigkeit der Kupplung kann negativ beeinflusst werden, wenn die veränderten Betriebseigenschaften anderer Komponenten den Betrieb der Kupplung außerhalb ihrer zulässigen Parameter erzwingen. 

Zu den wesentlichen Systemwartungsanforderungen gehören:

• Prüfung auf außergewöhnliche Betriebszustände wie ungewöhnliche Geräusche oder überhitzte Komponenten.
• Prüfung auf übermäßige Schwingungen oder andere Anzeichen für Verlagerungsänderungen innerhalb des Systems.
• Prüfung auf Anzeichen für verschlissene oder gelöste Befestigungen, die bei Bedarf ersetzt oder wieder angezogen werden sollten.
• Bei Einsatz einer Oldham- oder Elastomerkupplung ist die Lebensdauer des Verbindungselements oder des Elastomersterns zu prüfen. Eine Abnutzung dieses Bauteils kann Spiel zur Folge haben und die Systemleistung beeinträchtigen. Verbindungselemente und Elastomersterne sind nach Herstelleranweisung bei Überschreiten der empfohlenen Betriebsdauer oder Feststellung von übermäßigem Verschleiß zu ersetzen. Diese Komponenten sind preiswert, leicht auszutauschen und versetzen die Kupplung wieder in den Originalzustand.
• Bei Ausfall einer Kupplung müssen unbedingt die Systemzustände erfasst und dokumentiert werden, bei denen der Ausfall aufgetreten ist. Auf diese Weise können geeignete Abhilfemaßnahmen ergriffen werden, wie z.B. auch die Auswahl einer anderen Kupplung, um eventuellen Änderungen Rechnung zu tragen.

Zusammenfassung

Zur Vermeidung von Kupplungsausfällen ist die Auswahl der richtigen Kupplungen anhand der vollständigen Auslegungskriterien für den Einsatzzweck, die richtige Installation und regelmäßige Systemwartung von wesentlicher Bedeutung. Bei der Auslegung des Systems müssen alle Anwendungserfordernisse frühzeitig berücksichtigt werden, damit nicht die Gefahr besteht, eine falsche Kupplung auszuwählen. Die Kupplung muss ordnungsgemäß montiert werden, wobei auch noch einmal zu prüfen ist, ob die richtigen Auslegungskriterien zugrundegelegt wurden. Ist die Verlagerung beispielsweise größer als ursprünglich angegeben? Und schließlich muss das System gewartet werden, damit sichergestellt ist, dass die Einsatzparameter weiterhin den Auslegungsparametern entsprechen und Verschleiß, Verschmutzung und andere negative Einflüsse sich nicht auf Komponenten auswirken und Veränderungen der Parameter herbeiführen können. Treten nach Inbetriebnahme einer Anlage dennoch Probleme auf, müssen alle verfügbaren Informationen erfasst und dokumentiert werden. Auf diese Weise wird das Problem erkannt, so dass Abhilfemaßnahmen ergriffen werden können.

Über das Unternehmen:

Ruland Manufacturing Co., Inc. mit Sitz bei Boston, USA, stellt seit 1937 Antriebselemente her, darunter das Druckventil des Raumanzuges des ersten Amerikaners im Weltraum. Seit 40 Jahren konzentriert sich Ruland auf die Herstellung von hochwertigen Wellenklemmringen und Kupplungen. Das Produktprogramm umfasst Klemm- und Stellringe, starre Kupplungen, und eine komplette Reihe von Servokupplungen: Flexible Beamkupplungen, Balgkupplungen, Oldhamkupplungen, Lamellenkupplungen und Elastomerkupplungen. Die Produkte von Ruland sind in Deutschland jetzt von PTMotion GmbH mit Sitz in Berlin erhältlich, ein Joint Venture der beiden Antriebstechnik-Hersteller Ruland und Belden.