Technical Articles Shaft Collar in Shell
grey block

Starre Kupplungen – Einsatz auch bei Motion Control-Aufgaben

An assortment of Rigid Couplings

Starre Kupplungen waren seit jeher unpräzise, kostengünstige und oft in Eigenproduktion hergestellte Komponenten für einfache Welle-Welle-Verbindungen. Nicht verwunderlich, dass der Einsatz von starren Kupplungen in Servoanwendungen in der Vergangenheit meist nicht in Frage kam. Starre Kupplungen in kleineren Größen, vor allem aus Aluminium, werden jedoch aufgrund ihrer hohen Drehmomenteigenschaften, Formsteifigkeit und Spielfreiheit zunehmend für Motion Control-Aufgaben eingesetzt. Starre Kupplungen, die in solchen Anwendungen eingesetzt werden, müssen im Gegensatz zu sonst üblichen starren Kupplungen über Präzisionseigenschaften und Merkmale verfügen, die für eine wartungsarme und akkurate Leistung notwendig sind.

Torsionssteife Kupplungen

Wie der Namen schon sagt, handelt es sich bei starren Kupplungen, auch Schalenkupplungen genannt, um torsionssteife Kupplungen, die unter Drehmomentlasten eine Torsionsverformung von nahezu null aufweisen. Ihre starre Eigenschaft behalten sie aber auch bei, wenn Lasten aufgrund von Wellenverlagerungen einwirken. Durch eine falsche Fluchtstellung im System können die hierbei auftretenden Kräfte einen frühzeitigen Ausfall von Wellen, Lagern oder Kupplungen verursachen. Dies bedeutet auch, dass die Kupplungen bei extrem hohen Drehzahlen nicht eingesetzt werden können, da sie thermische Änderungen in den Wellen, die bei hohen Geschwindigkeiten durch Wärmestau entstehen, nicht ausgleichen können. Bei Anwendungen, in denen der Wellenversatz gezielt kontrolliert werden kann, weisen starre Kupplungen jedoch exzellente Leistungsmerkmale auf.

Wellenfluchtung

Ein manchmal vernachlässigter Aspekt von starren Kupplungen ist, dass sie in einigen Systemen zur Wellenfluchtung verwendet werden können. Nach Lösen des Motors und anderer befestigter Komponenten werden die Wellen mit der starren Kupplung verbunden. Wird hierbei eine Präzisionskupplung verwendet, sind die Wellen ausrichtbar. Die Komponenten können auf das Restspiel zentriert und die Wellenanbauten wieder befestigt werden.

Eigenschaften für Motion Control-Anwendungen

Rigid Coupling
Starre Kupplung von Ruland, auf Wellen montiert

Starre Kupplungen müssen verschiedene Eigenschaften aufweisen, um eine einwandfreie Leistung bei Motion Control-Anwendungen sicherzustellen. Dabei ist es besonders wichtig, dass die Kupplung selbst keinen Fluchtungsfehler in das System einführt, der Lager und Abdichtungen beschädigen und die Leistung des Systems beeinträchtigen könnte. Eine äußerst korrekte Wellenausrichtung kann dann erzielt werden, wenn die Nabenbohrungen gehont sind. Das Honen gewährleistet, dass beide Bohrungen kollinear zueinander verlaufen. Darüber hinaus beseitigt das Honen jegliche Restverformung infolge von Spannungen während der Herstellphase und produziert eine runde, präzis dimensionierte Bohrung. Genaueste Geometrie und Passung sichern eine exakte Umschließung der Welle und höhere Drehmomentübertragungskapazitäten.

Hohe torsionale Haltekräfte durch Klemmnaben

Starre Kupplungen in einfacher Ausführung haben Gewindestifte zur punktuellen Befestigung der Kupplung auf der Welle. Die bessere Alternative sind starre Kupplungen in Klemmnabenausführung, weil diese die Welle völlig umschließen und dabei hohe torsionale Haltekräfte haben. Die Welle bleibt unbeschädigt und es wird kein Reibverschleiß verursacht. Zweiteilige Ausführungen haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie demontiert und gewartet werden können, ohne dass andere Komponenten entfernt werden müssen. Wenn sich Schrauben und Schraubensockel einer zweiteiligen Kupplung gegenüberliegen, können höhere Drehzahlen gefahren werden, da die Kupplung dynamisch ausgeglichen ist. Starre Kupplungen werden normalerweise bei Anwendungen mit Drehzahlen bis zu 3000 U/min eingesetzt. Dieser Wert kann bis auf 4000 U/min erhöht werden, wenn zweiteilige Ausführungen mit gegenüberliegendem Schraubenmaterial verwendet werden.

Nylonbeschichtete Schrauben

Starre Kupplungen können Vibrationen, wie sie in vielen mechanischen Systemen vorkommen, nicht aufnehmen. Die Vibrationen können die Schrauben der Kupplung lösen und die Drehmomentübertragungskapazität im Normalbetrieb reduzieren. Durch ein selbstsicherndes Nylon-Patch-Gewinde kann die Auswirkung der Schwingungen auf die Schrauben gesenkt und die Zuverlässigkeit der Kupplung verbessert werden. Durch die Nylon-Beschichtung wird außerdem ein Festfressen des Schraubengewindes bei Kupplungen in Edelstahlausführung verringert.

Problemlose Installation

Die meisten starren Kupplungen in Klemmnabenausführung verfügen über eng aneinanderliegende und paarweise angeordnete Kopfschrauben. Diese Ausführung, insbesondere wenn die Kupplung einen Schlitz hat, bietet höhere Haltekräfte und kann auch leichte Größenabweichungen der beiden zu verbindenden Wellen kompensieren. Für die Installation dieser Kupplungsausführung empfiehlt es sich, die paarweise angeordneten Schrauben wechselseitig und in mehreren Schritten festzuschrauben. Durch den geringen Abstand zwischen den einzelnen Schrauben beeinflussen sich die Schrauben eines Schraubenpaares beim Aufbau der Ringspannung in der Kupplung gegenseitig. Beim Anziehen der einen Schraube löst sich die Spannung der daneben liegenden Schraube. Durch das wechselseitige, in mehreren Schritten ausgeführte Festschrauben wird die Spannung gleichförmiger verteilt. Dies gewährleistet einen festen Sitz und die erwünschte bessere Haltekraft.

Dreiteilige Ausführung

Weniger üblich, aber für bestimmte Anwendungen von Vorteil sind starre Kupplungen in dreiteiliger Klemmnabenausführung. Diese Ausführung gestattet einen bequemeren Austausch und eine einfachere Einstellung von gekuppelten Wellen, vor allem wenn die Welle axial nicht entfernt werden kann. Jede Seite der Kupplung kann abgenommen und die Welle ohne Beeinträchtigung der anderen Wellenverbindung abmontiert werden. Die dreiteilige Ausführung kann auch etwas höhere Abweichungen zwischen den Wellengrößen ausgleichen, da voneinander unabhängige Klemmverbindungen auf beiden Wellen angebracht werden.

Leistungsparameter von starren Kupplungen

Torsions-
steife
Torsions-
festigkeit
Wartung
nötig
elektrisch
isolierend
Lager-
lasten
Beharrungs-
vermögen
hoch hoch nein nein hoch variiert

konstante
Drehzahl
Spiel-
freiheit
Kosten seitlicher
Versatz
paralleler
Versatz
axialer
Versatz
ja ja niedrig null null null

Um die richtige Kupplung für eine Servoanwendung auszuwählen, müssen verschiedene Leistungsfaktoren wie Drehmoment, Wellenversatz, Steifigkeit, Drehzahl und Platzverhältnisse berücksichtigt werden. Jeder dieser Faktoren muss stimmen, damit die Kupplung einwandfrei funktioniert. Zu den Vorteilen von starren Kupplungen zählen Wirtschaftlichkeit, hohe Drehmomentübertragungskapazitäten, Drehsteifigkeit und Spielfreiheit. Präzise Herstellungsverfahren wie gehonte Bohrungen sorgen dafür, dass starre Kupplungen die erforderliche Leistung erbringen können. Sie werden daher zunehmend in Motion Control-Anwendungen eingesetzt, in denen eine exakte Ausrichtung der Komponenten erforderlich ist. Oft wird die Kupplung selbst dazu verwendet, die benötigte Fluchtstellung zu erreichen. Neben Motion Control-Anwendungen werden starre Kupplungen auch häufig zur Verbindung von Wellensträngen oder anderen Komponenten wie zum Beispiel zur Verbindung von Motoren mit Getrieben verwendet.

Ruland Rigid Couplings
Autor:

William Hewitson, Director of Manufacturing and Engineering, Ruland Manufacturing Co., Inc.

© 2010 Ruland Manufacturing Co., Inc. All rights reserved.