Kompakte Kupplungen mit optimierter Tellerfeder

Sicher ist sicher

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Mit der Weiterentwicklung einer bekannten Sicherheitskupplungsserie ist es dem Hersteller gelungen, die mit Abstand kompaktesten Sicherheitskupplungen zu entwickeln. Bei der bestehenden Baureihe SK1 wurden die übertragbaren Momente um bis zu 100 Prozent erhöht. Erreicht wurde dies durch eine weitere Optimierung der Tellerfeder und Verwendung neuer Materialien.

Der Autor Thomas Merz ist Vertriebsleiter Deutschland der R+W Antriebselemente GmbH, Klingenberg

Der Anwendernutzen besteht darin, dass durch die extrem niedrigen Massenträgheitsmomente der R+W Sicherheitskupplungen das Leistungspotenzial der Antriebe höher ausgeschöpft werden kann. Gewichtseinsparung und geringer Einbauraum sind weitere Vorteile, die sich für den Kunden ergeben. Durch die extrem kompakte Bauweise und eine hohe Leistungsdichte können kleinere Kupplungen gewählt werden. Das hat einen enormen Preisvorteil zur Folge.
Weiterhin wurde eine Gewichts-einsparung von mehr als 60 Prozent bei gleichzeitiger Verringerung des Außendurchmessers um 30 Prozent erreicht. Vorteilhaft ist, dass bei einem Crash aufgrund der Gewichtsreduzierung und der geringeren Außendurchmesser weniger Masse abgetrennt werden muss.
Dynamik und Zuverlässigkeit sind wichtige Voraussetzungen für das Erreichen von Produktivität und Wirtschaftlichkeit. Die Entwicklung hochdynamisch arbeitender Mess- und Regelgeräte in Kombination mit kompakten, leistungsstarken Motoren läuten den Wandel in der Antriebstechnik ein. Große Hauptantriebe werden durch kleine, flexible Einzelantriebe ersetzt. Die Möglichkeit in einer Maschine unterschiedliche Leistungen für verschiedenste Arbeitsprozesse zu installieren, brachte den erwünschten Erfolg.
Bei der Einführung der Regel-elektronik in moderne Antriebssysteme war man zunächst der Meinung, auf Sicherheitskupplungen verzichten zu können. Sicherlich trifft dies für den einen oder anderen Einzelfall zu. Auf mechanische Antriebskomponenten wie Getriebe, Zahnriemen, Kupplungen usw. können wir jedoch auch heute noch nicht ver-zichten.
Deshalb fordert die Technik immer wieder den Einsatz neuer und noch kompakterer Sicherheitskupplungen. Folgende Betrachtung veranschaulicht weshalb der Einsatz solcher Komponenten nicht vermieden werden kann und dass R+W mit der neuen kompakten Serie SK1 neue Maßstäbe setzt:
Jeder in Bewegung befindliche Körper besitzt auf Grund seiner Masse, seines Trägheitsmoments und seiner Geschwindigkeit ein mehr oder weniger großes Arbeitsvermögen, auch als Energie bezeichnet. Auch immer kompakter werdende Motoren entwickeln aufgrund ihrer hohen Drehzahl bei einer Kollision Zerstörungskräfte, die große Schäden verursachen. Die Folgen sind lange Stillstandszeiten mit enormen Produktionsausfall-, Ersatzteil- und Montagekosten. Sicherlich können durch den Einsatz einer spielfreien Sicherheitskupplung Schäden bei einer Kollision nicht ganz vermieden werden. Die Reduzierung auf ein vertretbares Maß ist aber möglich.
Um dies zu erreichen, sollte die Sicherheitskupplung so nah wie möglich an die Kollisionsstelle platziert werden. Je mehr kinetische Energie über die Schnittstelle Kupplung abgekoppelt wird, um so geringer sind die Zerstörungskräfte. Des Weiteren ermöglicht der Einsatz einer Sicherheitskupplung den gewünschten Leichtbau. Sparsamer Werkstoffeinsatz und Energieeinsparung leisten einen wichtigen Beitrag für die Umwelt.
Dies zeigt uns, dass Elektronik und Mechanik keine Gegensätze darstellen, sondern sich sinnvoll ergänzen. Beides wird gebraucht. Moderne Antriebssysteme stellen hohe Anforderungen an die benötigten Kupplungen.
Patentiertes Funktionsprinzip
Durch das patentierte Funktionsprinzip wird die erforderliche Spielfreiheit und eine hohe Drehfedersteife über die gesamte Lebensdauer der Kupplung erreicht. Sperrkörper Kugeln werden paarweise in ihren konischen Ansenkungen gegeneinander verspannt. Durch eingebaute Tellerfedern mit spezieller Kennlinie werden eine genaue Drehmomentbegrenzung und kürzeste Schaltzeiten erreicht. Erst nach Überschreiten des eingestellten Ausrückmoments kommt Bewegung in die Kupplung. Die Kugeln (2) verlassen ihre konischen Ansenkungen (9) und der Drehmomentfluss wird unterbrochen (Bild links oben). Die Federkraft verringert sich gegen Null. Hin und hergehende Bewegungen der Kugel in ihren Ansenkungen im Grenzbereich des eingestellten Ausrückmoments sind nicht möglich. Ein Kupplungsverschleiß ohne zu schalten wird ver-mieden.
Die Verringerung der Federkraft beim Schaltvorgang und der leichte Schaltring (3) reduzieren die Verschleißkräfte bei einem Schaltvorgang auf ein Minimum.
Eine Veränderung des eingestellten Drehmomentes durch Umwelteinflüsse wie sie beim Einsatz von Reibungskupplungen auftritt, gibt es bei diesem System nicht, oder sie ist nur gering.
R+W Sicherheitskupplungen werden im Werk auf das vom Kunden gewünschte Ausrastmoment eingestellt. Eine Veränderung im eingebauten Zustand ist leicht möglich.
Vier verschiedene Wirkprinzipien
Für jedes Kupplungsmodell sind vier verschiedene Wirkprinzipien einsetzbar:
n synchron = automatisch an der selben Position wieder einrastend
n durchrast = an mehreren Positionen pro Umdrehung wieder einrastend
n freischalt = berührungsfreie Trennung, muss wieder eingerastet werden
n gesperrt = kein Ausrasten möglich, zur Lastsicherung.
Diese vier Funktionssysteme ermöglichen eine optimale Anpassung an die vorliegenden Betriebsverhältnisse.
Für extreme Einflüsse beziehungsweise für Anwendungsfälle, bei denen Sauberkeit eine vorrangige Rolle spielt, empfiehlt der Hersteller abgedichtete Ausführungen. Hier wird durch das Einlegen eines O-Rings das Kupplungsinnere vor aggressiven Medien oder Staub geschützt ohne die äußeren Abmaße zu verändern. Optional werden alle Sicherheitskupplungen in Edelstahl rostfrei angeboten. Der besondere Vorteil einer mechanisch schaltenden Sicherheitskupplung ist die Zwangstrennung im Millisekundenbereich bei einer Überlast. Positiv zu bewerten ist auch die einfache Handhabung und ihre Zuverlässigkeit. Die Spielfreiheit des Kupplungssystems reicht für hochdynamische Antriebe allein nicht aus. Ein störungsfreier Betrieb erfordert unbedingt, dass auch die Welle-Nabe-Verbindung spielfrei ausgeführt wird. In der Praxis haben sich hier Klemmnaben, Konusspannsätze mit Innenkonus, Spreitznaben und Spannsätze mit Außenkonus bewährt.
Drehstrom-Asynchron-Motoren haben standardmäßig eine Passfeder. Für diesen Fall kann die Ausführung Klemmnabe mit Passfedernut eingesetzt werden.
Sicherheit, die sich lohnt
Vor allem in der Serienfertigung bei Arbeiten im Dreischichtbetrieb verursachen Stillstandszeiten hohe Produktionsausfallkosten, die zwangsläufig eine Erhöhung der Stückkosten zur Folge haben. Der Einsatz einer Sicherheitskupplung, die An-und Abtriebsseite im Millisekunden-Bereich trennt, mindert diese Folgeschäden maßgeblich.
Dabei ist der Kaufpreis im Vergleich zu evtl. später auftretenden Folgekosten nahezu unbedeutend.
Anforderungen an Sicherheitskupplungen
n Spielfreiheit
n hohe Drehfedersteife
n kompakte Bauweise
n geringes Trägheitsmoment
n genaue Drehmoment-begrenzung
n kürzere Schaltzeiten, gute Wiederholgenauigkeit
n lange Lebensdauer.
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