Optimale Auswahl und Dimensionierung von Sicherheitskupplungen

Variantenreicher Überlastschutz

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Fehlbedienung, Soft- und Hardwarefehler in der Steuerung und äußere mechanische Einflüsse sind in Maschinen und Anlagen die häufigsten Ursachen für Kollisionen. Teuere Schäden und Produktionsstillstand sind die Folgen. Mechanische Sicherheitskupplungen bieten in den allermeisten Fällen zuverlässigen Schutz vor solchen Überlastschäden.

Voraussetzung für einen sicheren Schutz vor Überlast ist, dass die Kupplung auch optimal zu den Anforderungen der jeweiligen Anwendung passt. Nur wenige Anbieter haben die dafür erforderliche große Variantenvielfalt. Mayr Antriebstechnik entwickelt und fertigt seit 50 Jahren solche Schutzelemente und bietet als weltweiter Marktführer die breiteste Produktpalette.

Sicherheitskupplungen sorgen durch exakte Drehmomentbegrenzung dafür, dass die Belastung von Bauteilen in Maschinen und Anlagen nicht über die zulässigen Werte ansteigt. Aufgrund dieses Vorteils lassen sich zahlreiche Forderungen an moderne Maschinenkonstruktionen ohne Risiko realisieren.
Die konstruktiven Sicherheitsfaktoren können reduziert werden. Dadurch entstehen optimal dimensionierte Maschinen mit geringen Massenträgheitsmomenten. Solche Maschinen benötigen in der Folge auch kleinere Antriebsmotoren und Getriebe. Der Einsatz von Sicherheitskupplungen rechnet sich also schon für den Maschinenbauer durch Material- und Kosteneinsparungen bei der Maschinendimensionierung.
Den größten Nutzen bieten Sicherheitskupplungen für den Produktionsbetrieb. Keine Maschine ist vor Kollisionen sicher. Sie lassen sich zwar reduzieren, aber nicht komplett vermeiden. Sie treten gelegentlich auch bei Maschinen mit intelligenten Steuerungs- und Überwachungseinheiten auf.
Anwender von CNC-Maschinen haben bestätigt, dass selbst bei erfahrenem Bedienpersonal im Jahr durchschnittlich etwa zwei Kollisionen pro Maschine nicht ungewöhnlich sind. Sie entstehen durch Fehlbedienung, Software- und Hardwarefehler in der Steuerung und äußere mechanische Einflüsse. Kollisionen können entstehen, wenn z. B. defekte Lagegeber eine falsche Ist-Position melden, Werkzeuge falsch eingespannt sind oder Fremdgegenstände in den Bearbeitungsbereich gelangen. Die Folgen sind hohe Reparatur- und Ersatzteilkosten, Stillstandszeiten, Produktionsausfall, Umsatzeinbußen und Imageverlust durch Lieferverzug.
Lasthaltende Sicherheitskupplungen
Mechanische Sicherheitskupplungen bieten in den allermeisten Fällen zuverlässigen Schutz vor solchen Überlastschäden. Voraussetzung ist aber, dass die Kupplung auch optimal zu den Anforderungen der jeweiligen Anwendung passt. Dazu bedarf es einer umfangreichen Palette an lasthaltenden, lastabwerfenden, drehmoment- und kraftbegrenzenden, reibschlüssigen, formschlüssigen, magnetischen, regelbaren und schaltbaren Kupplungen. Nur wenige Anbieter von Sicherheitskupplungen haben die dafür erforderliche große Variantenvielfalt. Mayr Antriebstechnik entwickelt und fertigt seit 50 Jahren solche Schutzelemente und bietet die breiteste Produktpalette.
Eine der ersten grundlegenden Fragen bei der Auswahl lautet, ob die Kupplung lasthaltend oder lastabwerfend funktionieren soll. Lasthaltende Kupplungen begrenzen das Drehmoment auf einen vorgegebenen Wert, entweder durch Relativbewegung zwischen An- und Abtrieb (Schlupf) oder durch Abschalten des Antriebs, wenn das eingestellte Grenzdrehmoment überschritten wird. Grundsätzlich gilt bei lasthaltenden Sicherheitskupplungen, dass die Drehmomentübertragung bei Überlast nicht unterbrochen wird. Wichtig ist dieses Verhalten beispielsweise bei vertikal oder schräg bewegten Massen, die auch bei Überlast gehalten werden müssen und nicht unkontrolliert abstürzen dürfen.
Klassische Vertreter dieser Kategorie sind die Roba-Rutschnaben, die das Drehmoment durch Reibschluss übertragen. Das Grenzdrehmoment für Überlast kann über Tabellen einfach und stufenlos eingestellt werden. Die formschlüssigen Kupplungen des Typs EAS-gesperrt begrenzen das Drehmoment nicht mechanisch. Sie betätigen bei Überlast lediglich einen Endschalter, dessen Signal zum Abschalten des Antriebs verwendet werden kann. An- und Abtrieb bleiben schlupffrei, durchschlagsicher und formschlüssig verbunden. Die dritte Kategorie der lasthaltenden Kupplungen übertragen das Drehmoment berührungslos und verschleißfrei über Magnetkräfte. Diese Sicherheitskupplungen der Baureihe Roba-contitorque bestechen durch hohe Drehmomentgenauigkeit und Drehmomentkonstanz. Aufgrund dieser Eigenschaft eignen sie sich . bestens zum Aufschrauben von Verschlusskappen aller Art, wie in der Pharma-, Kosmetik- und Getränkeindustrie sowie zur Kraftbegrenzung bei Auf- und Abwickelvorgängen.
Lastabwerfende Sicherheitskupplungen
Lastabwerfende Sicherheitskupplungen übertragen das Drehmoment im Betrieb formschlüssig. Das Drehmoment wird bei den nicht schaltbaren Ausführungen über die Vorspannung von Tellerfedern erzeugt. Die Einstellung erfolgt problemlos über eine Skalierung, die entweder direkt den Drehmo-mentwert zeigt oder angibt, auf wieviel Prozent des Maximalmomentes die Kupplung eingestellt ist. Bei den schalt- und regelbaren EAS-Sm, EAS-Zr und pneumatischen EAS-Sp Kupplungen bestimmen Stromstärke beziehungsweise Luftdruck die Höhe des Drehmoments.
Lastabwerfende Sicherheitskupplungen trennen bei Überlast oder Kollision An- und Abtrieb. Sie unterbrechen die Drehmoment- bzw. Kraftübertragung. Freischaltende Ausführungen trennen dabei vollständig und nahezu restmomentfrei. Sie bleiben solange in dieser getrennten Position, bis sie von Hand oder über Vorrichtungen wieder eingerastet werden. Freischaltende Sicherheitskupplungen werden bevorzugt in schnelllaufenden Antrieben oder in Antrieben mit großen Massenträgheitsmomenten eingesetzt, damit die gespeicherte Rotationsenergie bei einer Kollision frei auslaufen kann. Zu dieser Kategorie zählen EAS-compact-Freischalt, EAS-400-Freischalt, EAS-Elementekupplungen und die EAS-Elemente selbst. Auch die EAS-axial ist eine freischaltende Kupplung. Sie wird bei linearen Bewegungen zur Kraftbegrenzung eingesetzt. Diese Überlastelemente begrenzen die auftretenden Zug- und Druckkräfte, z. B. in kurvengesteuerten Vorschubantrieben, als Drehmomentstütze für Aufsteckgetriebe oder als Kraftbegrenzung in Kurbeltrieben.
Rastende Sicherheitskupplungen
Auch rastende Sicherheitskupplungen trennen An- und Abtrieb bei Überlast. Im Gegensatz zu freischaltenden Versionen sind sie nach Beseitigung der Störung sofort wieder betriebsbereit. Sie rasten automatisch wieder ein, entweder alle 15° bei den Durchrastkupplungen oder nach einer vollen Umdrehung bei den Synchronkupplungen. Zu den aktuellen rastenden Ausführungen gehören die spielfreien EAS-compact, EAS-smartic, EAS-NC Kupplungen. Auch die heute noch sehr weit verbreitete klassische Sicherheitskupplung EAS-400 zählt zu dieser Kategorie. Aufgrund der verbesserten und weiterentwickelten Technik sollten aber bei Neukonzeptionen von Maschinen und Anlagen die spielfreien Ausführungen EAS-compact, EAS-NC oder EAS-smartic zum Einsatz kommen.
Für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie, der Verfahrenstechnik und anderen Bereichen mit kritischen Umgebungsbedingungen werden EAS-compact Sicherheitskupplungen auch aus rostfreiem Stahl gefertigt – entweder als offene Version oder mit Abdichtung. In der Umwelttechnik hat sich die EAS-HTL bewährt. Hinter diesem Markennamen verbirgt sich eine EAS-compact Standardausführung, integriert in einem geschlossenen und abgedichteten Gehäuse. Dieses Gehäuse baut sehr kurz und hat genormte IEC/Nema-Anschlussmaße zur einfachen Montage zwischen Motor und Getriebe.
Gewünschtes Grenzdrehmoment
Bei allen bisher genannten lasthaltenden und lastabwerfenden Sicherheitskupplungen wird das gewünschte Grenzdrehmoment für Überlast über Feder- oder Magnetkräfte fest eingestellt. Formschlüssige Nachstellmuttern mit Kalibrierung oder direkt ablesbarem Drehmoment sorgen für eine zuverlässige und genaue Einstellung. Das Drehmoment ist also im Stillstand veränderbar, während des Betriebs aber bleibt es konstant. Im Gegensatz dazu kann bei den pneumatisch bzw. elektrisch schalt- und regelbaren Sicherheitskupplungen EAS-SP, EAS-Sm und EAS-Zr das Drehmoment auch im Betrieb über die Stromstärke bzw. den Luftdruck verändert und dem Fertigungsprozess kontinuierlich angepasst werden. Diese Kupplungen eignen sich bei kleinen Drehzahlen auch zum Zuschalten von Anlagenteilen. Sie wurden speziell für automatisierte Maschinen mit wechselnden Betriebszuständen, wechselnden Taktfolgen oder -geschwindigkeiten konzipiert.
Verschiedene Bauformen
Mayr Antriebstechik bietet mit rund einem Dutzend grundverschiedenen Familien von Sicherheitskupplungen eine runde Palette für nahezu alle Anwendungsbereiche in einem Drehmomentbereich von 0,1 bis 280 000 Nm. Unterschiedliche Bauformen sorgen dafür, dass für jede Antriebskonstellation eine passende Kupplungsvariante zur Verfügung steht. So genannte Flanschausführungen gibt es mit einfacher oder doppelter Lagerung für das Antriebselement oder als Ausführungen mit besonders langer Nabe zur Aufnahme zusätzlicher Lagerungen und breiter Antriebselemente. Diese Kupplungsbauformen werden direkt mit dem Antriebselement verschraubt und auf einer Welle montiert. Eine andere große Gruppe bilden die Zwei-Wellen-Ausführungen. Dabei wird die Sicherheitskupplung mit einer drehsteifen oder elastischen Wellenkupplung kombiniert. Diese Bauformen verbinden zwei Wellen und gleichen radialen, axialen und winkligen Wellenversatz aus. Neben den beiden großen Bauformgruppen „Flanschausführungen“ und „Zwei-Wellen-Ausführungen“ gibt es weitere ganz spezielle artspezifische Bauformen. Jede Produktfamilie und jede Bauform steht zudem in mehreren Größen zur Verfügung. Und sollte selbst das weltweit größte Sortiment an Sicherheitskupplungen nicht ausreichen, um die spezifischen Anforderungen abzudecken, hat der Hersteller aufgrund der langjährigen Erfahrung die Kompetenz zur Entwicklung einer speziellen Lösung.
Roba-Rutschnaben KEM 443
Roba-contitorque Magnetkupplungen KEM 444
EAS-SicherheitskupplungenKEM 445
Schalt- und regelbare Sicherheitskupplungen KEM 446
Überlastschutz bei linearen Bewegungen KEM 447

Sicherheitskupplungen
Marktübersicht Nichtschaltbare Kupplungen
VDMA Forschungsvereinigung Antriebstechnik Arbeitskreis Nicht schaltbare Kupplungen und Schaltbare Kupplungen
VDMA-e-market Nichtschaltbare Kupplungen
VDMA-e-market Schaltbare Kupplungen
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