Mechanisch versus Elektrisch

Exklusiv in KEM Der Autor: Philipp Bergmann, Projektingenieur, R+W Antriebselemente GmbH, Klingenberg

Bei der objektiven und umfänglichen Bewertung beider Funktionsprinzipien stellt man fest, dass elektronische Sicherheitseinrichtungen gegenüber mechanischen Bauteilen gravierende Nachteile aufweisen. Besonders wird dies bei der Reaktionszeit beider Varianten deutlich: Schließlich ist Schnelligkeit der entscheidende Faktor bei Sicherheitseinrichtungen. Je schneller die Steuerung abschaltet oder das Bauteil die Drehmomentübertragung unterbricht, desto geringer sind Folgeschäden an den Bauteilen oder sogar der gesamten Maschine.

In der Praxis ist folgendes Szenario denkbar: Infolge einer Blockade tritt in einer Maschine eine Überlast auf. Jetzt muss das Signal des Überwachungskreises die Information über einen starken Drehmomentanstieg durch die Überlast an die Motorsteuerung liefern. Dabei vergehen im Schnitt 5 bis 7 ms. In dieser Zeitspanne versucht die Steuerung das Drehmoment weiter zu erhöhen, um den Drehzahlsollwert zu erreichen. Im optimalen Fall vergehen zwischen Signalankunft an der Motorsteuerung bis zur Motorabschaltung weitere 10 ms. Also dauert es insgesamt mindestens 15 bis 17 ms zwischen Blockade der Maschine bis zur Abschaltung des Motors.

Die mechanische Sicherheitskupplung trennt die An- und Abtriebseite innerhalb von 3 bis 5 ms voneinander, also in einem Drittel der Zeit einer elektronischen Abschaltung. Die 10 bis 15 ms, die eine mechanische Absicherung schneller reagiert, tragen entscheidend dazu bei, Maschinen- oder Werkzeugschäden zu verhindern.

Ein weiterer Vorteil der mechanischen Sicherheitseinrichtungen ist die Anzahl möglicher Fehlerquellen. Um die Anlagen mit elektronischen Steuerungen ausrüsten zu können, ist eine Vielzahl an Sensoren notwendig, um optimalen Schutz zu gewährleisten. Zusätzlich zu den Sensoren werden Drehmomentmessgeräte an wichtigen Positionen innerhalb der Anlage angebracht. Dieser Aufbau von mehreren Sicherheitseinrichtungen birgt Fehlerquellen. Das System muss regelmäßig gewartet werden. Zudem bieten Sensoren keine absolute Sicherheit, denn beispielsweise durch Schmutz, Ablenkung von Infrarotstrahlen oder Verdeckung der Sensoren ist eine einwandfreie Funktionsweise nicht gewährleistet.

Mit einer elektronischen Strombegrenzung kann man präventiv gegen eine Drehmomentüberlast vorgehen. Allerdings ist eine Begrenzung des Stromflusses nur bis zu einem gewissen Grad effektiv, da nur der Motor in seinem Drehmoment begrenzt wird.

Alle Komponenten, die zwischen Werkzeug und Motor liegen, tragen zu einer möglichen Drehmomentüberlast bei. So kann es beispielsweise durch Massenträgheit oder Aufschwingen weiterer Bauteile im Antriebsstrang trotz der Drehmomentbegrenzung im Servomotor zu einer Überlast kommen. Diese Überlast wird von der motorseitigen Drehmomentbegrenzung nicht verhindert, da das am Motor vorhandene Drehmoment trotzdem noch im Toleranzbereich liegen kann. Abhilfe schafft eine mechanische Sicherheitskupplung im Antriebsstrang. Diese trennt die Verbindung zwischen Motor und Werkzeug innerhalb von Millisekunden, falls es durch Massenträgheit oder Aufschwingen der Bauteile zu Überlasten kommen sollte. So können Schäden an den Bauteilen, im schlimmsten Fall sogar ein Maschinencrash, verhindert werden. Folglich sollte die elektronische Strombegrenzung am Motor durch eine mechanische Sicherheitskupplung ergänzt werden, um einerseits einen Motorschaden zu verhindern und um andererseits den gesamten Antriebsstrang der Sicherheitseinrichtungen gegen Schäden durch Drehmomentüberlast abzusichern.

Ein weiterer Vorteil besteht in der einfachen Handhabung und problemlosen Verstellmöglichkeit der mechanischen Sicherheitskupplung. Sind beispielsweise zu hohe Massenträgheitsmomente im gesamten Antriebsstrang vorhanden, sodass die Sicherheitskupplung beim Abbremsen und Beschleunigen des Antriebsstrangs regelmäßig auslösen würde, kann das Ausrückmoment durch den großen Einstellbereich problemlos an die Gegebenheiten angepasst werden. Durch die variablen Einbaumöglichkeiten kann die Kupplung genau dort im Antriebsstrang eingesetzt werden, wo die Wahrscheinlichkeit einer Überlast am größten ist.

Der Kupplungshersteller R+W bietet verschiedene Lösungen für präzise Sicherheitskupplungen an, u. a. die klassische Modellreihe SK, die sich für Drehmomente zwischen 0,1 und 2800 Nm eignet. Diese Baureihe ist für direkte und indirekte Anbindung mittels Klemmnaben-, Konusklemmring- oder Passfederverbindung und in torsionssteifer Metallbalgausführung sowie in einer schwingungsdämpfenden Elastomerausführung (ES) erhältlich. Dabei sind die verschiedenen Modelle in unterschiedlichen Funktionsweisen verfügbar:

Bei der winkelsynchron/durchrastenden Ausführung der SK bzw. ES wird die Tellerfeder im ausgerasteten Zustand so weit durchgedrückt, bis sie auf einen sehr geringen Wert zurückfällt. Die geringe Restkraft reicht aus, um die Kupplung automatisch wieder zum Einkuppeln zu bringen. Nach Beseitigen der Überlast rastet die Kupplung in der winkelsynchronen Ausführung nach exakt 360° ein und ist wieder betriebsbereit. Die durchrastende Variante versucht in der Standardausführung alle 60° wieder einzurasten. Optional sind auch andere Einrastwinkel möglich. Diese Ausführung wird beispielsweise in Werkzeugmaschinen, Verpackungsmaschinen und Automatisierungssystemen eingebaut. Die gesperrte Ausführung wird zur Lastsicherung z. B. in Pressen oder Lasthebezeugen verwendet. Hier verdrehen sich An- und Abtriebsseite nur einige Winkelgrade, um den Schaltweg des Schaltrings zu ermöglichen, der wie bei allen anderen Ausführungen abgefragt werden kann. Bei der Freischaltausführung springt die Tellerfeder komplett um und sorgt für eine Zwangstrennung der An- und Abtriebsseite. Im Anschluss läuft die Kupplung frei durch und wird manuell wieder eingerastet. Nach dem Ausrastvorgang fällt die Federkraft der Tellerfeder auf einen sehr niedrigen Wert. Der Vorgang garantiert Schaltzeiten von 1 bis 3 ms, geringen Verschleiß und eine niedrige Restreibung von nur 2 bis 5 %. Diese Ausführung ermöglicht besonders hohe Drehzahlen.

Um den sich stetig verändernden Marktanforderungen, wie beispielsweise nach niedrigeren Massenträgheitsmomenten, höheren Betriebsdrehzahlen oder effizienteren Prozessen gerecht zu werden, hat R+W bereits im Jahr 2010 Leichtbau-Sicherheitskupplungen, Modellreihe SL Torqlight, entwickelt. Diese besitzt eine höhere Leistungsdichte, ein geringeres Gewicht und kostet im Vergleich zur Standardbaureihe weniger. Der Hersteller erreicht dies durch intelligenten Leichtbau in Kombination mit Hightech-Werkstoffen unter Verwendung neuer Fertigungstechniken. Die möglichen Funktionsprinzipien – winkelsynchron, durchrastend und freischaltend – der Baureihe, sind grundsätzlich identisch mit denen der klassischen Modellreihe SK.

Die mechanischen Sicherheitskupplungen für unterschiedliche Einsatzbereiche und Anwendungen sorgen mit schneller Reaktionszeit, einfacher Handhabung und hoher Zuverlässigkeit für Sicherheit. Wenn es um den Schutz von Investitionen und die Vermeidung von Stillstandszeiten geht, sind Sekundenbruchteile entscheidend. Mechanische Sicherheitskupplungen geben den Anwendern einen wertvollen Vorsprung. I

R+W Antriebselemente

Dirk Hasenstab

Marketing/Vertrieb

Tel.: 09372 9864-0

Detaillierte Informationen zu den Sicherheitskupplungen