Zuverlässige Highspeed-Sicherheitskupplungen

Die Autorin: Simone Dauer, Pressereferentin, Mayr Antriebstechnik

In der modernen Automobil- und Motorradproduktion sind heute intensive Forschung und Entwicklung sowie die Erfüllung höchster Qualitätsansprüche unerlässliche Voraussetzungen. Daher kommen bei der Entwicklung aber auch zur Endprüfung Bauteil- und Funktionsprüfstände wie z. B. Motoren- und Rollenprüfstände zum Einsatz, mit denen sich die ganze Bandbreite an Beanspruchungen für den Antriebsstrang und seine Komponenten praxisnah simulieren lassen. Gerade während der Entwicklungsphase werden dabei die Systeme häufig bis an die Belastungsgrenzen betrieben. Und so ist unter den extremen Belastungszuständen ein Versagen der Prüflinge durchaus möglich.

Um im Überlastfall nicht nur die häufig teuren Prüflinge, sondern auch die sensiblen Messeinheiten vor Schäden zu schützen, kommen in vielen Prüfstandsanwendungen drehmomentbegrenzende Sicherheitskupplungen zum Einsatz. Diese Sicherheitskupplungen müssen den extremen Anforderungen der Prüfstandstechnik gerecht werden und auch bei sehr hohen Drehzahlen zuverlässig arbeiten. Mit den spielfreien und drehsteifen EAS-HSC- und EAS-HSE-Sicherheitskupplungen bietet Mayr Antriebstechnik deshalb Überlastschutz, der speziell auf die Bedürfnisse in Highspeed-Anwendungen zugeschnitten ist. Die Kupplungen überzeugen durch ihre hohe Qualität und bieten größtmögliche Sicherheit, ohne dabei die Messsignale zu beeinflussen.

Übersteigt in einem Prüfstand das Drehmoment den an der Sicherheitskupplung eingestellten Grenzwert, rastet die Kupplung aus und trennt An- und Abtrieb innerhalb von Sekundenbruchteilen. Nach einem Überlastfall muss somit schlimmstenfalls die Messwelle neu kalibriert werden, einen teuren Schaden an Antriebsstrang oder Prüfling hingegen verhindert die Sicherheitskupplung zuverlässig.

Die Highspeed-Sicherheitskupplungen EAS-HSC und EAS-HSE übertragen das Drehmoment spielfrei und mit hoher Drehsteifigkeit. Sie sind kompakt, haben eine hohe Leistungsdichte und ein geringes Massenträgheitsmoment. So wiegt z. B. eine EAS-HSE-Kupplung mit einem Drehmoment von 1000 Nm deutlich unter 10 kg. Bei dem sehr geringen Außendurchmesser von 125 mm lässt sie einen verhältnismäßig großen Bohrungsdurchmesser von bis zu 60 mm für die Aufnahme der Welle zu.

Eine weitere wichtige Grundvoraussetzung für den Einsatz einer Sicherheitskupplung in Highspeed-Anwendungen ist zudem eine hohe Wuchtgüte jeder Einzelkomponente, um in der Kombination der Bauteile eine optimale Laufruhe des Antriebsstrangs zu erreichen. Mit steigender Drehzahl verursacht Unwucht erhebliche Fliehkräfte und Schwingungen. Das belastet die gesamte Prüfstandskonstruktion, führt zu unruhigem Lauf und verfälscht die Prüfergebnisse der Messeinrichtungen. Daher stand bei der Entwicklung der EAS-HSC- und EAS-HSE-Kupplungen die Optimierung der Massenunwucht im Vordergrund. So stellen konstruktive Maßnahmen sicher, dass die vielen Einzelteile, aus denen die Sicherheitskupplungen bestehen, ihre Lage innerhalb der Kupplung, auch nach Überlast, nicht verändern. Zudem werden die Kupplungen in komplett montiertem Zustand auf eine Wuchtgüte G 2,5 bei einer Bezugsdrehzahl von 3000 min-1 gewuchtet.

Damit die vollständig montierten, auf das erforderliche Drehmoment eingestellten und gewuchteten Sicherheitskupplungen die notwendige Wuchtgüte auch nach Integration in die jeweilige Prüfstandsanwendung gewährleisten, ist das Fügespiel zwischen der jeweiligen Anwenderwelle und der Kupplungsbohrung minimiert. Die Kupplungsbohrungen sind standardmäßig in Qualität 6 ausgeführt und die reibschlüssige Welle-Nabe-Verbindung stellt zudem eine spielfreie Drehmomentübertragung sicher.

Daneben nimmt eine hochwertige Kupplungslagerung die externen Reaktionskräfte auf, die auf den Abtriebsflansch der Highspeed-Kupplungen wirken. Somit haben diese Kräfte keinen Einfluss auf den Auslösemechanismus und die präzise Drehmomentbegrenzung bleibt erhalten. Darüber hinaus ist die Kupplungslagerung so konzipiert, dass sie extrem hohe Beschleunigungen aufnehmen kann. Diese entstehen z. B. bei einer Blockierung des Antriebsstrangs, wenn die Sicherheitskupplung schlagartig ausrastet und die Antriebsseite der Kupplung gegenüber der Abtriebsseite extrem stark beschleunigt wird.

Die EAS-HSC überträgt im Normalbetrieb das Drehmoment über Kugeln, die gleichzeitig in Senkungen von Nabe und Abtriebsflansch eingreifen. Tellerfedern spannen die Kugeln über einen Ring vor. Die Höhe der Federkraft ist proportional zum übertragbaren Drehmoment. Dieses Prinzip bleibt auch bei Verschleiß der Senkungen spielfrei. Mayr setzt in Sicherheitskupplungen Tellerfedern mit fallender Kennlinie ein. Dadurch wird das Drehmoment bis zum voreingestellten Auslösewert drehsteif übertragen. Im Überlastfall reduziert sich die Vorspannkraft der Feder, die Kupplung löst sehr genau aus.

Nach dem Ausrasten sorgt ein spezieller Freischaltmechanismus dafür, dass die Kupplung in ausgerasteter Position bleibt. Der Antriebsstrang kann frei auslaufen. Während der Nachlaufzeit entstehen dabei keinerlei Raststöße, die sich negativ auf den Antriebsstrang, speziell auf die Drehmomentmesseinrichtung im Prüfstand, auswirken würden. Die Konstruktion der Drehmomentübertragungseinheit ist so gestaltet, dass das Wiedereinrasten nur an der Ausrastposition möglich ist. Die Einzelteile der Kupplung haben also im Betrieb immer die gleiche Winkelstellung zueinander, die Wuchtgüte bleibt erhalten. Der besondere Freischaltmechanismus ermöglicht ein einfaches, schnelles Wiedereinrasten ohne großen Kraftaufwand.

Bei der EAS-HSE übertragen einzelne Überlastelemente das Drehmoment formschlüssig. Bei Überlast rasten diese Überlastelemente aus und trennen An- und Abtrieb nahezu restmomentfrei mit hoher Abschalt- und Wiederholgenauigkeit. Die im System gespeicherte Bewegungsenergie der rotierenden Massen kann frei auslaufen. Die Elemente rasten nicht automatisch wieder ein. Sie bleiben getrennt, bis sie manuell oder über eine Vorrichtung wieder eingerastet werden. Die Position für die synchrone Wiedereinrastung zur Erhaltung der Wuchtgüte ist auf der Kupplung deutlich markiert.

In Standardausführung decken die kompakten EAS-HSC-Kupplungen einen Drehmomentbereich bis 1000 Nm ab, die EAS-HSE-Kupplungen auf Basis einzelner Überlastelemente haben einen Drehmomentbereich bis 10 000 Nm. Beide Kupplungen erreichen Drehzahlen bis 12 000 min-1. In Sonderausführung sind größere Drehmomente und höhere Drehzahlen sogar bis zu 20 000 min-1 zulässig.

Neben Sicherheitskupplungen sind Wellenausgleichskupplungen ein entscheidendes Zubehörteil in Prüfständen, denn sie minimieren die auf den Messflansch wirkenden Störgrößen. Diese Störgrößen oder sogenannte parasitäre Belastungen entstehen oftmals durch Ausrichtfehler im Antriebsstrang. So treten in fast allen Anwendungen Versätze zwischen An- und Abtriebsseite auf. Zusammen mit dem Messflansch kommen daher Wellenausgleichskupplungen zum Einsatz.

Auf Basis der bewährten spielfreien und drehsteifen Roba-DS Baureihe bietet Mayr Antriebstechnik eine speziell für Messflansche angepasste Ausführung seiner Ausgleichskupplung, die ideale Voraussetzungen für exakte Messergebnisse schafft. Diese Kupplungen übertragen das Drehmoment spielfrei und äußerst drehsteif und gleichen radialen, axialen und winkeligen Wellenversatz aus. Sie sorgen damit nicht nur für präzise Messergebnisse, sondern schützen auch die im Wellenstrang verbauten Lager vor unerwünschten Belastungen und damit vor unnötigen Ausfallzeiten und Kosten. Neben ihrer hohen Laufruhe und der geringen Massenträgheit zeichnen sich die Kupplungen durch eine hohe Wuchtgüte aus und sind besonders robust und unempfindlich.

Für die Kombination aus Wellenkupplung und drehmomentbegrenzender Sicherheitskupplung bietet Mayr Komplettlösungen aus einer Hand. Das traditionsreiche Familienunternehmen kann dafür auf umfassendes Know-how und langjährige Erfahrung in Entwicklung und Konstruktion zurückgreifen. Auf Prüfständen werden alle Produkte ausführlich getestet und exakt auf die in der jeweiligen Anwendung geforderten Werte eingestellt. bec

Chr. Mayr GmbH + Co. KG, Mauerstetten

Ralf Epple, Produktmanager

Tel. +49 8341 804-2606

SPS IPC Drives: Halle 4, Stand 278

Detaillierte Informationen zu den High-Speed-Sicherheitskupplungen:

http://t1p.de/oelh