Obwohl sie neben Elektromotoren, Getrieben, Schaltkupplungen und anderen Hauptkomponenten leicht übersehen wird, kann die Wellenkupplung großen Einfluss auf die Gesamtleistung des Antriebsstrangs haben. Sobald die zentralen Elemente des Antriebsstrangs feststehen, gilt es die Optionen für die Wellenkupplungen daraufhin zu prüfen, wie die jeweiligen Ausführungen die Leistung der Gesamtkonstruktion optimieren können. Angesichts knapper Terminpläne in der Entwicklung ist die Versuchung groß, einfach den am leichtesten verfügbaren Kupplungstyp zu wählen. Unter Umständen wird dabei am falschen Ende gespart, weil eine ungeeignete Wellenkupplung zu vorzeitigem Verschleiß von Bauteilen, schlechtem Wirkungsgrad, Schwingungen oder unzureichendem Drehmoment bei der Kupplung führen kann. In diesen Fällen wird ein kostspieliger und zeitaufwendiger Umbau nötig.
Ausgleich von Versatz
Versatz ist die Abweichung zwischen der idealen und der tatsächlichen Position und Ausrichtung der beiden Wellen. Je nach Situation müssen Wellenkupplungen Winkel-, Axial- und Radialversatz ausgleichen. Versätze ergeben sich oft aus Fertigungstoleranzen, können im Betrieb aber auch durch unterschiedliche Temperaturen der Komponenten, Verschleiß, Vorspannungsverlust und Verformungen unter Last entstehen. Am besten lässt sich der Versatz zweier Wellen ermitteln, indem man das System bei Betriebstemperatur und im kalten Zustand vermisst. Auch eine Analyse der Toleranzen anderer Einzelelemente des Antriebsstrangs ist aufschlussreich. Nichtberücksichtigung des Versatzes kann den Verschleiß der beteiligten Komponenten, beispielsweise der Motorlager, erhöhen und die Lebensdauer der Wellenkupplung verkürzen. Je größer der Versatz, desto geringer sind in der Regel die Drehmomentkapazität und die Lebensdauer der Kupplung. Zudem verlangt der Ausgleich größerer Versätze in der Regel eine längere Wellenkupplung. Balgkupplungen mit einer größeren Anzahl an Bälgen können etwa größeren Winkelversatz aufnehmen. Radialversatz hat großen Einfluss auf die Länge der Wellenkupplung, da zwei Winkel ausgeglichen werden müssen, um die Wellen zu verbinden. Es gibt allerdings Bauweisen, für die diese Grundregeln nicht gelten. So lassen sich mit den Oldham- und UniLat-Kupplungen selbst größere Verlagerungen auf kleinstem Raum ausgleichen.
Drehmoment verstehen
Ein höheres Nenndrehmoment bedeutet in der Regel eine größere Kupplung, wobei selbstverständlich auch die Werkstoffe und die Bauweise eine Rolle spielen. Eine Balgkupplung aus Edelstahl bietet bei gleicher Größe eine höhere Drehmomentkapazität als eine Oldham-Kupplung. Das liegt daran, dass bei der Oldham-Bauweise eine Kunststoffscheibe im Inneren die Drehmomentkapazität begrenzt. Ein weiterer Aspekt ist die Art und Weise, wie das Drehmoment im Antriebsstrang anliegt. Das im Katalog angegebene Drehmoment einer Wellenkupplung basiert auf ihrer Leistung bei konstanter Drehzahl in einer Richtung. Kommen jedoch Beschleunigung, Verzögerung oder Drehrichtungswechsel hinzu, verringert sich die Drehmomentkapazität der Kupplung. Eine Wellenkupplung mit einem Nenndrehmoment von 10 Nm erreicht bei Beschleunigung und Verzögerung mit wechselnder Drehrichtung nur 3 bis 4 Nm.
Verdrehsteifigkeit wichtiges Kriterium
Verdrehsteifigkeit ist der Widerstand, den die Kupplung einer Verdrehung um die Längsachse (Torsion) entgegensetzt. Eine hohe Verdrehsteifigkeit ist wichtig für Anwendungen, die eine hohe Signalintegrität oder Positioniergenauigkeit verlangen. Umgekehrt ist eine geringere Verdrehsteifigkeit wichtig, wenn größere Versätze auszugleichen sind oder eine Torsionsdämpfung bei Stoßbelastungen angestrebt wird. Wieder geht es also darum, die Anforderungen der Anwendung zu prüfen und den optimalen Kompromiss zwischen Präzision und Ausgleich von Fehlausrichtungen zu finden. Balgkupplungen zeichnen sich durch hohe Verdrehsteifigkeit aus und sind daher ideal für Präzisionsanwendungen. Dafür können sie nur in begrenztem Umfang Versätze ausgleichen. Doppelschlaufenkupplungen können hingegen auch größere Versätze ausgleichen, eignen sich aber aufgrund ihrer geringen Verdrehsteifigkeit weniger für Präzisionsanwendungen. Bei Kupplungen, auf die Reibungslasten einwirken spielt die Verdrehsteifigkeit eine untergeordnete Rolle, weil die Wellen nicht synchronisiert werden müssen. Bei Trägheitslasten ist die Verdrehsteifigkeit hingegen wichtig, denn sie verhindert, dass die angetriebene Komponente „hinterherhinkt“. Wenn sie unter Last nicht drehsteif ist, kann die Kupplung federn, das heißt, die Übertragung der Bewegung ist leicht verzögert. Für eine hohe Signalintegrität oder Positionsgenauigkeit ist dies unerwünscht.
Platzbedarf berücksichtigen
Wichtig ist es immer, dass für die Kupplung ausreichend Platz vorgesehen wird. Der Außendurchmesser der Kupplung beträgt in der Regel mindestens das Zweifache des Wellendurchmessers. Die Länge hängt dagegen von der Art und dem Ausmaß der Verlagerung ab, die ausgeglichen werden muss. Bei unserer Oldham-Kupplung entspricht die Länge in der Regel dem Dreifachen des Wellendurchmessers. Darüber hinaus hängt die Größe der Kupplung selbstverständlich auch von der erforderlichen Spitzendrehmomentkapazität ab. Um beispielsweise Wellen mit einem Durchmesser von 3 mm zu verbinden und einen Winkelversatz von 0,5° auszugleichen, bedarf es einer Kupplung von etwa 12,7 mm Länge.
Das Verbinden zweier Wellen ist also nicht so trivial wie es auf den ersten Blick scheinen mag. Dank langjähriger Expertise kann Huco für praktisch jede Bauraum- und Leistungsaufgabe die optimale Lösung anbieten und die Konstruktionskriterien der jeweiligen Anwendung erfüllen. (jg)
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