Leichtere Sicherheitskupplungen mit höherer Leistungsdichte

Sicherheitskupplungen

Experten bewerten Trends bei Sicherheitskupplungen

Sicherheitskupplungen sorgen beispielsweise in Werkzeugmaschinen für höchste Sicherheit, Prozessgenauigkeit sowie Zerspanleistung und reduzieren Ausfallzeiten sowie Kosten Bild: Eisenhans/Fotolia.com
Sicherheitskupplungen sorgen beispielsweise in Werkzeugmaschinen für höchste Sicherheit, Prozessgenauigkeit sowie Zerspanleistung und reduzieren Ausfallzeiten sowie Kosten Bild: Eisenhans/Fotolia.com
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Sicherheitskupplungen schützen Maschinen und Anlagen zuverlässig vor teuren Überlastschäden. Denn sie trennen bei Überschreiten des eingestellten Drehmoments An- und Abtrieb in wenigen Millisekunden. Im Gespräch mit KEM Konstruktion erklären Experten aus der Kupplungsbranche, welche Entwicklungen es im Bereich Sicherheitskupplungen gibt und welche Herausforderungen die Hersteller dabei zu meisten haben.

Interview: Johannes Gillar, stellvertretender Chefredakteur, KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Welche Trends (Kompaktheit, höhere Drehzahlen, etc.) beziehungsweise Entwicklungen gibt es derzeit bei Sicherheitskupplungen?

Roland Arnold (Jakob Antriebstechnik): Ein einheitlicher Trend ist nicht zu beobachten. Einerseits sind kostengünstige Lösungen gefragt, andererseits liegen die benötigten technischen Parameter, wie z.B. maximale Betriebsdrehzahl, im Grenzbereich des derzeit machbaren. Zur Zeit entwickelt die Firma Jakob Antriebstechnik eine neue Generation für eine Sk-Type mit Freischaltmechanik, um eine Überlastbegrenzung auch bei sehr hohen Drehzahlen zu gewährleisten.

Sven Karpstein (KBK Antriebstechnik): Das sind im Wesentlichen dieselben Trends wie bei den Standard-Wellenkupplungen: Die Leistungsdichte wird immer höher, das heißt, es werden selbst in Anwendungen mit geringem Bauraum immer höhere Momente erwartet. Und die Komponenten werden immer leichter – der Trend geht auch bei den Überlastkupplungen eindeutig Richtung Leichtbau.

Frank Kronmüller (R+W Antriebselemente): Wir haben festgestellt, dass die Anforderungen an das Bauteil Kupplung immer spezieller werden. Und ständig neue Anwendungen in der Antriebstechnik brauchen spezialisierte Kupplungstypen. Im Sortiment macht sich das an einem breiteren Spektrum an Kupplungsformen und einem höheren Spezialisierungsgrad der verschiedenen Baureihen bemerkbar.

Frank Mietke (Flender): Der Trend bei Sicherheitskupplungen ist neben der Realisierung höherer Drehzahlen auch die Einsetzbarkeit in explosionsgefährdeter Atmosphäre (ATEX). Für die meisten Wellenkupplungen existieren bereits entsprechende Freigaben, für Sicherheitskupplungen besteht hier noch ein Nachholbedarf.

KEM Konstruktion: Im Maschinenbau besteht eine Tendenz zu immer kompakter und leichter werdenden Komponenten, die dabei aber gleichzeitig auch immer sicherer und leistungsstärker sein müssen. Was bedeutet das für Sicherheitskupplungen?

Arnold (Jakob Antriebstechnik): Diese Tendenz ist seriös nicht zu realisieren, da eine immer größere Leistungsdichte mit Leichtbauwerkstoffen zu physikalischen Widersprüchen führt, gerade im Hinblick auf Verschleiß und Funktionssicherheit. Bereits jetzt werden hochfeste Werkstoffe und optimierte Härte- bzw. Wärmebehandlungsverfahren eingesetzt.

Karpstein (KBK Antriebstechnik): Es bedeutet, dass wir in zunehmendem Maße die Besonderheiten der jeweiligen Anwendung berücksichtigen müssen, um diese Anforderungen erfüllen zu können. Das ist bei uns im Bereich Überlastkupplungen ohnehin ein Trend: Immer mehr Kunden wünschen sich ein maßgeschneidertes Produkt. Das kann die individuelle Anpassung der Wellendurchmesser sein oder ein bestimmtes Extra. Wir gehen gerne darauf ein und versuchen, alles möglich zu machen.

Kronmüller (R+W Antriebselemente): Wir haben letztes Jahr unsere Spezialisierungsstrategie gestartet, die die Anforderungen auch an die Sicherheitskupplungen in die Bereiche Präzision und Industrie einteilt. Für den Kunden heißt das, dass unser Standardproduktprogramm auf den ersten Blick zwei Hauptkategorien für diverse Anwendungsgebiete und Drehmomente bietet. Im Bereich der Präzisionssicherheitskupplungen gibt es die besonders leichten Modellreihen SL und ESL. Die spielfreien Sicherheitskupplungen in Leichtbauweise können je nach Modell für Drehmomente von 10 bis 700 Nm eingesetzt werden. Für Highspeed Applikationen mit höheren Drehmomenten, was also die Industriesicherheitskupplungen betrifft , kann z. B. als Option ein integriertes Schaltsystem, welches extrem kompakt und für hohe Drehzahlen gewuchtet ist, geordert werden.

Mietke (Flender): Unsere Sicherheitskupplungen vom Typ AKR werden mit Stahllamellenkupplungen kombiniert, um neben der Sicherung des Antriebes gegen Überlast auch unvermeidbare Wellenversätze auszugleichen. Um hier zukünftig kompakter und leichter zu werden, ist eine Kombination mit unserer neuen Kupplungsbaureihe N-Arpex geplant.

KEM Konstruktion: Höhere Qualität zu niedrigeren Kosten zu produzieren, führt unter anderem zu einer sich stetig erhöhenden Auslastung von Maschinen. Welche Anforderungen müssen Sicherheitskupplungen vor diesem Hintergrund erfüllen?

Arnold (Jakob Antriebstechnik): Die meisten Hersteller von Sk-Kupplungen bieten ausgereifte Produkte mit hoher Leistungsdichte zu einem vernünftigen Preisniveau an, sodass eine Amortisierungder Mehrkosten, durch verhinderte Folgeschäden und Ausfallzeiten, bereits nach wenigen Crash-Situationen gegeben ist.

Karpstein (KBK Antriebstechnik): Sie müssen extrem hohen Qualitätsanforderungen genügen, denn der Ausfall einer Kupplung führt zum augenblicklichen Stillstand der Maschine. Top-Qualität zu liefern ist aber für einen Hersteller von elementaren Bauteilen wie wir es sind ohnehin die Grundvoraussetzung, um erfolgreich am Markt zu sein. Wir fertigen und prüfen im Prinzip jede Kupplung wie ein Einzelstück, dadurch sind unsere Produkte besonders zuverlässig und langlebig.

Kronmüller (R+W Antriebselemente): Bei der Planung einer Anlage ist das Teil Kupplung nur eine von vielen Komponenten. Trotzdem oder gerade deswegen muss die zur Applikation passende Kupplung als Verbindungselement in der Anlage alle Anforderungen erfüllen. Sicherheitskupplungen bieten letztlich eine zuverlässige Drehmomentbegrenzung, welche die Maschine vor Schäden schützt. Darüber hinaus reduzieren sie Stillstandzeiten.

Mietke (Flender): Wichtiges Kriterium bei der Entwicklung von Sicherheitskupplungen ist das genaue Ansprechverhalten im Überlastfall und die Wiederholgenauigkeit auch bei häufigen Überlastfällen. Je genauer eine Sicherheitskupplung anspricht, desto höher kann eine Maschine ausgelastet werden.

KEM Konstruktion: Ebenfalls im Fokus der Anwender stehen höhere Leistungsdichten, geringeres Gewicht und geringere Kosten. Wie lässt sich das bei Sicherheitskupplungen erreichen?

Arnold (Jakob Antriebstechnik): Wie bereits erwähnt ist eine weitere Steigerung der Kompaktheit und Leistungsparameter mit einer enormen Kostenerhöhung machbar, wodurch dies nur für wenige Nischenanwendungen interessant und sinnvoll ist. Generell ist für solch eine Entwicklungsarbeit eine aufwendige Prüfstandtechnik obligatorisch.

Karpstein (KBK Antriebstechnik): Das schaffen wir, indem wir bei den Überlastkupplungen wie bei den Standard-Kupplungen die früher üblichen Vergütungsstähle durch Aluminium ersetzen. Um mit diesem Material dieselbe Leistung wie mit Stahl erzielen zu können, verwenden wir verschiedene Beschichtungsformen. Wir setzen den Leichtbau-Trend konsequent um und können deshalb mit unserem Programm verschiedenste Anforderungen erfüllen.

Kronmüller (R+W Antriebselemente): R+W als einer der führenden Hersteller von Präzisions- und Sicherheitskupplungen entwickelt das Produktprogramm stetig weiter. Die Anforderungen aus dem Markt spielen dabei natürlich eine große Rolle. Daher gibt es bereits im Bereich der Präzisionssicherheitskupplungen Lösungen in Leichtbauweise. Für das Gebiet der Industriesicherheitskupplungen haben wir eine verstärkte Nachfrage für den Einsatz in Explosionsschutzbereichen festgestellt und viele der Modelle stehen nun als ATEX-Lösung zur Verfügung.

Mietke (Flender): Geringere Kosten sind natürlich immer ein Thema, nicht nur bei Sicherheitskupplungen. Der Einsatz von Hightech-Werkstoffen würde eine Sicherheitskupplung jedoch nicht günstiger sondern eher teurer machen. Die aktuellen Sicherheitskupplungen Typ AKR bauen heute schon so kompakt, dass die Bohrungskapazität der zu verbindenden Wellen kaum noch ausreicht. Eine Kostenreduzierung und eine höhere Leistungsdichte, speziell im höheren Drehmomentbereich, wären eher durch eine verbesserte bzw. optimierte Konstruktion zu erreichen.

KEM Konstruktion: Von Kupplungen allgemein erwarten Anwender Spiel- und Wartungsfreiheit, was tun Sie um diesen Anforderungen gerecht zu werden?

Arnold (Jakob Antriebstechnik): Die Sicherheitskupplungstypen von Jakob Antriebstechnik erfüllen von jeher die Anforderungen hinsichtlich Spiel- und Wartungsfreiheit. Diese wird durch eine hochpräzise Fertigung und spezielle Kugelrastmechanik garantiert. Allerdings ist die Anzahl der Ausrückvorgänge begrenzt, warum auch eine möglichst schnelle Abschaltung des Antriebs nach dem Ausrückvorgang bzw. der Lasttrennung generell erforderlich ist.

Karpstein (KBK Antriebstechnik): Bei unseren Überlastkupplungen erreichen wir diese Eigenschaften durch ein ausgetüfteltes System: Wir ordnen die Kugeln paarweise verspannt gegeneinander. So können wir die Spielfreiheit über die komplette Lebensdauer hinweg gewährleisten. Unser eigener Qualitätsanspruch und die hochwertige Verarbeitung der Komponenten garantieren, dass die Lebensdauer der Kupplungen die der zu verbindenden Komponenten deutlich übersteigt.

Kronmüller (R+W Antriebselemente): Das ist korrekt. Spielfreiheit wird überall dort gefordert wo Positionier- und/oder Laufgenauigkeit eine große Rolle spielen. Die R+W-Kupplungen, speziell die Präzisionssicherheitskupplungen, arbeiten nach dem eigens entwickelten federvorgespannten Kugelrastprinzip, welches Spielfreiheit gewährleistet. Außerdem sind die Kupplungen selbstnachstellend und somit wartungsfrei.

Mietke (Flender): In Kombination mit unseren Stahllamellenkupplungen sind unsere AKR Sicherheitskupplungen spielfrei, verdrehsteif und wartungsfrei. Sie erlauben eine große Anzahl an Schaltvorgängen, ohne dass ein Austausch von Komponenten notwendig ist. Möglich wird dies durch eine flächendeckende Planverzahung, die durch Tellerfedern in Eingriff gehalten und im Überlastfall auseinandergedrückt wird. In diesem Fall treten nur geringe Flächenpressungen in der Verzahnung auf. Durch eine spezielle Beschichtung der Verzahnung wird die Lebensdauer verlängert und der Streubereich des Abschaltmomentes minimiert.

KEM Konstruktion: Spielt im Bereich Sicherheitskupplungen Predictive Maintenance eine Rolle?

Arnold (Jakob Antriebstechnik): Die ist höchstens ein Randthema, der Fokus liegt eindeutig auf der Verhinderung massiver Schäden bzw. hoher Reparaturkosten.

Karpstein (KBK Antriebstechnik): Indirekt schon: Man kann in Kombination mit unseren Sicherheitskupplungen einen sogenannten Endschalter nutzen, der bei einer Überlast ein Signal von der Kupplung empfängt. Dieses Signal gibt dem Maschinenführer die Möglichkeit, Gegenmaßnahmen zu ergreifen, bevor es zu Schäden an der Anlage kommt. Man könnte die Kupplung also als eine Komponente der Predictive Maintenance für den gesamten Antriebsstrang bezeichnen.

Kronmüller (R+W Antriebselemente): Für die Präzisionssicherheitskupplungen trifft das in hohem Maße zu. Bei den Industriesicherheitskupplungen ist oftmals die Beratung vorab ein wichtiger Bestandteil, denn dann kann die zur Maschine oder Anlage optimale Kupplung ausgesucht werden. Bei R+W gibt es dafür einen technischen Vertrieb, der eng mit der eigenen Konstruktion zusammenarbeitet. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit Wartungsverträge abzuschließen.

Mietke (Flender): Wartung ist immer mit Kosten verbunden. Unsere Sicherheitskupplungen in Kombination mit unseren Stahllamellenkupplungen sind zunächst wartungsfrei und helfen dem Kunden dadurch Kosten zu sparen. Notwendig sind nur visuelle Kontrollen, die dann darüber entscheiden, ob bei einer geplanten Revision ggf. Komponenten getauscht werden müssen.

KEM Konstruktion: In vielen Branchen gewinnen Technologien wie Simulation oder die Additive Fertigung (3D-Druck) zunehmend an Bedeutung. Welche Bedeutung haben diese Technologien für die Hersteller von (Sicherheits)kupplungen?

Arnold (Jakob Antriebstechnik): Ist bis dato noch ohne Bedeutung. Die Herstellungsprozesse der aktuellen Sk-Bauteile sind durch Dreh-, Fräs- und Schleifbearbeitung geprägt.

Karpstein (KBK Antriebstechnik): Sie sind wichtig, weil man mit ihnen Schwachstellen in der Konstruktion identifizieren und eliminieren kann, bevor man in die Produktion geht und es teuer wird. Wir simulieren deshalb bei allen unseren Kupplungstypen schon beim Engineering die Funktionen und Dynamiken mit CAD- bzw. 3D-Programmen. Für die Erstellung von Prototypen und Sonderlösungen und für die Entwicklung neuer Baureihen nutzen wir außerdem 3D-Druck-Verfahren.

Kronmüller (R+W Antriebselemente): Unsere Konstruktion arbeitet für die Lösungsfindung und Produktentwicklung nach neuestem Standard. Gerade hierbei spielt auch die Simulation im CAD eine große Rolle und unterstützt die Ingenieure ideal.

Mietke (Flender): Die Simulation von Antrieben ist bereits seit einigen Jahren Stand der Technik. Speziell das Drehschwingungsverhalten von Antrieben wird häufig bei kritischen Antrieben im Vorfeld berechnet. Bei den Anwendungen, in denen Sicherheitskupplungen zum Einsatz kommen, ist dies jedoch eher selten der Fall. 3D-Druck ist in diesem Bereich bis heute noch kein Thema.

www.flender.com

www.jakobantriebstechnik.de

www.kbk-antriebstechnik.de

www.rw-kupplungen.de

Details zu Sicherheitskupplungen der Hersteller:

http://hier.pro/4FYrx

http://hier.pro/3HOKb

http://hier.pro/QO8Ec

http://hier.pro/XrsnH


„Die meisten Hersteller von Sk-Kupplungen bieten ausgereifte Produkte mit hoher Leistungsdichte zu einem vernünftigen Preisniveau an.“

Roland Arnold, Konstruktion bei Jakob Antriebstechnik
Bild: Jakob Antriebstechnik

„Die Komponenten werden immer leichter – der Trend geht auch bei den Überlastkupplungen eindeutig Richtung Leichtbau.“

Sven Karpstein, Geschäftsführer KBK Antriebstechnik
Bild: KBK Antriebstechnik

„Wir haben festgestellt, dass die Anforderungen an das Bauteil Kupplung immer spezieller werden.“

Frank Kronmüller, Prokurist/Executive Vice President bei R+W Antriebselemente
Bild: R+W Antriebselemente

„Wichtiges Kriterium bei der Entwicklung von Sicherheitskupplungen ist das genaue Ansprechverhalten im Überlastfall und die Wiederholgenauigkeit auch bei häufigen Überlastfällen.“

Frank Mietke, Projektingenieur bei Flender
Bild: Flender
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