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Kupplungen als Konstruktionselement

Die Kupplung – im Herzen des Antriebsstrangs

| Autor / Redakteur: Andreas Mühlbauer / Stefanie Michel

Für die unterschiedlichsten Anwendungen stehen spezielle Kupplungen zur Verfügung. Ihre Gemeinsamkeit: die Übertragung von Drehbewegungen.
Bildergalerie: 3 Bilder
Für die unterschiedlichsten Anwendungen stehen spezielle Kupplungen zur Verfügung. Ihre Gemeinsamkeit: die Übertragung von Drehbewegungen. (Bild: SKF Group)

Kupplungen sind Komponenten zur Übertragung von Drehbewegungen. Das Ausgleichen von Wellenversatz und das Dämpfen von Schwingungen zählen zu ihren Aufgaben.

Wenn im Antriebsstrang Drehungen von Komponente zu Komponente übertragen werden, kommen in aller Regel Kupplungen zum Einsatz. Die Aufgabe von Wellenkupplungen ist, den Motor mit einem Getriebe oder einem Bearbeitungselement zu verbinden, und eventuell die Bewegung auf eine weitere Welle zu übertragen. Sie übertragen einerseits die Drehbewegung und das Drehmoment.

Aufgaben der Kupplung – technische Ansprüche und Art der Ausführung

  • Schutz einzelner Komponenten: Die Kupplung sorgt für eine Begrenzung oder Unterbrechung des maximal zulässigen Drehmoments
  • Dämpfung von Schwingungen: Kupplungen dämpfen die Schwingungen zwischen einzelnen Maschinen
  • Elektrischer Isolator: Bei Generatoranlagen fungiert das Maschinenelement als elektrischer Isolator
  • Aufnahme von Anbauteilen: Kupplungen dienen der Aufnahme von Anbauteilen, wie beispielsweise einer Bremstrommel

Kupplungen zum Ausgleich von Wellenversatz

Bei nicht zu großen Rückstellkräften gleicht die Wellenkupplung einen geringen Wellenversatz aus – ein wichtiger Faktor bei der Installation einer Anlage und zur Fehlervermeidung. Denn der Wellenversatz ist montage- oder betriebsbedingt und führt bei starrer Verbindung zweier Komponenten zu unnötig hoher Belastung der Wellenlagerung. Das präzise Ausrichten von Komponenten ist häufig nicht ausreichend oder schlicht nicht möglich, um diese Lagerungen zu entlasten. Denn beispielsweise die thermische Verformung der Maschine im Betrieb führt dazu, dass sich die Ausrichtung der Wellen im Vergleich zum ausgeschalteten Zustand unterscheidet. Bei hohen Belastungen der Lager im Betrieb müssen beim Einsatz von Kupplungen auch die entstehenden Rückstellkräfte berücksichtigt werden.

Gliederung der Wellenkupplungen.
Gliederung der Wellenkupplungen. (Bild: www.konstruktionsatlas.de)

Schaltbare und nicht schaltbare Kupplungen

Es gibt viele unterschiedliche Typen von Kupplungen, eingeteilt in verschiedene Kategorien. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen schaltbaren beziehungsweise lösbaren und nicht schaltbaren Kupplungen.

Beispiele für schaltbare Kupplungen

Sicherheitskupplungen trennen bei Überlast beide Seiten des Antriebsstranges voneinander und schützen so die Maschinen vor Schäden.
Sicherheitskupplungen trennen bei Überlast beide Seiten des Antriebsstranges voneinander und schützen so die Maschinen vor Schäden. (Bild: Wittenstein)

Wenn der Antrieb unterbrochen oder zugeschaltet werden muss, kommen schaltbare Kupplungen zum Einsatz. Je nach Typ lassen sich diese Kupplungen im Betrieb oder bei Stillstand schalten. Zu den schaltbaren Kupplungen zählen die Sicherheitskupplungen, die dem Schutz von Menschen oder Maschinen dienen:

  • Drehmomentabhängige Rutschkupplung: Sie sorgen für eine Begrenzung des maximal übertragenen Drehmoments, beispielsweise durch Überwinden der Haftreibung. Eine andere Variante ist das Trennen des Antriebsstranges bei Überschreiten eines bestimmten Drehmoments.
  • Drehrichtungsabhängige Freilaufkupplung: Der Freilauf schaltet richtungsabhängig, das heißt, er überträgt Drehmoment in eine Drehrichtung.
  • Drehzahlabhängige Fliehkraftkupplung: Drehzahlabhängig schaltet die Fliehkraftkupplung. Ab einer bestimmten, sicherheitsrelevanten Drehzahl unterbricht die Drehung.

Beispiele für nicht schaltbare Kupplungen

Nicht schaltbare Kupplungen unterscheiden sich zwischen starren, drehsteifen und elastischen Kupplungen. Ihnen kommt in der Industrie die größte Bedeutung zu:

Starre Kupplungen ohne Ausgleich: Sie verbinden zwei Wellen miteinander. Sie eignen sich dementsprechend nicht zum Ausgleich von Radial- oder Winkelversatz der Wellen. Dies sind beispielsweise Scheiben- oder Schalenkupplungen.

Das charakteristische Merkmal von Lamellenkupplungen ist die parallele Anordnung mehrerer Reibbeläge. Dabei wirkt die gleiche Anpresskraft auf alle Reibpaare. Diese Kupplungen werden häufig eingesetzt, da sie kompakt und preisgünstig sind.
Das charakteristische Merkmal von Lamellenkupplungen ist die parallele Anordnung mehrerer Reibbeläge. Dabei wirkt die gleiche Anpresskraft auf alle Reibpaare. Diese Kupplungen werden häufig eingesetzt, da sie kompakt und preisgünstig sind. (Bild: SKF)

Drehsteife Kupplungen mit Ausgleich: Sie eignen sich für winkelsynchrone Übertragung der Drehbewegung. Je nach Bauart sind drehsteife Kupplungen mit ein oder zwei kardanischen Gelenken ausgestattet, um einen radialen Versatz auszugleichen. Beispiele für doppelt-kardanische Kupplungen sind Lamellen- oder Federscheibenkupplungen.

Metallbalgkupplungen realisiert die achs- und winkelversetzte Verbindung zweier Wellen. Sie sind spiel- und verschleißfrei. In der Automatisierung werden sie beispielsweise als Verbindungselement für Servomotoren und Schrittmotoren eingesetzt.
Metallbalgkupplungen realisiert die achs- und winkelversetzte Verbindung zweier Wellen. Sie sind spiel- und verschleißfrei. In der Automatisierung werden sie beispielsweise als Verbindungselement für Servomotoren und Schrittmotoren eingesetzt. (Bild: Wittenstein)

Auch eine Metallbalgkupplung erfüllt diese Ansprüche. Ein elastischer Metallbalg gleicht hierbei die Differenz der Wellenenden aus. Durch die besondere Konstruktion des elastischen Metallbalgs kann diese Kupplung einen geringen Winkelversatz ausgleichen. Jeder der genannten Kupplungstypen hat unterschiedliche Eigenschaften im Hinblick auf Nenndrehmoment, maximale Drehzahl und möglicher Ausgleich von Radial- und Winkelversatz.

Anwendungsbeispiele für drehsteife Kupplungen sind:

  • Übertragung des Drehmoments von einem Servomotor auf eine Maschine
  • Anbindung von Drehgebern
  • Ausgleich geringer Winkelversätze, je nach Ausführung

Elastische Kupplungen mit Drehwinkelausgleich: Sie gleichen große Winkel- oder Radialversätze aus. Auch als schwingungsdämpfendes Element kommt der elastischen Kupplung eine große Bedeutung zu. Der grundsätzliche Aufbau besteht aus zwei Naben, die mit einem elastischen Element verbunden sind. Je nach Elastizität kann dieser Kupplungstyp nur geringere Drehmomente übertragen. Grob gesagt, je höher die Elastizität, desto geringer das übertragbare Drehmoment.

Beispiele für elastische Kupplungen:

Federkupplung: Sie besteht aus zwei Naben, die durch eine Feder verbunden sind. Dadurch hat sie einen sehr hohen maximalen Verdehwinkel zwischen den beiden Wellen. Die Feder kann großen Versatz ausgleichen und ist sehr effektiv als schwingungsdämpfendes Element.

Elastomerkupplungen kommen in Anwendungen zum Einsatz, bei denen Schwingungen und Stößen abgefangen werden müssen. Der Elastomerkranz zwischen den beiden Naben sorgt für die dämpfenden Eigenschaften.
Elastomerkupplungen kommen in Anwendungen zum Einsatz, bei denen Schwingungen und Stößen abgefangen werden müssen. Der Elastomerkranz zwischen den beiden Naben sorgt für die dämpfenden Eigenschaften. (Bild: Wittenstein)

Klauenkupplung oder Elastomerkupplung: Zwischen den beiden mit Klauen besetzten Naben sitzt ein Zahnkranz aus einem Elastomer. Die gegenüberliegenden Klauen greifen ineinander, wobei der elastische Zahnkranz die Zwischenräume ausfüllt. Ja nach Anforderung an die Kupplung ist der Elastomerkranz in unterschiedlichen Härten verfügbar. Die Klauenkupplung kann deutlich höhere Drehmomente übertragen als die Federkupplung. Jedoch ist sie weniger elastisch, wodurch sie nur geringere Versätze ausgleicht.

Übersicht der Kupplungen.
Übersicht der Kupplungen. (Bild: Andreas Mühlbauer)

Die Wahl für die richtige Kupplung

Die Wahl des jeweiligen Kupplungstyps hängt also stark von der Anwendung ab – Wellenversatz, Dämpfung, Drehmoment oder mehrere dieser Faktoren bestimmen die ideale Kupplung. Die Hersteller bieten hierbei jederzeit Unterstützung an.

Wo finde ich die entsprechende Kupplung für meine (industrielle) Anwendung?

Eine Auswahl an Kupplungsherstellern:

  • Jakob Antriebstechnik: Wellenkupplungen (Metallbalg- und Elastomerkupplungen), Sicherheitskupplungen
  • KBK Antriebstechnik: Metallbalgkupplungen, Elastomerkupplungen, Sicherheitskupplungen, starre Kupplungen, Distanzkupplungen
  • KTR Systems: Elastische Klauen- und Bolzenkupplungen, Zahnkupplungen, Wellenkupplungen, Lamellenkupplungen, Flanschkupplungen, Magnetkupplungen
  • Mayr Antriebstechnik: Wellenkupplungen, Sicherheitskupplungen, Elektromagnetkupplungen
  • Orbit Antriebstechnik: starre Kupplungen, Ausgleichskupplungen, Sicherheitskupplungen
  • Reich Kupplungen: Wellenkupplungen, Klauenkupplungen, Zahnkupplungen, Flanschkupplungen; starre und elastische Kupplungen
  • Ringspann: Wellenkupplungen (starre Kupplungen, Ausgleichskupplungen), Überlastkupplungen
  • Ruland: starre und elastische Kupplungen, Elastomerkupplungen, Balgkupplungen, Oldhamkupplungen, Lamellenkupplungen
  • R+W Antriebselemente: Elastomerkupplungen, Metallbalgkupplungen, Sicherheitskupplungen, Gelenkwellen
  • Siemens (Flender): starre Kupplungen (Zahnkupplungen), elastische Kupplungen (Klauen- Nocken-, Bolzenkupplungen), hydrodynamische Kupplungen, Elastomerkupplungen, Metallbalgkuppklungen
  • VMA Verbindungs- Meß- und Antriebstechnik: Wellenkupplungen, Sicherheitskupplungen
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Weiterführende Literatur:

  • 1. Wittel, H., Muhs, D u.a. (2015): Roloff/Matek Maschinenelemente: Normung, Berechnung, Gestaltung. Springer Vieweg, ISBN: 978-3658090814
  • 2. Wolf, T, Bergmann, P u.a. (2014): Sicherheits- und Überlastkupplungen. Süddeutscher Verlag onpact, ISBN: 978-3862360673, Die Bibliothek der Technik Band 312
  • 3. Wolf, T, Rimpel, A. u.a. (2006): Präzisionskupplungen und Gelenkwellen. Süddeutscher Verlag onpact, ISBN: 978-3937889481, Die Bibliothek der Technik Band 297

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