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Spielfreie Kupplungen Kupplungen für Werkzeugmaschinen

| Autor / Redakteur: Sina Cerny / Stefanie Michel

Werkzeugmaschinenhersteller haben die Wahl zwischen zwei verschiedenen spielfreien Kupplungstypen. Anhand des Aufbaus einer Metallbalgkupplung und einer Elastomerkupplung lässt sich eine erste Wahl treffen.

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Kupplungen ermöglichen die geforderten Parameter von hoher Steifigkeit (Metallbalgkupplung) oder schwingungsdämpfender Funktion (Elastomer- oder Klauenkupplung).
Kupplungen ermöglichen die geforderten Parameter von hoher Steifigkeit (Metallbalgkupplung) oder schwingungsdämpfender Funktion (Elastomer- oder Klauenkupplung).
(Bild: R+W Antriebselemente)

Werkzeugmaschinen (WZM) sind wichtige Maschinentypen im allgemeinen Maschinenbau. Grundsätzlich werden Werkzeugmaschinen in Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Drehmaschinen und Schleifmaschinen, also Maschinen zur spanenden Formung, eingeteilt. Eine andere Gruppierung beinhaltet die abtragenden Werkzeugmaschinen, also Laser- und Erodiermaschinen. Aufgrund neuer Techniken, hoher Verfahrensgeschwindigkeiten oder Maschinensteifigkeit steigen die Anforderungen an diese Arbeitsmaschinen und deren Komponenten stetig.

Verbindungselemente in der WZM

Komponenten beziehungsweise einzelne Baugruppen in der WZM werden zur Realisierung der Grundfunktion benötigt. Neben den Antrieben, Gestellbauteilen, Werkzeugträgern und Werkstückträgern zählen ebenfalls Verbindungselemente wie spielfreie Kupplungen zu diesen Baugruppen. Besonderes Augenmerk soll an dieser Stelle auf den unterschiedlichen Einfluss von spielfreien Metallbalgkupplungen und/oder spielfreien Elastomerkupplungen gelegt werden. Diese Verbindungselemente ermöglichen die je nach Anwendung geforderten Parameter von hoher Steifigkeit (Metallbalgkupplung) oder schwingungsdämpfender Funktion (Elastomer- oder Klauenkupplung).

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Aufbau einer Metallbalgkupplung

Moderne Metallbalgkupplungen bestehen grundsätzlich aus zwei Bauteilen: einem Edelstahl-Metallbalg und unterschiedlich ausgeführten Naben. Je nach Applikation und den darauf abgestimmten geometrischen Abmessungen werden Naben als Flansche, Klemmnaben, Spreizdorne oder Konusspannsätze ausgeführt. Als Nabenwerkstoffe werden Aluminium, Stahl oder auch Edelstahl verwendet. Ein effizienter Oberflächenschutz der Naben wird durch Vernickeln, Verchromen, Nitrocarburieren, Eloxieren oder Oxidieren sichergestellt. Die Nabe sorgt für die Anbindung der Kupplung an die An- und Abtriebsseite. Der meist doppelwandig ausgeführte, zwischen An- und Abtriebsnabe positionierte Edelstahl-Metallbalg kompensiert die baubedingt auftretenden Fluchtungsfehler der zu verbindenden An- und Abtriebswelle. Diese Ausgleichsfunktion spielt eine wesentliche Rolle innerhalb des gesamten Antriebsstrangs. Mit torsionssteifen Metallbalgkupplungen lassen sich Drehmomentbereiche von 0,1 bis 10.000 Nm und Bohrungsdurchmesser von 3 bis 180 mm abdecken.

Aufbau einer Elastomerkupplung

Drehstarre flexible Kupplungen sollten gemäß Definition eine möglichst hohe Steifigkeit in Drehrichtung aufweisen. Die Federsteifigkeit in axialer, angularer und lateraler Richtung sollte allerdings möglichst gering sein, damit der Antriebsstrang durch Querkräfte nicht belastet wird. Metallbalgkupplungen verfügen in Drehrichtung über eine sehr hohe Torsionssteifigkeit. Dies bedeutet, dass sich die Kupplung unter Drehmomentbelastung nur minimal verdreht. In der Regel liegt der Verdrehwinkel bei 0,05 bis 0,1°. Diese Eigenschaft nutzt man, um rotatorische Bewegungen mit geringstmöglichem Verdrehwinkel von der Antriebs- auf die Abtriebsseite zu übertragen.

Ihre heutige Bedeutung in vielen Bereichen des Maschinenbaus verdanken Elastomerwerkstoffe ihrem großen Dehnungsvermögen bei gleichzeitig ausreichender Festigkeit sowie ihren federnden und dämpfenden Eigenschaften. In der Antriebstechnik werden Elastomerkupplungen zur Dämpfung rotatorischer Bewegungen vornehmlich in Bereichen eingesetzt, in denen Schwingungen oder stoßartige Belastungen erwartet werden.

Elastomerkupplungen oder auch Klauenkupplungen bestehen ebenfalls aus zwei Bauteilen: dem Elastomerkranz sowie unterschiedlich ausgeführten Naben. Die Nabe wird wie bei den Kupplungen zur Anbindung von Antriebs- und Abtriebswelle oder von Flanschen benötigt. Je nach geometrischer Form der An- und Abtriebsseite kann die Anbindung über Klemmnaben, geteilte Naben (Halbschalen), Konusspannsätze oder Passfedernuten erfolgen. Der Elastomerkranz, auch Elastomerstern genannt, ist aufgrund seines Aufbaus und der Materialeigenschaften in der Lage, dämpfend zu wirken sowie die Übertragung des Drehmoments und den Ausgleich von Wellenversätzen zu ermöglichen. Der Drehmomentbereich, der mit einer Elastomerkupplung abgedeckt werden kann, beginnt bei etwa 2 Nm und endet erst bei mehr als 25.000 Nm. Der Bohrungsdurchmesserbereich liegt zwischen 3 und 170 mm.

Schwingungsdämpfende Elastomerkupplungen filtern Vibrationen und Stöße aus der Applikation. Der Elastomerkranz verringert und kompensiert auftretende Drehmomentstöße durch seine elastische Speicherwirkung und durch Werkstoffdämpfung. Darüber hinaus dämpft er auf der An- und Abtriebsseite auftretende Schwingungen und filtert sie aus der Anwendung heraus. Ergebnis ist eine hohe Laufruhe der gesamten Applikation.

Welche Kupplung ist die richtige?

Die Übersichtstabelle zeigt deutlich den Unterschied der beiden Kupplungssysteme. Die prägnante Fragestellung im jeweiligen Bereich der Werkzeugmaschine ist: Wird an dieser Stelle eine exakte Kraftübertragung mit einem möglichst kleinen Verdrehwinkel gefordert oder ist es an dieser Stelle nötig, über das Verbindungselement Schwingungen zu filtern?

EigenschaftenTorsionssteife MetallbalgkupplungenSchwingungsdämpfende Elastomerkupplungen
   
Präzise Übertragung+++
Hohe Verdrehsteifigkeit++0
Geringe Rückstellkräfte bei Versatz+++
Versatzausgleich+++
Schwingungsdämpfung0++
Stoßdämpfung0++
Steckbarkeit+++
Geringes Massenträgheitsmoment++++
Kompakte Abmessung++++
Hohe Laufruhe+++

Eine einheitliche Lösung oder einen vergleichbaren Aufbau zwischen den einzelnen Herstellern und Maschinen gibt es heutzutage nicht. Vor allem im Bereich der Anbindung zwischen dem Servo- beziehungsweise Schrittmotor und der Spindeleinheit werden beide Kupplungssysteme eingesetzt. Je nach der Regeleinheit bevorzugen Konstrukteure beziehungsweise empfehlen Komponentenhersteller eine äußerst steife Kraftübertragung (Metallbalgkupplung) oder einen leicht dämpfenden Einfluss (Elastomerkupplung) für eine optimale und maximal ausgereizte Maschinendynamik.

Der Unterschied zwischen den beiden Kupplungssystemen und deren Eigenschaften zeigt, dass bei der Neukonstruktion von Werkzeugmaschinen auf die Auswahl des richtigen Verbindungselements in Form einer Kupplung geachtet werden muss. Hilfestellung bieten renommierte Kupplungshersteller, deren langjährige Erfahrung und kompetente Beratung für den jeweiligen Einsatzfall eine zuverlässige Lösung garantiert. So nutzen beispielsweise neben namhaften Werkzeugmaschinenherstellern auch Hersteller von Sondermaschinen die Kupplungen R+W Antriebselemente. MM

* Sina Cerny ist im Marketing bei R+W Antriebselemente in 63911 Klingenberg tätig

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