Kupplungen So wählen Sie die passende Servokupplung aus

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Servoantriebe stellen an Servokupplungen unterschiedlichste Anforderungen. Doch wie wählt man die richtige Kupplung aus? Mayr Antriebstechnik zeigt, welche Voraussetzungen diese Kupplungen erfüllen müssen und worauf es bei der Auswahl ankommt.

In vielen Industrieanwendungen ist eine immer höhere Präzision bei gleichzeitig hoher Dynamik gewünscht. Servoantriebe können die Anforderungen erfüllen, doch auch die einzelnen Antriebskomponenten, wie beispielsweise Servokupplungen, müssen dafür ausgelegt sein.

Grundsätzlich haben die Servokupplungen zwei wichtige Aufgaben:

• Sie übertragen das Drehmoment zwischen den Wellen mit der gleichen Präzision, die der Servomotor hat, und

• sie gleichen den vorhandenen Wellenversatz (Axial-, Radial-, Winkelversatz) aus.

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Spielfreiheit ist unerlässlich

Doch es gibt weitere Anforderungen an Servokupplungen. Sie müssen beispielsweise spielfrei sein und das ist in drei gängigen Bauarten möglich: Während bei den schwingungsdämpfenden Elastomerkupplungen die Klauen der Antriebs- und der Abtriebsseite über einen dazwischenliegenden Elastomerkranz verbunden sind, übernimmt diese Aufgabe bei der Balgkupplung ein flexibler Metallbalg. Auf diese Weise besitzt letztere Bauart eine hohe Verlagerungsfähigkeit, kann also hohe Wellenversätze ausgleichen. Bei den Lamellenkupplungen hingegen sind Stahllamellen mit der An- und Abtriebswelle verbunden, um das Drehmoment zu übertragen sowie den Wellenversatz auszugleichen. Sie zeichnen sich durch ihre Robustheit aus.

Eine erste Kupplungsauswahl kann bereits hier anhand der Eigenschaften erfolgen. Wie Dr.-Ing. Benedikt Biechele, bei Mayr zuständig für die Kundenschulungen, betont, werden die Kupplungseigenschaften aber auch durch die Ausführung der Bauart bestimmt. Das lässt sich gut anhand der drei Bauarten erklären.

Die Ausführung bestimmt die Eigenschaften

Servokupplungen sind einerseits drehsteif, andererseits können sie Wellenversatz ausgleichen – eigentlich ein Widerspruch. Doch mit der passenden Ausführung lassen sich die Anforderungen erfüllen. Ist beispielsweise eine hohe Drehsteifigkeit gewünscht, empfiehlt Biechele eine Eingelenksausführung; eine Zweigelenkskupplung bietet sich an, wenn ein großer Wellenversatz ausgeglichen werden muss. Bei Elastomerkupplungen bestimmt die Härte des Zahnkranzes Drehsteifigkeit und Verlagerungsfähigkeit mit. Bei Metallbalgkupplungen wird dies durch die Länge des Balges definiert: Je kürzer der Balg, desto höher die Drehsteifigkeit und umgekehrt.

Nicht nur die Kupplungsart, sondern auch die Auswahl der Naben wirkt sich auf die Eigenschaften der Servokupplung aus:

• Passfedernaben lassen sich einfach montieren und können durch ihren Formschluss ein sehr hohes Drehmoment übertragen. Allerdings sind sie spielbehaftet, was bei hohen Drehzahlen kritisch sein kann.

• Spannringnaben können ebenfalls hohe Drehmomente übertragen und sind durch ihre optimale Rotationssymmetrie für besonders hohe Drehzahlen geeignet. Zudem sind sie spielfrei, doch der Montageaufwand ist höher als bei Passfedernaben.

• Klemmnaben sind der Mittelweg, aufgrund ihrer Spielfreiheit und des geringen Montageaufwands.

• Halbschalennaben eignen sich besonders gut für die Montage an ortsfesten Wellen. Bis auf die aufwendigere Montage sind die Eigenschaften mit denen der Klemmnabe vergleichbar.

Die Rolle des Bohrungsdurchmessers

Das tatsächlich übertragbare Drehmoment sowie die zulässige Drehzahl werden maßgeblich von der Baugröße der Kupplung, der Art der Nabe und dem Bohrungsdurchmesser beeinflusst, bei den Elastomerkupplungen auch von der Zahnkranzhärte.

Gerade bei den reibschlüssig übertragbaren Drehmomenten ist der Bohrungsdurchmesser ein wichtiger Faktor und muss bei der Auswahl beachtet werden. So nimmt das reibschlüssig übertragbare Drehmoment mit der Baugröße der Kupplung und mit dem Bohrungsdurchmesser zu und umgekehrt – zumindest solange das vorgegebene Passungsspiel eingehalten wird.

Versucht man nun, die Kupplungen zu vergleichen (z. B. mit vergleichbarer Baugröße, gleichen Bohrungen, ähnlichem Drehmoment und Klemmnabenausführung), entsteht am Beispiel von Mayr-Kupplungen folgendes Bild:

• Elastomerkupplung Roba-ES (Eingelenkausführung): Sie weist aufgrund ihrer dämpfenden Eigenschaften naturgemäß die geringste Drehsteifigkeit auf, ist allerdings am besten für einen höheren Axialversatz geeignet.

• Balgkupplung Smartflex (langer Balg): Die Drehsteifigkeit ist relativ hoch, wäre mit kurzem Balg aber noch höher. Zudem kann sie große Radial- und Winkelversätze ausgleichen.

• Lamellenpaketkupplungen Roba-DS (Zweigelenk): Sie besitzen die beste Drehsteifigkeit und ermöglichen die höchste Drehzahl.

Es gibt also viele Stellschrauben, die für die Auswahl einer Servokupplung wichtig sind. Laut Biechele ist das auch gut so, denn jeder Antrieb hat spezielle Eigenheiten und stellt unterschiedliche Anforderungen an die Kupplung: „Deshalb haben wir uns bei Mayr dafür entschieden, ein sehr breites Produktprogramm für die unterschiedlichen Antriebskonstellationen aufzubauen.“

Erst die Kupplung, dann die Ausführung

• Elastomerkupplungen – beispielsweise Roba-ES: Für Servokupplungen ist es teilweise wichtig, dass sie schwingungsdämpfend und trotzdem spielfrei sind. Spielfreiheit ist für Positionieraufgaben und dynamische Antriebe unerlässlich und wird durch die vorgespannten Zahnkränze erreicht. Nur dann ist die Belastung auf allen Zähnen annähernd gleich und somit auch der Verdrehwinkel geringer. Die Zahnkränze sind auch für weitere Eigenschaften verantwortlich: So lässt sich in Abhängigkeit von der Shorehärte dieser Zahnkränze das Schwingungsverhalten des Antriebsstrangs verändern. Sie beeinflussen aber auch die Laufruhe und die Wartungsfreiheit (Medienbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit). Von großer Bedeutung für einen zuverlässigen Betrieb ist zudem, ob die Kupplung durchschlagsicher ist, also ob ein defekter Zahnkranz für einen gewissen Zeitraum noch das Drehmoment über die Klauen übertragen kann. Das macht deutlich: Die Auswahl des für die Anwendung passenden Zahnkranzes spielt eine große Rolle.

• Balgkupplungen – beispielsweise Smartflex: Die Verlagerungsfähigkeit von Metallbalgkupplungen ist höher als bei vergleichbaren Elastomerkupplungen oder Stahllamellenkupplungen. Sie weisen auch eine geringere Massenträgheit auf, sind aber empfindlicher als andere Bauarten, was Überbelastung und Beschädigungen angeht. Die Modelle von Mayr werden weder geklebt noch gebördelt sondern geklemmt. Sie lassen sich durch einfache Steckmontage in den Antriebsstrang integrieren. Mayr hat für diese Kupplungsart einen modular aufgebauten Baukasten aus Klemmringen, Reduzierbuchsen mit variablem Bohrungsdurchmesser sowie kurze und lange Bälge für unterschiedliche Steifigkeiten bereitgestellt. So lassen sich beispielsweise mit zwei Bälgen, einem Klemmring und zehn Reduzierbuchsen über 100 verschiedene Kombinationen zusammenstellen, die zudem schnell lieferbar sind.

• Lamellenpaketkupplungen – beispielsweise Roba-DS: Um die geforderte Steifigkeit dieser Stahllamellenkupplungen zu erreichen, sind die Lamellenpakete bei Mayr FEM-optimiert. Die Materialauswahl (Stahl, hochfeste Aluminiumlegierungen) und das kompakte Gesamtdesign sollen eine hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht ermöglichen. Diese Kupplungen sind prädestiniert für hochdynamische Antriebe.

Wie Dipl.-Ing. Ralf Epple, Produktmanager Wellenkupplungen, erklärt, profitiert der Anwender durch das Baukastensystem der Wellenkupplungen von einer hohen Modularität. Alle drei Varianten der Servokupplungen kommen aus einer Hand. Außerdem weist er auf die hohe Fertigungsqualität und Wuchtgüte hin, was gerade in Hochgeschwindigkeitsanwendungen von großer Bedeutung ist.

Wer für die Auswahl der geeigneten Servokupplung noch weiter „an die Hand genommen“ werden will, der kann den online verfügbaren Produktkonfigurator von Mayr nutzen.

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