Elastomerkupplungen und Klauenkupplungen:
Prüfung richtungsweisend bestanden

Test von Klauenkupplungen: Aufgabenstellung

Die Aufgabenstellung für die Versuche bezog sich auf die Ermittlung der Rückstellkräfte unter Anwendung der maximalen Belastungsarten Radialversatz und Winkelversatz sowie der statischen und dynamische Torsionssteife. Hierbei wurden die jeweiligen Messkriterien in definierten Schritten so festgelegt, dass eine gesicherte Aussage zu Rückstellkraft und damit auch zur Lagerbelastung getroffen werden konnte. In insgesamt 6 Testreihen mit über 4.800 ermittelten Messwerten wurden an einem eigens entwickelten Prüfstand über einen Zeitraum von 5 Monaten getestet. Die jeweiligen Elastomersterne der unterschiedliche Shorehärten Sh 64 D, Sh 98 A und Sh 80 A  wurden in den unterteilten Kupplungsgrössen der Serien EK010 – 450 untersucht und über die gesamte Versuchsdauer dokumentiert.

Die ständige Weiterentwicklung von Servo- und Schrittmotorenkupplungen ist für R + W eine Herausforderung und bei der Optimierung von Welle-Welle Verbindungen sind sehr wertvolle Erfahrungswerte und viel Know-How entstanden. Ein wichtiges Konstruktionsmerkmal ist der Elastomerkranz zwischen den Kupplungsnaben. Durch die exakte Geometrie der Sterne aus Polyurethan und der präzisen Fertigung der Kupplungsnaben sind ein ruhiges Laufverhalten und höchste Rundlaufeigenschaften zu erreichen. Je nach Belastung aus dem Antrieb addieren sich neben der Schwingungsanregung auch Regelkreisfrequenzen und Unwucht auf. Durch die Auswahlmöglichkeit beim Elastomerstern ( div. Shorehärten ) kann die Schwingungsbelastung positiv beeinflusst und begrenzt werden.

Um dem Anwender zuverlässige und optimal entwickelte Produkte anbieten zu können, werden über die neutralen Tests in Zusammenarbeit mit der Universität wichtige Produktdetails ermittelt. Durch hochmoderne Prüfungsmöglichkeiten und wissenschaftliche Untersuchungen sind gesicherte Erkenntnisse zu gewinnen, diese werden konstruktiv und direkt in Kupplungen umgesetzt die dem neuesten technischen Stand entsprechen. Dadurch werden wichtige Konstruktionsmerkmale für die Rückstellkräfte, die verhältnismässige Dämpfung sowie der statischen und dynamischen Torsionssteife positiv beeinflusst. Zudem wird durch die sehr gute Hysterese – Eigenschaft eine exakte Winkelübertragung gewähreleistet.

Test von Kupplungen: Versuchsaufbau

Zum Einsatz kam ein speziell entwickelter Sonderprüfstand des Lehrstuhles Konstruktionslehre und CAD. Die Komponenten des Prüfstandes wurden eigens für die Versuche gebaut. Das Schema und der prinzipielle Aufbau ist in den Abbildungen 1 und 2 erkennbar dargestellt. Die aufgebrachten Kräfte wurden mit Hilfe einer Kraftmessdose aufgenommen und an einen Messverstärker weitergeleitet. Die Verschiebung der oberen Kupplungshälfte wurde durch unterschiedliche mechanische Verspannsysteme jeweils auf den Bereich der maximal zulässigen Werte gebracht.

Sowohl die Weg- als auch die Kraftinformationen über die Zeit wurden über eine Messwerterfassungsschnittstelle digital in einer Exceltabelle gespeichert.

Die Komponenten des Prüfstandes waren dabei auf einer schweren Aufspannplatte montiert. Deren Grundgewicht beträgt 1 Tonne und der Prüfaufbau ist somit schwingungsfrei auf Aufstellfüssen montiert. Abweichungen oder andere Einflussgrössen wurden dadurch für den Testaufbau eliminiert.

Test von Klauen- / Elastomerkupplungen: Versuchsdurchführung / Leistungsprüfungen

Das Ziel über die Testergebnisse bessere Informationen zu eventl. Fertigungstoleranzen, unterschiedliche Chargen und Festigkeitsveränderungen aufgrund unterschiedlicher Lagerdauer zu erhalten, wurde über ein durchdachtes Messverfahren angestrebt. Das bekannte Phänomen bei Fertigungstoleranzen und abweichenden Prozessparametern bei der Herstellung handelsüblicher Produkte sollte somit ermittelt und fortschrittlich ausgeschlossen werden. Um generelle Aussagen über auftretende Rückstellkräfte machen zu können, wurde in Abstimmung mit dem Lehrstuhl die Anzahl der Messungen verdreifacht.

 
Bild: Prinzipieller Prüfstandsaufbau zur Messung der Klauen kupplungen und Elastomerkupplungen.

Um die Rückstellkräfte beim Lateralversatz zu messen wurden die Kupplungshälften mit Elastomerstern bis zum Anschlag zusammengesteckt. Der Kraftansatzpunkt für die Messung befand sich auf halber Höhe einer Klaue, der lose gelagerten Kupplungshälfte. Aus den bereits vorhandenen Datenblättern wurde der Wert der Angriffshöhen berechnet (Bild 3). Die Rückstellkraft wurde dann an dem Punkt des maximal möglichen Versatzes abgelesen.

Um die Rückstellkräfte beim Angularversatz zu messen wurde die untere Kupplungshälfte fest eingespannt. Die obere Kupplungshälfte wurde mittels 2 Gewindebolzen in die dafür vorgesehenen Halterungen eingebaut (Bild 4). Dies bildete die Rotationsachse. Die Kupplungshälften wurden unter Berücksichtigung der axialen Ausgleichsmöglichkeit zusammengesteckt, damit sich bei max. Winkelversatz während der Versuchsdurchführung die Kupplungshälften nicht berühren. Aufgrund der unterschiedlichen Baugrössen der Kupplungen wurden verschiedene Kraftangriffshöhen festgelegt. Um die Rückstellkraft beim maximal zulässigen Winkelversatz a zu bestimmen, wurde die entsprechende Auslenkung s zur Kraftangriffshöhe wie folgt berechnet:

                                    Auslenkung s = tan a * a

Über diese Berechnung ergaben sich dann die jeweiligen Maximalauslenkungen bei den vorgegebenen Kraftangriffshöhen.

Test von Klauenkupplungen: Elastomerkupplungen mit hoher Qualität

R + W war es besonders wichtig, getrennte Ergebnisse für die einzelnen Konstruktionselemente zu erhalten. Dadurch konnte der Hersteller sehr detaillierte und komplexe Fakten für die einzelnen Bauteile, speziell dem Elastomerstern , ermitteln. Über diese Informationen fliessen ständig Erkenntnisse und Verbesserungen in die Entwicklung und dauernde Optimierung der bereits bewährten Produktreihen.

Insgesamt haben die am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD der Universität Bayreuth durchgeführten Versuchsreihen zu R + W Elastomerkupplungen zu sehr aufschlussreichen Ergebnissen geführt.  

Für eine gleichbleibende Qualität der Elastomersterne ist beim Fertigungsprozess besonders auf die Werkzeugtemparatur, dem Einspritzdruck, der optimalen Bauform der Spritzgusswerkzeuge und der ausreichenden Homogenisierung des Polymers im Extruder zu achten. R + W hatte diese Punkte schon bei der Erstentwicklung kritisch begutachtet und optimiert. Dadurch ist der Kupplungshersteller in der Lage, sehr genaue Toleranzwerte für die Festigkeitszonen innerhalb einer Sternes zu gewährleisten. Die Betrachtung von handelsüblichen Elastomersternen hatte hier deutlich gezeigt, dass Sterne oft keine gute Homogenität der Werkstoffe und unterschiedlich feste Zähne aufweisen. Dies führt unweigerlich zu unsymmetrischen Verformungen und Belastungen innerhalb der Kupplung. Die Toleranzen gehen auch zu Lasten der Rundlaufgenauigkeit der Kupplungen.  

Eine weitere Betrachtung galt der Oberflächengüte der Klauen und den Polymersternen. Die Analyse der Rauhtiefenabweichung der Klauengeometrie aus dem Fertigungsprozess bei unterschiedlichen Kupplungshälften ergaben sehr gute Werte bei den Fertigungstoleranzen der Metallteile. Der Einfluss der Klauenoberflächengüte auf die auftretenden Kräfte ist durchaus nicht zu vernachlässigen. Das Gleitverhalten beispielsweise bei sehr glatten Klauen- und Polymersternoberflächen beim Angularversatz beeinflusst nachhaltig das Verschleissverhalten.

Im realen Kupplungseinsatz sind in der Regel komplexe Belastungskollektive unterschiedlichster Art zu erwarten. Durch die Tests konnte die Wertigkeit der Versatzarten sehr gut nachgewiesen werden. Der Einfluss des Lateralversatzes auf die auftretenden Kräfte ist als deutlich höher einzustufen als der des Angularversatzes. Grundlegend für Kräfte und Verschleissverhalten ist dementsprechend auch der Einbau- und Montagevorgang bei Elastomerkupplungen. Darauf weist der Hersteller auch in den Montageanleitungen für die Monteure hin, die jeder Lieferung beigelegt werden.

Test von Kupplungen: Zusammenfassung

Abschliessend betrachtet sind die durchgeführten Messungen und Untersuchungen als Erfolg zu werten und ergaben sehr aufschlussreiche Daten. Als besonders positiv können nachstehende Punkte gewertet werden:

• Die Standardabweichung der Fertigungstoleranzen lagen nur bei 4 Sternen von insgesamt 180 getesteten oberhalb von 10%
• Bei den restlichen durchgeführten Messungen konnte weniger als 10% Standardabweichung festgestellt werden, was im vorgesehenen Rahmen der Messgenauigkeit liegt
• Durch den Vergleich der Mittelwerte der jeweiligen Versuchsreihen die Einhaltung der geometrischen und physikalischen Sollwerte definiert wurde
• Der angulare Versatz der zu verbindenden Wellen hat weitaus weniger Auswirkung auf die Rückstellkräfte als der laterale Versatz

Durch die Testreihen wurden die Erkenntnisse des erfolgreichen Kupplungsherstellers weiter vertieft. Bereits eingehaltene Fertigungsoptimierungen wurden bestätigt. Es wurde deutlich, wie wichtig die präzise Fertigung der Klauen und der Elastomersterne für die Rundlaufeigenschaft und die Rückstellkräfte der Klauenkupplungen sind. Über die exakte Geometrie der Elastomersterne wurde die Auflagefläche der Klauenflanken erhöht. Dadurch ist eine deutlich optimierte Übertragungsgenauigkeit hinsichtlich Winkel und Position erreicht worden. In Verbindung mit der verbesserten Hysterese – Eigenschaft wird die Klauenkupplung damit auch für hochgenaue Positionierungsaufgaben bevorzugt.

Die gewonnenen Erkenntnisse belegen die hervorragenden Eigenschaften von R + W Kupplungen (Bild 5), deren lagerschonender Einsatz direkte Auswirkungen auf die Lebensdauer von Maschinen und Anlagen hat.