300 % Leistungssteigerung von Metallbalgkupplungen bei identischen Abmessungen
Spricht man heute von Neuentwicklungen oder innovativen Verbesserungen liegt der Grundstock für das Bauteil meist seit Jahren verankert in den jeweiligen Konstruktionen. Bahnbrechende Erfindungen und Entdeckungen wie beispielsweise die Elektrizität oder der Verbrennungskraftmotor sind im heutigen Zeitalter der Technik schwer zu Toppen. Möglichkeiten bietet derzeit vielleicht noch die Nano - Technologie oder andere „Neuzeitprojekte“. Im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau steht das Grundgerüst für den jeweiligen Antriebsstrang weitestgehend fest. Direkte Antriebe mit beispielsweise Schrittmotor - Kupplungsglocke – Kupplung – Kugelrollspindel oder Indirekte Antriebe mit beispielsweise Servomotor – Sicherheitskupplung – Riemenrad – Riemen – Spindel werden in den meisten Applikationen eingesetzt. Somit kann die Mechanik nicht neu erfunden werden, aber eine Verbesserung in der jeweiligen Komponenten ist durchaus möglich. Diese Verbesserung – dem Markttrend folgen – haben die Konstrukteure von R+W zum Anlass genommen und die Produktreihe der Metallbalgkupplungen erweitert.
Stand der Technik
Herzstück einer jeden Metallbalgkupplung ist das Ausgleichselement aus einem dünnwandigen Edelstahlmaterial (Bild 1). Dieses wird je nach den Anforderungen wie beispielsweise dem Drehmoment oder der Versatzkompensation passgenau gefertigt. Die Eigenschaften einer modernen Metallbalgkupplung hängen direkt von den Kenngrößen des Balges ab. Zum einen sind in Rotationsrichtung eine maximale Steifigkeit gefordert und zum anderen sind die entstehenden Rückstellkräfte bei der Kompensation der Versätze so gering wie möglich zu halten. Durch die Geometrie bzw. der Formengebung des Ausgleichselements stehen diese beiden Kenngrößen Torsionssteifigkeit (Drehmoment-übertragung) und Federsteifigkeit (Versatzausgleich) miteinander im Verhältnis. Die Herausforderung des Entwicklungsteams bestand darin, eine besonderes kompakte Kupplung mit einer hohen Torsionssteifigkeit zu entwickeln. Die Funktion des Versatzausgleichs in engen Toleranzen musste trotz allem geben sein.
Die Definition bzw. die Kenngrößen der Torsionssteifigkeit und der Federsteifigkeit können wie folgt beschrieben werden. Ein wesentliche Einflussfaktor bei der Übertragung des Drehmoments ist neben dem Außendurchmesser die Torsionssteifigkeit. Diese Größe beschreibt die Steifigkeit, die eine Kupplung unter einer Torsionsbelastung aufweist. Wird der Maximalwert der Torsionssteifigkeit einer Kupplung aufgrund eines zu großen Drehmoments überschritten, ist die Festigkeit der Kupplung nicht mehr ausreichend groß, um die anliegende rotatorische Kraft zu übertragen. Die Einheit der Torsionssteifigkeit Nm/rad spiegelt die Beziehung wieder. Wird eine Kupplung mit einer Torsionssteifigkeit von 10000 Nm/rad mit 10 Nm belastet, so verdreht sich das Verbindungselement um 1/1000 rad. Dies entspricht einem Verdrehwinkel von ca. 0,057 Grad (1 rad entspricht 57°17´44,8´´). Mit Hilfe der Formel:
kann der Verdrehwinkel einer Metallbalgkupplung unter Belastung durch verschiedenen Drehmomente berechnet werden. Wird ein linearer Belastungsanstieg simuliert, steigt ebenfalls der Verdrehwinkel proportional an. Im nachfolgendem Diagramm sind die Torsionssteifigkeiten von Standardkupplungen im Vergleich zur Neuentwicklung dargestellt.
Die bedeutend höhere Torsionssteifigkeit der neuen Kupplungsserie BKM ermöglicht eine wesentlich steifere Maschinen- oder Prüfstandsauslegung. Für zweiteres wurde die Kupplung hauptsächlich entwickelt. Drehmomentmesswellen oder Flansche verfügen meist über eine sehr hohe Torsionssteifigkeit damit auch bei hoch dynamischen Anwendungen eine genaue Auflösung garantiert werden kann. Demzufolge sollte die Kupplung im Vergleich zur Messwelle eine mindestens um den Faktor zwei höhere Torsionssteifigkeit aufweisen. Liegt die Torsionssteifigkeit der Kupplung unter dem der Messwelle arbeitet die Kupplung als Filter, da Spitzendrehmomente nicht direkt mit der Kupplung übertragen werden können.
Unter der Federsteifigkeit versteht man die bei differenzierten Bewegungen der Achsen von der Kupplung ausgehende Gegenkraft in axialer, radialer und lateraler Richtung. Die Einheit der Federsteifigkeit ist N/mm. Wird die axiale Federsteifigkeit der Kupplung vom Hersteller beispielsweise mit 30 N/mm angegeben, bringt die Kupplung bei einer axialen Verschiebung um 1 mm eine Gegenkraft von 30 N auf. Diese zusätzlichen Kräfte sind bei der Auslegung von Lagern und weiteren Bauteilen des Antriebsstrangs immer mit zu berücksichtigen. Im Falle der Neuentwicklung BKM musste vor allem ein Kompromiss für die Federsteifigkeit in lateraler Richtung gefunden werden. Zum einen soll ein Versatz von bis zu 0,1 mm ausgeglichen werden zum anderen soll die Kupplung einen frei lagernden Einbau ohne Abstützung der Messwelle (Bild 2) ermöglichen.
Das beste Gesamtpaket bietet ein Metallbalg mit 2-Wellen, welcher über ein bereits genutztes Verfahren der Modellreihe BKC (Markteinführung 2005) direkt in der Naben (Anbindung zur Welle) verklebt wird. Diese doppelwandige Klebung des 2-lagigen Metallbalges ermöglicht eine sehr steife Anbindung an die Klemmnabe. Demzufolge kann die Torsionssteifigkeit (je nach Baugröße max. 1.200.000 Nm/Rad bei 1.000 Nm Drehmomentübertragung) ohne Beeinträchtigung durch die Anbindung genutzt werden.
Diese Neuentwicklung von R+W im Bereich der torsionssteifen Kupplungen trifft den Zahn der Zeit. Die Kompaktheit im Bezug auf die Länge ist zum Modell BKC eindeutig sichtbar. Die Reduzierung von 2-Wellen im Metallbalg macht dies möglich. Neu ist ebenfalls der kleine Außendurchmesser der Kupplung im Bezug auf das übertragbare Drehmoment. Bei einer Drehmomentübertragung von 1000 Nm musste bis dato ein um 30 % größerer Durchmesser der Kupplung mit eingeplant werden.
In Zahlen ermöglicht diese Neuentwicklung eine Reduzierung des Kupplungsgehäuses von 160 mm auf 112 mm! Somit wird durch die Modellreihe BKM (Bild 3) neben der Platzersparnis in der Konstruktion ebenfalls eine Kostenreduzierung durch ein kleineres Kupplungsgehäuses erreicht. Es wird ein Drehmomentbereich von 20 bis 1000 Nm und ein Wellendurchmesserbereich von 15 - 60 mm abgedeckt.
Drehmomentmesswellen oder Drehmomentaufnehmer werden neben der Ausführung mit zwei Wellen (Kupplung links und Kupplung rechts) ebenfalls in Form eines Flansches im heutigen Maschinenbaumarkt verwendet. Konstruktionsbedingt wird bei dieser Bauweise meist nur eine Kupplung benötigt, da der Messflansch meist direkt von einer Seite in dem Antriebs- oder Prüfstrang „angeflanscht“ wird. Für den Bereich der Flanschanbindung sind verschiedenste Verfahren (Bild 4) derzeit möglich.
1) Anbindung für die Kupplung über einen Adapterflansch
Der Vorteil dieser Lösung ist, dass herkömmliche Standardkupplungen mit Klemmnaben eingesetzt werden können. Hierfür empfehlen sich besonderes die Modellreihen BK2 und BKC die neben einer sehr hohen Torsionssteifigkeit eine sehr gute Laufruhe (ungewuchtet bis 10.000 U/min / gewuchtet bis 100.000 U/min) aufweisen. Nachteil ist das zusätzlich benötigte Bauteil. Der Adapterflansch muss zuerst an die Messwelle montiert werden, danach werden beide Einheiten (Adapterflansch + Abtriebswelle) im Bereich der angegebenen Toleranzen für die Kupplung ausgerichtet. Erst jetzt kann die Kupplung montiert werden.
2) Anbindung für die Kupplung über eine Doppelflanschlösung
Neuere und vor allem eine schnellere Lösung sind die Doppelflanschanbindungen aus der bestehenden Baureihe BK8. Die aus der Anbindung für Flanschgetriebe entwickelte Kupplung (2007) verfügt über eine Kombination aus zwei Flanschen. Ein Flansch wird zuerst auf die Messwelle montiert (Vorteil: kein ausrichten der Welle), danach kann die Kupplung direkt im Antriebsstrang eingebaut werden.
3) Anbindung für die Kupplung über einen direkten Flansch
Diese Anbindungsvariante ähnelt vom Aufbau stark dem der Doppelflanschlösung. Allerdings wird der Zwischenflansch nicht mehr benötigt. Dies liegt an dem sehr geringem Außendurchmesser des Metallbalges. Dieser wird aus der neu entwickelten Modellreihe BKM genutzt damit die geforderten Drehmomente und Steifigkeiten des Messflanschs übertragen und garantiert werden können.
Zusammenfassung
Neben den beschriebenen Kupplungstypen für Drehmomentsensoren werden Metallbalgkupplungen ebenfalls in Werkzeugmaschinen, Druckmaschinen, Verpackungsmaschinen, Automatisierungsanlagen und NC-Fräsmaschinen eingesetzt. Für die jeweiligen Anforderungsprofile wie beispielsweise Drehmomente, Nabenanbindung, Versatzausgleich oder Drehzahlen führt der Kupplungshersteller R+W Antriebselemente GmbH am Untermain ein breites Produktportfolio. Die Kupplungsauswahl kann entweder direkt beim Hersteller erfolgen oder über eine Berechungssoftware unter www.kupplungsberechnung.de.
Autor: Tobias Wolf, Produktmanager bei R+W Antriebselemente GmbHWeiter
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