Umfangsgeschwindigkeit über 500 km/h
Das Ziel einer immer höheren Produktivität mit einem gleichzeitigen Spielraum an Flexibilität steht bei den meisten Anlagen und Maschinenbauern mit an erster Stelle. Ersteres Kriterium kann und wird über die Bearbeitungsgeschwindigkeit am Werkstück gesteuert. Der Trend geht in diesem Bereich eindeutig zu höheren Antriebsdrehzahlen. Diese liegen mittlerweile im Bereich von bis zu 50.000 U/min. Diese Hochleistungsantriebe erhöhen die Produktivität der Bearbeitungsmaschine indem sowohl die Vorschubgeschwindigkeit als auch die Beschleunigung erhöht werden. Diese beiden Aspekte in der Kombination mit der Aufrechterhaltung der Vorschubkraft geben in der Summe eine schnellere und damit höhere Teileproduktion. Die Antriebskomponenten wie beispielsweise speziell ausgelegte hochtourige Asynchronmaschinen werden über Stromrichter eingespeist die mit einer hohen Schaltfrequenz und maximalen Scheinleistung arbeiten. Neben den Getrieben und Spindeln werden zur Kompensation der Maßtoleranzen Kupplungen als Verbindungselemente benötigt.
Stand der Technik
90 % der eingesetzten Verbindungselemente in den letzten Jahren waren und sind torsionssteife Kupplungen. Der Aufbau und die Steifigkeiten von beispielsweise Metallbalgkupplungen sind der Literatur nach bestens geeignet für diese Belastungen. Eine Herausforderung sind die auftretenden Schwingungen, die bei diesen hohen Drehzahlen extrem ansteigen. Diese können und werden von Metallbalgkupplungen nicht gedämpft. Der Kupplungshersteller am Untermain, der neben diesen Verbindungselemente ebenfalls schwingungsdämpfende Kupplungen für Drehzahlen bis 20.000 U/min dem Markt anbietet ist einen Schritt weiter gegangen. Trotz der umfassenden Fachliteratur zu Elastomerkupplungen und dem Wissen von renommierten Universitäten wurden eine umfangreiche Versuchsreihe mit dem Ziel gestartet „Welche Drehzahlen für Elastomerkupplungen reell möglich sind?“.
Versuchsaufbau und Kriterien
Nachdem eine solche Versuchsreihe noch nicht veröffentlicht wurde und dementsprechend keine Dokumente hinterlegt sind, stellte sich Anfangs die Herausforderung für die Durchführungskriterien und den Versuchsaufbau. Denn die Versuche sollten möglichst nahe an der Realität des späteren Einsatzes stattfinden. Hierzu wurde zuerst die tendenzielle Frage zwischen den Ingenieuren von R+W und der beauftragten Universität diskutiert, bei welchen Zustand des Elastomerkranzes (belastet oder unbelastet) die Fliehkräfte am höchsten wirken. Bei dieser Frage konnte die Fachliteratur eine Hilfestellung geben. Elastomere (in diesem Fall TPU) erhöhen Ihre Festigkeit unter Druckbelastung (z.B. Drehmomentübertragung), demzufolge werden die Versuchsreihen ohne Belastung der Kupplung simuliert. Denn im Antriebsstrang treten ständig wechselnde Belastungen auf, die große Drehmomentschwankungen zwischen 0% und 100% (Beschleunigungsmomente, usw.) erzeugen. Auf der Antriebsseite wurde ein handelsübriger Asynchronmotor mit Frequenzumrichter aufgebaut. Dieser ermöglicht eine stufenlose Erhöhung der Drehzahl von 0 – 4000 U/min. Für die Übersetzung der benötigten Drehzahlen über 20.000 U/min kamen Riemenräder (Übersetzung 10:1) und ein Hochleistungsriemen zum Einsatz. Als Abschluss ermöglichen spezielle Lager für die Wellen auf der die Kupplung montiert wird eine praktische Simulation von bis zu 40.000 U/min..
Fliehkräfte und Bewegung des Elastomerkranzes
Die Fliehkraft oder auch Zentrifugalkraft genannt wirkt bei Körpern die sich auf einer Kreisbahn bewegen. Dabei wirkt diese Kraft immer tangential zur Kreisbahn. Nachdem der Elastomerkranz aus einem elastischem Material besteht (schwingungsdämpfend) bewegt sich dieser bei hohen Drehzahl nach Außen hin. Dieser Bewegung bzw. dieser Weg wird mit Hilfe eines Sensors gemessen. Der Aufbau des Messgliedes besteht aus einer Lichtschranke, die auf eine spezielle Diode strahlt. Ja nach Lichtintensität wird mehr bzw. weniger Energie erzeugt, somit kann im 1/100 mm Bereich gemessen werden. Nachdem der maximale Austritt des Sternes für alle Größen festgelegt wurde, konnten die Grenzdrehzahlen ermittelt werden.
Die Zahlen sprechen für sich
SERVOMAX - Elastomerkupplungen vom Kupplungshersteller R+W Antriebselemente GmbH können in Hochgeschwindigkeitsantrieben von bis zu 50.000 U/min eingesetzt werden. Das verwendete Elastomer-Material weißt selbst bei enormen Umfanggeschwindigkeiten (Außendurchmesser von 16 bis hin zu140 mm) eine nur minimale Bewegung nach Außen auf. Einzig die Wuchtung für die Naben (Anbindung an die Wellen) muss durchgeführt werden, der Rest der Kupplung ist Standard. In Zukunft kann somit auf zusätzliche Führungs- oder Abstützringe des Elastomerkranzes gänzlich verzichtet werden. Konnten Elastomerkupplungen bis heute bei einem übertragbaren Drehmoment von 60 Nm bei Drehzahlen bis zu 14.000 U/min eingesetzt werden erfolgt die Freigabe in Zukunft bis hin zu 40.000 U/min (abhängig von der Shorehärte). Dies ist eine Erhöhung der zulässigen Betriebsdrehzahl von fast 300%! Unter Nutzung der Ergebnisse aus den praktischen Versuchen entsteht derzeit eine Simulationssoftware für alle gängigen Kupplungsgrößen. Der Finite-Elemente Aufbau des Elastomerkranzes mit der Simulation der Vernetzungskette des TPU´s ermöglicht eine Kundenindividuelle Berechnung auf den jeweiligen Einsatzbereich der Kupplung. Neben den Fliehkräften können ebenfalls Temperaturen mit eingerechnet werden. Als Konstrukteur kann auf die neuen Testergebnisse zurückgegriffen werden und somit verschiedene Testreihen eingespart werden.
Zulässige Restunwuchten
Damit Antriebsstränge eine hohe Laufruhe erzielen, sollte die Unwucht der gesamten Anlage (somit auch der Kupplung) möglichst klein sein. Unwuchten entstehen aufgrund von nicht symmetrischen Bauteilen. Die daraus resultierende ungleiche Massenverteilung erzeugt überproportionale Fliehkräfte, die zu Schwingungen führen. Dadurch wird die Laufruhe des Gesamtsystems beeinträchtigt. Abhilfe schaffen so genannte Auswuchtbohrungen, die meist direkt an der Unwuchtstelle angebracht werden. Sie sorgen für eine gleichmäßige Massenverteilung im gesamten Bauteil. In der Antriebstechnik sind Wuchtgüteklassen festgelegt, die eine maximale Restunwucht -beschreiben (Abb. 23). Gängige Klassen sind G16, G6,3 und G2,5. Dabei steht die kleinere Zahl für eine höhere Wuchtgüteklasse (geringere zulässige Restunwucht).
Zusammenfassung
Innovation und ein ständiges Streben nach Verbesserung führen zu immer wieder neuen bahnbrechenden Verbesserungen. Die Universitäten wie auch der Kupplungshersteller waren über die positiven Testergebnisse überrasch. Sie haben bei weitem das übertroffen, was aus der bisherigen Fachliteratur und den Kupplungskatalogen bekannt ist. Diese Ergebnisse garantieren in Zukunft allen Anwendern von SERVOMAX – Elastomerkupplungen in Hochgeschwindigkeitsantrieben eine nun auch schwingungsdämpfende Drehmomentübertragung.
Autor: Tobias Wolf, Produktmanager bei R+W Antriebselemente GmbHWeiter
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