Leichtbau durch den Einsatz von Hightech-Materialien in der Kupplungstechnik spart bis zu 60% Gewicht

Das Feld von Produkten, in dem durch Massenreduzierung Geschwindigkeits- und Steifigkeitserhöhungen oder Energieeinsparungen erzielt werden können, ist sehr groß. Dieser Bereich ist nicht nur begrenzt auf Anwendungen, bei denen Leichtbau traditionell eine wichtige Rolle gespielt hat, wie in der Luft- und Raumfahrt, sondern beinhaltet auch Produktionsmaschinen wie Industrieroboter, Werkzeugmaschinen oder handgeführte Maschinen.

Die Sicherheitskupplungen von R+W folgen daher dem Trend im allgemeinen Maschinen- und Anlagebau immer höherer Qualität bei gleichbleibender Präzision zu immer niedrigeren Kosten zu produzieren. Geringere Massenträgheitsmomente durch die Wahl neuer Hightech-Werkstoffe in Kombination mit neuartigen Beschichtungen ergeben eine enorme Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Steigerung der Ausrück-drehmomente.

Neue Materialien bei Sicherheitskupplungen

Die kompakte Kupplungsbaureihe arbeitet über das bewährte federvorgespannte Kugelrastprinzip absolut spielfrei. Die Innovationen und Entwicklungen wurden innerhalb von nur 2 Jahren in Zusammenarbeit mit Universitäten vollzogen. R+W beschränkte sich nicht auf Weiterentwicklungen oder Optimierungen sondern entwarf, konstruierte und fertigte eine komplett neue Baureihe. Denn das Ziel, 50 % Gewichtsreduzierung, konnte ausschließlich in einer Neuentwicklung erreicht werden. Die Kupplungs- baureihe SL wird aus hochtechnologischen Materialen in Kombination mit einzigartigen Beschichtungen gefertigt. Dadurch wird eine Gewichtsreduzierung von bis zu 60 % im Vergleich zur Standardbaureihe erreicht. Eine Kupplung für eine Drehmomentbegrenzung von bis zu 160 Nm hat nur ein Eigengewicht von 370 Gramm und ein Massenträgheitsmoment von 0,8 * 10-3 kgm2. Die Kupplungsbaureihe umfasst 4 Baugrößen. Beginnend bei 10 Nm bis 700 Nm können Drehmomente sicher begrenzt werden. Neben der Materialwahl wurde die Gewichtsreduzierung ebenfalls durch eine Komprimierung der einzelnen Bauteile erzielt. Selbstverständlich ohne Einfluss auf die Lebensdauerfestigkeit oder die Genauigkeit. Die Sicherheitskupplungen in Leichtbauweise Serie SL können im Einsatz, Taktzahlen von teilweise bis zu 10.000 Ausrastungen oder mehr realisieren. Der Einsatz neuer speziell für R+W entwickelten Tellerfedern in Kombination mit einer Weiterentwicklung des Kugelrastprinzips führt zu einer Drehmomenterhöhung von bis zu 40 %.

Anwendung in der Luftfahrt - Scherenhubtisch

Leichter, kompakter, effizienter: Diese Trends haben in den letzten Jahren die Luft- und Raumfahrt revolutioniert. Intelligenter Leichtbau mit Hightech-Werkstoffen und neuesten Fertigungstechniken lautet die Devise bei Neukonstruktionen und Weiterentwicklungen. In diesem Rahmen arbeitete R + W an neuen Hightech-Komponenten für die Luftfahrt. Mit seiner kompakten und leistungsstarken Sicherheitskupplung bietet das Unternehmen jetzt hohe Präzision auf kleinstem Bauraum.

Ein führender Hersteller von Flugzeugen und Luftfahrtgeräten suchte nach einer Sicherheitskupplung für eine intelligente Hebevorrichtung in mobilen Kabinen für Transport und Servicearbeiten. Die Zielvorgabe: Reduzierung der Massenträgheitsmomente bei kompakter Bauweise. Dabei sollte das Ausrückmoment je nach Luftfahrzeugtyp zwischen 40 und 135 Nm mit einer max. Gesamtlänge von 30 mm und einem maximalen Gesamtgewicht von 200 g in einem Scherenhubtisch auf engstem Raum integriert werden. Hier entschied sich das Unternehmen für die neuartige Sicherheitskupplung in Leichtbauweise. Die Sicherheitskupplung SLP Serie 30 wurde dabei den weiteren Kundenanforderungen angepasst: mit Überlastschutz in abgedichteter Ausführung, geschützt vor flüssigen Medien und Schmutz, einsetzbar bei jeder Witterung.
Durch den Einsatz von Hightech-Materialien wurde eine Gewichtseinsparung von bis zu 60 % erzielt. So hat zum Beispiel die SLP 30 bei einer Drehmomentbegrenzung von bis zu 135 Nm, nur noch ein Eigengewicht von 200 g und ein Massenträgheitsmoment von 0,1 * 10-3 kgm². Dank der speziellen Verzahnung von Grundkörper und Anbau-flansch reagiert die Sicherheitskupplung im Millisekundenbereich, mit einer Wiederholgenauigkeit von +/- 5 %. 

Anwendung im Elektrofahrzeug

Auch wenn man ein Elektroauto fährt, kann es Situationen geben, in denen man zu einer Vollbremsung gezwungen wird. Die Bremsenergie, die dabei freigesetzt wird, bringt allerdings ein hohes Moment auf das Getriebe – ein höheres als es verkraften würde. Für dessen Schutz sorgt daher eine Sicherheitskupplung.

Mechanisch schaltende Sicherheitskupplungen schützen Anlagen und Maschinen im Falle einer Kollision oder Fehlbedienung. Doch die Kupplungen können mehr - mit Anpassungen lassen sie sich auch in Elektrofahrzeugen einsetzen. Die Ingenieure von R+W entwickelten hier für ein Pilotprojekt eine mechanische Sicherheitskupplung. Sie befindet sich zwischen den beiden Antriebswellen am Getriebe und den Bremsen. Bei einer Vollbremsung wird die entstehende Kraft unterschiedlich an die Bremsen verteilt. Da die Bremsenergie ein höheres Moment aufbringt als das Getriebe zulässt, muss das Getriebe vor dem Rückmoment der Bremsen geschützt werden einer Vollbremsung gezwungen wird.

Die Vorgabe des Auftraggebers war es, eine mechanische Sicherheitskupplung mit einem Maximalgewicht von 1,5 Kilogramm, für eine Überlast von mehr als 600 Nm bei 1.100 Umdrehungen pro Minute zu entwickeln. Dies konnte durch die TÜV-zertifizierte Modellreihe SLN der Serie 300 realisiert werden. Sie trennt die An- und Abtriebsseite im Millisekundenbereich. Dabei arbeitet die Sicherheitskupplung so, dass die Spielfreiheit gewährleistet wird. Die Baureihe SL wird aus – für die Kupplungstechnik neuen – Legierungen in Kombination mit Beschichtungen gefertigt. Eine Kupplung für eine Drehmomentbegrenzung von 600 Nm, wie sie im E-Fahrzeug eingesetzt werden könnte, hat ein Eigengewicht von 1,5 Kilogramm und ein Massenträgheitsmoment von 3·10 kgm². Die Gewichtsreduzierung erreichten die Entwickler neben der Materialwahl durch eine Komprimierung der einzelnen Bauteile, ohne die Lebensdauerfestigkeit oder die Genauigkeit negativ zu beeinflussen. Diese Sicherheitskupplungen in Leichtbauweise können im Einsatz Taktzahlen von teilweise bis zu 10.000 Ausrastungen oder mehr realisieren.
Der Einsatz von speziell für R+W entwickelten Tellerfedern in Kombination mit einer Optimierung des Kugelrast-mechanismus führte zu einer Drehmomenterhöhung von bis zu 50 Prozent. Durch die Tellerfedern mit spezieller Kennlinie werden eine genaue Drehmomentbegrenzung und kurze Schaltzeiten erreicht. Erst nach Überschreiten des eingestellten Ausrückmomentes kommt Bewegung in die Kupplung. Die Kugeln verlassen ihre konischen An-senkungen und der Drehmomentfluss wird unterbrochen. Die Federkraft verringert sich gegen Null. Hin- und hergehende Bewegungen der Kugel in ihren Ansenkungen im Grenzbereich des eingestellten Ausrückmomentes sind nicht möglich. Ein Kupplungsverschleiß im Betrieb unterhalb des Ausrückmomentes wird so vermieden. Die verringerte Federkraft beim Schaltvorgang und der leichte Schaltring reduzieren die Kräfte und den Verschleiß beim Schaltvorgang auf ein Minimum.

Sicherheitskupplung für die internationale Raumstation ISS

Die internationale Raumstation ISS ist eines der größten Technologieprojekte der Neuzeit. Seit dem Jahr 2000 forschen speziell das menschliche Gleichgewichtsystem, die Grundlagenphysikzwischen 2 und 3 Astronauten an zentralen Themen wie beispielsweise Biowissenschaften oder Materialwissenschaften. Deutsche Wissenschaftler untersuchen  (Plasmaforschung) und strahlenbiologischen Fragestellungen.

Die Rückbildung der Knochen und Muskeln der Astronauten während des bis zu 6 monatigen Aufenthalts ist eine bekannte Tatsache, denn unter der Schwerelosigkeit verändert sich der menschliche Körper. Die Raumfahrt-mediziner wissen auch, dass bei längerem Aufenthalt im Weltraum die Abwehr gegen Infektionen sinkt, dass sich der Zuckerhaushalt verändert und dass sich Knochen und Muskeln aufgrund der geringeren Beanspruchung zurückbilden. Um die Muskelrückbildung zu vermeiden wurde ein spezielles Trainingsgerät von der ESA und OHB System entwickelt. Ähnlich einer Ruderbank können mit deren Hilfe spezielle Muskelpartien der Astronauten trainiert werden. Eine spezielle Ausführung der R+W Sicherheitskupplung SK1 aus Edelstahl in gewichtsoptimierter und abgedichteter Ausführung dient als Schutzfunktion in diesem Trainingsgerät. Als Überlasteinheit in winkelsynchroner Ausführung wird bei zu großer Krafteinleitung des Astronauten die sensible Belastungseinheit geschützt. Die Wiedereinrastung nach 360° ermöglicht die positionsgenaue Wiederverfügbarkeit der Ruderbank. Nach einer 15 tägigen Flugzeit wurde das wartungsfreie Trainingsgerät in der Raumstation fest integriert und dient seither der jeweiligen Besatzungsmannschaft zum Muskelaufbau.

Der Aufbau der speziellen Sicherheitskupplung weicht von der Standardkonstruktion in vielen Bereichen der Kupplung ab. Die Forderung nach einem vor allem „leichten“ und speziell abgedichteten Sicherheitsbauteil erfüllte der Kupplungshersteller mit Hilfe von Gewichtsreduzierung der bestehenden Sicherheitskupplungsbaureihe und der bereits langjährigen Erfahrungen im Bereich von Vakuumanwendungen. Entscheidend für die Reduzierung des Gewichts waren die Auswahl spezieller Werkstoffe und die Komprimierung der verwendeten Komponenten – selbstverständlich ohne Einfluss auf Lebensdauerfestigkeit oder Genauigkeit. Überlastbauteile die auf dem Kugel-Rast-Prinzip aufgebaut sind benötigen ein Gleit- bzw. Schmiermittel. Dies verhindert im Dauereinsatz eine Korrosion der Bauteile bzw. im Überlastfall (Ausrastung der Kupplung) eine zu starke Beanspruchung der Komponenten. Durch die Restreibung der Tellerfeder entsteht in der Kupplung bei wiederholten Ausrastvorgängen eine Erwärmung die zu einer niedrigeren Viskosität des Fettes führt. Überflüssiges Fett bzw. Schmiermittel tritt aus. Exakt dieses Verhalten musste bei der Sicherheitskupplung im Weltall vermieden werden. Sonderabdichtungen an allen Bauteilen und Komponenten der Kupplung inkl. ein verlängerter Schaltring dichten in der Kupplung das Fett hermetisch ab. Der eventuelle Austritt des überflüssigen Fettes bei wiederholtem Ausrasten wird somit vermieden.

Weiterhin fordert die ESA, dass alle eingesetzten Materialen eine Freigabe für Raumfahrtindustrie besitzen. Vor allem im Bereich der stark beanspruchten mechanischen Bauteile mussten die Komponenten der Sicherheitskupplung vorab getestet werden. Nach dem die erfolgreiche TÜV-Prüfung der R+W Sicherheitskupplungen für Standard-anwendungen durchgeführt wurde, fand eine interne Prüfung nach ähnlichen Kriterien statt. Eine abschließende
Dokumentation bzw. Auflistung aller Komponenten erfüllten die hohen Anforderungen der Raumfahrtindustrie. R+W entwickelt, konstruiert und fertigt Sicherheitsbauteile somit nicht nur „für“ die Raumfahrtindustrie sondern für einen „reellen“ Einsatz im Weltall. Dies zeigt das Know-how und die Professionalität des Herstellers für nicht alltägliche Anforderungen.
 
Fazit: Die Summe der Veränderungen des Kugelrastprinzips und der Einsatz neuer Materialien ermöglichte es R+W die Baureihe spielfreie Sicherheitskupplungen TORQLIGHT SL zu entwickeln. Damit wurde dem Markt eine leichtere, kompaktere Sicherheitskupplung mit einer höheren Leistungsdichte geboten.