Kupplungen mit integrierter Sensorik von R+W machen bestehende Maschinen fit für vernetzte Produktion.

Das Industrielle Internet der Dinge, kurz IIoT, verändert nicht nur die Art und Weise, wie Unternehmen produzieren, sondern auch, wie sie ihre Prozesse überwachen, steuern und optimieren. Das IIoT nutzt die Vernetzung von Maschinen und Geräten, um umfassende Datenströme zu generieren, die in Echtzeit analysiert werden, um die Effizienz, die Qualität und die Nachhaltigkeit in der Fertigung zu steigern.

Für die R+W Antriebselemente GmbH steht dabei neben smarten Komponenten für neue Anlagen insbesondere auch das Retrofit, also die Modernisierung und Integration bestehender Maschinen in industrielle Netzwerke im Vordergrund.

Kabellose Messeinheit

Die am Markt bewährte integrierte Sensorik des Lösungspezialisten hat den rotierenden Antriebsstrang für das IIoT digital erschlossen und gewinnt dabei präzise Messdaten. Neben Lamellenkupplungen, Gelenkwellen sowie Flanschen ist seit dem Frühjahr auch das Standardprodukt von R+W, die Balgkupplung, mit integrierter Sensorik verfügbar.

Der Hauptunterschied zu den bisherigen Kupplungsmodellen ist die wesentlich kompaktere Bauweise der iBK, was sie noch platzsparender macht. Die iBK bietet alle Eigenschaften der Standardkupplung und fungiert gleichzeitig als kabellose Messeinheit.

Next level information – die drei Messketten im Überblick

Die integrierte Sensortechnik ermöglicht die unmittelbare Übertragung entscheidender Parameter wie Drehmoment, Drehzahl, Beschleunigung und optional Axialkraft und Querkraft an ein Gateway. Diese Sensorsignale können dann in nachgelagerten Regelungssystemen oder Datenverarbeitungssystemen erfasst und verarbeitet werden.

Alternativ besteht die Möglichkeit, eine direkte Verbindung zu einer Cloud-Lösung über LTE-Messverstärker herzustellen. Darüber hinaus bietet eine eigens entwickelte App die Möglichkeit, die Daten der Messkette auf mobilen Devices anzuzeigen – also direkt am Einsatzort.

Zur weiteren Analyse können diese Daten gespeichert und ausgespielt werden. Dank dieser unterschiedlichen Messketten stehen die erfassten Daten somit immer an dem vom jeweiligen Anwender gewünschten Endgerät zur Verfügung.

Kompakt integriert und drahtlos angebunden

Die Elektronik, einschließlich Messverstärker, befindet sich direkt in der Kupplung selbst. R+W hat darauf geachtet, dass die Integration der Sensortechnik die mechanischen Eigenschaften der Kupplung nicht beeinflusst. Konkret bedeutet es, dass eine Standardkupplung mit beispielsweise max. 250 Nm Drehmoment dieses auch weiterhin überträgt, nachdem das Messsystem hinzugefügt wurde. Die Sensoren werden dann entsprechend kalibriert, um den optimalen Bereich in dieser Drehmomentklasse erfassen zu können.

Drehmomente und Axialkräfte werden auf bewährte Weise mittels Dehnungsmessstreifen erfasst, einem etablierten Verfahren. Neu und innovativ ist die Art und Weise, wie das System ausgelesen wird: Zu diesem Zweck ist die komplette Elektronik, einschließlich der Messverstärker, kompakt in die Kupplung integriert. Dies ermöglicht eine nahtlose Verarbeitung der vom Dehnungsmessstreifen erfassten Werte und eine unmittelbare Übertragung an die jeweilige Messkette.

Die Energieversorgung erfolgt neben einer Lösung mit wiederaufladbarem Akku oder Induktion auch autonom über Energy Harvesting. Hierbei wird die Rotationsenergie durch miniaturisierte Energiewandler in elektrische Energie umgewandelt. Energy Harvesting eignet sich speziell für Anwendungen und Einbausituationen, bei denen Stillstandzeiten vermieden werden sollen, sowie für schwer zugängliche Stellen.

Retrofitting macht Maschinen smart

Was diese Lösung einzigartig macht, ist die Möglichkeit, die Sensortechnik in bestehenden Anlagen nachzurüsten. Die Montage gestaltet sich dabei ebenso einfach wie schnell, was den Integrationsaufwand und die Anschaffungskosten minimiert. Aufgrund der Kompatibilität mit vorhandenen Komponenten sind weder zusätzlicher Bauraum noch Hilfskonstruktionen erforderlich.

Im Kontext des IIoT kommt dem Konzept des Retrofits eine immer bedeutendere Rolle zu. Retrofitting bezieht sich auf die Aktualisierung, Modernisierung und Umrüstung bestehender Anlagen, um sie auf den neuesten Stand der Technik zu bringen oder spezifische Anforderungen zu erfüllen. Die Schaffung von Konnektivität ist dabei eine der Grundvoraussetzungen. Ältere Maschinen sind oft nicht von Haus aus mit den notwendigen Sensoren ausgestattet, um Daten in Echtzeit an übergeordnete Systeme zu senden.

Die iLP als Variante mit induktiver Energieversorgung mittels Pick-up.
Die Messdaten können über die App auf mobile Endgeräte in Echtzeit dargestellt werden.

„Die integrierte Sensorik erhebt die Messdaten direkt im Antriebsstrang. Dadurch wird eine herkömmliche mechanische Kupplung zu einer smarten Komponente transformiert, die der Maschine ein entscheidendes Upgrade für die Integration in eine vernetzte Industrieumgebung verleiht und die erforderliche Konnektivität herstellt“, fasst es Sascha Market, Team Leader Research & Development bei R+W zusammen.

Antriebe, Kupplungen und Gelenkwellen sind in nahezu jeder Maschine vorhanden. Dies macht die Kupplung zu einer optimal positionierten Komponente für die Gewinnung wertvoller Maschinendaten. Durch die integrierte Sensortechnik von R+W ergibt sich eine effiziente Lösung zur Aktualisierung bestehender Maschinen: Statt teure Anlagenaustausche durchzuführen, bietet ein Retrofit mittels smarter Kupplung eine wirtschaftliche Möglichkeit, vorhandene Ressourcen in das IIoT zu integrieren und für die Zukunft fit zu machen.

Daten sind das Gold des 21. Jahrhunderts – das gilt im Zeitalter des Industrial Internet of Things insbesondere für maschinengenerierte Informationen. Kupplungen mit integrierter Sensorik vereinfachen die Erfassung und Analyse von Maschinendaten direkt im Antriebsstrang. So lassen sich Wartungsarbeiten im Sinne der Predictive Maintenance proaktiv planen.


Der Übergang vom Konzept der vorbeugenden Wartung von Maschinen und Anlagen zur vorausschauenden Wartung gilt als Schlüsselmoment der digitalen und vernetzten Produktion. Erst mit der Nutzung verlässlicher Daten aus dem Antriebsstrang ist eine solche prädikative Instandhaltung möglich. Die Komponente Kupplung ist prädestiniert qualitativ hochwertige Informationen zu liefern – also das Datengold zu schürfen – da Antriebe, Kupplungen und Gelenkwellen in nahezu jeder Maschine verbaut sind.

Kompakte Metallbalgkupplung mit integrierter Sensorik.

Kabellos integrierte Sensorik

R+W hat den rotierenden Antriebsstrang kabellos angebunden und für das Industrial Internet of Tings (IIoT) digital erschlossen. Die am Markt bewährte integrierte Sensorik des Lösungsspezialisten lässt sich problemlos in bereits verbaute Kupplungen integrieren. Die Montage gestaltet sich dabei ebenso einfach wie schnell, was den Integrationsaufwand und die Anschaffungskosten minimiert. Dank der Kompatibilität mit vorhandenen Komponenten sind weder zusätzlicher Bauraum noch Hilfskonstruktionen erforderlich. „Die mechanischen Eigenschaften der Kupplung werden dabei nicht verändert: eine Kupplung, die zum Beispiel ein Drehmoment von 150 Nm übertragen kann, wird dies auch weiterhin übertragen können. Die Sensorik wird entsprechend kalibriert, um einen optimalen Messbereich in dieser Drehmomentsklasse abzudecken“, betont Frank Kronmüller, Managing Director bei R+W.

Neben Lamellenkupplungen, Gelenkwellen sowie Flanschen ist seit dem Frühjahr auch das Standardprodukt von R+W, die Balgkupplung, mit integrierter Sensorik verfügbar. Der Hauptunterschied zu den bisherigen Kupplungsmodellen ist die wesentlich kompaktere Bauweise der iBK, was sie noch platzsparender macht. Die iBK bietet alle Eigenschaften der Standardkupplung und fungiert gleichzeitig als kabellose Messeinheit.

Mithilfe der integrierten Sensortechnik werden wichtige Parameter wie Drehmoment, Drehzahl, Beschleunigung und optional auch Axialkraft und Querkraft direkt aus dem rotierenden Antriebsstrang an ein Gateway übertragen. Von dort aus können die Sensorsignale in nachgelagerten Messregel- oder Datenverarbeitungssystemen erfasst und verarbeitet werden. Eine direkte Anbindung an eine Cloud-Lösung ist mittels LTE-Messverstärker alternativ möglich. Zusätzlich lassen sich die Daten der Messkette auf mobilen Endgeräten in der speziell entwickelten App darstellen und abspeichern.

Anwendungsorientierte Energieversorgung

Die iBK als Variante mit induktiver Energieversorgung mittels Pick-up.

Die Energieversorgung erfolgt neben einer Lösung mit wiederaufladbarem Akku oder Induktion nun auch autonom über Energy Harvesting. Für leicht zugängliche Einbausituationen und periodische Messungen eignet sich die Versorgung über einen Akku. Je nach Abtastrate und Anzahl der Messgrößen sind mehrere tausend Stunden Betriebszeit möglich. Die Ladezeit über den Magnetstecker beträgt zwischen zwei und drei Stunden.

Für Dauermessungen kann die Sensorik über eine Induktionsspule (Pick-up) mit Strom versorgt werden. Dabei wird das Pickup kontaktlos nahe der Kupplung mit einem Abstand von ≤ 10 mm montiert. Für die Energieübertragung werden ISM-Bänder genutzt. Die Spannungsversorgung erfolgt durch den Anschluss an ein R+W-Gateway oder durch Nutzung einer vorhandenen 12-V-Lösung.

„DIE SENSORIK VERWANDELT EINE MECHANISCHE KUPPLUNG IN EINE SMARTE KOMPONENTE“

Beim Energy Harvesting wird die vorhandene Rotationsenergie durch miniaturisierte Energiewandler in elektrische Energie umgewandelt. Die Mindestdrehzahl liegt bei 200 U/min, um eine ausreichende Spannungsversorgung zu gewährleisten. Energy Harvesting eignet sich speziell für Anwendungen und Einbausituationen, bei denen Stillstandzeiten vermieden werden sollen, sowie für schwer zugänglich Stellen und horizontale Einbausituationen.

Ist die smarte Komponente im Antriebsstrang installiert und liefert die integrierte Sensorik der Kupplung Daten, spielen diese insbesondere im Bereich der Instandhaltung von Maschinen und Anlagen eine zentrale Rolle.

Evolution der Wartung

Die grundlegendste Form der Wartung ist sehr einfach erklärt: Bei der reaktiven Methode wird erst eingegriffen, wenn ein Teil des Systems bereits defekt ist, um die normalen Betriebsbedingungen wiederherzustellen. Obwohl diese Strategie keine anfänglichen Kosten verursacht und jede Komponente voll ausnutzt, birgt sie gleichzeitig das Risiko einer Beeinträchtigung der Benutzersicherheit und einer Verlängerung der technischen Reparaturzeit. Dies resultiert aus der Unvorhersehbarkeit des Defekts selbst.

Die präventive Instandhaltung hingegen umfasst planmäßige Austauscheingriffe in regelmäßigen Abständen, die auf der Grundlage der erwarteten Nutzungsdauer und des daraus resultierenden Lebenszyklus der Komponente geschätzt werden. Das Ziel besteht darin, Ausfälle durch den frühzeitigen Austausch von Komponenten zu verhindern. Allerdings ergeben sich aus dieser Praxis zwei miteinander verbundene Probleme: Zum einen kann es vorkommen, dass die Nutzungsdauer der Komponente überschätzt und seine Lebensdauer unterschätzt wird, wodurch es unnötig ersetzt wird, obwohl es sich noch in gutem Zustand befindet. Zum anderen kann eine falsche Analyse des Verschleißes oder das Auftreten einer unvorhergesehenen Müdigkeitserscheinung dazu führen, dass die Komponente zu spät ausgetauscht wird. In beiden Fällen treten die Nachteile auf, die auch bei der reaktiven Instandhaltung zu beobachten sind.

Zwei weitere proaktive Strategien, die darauf abzielen, Ausfälle zu verhindern, anstatt auf deren Auftreten zu warten, ist die zustandsbasierte sowie die vorbeugende Wartung. Beide basieren auf der Verwendung von Messwerten und Anlageninformationen – Daten, die mittels integrierter Sensortechnik von der Kupplung erhoben werden. Beim Condition Based Monitoring oder Condition Monitoring werden Daten, die von Sensoren erfasst werden, überwacht und in Echtzeit auf kritische Parameter wie Drehmoment oder Axial- beziehungsweise Querkräfte überprüft, um potenzielle Ausfälle vorherzusagen.

Datenanalyse über die aktuellen Bedingungen hinaus

Ein noch exakteres Präzisionsniveau erreicht die vorausschauende Wartung im IIoT, im Industrial Internet of Things. Bei laufendem Betrieb erlaubt die Analyse des von Maschinen erzeugten Datenstroms eine Optimierung der Prozesse: Betriebskritische Daten sind jederzeit transparent im Blick, sodass Unregelmäßigkeiten leicht identifiziert und Wartungsarbeiten vorausschauend geplant werden können. Diese prädikative Instandhaltung oder Predictive Maintenance lernt aus historischen und in Echtzeit verfügbaren Daten und verspricht erhebliche Kosteneinsparungen gegenüber zeitgesteuerten Instandhaltungsmaßnahmen.

In speziellen Business Cases erarbeitet der Technologieführer zusammen mit dem Partner Core Sensing, angepasste Lösungen, um abzubilden, was in der Anlage des Kunden beziehungsweise im Antriebsstrang passiert oder passieren wird. Indem historische Daten einbezogen werden, geht die Analyse über die aktuellen Bedingungen hinaus und versucht, zukünftige Ereignisse mithilfe komplexer Algorithmen vorherzusagen. Dadurch ist es möglich, nicht nur drohende Ausfälle zu erkennen, sondern auch den Zustand der Systemkomponenten beziehungsweise der Anlage selbst sowie ihre verbleibende Lebensdauer, die Remaining Useful Lifetime, äußerst präzise zu prognostizieren.

Die Integration von Sensortechnik verwandelt Kupplungen von passiven zu aktiven Komponenten innerhalb des Antriebsstrangs. Durch die direkte Erfassung von Daten wie Drehmoment, Drehzahl, Beschleunigung und sogar axialen sowie radialen Kräften direkt an der Quelle, ermöglichen diese smarten Kupplungen eine hohe Kontrolle und Einsicht in den Zustand und die Performance von Maschinen.

Die kompakte Balgkupplung mit integrierter Sensortechnik iBK bietet alle Eigenschaften der Standardkupplung und fungiert gleichzeitig als kabellose Messeinheit

Durch die Integration von Sensortechnik in eine Kupplung ist der Antriebsstrang nicht nur ein Kraftübertragungselement, sondern wird zum intelligenten System, das präzise Informationen liefert. Dieser Ansatz verschiebt den Fokus von der bloßen Funktionalität hin zur Optimierung und prädiktiven Instandhaltung. Die dadurch gewonnenen Daten sind von unschätzbarem Wert für Ingenieure und Konstrukteure, die nun in der Lage sind, die Leistung ihrer Systeme zu überwachen, vorausschauend zu warten und somit Ausfallzeiten zu minimieren sowie die Effizienz zu maximieren.

Die Herausforderung, die es zu meistern galt, war in der Theorie nicht trivial: Eine Sensorik so in die Kupplung zu integrieren, dass deren mechanische Eigenschaften unverändert bleiben, während sie gleichzeitig zuverlässig wertvolle Daten liefert. Die Entwicklerteams bei R+W Antriebselemente haben sich dieser Herausforderung angenommen und sie mit Erfolg gemeistert. Durch die Nutzung von Dehnmessstreifen und fortschrittlichen drahtlosen Kommunikationstechnologien haben sie eine Lösung geschaffen, die sowohl robust als auch präzise ist. Diese Technologie ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung und Analyse des Antriebsstrangs ohne zusätzlichen Platzbedarf und minimiertem Montageaufwand.

Neben Lamellenkupplungen, Gelenkwellen sowie Flanschen ist auch das Standardprodukt von R+W, die Balgkupplung, mit integrierter Sensorik verfügbar. Die iBK-Serie steht exemplarisch für diesen Fortschritt. Der Hauptunterschied zu den bisherigen Kupplungsmethoden ist die kompaktere Bauweise der iBK. Sie bietet alle Eigenschaften der Standardkupplung und fungiert gleichzeitig als kabellose Messeinheit.

Kontinuierliche Betriebsdaten sind Gold wert

Die Sensortechnik liefert „Datengold“, indem sie kontinuierlich Betriebsdaten erfasst, die für die prädiktive Instandhaltung und die Optimierung von Produktionsprozessen unerlässlich sind. Die Fähigkeit, Zustandsdaten zu erfassen, ermöglicht es, Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten proaktiv zu planen und potenzielle Ausfälle zu verhindern, bevor sie zu ungeplanten Stillstandszeiten führen.

Dabei werden folgende Daten direkt an ein Gateway übermittelt: Drehmoment, Drehzahl, Beschleunigung und Temperatur. Optional auch noch Axial- oder Querkraft. Diese Informationen können dann in nachgelagerten Regelungs- oder Datenverarbeitungssystemen erfasst und verarbeitet werden, wobei auch eine direkte Anbindung an Cloud-Lösungen über LTE-Messverstärker möglich ist. Eine von R+W eigens entwickelte App ermöglicht zudem die Darstellung und Speicherung der Daten auf mobilen Endgeräten, was eine sofortige Analyse und Reaktion auf Betriebsbedingungen direkt vor Ort ermöglicht.  

Autonom und platzsparend

Die Energieversorgung der Sensorik in den Kupplungen kann über verschiedene Methoden erfolgen, wie wiederaufladbare Akkus, Induktion oder sogar Energy Harvesting. Diese Flexibilität stellt sicher, dass die Kupplungen in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien eingesetzt werden können, von leicht zugänglichen bis hin zu schwer erreichbaren Einbausituationen. Zum einen ermöglicht die direkte Integration der Sensorik in die Kupplung eine kompakte und platzsparende Bauweise. Zum anderen minimiert sie den Integrationsaufwand und die Anschaffungskosten, da weder zusätzlicher Bauraum noch Hilfskonstruktionen erforderlich sind. Durch die kabellose Anbindung und die Kompatibilität mit vorhandenen Komponenten ist eine nahtlose Integration in bestehende Systeme möglich.

Bestehende Anlagen zukunftsfähig machen

Ein wesentlicher Aspekt der Sensortechnik von R+W ist ihre Eignung ,für das Retrofitting älterer Maschinen. Dieser Ansatz ermöglicht es Unternehmen, bestehende Anlagen zu modernisieren und sie für vernetzte Produktionsumgebungen fit zu machen. Durch das Nachrüsten von integrierter Sensortechnik in traditionelle Maschinen lassen sich diese in das IIoT einbinden, was ihre Effizienz, Verfügbarkeit und Leistung verbessern.

Durch die Nutzung von Dehnmessstreifen und fortschrittlichen drahtlosen Kommunikationstechnologien hat das R+W-Entwicklerteam eine Lösung geschaffen, die sowohl robust als auch präzise ist

Wettbewerbsvorteile nutzen

Die Implementierung von Sensortechnik ist mehr als eine technologische Innovation; sie ist ein strategischer Schritt für Unternehmen, die ihre Produktionsanlagen zukunftssicher machen und einen Wettbewerbsvorteil in der Industrie 4.0 erlangen wollen. Mit integrierter Sensorik in Kupplungen bietet R+W nicht nur ein Produkt, sondern eine ganzheitliche Lösung, die Unternehmen dabei unterstützt, die Herausforderungen der digitalen Transformation zu meistern und ihre Produktionseffizienz auf ein neues Niveau zu heben.