In der Luft- und Raumfahrt kommt es vor allem auf die Widerstandsfähigkeit der eingesetzten Komponenten an. Jedoch ebenfalls essenziell: das Gewicht. Leichtbaukomponenten sind in Fluggeräten von entscheidender Bedeutung, denn jedes zusätzliche Kilo hat negative Auswirkungen auf die Gesamteffizienz. R+W fertigt innovative Leichtbaukupplungen, die in Linienflugzeugen, aber unter anderem auch in der Raumstation ISS eingesetzt werden.
In kaum einer Anwendung spielt das Gewicht eine so entscheidende Rolle wie im Flugzeug oder Raumfähren bzw. Trägerraketen. Jedes Gramm hat einen überdurchschnittlich hohen Einfluss auf den notwendigen Treibstoff, um die Fluggeräte in die Lüfte zu katapultieren. Neben dem Gewicht stehen in der Luft- und Raumfahrt vor allem die Robustheit und Zuverlässigkeit der Komponenten im Fokus. Insbesondere während des Startvorgangs wirken enorme Kräfte auf die Luftfahrzeuge und ihre Komponenten. Daher braucht es an dieser Stelle extrem robuste Bauteile, die jedoch so leicht wie möglich sein sollten, um den Betrieb der Fluggeräte so wirtschaftlich wie möglich zu gestalten.
Viele Gründe für kompakte Gerätekonstruktion
Neben der Energieeffizienz gibt es eine Vielzahl von Gründen, Maschinen- und Gerätekonstruktionen möglichst leicht und kompakt zu realisieren – auch jenseits der Luft- und Raumfahrt. Leichtere Konstruktionen lassen sich schneller beschleunigen und abbremsen, ein Plus für die Dynamik und Performance des Systems. Durch die reduzierte Menge des notwendigen Materials können die Kosten sinken. Insgesamt sind weniger Energieressourcen für die Bearbeitung und Fertigung des Materials und der Komponenten nötig. In der ganzheitlichen Betrachtung der Produktion reduziert sich der CO2-Fußabdruck, was einen gewichtigen Bonus in Sachen Nachhaltigkeit mit sich bringt. Insbesondere wenn es sich um energieintensiv zu produzierende Komponenten aus Metall handelt.
Deshalb fertigen die Kupplungsspezialisten von R+W ihre Leichtbaukupplungen aus High-Tech-Materialien und setzen dabei auf spezielle Beschichtungen, um dennoch die nötige Widerstandsfähigkeit zu gewährleisten. Dadurch kann das Unternehmen aus Wörth am Main je nach Kupplungsbaureihe bis zu 70 Prozent Gewicht gegenüber der Standardausführung einsparen. Mit der Baureihe SL hat R+W eine bereits standardmäßig gewichtreduzierte Präzisions-Sicherheitskupplung im Portfolio. Beispielsweise baut die Kupplung mit Klemmringverbindung in der kleinsten Variante lediglich 45 mm auf und wiegt gerade einmal rund 300 g. Die SL-Serie ist sowohl für indirekte als auch für direkte Antriebe verfügbar und überträgt Drehmomente von 10 bis 700 Nm spielfrei. Für spezielle Applikationen, die über den Leistungsbereich der Standardkupplungen hinausgeht, entwickelt R+W partnerschaftlich mit dem Kunden passgenaue Lösungen für die anspruchsvollsten Anwendungen – auch schon ab Losgröße 1.
Kupplungskonstruktion für Auftriebshilfen von Flugzeugen
Zu den Anwendungsbeispielen in der Luft- und Raumfahrt gehören etwa Transmissionswellen zur Ansteuerung der Auftriebshilfen von Flugzeugen. Hierbei kommt eine Kupplungskonstruktion aus einem Zwischenrohr aus Verbundwerkstoff mit einer gewichtsoptimierter Flanschanbindung zum Einsatz. Zum Komfort auf Langstreckenflügen tragen schwenkbare Infotainmentsysteme bei. Die Verstellung des Bildschirms erfolgt über einen elektrischen Antrieb. Leichtbaukupplungen von R+W sorgen an dieser Stelle für die präzise Kraftübertragung und schützen die investitionsintensiven Systeme vor Schäden – beispielsweise bei unsachgemäßem Gebrauch durch den Fluggast.
Sicherheitskupplungen für internationale Raumstation ISS
Auf der internationalen Raumstation ISS verrichtet eine individualisierte Sicherheitskupplung ihren Dienst in einem Trainingsgerät für die Raumfahrer. Die Kupplung schützt das Gerät vor Beschädigung bei zu starkem Krafteinsatz der Astronauten. Somit tragen Leichtbaukupplungen von R+W unter anderem zu einem optimierten Startprozess und bequemeren Reisen in Linienflugzeugen sowie der Erhaltung der Leistungsfähigkeit und Gesundheit der Astronauten auf der ISS bei.
Herr Dominik , der Leichtbau ist einer der globalen Trends im Maschinenbau. Welche Entwicklungen sehen sie aktuell bei R+W darüber hinaus im Fokus?
Dominik: Vor allem die Steigerung der Effizienz und der Nachhaltigkeit – und das über alle unser Zielbranchen und Produktgruppen hinweg. Die Vermeidung von Ausschuss, die Einsparung von Energie und Emissionen sowie der damit einhergehende reduzierte CO2-Footprint stehen in der gesamten Industrie auf der Agenda. Wir versuchen auf verschiedenen Ebenen als Komponentenzulieferer unseren Beitrag hierzu zu leisten.
Inwiefern?
Dominik: Nachhaltigkeit ist seit jeher ein wichtiger Teil unserer Unternehmensgrundsätze. So sind wir gemäß der internationalen Umweltmanagementnorm ISO 14001 zertifiziert und beteiligen uns am Umweltpakt Bayern. Der Umweltpakt stellt eine freiwillige Initiative dar, die zeigt, dass wirtschaftliche und umweltschonende Aspekte erfolgreich in Einklang gebracht werden können. Und auch in unserer Produktion legen wir großen Wert auf die Ressourcenschonung und suchen stets nach Wegen, um die Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit unseres Betriebs zu erhöhen.
Wie gehen sie hierbei vor?
Dominik: Wir verfolgen den Green Engineering Ansatz. Neben der der Verwendung nachhaltiger Materialien gehört hierzu der umweltschonende Betrieb der Produktionsstätte, aber auch die Reduktion von Giftstoffen. Darüber hinaus versuchen wir durch die Konstruktion und das Design unserer Kupplungen die Nutzung der Masse und Energie der Produkte im Prozess so effizient wie möglich zu gestalten und somit vor allem auch die Langlebigkeit zu optimieren. Denn nichts ist effizienter und nachhaltiger als ein Produkt, das nicht kaputt geht.
Sicherheit, Präzision oder Zuverlässigkeit – Kriterien, die heutzutage für eine Vielzahl von Maschinenkomponenten in der Automatisierungstechnik eine hohe Bedeutung haben. Wenn spezielle Anforderungen beachtet werden müssen, wie beispielsweise hinsichtlich geringer Massenträgheitsmomente oder besonderer Umgebungseinflüsse, ist Expertenwissen gefragt. R+W Antriebselemente bietet maßgefertigte Kupplungen auch für ganz besondere Anforderungen.
Prozessstabilität gerät immer stärker in den Fokus des Maschinenbaus. Gefordert sind Sicherheitsmechanismen, die bei Problemfällen sofort und zuverlässig eingreifen und teure Maschinenschäden und Ausfallzeiten verhindern. Mechanische Sicherheitskupplungen leisten in diesem Zusammenhang einen wichtigen Beitrag. Der Trend nach immer effizienter werdenden Prozessen erfordert dabei oftmals möglichst leichte und kompakte Kupplungslösungen, die zudem gleichzeitig höchste Ansprüche an Sicherheit, Robustheit und Leistungsstärke erfüllen müssen. So auch im folgenden Beispiel, bei dem ein Hersteller von Flugzeugen und Luftfahrtgeräten nach einer Sicherheitskupplung für eine Hebevorrichtung in mobilen Kabinen für den Transport und Servicearbeiten suchte. Intelligenter Leichtbau mit Hightech-Werkstoffen und neueste Fertigungstechniken waren hierbei notwendig, um die Zielvorgaben nach einer leistungsstarken Sicherheitskupplung mit einem möglichst geringen Massenträgheitsmoment sowie einer äußerst kompakte Bauweise erfüllen zu können.
Die geforderte Sicherheitskupplung sollte in einem Scherenhubtisch auf engstem Raum integriert werden und durfte bei einer maximal möglichen Gesamtlänge von 30 mm lediglich ein Gesamtgewicht von 200 g aufweisen. Dabei sollte das Ausrückmoment je nach Luftfahrzeugtyp zwischen 40 und 135 Nm stufenlos einstellbar sein, so dass die Sicherheitskupplung im Falle einer Drehmomentüberlast sicher vor teuren Überlastschäden und Ausfallzeiten schützt. Zudem muss die Kupplung bei widrigsten Wetter- und Umgebungseinflüssen präzise und zuverlässig arbeiten.
Leistungsstarke Kupplungsbaureihe TORQLIGHT® SL
Die Leichtbau-Sicherheitskupplungen der Modellreihe TORQLIGHT® SL des Kupplungsspezialisten R+W Antriebselemente sind für solche Herausforderungen prädestiniert. Die Baureihe wurde in Zusammenarbeit mit Universitäten entwickelt und verbindet hochtechnologische Materialen und Beschichtungen mit einem leichten, kompakten und leistungsstarken Design.
Im konkreten Fall wurde auf Basis der SLP (mit Passfederverbindung für indirekte Antriebe) in Serie 30 eine Lösung gefunden, die genau auf die besonderen Herausforderungen angepasst wurde.
Die mechanische Baureihe arbeitet hinsichtlich des federvorgespannten Kugelrastprinzips absolut spielfrei und sorgt somit für noch mehr Sicherheit. Die SL Serie wird aus Hightech-Materialien mit zusätzlichen Beschichtungen gefertigt und besticht im Vergleich zur Standardbaureihe mit einer Gewichtsreduzierung von bis zu 60 %. So hat zum Beispiel die SLP in Serie 30 mit einer Drehmomentbegrenzung von bis zu 135 Nm, ein Eigengewicht von nur 200 g und ein Massenträgheitsmoment von 0,1 * 10-3 kgm². Dank der speziellen Verzahnung von Grundkörper und Anbauflansch sowie speziell entwickelten Tellerfedern, trennt die Sicherheitskupplung im Falle einer Drehmomentüberlast An- und Abtrieb innerhalb weniger Millisekunden mit höchster Präzision. Neben der besonderen Materialen, einer Weiterentwicklung des bewährten Kugelrastprinzips sowie der eigens entwickelten Tellerfedern mit speziellen Kennlinien, erzielte R+W die Gewichtsreduzierung durch eine intelligente Komprimierung der einzelnen Bauteile.
Um die Sicherheitskupplung bzw. deren Funktion auch bei widrigsten Wetter- und Umgebungseinflüssen zu gewährleisten, wurde die Kupplung mit einer speziellen und zusätzlichen Abdichtung ausgeführt. Hierdurch wird die Kupplung vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Staub, Schmutz oder flüssige Medien geschützt und gleichzeitig kann kein Schmierfett aus der Kupplung entweichen. Aufgrund der zusätzlichen Abdichtoption sind R+W Sicherheitskupplungen somit beispielsweise auch für Applikationen im Lebensmittelbereich oder der Reinraumtechnik prädestiniert.
Sicherheit in verschiedenen Ausführungen
Die Leichtbau-Sicherheitskupplungen der Modellreihe TORQLIGHT® SL können je nach Bedarf in vielen verschiedenen Ausführung und Größen für Ausrückmomente von 10 – 700 Nm bezogen werden. So sind diese unteranderem für indirekte Antriebe, zum Beispiel zur Anbindung an Zahnriemenscheiben, mit Klemmnaben oder Passfederverbindung erhältlich. Zwei weitere Modellversionen sind für direkte Antriebe vorgesehen. Diese sind mit Klemmnabe ausgestattet und gleichen Wellenversätze aus. Anwender können hier zwischen einer Ausführung mit torsionssteifen Metallbalganbau oder Varianten mit schwingungsdämpfendem Elastomerkranz in unterschiedlichen Shorehärten auswählen. Die verschiedenen Baureihen sind zudem jeweils mit winkelsynchronem oder durchrastendem Funktionsprinzip erhältlich.
Schwerlast-Industrieaufzüge müssen extrem robust und zuverlässig sein. Ebenso wichtig ist ihre Sicherheit. Bei einem Industrieaufzug eines Automobilherstellers gab es eine weitere, spezielle Herausforderung: die exakte Ermittlung des Drehmoments in der Türsteuerung, bei dem die Sicherheitskupplung bei starker Beschleunigung der Tür nicht auslöst, aber dennoch den Not-Stopp im Störungsfall gewährleistet. Die Kupplungsspezialisten der R+W Antriebselemente GmbH aus Wörth am Main hatten dafür die passgenaue Lösung: die TORQLIGHT-Sicherheitskupplung SLP 30.
In der industriellen Produktion sind Lastenaufzüge oft ein existenzieller Bestandteil einer Fertigungslinie oder eines Logistiksystems. Sie sind pausenlos in Betrieb und werden im rauen Industrieeinsatz stark beansprucht. Störungen an den Aufzugsanlagen können zu Produktionsausfällen und damit zu hohen Kosten für den Betreiber führen. Deshalb haben eine konstante Verfügbarkeit, ein störungsfreier Betrieb des Aufzugs, schnelle und einfache Montage sowie ein geringer Wartungsaufwand höchste Priorität. Darüber hinaus müssen die Aufzüge auch weitergehenden Ansprüchen genügen: Sie sollen schwere Lasten transportieren, gut zugänglich sein, oder auch mit größeren Fahrzeugen wie Staplern oder Pkw befahrbar sein. Werden Personen befördert, gelten zudem höchste Sicherheitsstandards. Die schweren Türen müssen im Notfall einfach zu öffnen sein und dürfen nicht blockieren.
Türsteuerung für Schwerlastaufzug: hochkomplexe Antriebstechnik
In der konkreten Applikation – ein Schwerlastaufzug in der Produktionsanlage eines führenden Automobilherstellers – ging es um eine Sicherheitskupplung für den Antrieb der Türsteuerung. Hauptaufgabe der Kupplung war die Kraftbegrenzung der drehzahlgeregelten Gleichstromantriebe der Falttüren und zusätzlich die Sicherheit der Aufzugsteuerung. Die Türen des Aufzugs bewegen sich nicht ohne Befehl der Aufzugsteuerung. Die Breite der Türöffnung wird automatisch durch Sensoren ermittelt, das heißt, es ist kein Schutzschalter für einen Not-Stopp erforderlich, da die Tür-auf- bzw. Tür-zu-Position automatisch erkannt wird.
Gleichzeitig musste für die Situation, dass die Sensorik aufgrund eines Stromausfalls oder aus sonstigen Gründen aussetzt, ein mechanisches Sicherheits-Backup gewährleistet sein, um hochwertige Komponenten oder das Transportgut zu schützen. Die besondere Herausforderung war, das Ausrückmoment der Kupplung zu ermitteln, bei dem sie einerseits beim Beschleunigen der Türantriebe nicht auslöst, andererseits aber im Überlastfall ausrastet. Darüber hinaus musste die Kupplung so konzipiert sein, dass die Einstellparameter angepasst werden können, wenn sich die Kräfteverhältnisse im Antriebsstrang bei längerer Nutzungsdauer ändern. Weitere Anforderungen waren eine sehr geringe Restreibung beim Ausrasten sowie eine Schnellabschaltung innerhalb von Millisekunden.
Hohe Drehmomentleistung und exaktes Ausrückmoment
Die Wahl fiel schließlich auf eine TORQLIGHT-Sicherheitskupplung der Baureihe SLP 30 mit Sonderverzahnung und Passfederverbindung für einen indirekten Antrieb. Bernhard Bremauer, Key Account Manager bei R+W, erklärt: „Ihr niedriges Trägheitsmoment, die geringe Restreibung nach dem Ausrasten und die Schnellabschaltung im Millisekundenbereich machen sie perfekt geeignet für diese spezielle Anwendung. Zusätzlich gewährleistet ihr großer Einstellbereich hohe Flexibilität, sobald sich die Kräfteverhältnisse im Antrieb im Lauf der Zeit ändern.“
Die TORQLIGHT-Sicherheitskupplungen zeichnen sich durch ein hervorragendes Verhältnis von Drehmomentleistung zu Abmessungen und Gewicht aus. So hat die Serie 30 des Modells SLP bei einer Drehmomentbegrenzung von bis zu 135 Newtonmetern ein Eigengewicht von nur 200 Gramm und ein Massenträgheitsmoment von 0,1 * 10-3 kgm². Dank der speziellen Verzahnung von Grundkörper und Anbauflansch rastet die Kupplung zuverlässig aus. Sie reagiert im Millisekundenbereich mit einer Wiederholgenauigkeit von etwa fünf Prozent. Die Sonderverzahnung der TORQLIGHT SLP 30 bewirkt, dass das Funktionssystem jeweils nach 30° durchrastet.
“Ein weiterer Vorteil dieser Leichtbau-Sicherheitskupplung ist, dass sich das Drehmoment stufenlos einstellen lässt. So kann das Ausrückmoment besonders fein und exakt eingestellt werden. Bernhard Bremauer erinnert sich: „Das war der kniffligste Part der Entwicklung. Wir mussten so filigran wie ein Schweizer Uhrmacher arbeiten, um die präzise Feinjustierung des Ausrückmoments hinzubekommen.“
Kupplungsbaureihe TORQLIGHT: kompakt und leistungsstark
Die TORQLIGHT-Modellreihe SL wurde von R+W in Zusammenarbeit mit Universitäten entwickelt und verbindet Hightech-Materialien mit speziellen Beschichtungen in einem leichten, kompakten und leistungsstarken Design. Im Vergleich zur Standardbaureihe ist die SL-Serie um bis zu 60 Prozent leichter. Die mechanische Baureihe arbeitet über das bewährte federvorgespannte Kugel-Rast-Prinzip absolut spielfrei und sorgt damit für noch mehr Sicherheit.
Neben der besonderen Materialwahl erzielte der Kupplungsspezialist die Gewichtsreduzierung durch eine intelligente Komprimierung der einzelnen Bauteile. Die Sicherheitskupplungen in Leichtbauweise der Serie SL können im Einsatz eine hohe Anzahl an Ausrastungen realisieren. Dabei führen die individuell entwickelten Tellerfedern, in Kombination mit einer Weiterentwicklung des Kugel-Rast-Prinzips, zu einer Drehmomenterhöhung von bis zu 40 Prozent.
Modulares Prinzip in vielen Ausführungen
Die TORQLIGHT-Leichtbauserie umfasst standardmäßig fünf Modelle: je nach Bedarf mit Klemmring- oder Passfederverbindung für indirekte Antriebe, zum Beispiel zur Anbindung an Zahnriemen, -räder oder -ketten. Zwei weitere Modelle sind für direkte Antriebe vorgesehen. Diese sind mit Klemmnabe ausgestattet und gleichen Wellenversätze aus. Kunden können hier zwischen einer Ausführung mit torsionssteifem Metallbalg oder mit schwingungsdämpfendem Elastomerkranz wählen. Die verschiedenen Baureihen sind in winkelsynchronem oder durchrastendem Funktionsprinzip erhältlich.
Die winkelsynchrone Standardvariante rastet nach genau 360° wieder ein. Speziell angeordnete Bohrungen im Grundkörper machen dies möglich. Dabei ist die Anzahl der im Grundkörper befindlichen Kugeln und Kalotten so ausgelegt, dass die Kupplung nach Wiedereinrasten zuverlässig und sicher weiterarbeitet. Dadurch ist der Antriebsstrang absolut synchron. Die durchrastende Ausführung funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Allerdings werden hier die Kalotten im symmetrischen Winkelabstand über den gesamten Grundkörper platziert, wodurch die Wiedereinrastung nach 30°, 45°, 60°, 90° oder 120° erfolgt. Je nach Bedarf und Kundenwunsch können werkseitig andere Einrastwinkel eingerichtet werden. Jedes Modell ist in vier Baugrößen erhältlich. Beginnend bei 10 Newtonmetern können hier Drehmomente bis 700 Newtonmeter sicher begrenzt werden.
Muss die Sicherheitskupplung auch sehr staubigen Umgebungen bzw. flüssigen Medien oder aggressiven Reinigungsmitteln standhalten, lassen sich sämtliche Bauteile in ein Gehäuse integrieren und besonders abdichten. Durch diese Sonderlösung wird die abgedichtete Sicherheitskupplung vor allen äußeren Einflüssen geschützt und kann sogar in der Reinraumtechnik zum Einsatz kommen.
Kupplungslösungen für individuelle Anforderungen
Die modulare Bauweise der SL-Reihe ermöglicht vielfältige Kombinationen. Anwender können ihre Sicherheitskupplung individuell auf ihre Bedürfnisse anpassen. Für die optimale Auswahl und bei technischen Detailfragen rund um die Auslegung der Kupplung bietet R+W Beratung an und entwickelt kundenindividuelle Sonderlösungen mit der eigenen Konstruktionsabteilung sowie in Zusammenarbeit mit Universitäten und Forschungsinstituten.
Hohes Drehmoment bei leichtem Gewicht
Die TORQLIGHT-Modellreihe SL verbindet Hightech-Materialien mit speziellen Beschichtungen in einem leichten, kompakten und leistungsstarken Design. Im Vergleich zur Standardbaureihe erzielt die SL-Serie eine Gewichtsreduzierung von bis zu 60 Prozent. Die mechanische Baureihe arbeitet über das bewährte federvorgespannte Kugel-Rast-Prinzip absolut spielfrei und sorgt damit für noch mehr Sicherheit. Durch ihre modulare Bauweise kann sie individuell angepasst werden.
„Die Kupplung zeichnen sich durch ein hervorragendes Verhältnis von Drehmomentleistung zu Abmessungen und Gewicht aus. Ihr niedriges Trägheitsmoment, ihr großer Einstellbereich, die geringe Restreibung nach dem Ausrasten und die Schnellabschaltung im Millisekundenbereich machten sie bei dieser Anwendung zur optimalen Lösung. Durch die stufenlose Einstellung des Drehmoments ließ sich das Ausrückmoment absolut exakt feinjustieren.“
2021 endet eines der spektakulärsten Projekte zur ökologischen Umgestaltung eines völlig zerstörten Flusssystems. Der Flusslauf der Emscher wird von der Emschergenossenschaft von einem offenen Abwasserkanal zu einem lebendigen Gewässer umgestaltet. Manche sprechen von einem „blauen Wunder“, wobei ein Wunder etwas Göttliches und Unerklärliches hat. Hinter dem einzigartigen Emscher-Umbauprojekt stehen allerdings keine überirdischen Kräfte, vielmehr ist es weltliche Ingenieurskunst und der feste Wille, Mensch und Natur wieder zu vereinen
Die Superlative im Zusammenhang mit der Wiederbelebung der Emscher überschlagen sich: 80 Kilometer Umgestaltung von der Quelle bis zur Mündung, 30 Jahre Laufzeit, 100 Jahre Mindestnutzungsdauer, 73 Kilometer Neubau des unterirdischen Abwasserkanals Emscher, bis zu 40 Meter Tiefenlage, Abwässer von 2,2 Millionen Menschen, vier Groß-Klärwerke, drei Groß-Pumpwerke, rund 5 Milliarden Euro Investitionsvolumen – es ist eines der größten Infrastrukturprojekte Europas. Es gab weltweit noch nie ein vergleichbares Projekt in dieser Größenordnung zur ökologischen Umgestaltung eines ganzen Flusssystems, das zuvor biologisch tot war. Nur wenige Anwohner konnten sich zu Beginn, Anfang der neunziger Jahre, vorstellen, dass so etwas überhaupt möglich ist.
Grüne Technik für blaues Wunder
Die Visionäre der Emschergenossenschaft wussten, was sie ihrem Fluss, den Menschen und der Natur schuldig waren und gaben ein Versprechen ab: „Ihr bekommt Euren Fluss zurück!“ Es war der Beginn eines Generationenprojektes, das nun nach 30 Jahren fertiggestellt wird und das eine ungeheure Leuchtturmfunktion hat. Andere Großprojekte mögen prestigeträchtiger sein und erregen eine höhere mediale Aufmerksamkeit, hier geht es aber um mehr. Es geht um den Beweis, dass es interdisziplinäre Ingenieurskunst schafft, verloren geglaubten Lebensraum wiederzugewinnen. International unter „Green Engineering“ bekannt, steht das Schlagwort für nachhaltige Innovationen, die dem Schutz von Umwelt und Natur als Lebensgrundlage für den Menschen dienen. Imposant ist auch, dass gerade Unternehmen aus Deutschland hier einen Meilenstein setzen konnten. Ein Zukunftsmetier, von dem das Wohl vieler Millionen Menschen abhängt und ein Vorbildprojekt, das ohne Pumpen mit schützenden Kupplungen nicht durchführbar wäre.
Problemfall Emscher
Doch wer ist die Emschergenossenschaft und wie kam es zu der katastrophalen Verschmutzung des Flusses? Die Emscher schlängelte sich um 1850, noch vor der Industrialisierung, auf 109 km quer durch die Kernzone des Ruhrgebiets von Holzwickede bei Dortmund bis nach Dinslaken, wo sie in den Rhein mündet. Die Gegend war schwach besiedelt und von Auen, Wehren und Landwirtschaft geprägt. Mit Beginn des Kohleabbaus kam immer mehr Montanindustrie und zahlreiche Menschen siedelten sich im Ruhrgebiet an. Wegen des Bergbaus senkte sich unablässig der Boden, weshalb Abwässer aus Industrie und Haushalten nicht unterirdisch abgeführt werden konnten. Sie sammelten sich in den Senken, was bei Hochwasser zu hygienisch kritischen Überflutungen der Häuser führte.
Deshalb wurde 1899 die Emschergenossenschaft gegründet. Als erster öffentlich-rechtlicher Wasserwirtschaftsverband von Städten, Wirtschaft und Bergbau behob sie den Entwässerungsnotstand mittels der Emscher als offenem Abwasserkanal. Die Emscher wurde dafür von Dortmund bis zum Rhein tiefer gelegt, eingedeicht, begradigt und auf 80 km verkürzt. Parallel entstanden etliche Kläranlagen, deren Abwasserzuführung über das offene Kanalsystem erfolgte.
Startschuss 1992
Mit zunehmendem Ende des Steinkohlebergbaus haben sich die Bergsenkungen stark abgeschwächt, das Ruhrgebiet wandelte sich nun von einer stark belasteten Region in einen begrünten urbanen Lebensraum. Dieser Wandel in der Region spiegelt sich auch in der heutigen Aufgabe der Emschergenossenschaft wider. Ziel ist nun der naturnahe Umbau des Emscher-Systems und eine möglichst nachhaltige Wasserwirtschaft. Der Startschuss dafür fiel 1992.
Unterirdischer Abwasserkanal Emscher
Um die Emscher von den Abwässern zu befreien, wurde eine gigantische unterirdische Hauptschlagader errichtet, der Abwasserkanal Emscher (AKE). Er verläuft auf einer Länge von 51 Kilometern von Dortmund bis Dinslaken und unterfährt in einer Tiefe von bis zu 40 Metern Autobahnen, Straßen, den Rhein-Herne-Kanal, dessen Schleusen sowie Bahntrassen und Industriegebiete. Der Kanal benötigt ein Gefälle von 1,5 Promille und startet in Dortmund am ersten Schacht in 8 Metern Tiefe. Der Rohrdurchmesser des AKE erweitert sich sukzessive von 1,6 auf 2,8 Meter. Er besteht aus Stahlbetonrohren, die mittels Rohrvortriebsmaschinen vorgepresst und verlegt wurden. In seinem westlichen Abschnitt von Bottrop bis nach Oberhausen erfolgte seine Verlegung mit ineinandergefügten Betonelementen, sog. Tübbingen und wurde mit modernsten Tunnelbaumaschinen vorgetrieben. Würde das Gefälle einfach fortgesetzt mit 1,50 Metern je Kilometer, käme der Kanal am Ziel in Dinslaken in 80 Metern an, was erhebliche bautechnische Probleme und Kosten verursachen würde. Deshalb sind drei Groß-Pumpwerke in Gelsenkirchen, Bottrop und Oberhausen zwischengeschaltet, die das Abwasser punktuell wieder heben und den Klärwerken zuführen. Der Hauptkanal kann somit das Gefälle halten und ist trotzdem noch tief genug, um das rund 400 km lange, zuführende Seitenkanalsystem im freien Gefälle zufließen zu lassen.
Herzstück im Pumpenwerk: Hier kommt Leben in die Emscher
Die Pumpen befinden sich in unterirdischen Pumpwerksräumen und haben eine maximale Förderleistung von bis zu 16.500 l/Sekunde. Dabei können beim größten Abwasserpumpwerk in Oberhausen 10 Pumpen Abwässer mit je bis zu 2.060 l/Sekunde über 40 m nach oben fördern. Das Pumpwerk Oberhausen ist das Letzte der drei Pumpwerke, bevor der Abwasserkanal Emscher nach weiteren 3,2 km hochliegendem Kanal in das Klärwerk Emscher-Mündung (KLEM) in Dinslaken fließt. Etwa 7 km westlich des KLEM mündet die Emscher in den Rhein. Zur Bauzeit galt es als „die derzeit tiefste Baustelle im Ruhrgebiet“. Es ist mit 44 m Tiefe und 50 m Durchmesser das Größte der drei Pumpwerke und fungiert als Herzstück der „abwassertechnischen Hauptschlagader“ AKE.
Die Pumpen verfügen über Herzklappen, die für den Lebenserhalt sorgen – die Kupplungen. Sie trennen zwar keine Ströme, wohl aber den Antrieb bei plötzlich auftretenden Überlastungen. Diese Wächterfunktion ist unerlässlich, wenn Turbinen und Antriebswellen langfristig ohne Schaden bleiben sollen. Insbesondere bei solchen Abwasservolumen können große Fremdkörper wie Holzstücke enthalten sein. Kommen sie in die Laufräder der Pumpen, müssen gewaltige Kräfte in Millisekunden getrennt werden, bevor Totalschaden entsteht. Aber auch vermeintlich kleine Teile wie Toilettenpapier, Feuchtpapier oder Hygieneartikel können zu einer von Abwasserspezialisten gefürchteten „Zopfbildung“ führen und Pumpen lahmlegen.
Mechanik vor Elektronik
Christopher Monka ist der Senior Account Manager der R+W Antriebselemente GmbH aus Wörth am Main. Die R+W Sicherheitskupplungen sind ein Qualitätsbegriff in der Branche. Jede Kupplung wird individuell auf die jeweilige Antriebssituation abgestimmt und ist fein justierbar. Er betreut das Kupplungsprojekt Pumpwerk Oberhausen, Abwasserkanal Emscher und betont die Notwendigkeit des mechanischen Schutzes: „Die Pumpen dürfen nur bis zu einem bestimmten Drehmoment belastet werden. Kommt es nun zu einer plötzlichen Blockade, schützt die Kupplung die Pumpe, den Motor und den gesamten An- und Abtrieb vor einer Drehmomentüberlast. Dies geschieht mechanisch durch Tellerfedern, die eine axiale Kraft auf Kugeln ausüben. Die Kugel sitzt auf der Abtriebsseite in einem entsprechenden Passungssitz. Sobald die Tangentialkraft, die auf die Kugel wirkt, zu groß wird und die Tellerfeder sie nicht mehr im Kugelsitz halten kann, rutscht diese in das Sicherheitssegment. Die Kupplung löst die Verbindung und der Kraftfluss ist entkoppelt. Dies geschieht im Bereich von 10 bis 15 Millisekunden. Eine rein elektronische Überwachung des Motorstroms, mit Abschaltautomatik bei Überlast im Ernstfall, ist aufgrund der Trägheit der Masse und der gewaltigen kinetischen Energie ungeeignet, weil sie diese blitzartige Trennung der Antriebskräfte nicht erreicht. Sie benötigt allein schon für die Erkennung der Überlast 40 bis 60 Millisekunden. Erst dann erfolgt die Abschaltung des Motors, allerdings ohne Trennung der Kräfte vom Antriebsstrang. Abgesehen davon wird elektrischer Strom und eine exakte Programmierung für die Steuerung benötigt, was wiederum Risiken birgt, die die mechanischen Sicherheitskupplungen von R+W nicht betreffen.“
Vorteil Einstellbarkeit
Die präzise Einstellbarkeit der R+W Kupplungen hat laut Christopher Monka klare Vorteile: „Zur Auslösung der sofortigen Trennung nutzen andere Kupplungshersteller Abscherbolzen, die sich bei Auftreten einer definierten Kraft zerstören. Das von R+W favorisierte federvorgespannte Kugelrastprinzip hat demgegenüber den Vorteil, dass das Ausrückmoment der Kupplung auf einer Einstellbandbreite sehr genau definiert ist und die Verbindungsherstellung sofort nach dem Auslösen ohne Ersatzteile erfolgen kann. Die für das Pumpwerk Oberhausen verwendeten Sicherheitskupplungen sind in der Freischaltausführung, d. h. das Wiedereinrücken geschieht manuell, innerhalb von Minuten. Alles was man dafür benötigt, ist ein Gummihammer. Durch die besondere Bauweise sind die Kupplungen nahezu wartungs- und verschleißfrei und dennoch flexibel regelbar. Gerade zu Beginn einer Inbetriebnahme kann es notwendig sein, dass der optimale Einstellwert an die Praxisbedingungen angepasst werden muss. Diese Anfangssensibilität und Flexibilität macht sich aber auf lange Sicht für den Betreiber bezahlt. Werden nämlich zu Beginn einfach zu hohe Werte definiert, um Aussetzer zu vermeiden, geht dies auf Kosten der Lebensdauer von Pumpe, Motor und Antriebsstrang. Treten später dann dort Ausfälle auf, sind die Folgen schwerer als nur das Wiedereinrücken oder Anpassen einer Kupplung.“
Zuverlässige Komponenten
Die hohe Verlässlichkeit und das sichere mechanische Prinzip sprechen für die Sicherheitskupplungen von R+W im Rahmen des Abwasserkanal-Emscher-Projekts. Der Aspekt des einfachen und schnellen Wiedereinrückens war für die Planer des Pumpwerkes ebenso wichtig wie die Tatsache, dass keine Ersatzteile bevorratet werden müssen. Immerhin hat der Abwasserkanal Emscher einen Betriebshorizont von 100 Jahren.
Ein Modell, viele Bereiche
Im Pumpwerk Oberhausen kommen insgesamt zehn R+W Sicherheitskupplungen der industriellen Baureihe STR/25 zum Einsatz. Der Wellenzapfen misst 145 mm und verfügt über eine Passfeder zur Verbindung an die vertikal im Schacht verlaufende, fast 5 m lange Kardanwelle. Zwei der Kupplungen haben ein Ausrückmoment von 11.700 Nm, wobei die Kupplungen einstellbar sind von 9.000 bis 18.000 Nm. Die acht anderen Kupplungen haben ein Ausrückmoment von 16.000 Nm und einen Einstellbereich von 15.000 bis 25.000 Nm. Alle zehn Kupplungen sind vom Aufbau gleich, der Einstellbereich wird über die Anzahl der Segmente definiert. Das Kupplungsmodell STR/25 deckt die erhebliche Bandbreite von 9.000 bis 25.000 Nm Drehmoment ab. Obwohl die Dimensionen des Projektes Abwasserkanal Emscher beachtlich sind, zählen die Kupplungen mit einem Gewicht von je ca. 80 kg nicht zur Obergrenze der Machbarkeit bei R+W. Die größte dort jemals gebaute Kupplung wog über 20 Tonnen und hat einen Abschaltmoment von 20 Millionen Nm. Sie wird an einem Prüfstand für Windkraftanlagen benötigt.
Enorme Erfahrung
Für Christopher Monka zählt bei R+W die individuelle Projektbetreuung: „Wir klären zuerst die Grundparameter, wie z. B. die Einbausituation, Drehmoment, Drehzahlen, Einsatzbereich und natürlich auch die geometrischen Anforderungen wie Durchmesser des Wellenzapfens, der Antrieb, Art des Anbauflansches und Beschaffenheit der Abtriebseite. Idealerweise beraten wir bereits im Vorfeld bei der Planung, denn die vielfältigen Möglichkeiten, die wir als Kupplungshersteller mit Stammsitz und Produktionswerk in Deutschland haben, sind sehr hilfreich für Planer und Konstrukteure von Maschinen und Anlagen. International sind wir in rund 100 Ländern vertreten und ein Sicherheitskupplungshersteller, bei denen die Genauigkeit bei Bauart und Produktion vom TÜV zertifiziert und überwacht wird. Unser Portfolio umfasst verschiedenste Kupplungsarten. Es reicht von sehr kleinen bis ganz großen Kupplungen, die zum Teil unter härtesten Außenbedingungen z. B. extreme Temperaturen, Staub, Dampf oder Gas zum Einsatz kommen. Über 30 Jahre Erfahrung im Kupplungsbau helfen uns bei solch besonderen Anforderungen und wir stehen gerne mit Rat und Tat zur Seite.“
Plan geht auf
In der bereits ökologisch umgestalteten oberen Emscher haben sich zur Überraschung aller bereits wieder anspruchsvolle Fische wie Groppen angesiedelt. Sie sind ein Zeichen für die gute Wasserqualität. Ebenso wie Eisvögel, Prachtlibellen und Forellen. Die Artenvielfalt hat sich seit Anfang der neunziger Jahre verdreifacht. Ehemalige Klärwerke wurden zu Ruheoasen umgebaut und ein Radweg führt entlang eines nun malerischen Flüsschens. Menschen, Tiere und Pflanzen erobern sich den zerstörten Lebensraum dank einer einzigartigen Engineering-Leistung wieder zurück. Das Generationenprojekt macht Hoffnung und ist zugleich Ansporn für weitere Umwelt-Unternehmungen, an denen sich R+W mit Freude, Fachwissen und Technologie beteiligt.
Wer sich beruflich für Montage-, Reinigungs- oder Wartungsarbeiten in große Höhen begibt, vertraut sein Leben der Sicherungstechnik an. Sowohl Arbeitsgeber als auch Berufsgenossenschaften und Normierungsstellen setzen entsprechend strenge Vorgaben, um Gefahren aller Art auszuschließen. Ein Urgestein in der Sicherheitstechnik ist bekannt für qualitativ hochwertige Sicherheitsprodukte „Made in Germany“. Gemeinsam mit Sicherheitskupplungen aus Wörth am Main gelang nun eine bahnbrechende Innovation in der Höhenrettung.
Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich mit einem Kollegen auf einem Windrad in 140 m Höhe und führen Wartungsarbeiten durch. Sie stehen oben am Plateau und sichern Ihren Kollegen, der unterhalb der Nabe an einem Rotor arbeitet. Plötzlich wird die unten am Seil hängende Person ohnmächtig. Nun ist es an Ihnen, die etwa 90 kg schwere, hilflose Person möglichst schnell in einen geschützten Bereich zu bergen. Auf den Boden abseilen ist 140 Metern Höhe auf Anhieb unmöglich, deshalb müssen Sie ihn zunächst nach oben ziehen!
Verletzungsgefahr Kraftquelle
Für solche Notfälle gibt es bereits seit rund 40 Jahren sogenannte Rettungshubgeräte. Die Bedienung dieser Geräte ist allerdings mühsam und langwierig, denn sie erfolgt in der Regel über eine Hubratsche ähnlich derer, wie man sie aus dem Werkzeugkasten kennt.
Motorgetriebenen Antrieben, die sich aufsetzen lassen, ist bisher die Zulassung versagt worden.
Laut Prüfstelle sind sie eine unkontrollierte Kraftquelle. Denn wenn was passiert, wenn sich der zu rettende Mensch bei der Bergung verhakt, das Bergungspersonal dies nicht bemerkt und ein eingeklemmtes Gliemaß aufgrund der hohen Kraftübertragung abgerissen wird? Dieser Fall darf unter keinen Umständen eintreten, er würde die Notsituation des Unfallopfers selbstverständlich dramatisch verschlechtern. Des Weiteren entsteht mit der direkten Verbindung von Antrieb und Winde aus Sicht der Behörden eine Funktionseinheit, die gesamtheitlich zu zertifizieren ist.
Dem Geschäftsführer von Mittelmann Sicherheitstechnik, Guido Rogge und seinem Entwicklungsteam ließ dieser Zustand keine Ruhe. Sollte jemand tatsächlich in großer Höhe hilflos in seinem Auffanggurt hängen, zählt jede Minute und körperliche Kraftreserven sind mit Bedacht einzusetzen. Außerdem führt heutzutage jedes Montageteam einen leistungsstarken Akkuschrauber mit sich. Dieser ist im Prinzip als Antrieb ideal, wenn da nicht die beschriebene Verletzungsgefahr durch unkontrollierte Kräfte wäre. Es musste eine kontrollierte Trennung zwischen Antrieb und Winde her, auch um jedweden Akkuschrauber verwenden zu können, ohne für das jeweilige Modell ein aufwendiges Zertifizierungsprozedere durchlaufen zu müssen.
Hier kam nun die Idee bei Mittelmann auf, einen Drehmomentbegrenzer in das Rettungshubgerät zu integrieren: „Der Drehmomentbegrenzer ist gleichbedeutend einem Zugkraftbegrenzer, einem Überlastfilter oder einer Überlastkupplung“, schildert Rogge die Lösungsfindung. „Wir hatten als Drehmomentbegrenzer zunächst ein Gerät eingesetzt, das nur mit Reibung arbeitet, in Form von zwei ineinandergesteckten Konen. Dadurch erzielten wir zwar die gewünschte Begrenzung des Drehmoments, aber die Variante hatte einen gravierenden Nachteil: Sie arbeitete still und leise. Im Überlastungsfall rutschen die Konen ganz langsam und immer mehr durch. Der Anwender bemerkt dies somit gar nicht oder erst, wenn es bereits zu spät ist. Ergo nutzen wir diesen Anbieter nur noch sehr eingeschränkt und haben uns auf dem Kupplungsmarkt weiter umgesehen. Dabei fiel uns das ebenfalls in Deutschland ansässige Unternehmen R+W mit seinen Sicherheitskupplungen auf. Dort trafen wir endlich auf die für uns optimale Kupplungslösung, die bei Überlast sowohl akustisch als auch optisch sofort wahrnehmbar ist. Damit war für uns der Weg zur Zertifizierung und Patentanmeldung geebnet.“
Die richtige Kupplung ist wichtig
Christopher Monka, Senior Account Manager bei R+W, betreut die Mittelmann Sicherheitstechnik und erläutert das Funktionsprinzip seiner Kupplung: „Wir haben die ESL-Sicherheitskupplung empfohlen, weil sie präzise, robust und rein mechanisch funktioniert. Zum Tragen kommt hier das durchrastende Kugelprinzip. Dabei liegen zwei Bahnen mit gehärteten Kugeln versetzt übereinander. Diese werden von Tellerfedern mit einer vorher definierten Kraft ineinander gedrückt. Wird diese Kraft überschritten, kommt es zum Durchrasten, was sich durch ein lautstarkes Klackern der übereinander rutschenden Kugeln bemerkbar macht. Naturgemäß geht damit eine Vibration einher. Je höher die Drehzahl der Kraftquelle, desto heftiger ist die Vibration, bis der angesetzte Motorantrieb (Akkuschrauber) schließlich ausgeworfen wird. Eben diese Effekte sind bei Mittelmann erwünscht, weshalb auch auf den für das Kupplungsmodell normalerweise üblichen Elastomerkranz verzichtet wurde.“
„Wir sehen drei ganz wesentliche Vorteile, die uns die ESL-Sicherheitskupplung von R+W für unser Rettungshubgerät bietet“, fasst Rogge zusammen: „Der erste Vorteil ist die deutliche Geräuschkulisse, die bei Überlast entsteht und die einem unüberhörbaren Alarm gleichkommt. Der zweite Vorteil ist das digitale Schalten der Kupplung. Entweder sie transportiert oder sie rastet durch. Ein über längere Zeit auftretendes Schleifen, dass letztendlich zum stillen Versagen führt, kann gar nicht auftreten. An dritter Stelle steht für uns das Vibrationsverhalten, welches im Ernstfall den Antrieb auswirft.“
„Ich vergleiche die Sicherheitsvorteile für uns gerne mit dem Stick shaker im Flugzeugcockpit, als Warneinrichtung bei unzulässigen Flugmanövern. Ein eindeutiges Warnsignal, das vom Bedienenden unmöglich ignoriert werden kann. Diese Eindeutigkeit und die zuverlässige Trennung zwischen einer beliebigen Kraftquelle und Rettungshubgerät macht die zuverlässige Nutzung für wenig geübte Anwender auch unter sehr schwierigen Bedingungen erst möglich. Denn egal wie stark die Kraftquelle ist – es ist stets sichergestellt, dass in das sensible System nur eine Kraft bis zu einer definierten Grenze eingeleitet wird. In unserem Fall sind dies 10 Nm. Damit sind wir weit ab von einer Gefahr für Mensch, Gerät, Seil oder Tragegurt. Die Sicherheitskupplung schützt Mensch und Ausrüstung vor unzulässigen Drehmomenten und stellt die gefahrlose Bedienung in einer Stresssituation sicher“, ergänzt Monka.
“Höhenrettung ist eine sensible, oft komplizierte und individuelle Sache. Die Bedienung gebräuchlicher Rettungshubgeräte ist für den Retter allerdings mühsam und langwierig, denn sie erfolgt in der Regel über eine manuelle Hubratsche. Motogetriebene Geräte, die sich aufsetzen lassen, sind viel einfacher und unkomplizierter, aber ihnen ist bisher die Zulassung untersagt worden. Im neuen (motorgetriebenen) Rettungshubgerät kommt eine weiterentwickelte Sicherheitskupplung zum Einsatz. Damit haben wir nun ein zertifiziertes (!) Höhenrettungsgerät mit Motorantrieb.“
Guido Rogge, Geschäftsführer
Mittelmann Sicherheitstechnik GmbH & Co. KG
in Velbert
Absolutes Novum
Die bei Mittelmann Sicherheitstechnik verwendete R+W-Kupplung ist eine Sonderkupplung auf Basis der ESL-Serie. Sie fällt kleiner aus als das Serienmodell, verfügt über keinen Elastomerkranz für Wellenversätze und wurde speziell angepasst auf die Anforderungen des Rettungshubgerätes als Überlastschutz für die manntragende Winde mit Fremdmaschinenantrieb. Als solches stellt das Gerät ein absolutes Novum dar und wird bei Mittelmann unter dem Namen MaxDrive und UniDrive angeboten. Diese fungieren sowohl als Abseil- als auch als Rettungshub- und Arbeitsgerät. Die Übersetzung und das Getriebe mit der Sicherheitskupplung befinden sich in einem Gehäuse an der Winde unter einer Art Glocke, die als Handrad dient. Zentrisch an diesem Handrad ist auf der Achse ein Innenvierkant eingelassen, in den ein handelsüblicher Bit mit Akkuschrauber als Motorantrieb aufgesetzt wird. Auf diese Weise lassen sich Hubhöhen bis 200 Meter erreichen mit Hublasten bis 200 kg. Auf der Gegenseite der Winde kann der Bediener zusätzlich die klassische Hubratsche angesetzen, sie erlaubt eine Hublast bis 280 kg. Die maximale Abseilhöhe geht bis 300 m bei einer Absinkgeschwindigkeit von 0,7 m/s.
Gelungener Innovationssprung
Dass dieses neuartige universelle Rettungsgerät mit jedem Motorantrieb betrieben werden darf und zertifiziert wurde, ist unter anderem der ideal angepassten Sicherheitskupplung von R+W zu verdanken. Die Zertifizierung ist sowohl als Rettungsgerät nach EN 1496:2017/B als auch als Ab-seilgerät nach EN 341:2011/1A / ANSI/ASSE Z359.4-2013 sowie als Arbeitsgerät nach Maschinenrichtlinie 2006/42/EG erfolgt. Mittelmann Sicherheitstechnik erreichte mit der R+W Sicherheits-kupplung eine echte Innovation, die im Ernstfall äußerst praktisch und zuverlässig ist, bei der Rettung von Menschenleben aus großer Höhe.