Spielfreie Lamellenpaketkupplung gleicht Wellenversatz aus

Bei einem Formel-1-(F1-)Fahrsimulator des britischen Unternehmens Ball Racing Developments (BRD) sitzt der Fahrer in einem Original-F1-Rennwagen und fährt eine fiktive Strecke ab, die er vor sich auf Flachbildschirmen sieht. Wie bei einer realen Autofahrt wirken dabei auf den Fahrer Kräfte, wenn er beschleunigt, bremst oder Kurven fährt.

Um Fliehkräfte wie beim Kurvenfahren zu erzeugen, wird das Fahrzeug im Bereich der beiden Achsen schnell nach links beziehungsweise rechts bewegt. Bewegt man das Fahrzeug entlang der Längsachse nach vorne oder zurück, wird der Fahrer wie bei wirklichen Brems- und Beschleunigungsvorgängen in den Sitz beziehungsweise gegen den Sicherheitsgurt gedrückt.

Spindelantriebe sorgen für Links-rechts-Bewegung

Die Links-rechts-Bewegung im Bereich der Fahrzeugachsen erfolgt über Spindeln, die über Zahnriemen von Servomotoren angetrieben werden. Das Verschieben entlang der Längsachse übernimmt eine direkt angetriebene Spindelachse.

Zwischen Servomotor und Spindel sitzt eine spielfreie drehsteife Lamellenpaketkupplung der Baureihe Roba-DS von Mayr Antriebstechnik. Sie gleicht winkligen und axialen Wellenversatz aus – verursacht beispielsweise durch Wärmedehnungen.

Die in Eingelenkausführung eingesetzte Roba-DS-Servokupplung ist kompakt und hat ein geringes Massenträgheitsmoment. Deshalb ist sie – wie in vielen anderen Anwendungen der Servotechnik – auch dort die ideale Besetzung.

Wellenkupplungen sind drehsteif, aber biegenachgiebig

Die Wellenkupplungen Roba-DS sind drehsteif, aber biegenachgiebig und gleichen axialen, winkligen und radialen Wellenversatz aus. Ihr Einsatzbereich wächst ständig, weil Größen und Varianten erweitert werden. Die für die Servotechnik konzipierte Baureihe deckt mit den Größen 3, 6, 10 und 15 im Durchmesserbereich 45 bis 79 mm Drehmomente von 35 bis 150 Nm ab. Kennzeichnende Merkmale sind dabei eine geringe Massenträgheit, bedingt durch die kompakte Bauform und weil statt Stahl Aluminium verwendet wird.

Auch bei den großen Roba-DS-Ganzstahlkupplungen wächst die Baureihe kontinuierlich. Aktuell werden sie in 12 verschiedenen Größen für Nennmomente von 300 bis 24000 Nm angeboten. Außerdem gibt es für die Baugrößen 16 bis 160 ein alternatives, verstärktes Lamellenpaket, das die Leistungsdichte der Kupplung weiter anhebt. Abhängig vom Anwendungsfall können also wahlweise Pakete mit hoher Verlagerungsfähigkeit oder hoher Leistungsdichte ausgewählt und eingesetzt werden.

Spannringnabe für große Bohrungen für höhere Leistungsdichte der Kupplung

Um der gesteigerten Leistungsdichte der Kupplung gerecht zu werden, wurde die normale Spannringnabe durch eine Spannringnabe für große Bohrungen ergänzt. Bei ihr ist der Außendurchmesser des verwendeten Spannrings so weit wie möglich vergrößert. So konnten die reibschlüssig übertragbaren Drehmomente erheblich angehoben werden.

Zwischenhülsen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) lassen hohe Drehzahlen auch bei langen Kupplungen zu. Im Vergleich zu Stahlhülsen haben die CFK-Varianten eine wesentlich höhere biegekritische Drehzahl. Außerdem sind die CFK-Hülsen bis zu 80% leichter. Diese Eigenschaft wird besonders bei großen Baureihen und bei langen Hülsen geschätzt. Ein weiterer Vorteil des Kunststoffs ist die damit verbundene Korrosionsbeständigkeit.

Glasfaserverstärkte Kunststoffe isolieren zusätzlich gegen Strom

Wird eine zusätzliche Isolation wegen vorhandener Kriechströme oder Stromdurchschlägen gefordert, werden glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) verwendet. Die erreichbaren biegekritischen Drehzahlen müssen dadurch leicht reduziert werden. Die Vorteile hinsichtlich Masse und Korrosionsbeständigkeit bleiben erhalten.

Federstahl-Lamellenkupplungen gelten als robust und zuverlässig. Sie sind prädestiniert für Einsatzbereiche unter extremen Umgebungsbedingungen. Ihre Temperaturfestigkeit und Leistungsdichte wird von den wenigsten anderen Wellenkupplungen erreicht. Bei richtiger Dimensionierung und Handhabung haben sie eine fast unbegrenzte Lebensdauer.

Federstahl-Lamellenkupplungen sind verschleiß- und wartungsfrei und übertragen Drehmomente mit sehr hoher Drehsteifigkeit. Viele auf dem Markt verfügbare Federstahl-Lamellenkupplungen übertragen das im Katalog definierte Nennmoment nur anteilig (50 bis 80%) über Reibschluss. Der Rest wird formschlüssig über Passschrauben übertragen.

Durch Belastungen oberhalb des spielfreien Reibschlussmoments entstehen kleinste Verschiebungen im Bereich der Lamellenpaketanbindung. Daraus resultieren diverse Nachteile. Abhängig von Belastungshöhe und Belastungsrichtung verändern sich die Positionen der Einzelteile. Das führt zu einem instabilen Wuchtzustand der Kupplung.

Schraubenvorspannkraft sinkt wegen ständiger Bewegung

Durch die ständige Relativbewegung im Bereich der Lamellenpaketverschraubung fällt die Schraubenvorspannkraft ab. Die von der Schraube aufzunehmende Biegekomponente steigt. Schraubenbruch aufgrund zu hoher Betriebskräfte ist die Folge.

Um diese Nachteile zu vermeiden, müssen von den Herstellern solcher Kupplungen entsprechende Einschränkungen hinsichtlich Wechselmomente oder anzuwendender Betriebsfaktoren gemacht werden. Alles in allem muss trotz sehr hoher Katalogangaben häufig eine Kupplung der nächsten oder übernächsten Baugröße ausgewählt werden.

Lamellenkupplungen bieten hohe Leistungsdichte und absolute Spielfreiheit

Bei der Entwicklung der Roba-DS-Ganzstahlkupplungen der Größen 16 bis 2200 ist man deshalb einen anderen, eher untypischen Weg gegangen. Um gleichzeitig hohe Leistungsdichte mit absoluter Spielfreiheit zu vereinen, werden die Lamellen im Bereich der Einspannung durch ein besonderes Strahlverfahren behandelt. Zur weiteren spielfreien Drehmomentübertragung vom Lamellenpaket auf Naben beziehungsweise Zwischenteil werden dafür geformte Bundbuchsen genutzt, die durch die zur Verfügung stehenden Schraubenvorspannkräfte eine absolut spielfreie Anbindung an die Naben versprechen.

Somit konnte spielfreier Kraftfluss mit hoher Kraftflussdichte zwischen An- und Abtrieb einer Wellenkupplung geschaffen werden. Dabei wurden vergleichsweise kleine Schrauben eingesetzt, eine Einschränkung der Verlagerungsfähigkeit aufgrund kurzer freier Biegelängen konnte vermieden werden. Die im Katalog definierten Nennmomente sind ohne jegliche Einschränkung nutzbar, eine Reduzierung aufgrund Verlagerung, Lastkollektiv oder Wuchtanforderung ist nicht notwendig.

Jeder Antrieb hat seine besonderen Eigenheiten und stellt ganz unterschiedliche Anforderungen an die Kupplungen, die das Drehmoment übertragen und eventuell auftretenden Wellenversatz ausgleichen. Bei hochtourigen, dynamischen oder reversierenden Antrieben sind meistens nur spielfreie Kupplungen in der Lage, die Anforderungen zu erfüllen.

Dipl.-Ing. (FH) Johann Huber ist Entwickler bei der Chr. Mayr GmbH + Co. KG in 87665 Mauerstetten.