Flexibles Scheibenkupplungsdesign: Scheibenpaketgeometrie, Naben und Anwendungspassung

Bei demselben 250-kW-Kompressor fielen innerhalb von vierzehn Monaten drei Lamellenpakete aus, und jedes Mal tauschte das Wartungsteam die Kupplung aus. Die Ursache war ein axiales Wachstum von 0,9 mm, mit dem niemand gerechnet hatte. Nach der Ausrichtung hatte das Paket weniger als 0,5 mm axiale Kapazität übrig, so dass die rostfreien Lamellen bei jedem Heißstart etwas näher an ihre Ermüdungsgrenze kamen.

Diese Geschichte enthält die Schlussfolgerung. Bei der Konstruktion einer flexiblen Scheibenkupplung handelt es sich nicht um eine Drehmomentberechnung mit einer Fußnote zur Fehlausrichtung. Es geht um die Suche nach dem schmalen Bereich, in dem die Kupplung steif genug ist, um Drehmoment ohne Aufdrehen oder Spiel zu übertragen, und flexibel genug, dass die Kräfte, die sie in die Lager, die Bolzen und die eigenen Bleche zurückleitet, innerhalb ihrer Ermüdungsgrenzen bleiben. Design und Auswahl sind das gleiche Problem, wenn man es von den entgegengesetzten Enden eines Angebots aus betrachtet.

Wie ein Lamellenpaket Drehmoment überträgt

Ein Lamellenpaket ist ein Stapel dünner Edelstahlbleche, typischerweise 0,2 mm bis 0,5 mm dick, gestanzt mit sechs bis zwölf Gliedern, die um den Lochkreis herum angeordnet sind. Jedes Blatt wird abwechselnd mit Passschrauben an den beiden Naben befestigt, sodass das Drehmoment über die Verbindungen als Zug auf der einen Seite der Kupplung und als Druck auf der anderen Seite übertragen wird. Eine Fehlausrichtung wird nur durch die Biegung der Bleche ausgeglichen. Nichts gleitet, nichts ist geschmiert und nichts ist aus Gummi.

Diese einzige Tatsache erklärt den gesamten Charakter des Designs: kein Spiel, keine Verschleißflächen, kein Elastomer, das altern oder aushärten kann, und eine Temperaturobergrenze, die durch die Naben und nicht durch das flexible Element festgelegt wird. Es erklärt auch die Schwäche. Eine Kupplung ohne Gleitschnittstelle und fast ohne Dämpfung hat nur eine sehr geringe Fähigkeit, Energie abzuleiten, sodass die Verbindungen unabhängig von der Belastung bei jeder Umdrehung und über die gesamte Lebensdauer der Maschine hinweg belastet werden.

Das Linkprofil ist die erste echte Designentscheidung. Ein gerades Verbindungsstück konzentriert die Biegespannung um die Schraubenlöcher herum. Ein gewelltes oder tailliertes Glied verteilt die Krümmung über seine Länge: Die Flexibilität steigt, die Spitzenspannung am Loch sinkt und die Reaktionskraft, die das Paket bei einer bestimmten Fehlausrichtung in die Lager zurückdrückt, sinkt damit. Der Preis ist die Drehmomentdichte, denn ein gewelltes Blech trägt pro Millimeter Breite weniger Drehmoment als ein gerades, und das Paket muss dieses mit mehr Lagen, mehr Schrauben oder mehr Durchmesser wiederherstellen. Blechdicke, Lagenanzahl, Laschenbreite und Schraubenanzahl sind die vier Variablen, die darüber entscheiden, was die fertige Kupplung leisten kann.

Einzelscheibe oder Doppelscheibe: Eine Fehlausrichtungsentscheidung

Sobald das Paket definiert ist, stellt sich die Frage, wie viele Pakete die Kopplung benötigt. Bei einer Einscheiben-Einheit wird eine Packung zwischen zwei Naben platziert. Es bewältigt Winkel- und Axialverschiebungen komfortabel und Parallelversätze schlecht, was für kurze, direkt gekoppelte Antriebe geeignet ist: Servoachsen, kleine Pumpen und Prüfstände, bei denen beide Wellen bereits auf wenige Hundertstel Millimeter genau sitzen.

Bei einer Doppelscheibenkupplung wird ein Abstandshalter zwischen zwei Packungen eingefügt. Der Abstandshalter wandelt an jedem Paket einen Parallelversatz in einen Winkelversatz um, wodurch ein Motor und ein Getriebe auf separaten Grundplatten verbunden werden können, ohne dass sie miteinander in Konflikt geraten. Die Distanzstücklänge wird dann zu einer echten Designvariablen: Sie bestimmt, wie viel Parallelversatz die Kupplung aufnehmen kann, wie viel sie wiegt und wie stark sich ihre Eigenmasse und ihr Biegeverhalten auf den Antriebsstrang auswirken.

Kompakte Doppelscheibenkonstruktionen mit kurzen Distanzstücken und Klemmnaben sind dort üblich, wo die Hüllkurve eng ist, aber dennoch ein Parallelversatz aufgefangen werden muss, wie etwa bei Werkzeugmaschinen- und CNC-Antrieben.

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Steifigkeitsverhältnisse, Reaktionskräfte und die Lagerrechnung

Das Drehmoment entscheidet darüber, ob die Kupplung überlebt. Die Steifheit entscheidet darüber, ob alles um sie herum überlebt. Nehmen Sie den axialen Fall, der in der Angebotsphase am häufigsten ignoriert wird. Angenommen, die von Ihnen benötigte Kupplung hat eine axiale Steifigkeit von etwa 250 N/mm, ein realistischer Wert für ein mittelgroßes Lamellenpaket, und die Welle wächst zwischen Kaltstart und Volllast um 0,8 mm. Zusätzlich zur normalen Lagerlast drückt das Paket kontinuierlich etwa 200 N zurück in das Lager. Bei einem kleinen Motor reicht dies aus, um die Lagerlebensdauer von Jahren auf Monate zu verkürzen, und keine Drehmomentberechnung wird dies jemals aufdecken.

Die Torsionssteifigkeit wirkt in die entgegengesetzte Richtung. Sie wird in Nm pro Bogenmaß oder pro Grad angegeben und je höher sie ist, desto genauer folgt die angetriebene Welle dem Motor. Bei Positionierachsen ist eine hohe Drehsteifigkeit bei gleichzeitiger Spielfreiheit der Grund, warum man sich überhaupt für eine Lamellenkupplung entscheidet. Bei einem Antriebsstrang, der beim Hochlauf eine Torsionsresonanz durchlaufen muss, ist dieselbe Steifigkeit ein Risiko, und eine geringe Dämpfung macht die Spitze schärfer. Wenn es sich bei der Anwendung um große Motoren, hin- und hergehende Lasten oder einen Betrieb mit variabler Drehzahl handelt, gehört die Kupplungssteifigkeit in das Torsionsmodell und nicht in eine Fußnote.

Die praktische Regel: Fragen Sie den Lieferanten im Angebot nach den Werten für die Torsions-, Axial- und Radialsteifigkeit, nicht nur nach dem Drehmoment und der Bohrungsgröße. Eine Lagerbelastung oder eine Resonanz können Sie nicht allein mit einem Drehmomentwert überprüfen.

Schrauben, Balance und die Geschwindigkeitsobergrenze

Die Schraubverbindung ist der Teil der Konstruktion, den die Praxiserfahrung zuerst bestraft. Passschrauben werden in Passlöchern auf ein kontrolliertes Spiel geschliffen, so dass das Drehmoment vom Schraubenschaft durch Scherung und nicht durch Reibung zwischen den Lamellen übertragen wird. Das bedeutet, dass die Passformklasse und auch die Verschlussmethode von Bedeutung sind, da eine gelöste Schraube die Lastverteilung auf den gesamten Rucksack mit einem einzigen Start verändert.

Geschwindigkeit ist die andere Obergrenze und sie ist nicht linear. Die verbleibende Unwuchtkraft wächst mit dem Quadrat der Drehzahl: Etwa 1 g-mm Unwucht erzeugt eine Rotationskraft von etwa 1,1 N bei 10.000 U/min und etwa 4,4 N bei 20.000 U/min. Die Qualität des Gleichgewichts folgt der gleichen Logik. Allgemeine Industrieantriebe sind in der Regel bei G6,3 akzeptabel, Hochgeschwindigkeits- und Werkzeugmaschinenantriebe erfordern normalerweise G2,5, und sehr hohe Geschwindigkeiten oder sehr leichte Rotoren benötigen möglicherweise G1. Oberhalb der Nenndrehzahl der Kupplung hilft kein noch so großes Auswuchten, da die Grenze durch die Zentrifugalspannung im Lamellenpaket selbst entsteht. Liegt der Betriebspunkt nahe dieser Obergrenze, ist ein speziell angefertigtes Hochgeschwindigkeitsdesign die einzig sinnvolle Lösung.

Materialien: Edelstahlpakete, Stahl- oder Aluminiumnaben

Das Lamellenpaket besteht fast immer aus austenitischem Edelstahl, wobei 301 und 302 aufgrund ihrer Kombination aus Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit die häufigste Wahl sind. Ausscheidungshärtende Sorten wie 17-4 PH kommen dort zum Einsatz, wo eine höhere Festigkeit oder eine höhere Temperaturbeständigkeit erforderlich ist. Im Mittelpunkt steht die Wahl des Materials nach der Anwendung. Naben aus Aluminiumlegierung in 6061 oder 7075 halten die Trägheit niedrig, was bei Servoachsen wichtig ist, bei denen jedes Gramm rotierender Masse zur Motordimensionierung beiträgt. Stahlnaben aus 1045 oder einer legierten Güteklasse, oft mit schwarzer Oxidbehandlung, dominieren bei schweren Industrie- und Langstreckenantrieben, und rostfreie Naben werden dort eingesetzt, wo Nass- oder Meeresatmosphäre herrscht.

Die Verbindung zwischen Nabe und Welle verdient mehr Aufmerksamkeit als normalerweise. Eine Keilverbindung führt zu einem Spiel, das kein spielfreies Lamellenpaket ausgleichen kann. Daher sind Klemmnaben und schlüssellose Verriegelungsanordnungen die normale Spezifikation für Positionierungs- und Hochrückwärtsantriebe. Die Umgebung und nicht die Belastung entscheidet über die Oberflächenbehandlung: Schwärzen für leicht korrosive Zimmerpflanzen, rostfreie oder plattierte Hardware für den Einsatz im Freien und auf See.

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Standorttoleranzen: Wo ein gutes Design zu einer schlechten Installation wird

Die Ausrichtung vor Ort führt häufiger als jede andere Einzelursache dazu, dass ein korrekter Entwurf zu einer falschen Installation führt. Übliche Ziele für eine Lamellenkupplung sind ein Winkelfehler unter 0,5 Grad und eine axiale Einstellung innerhalb von 0,5 bis 1,5 mm, aber diese Zahlen gehören zur jeweiligen Größe und Packung und sollten daher eher aus dem Datenblatt des Lieferanten als aus Gewohnheit stammen. Die Ausrichtung sollte im kalten Zustand überprüft und, wenn die Maschine heiß läuft, erneut bei Betriebstemperatur überprüft werden, da eine Welle, die in einer Spanne von 100 mm um 2 mm wächst, das gesamte axiale Spiel einer auf der Werkbank perfekt ausgerichteten Kupplung aufbrauchen kann.

Zwei Gewohnheiten verursachen unverhältnismäßigen Schaden. Die erste besteht darin, mithilfe der Kupplungsbolzen zwei Wellen zusammenzuziehen, wodurch das Paket axial vorgespannt wird, bevor die Maschine überhaupt gestartet ist. Die zweite besteht darin, nur den Winkelfehler zu messen und den Parallelversatz bei einer Doppelscheibeneinheit zu ignorieren, wo der Abstandshalter ihn in einen Winkelversatz an beiden Paketen vergrößert. Bei Konstruktionen mit Ausfallenden-Abstandshaltern muss der Abstandshalter außerdem während der Montage abgestützt werden, damit sein Gewicht die Packungen nicht verbiegt, bevor die Schrauben festgezogen werden.

Fehlermodi, gegen die es sich zu entwickeln lohnt

Die meisten Betriebsausfälle lassen sich auf eine kleine Anzahl erkennbarer Muster zurückführen:

• Ermüdungsrisse, die von den Schraubenlöchern in den Scheibengliedern ausgehen, sind fast immer die Folge einer anhaltenden Fehlausrichtung über dem Nennwert und nicht einer Überlastung.
• Reibverschleiß und Lochdehnung, verursacht durch Mikrobewegung an einer Verbindung, deren Vorspannung verloren gegangen ist.
• Lockere oder fehlende Sicherungsmuttern nach einem Umbau, wodurch die Last auf die verbleibenden Schrauben verteilt wird.
• Schlupf der Nabenbohrung auf der Welle, aufgrund einer falschen Passung oder einer Passfederverbindung, die als fest genug angenommen wurde.
• Korrosionslochfraß oder Spannungsrisskorrosion in Washdown-, Küsten- oder chemischen Atmosphären.
• Torsionsresonanz, angeregt durch Drehmomentwelligkeit mit doppelter Netzfrequenz, Schaufeldurchlauffrequenzen oder Zahneingriffsfrequenzen, wobei die Kupplungssteifigkeit nie in das Antriebsstrangmodell eingegeben wurde.

Eine praktische Auswahlsequenz

Eine praktikable Vorgehensweise, unabhängig davon, ob Sie eine Kupplung entwerfen oder kaufen:

1. Berechnen Sie das Dauerdrehmoment aus Leistung und Drehzahl: Drehmoment in Nm entspricht 9550 mal Leistung in kW geteilt durch Drehzahl in U/min.
2. Wenden Sie einen Betriebsfaktor an, der die angetriebene Maschine widerspiegelt, typischerweise 1,5 bis 2 für gleichmäßige Lasten und 2,5 oder mehr für hin- und hergehenden oder starken Stoßbetrieb.
3. Überprüfen Sie die Anlauf-, Brems- und Stillstandsdrehmomente anhand der Spitzenwerte, nicht anhand der Dauerwerte.
4. Legen Sie die Betriebsgeschwindigkeit fest und wählen Sie dann die Auswuchtstufe, die die Geschwindigkeit tatsächlich erfordert.
5. Stellen Sie die tatsächliche Fehlausrichtung fest: Winkel, parallel und axial, kalt und warm, einschließlich Fertigungstoleranzen zwischen den beiden Maschinen.
6. Wandeln Sie die Fehlausrichtung mithilfe der Kupplungssteifigkeit in eine Reaktionskraft um und addieren Sie diese zur Lagerlast.
7. Bestätigen Sie Bohrung, Nabentyp, Keilnut- oder Klemmverbindung, Distanzstücklänge und den verfügbaren Bauraum.
8. Bestätigen Sie die Umgebung: Temperatur, Feuchtigkeit, Chemikalien und Waschhäufigkeit.

Was in die Anfrage gehört

Ein Lieferant, der nur nach Bohrung und Drehmoment fragt, hat Ihren Antrieb nicht verstanden und das zurückkommende Angebot ist eher eine Katalognummer als eine Lösung. Senden Sie Dauer- und Spitzendrehmoment, Drehzahl und Arbeitszyklus, alle drei Fehlausrichtungskomponenten, Umgebungs- und Betriebstemperatur, Korrosionseinwirkung, verfügbare Hüllkurve, Bohrungs- und Verbindungstyp sowie den Auswuchtgrad, wenn die Drehzahl hoch ist. Diese acht Elemente machen den Unterschied zwischen einer Kupplung, die lautlos die Lager daneben überdauert, und einer Kupplung, die zu einem planmäßigen Verschleißteil wird.

Wenn im selben Werk mehrere Kupplungstypen im Einsatz sind, von Servo-Membraneinheiten bis hin zu schweren Zahnkupplungen, ist eine allgemeine Auswahlreferenz für DIN-Kupplungstypen und -Normen eine sinnvolle Ergänzung zu einem Einzelangebot, da der Vergleich zwischen den in Frage kommenden Konstruktionen konkret statt verbal erfolgt.

DIN-Kupplungstypen, Normen und Auswahlhilfe