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Oren Eliott
 

DIE AUSWAHL UND SPEZIFIKATION EINER WELLENKUPPLUNG

Das austarieren von Anforderungen und Kundenwünsche, auf der einen, mit den Fähigkeiten der vorhandenen Kupplungen, auf der anderen Seite, erfordert die Berücksichtigung einer großen Anzahl von Faktoren.

Wenn man eine Wellenkupplung auswählt, dann muss man eine beinahe verwirrend große Zahl an Faktoren berücksichtigen, die noch dazu miteinander in Verbindung stehen und sich gegenseitig beeinflussen. Ein Beispiel: Ein Techniker würde gerne eine Kupplung konstruieren, die Torsionsvibrationen abdämpft. Allerdings verursacht das Erreichen dieses Ziels unweigerlich, dass dieselbe Kupplung eine geringere Torsionssteifigkeit aufweisen wird. Darüber hinaus üben Kupplungen mit elastomerischen Bauteilen (welche die gewünschte Torsionaldämpfung gut erzielen würden) starke Reaktionskräfte auf Stützlager aus, wenn sie gezwungen sind großen Radialversatz auszugleichen. Der Techniker wird deshalb abwägen müssen, welche Aspekte er in der Anwendung Priorität zuspricht und könnte sogar gezwungen sein, einem oder mehreren Faktoren nur in Form eines Kompromisses Geltung zu verschaffen.

Allgemein gesprochen, wird der Techniker folgende Entscheidungen treffen, wenn er Ihre Wellenkupplung entwirft und konstruiert:

Kupplungsmodell: Der Techniker wird den allgemeinen Kupplungstyp auf der Basis seiner jeweiligen Stärken und Schwächen auswählen. Er wird auch auf der Basis der allgemeinen Anforderungen seines Parametersystems (und seiner Parameterabwägung) entscheiden müssen.

Die Größe der Kupplung: wird vor allem von der Wellengröße und den Drehmomentanforderungen bestimmt. Allerdings sind auch Versatzausgleich, Drehträgheit und Kosten bedeutende Faktoren.

Das Material: beeinflusst die Drehmomenteinstufung, das Gewicht, die Kosten etc. der Kupplung.

Bohrungsoptionen und Wellenanschlussoptionen: Bohrungsauswahl ist normalerweise determiniert durch die involvierten Achsen/Wellen. Die Anschlussoptionen erfordern vom Techniker das austarieren von Kostenfaktoren und Wartungsfreundlichkeit.

Andere Faktoren werden fallspezifische Herausforderungen darstellen, wie zum Beispiel das dynamische Gleichgewicht der Kupplung bei einer hohen Drehzahl.

In jedem Fall muss der Techniker die Kosten der Kupplung mit den gewünschten Leistungsanforderungen und ihrer Lebenserwartung vereinbaren. Dabei spielt wiederum die projektspezifische Gewichtung der verschiedenen Leistungskriterien eine große Rolle.

DAS KUPPLUNGSMODELL:

In manchen Situationen wird es klar sein, welches Kupplungsmodell benötigt wird. Zum Beispiel, wird bei geringem Versatz eine biegesteife Kupplung die kostengünstigste und verlässlichste Option darstellen. Wenn Torsionsdämpfung das primäre Ziel ist, dann sollte selbstverständlich eine Klauenkupplung gewählt werden. Aber in den meisten Situationen wird der Techniker die Systemanforderungen so konfigurieren müssen, dass er viele verschiedene Faktoren abwägen, und eine Auswahl treffen muss, die diejenigen Faktoren bevorzugen, die für die wichtigeren gehalten werden müssen. Dabei müssen leider andere Faktoren zurückstecken – ein unvermeidlicher Trade-off. Diese abzuwägenden Faktoren sind folgende:

Drehmomentanforderungen des Systems: Drehmomentanforderungen können einerseits auf der Basis des Drehmoments der angetriebenen Komponente berechnet werden, oder auf der Basis der Drehzahl und der Pferdestärken der antreibenden Seite. Es ist allerdings auch wichtig, dass Betriebsbeiwerte, die der spezifischen Anwendung eigen sind, berücksichtigt werden. Die Kupplung muss herabgesetzt werden, bezüglich Temperatur und Abweichungen, wenn diese die Betriebsgrenzwerte der Kupplung zu erreichen drohen.

Die vollzähligen Betriebsbeiwerte sind die Summe aus den Betriebsbeiwerten der angetriebenen Seite plus der Werte der antreibenden Seite und jeder Wert ist ein Indikator für die Schwierigkeiten, die mit einer spezifischen Anwendung verbunden sind. Die spezifischen Betriebsbeiwerte für verschiedenste Anwendungen sind im OEP Kupplungsnummernauswahlassistenten aufgelistet. Dieser Assistent setzt auch die Kupplung bezüglich Temperatur und Abweichung herab: Selbst wenn eine Kupplung, beispielsweise, für 82 Grad Celsius eingestuft ist, heißt das nicht, dass ihre Leistung bei 76 Grad Celsius die selbe ist, wie bei Zimmertemperatur.

Torsionsvibrationsdämpfung kontra Torsionssteifigkeit: Nimmt die eine zu, nimmt die andere ab.

Versatz innerhalb des Systems: Radial, winklig und axial als Resultat möglicher wärmebedingter Ausdehnung während des Betriebs.

Reaktionskräfte, die von der Kupplung ausgeübt werden:Wenn ein Versatz vorliegt, dann üben alle flexiblen Kupplungen Reaktionskräfte auf die Stützlager, sowohl in der antreibenden als auch in der angetriebenen Komponenten, aus. Die Größe dieser Kräfte variiert mit der Größe der Abweichung, der Stärke des Drehmoments und dem Kupplungsmodell.

Die Leistung der Kupplung kontra Kosten: In manche Situationen wird der Wert oder die Zerbrechlichkeit der antreibenden und/oder der angetriebenen Komponente den Techniker zwingen, eine teurere Kupplungslösung zu entwerfen, welche, beispielsweise, geringere Reaktionskräfte erzeugt.

Die Lebenszeit der Kupplung contra Kosten für ihren Ersatz:In manchen Situation, wenn ein Ausfall der betreffenden Apparatur als besonders kostspielig erwartet wird, oder wenn deren Design eine Wartung erschwert, wird der Techniker eine Kupplung wählen, die es unwahrscheinlicher macht, dass sie gewartet oder ersetzt werden muss.

DIE VERSCHIEDENEN KUPPLUNGSMODELLE VERFÜGEN ÜBER VERSCHIEDENE VOR- UND NACHTEILE:

Biegesteife Kupplungen
können fast keinen Versatz ausgleichen. Sollten Abweichungen auftreten (wegen Ungenauigkeiten des Anlagenzusammenbaues oder wegen Wärmeausdehnung während des Betriebs) kann der Einsatz von biegesteifen Kupplungen in großen Reaktionskräften auf die Stützlager resultieren. Wenn allerdings dieser Versatz sehr gering und/oder die Stützen stark sind, dann sind biegesteife Kupplungen die kostengünstige Wahl, die auch die längste Lebenszeit verspricht.

Oldham-Kupplungen können großen Radial-, geringen winkligen und moderaten Axialversatz kompensieren. Sie bieten gute Werte bezüglich Spitzendrehmoment und Torsionssteifigkeit, homokinetischer Übersetzung (d.h. die angetriebene Seite bewegt sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit wie die antreibende Seite), weisen sehr geringe Reaktionskräfte auf, sind kostengünstig und sind eine gute Allzwecklösung für ein flexibles Kupplungsszenario in den meisten Anwendungen.

Oldham/Universal-Kupplungen bieten alle Vorteile der Oldham-Kupplungen, können aber einen winkligen Versatz von bis zu 6 Grad ausgleichen.

Blockverbindungskupplung sind eine ältere Version der Oldham-Kupplung, welche allerdings nicht deren mechanische Sicherungsmittelsektion hat. Unter außerordentlich hohem Drehmoment bricht zwar das Mittelstück einer Oldham- Kupplung, allerdings bleiben die Kupplungsnaben intakt, sodass das billige Mittelstück ersetzt werden kann. Eine Blockverbindungskupplung, auf der anderen Seite, wird erst dann aussetzen, wenn dies auch die Naben selbst tun. (Allerdings kann die Mittelsektion der Blockverbindungskupplung bei Bedarf schon ausgetauscht werden.) Diese erhöhte Resistenz gegen einen Kupplungsausfall zählt in manchen Anwendungen als Vorteil. Die Blockverbindungskupplung kann auch eine interne Schmiervorrichtung enthalten und ist besonders für raue und schmutzige Umgebungen auf das vortrefflichste geeignet.

Klauenkupplungen bieten vor allem den Vorteil einer effektiven Torsionsvibrationsdämpfung. Sie gleichen große Drehmomente und geringen Versatz sehr kostengünstig aus. Sie haben allerdings keine besonders gute Torsionssteifigkeit, da ein gewisser Drall auftreten wird.

Kardangelenke werden in Anwendungen mit besonders großem winkligen Versatz benutzt. D.h. es geht hier um Abweichungen von bis zu 45 Grad mit einem einzigen Gelenk. Radial und axial sind sie im Prinzip als biegesteif anzusehen.

Magnetische Kupplungen werden benutzt um Drehbewegungen über eine Barriere hinweg zu übertragen. Sie können großen Versatz ausgleichen und sind auch als eine Art Gleitkupplung einsetzbar. Sie sind allerdings nur für sehr kleine Drehzahlen eingestuft, haben eine sehr geringe Torsionssteifigkeit und sind teuer.

Strahlkupplungen/Wendelkupplungen sind mittelpreisige, flexible, Metallkupplungen, welche sehr hohe Reaktionskräfte bei Versatz erzeugen und einiges an Drall verursachen (bis zu 7 Grad). Obwohl sie keine rutschenden Komponenten haben, werden sie schnell ermüden und schließlich versagen – und es gibt keine kostengünstigen Ersatzteile in diesem Fall.

Faltenbalgkupplungen Faltenbalgkupplungen haben ein dünnwandiges metallisches Element und können großen Versatz mit niedrigen Reaktionskräften ausgleichen. Sie sind allerdings nur brauchbar bei niedrigem Drehmoment und haben niedrige Torsionssteifigkeit, besonders wenn sie sich dem Spitzendrehmoment annähern. Wie bei der Strahlkupplung handelt es sich bei der Faltenkupplungen um mittelpreisige und schnell-ermüdende Kupplungen.

Zahnkupplungen, Netzkupplungen und Kettenkupplungen sind sehr robuste Fabrikate, deren Funktion es ist große Achsen und Wellen (über 5 Zentimeter im Durchmesser) zu verbinden, sowie mit sehr hohem Drehmoment und in extremen Situationen zu arbeiten.

Stift-und-Buchsen-Kupplungen sind Apparaturen mit großem Durchmesser, welche kleinen Versatz ausgleichen und gleichzeitig kleine Torsionsdämpfung gewährleisten.

DIE GRÖSSE DER KUPPLUNG:

Die Kupplung muss groß genug sein, um beide Wellen/Achsen verbinden zu können. Eine Kupplung kann also zu groß für eine bestimmte Welle sein, denn beispielsweise gibt es nur wenige Hersteller, die eine Kupplung mit 5 Zentimeter Durchmesser herstellen, die eine Welle mit 0,3 Zentimeter Durchmesser verwenden kann.

Wenn der Kupplungsdurchmesser steigt, tut dies auch der vorgesehene Spitzendrehmoment sowie das Ausgleichsvermögen bezüglich Radialversatz. In diesem Fall scheint es somit klar zu sein, dass es am besten ist, einfach die Kupplungsgröße des gegebenen Modells zu erhöhen, um eine Kupplung zu haben, die die letztgenannten beiden Anforderungen (möglichst hohes Spitzendrehmoment und gutes radiales Ausgleichsvermögen) maximal zufrieden stellt. Allerdings wird der Techniker sich davor hüten, eine Kupplung zu wählen, die größer ist als benötigt, da dies unnötigerweise die Drehträgheit und Kosten erhöhen würde.

DIE KUPPLUNGSMATERIALIEN:

Eine gut durchdachte Auswahl der Werkstoffe stellt sicher, dass die Kupplung den geforderten Arbeitstemperaturen und Drehmoment standhält sowie die Produktionskosten minimiert werden.

Biegesteife Kupplungen, sowie die Naben flexibler Kupplungen, sind normalerweise erhältlich in folgenden Materialien: Aluminium, rostfreier Stahl, legierter Stahl, Messing und Hochleistungsthermoplasten. Jeder dieser Werkstoffe hat spezifische Vorteile:

Aluminium bietet geringe Kosten und ein geringes Trägheitsmoment. Wenn es gut beschichtet ist, besticht es durch einen geringen Reibwert, geringe Verschleißsymptome und hohe Widerstandskraft gegen Rost. Im Falle von Kupplungen die keinen Verschleißteil haben, ist die Stärke der Naben entscheidend. Hier ist der Gebrauch von passenden Legierungen (z.B. 7075) angezeigt, denn diese können Aluminiumnaben eine Stärke verleihen, die an legierten Stahl, ja beinahe rostfreien Stahl, heranreicht. Für die meisten Anwendungen ist Aluminium die beste Basisoption für metallische Kupplungskomponenten.

Rostfreier Stahl bietet gute Resistenz gegen Korrosion und einen hohen Grad an Stärke in einem weiten Temperaturspektrum. Allerdings erhöht seine Verwendung die Produktionskosten.

Legierter Stahl und Messing sind dann zu berücksichtigen, wenn Kosteneffizienz die primäre Anforderung ist.

Ultem© kann für biegesteife Kupplungen verwendet werden, was sie elektrisch isolierend macht. Kupplungen, die Ultem© verarbeiten, behalten über ein weites Temperaturspektrum hinweg ihre Widerstandskraft sowie eine gute Dimensionsstabilität.

Es gibt auch eine Anzahl von Optionen, die für das Mittelstück flexibler Kupplungen zur Verfügung stehen:

Delrin© ist die meist verbreitet Wahl für nicht-elastomerische flexible Kupplungen, wie die Oldham-Kupplung. Dieser Werkstoff bietet niedrige Kosten, geringe Abnutzung, recht hohes Drehmoment und Torsionssteifigkeit. Es besteht allerdings ein enormer Leistungsunterschied zwischen handwerklich hergestellten Delrin© Mittelsektionen, welche ein höheres statisches Bremsmoment und Torsionssteifigkeit gewährleisten, und billig fabrizierten Delrin© Mittelstücken.

Nylon wird manchmal in Oldham-Kupplungen angeboten, als eine billigere Alternative zu Delrin©. Es wird manchmal auch angepriesen als ein Werkstoff, der höhere Torsionsdämpfung als Delrin© erzielen kann, obwohl diese Differenz zwischen den beiden eigentlich vernachlässigbar gering ist.

Hochtemperaturthermoplaste werden ebenfalls manchmal als Alternative zu Delrin© angeboten. Sie übertreffen Delrin© nicht bloß bezüglich maximaler Betriebstemperatur, sondern normalerweise auch bezüglich Drehmoment und Steifigkeit.

Urethane ist eine beliebte Wahl für die Mittelsektion von elastomerischen flexiblen Kupplungen, wie der Klauenkupplung, welche gute und vielseitige Leistungen bezüglich Druckverformung, Abnutzungsresistenz, Betriebstemperatur und chemischer Beständigkeit aufweisen sollen. OEP Kupplungen bieten ihre Oldham- Kupplungen mit einer Mittelsektion aus Urethane an, welche zusätzlich mit einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen wird. Diese Lösung bietet dem Nutzer eine Hybridkupplung mit, einerseits, dem großen Ausgleichsvermögen bezüglich Radialversatz sowie den geringen Reaktionskräften der Oldham-Kupplung und, andererseits, mit exzellenten Torsionsdämpfungseigenschaften.

Gummi der bei Höchsttemperaturen geformt wurde, erscheint manchmal als Alternative zu Urethane für die Verwendung in den Mittelstücken von Klauenkupplungen.

BOHRUNGSTYPEN UND WELLENANSCHLUSSOPTIONEN:


Bohrungen können polygonal sein, um zu polygonalen Wellen zu passen. Allerdings sind zylindrische Bohrungen die am weitest verbreiteten. Es gibt drei Arten zylindrischer Bohrungen:

Durchgangsbohrungen sind die am meisten benutzte Option. Sie haben den großen Vorteil, dass sie Montagevorgänge erleichtern. Dies ist der Fall, da die Nabe einfach über die Achse zurück- und weggeschoben werden kann, um das Mittelstück einzuführen. Danach wird einfach die Nabe wieder über die Achse vorgeschoben und rastet ein. So kann die Kupplung installiert werden, ohne dass weder die antreibende noch die angetriebene Komponente bewegt werden müssen.

Sackbohrungen (d.h. Bohrungen die nicht die ganze Nabe durchdringen) bieten den Vorteil, dass sie am Grund der Bohrung Material belassen, gegen das die Welle/Achse besser Druck ausüben kann. Dies kann helfen, die Nabe, relativ zur Welle, axial zu fixieren.

Getastet Bohrungen können sowohl Durchgangsbohrungen sein, als auch Sackbohrungen. Hierbei wird eine Schlüsselnut mit der Bohrung mitgebohrt, damit standardmäßige zoll oder metrische Schlüssel eingeführt werden können, die in der Schlüsselnut der Welle gelagert sind. Diese Konstruktion hilft es, die Drehkraft von der Welle zur Nabe besser zu übertragen, damit es zu keinem Durchdrehen der Welle kommt, selbst wenn es sich um sehr hohe Drehkräfte handeln sollte. Diese Lösung erhöht aber einerseits die Kosten und impliziert, andererseits, dass die winkelige Position der Nabe relativ zur Achse festgelegt ist und nicht verstellt werden kann.

UNTER DEN ANSCHLUSSOPTIONEN BEFINDEN SICH:

Feststellschrauben stellen die kostengünstigste und vielseitigste Wellenanschlussmethode dar. Allerdings können diese Schrauben die Welle beschädigen, was dazu führen kann, dass die Welle nur schwer entfernt werden kann.

Klemmmechanismen beschädigen nichts, und erleichtern damit auch, dass die Mittelsektion leichter ausgetauscht werden kann. Sie garantieren auch ein hohes Sperrmoment der Welle, besonders wenn diese Klemmmechanismen mit einer getasteten Bohrung kombiniert werden.

Bolzen können durch jeweils ein Kreuzbohrungsloch in der Nabe und eines in der Welle eingeführt werden. Dies macht das Zerlegen der Apparatur schwierig, aber nicht unmöglich. Bolzen sind eine verbreitete Anschlussmethode wenn Kardanglenke in der Anwendung involviert sind.

WEITERE GESICHTSPUNKTE:

Ein Faktor, den der Konstrukteur zu berücksichtigen hat, wenn er eine Anwendung entwirft, die einer sehr hohen Drehzahl ausgesetzt sein wird, ist das Wuchten der Kupplung. Bei einer hohen Drehzahl kann eine ungewuchtete Kupplung große Kräfte auf die Stützlager ausüben, was in Erschütterungen resultiert. Die meisten Kupplungen werden ungewuchtet geliefert, können allerdings, gegen einen Aufpreis, auch gewuchtet werden. Viele Kupplungshersteller liefern Kupplungen, die in einem hohen Maße ungewuchtet sind und Feststellschrauben oder Klemmen auf nur einer Seite der Nabe haben, ohne irgendwelche weiteren Designelemente, die eine symmetrische Gewichtsverteilung anderweitig gewährleisten würden.

Die Kupplungen von OEP sind, was ihre Gewichtsverteilung betrifft, theoretisch symmetrisch, sodass sie selbst ohne die Wuchtung durch eine Wuchtungsmaschine (und die damit verbundenen Zusatzkosten) weit besser ausbalanciert sein werden, als die Kupplungen unsere Konkurrenz.

Manchmal werden die Reaktionskräfte und Vibrationen, die flexible Kupplungen erzeugen, andere Kräfte innerhalb der Anwendung verstärken oder sie werden sich selbst, bei gewissen Frequenzen im Grenzbereich, in einem Rückkopplungsprozess hochschaukeln. Diese Szenarien sind schwer vorherzusagen und Tests sind normalerweise notwendig, um festzustellen, ob solche Störungen auftreten werden. Sehr oft lassen sich diese Probleme lindern, indem man andere Nabenmaterialen (mit unterschiedlichem Gewicht) verarbeitet.


SCHLUSSFOLGERUNGEN:

Der Techniker wählt also zunächst das geeignete Kupplungsmodell für seine Anwendung, dann die passende Größe für die vorliegenden Welle(n), danach die individuelle Kupplung, die für die angepeilten Drehkräfte am besten passt, und schließlich die besten Bohrungsoptionen und Anschlusslösungen. Ist dieser Selektionsprozess abgeschlossen, muss der Techniker allerdings noch sicherstellen, dass seine Auswahl folgenden wichtige Kriterien genügt:

Das Drehmoment der Kupplung ist größer als das der Anwendung, wobei letzteres entweder durch die Drehkraft der angetriebenen Komponente, oder durch die Pferdestärke und Drehzahl des antreibenden Motors festgelegt wird. Hier ist es wichtig, dass letztere Festlegung, einerseits, Betriebsbeiwerte berücksichtigt und, dass, andererseits, die Kupplung herabgesetzt wird in Anbetracht von Temperaturunterschieden und Abweichungen (wenn sich einer dieser beiden Faktoren, während des Betriebes, den Belastbarkeitslimits der Kupplung annähern sollte).

Die Kupplung ist mindestens für die Drehzahl der Anwendung eingestuft.

Die Kupplung ist mindestens für den antizipierten Wellenversatz (radial, winklig und axial) als zulässig eingestuft und zwar nachdem jegliche Wärmeausdehnung während des Betriebes berücksichtigt worden ist.

Die Kupplung ist über der erwarteten maximalen Umgebungstemperatur eingestuft.

Die Kupplung kann beide Wellen mechanisch verbinden und sie wird in die verfügbare Ummantelung passen. Diese Parameter inkludieren, die Länge der Kupplung, ihr äußerer Durchmesser und die Tiefe ihrer Bohrungen.

Die Kupplung genügt allen Anforderungen des Designs, bezüglich Torsionssteifigkeit, Rotationsträgheitsmoment, Torsionsdämpfung, dynamischem Auswuchten und harmonischer Stabilität bei allen Frequenzen die auftreten können.

Die Kosten der Kupplung übersteigen nicht den Finanzierungsplan.

Die meisten Kupplungshersteller haben technische Mitarbeiter, die den Technikern helfen, die passende Kupplung auszuwählen.

Geschrieben von:
Steven Elliott
OEP Couplings
eine Abteilung von Oren Elliot Products, Inc.



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