Ratgeber
Eine mechanische Kupplung wird immer dann benötigt, zwei Wellen miteinander zu verbinden sind und die Kraft von der Eingangsseite möglichst verlustfrei auf die Ausgangsseite übertragen werden soll. Zusätzlich können Wellenkupplungen Ausrichtungsfehler der beiden Achsen kompensieren. In diesem Ratgeber stellen wir Ihnen die wichtigsten Typen und Bauformen von Wellenkupplungen vor und geben Hinweise für die Beschaffung.
Die Hauptfunktion einer Wellenkupplung ist die Kraftübertragung zwischen zwei Achsen, in der Regel von der Antriebswelle zum Beispiel eines Schrittmotors auf die angetriebene Welle. Sie finden sich im Allgemeinen in Maschinen, die eine Kraftübertragung erfordern, dazu gehören Motoren, Generatoren, Pumpen, Kompressoren und Turbinen.
Wellenkupplungen übertragen dabei sowohl die Rotation als auch das Drehmoment und sorgen für den Ausgleich von Fehlern in der Ausrichtung und der Wellenposition. Solche Wellenfehler haben negative Auswirkungen auf das Kraftübertragungssystem. Die Ursache liegt häufig in der thermischen Ausdehnung der Wellen oder in Vibrationen während der Bewegung.
Wellenkupplungen schützen zudem die benachbarten Komponenten: Sie dämpfen Vibrationen und reduzieren die Folgen von Stoßbelastungen oder Drehmomentänderungen von einer Achse auf eine andere.
Starre Wellenkupplungen
Starre Kupplungen sind für Achsen ohne oder mit nur sehr geringem Versatz konzipiert. Sie sind dann erforderlich, wenn die präzise Ausrichtung notwendig ist. Wird die angetriebene Welle nicht gelagert, trägt die Antriebswelle zusätzlich die Last. Nachteile sind die schlechte Stoß- und Vibrationsdämpfung.
Zu den starren Wellenkupplungen gehören die Scheibenkupplung und die Wellenkupplung mit Kegelhülse.
Flexible Wellenkupplungen
Flexible Kupplungen verfügen über bewegliche Elemente, die den unvermeidlichen Versatz und die axiale Verschiebung der Achsen aufgrund von Temperaturschwankungen und Verschlechterung der Positionierung zulassen. Anders als starre Kupplungen sind sie in der Lage, Stöße zu absorbieren und Vibrationen zu dämpfen. Diese Aspekte haben sich gegenüber starren Wellenkupplungen als vorteilhaft erwiesen, weshalb wir hier detaillierter auf die wichtigsten Typen und Bauformen eingehen. Grundsätzlich zu unterscheiden sind drehstarre axial beziehungsweise auch radial bewegliche Kupplungen und quer- und drehelastische Kupplungen.
Zahnkupplungen
Eine Zahnkupplung ist eine Abwandlung der Flanschkupplung. Bei diesen Typen sind der Flansch und die Nabe separate Teile. Die Naben haben an ihrem Außendurchmesser eine vorstehende Verzahnung, die mit der Innenverzahnung des Flansches übereinstimmt. Wenn sie zusammenwirken, besitzen der verzahnte Flansch und die Nabe ein Übersetzungsverhältnis von 1:1. Daher kann eine Zahnkupplung ein hohes Drehmoment übertragen, das bei hohen Geschwindigkeiten mit zunehmender Größe der Verzahnung steigt.
Rollenkettenkupplungen
Rollenkettenkupplungen verfügen über radiale Kettenradnaben, die durch eine doppelsträngige Rollenkette verbunden sind. Der Eingriff der Kettenradzähne und der Kette überträgt das Drehmoment, das Spiel gleicht die parallelen, axialen und winkligen Fluchtungsfehler aus.
Rollenkettenkupplungen sind eine einfacher und kompakter konstruiert und daher preiswerter als Zahnradkupplungen, übertragen aber weniger Leistung. Sie finden sich für die Übertragung von niedrigen bis mittleren Drehmomenten bei moderaten Geschwindigkeiten. Als Alternative zu Metallketten sind auch Nylonketten erhältlich, die keine Schmierung benötigen.
Gummikupplungen
Wellenkupplungen aus Gummi und anderen Elastomeren erhalten ihre Flexibilität durch die Kompression und Scherung des Materials. Sie absorbieren Stöße und Vibrationen besser als andere Arten von elastischen Kupplungen. Die Schmelztemperatur des Elastomers begrenzt jedoch seine Betriebstemperatur.
Klauenkupplungen
Klauenkupplungen bestehen aus einem Kunststoff-Zahnkranz, der zwischen zwei ineinandergreifende Backen der Kupplungsnabe passt. Der Zahnkranz wird zusammengedrückt, wenn ein Drehmoment auf die Wellen übertragen wird. Die Torsionssteifigkeit und die Drehmomentkapazität hängen von der Anzahl, der Form und der Breite der Backen ab. Klauenkupplungen können das Drehmoment effektiv übertragen und gleichzeitig Vibrationen dämpfen und Fluchtungsfehler ausgleichen. Sie sind widerstandsfähig gegen Vibrationen und lassen sich in Anwendungen zur Bewegungssteuerung einsetzen. Außerdem sind sie resistent gegen Schmutz, Feuchtigkeit und Öl und benötigen keine zusätzliche Schmierung.
Universal-Kupplung
Die Universalkupplung, auch bekannt als Kardangelenk oder Gelenkkupplung, bietet einen großen Bewegungsspielraum und gleicht die größten Fluchtungsfehler aus. Sie wird verwendet, um Drehmoment und Bewegung zwischen Achsen zu übertragen, die nicht parallel verlaufen, sondern sich in einem Winkel schneiden. Eine Gelenkkupplung besteht aus zwei Gabeln, eine für jede Achse. Die Gabeln sind durch einen kreuzförmigen Zahnkranz verbunden. Die beiden Wellenjoche stehen im rechten Winkel zueinander.
Der größte Nachteil von Kardangelenken ist ihre schwankende Geschwindigkeit. Da Gelenkkupplungen mit großen Fluchtungsfehlern zurechtkommen, schwankt die Drehgeschwindigkeit der angetriebenen Welle, obwohl sich die Antriebswelle mit konstanter Geschwindigkeit dreht. Größere Fluchtungsfehler führen zu größeren Schwingungen in der Geschwindigkeit der angetriebenen Welle, eine geradere Verbindung führt zu einer geringeren Schwingungsgeschwindigkeit. Dies kann jedoch durch den Einsatz mehrerer Gelenke korrigiert werden. Universalkupplungen werden typischerweise in Maschinen und als Bestandteil des Antriebsstrangs eines Fahrzeugs verwendet.
Bei der Auswahl sind einige wesentliche Faktoren zu berücksichtigen, dazu gehören die Drehmomentübertragungsleistung, die maximale Drehzahl, Fluchtungsfehler, Steifigkeit, Trägheit sowie die Fähigkeit, Stöße zu absorbieren und Vibrationen zu dämpfen. Ebenso wichtig sind die Wellenbefestigung, die Umgebungsbedingungen und die geplanten Anwendungen. Diese Faktoren sind vor der Beschaffung zu prüfen, um die Lebensdauer der Wellenkupplung zu verlängern, ihre Effizienz zu erhalten und Ausfälle zu vermeiden.
Wo kann man sich über die richtige Auslegung einer Wellenkupplung informieren?
Hilfreich ist die Norm DIN 740-2, sie behandelt die Antriebstechnik, informiert über nachgiebige Wellenkupplungen und erklärt Begriffe und Berechnungsgrundlagen.
Welche Lastspitzen kann eine Wellenkupplung typischerweise verkraften?
Im Allgemeinen dürfen kurzzeitige Lastspitzen Drehmomente bis zum Dreifachen des Nennwerts nicht überschreiten.
In welchem Bereich liegt die zulässige Betriebstemperatur?
Wellenkupplungen sind relativ unempfindlich gegenüber tiefen und hohen Temperaturen, der Bereich liegt bei etwa minus 30 und plus 90 Grad Celsius. Allerdings ist zu beachten, dass Temperaturschwankungen die Ausdehnung der betroffenen Materialen beeinflusst, was zu Unwuchten und damit zu Vibrationen führen kann.