Elastomerkupplungen für Montage und Handhabung

Das Haupteinsatzgebiet von spielfreien Elastomerkupplungen sind Industriezweige im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau. Werkzeugmaschinen, NC-Fräsmaschinen, Verpackungs- oder Druckmaschinen sind nur eine kleine Auflistung der Anlagen in denen diese präzisen Verbindungselemente zum Einsatz kommen. Neben diesem Gebiet sind Lösungen für die Montage und Handhabungstechnik ein wichtiges Standbein für den Kupplungshersteller. Im Zuge der ständigen Weiterentwicklung in dieser Branche eröffnen sich ständig neue Herausforderungen im Sinne von technischen Realisierungen. Das Know-how und die jahrelange Erfahrung der Hersteller spiegelt sich in solchen Konstruktionen und Anwendungen wieder.   In Großserie werden die Elastomerkupplungen beispielsweise in verschiedenen Ausführungen in elektrischen Linearachsen (Zahnriemenachsen) eingesetzt. In der Abstimmung mit dem Hersteller aus Baden-Württemberg werden sowohl Standardprodukte als auch Sonderlösungen verbaut.   Die Geschwindigkeit mit der das zu bearbeitende Bauteil bewegt wird spielt eine maßgebende Rolle in der Produktionsleistung einer gesamten Anlage. Deshalb werden Handlingsautomaten primäre nach Geschwindigkeit und Beschleunigung entwickelt und gebaut. Weiterhin müssen die verbauten Zahnriemenachsen ebenfalls eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit besitzen. Demzufolge sind die Eckdaten und technischen Parameter für die Kupplung deutlich definiert: Es müssen Beschleunigungszeiten von bis zu 50 m/s2 und Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 5 m/s ermöglicht werden bei einer Wiederholgenauigkeit von +/- 0,08 mm. Diesen Anforderungen werden die spielfreien Präzisionskupplungen aus dem Hause R+W gerecht. Nach ausführlichen Testreihen seit 2005 erhielten die Kupplungen 2008 die Freigabe für die Serienanwendung.   Verschiedene Bauformen   Die Zahnriemenachsen und E-Motoren fordern je nach Bauart eine Standard Welle-Welleverbindung oder eine Welle-Hohlwelleverbindung. Bei ersterer Version wird die vielfach erprobte Modellreihe EKL eingesetzt. Die Nabe ist zweifach geschlitzt und hat eine Befestigungsschraube. Als Nabenwerkstoff werden je nach Anwendung hochfestes Aluminium, Stahl oder Edelstahl verwendet. Durch die konstruktive Gestaltung der Klemmnabe ergibt sich eine Unwucht.
Um diese Unwucht zu minimieren, wird die Nabe im Regelfall mit Auswuchtbohrungen versehen. Bei der Klemmung handelt es sich um eine linienförmige Lastverteilung. Die Klemmnabe kann durch leichtes Schieben axial positioniert werden. Die Klemmung der Kupplungsnabe erfolgt durch eine seitliche Schraube ISO 4762. Um die Demontage zu erleichtern, steht optional ein Demontagesystem zur Verfügung. Diese besteht aus einem direkt über dem Schraubenkopf angebrachten Stift, mit dem die Nabe durch die Schraubenkraft einfach und effizient aufgedrückt werden kann.
Bei der zweiten Version (Nabe-Hohlwelle) wurde eine Anbindung der Nabe an eine Hohlwelle oder eine Bohrung gefordert. Durch die eingeschränkten Bauraumverhältnisse konnte eine Klemmung auf der Hohlwelle nicht realisiert werden. Die Lösung für diese Anforderung ist der Spreizdorn, der Drehmomente bis zu 2150 Nm übertragen kann und einen Hohlwellendurchmesser von 4 bis 80 mm abdeckt. Zur Montage wird nach der Einführung des Spreizdorns in axialer Richtung eine metrische Schraube im Inneren der Kupplung angezogen. Durch die axiale Verschiebung der beiden zueinander konischen Bauteile wird eine Flächenpressung in radialer Richtung erzeugt. Diese Pressung wird für die notwendige Reibschlussverbindung und der damit resultierenden Drehmomentübertragung benötigt.   Aufbau und Eigenschaften von Elastomerkupplungen   Die Elastomerkupplung ähnelt im Aufbau einer Klauenkupplung, nur das sich zwischen beiden Nabenhälften ein Kunststoffsegment befindet. Dieser Elastomerstern besteht zumeist aus Polyurethan und ist wegen seiner federelastischen Eigenschaften in der Lage, Achsversatz, Schwingungen und Stöße zu kompensieren. Das gute Dämpfungsverhalten kann sich bei Betrieb in Anlagen mit häufiger Stoß-, Wechsel- oder Schwingungsbelastung positiv auf die Lebensdauer der verbundenen Aggregate auswirken. Die Shore-Härten der von den Herstellern angebotenen Sterne liegen im Bereich von Shore 80A bis Shore 68D. In den meisten Fällen kann so ein guter Kompromiss zwischen Dämpfungsverhalten und erforderlicher Torsionssteife gefunden werden. Als bevorzugte Werkstoffe für Elastomersterne haben sich Polyurethane weitgehend durchgesetzt.   Aufbau und Eigenschaften von Metallbalgkupplungen   In vielen Bereichen der Automatisierungstechnik ist die Metallbalgkupplung heute nicht mehr wegzudenken. Der kritischste Versatz im Dauerbetrieb ist der Lateralversatz. Dieser Versatz kann durch Toleranzen der Anbauteile wie Zwischenflansch, Zentrierglocken oder Lagerbüchsen entstehen. Bei der Konstruktion muß daher berücksichtigt werden, daß sich nur kleine laterale Versätze aufaddieren können. Durch die hohe Fertigungsgenauigkeit heutiger Bearbeitungszentren, liegen die Toleranzen jedoch im Hundertstelbereich.
Mit hochbelastbaren Edelstahlbälgen arbeiten die Kupplungen bis zu einem lateralem Versatz von 0,3 mm sehr zuverlässig und dauerfest. Bei bestimmten Kupplungstypen aus dem Programm von R+W sind selbst bei maximalem Nenn-drehmoment, 3000 1/min und einem lateralen Achsversatz von 0,5 mm mehr als 10 7 Lastwechsel möglich. Dies entspricht einer Dauerfestigkeit. Bei entsprechend niedrigerer Drehzahl sind noch höhere Achsversätze realisierbar.
Wegen der enormen Beweglichkeit des Balges sind die im Normalbetrieb entstehenden Querkräfte auf die Drehachsen und die daraus resultierenden Lagerbelastungen deutlich geringer als bei Elastomerkupplungen. Wenn also in einer Applikation nicht gerade permanente Stoßbelastungen auftreten, ist die Balgkupplung die antriebsschonendere Alternative.   Zusammenfassung   Die Montage- und Handlingsautomation ist für den Kupplungshersteller am Untermain mit eine der wichtigsten Branchen. Das gesamte Produktportfolio von spielfreien Präzisionskupplungen findet in diesem Bereich der Antriebstechnik Anwendung. Die einfache Montage von Elastomerkupplungen in Verbindung mit dem schwingungsdämpfenden Eigenschaften ist in 80% der Handlingsautomaten die bevorzugte Lösung. Kommt es auf höchste Genauigkeit an, werden die lagerschonenden Metallbalgkupplungen eingesetzt. Diese stehen dem Markt von 0,01 – 10.000 Nm zur Verfügung. Autor: Tobias Wolf, Produktmanager bei R+W Antriebselemente