Kupplungen: Unterschied zwischen den Versionen
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==Vor- & Nachteile== | ==Vor- & Nachteile== |
Version vom 7. April 2011, 13:44 Uhr
--S. Schneider 12:40, 8. Dez 2007 (CET)
![]() Kupplungen sind wichtige Maschinenelemente, die durch unterschiedliche Wirkweise vielseitig eingesetzt werden können, z. B.:
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Funktion
Die Hauptfunktion bei den Kupplungen ist das Übertragen von Rotationsenergien z. B. Drehmomente, Drehbewegungen. Darüber hinaus sind folgende Funktionen wesentlich:
Leistungsfunktion
Kupplungen stellen Verbindungen z.B. zwischen der Antriebs- und Abtriebsseite, her und übertragen dort Drehmomenten, Drehbewegungen. Dies geschieht im Formschluss z.B. Klauenkupplung oder über Kraftschlüssige_Verbindungen, die mit Hilfe von Reibungskräften den Druck auf den Reibflächen der jeweiligen Kupplung erzeugt.
Das Drehmoment kann auch in Sonderfällen hydraulisch (hydrodynamische Kupplungen) sowie über Induktion (Induktionskupplungen) übertragen werden.
Ausgleichsfunktion
Kupplungen gleichen radiale, axiale und winklige Wellenverlagerungen über Gelenke, verstellbare Schiebesitze aus.
Elastische Kupplungen mildern und fangen Stöße, durch den Einsatz von elastischen Zwischenglieder, ab.
Schaltfunktion
Kupplungen übernehmen Schaltfunktionen, die Fremdbetätigt oder Selbstschaltend erfolgen kann.
Die selbstschaltenen Kupplungen werden über das benötigte Drehmoment, oder über einer Drehrichtungsänderung betätigt.
Fremdbetätigte Kupplungen brauchen für den Schaltvorgang Signale oder Impulse, die mechanisch, hydraulisch, oder elektromagnetisch von Ausssen in das Kupplungssystem eingebracht werden müssen, dieses Signal schaltet nach Betätigung die Kupplung z.B. in den Leerlauf oder in einer neuen Getriebestufe.
Sicherheitsfunktionen
Kupplungen die eine Sicherheitsfunktion besitzen und deswegen in ein System eingebaut werden, können in 3 Kategorien eingeteilt werden:
- Momentbetätigte Kupplungen:
Die Kuppplungen unterbrechen bei Überschreiten eines bestimmten Drehmoments die formschlüssige Verbindung und dienen so als einfacher Überlastschutz. - Funktion mit dem Brechbolzen:
Die Kupplungen besitzen eine festgelegte Sollbruchstelle die bei Überlastung bricht und das System vor weiteren Schaden bewahrt.
Die Sollbruchstelle kann z.B. bei Kupplungen der Brechbolzen oder ein verbindende Bauteil, das eine geschwächte Stelle besitzt, sein. - Funktion über die Rutschnabe:
Die Rutschnarbe besitzt die gleiche Funktion wie der Brechbolzen. Die Kupplung wird aber nicht beim Einsatz durch Überlastung zerstört.
Bei zu starker Belastung rasten die übertragenden Bauteile (Kugeln) aus den Eingriffsstellen (Nuten) aus und die Kupplung läuft im Leerlauf weiter.
Nach dem abschwächen der Belastung rutschen die Kugeln wieder in die Eingriffsflächen, übernehmen dann wieder die übertragende Funktion.
Anwendungsgebiete die verschiedene Funktionsweisen erfordern werden über Kombinationen von unterschiedlichen Kupplungen erbracht,
weiterhin erhöhen diese die Effektivität der Kupplung in dem Systems.
Weiters Informationsmaterial zu den Funktionsprinzipien und zu den einzelnen Bauarten gibt es unter Kupplungen, Starre Kupplungen Ausgleichkupplungen,
Aufbau
Der Kupplungsaufbau setzt sich stark aus dem Anwendungsgebiet, den örtlichen Gegebenheiten, der Funktion und aus den technischen Vorgaben zusammen.
Grundsätzlich sind Kupplungen in alle möglichen Variationen und für jede Aufgabe lieferbar.
Entscheidend für den Aufbau einer Kupplung ist die Größe, die Funktionsweise, die unterschiedlichen Materialien und die passende Dimensionierung (Auslegung).
Der Verschleiss von Kupplungselementen sollte ebenfalls für den Aufbau berücksichtigt werden.
Formen und Materialien
Die Kupplungsformen sind stark abhängig von dem Einsatzgebiet.
Prinzipiell gilt die Regel: Um so größer das zu übertragene Drehmoment, um so größer, wuchtiger wird die Form ausfallen.
Ausgenommen sind Sonderformen und spezielle Typen, die zum Übertragen von großen Momenten, Kräften entwickelt wurden oder die als Sicherheitseinheit zum Schutze des Systems eingesetz werden.
Die Bauteile bestehen aus den verschiedensten Materialien (Kunststoffe, Metalle, Leichtmetalle, etc.). Sonderformen (Sicherheitskupplungen) werden mit spezielle Werkstoffen ausgestattet, die stabiler oder schwächer (Brechbolzen) sind.
Bauarten
Die Bauarten der verschiedensten Kupplungen sind unterteilt in nichtschaltbare, schaltbare und in Sonderformen (Sicherheitskupplung)
nichtschaltbare Kupplungen
Nichtschaltbare Kupplungen verbinden Antriebswelle mit der Abtriebswelle.
Von den nichtschaltbaren Kupplungen gibt es 3 Bauarten, die:
- starre Kupplungen:
Scheibenkupplung, Wellenkupplung mit Kegelhülse. - drehstarre Kupplungen:
Gelenkwellen, Topfgelenke und Bogenzahnkupplungen. - elastische Kupplungen:
Metallfederkupplung, Gummihülsenkupplung und Metalbbalgkupplung.
Siehe RM 13.3-13.4
schaltbare Kupplungen
Schaltbare Kupplungen unterbrechen die Verbindung zeitweise.
Sie werden nach Art der Drehmomentübertragung, (Kraftschluss und Formschluss) unterschieden.
- formschlüssig:
trennbare Klauenkupplung, schaltbare Zahnkupplung. - kraftschlüssig:
Einscheibenkupplung, Lamellenkupplung, Kegelkupplung.
Siehe RM 13.4-13.4.2
Sonderformen
Zu ihnen gehören die Sicherheitskupplungen (siehe Sicherheitsfunktion), die Induktionskupplungen (Prinzip wie ein Drehstrommotor), Freilaufkupplung und hydrodynamische Kupplungen (zu den starren Kupplungen zugehörig).
Die Sicherheitskupplung wir zumeist in 3 Ausführungen angeboten.
- Sicherheitskupplungen:
Brechbolzenkupplung, Zweiflächenrutschkupplung, Sperrkörpersicherheitskupplung. Durchrastkupplung, Anlaufkupplung - Induktionskupplungen: Synchronkupplung (dynamische wie auch statische Drehmomentübertragung), Asynchron- und Wirbelstromkupplung (Jeweils nur dynamische Drehmomentübertragung)
- Freilaufkupplung: Formschlüssige Freilaufkupplung, Reibschlüssige Freilaufkupplung
- hydrodynamische Kupplung: Hydrodynamische Kupplung mit konstanter Füllung, oder mit einer veränderten Füllung
Siehe RM 13.4.4-13.4.6
Bilder von verschiedenen Kupplungen:
Balgkupplungen
Elastische Ganzstahlkupplung
Verschiebbare Gelenkwelle
Elastische Klauenkupplung
Stahllamellenkupplung
Laschenkupplung
Rutschnabe_mit_elastischer_Klauenkupplung
Bogenzahnkupplung Datei:Hochelastische Kupplungen.jpg Hochelastische_Kupplung
Mechanischbet%C3%A4tigte_Lamellenkupplung
Sicherheits_Rutschkupplung
Elastische Kupplung
Hexaflex System Industriemotoren
Vor- & Nachteile
Da jeder Kupplungstyp spezielle Eigenschaften besitzt, ist ein direkter Vergleich nur eingeschränkt möglich.
Nachfolgend eine Auswahl wesentlicher Vor- & Nachteile:
Kupplungstyp | Vorteil | Nachteil |
schaltbare Kupplungen |
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nicht schaltbare Kupplungen |
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Sonderkupplungen |
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Kosten
Die Kosten der Kupplungen sind nach dem Schwierigkeitsgrad der Herstellung und nach der Bauweise mit den unterschiedlichen Anforderungen gestaffelt. Für die starren, nicht schaltbare Kupplungen z.B. müssen weniger an Kosten eingeplant werden als für die, die diverse Neben-und Zusatzfunktionen wie z.B. Winkelversatz ausgleichen, als Sicherheitseinheit dienen oder eine Schaltfunktion haben. Ein wichtiges Kriterium ist daher die passende Auslegung der Kupplung, da der Kunde mit der richtigen Auslegung Kosten sparen kann.
Normung
Die Normung der Kupplungen ist sehr Umfangreich, deshalb lassen sich keine Normen klar definieren. Für weiteres Interesse in dem Bereich der Kupplungsnormung, siehe: http://www.kupplungen.de/normen.htm
http://www.kupplungen.de/richtlinien.htm
Dimensionierung
Bei der Auswahl der passenden Kupplung werden die speziellen Eigenschaften der einzelnen Kupplungstypen herangezogen.
Die Hersteller geben heutzutage meisst nur noch die spezifischen Daten der einbaufertigen Kupplungen vor, wonach der Kunde die passende auszuwählen hat.
Die Kupplungsauswahl erfolgt über:
- Das Drehmoment(kräfte),
- die Aufgabe,
- die Funktionweise, und über
- das Einsastzgebiet.
Wenn eine Kupplungsbauart nicht für das jeweilige Anforderungsprofil ausreicht, werden auch Kombinationen von Kupplungen und deren unterschiedlichen Funktionsweise genutzt. Grundsätzlich hängt die Auswahl und der Einsatz der Kupplung vor allem nach der Größe des zu übertragenden Drehmoment ab.
Tipps und weitere Hinweise Siehe RM 13.5
Der Verschleiß
Der Kupplungsverschleiß hängt von der Funktion der gängigen Kupplungen und dem Einsatzgebiet ab. Die Verschleissarten werden unter drei Funktionprinzipien unterschieden.
- Starre Kupplungen:
Die Hauptverschleißquelle liegt an dem Übergang von der Antriebsseite zur Abtriebsseite der Verbindung. Hauptverschleißteile bei formschlüssigen Kupplungen sind die Verbindungselemente (Bolzen, Schrauben, etc.), Gefährdung durch zu starker Beanspruchung der Verbindung oder durch auftretenden axialen Wellenversatz. Kupplungen die über einer reibschlüssigen Verbindung die Übertragung leisten, sind die Reibflächen die Hauptverschleissteile. Bei den hydrodynamischen Kupplungen sowie bei den Induktionskupplungen tritt aufgrund der Bauweise (berührungslosen Drehmomentübertragung) kein bzw. sehr geringer Verschleiss auf.
- Schaltbare Kupplungen:
Die meissten Verschleißerscheinungen treten an den Schaltungselementen in der Kupplung auf. Die schaltenden Elemente, wie Kugeln, Stifte, Bolzen,etc., die die Energien übertragen, sind am stärksten gefährdet und deshalb auch die anfälligsten Bauteile in den jeweiligen Kupplungen.
- Sicherheitskupplungen (Sonderformen):
Bei den Sicherheitskupplungen muss unter zwei Arten von Verschleiss unterschieden werden, da es zwei Funktionsprinzipien gibt.
1. In den Kupplungen, die mit einen Brechbolzen als Sicherheitselement versehen wurden, tritt der Verschleiß nur an den Brechbolzen in Form von Bruch, bzw. Abnutzung und darauf folgenden Bruch, auf.
2. Bei den übrigen Sicherheitskupplungen treten Verschleißerscheinungen meisst, wie bei den vorigen Kupplungen an den Kraftübertragenden Elementen, an den Reibflächen ,auf.
Auslegung
Kupplungen werden nach dem Einsatzgebiet individuell ausgelegt.
Die Kupplung isr erst optimal ausgelegt, wenn sie:
- leicht montierbar,
- wartungsfreundlich,
- finanzierbar,
- und dauerbeständig ist.
Eine Überdimensionierung sollte wegen der zusätzlichen Kosten vermieden werden. Siehe RM 13.2.5-13.3
Berechnungen
Eine reine rechnerische Auslegung ist bei den verschiedensten Typen schwer zu realisieren, deshalb geben die Hersteller Anwendungsdaten über Größe, etc. und den Einsatzgebieten, mit Motorenbeispiele etc. vor.
Ein Berechnungsbeispiel ist die Berechnung zur Auslegung einer Einscheibenkupplung, die auf die Übertragung der Momente mit Reibkraft basiert.
Berechnung einer Scheibenkupplung
![]() |
Die Scheibenkupplung basiert auf das Reibungsverhalten der Kupplungsscheiben und wird deshalb auch als Haftreibungkupplung bezeichnet.
Die übertragbare Kraft (Drehmoment) der Kupplung ist nur so stark wie die Kupplungsdrehkraft FK. |
- FK = Drehkraft (Umfangsseite) in N
- FR = Reibungskraft einer Belagseite in N
- FN = Anpresskraft (gesamt) in N
- µH = Haftreibungzahl
- A = Fläche einer Belagseite in cm2
- P = Flächenpressung in N/cm2
- D = Aussendurchmesser in cm, m
- d = Innendurchmesser in cm, m
- z = Anzahl der Kupplungsscheiben
- Mk = übertragbares Drehmoment in Ncm, Nm
- Mmax = maximales Drehmoment in Ncm, Nm
- rm = mittlerer Drehkrafthalbmesser (Radius) in cm, m
- S = Sicherheitszahl (S ≈ 1,2...1,5)
Formeln
Fk = 2 * FR * z
FR = FN * μH
MK = FK * rm
rm = (D + d) / 4
MK = 2 * FR * rm * z (Einscheibenkupplung)
MK = 2 * FN * μH * rm * z (Einscheibenkupplung)
MK = Fk * rm (Mehrscheibenkupplung)
MK = S * Mmax
S = MK / Mmax
FN = A * p
A = (π / 4) * (D2 - d2)
FN = (π / 4) * (D2 - d2) * p
Übung
Situation:
Sie machen eine Anfrage für eine Kupplung beim Hersteller, und bekommen einen Tag später ein Angebot über eine Einscheibenkupplung und eine Mehrscheibenkupplung. Treffen sie nun eine Entscheidung, welche der beiden Kupplung für den Einsatz, gefordertes Drehmoment von 170 Nm, am besten geeignet ist. Achten sie hierbei auf das zu übertragende Drehmoment und auf die Sicherheit der jeweiligen Kupplung. Nach den beiden Aufgaben (1 und 2) kann eine Entscheidung über die passende Kupplung getroffen werden!
Aufgabe 1:
Die erste Kupplung ist die Einscheibenkupplung, sie hat die größe D = 210mm, d = 105mm. Die Flächenpressung der Kupplungsscheibe liegt bei 20 N/cm2 und die Haftreibungszahl µH kann aus der mitgelieferten Tabelle abgelesen werden (kleinster Wert). Die Kupplung läuft trocken und der Belag ist aus einer Schicht mit Keramikanteilen! Der angegebene Mmax-Wert wird mit 175,35 Nm angegeben. Zu berechnen sind die Kräfte der Kupplungen, sowie die Kupplungsabmaße mit den zu übertragenden Drehmomenten, beachten sie hierbei auch die Sicherheit!!
Aufgabe 2:
Die zweite Kupplung (Zweischeibenkupplung) fällt mit den Abmaßen, D = 150mm und rm = 5,5 cm ein wenig kleiner aus. Die Kupplung läuft trocken und besitzt eine Flächenpressung von 20 N/cm2, der Reibbelag besteht aus organischen Belägen (µH = 0,4) weiterhin soll die Kupplung soll mit einer Sicherheit von S = 1,5 betrieben werden.
Es sind die fehlende Werte zur Auslegung der Kupplung zu ermitteln.
- Zu der Lösung.
Aufgabe 7
Die Anpresskraft (Normalkraft) FN eines Reibbellages bei einer Einscheibenkupplung beträgt 4,2kN. Die Reibungszahl ist 0,35. Ermittele die Haftreibungskraft bei 2 Belagseiten!
- Zu der Lösung.
Aufgabe 8
Eine Einscheibenkupplung (2 Belagseiten) soll eine Haftreibungskraft von 1,8kN übertragen. Die Reibungszahl beträgt 0,3. Die Anpresskraft (Normalkraft) FN wird von 12 Kupplungsdruckfedern erzeugt. Ermittle die Druckkraft einer Feder!
- Zu der Lösung.
Aufgabe 9
Bei einer Einscheibenkupplung (2 Belagseiten) erzeugen 8 Druckfedern die erforderliche Anpreßkraft (Normalkraft). Jede Feder hat eine Druckkraft von 350N. Die Reibungszahl μH beträgt 0,35.
a) Wie groß ist die Haftreibungskraft (Kupplungsdrehkraft)?
b) Rutscht die Kupplung bei verölten Belag (μH=0,15), wenn eine Kupplungsdrehkraft (Haftreibungskraft) von mindestens 500N übertragen werden soll?
- Zu der Lösung.
Aufgabe 10
Eine Einscheibenkupplung muss eine Haftreibungskraft (Drehkraft) von 1kN übertragen. Die Reibungszahl beträgt 0,35. Die verwendeten Druckfedern erzeugen eine Druckkraft (Normalkraft) von je 400N. Wieviele Druckfedern sind mindestens erforderlich.
- Zu der Lösung.
Aufgabe 11
Bei einer Scheibenbremse werden beide Beläge mit einer Anpreßkraft (Normalkraft) von je 3200N an die Reibscheibe gepreßt. Die Gleitreibungszahl beträgt 0,3. Ermittle die Gleitreibungskraft FG (Bremskraft) an der Scheibe!
- Zu der Lösung.
Aufgabe 12
Die Bremskolbendurchmesser einer Scheibenbremse beträgt 42mm. Die Gleitreibungskraft FG (Bremskraft) an der Scheibe soll bei einer Gleitreibungszahl von 0,35, 1500N betragen. Ermittle den Bremsleitungsdruck! (1bar=10N/cm2)
- Zu der Lösung.
Aufgabe 13
Eine Stahlwelle läuft in einem Bronzelager. Die radiale Lagerkraft (Normalkraft) FN beträgt 3kN. Berechne die Gleitreibungskraft, wenn die Gleitreibungszahl mit 0,05 angegeben ist.
- Zu der Lösung.
Aufgabe 14
Bei einer Außenbackenbremse eines Schwungrades wirken die zwei Beläge mit einer Kraft von je 12000N auf die Trommel. Wie groß ist die Bremskraft FG an der Trommel, wenn mit einer Gleitreibungszahl von μG= 0,38 gerechnet werden kann?
- Zu der Lösung.
Hersteller und Lieferanten
Es gibt eine vielzahl von Herstellern und Lieferanten die das Fachgebiet der Kupplungen und meistens auch Bremsen abdecken. Bei der Auswahl eines Lieferanten muss erst das Anwendungsgebiet der Kupplungen oder Bremsen feststehen, erst dann macht es Sinn nach den Herstellern und Lieferanten zu suchen und den passenden auszuwählen.
Auswahlhilfe für Kupplungen und deren Lieferanten:
http://www.wlw.de/rubriken/kupplungen.html
Herstellerverweise:
- http://www.sgf.de Nicht schaltbare Kupplung
- http://www.moenninghoff.de/uploads/tx_mopr/313.pdf Hexaflex Gelenkscheibenkupplung
Anhang
Quellenangabe:
- Roloff / Matek Maschinenelemente, Vieweg Verlag 17. Aufl. 2005, ISBN 3-528-17028-x,
- Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel 53. Aufl. 1999, ISBN 3-8085-1153-2,
- Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik, Europa Lehrmittel, 14. Aufl. 2003, ISBN 3-8085-2124-4
- Technische Mathematik Kfz, Bildungsverlag Eins-Stam, 12. Aufl. 2002, ISBN 3-8237-0060-x,
- Plus diverse Lieferanten, siehe oben (Lieferanten -Links).