Kupplungen

Christoph

Funktion

Kupplungen sind wichtige Maschinenelemente.

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 fremdbetätigten 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 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 und übernehmen dann wieder die verbindende, 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 richtige, passende Dimensionierung (Auslegung) mit den zugehörigen Berrechnungen.
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 dienen. Die Bauteile bestehen aus den verschiedensten Materialien (Kunstoff, Metallen, Leichtmetalle, etc.). Sonderformen (Sicherheitskupplungen) werden mit spezielle Werkstoffen ausgestattet, die stabiler oder schwächer (Brechbolzen) sind.

Anwendungsgebiete

Die einzelnen Einsatzgebiete richten sich vor allem nach den Form und den Art bzw. Wirkweise der Kupplung.

In Werkzeugmaschinen, Fahrzeugen etc. werden Kupplungen benötigt, haben dort schaltende,
übertragende Funktionen oder übernehmen Sicherheitsaufgaben. Ein Paar Beispiele aus der Praxis, wo Kupplungselemente und Einheiten zu finden sind: In Getrieben als Schaltelement, in Fahrzeugmotoren als Verbindungsglied von der Antriebseinheit am Motor zu der Abtriebseinheit, in Nc-Maschinen als Sicherheitseinrichtung oder als einfaches Übertragungselement (Kardanwelle) von zwei oder mehreren Arbeitseinheiten.

Bauarten

Die Bauarten der verschiedensten Kupplungen sind unterteilt in nichtschaltbare, schaltbare und in Sonderformen (Sicherheitskupplung)

nichtschaltbare Kupplungen

Nichtschaltbare Kupplungen verbinden Antriebswelle mit der Abtriebswelle und dürfen während des Betriebes nicht voneinander getrennt werden. 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.

Datei:Balgkupplung Meyer2.jpg Balgkupplung Elastische Ganzstahlkupplung
Siehe RM 13.3-13.4

schaltbare Kupplungen

Schaltbare Kupplungen unterbrechen die Verbindung zeitweise.
Schaltbare Kupplungen werden nach Art der Drehmomentübertragung, (Kraftschluss und Formschluss) unterschieden.

• Kraftschlüssig:
  trennbare Klauenkupplung, schaltbare Zahnkupplung.
• Formschlüssig:
  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.
  
• 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

Vorteile & Nachteile

Kupplungstyp	Vorteil	Nachteil
schaltbare Kupplungen	- Übertragung per Formschluss oder im Kraftschluss, je nach Kupplungstyp. - Im Betrieb (Formschluss) kein weiterer Kraftaufwand zur aufrechterhaltung nötig. - Kraftschlüssige Kupplungen auch bei hoher Last schaltbar. - Kupplungen können große Drehmomente trotz kleiner Bauweise übertragen.	- Formschlüssige Kupplungen nur im Stillstand schaltbar. - Wärmeentstehung durch Schaltvorgänge - Hoher Verschleiß der Reibflächen - Hohe Kosten.
nicht schaltbare Kupplungen	- Drehstarre können Wellenversatz (radial, Axial) ausgleichen. - Übertragen große Drehmomente bei kleiner Baugröße. - Kupplungstypen (Klauenkupplung) ermöglichen eine Formschlüssige Verbindung. - Gelenkwellen gleichen großen Winkelversatz, ohne Drehmomentverlust, aus. - Gelenkwellen können Längen über Schiebesitze auzugleichen. - Elastische Kupplungen nehmen Stöße und Schwingungen auf. - Metallfederkupplungen sind für hohe Arbeitstemperaturen ausgelegt.	- Keine Trennung der Verbindung während des Betriebes. - Starre Kupplungen keinen dürfen Wellenversatz haben.
Sonderkupplungen	- Kupplungen dienen zur Absicherung des Systems. - Halten die Kosten bei Überlastung gering. - Unterbrechen bei Überlast den Kraftschluss. - Keine Ausfallzeiten des Systems nach Überlast. - Keine Austausch defekter Bauteile nötig.	- Teure Herrstellung der nancher Kupplungen. - Einbaugrößen sind begrenzt. - Bei Brechbolzenkupplungen muss der Brechbolzen ausgetauscht werden. - Unterbrechung der Betriebsdauer bei der Verwendung einer Brechbolzenkupplung

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.

• Starren 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.

Berechnungsgrundlagen zur Haftreibungskupplung

Begriffserklärung

• F_K = Drehkraft (Umfangsseite) in N

• F_R = Reibungskraft einer Belagseite in N

• F_N = Anpresskraft (gesamt) in N

• µ_H = Haftreibungzahl

• A = Fläche einer Belagseite in cm³

• P = Flächenpressung in N/cm²

• D = Aussendurchmesser in cm, m

• d = Innendurchmesser in cm, m

• z = Anzahl der Kupplungsscheiben

• M_k = übertragbares Drehmoment in Ncm, Nm

• M_max = maximales Drehmoment in Ncm, Nm

• r_m = mittlerer Drehkrafthalbmesser (Radius) in cm, m

• S = Sicherheitszahl (S ≈ 1,2...1,5)

Formeln

F_k = 2 * F_R * z

F_R = F_N * μ_H

M_K = F_K * r_m

r_m = (D + d) / 4

M_K = 2 * F_R * r_m * z (Einscheibenkupplung)

M_K = 2 * F_N * μ_H * r_m * z (Einscheibenkupplung)

M_K = F_k * r_m (Mehrscheibenkupplung)

M_K = S * M_max

S = M_K / M_max

F_N = A * p

A = (π / 4) * (D² - d²)

F_N = (π / 4) * (D² - d²) * p

Erfahrungwerte

Kupplungsart	Belag	Haftreibungszahl µH	Flächenpressung p
Trocken	organisch Sinterbelag mit Keramikanteil	0,25 ... 0,5 0,30 ... 0,6	bis 35 N/cm2
Nass	Sinter-Metall Papier-Reibbelag Carbon-Reibbelag	0,08 ... 0,12 0,06 ... 0,10 0,08 ... 0,10	bis 300 N/cm2 bis 300 N/cm2 bis 800 N/cm2

Berechnung

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 150 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! Welche der beiden Kupplungen hat die größere Sicherheit?

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 µ_H kann aus der mitgelieferten Tabelle abgelesen werden (kleinster Wert). Die Kupplung läuft trocken und der Belag ist aus einer Schicht mit Keramikanteilen! Der angegebene M_max-Wert wird mit 175,35 Nm angegeben. Zu berechnen sind die Kräfte der Kupplungen, sowie die Kupplungsabmaße mit den zu übertragenden Drehmomenten! Wie sieht es mit der Sicherheit der Kupplung aus?

Aufgabe 2:
Die zweite Kupplung (Zweischeibenkupplung) fällt mit den Abmaßen, D = 150mm und d = 70mm ein wenig kleiner aus. Die Kupplung läuft trocken und besitzt eine Flächenpressung von 20 N/cm², der Reibbelag besteht aus organischen Belägen (µ_H = 0,4) und 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.

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.
Herstellerverweise: [Elastische Kupplungen]

http://www.rw-kupplungen.de

http://www.mayr.de/deutsch/p_alt/default.htm

http://www.rexnord-antrieb.de/d/index.html</gallery>