Ratgeber
Wellen dienen in der Mechanik zum Übertragen von Rotation sowie Drehmoment und damit mechanischer Arbeit. Zum Verbinden von zwei Wellen in einem Antriebsstrang, z. B. zwischen Motor, Getriebe und anzutreibender Maschine, werden Kupplungen verwendet, die je nach Anforderung der Anwendung bestimmte Konstruktionsmerkmale aufweisen. Wesentliche Eigenschaft der Wellenkupplung ist, dass die Drehzahl sowie das Drehmoment auf den Eingangs- und Ausgangsseiten gleich sind. Neben der Übertragung der mechanischen Arbeit können Wellenkupplungen auf Grund ihrer Bauart weitere Aufgaben erfüllen, z. B. Dämpfung von mechanischen Schwingungen zwischen den einzelnen Maschinenelementen, Ausgleich von Wellenversatz sowie elektrische Isolierung.
Jeder Wellenversatz und die davon verursachten Rückstellkräfte führen bei starrer Verbindung der Wellen zu einer hohen Belastung der Wellenlagerung und damit zu vermeidbarem Verschleiß. Selbst bei präzisem Ausrichten der Wellenenden bei der Montage kann auf Grund von dynamischen sowie thermischen Einflüssen im Betrieb Versatz oder Winkelverlagerung auftreten.
Zahnkupplung zusammengebaut. Rechts die Kunststoffhülse zur Verbindung.
Einzelteile einer Kaluenkupplung: Naben A und B, Nabe mit kanger Bauform und Kunststoffstern.
Im einfachsten Fall handelt es sich um eine starre Kupplung, also ein durchgängiges axiales Verbindungselement, das auf die jeweiligen Wellenenden passt und dort z. B. mit Stellschrauben, Klemmverbindungen oder Passfedern befestigt ist. Damit ergibt sich eine weitgehend drehstarre Verbindung der beiden Wellen, d. h. Drehmoment und Drehwinkel werden phasengleich übertragen.
Konstruktion, Montage und Betrieb eines Antriebssystems vereinfachen sich allerdings in den meisten Fällen, wenn die Wellenkupplung aus zwei Teilen besteht, die drehelastisch miteinander verbunden sind. Dabei kann es zu einem gewissen Phasenversatz beim übertragenen Drehmoment und Drehwinkel kommen.
Dazu gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder sind es zwei außen gezahnte Naben, die mittels einer innen gezahnten Hülse verbunden werden, so genannte „Zahnkupplungen“, oder es sind zwei Naben, deren in fingerförmigen Klauen in axialer Richtung ineinandergreifen, so genannte „Klauenkupplungen“. Bei beiden Typen handelt es sich um eine flexible Wellenkupplung.
Eine Zahnkupplung besteht aus zwei Naben aus Metall, z.B. Stahl, und einer Hülse aus Kunststoff, in der Regel Polyamid. Die Hülse macht auf Grund ihrer Elastizität die Kupplung zu einer drehelastischen Verbindung.
Auch die Klauenkupplung ist drehelastisch. Dazu wird zwischen den fingerförmigen Klauen der beiden metallischen Naben aus Aluminium oder Stahlguss ein Stern aus elastischem Kunststoff eingefügt, so dass stoßartige oder oszillierende Änderungen des Drehmoments sowie mechanische Schwingungen und Vibrationen der Maschinenelemente gedämpft werden. Weil der Kunststoff des Sterns nur auf Druck und nicht auf Zug belastet wird, lassen sich hiermit relativ große mechanische Leistungen übertragen. Der Kunststoff ist ein spezielles Elastomer-Material, das gegenüber Öl, Chemikalien und Wärme beständig ist. Es werden besonders hohe Anforderungen an Alterungsbeständigkeit, Abriebbeständigkeit und Ermüdungsfreiheit gestellt.
Klauenkupplungsstern aus Elastomer-Material.
Zu den wichtigen Kennwerten einer Wellenkupplung gehören die mechanischen Abmessungen der Bohrungen für die aufzunehmenden Wellen, also deren Durchmesser und Bohrungslänge. Die erste und zweite Ziffer der Typenbezeichnung gibt an, welche maximale Bohrdurchmesser der Nabe A und Nabe B zulässig sind. Der Außendurchmesser des Schaftes der Nabe A ist kleiner als der des Schaftes der Nabe B. Es gibt auch eine Ausführung mit langem Schaft, der eine gesamte Motorwelle überdeckt. Weitere wichtige Kennwerte der Wellenkupplung sind das maximale Drehmoment sowie die maximale Drehzahl, die übertragen werden darf.
Die Kunststoffsterne werden aus Elastomeren mit unterschiedlichem Härtegrad hergestellt. Angegeben werden die Shorewerte, z. B. 800 Sh niedrige Belastung und geringe Drehsteifigkeit, 920 Sh für mittlere Belastungen in den üblichen industriellen Anwendungen oder 980 Sh für hohe Momente, wobei hier allerdings auf Grund der größeren Härte eine höhere Drehsteifigkeit vorliegt und geringere Winkelabweichungen möglich sind. Die Kunststoffsterne sind farblich gekennzeichnet, damit es nicht zu Verwechslungen kommt.
Eine Kupplung muss so ausgelegt und ihre mechanischen Daten müssen so bemessen sein, dass die zulässige Belastung im Betrieb nicht überschritten wird. Hinweise für die Auslegung einer Wellenkupplung gibt die Norm DIN 740, Teil 2. Entscheidend sind die in den Datenblättern angegebene Werte für Nenndrehmoment TKN, das im gesamten zulässigen Drehzahlbereich übertragen werden kann, sowie das Maximaldrehmoment TKmax, das kurzzeitig als wechselnde Beanspruchung übertragen werden kann. Bei kurzzeitigen Lastspitzen kann eine Kupplung typischerweise Drehmomente vom bis zum dreifachen Wert des Nennmoments verkraften.
Wichtig ist, dass die zulässige Betriebstemperatur der Kupplungen den zulässigen Bereich nicht unter- oder überschreitet, weil sonst der Kunststoffteile nicht mehr die in den Spezifikationen festgelegten Eigenschaften einhalten können. Typische Werte sind -30 0C bis +90 0C.
Als rotierendes Maschinenelement muss auch bei Wellenkupplungen auf möglichst geringe Unwucht geachtet werden, die zu störenden Vibrationen führt. Bauformen mit möglichst geringem Umfang und symmetrischem Aufbau neigen weniger zu Unwuchten.