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Wellenkupplungen und Gelenke - Ausgleich von Winkel- und Radialversatz
In der Antriebstechnik sind Wellenkupplungen und Wellengelenke unverzichtbar, um Drehmoment zwischen zwei Wellen zu übertragen. Wenn die Wellen nicht exakt zueinander ausgerichtet sind oder wenn Schwingungen und plötzliche Laständerungen im System auftreten kommen hier nachgiebige Wellenkupplungen oder Wellengelenke zum Einsatz. In diesem Artikel wird der Unterschied zwischen Wellengelenk und flexibler bzw. nachgiebiger Wellenkupplung erläutert, welche Einsatzmöglichkeiten jede Komponente hat und welche Varianten es gibt.
Grundlegende Informationen zu nachgiebigen Wellenkupplung
Nachgiebige Wellenkupplungen, häufig auch Ausgleichskupplung genannt, werden als zuverlässig arbeitende, drehmomentübertragende Elemente mit ausgleichender Funktion eingesetzt. Im Gegensatz zu starren Verbindungen, die keine Wellenversätze tolerieren, können nachgiebige Kupplungen teils axiale, radiale und winklige Abweichungen ausgleichen. Die Möglichkeiten des Ausgleichs sind hier abhängig von ihrem Aufbau und ihrer Bauform. Bei der elastischen Kupplung geschieht das durch unterschiedliche technische Lösungsansätze wie z.B. durch Dämpfung von Stößen und Vibrationen durch elastische oder bewegliche Elemente. Gleichzeitig bleibt eine zuverlässige Drehmomentübertragung gewährleistet. Zur Funktionserfüllung sind flexible Wellenkupplungen häufig auf elastische Elemente angewiesen.
Begriffsabgrenzung: Flexible Wellenkupplung und Wellengelenk
Sowohl Wellenkupplungen als auch Wellengelenke dienen der Übertragung von Drehmomenten und Drehbewegungen zwischen Wellen. Was ist also der Unterschied? Wellengelenke können im Gegensatz zu flexiblen Wellenkupplungen auch größere Winkelabweichungen bei Wellen, die nicht in einer Linie liegen, ausgleichen. Die Winkelabweichungen können dabei über 45° betragen. Viele nachgiebige Wellenkupplungen können ebenfalls winklige Abweichungen ausgleichen, jedoch ist der Ausgleich, je nach Aufbau der flexiblen Kupplung, nur bis maximal 5° möglich. Es ergeben sich folgende Anwendungsfälle:
Bei MISUMI Wellengelenken wird eine Unterscheidung zwischen zulässigem Drehmoment und statischem Versagensmoment getroffen, da elastische Materialien unter stoßartigen Belastungen und Schwingungen auch schneller verschleißen. Das zulässige Drehmoment ist das maximale Drehmoment, das ein Wellengelenk unter normalen Bedingungen sicher, d.h. ohne Schäden und übermäßigen Verschleiß, übertragen kann. Das statische Versagensmoment hingegen ist die Belastungsgrenze, bei deren Überschreiten die Wellenkupplung versagt (z.B. durch Verformen oder Brechen). Wellenkupplungen und Wellengelenke sollten nur im Bereich des zulässigen Drehmoments eingesetzt werden. Das Versagensmoment ist nur als zusätzliche Angabe und zur Ermittlung der mechanischen Sicherheit zu verstehen.
Varianten von flexiblen Wellenkupplungen und Wellengelenken und ihre Einsatzmöglichkeiten
Je nach Bauart können nachgiebige Kupplungen auch Ausgleichsfunktionen wie den Ausgleich von Axialversatz, Radialversatz oder Winkelversatz übernehmen. Diese Ausgleichskupplungen werden häufig auch flexible Wellenkupplungen genannt. Ein entscheidender Unterschied von nachgiebigen, elastischen Wellenkupplungen zu starren Wellenkupplungen ist der Einsatz von elastischen Elementen. Diese bestehen häufig aus Polyurethan oder Kautschuk unterschiedlicher Härte. Ein Elastomereinsatz ist ein Dämpfungselement und sorgt für eine stoß- und vibrationsdämpfende Drehmomentübertragung. Er eignet sich für den Einsatz bei geringen dynamischen Belastungen, aber dennoch hoher Drehmomentübertragung. In unserem Artikel Details von Elastomereinsätzen für Kupplungen können Sie sich über die vielen Formen von Elastomereinsätzen informieren. Elastische Wellenkupplungen müssen aber nicht zwangsweise mit elastischen Elementen versehen sein. Doch welche Varianten von flexiblen Wellenkupplungen gibt es? Es folgt ein Überblick über verschiedene Wellenkupplungen, die bei MISUMI erhältlich sind:
Die Sternenzahnkupplung hat einen modularen Aufbau und besteht aus zwei Naben mit Klauen und einem sternförmigen Elastomereinsatz. Das Beispiel CPB zeichnet sich durch max. 2° Winkelversatz und 0.2 mm Radialversatz aus. Dank des modularen Aufbaus hält die Sternzahnkupplung hohen Belastungen stand. Mögliche Einsatzgebiete sind Förderanlagen und Kompressoren.
Metallbalgkupplungen zählen zu den drehsteifen Wellenkupplungen. Sie übertragen Drehmomente präzise und nahezu ohne Verdrehung. Im Gegensatz zu starren Kupplungen können sie axiale, radiale und winklige Wellenversätze bis zu einem gewissen Grad zuverlässig ausgleichen. Sie sind ideal für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Positioniergenauigkeit. Ihre hohe Torsionssteifigkeit sorgt dafür, dass auch bei dynamischen Lastwechseln keine nennenswerte Verdrehung auftritt. Die Verbindung zur Welle erfolgt meist über spielfreie Klemmnaben, was eine einfache Montage und einen sicheren Halt gewährleistet.
Bei der Federkupplung sind zwei Naben mit einer Feder verbunden. Die Feder ermöglicht den Einsatz bei besonders hohen Verdrehwinkeln. Das Beispiel FKSZS 1225 weist einen maximalen Radialversatz von 0.5 mm und einen maximalen Winkelversatz von 5° auf. Federkupplungen sind stark schwingungsdämpfend und unempfindlich gegenüber Belastungsspitzen. Federkupplungen sind hochelastisch. Mögliche Einsatzgebiete sind Druckmaschinen und Automatisierungstechnik.
Bei der Bolzenkupplung werden zwei Flansche miteinander verbunden. Auf dem einen Flansch befinden sich Bolzen mit Gummielementen, welche in Bohrungen auf dem zweiten Flansch eingreifen. Bei einer Baugröße von 110mm und Drehzahl 250 U/min hat die Kupplung in unserem Beispiel einen Radialversatz von maximal 0.5mm, der Winkelversatz reicht bis 0.2° und hängt ebenfalls von Größe und Drehzahl ab. Mögliche Einsatzgebiete sind große Pumpen, Fördersysteme und Kraftantriebe.
Eine Schlaufenkupplung ist eine flexible Wellenkupplung, die aus einem schlaufenförmigen Kunststoffelement und zwei integrierten Stahlnaben besteht. Ihre Wirkweise beruht auf der Fähigkeit des elastischen Schlaufenmaterials, axiale, radiale und winklige Wellenversätze auszugleichen, wodurch sie eine schwingungs- und stoßdämpfende Drehmomentübertragung ermöglicht. Das Beispiel DKPS 2928 weist einen Radialversatz von max. 2 mm und einen Winkelversatz max. 10° auf. Mögliche Einsatzgebiete sind: Steuerungstechnik, Messtechnik.
Bei einer Kettenkupplung werden zwei einreihige Kettenräder auf die Wellen montiert und durch eine Doppelkette verbunden. Im Wartungsfall lassen sich die Wellen unkompliziert durch Lösen der Ketten trennen. Kettenkupplungen eignen sich weniger bei auftretender Stoßbelastung. Mehr Informationen zu Ketten und Kettenrädern finden Sie im Artikel Ketten und Kettenräder: Wie sie zusammen funktionieren. Die zulässige Fehlausrichtung der hier als Beispiel gewählten Kettenkupplung liegt bei 0.5° oder weniger für den Alpha-Winkel und 1 % oder weniger bei der Kettenteilung für den seitlichen Omega-Winkel. Mögliche Einsatzgebiete sind Mischanlagen und Förderbänder.
Weitere Varianten von flexiblen und auch starren Kupplungen, wie die Klauenkupplung, Schlitzkupplung, Balgkupplung und Scheibenkupplung werden in unserem Artikel Wellenkupplungen - Grundlagen und Anwendungsbereiche vorgestellt. Einen Überblick über die Auswahl von Wellenkupplungen allgemein finden Sie auch in unserem Artikel "Wellenkupplungen - Auswahlverfahren nach Motor, Moment, Torsion und Montageverfahren".
Übersicht über Wellengelenke
Doppelte Wellengelenke und auch sog. Gelenkwellen übertragen Drehmomente zwischen räumlich versetzten Antrieben und Abtrieben. MISUMI Wellengelenke sind für Betriebswinkel bis zu 30° zulässig. Einzelgelenke eignen sich nicht zum Einsatz bei Wellenversatz. Der Unterschied zwischen Wellengelenken und Gelenkwellen ist der Anwendungsbereich: Wellengelenke werden bei kleineren bis mittleren Drehmomenten eingesetzt, Gelenkwellen bei sehr hohen Drehmomenten und schweren Bedingungen.
Dieser Artikel beschränkt sich auf die Betrachtung von Wellengelenken als Alternative zu Wellenkupplungen. Weitere Informationen zu verschiedenen Wellenarten finden Sie im Beitrag Wellenarten im Maschinenbau - Linearwellen, Rotationswellen, Stangen und wie man immer die richtige Wahl trifft.
Auch bei Wellengelenken gibt es verschiedene Varianten. Einfachwellengelenke eignen sich für Winkel bis zu 45°, speziell konstruierte Doppelwellengelenke hingegen können für Winkel bis zu 90° eingesetzt werden. Für den Fall, dass Wellenenden axial fixiert sind oder die Länge der Welle sich durch den Einfluss von schwankenden Temperaturen ändert, können auch ausziehbare Wellengelenke in Betracht kommen.
Wellengelenke gibt es in vielen Ausführungen. Unter anderem sind sie nach DIN 808 (Wellengelenke mit Gleitlager) normiert. Die Norm legt z.B. Toleranzbereiche, Belastbarkeiten oder geeignete Werkstoffe fest.
Zur Befestigung auf der Welle gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.
- Wellengelenk mit Gewindestift: Befestigung mittels durchgehenden Gewindestift (durchgehende Querbohrung auf Welle und zusätzliche Ringfederklammer benötigt)
- Wellengelenk mit Passfedernut: Befestigung durch Passfeder und Sicherungsschrauben (keine Querbohrung für den Gewindestift benötigt)
- Wellengelenk mit Befestigungsschraube: Befestigung direkt auf der Welle mit Sicherungsschraube
Vorauswahl und Betriebskennwerte ermitteln
Um die Eignung eines Wellengelenks für den geplanten Einsatz zu prüfen müssen mehrere Punkte untersucht werden.
Zu ihnen zählen:
- die zulässige Drehzahl in Umdrehung pro Minute (1/min)
- der zulässige Betriebswinkel in Grad (°)
- das zulässige Moment (Nm)
Zur Vereinfachung wird hier ein Betriebskennwert berechnet und mit dem maximal zulässigen Betriebskennwert des Herstellers verglichen. Der errechnete Betriebskennwert muss niedriger sein als der vom Hersteller bereitgestellte Maximalwert.
Betriebskennwert = Drehzahl \times Winkel(^{\circ}) \times Drehmoment
Betriebskennwert_{zulässig} > Betriebskennwert
Auch die vom Antrieb bereitgestellte Drehzahl muss berücksichtigt und unter Berücksichtigung des Betriebswinkels mit der maximal zulässigen Drehzahl verglichen werden. Die mit dem Winkelfaktor ermittelte Drehzahl muss kleiner als die zulässige Drehzahl sein.
Drehzahl_{zulässig} > Drehzahl \times Winkelfaktor
Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die verschiedenen Winkelfaktoren für MISUMI Kreuzgelenke der Serien UNCA, UNCW, UNKA und UNKW in Abhängigkeit vom Winkel:
| Winkel | > 0° ≤ 5° |
> 5° ≤ 10° |
> 10° ≤ 15° |
> 15° ≤ 20° |
> 20° ≤ 25° |
> 25° ≤ 30° |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Winkelfaktor | 1.00 | 1.05 | 1.18 | 1.43 | 1.82 | 2.50 |
Vorteile elastischer Kupplungen und Wellengelenke
Der entscheidende Vorteil von Wellengelenken und flexiblen Wellenkupplungen ist es, dass sie Versätze zwischen zwei Wellen ausgleichen. Flexible Wellenkupplungen dämpfen durch den Einsatz elastischer Elemente außerdem Vibrationen und Stöße. Die Drehmomentkapazität ist durch die Verwendung der flexiblen Materialien allerdings eingeschränkt, wodurch sie für Hochleistungsanwendungen weniger geeignet sind. Anders sind Wellengelenke: Sie sind in der Regel mechanisch robust und können auch hohen Belastungen standhalten. Ohne Ausgleichsmechanismen verursachen sie jedoch mitunter ungleiche Drehbewegungen, die wiederum Vibrationen und erhöhten Verschleiß zur Folge haben. Weitere Informationen zu dämpfenden Elementen erhalten Sie im Artikel Dämpfende Materialien in der Mechanik und Konstruktion: Ideen, Anwendungen und Vorteile.
Hinweise zur Montage
Beim Einbau von Wellengelenken und flexiblen Wellenkupplungen sind die zulässigen Versatztoleranzen zu beachten. Die DIN 740-2 definiert neben allgemeinen Anforderungen an Kupplungen auch zulässige Toleranzen für die verschiedenen Versatzarten axial, radial und winklig fest. Die DIN 808 liefert mögliche Winkelversätze für Wellengelenke. Ein Überschreiten der Versatzwerte kann auch bei Wellengelenken und flexiblen Wellenkupplungen zu erhöhtem Verschleiß führen, daher sollten die entsprechend festgelegten Grenzwerte berücksichtigt werden.
