Servokupplungen: Wie sie die Lebenszeit von Werkzeugmaschinen verlängern

Servokupplungen lassen sich in hochdynamischen Vorschubachsen von Werkzeugmaschinen einsetzen, eignen sich aber auch bei anspruchsvollen Antrieben im allgemeinen Maschinenbau. Man findet sie in Industrie­robotern sowie in Servo- und Schrittmotorenapplikationen.

Servokupplungen für mehr Sicherheit

Durch den vermehrten Einsatz von Servoantrieben mit ihrer hohen Dynamik sind immer ausgereiftere Kupplungen gefragt. Auch wenn die Antriebselemente in hoher Präzision gefertigt sind: die unvermeidlichen Achsverschiebungen im Hundertstel-Millimeter-Bereich gilt es auszugleichen. Hier bieten sich die spielfreien Metallbalgkupplungen an, die mit weiteren Funktionen ausgestattet auch als Sicherheitskomponente die Maschine schützen.

Hohe Torsionssteife – niedriges Massenträgheitsmoment

Servokupplungen sind Ausgleichskupplungen zur spielfreien, winkelgetreuen Übertragung von Drehmomenten mit einer möglichst hohen Verdrehsteifigkeit (Torsionssteife) und einem möglichst niedrigen Massenträgheitsmoment. Allen Servo­kupplungen gemeinsam ist die absolute Spielfreiheit und die Flexibilität zum Ausgleich von Wellenversätzen. Für die unterschiedlichen Einsatzfälle wie etwa NC-Achsen, Schrittmotoren, Roboterantriebe, Lineareinheiten, Handhabungseinrichtungen, Winkelkodierer oder Servoantriebe stehen verschiedene Ausführungen zur Verfügung. Ausgestattet mit einer zusätzlichen Sicherheitsfunktion dienen Servoausgleichskupplungen auch als Überlastschutz und Drehmomentbegrenzer und schützen teure Anlagen vor kostspieligen Maschinenschäden.

Metallbalgkupplungen punkten bei hohen Drehzahlen

Eine Kupplung verbindet zunächst zwei Wellenzapfen. Schon ein minimaler Versatz der Wellen oder Schwankungen in der Umgebungstemperatur können allerdings zu einem unruhigen Lauf führen, was sich in erhöhtem Verschleiß der Lagerungen, größerer Lärmentwicklung oder sogar Schäden am kompletten Antriebsstrang widerspiegelt.

Metallbalgkupplungen sind in Drehrichtung sehr torsionssteif, das heißt, sie verwinden sich kaum in sich selbst. Lateral hingegen sind sie flexibel, was ihnen erlaubt, Fluchtungsfehler auszugleichen. Geringe Rückstellkräfte, die absolut spielfreie Drehmomentübertragung und die flexiblen Anwendungsmöglichkeiten machen sie heute zu einem unverzichtbaren Bestandteil im Maschinenbau. Besonders bei hohen Drehzahlen und präzisen Anwendungen können Metall­balgkupplungen punkten.

Aus Standard wird Sicherheit

Mit einer Ausrückmechanik, die zur Integration an die verschiedenen Servokupplungen geeignet ist, lassen sich die Standardkupplungen zu Sicherheitskupplungen erweitern. Damit ist es möglich, in Störfällen die Kupplungen als Drehmomentbegrenzer zu nutzen und somit Maschinenschäden zuverlässig zu verhindern. Unterschiede gibt es bei den Sicherheitskupplungen in erster Linie in ihrer Antriebsart, es wird zwischen direktem Antrieb und indirektem Antrieb unterschieden. Wird an das Sicherheitselement direkt ein Ausgleichselement in Form von Balg oder Elsto­meranbau angeschraubt, handelt es sich um einen direkten Antrieb. Beim indirekten Antrieb wird eine Riemenscheibe oder ein Kettenrad an das Sicherheitselement geschraubt. Ein zusätzliches Ausgleichselement ist bei dieser Art nicht nötig.

Das Herzstück der Sicherheitskupplung ist ein präziser, robuster Ausrückmechanismus mit Stahlkugeln als federbelastete Formschlusskörper. Wird das eingestellte Ausrückmoment überschritten, verdreht sich der Flanschring relativ zur Käfignabe und die Kugeln werden schlagartig aus den Kalotten gedrückt, der Antriebsstrang wird unterbrochen. Ist die Ausfallursache behoben, muss die Kupplung bei geringer Drehzahl wieder in ihren eingerückten Zustand gedreht werden. Die Sicherheitskupplung befindet sich nun in Synchron­lage und ist wieder funktionsbereit.

Vibrationen bekommen einen Dämpfer

Elastomerkupplungen mit einem flexiblen Polyurethanstern können aufgrund ihrer produktspezifischen Vorteile für eine Vielzahl an Anwendungen eine sinnvolle Alternative darstellen. Sie wirken sich dämpfend auf Vibration aus, anstatt sie an die nächste Komponente weiterzugeben. Durch das Dämpfungsverhalten erhöht sich die Lebensdauer des gesamten Antriebsstrangs. Auch bei dieser Art von Ausgleichskupplungen ist es wichtig, auf eine möglichst präzise Fluchtung zu achten. Weiterhin sind Elastomerkupplungen zumeist elektrisch isolierend.

Neben den Standardkupplungen als Balg- oder Elastomerkupplung werden ebenso Servokupplungen für große Achsabstände bis sechs Meter gefertigt. Sie werden als Distanzkupplungen oder Gelenkwellen bezeichnet und können Drehmomente bis zu 4.700 Newtonmeter übertragen. Gemeinsames konstruktives Hauptmerkmal dieser Kupplungen für große Achsabstände ist ein längenvariables Zwischenrohr, das dem kundenspezifischen Anwendungsfall optimal angepasst werden kann. Die Kupplungen können in vielen Fällen als Verbindungs-, Gelenk- oder Synchronwelle eingesetzt werden und Zwischenwellen-Konstruktionen mit aufwendiger, zusätzlicher Zwischenlagerung ersetzen. Fluchtungsfehler, besonders Parallelversatz, können in erheblicher Größenordnung kompensiert werden.

Miniaturkupplungen sind für den Versatz oder die Axialverschiebung zweier Achsen konzipiert und sind ab Bereichen von 0,4 Newtonmeter verfügbar. Sie sind die kleine Form der Balgkupplungen und Elastomerkupplungen, sind bei erhöhtem lateralen Versatz aber auch als Kreuzschieber­kupplung verfügbar.

Wie man die richtigen Servokupplungen wählt

Um die passende Kupplung für einen Antriebsstrang zu finden, müssen einige Faktoren beachtet werden. Der benötigte Drehmomentbereich, der Versatz und die Umgebungstemperaturen der Kupplung sind dabei besonders wichtig. Zunächst wird das benötigte maximale Drehmoment ermittelt. Die Kupplung sollte dementsprechend gewählt und nicht dauerhaft mit Überlast oder im absoluten Grenzbereich genutzt werden.

Die Fehlausrichtung geht Hand in Hand mit der möglichen Lebensdauer, denn je größer die Fehlausrichtung ist, desto geringer ist die Lebenserwartung der Kupplung. Daher ist unbedingt auf eine möglichst genaue Ausrichtung zu achten. Der ausgleichbare laterale Versatz bewegt sich in Bereichen von etwa 0,15 bis 0,3 Millimeter. Dies hängt auch stark von der Anzahl der Balgwellen ab. So erreicht eine 4-wellige Kupplung mehrfach höhere mögliche Versatzwerte als eine 2-wellige Kupplung. Grundsätzlich gehört die laterale Verschiebung aber zu den wichtigsten Faktoren nach dem Drehmoment, da sie große Auswirkungen auf die mögliche Kraftübertragung hat. Außerdem kann ein hoher Versatz zu einem unruhigen Lauf führen, der sich in erhöhtem Verschleiß, größerer Lärmentwicklung oder sogar Schäden am kompletten Antriebsstrang widerspiegeln kann.

Bei der Messung der maximalen Betriebstemperatur gilt es auch, die eventuelle Wärmeentwicklung der Maschine und ihrer Komponenten im laufenden Betrieb zu berücksichtigen. Die Wahl des Materials der Kupplungen ist in diesem Zusammenhang ebenfalls wichtig. Das oft genutzte, leichte Aluminium wird bei sehr hohen Maximaltemperaturen beispielsweise durch Edelstahlbauteile ersetzt.

Die Autoren: Roland Arnold arbeitet als Konstrukteur, Jonas Rüttger ist Produktmanager, Klaus Reus leitet den Export und Jan Möller ist Teil des Marketing-Teams bei Jakob Antriebstechnik.

Lesen Sie auch: Servokupplung: Worauf bei der Auswahl zu achten ist