Die Details von Elastomereinsätzen für Kupplungen

Elastomer-Kupplungen sind eine Art von Wellenkupplungen. Sie übertragen Drehmomente zwischen zwei Wellen und erfüllen z.B. Aufgaben wie Kraftübertragung, den Ausgleich von Ausrichtungsfehlern, aber auch Dämpfung von Stößen und Vibrationen. Durch den Einsatz unterschiedlicher Materialien, sowie deren Materialeigenschaften und Form sorgen Elastomer-Kupplungen für eine optimale Kraftübertragung. Durch die Eigenschaften des jeweiligen Elastomer-Zwischenstücks wird gleichzeitig verhindert, dass Schwingungen der Antriebswelle auf die gekuppelte Welle übertragen werden. Welche Eigenschaften das sind, wie die Härte von Elastomeren bestimmt wird und welche Anwendungsbeispiele es gibt, wird im folgenden Artikel besprochen.

Begriffe: Klauenkupplung und Elastomer-Klauenkupplung

Klauenkupplungen sind formschlüssige Kupplungen, deren Aufgabe es ist, Drehmomente zwischen zwei Wellen zu übertragen. Klauenkupplungen sind nicht starr. Sie können abhängig von der Ausführung Winkelfehler sowie radiale und axiale Fehler auffangen und gleichzeitig eine hohe und präzise Kraftübertragung gewährleisten. Sie bestehen im Grundaufbau aus zwei Metallnaben, die wie Klauen ineinandergreifen und so formschlüssig ein Drehmoment übertragen. Die Eigenschaften der Klauenkupplung in Bezug auf Vibrationsdämpfung und ihre Belastungsfähigkeit lassen sich durch unterschiedliche Zwischenstücke (Puffer) beeinflussen. Sind diese Zwischenstücke aus einem Elastomer, wird von Elastomer-Kupplungen gesprochen.

Bei der Elastomer-Klauenkupplung kommt ein sog. Ausgleichselement zum Einsatz, das den Drehmoment drehelastisch und schwingungsdämpfend überträgt (näheres zur Übertragung von Drehmomenten unter Übertragung von Drehbewegungen – Grundlagen zu Kupplungen). In besonders stoß- und vibrationsreichen Anwendungen kann sich das Element maßgeblich auf die Lebensdauer des Gesamtsystems auswirken. Das Ausgleichselement bzw. der Kupplungseinsatz beeinflusst die Antriebsstrang- bzw. Kupplungseigenschaften maßgeblich. In der Regel wirkt eine Druckvorspannung auf das Element, welche die Spielfreiheit der Kupplung garantiert. Elastomer-Kupplungseinsätze können verschiedene Formen haben, z.B. Elastomerstern bzw. Elastomerkranz oder Kreuzscheibe.

Elastomereinsätze müssen als Ersatzteile ggf. bei Verschleiß auch ausgetauscht werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Beispiel, wie eine Klauen-Kupplung aufgebaut sein kann und wie der entsprechende Kupplungseinsatz montiert wird:

Weitere Kupplungen mit Elastomereinsätzen

Neben der Klauenkupplung kommen Elastomereinsätze auch noch bei anderen Arten von Kupplungen zum Einsatz, wie z.B. bei der Oldham-Kupplung und der Federscheibenkupplung. Eine ausführliche Übersicht gängiger Kupplungsarten finden Sie in unserem Artikel Übersicht der Kupplungsarten im Maschinenbau.

Bei der Oldham-Kupplung gibt es ähnlich der Klauenkupplung zwei Naben. Dazwischengelagert befindet sich eine Scheibe, welche in die Nuten der Naben greift. Durch die elastische Kreuzscheibe kann sich die Kupplung seitlich bewegen, wodurch sie bei Anwendungen mit radialem Versatz Einsatz finden. Eine Anwendung für eine Oldham-Kupplung mit Elastomereinsatz wäre z.B. ein Motorprüfstand:

• (1) Positioniertisch X-Achse
• (2) Leistungsprüfstation
• (3) Wellenkupplung
• (4) Halterungen, L-förmig

Bei einer Scheibenkupplung sind die Naben gezähnt und mit einem elastischen Zahnkranz verbunden. Dieser dämpft und gleicht Fluchtungsfehler aus. Sie eignen sich für dynamische Belastungen.

Im MISUMI-Shop finden Sie zahlreiche Wellenkupplungen wie Schlitzkupplungen, Scheibenkupplungen (Servo-Kupplungen), Oldham-Kupplungen oder Klauenkupplungen. Wenn Sie in dem Zusammenhang Informationen zur Berechnung von Getrieben suchen, hilft Ihnen unser Artikel Verschiedene Getriebe berechnen weiter.

Weitere Eigenschaften von Elastomer-Kupplungseinsätzen

Elastomer-Kupplungseinsätze haben nicht nur dämpfende Eigenschaften, sondern bieten auch eine gewisse Flexibilität und Widerstandsfähigkeit. Diese Flexibilität ermöglicht einen Versatzausgleich zwischen beiden Wellen für radiale, axiale oder winklige Versätze. Kleine Ungenauigkeiten werden dabei durch den Elastomereinsatz kompensiert, ohne die Kraftübertragung zu beeinträchtigen. Insgesamt schützen die Elastomereinsätze somit direkt auch die angeschlossenen Bauteile vor ungleichmäßiger Belastung und verlängern die Lebensdauer des Gesamtsystems.

Doch auch Flexibilität hat ihre Grenzen: Bei extremen Drehmomentspitzen ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass der Elastomereinsatz versagt. Das kann aber durchaus einen positiven Effekt haben: Dieser Überlastschutz sorgt dafür, dass weitere Schäden an anderen Bauteilen rechtzeitig verhindert werden, indem zuerst die Kupplung bricht und die Verbindung unterbrochen wird. Diese Eigenschaft machen sich sog. Sicherheits- bzw. Überlastkupplungen zu Nutze.

Geeignete Materialien für Elastomereinsätze

Präzisionskupplungseinsätze werden normalerweise aus thermoplastischem Polyurethan (Abkürzung: TPU) hergestellt, einem thermisch stabilen Material in einem Temperaturbereich von -30 °C bis +120 °C. Auch HYTREL-Material kann verwendet werden, da es eine besondere Struktur aufweist und hauptsächlich für Anwendungen mit extremen Temperaturen verwendet wird. Weitere Materialien können sein:

• Nitrilkautschuk (NBR): Dieses Material ist besonders beständig gegenüber Ölen und Fetten. Eine Verwendung in Getrieben oder Pumpen liegt daher nahe. Allerdings ist Nitrilkautschuk temperaturempfindlich und kann ab 100 °C spröde werden und verhärten. Als Weiterentwicklung ist Hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR) erhältlich, welcher eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist. Es hat allerdings nicht die gleiche Elastizität wie NBR.
• Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM): EPDM hat eine hohe Resistenz gegenüber UV-Strahlung, hohen Temperaturen und Ozon und eignet sich in Außenanwendungen oder HVAC-Systemen. In Umgebungen, wo mit Ölen oder Fetten gearbeitet wird, ist es allerdings nicht einsetzbar.
• Silikonkautschuk (VMQ): Silikon hat eine hohe Temperaturbeständigkeit (bis zu 180 °C), jedoch eine geringe Abriebfestigkeit und Resistenz gegenüber Ölen, Säuren u.a. Es eignet sich daher im industriellen Umfeld nur bedingt.

Schlussendlich hängt die Wahl des geeigneten Materials wie so oft von der konkreten Anwendung ab. Temperaturbereich, chemische Beständigkeit und mechanische Belastbarkeit sind dabei sicher die wichtigsten Auswahlkriterien. Polyurethan gilt insgesamt aber als eine gute Rundum-Lösung.

Die Shore-Härte im Zusammenhang mit Elastomer-Kupplungseinsätzen

Prinzipiell ist die Shore-Härte ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl von Elastomer-Kupplungseinsätzen. Die Shore-Härte nimmt direkt Einfluss auf Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften des Elastomers und der Kupplung als Ganzem. Je höher die Shore-Härte, desto härter ist auch das Elastomer. Es lässt folglich weniger Verformung zu, wodurch die Kupplung selbst steifer wird und Drehmomente präziser übertragen werden können. Gleichzeitig reduzieren sich aber auch die Dämpfungseigenschaften. Steht Schwingungs- und Stoßdämpfung im Vordergrund, sollte daher auf ein weicheres Elastomer mit geringer Shore-Härte zurückgegriffen werden.

Die Shore-Härte elastischer Materialien wie Kunststoff oder Gummi lässt sich anhand von Härteprüfverfahren klassifizieren. Allen Verfahren ist gemein, dass ein Fremdkörper in einen Probekörper mit einer festgelegten Kraft eingebracht und die Eindringtiefe gemessen wird. Es gibt verschiedene Skalen, die je nach Härte des zu prüfenden Materials angewandt werden. Für Elastomere sind die Shore-Härte A und Shore-Härte D relevant. Beim Verfahren für Shore-A ist eingebrachte Fremdkörper eine Kugel bzw. eine flache Spitze mit 0.79 mm Durchmesser. Sie wird für weicherer Elastomere verwendet. Für härtere Elastomere gilt die Shore-D-Skala und es wird ein Fremdkörper mit einer scharfkantigen Pyramide als Spitze eingebracht.

Weitere Informationen zur Härte von Materialien finden Sie auch in unserem Artikel Härtegrade und Härteprüfung im Vergleich.

Verschiedene Shore-Härten für Elastomere im Allgemeinen

Elastomer-Kupplungseinsätze lassen sich nach ihrem Härtegrad wie folgt einteilen:

• mittlerer Härtegrad: Typ A
• geringer Härtegrad: Typ C
• hoher Härtegrad: Typ B, D und E

Bei MISUMI gibt es Elastomersterne bzw. Elastomerkränze in verschiedenen Härten:

• A = Shore-Härte 98 Sh A
• B = Shore-Härte 64 Sh D
• C = Shore-Härte 80 Sh A
• D = Shore-Härte 65 Sh D
• E = Shore-Härte 64 Sh D

Typ A

Elastomer-Kupplungseinsätze vom Typ A sind die am häufigsten verwendete Elastomereinsätze. Sie haben einen Härtegrad von 98 Sh A und weisen eine gute Kombination aus Schwingungsdämpfung und Tragfähigkeit auf.

Typ C

Typ C ist der weichste Elastomertyp mit einer Härte von 80 Sh A. Dieser Typ hat beste Dämpfungseigenschaften.

Typ B, D und E

Die Typen B, D und E sind die härteste Gruppe von Elastomer-Kupplungseinsätzen mit einer Shore-Härte von 64-65 Sh D. Sie haben eine relativ hohe Torsionssteifigkeit, aber ein eher geringes Dämpfungsvermögen.