Kupplungen - Starre / Steife Kupplungen

Starre, nicht schaltbare Kupplungen sind robust, kompakt und drehsteif. Nebenbei ermöglichen sie durch ihre Bauform zwei Wellen exakt axial zueinander auszurichten. Starre Kupplungen lassen allerdings keine Flexibilität, Bewegung und Ausgleich zu. Können beide Wellen nicht perfekt ausgerichtet werden, kann der Einsatz einer starren Kupplungen zu ungewollten Biegespannungen im System führen. Wo sich der Einsatz einer starren Wellenkupplung lohnt, welche Vorteile sie mit sich bringen und welche verschiedenen Typen es gibt, können Sie in diesem Artikel nachlesen.

Grundlegende Informationen zu starren Wellenkupplungen

Starre Wellenkupplungen verbinden zwei Wellen oder Achsen starr und fest miteinander. Sie bieten keinen Fehlstellungsausgleich, sorgen aber für eine präzise Ausrichtung. Durch ihre robuste Bauweise können sie trotz kompakter Form auch hohe Drehmomente übertragen und hohen Belastungen standhalten. Mehr über die grundsätzlichen Möglichkeiten der Drehmomentübertragung lesen Sie in unserem Artikel Übertragung von Drehbewegungen - Grundlagen zu Kupplungen. Starre Wellenkupplungen zählen zu den einfachsten Bauformen zum Zentrieren und Verbinden zweier Wellenenden. Zu unterscheiden sind starre Kupplungen von nachgiebigen Wellenkupplungen, auch Ausgleichs- Wellenkupplungen genannt. Diese bieten je nach Bauform die Möglichkeiten zum Ausgleich in Axialrichtung, Radialrichtung oder Winkelversatz. Einige Ausführen der nachgiebigen Wellenkupplungen wie z.B. elastische Wellenkupplungen ermöglichen auch einen Drehwinkelausgleich.

Die Kraftübertragung einer starren Wellenkupplung kann formschlüssig, kraftschlüssig oder in einer Kombination aus beiden Arten erfolgen.

Bei einer formschlüssigen starren Wellenkupplung greifen die Kupplungsteile aufgrund ihrer geometrischen Form wie Zähne oder Klauen ineinander, wodurch relative Bewegung verhindert wird. Die Kraftübertragung der Antriebswelle zur angetriebenen Welle erfolgt durch direkte mechanische Verbindungen der beiden auf die Wellenenden montierten Wellenkupplungsteile. Ein Beispiel einer formschlüssigen Wellenkupplung sind Stirnkerbzahnkupplungen. Bei diesen Zahnkupplungen greift die Verzahnung der beiden Kupplungshälften ineinander und sorgt so für eine Selbstzentrierung und einen festen Sitz. Stirnkerbzahnkupplungen benötigen für Ihren Einsatz eine axiale Vorspannung.

Bei einer kraftschlüssigen starren Wellenkupplung erfolgt die Kraftübertragung von einer zur anderen Welle durch Reibung. Dies kann zwischen Welle und Wellenkupplung erfolgen oder aber durch im Reibschluss verbundene Komponenten in der Kupplung selbst. Die Verbindung wird allein durch eine aufgebrachte Kraft und daraus resultierende Reibung hergestellt. Die Reibungskraft entsteht z.B. durch Klemmschrauben oder Spannhülsen. Diese Verbindungsart eignet sich für hohe Kraftübertragung, weniger aber bei Temperaturänderungen, da diese die Reibungseigenschaften beeinflussen können. Ein typisches Beispiel sind Schalenkupplungen.

Vorteile starrer Wellenkupplungen

Starre Wellenkupplungen zeichnen sich vor allem durch hohe Torsionssteifigkeit, Spielfreiheit und eine hervorragende Drehmomentübertragung aus.

Torsionssteifigkeit bedeutet, dass Drehmomente von der Wellenkupplung übertragen werden können, ohne eine Verdrehung in der Kupplung selbst zu bewirken. Das ist für eine präzise Bewegungssteuerung essenziell, was vor allem in der Robotik oder bei CNC-Maschinen Anwendung findet. Durch ihre schlichte und einfache Bauform lassen sie sich meist leicht installieren. Starre Wellenkupplungen unterbinden jegliche Ausgleichsbewegung, was zwar die Systemstabilität erhöht, aber eine hohe Präzision in Bezug auf die Laufstabilität und Ausrichtung der Wellen zueinander erfordert.

Weitere Informationen zum Thema Torsion finden Sie in unserem Blog: Torsion – wie man eine Verdrehung versteht.

Voraussetzungen für den Einsatz von starren Wellenkupplungen

Grundbedingung für den Einsatz von starren Wellenkupplungen ist somit, dass die verbundenen Wellen hinreichend genau ausgerichtet sind. Sind die Fehlstellungen zu groß, können unter anderem Unwuchten und Biegespannungen entstehen, die besonders bei steigenden Drehzahlen einen Einfluss haben. Selbst kleine Fehlstellungen können zu erhöhtem Verschleiß und vorzeitigem Versagen führen. Können die zu verbindenden Wellen nicht entsprechend ausgerichtet werden, sollten nachgiebige Wellenkupplungen verwendet werden. Weitere Informationen dazu finden Sie auch in unserem Artikel "Kupplungen - Flexible Wellenkupplungen und Wellengelenke".

Varianten und Klemmmöglichkeiten

Eine Variante der starren Wellenkupplung ist die Wellenkupplung mit Flansch, auch Scheibenkupplung genannt. Diese besitzen zwei Flansche, die miteinander verschraubt sind, um eine besonders stabile Verbindung zu gewährleisten. Auch Wellenkupplungen mit Flansch setzen zwei exakt fluchtende Wellen voraus. Eingesetzt werden Wellenkupplungen mit Flansch in Anwendung mit besonders hohen Lasten.

Eine weitere Variante ist die zweigeteilte Kupplung, auch Schalenkupplung genannt. Schalenkupplungen sind in der Mitte längs geteilt. Beide Kupplungshälften werden mittels Spannschrauben miteinander verbunden. Zweigeteilte Kupplungen sind leicht zu montieren und demontieren, da sie von außen auf die Welle aufgesetzt und nicht über die Welle geschoben werden müssen. Auch hier sind fluchtende Wellen unabdingbar.

Kupplungen können auch mit Spannhülse versehen sein. Diese Spannhülse kann konisch oder kegelförmig sein und sitzt zwischen Welle und Kupplung. Durch axiale Verschraubung wird Druck erzeugt und eine hohe Haltekraft entsteht. Die Welle selbst wird nicht beschädigt. Diese Art von Kupplung wird häufig in Anwendungen mit besonders hohen Drehmomenten eingesetzt.

Eine weitere besondere Form der starren Kupplung ist die Stirnzahnkupplung. Bei dieser Kupplung greifen formschlüssige Zähne ineinander, die sich stirnseitig auf zwei gegenüberliegenden Flächen befinden und mit Schrauben oder Bolzen verbunden werden. Die Zähne der beiden Kupplungshälften greifen wie zwei Zahnräder ineinander und stellen so einen Formschluss her. Auch diese Variante eignet sich bei hohen Drehmomenten.

Metallbalgkupplungen sind keine typischen starren, sondern drehstarre / drehsteife Wellenkupplungen, die axiale, radiale und winklige Wellenversätze ausgleichen können. Gleichzeitig haben sie eine hohe Torsionssteifigkeit.

MISUMI hat eine Vielzahl an nachgiebigen und drehsteifen Wellenkupplungen im Webshop:

• Kupplung mit geteilter Klemmung
• Metallbalgkupplungen
• Klemmkupplung für Wellen
• Schlitz- Kupplungen
• Kettenkupplungen
• Wellenkupplung mit Flansch
• Servo- Kupplungen usw.

Einsatzmöglichkeiten und wichtige Parameter zur Auswahl

Die erste Frage, die man sich vor der Auswahl stellen sollte, ist natürlich, ob ein Versatzausgleich benötigt wird oder nicht. Nur wenn kein Ausgleich benötigt wird, lassen sich starre Wellenkupplungen überhaupt einsetzen.

Weitere Parameter unterscheiden sich nicht wesentlich von der Auswahl von Kupplungen allgemein:

• Wellenabmessungen: Wellenkupplungen haben unterschiedlichen Durchmesser. Wellendurchmesser und Bohrausführung müssen zur Welle passen.
• Drehmomentübertragung: Das maximale Drehmoment der Anwendung, inklusive etwaiger Lastspitzen, muss übertragen werden.
• Drehzahlbereich: Die Kupplung muss für die maximale Drehzahl geeignet sein. Andernfalls sind Überhitzung und Instabilität die Folge.
• Betriebsumgebung: Zusätzliche Belastungsfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit oder Staubentwicklung sind zu berücksichtigen.
• Anforderungen an die Wartung: Starre Kupplungen sind in der Regel wartungsarm. Ein regelmäßiges Überprüfen auf Schäden und Lockerungen ist dennoch notwendig.
• Bauform und Gewicht: Das Gewicht beeinflusst das Trägheitsmoment und sollte entsprechend gewählt werden. Die Bauform muss zur vorhandenen Montageumgebung passen.

Die Wellenenden müssen außerdem gelagert sein, um die korrekte Ausrichtung der Wellen zu gewährleisten und Biegebelastungen vorzubeugen. Für eine Einführung in die Auswahl von Wellenkupplungen allgemein verweisen wir Sie gern auch auf unseren Artikel "Wellenkupplungen - Auswahlverfahren nach Motor, Moment, Torsion und Montageverfahren".

Grenzen von starren Wellenkupplungen

Starre Wellenkupplungen können in der Regel keine Fehlausrichtungen von Wellen, wie z.B. Radialversatz oder Axialversatz, ausgleichen. Ist die Welle nicht innerhalb der Toleranzanforderungen ausgerichtet, kann das zu Biegespannungen und erhöhtem Verschleiß führen. Die starre Verbindung sorgt auch dafür, dass diese Art von Wellenkupplung keinen Schutz vor Belastungsspitzen und dynamischen Belastungen bieten. Stoßbelastungen und dynamische Lastwechsel werden direkt von einer Welle auf die andere Welle übertragen. Ist zusätzlich Flexibilität, Ausgleich oder Beweglichkeit notwendig, sind starre Wellenkupplungen meist ungeeignet. Hier kann eine elastische Kupplung mit Elastomereinsatz die Lösung sein. Weitere Informationen zu Elastomereinsätzen finden Sie in unserem Blog "Die Details von Elastomereinsätzen für Kupplungen".

Montage von starren Wellenkupplungen

Da starre Wellenkupplungen nur bei präzise ausgerichteten Wellen verwendet werden können, ist es entscheidend, dass die Wellen entsprechend genau ausgerichtet sind. Bereits geringfügige Fluchtungsfehler können zu erheblichen Zusatzbelastungen führen, die sowohl die Kupplung als auch die angrenzenden Wellenabschnitte beeinträchtigen. Die Ausrichtung der Wellen erfolgt meist mit Lineal, Messuhr oder mittels Laser. Während die Ausrichtung mit Lineal und Messuhr meist kompliziert und aufwendig ist, bietet die lasergestützte Wellenausrichtung genaue und schnelle Ergebnisse. Mittels Laserstrahl wird eine Linie entlang der Wellenachse projiziert, anhand derer man die Wellen ausrichten kann. Abweichungen werden direkt von Sensoren erfasst und können nachjustiert werden. Diese Methode wird auch zur Zustandsüberwachung genutzt und hat den Vorteil, dass schon geringe Veränderungen der Ausrichtung oder Vibrationen frühzeitig erkannt werden.