Kupplungen und Wellenkupplungen - Auswahlverfahren nach Motor, Moment, Torsion und Montageverfahren

Wellenkupplungen sind zentrale Komponenten in der Antriebstechnik und im Maschinenbau, da sie Wellen verbinden und eine effiziente Kraftübertragung ermöglichen. Die Auswahl der geeigneten Wellenkupplung, wie z. B. einer Linearkupplung als nicht rotatorische Kupplung, kann jedoch aufgrund der großen Vielfalt an Kupplungstypen schwierig sein. Dieser Artikel stellt verschiedene Auswahlkriterien, wie z.B. Motorleistung, erforderliches Drehmoment und Torsionseigenschaften, vor und gibt Ihnen eine Hilfestellung zur Auslegung der perfekten Welle für Ihre Anwendung.

Erklärung zu Wellenkupplungen

Mechanische Kupplungen dienen der dauerhaften oder zeitlich begrenzten Übertragung eines Drehmoments. Die Übertragung erfolgt in der Regel zwischen zwei zueinander ausgerichteten Wellenenden. Zusätzlich zu ihrer Hauptfunktion gleichen Wellenkupplungen je nach Variante auch Wellenversätze aus. Kupplungen lassen sich in schaltbare und nicht schaltbare Kupplungen kategorisieren. Schaltbare Kupplungen lassen sich gezielt öffnen und schließen. Anders ist das bei nicht schaltbaren Kupplungen. Sind diese einmal verbaut, können die durch die Kupplung verbundenen Wellenenden nicht ohne weiteres wieder voneinander getrennt werden. Zu diesen nicht schaltbaren Kupplungen gehören auch Wellenkupplungen. Hier entsteht eine permanente Verbindung zwischen den Wellen.

Nicht schaltbare Wellenkupplungen unterteilen sich weiter in starre Kupplungen und nachgiebige Kupplungen, wie solche mit und ohne Ausgleich. Einige nachgiebige Wellenkupplungen ermöglichen nur Schlupf, während nachgiebige Ausgleichskupplungen je nach Bauart eine elastische oder drehsteife Verbindung ermöglichen. Je nach Ausführung können flexible Wellenkupplungen Radialversatz, Axialversatz, und/oder Winkelversatz ausgleichen.

Die nachfolgende Grafik gibt eine detaillierte Übersicht zu nicht schaltbaren Wellenkupplungen:

Weitere Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten von Wellenkupplungen können Sie auch in unserem Artikel Wellenkupplungen – Grundlagen und Anwendungsbereiche nachlesen.

Was ist bei der Auswahl von Wellenkupplungen wichtig?

Für den idealen Einsatz einer Wellenkupplung sind verschiedene technische Kriterien zu beachten. Für ein besseres Verständnis werden vorher die wichtigsten Begriffe erklärt.

Begriffserklärungen

Im Zusammenhang mit Wellenkupplungen werden einige Begriffe immer wieder verwendet. Für ein besseres Verständnis folgt hier eine Erklärung der wichtigsten Begriffe. Ein (Dreh-) Moment (M) entsteht aus einer Kraft (F), welche in einem Abstand vom Drehpunkt (r) senkrecht zur verbindenden Gerade wirkt. Wirkt dieses Moment auf einen festen Körper, hat er das Bestreben, sich durch dieses Moment angeregt zu drehen. Wird der Körper am Drehen gehindert, so wird er auf Torsion beansprucht.

Das zulässige Drehmoment ist das maximal mögliche Drehmoment, das die Wellenkupplung übertragen kann, ohne dass sie Schäden davonträgt. Die Drehzahl gibt an, wie viele Umdrehungen eine rotierende Welle pro Minute leistet. Ähnlich wie das zulässige Drehmoment darf auch die maximale Drehzahl einer Wellenkupplung nicht überschritten werden, da es sonst zu Beschädigungen kommen kann.

Weitere Begriffe sind:

• Torsionssteifigkeit: Wird auch als Torsionsfederkonstante bezeichnet. Sie gibt das Drehmoment an, welches erforderlich ist, um ein Objekt um einen bestimmten Winkel zu verdrehen. Die Torsionsfederkonstante wird in N*m/rad (Nm pro Radiant) angegeben. Radiant (rad) ist ein auf das Bogenmaß eines Kreisauschnittes bezogenes Winkelmaß, wobei 1 rad × 180/p einem Winkel von ca. 57.3° entsprechen. Da eine so starke Verdrehung bei den meisten Werkstoffen gar nicht möglich ist, handelt es sich um einen theoretischen Wert. Ein Wert von z.B. 550 Nm/rad bedeutet, dass ein Moment von 550 Nm notwendig ist, um einen Körper um theoretisch 1 rad zu verdrehen. Je höher also die Torsionssteifigkeit bei einer Wellenkupplung ist, desto weniger Verdrehung unter Last lässt sie zu.
• Trägheitsmoment: Das Trägheitsmoment spiegelt den Widerstand eines Körpers und seiner Masse gegen eine Änderung seiner Bewegung wider. Beim Drehen einer stillstehenden Wellenkupplung oder einem Drehrichtungswechsel entsteht durch die Masse der Wellenkupplung ein Widerstand bzw. eine Trägheit, welche durch das Trägheitsmoment angegeben wird. Das benötigte Drehmoment des Antriebs erhöht sich dementsprechend mit dem Wert des Trägheitsmoments.
• Anzugsmoment (v. a. bei Klemmschrauben): Das Anzugsmoment beschreibt die Kraft am Schraubenkopf, mit welcher eine Schraube angezogen wird. Für einen festen Sitz der Wellenkupplung auf der Welle darf das Anzugsmoment nicht zu gering sein, aber auch nicht zu hoch, um Beschädigungen an den Komponenten zu vermeiden. Entsprechende Tabellen geben Aufschluss über das ideale Anzugsmoment je Schraube. Weitere Informationen finden Sie auch in unserem Artikel Berechnung von Anzugsdrehmomenten bei Schrauben - Welche Rolle spielt die Nachgiebigkeit?.

Technische Auswahlkriterien

Technische Auswahlkriterien für die Auswahl einer Wellenkupplung können zum Beispiel die Leistungsfunktion bzw. das zu übertragende Drehmoment, eine Ausgleichsfunktion oder eine geforderte Drehnachgiebigkeit sein.

Sind zwei verbundene Wellen nicht ideal zueinander ausgerichtet, spricht man von einer Fehlstellung. Abhängig von der Art und Ausprägung der Abweichung kann diese Wellenfehlstellung von einer Wellenkupplung mit Ausgleichsfunktion zuverlässig ausgeglichen werden. Nicht ausgleichbare und unentdeckte Fehlstellungen können zu erhöhtem Verschleiß führen und beeinträchtigen ggf. die Funktionsfähigkeit.

Es gibt drei Arten von Fehlstellung:

• Winkelversatz (Bild 1): Die Drehachsen der 2 Wellen sind nicht gleich, sondern stehen in einem abweichenden Winkel (a) zueinander.
• Radialversatz (Bild 2): Die Drehachsen sind parallel zueinander, aber in radialer Richtung (b) (senkrecht zur Achse) versetzt
• Axialversatz / Axialspiel (Bild 3):  Die Wellen verschieben sich entlang ihrer Achse, eine Abstandsänderung (c) zwischen den Wellenenden durch z.B. Temperaturausdehnung ist möglich.

Durch den Einsatz flexibler Kupplungen lassen sich viele Fehlstellungen ausgleichen, siehe dazu auch unseren Artikel „Kupplungen - Flexible Wellenkupplungen und Wellengelenke“.

Die Drehnachgiebigkeit einer Wellenkupplung beeinflusst die dynamischen Eigenschaften eines Antriebssystems, wie etwa bei einer Wellenkupplung mit Schrittmotor, wo eine präzise Positionierung erforderlich ist. Es gibt drehstarre Wellenkupplungen mit geringer Drehnachgiebigkeit, aber auch elastische Wellenkupplungen mit hoher Drehnachgiebigkeit. Bei geringer Drehnachgiebigkeit lassen sich Drehmomente nahezu verlustfrei übertragen. Eine hohe Positioniergenauigkeit ist gegeben. Das ist z.B. im CNC-Bereich von Relevanz. Anders verhält es sich bei Kupplungen mit hoher Drehnachgiebigkeit: Hier steht die Dämpfung und Stoßmilderung im Vordergrund; die Positioniergenauigkeit ist geringer. Sinnvoll kann das z.B. bei Förderanlagen oder allgemein Maschinen mit hoher Dynamik und wechselnden Lasten sein. Zur Reduzierung von Belastungsspitzen verfügen diese elastischen Kupplungen häufig auch über zusätzliche elastische Elemente, siehe dazu auch unseren Artikel Details von Elastomereinsätzen für Kupplungen.

Anlaufdrehmoment und zu übertragendes Kupplungsmoment

Das Anlaufdrehmoment wird beim Starten des Motors benötigt, um die Trägheit zu überwinden und die Maschine in Bewegung zu setzen. Aus dem Anlaufdrehmoment des Antriebs, dem Lastmoment der Arbeitsmaschine und anderen Einflussgrößen wie Stößen oder Massenträgheit ergibt sich das übertragende Kupplungsmoment. Die Wellenkupplung muss dieses zwischen dem Antrieb und der Arbeitsmaschine übertragen. Bei reversierendem Betrieb oder häufigem Starten und Stoppen wird die Kupplung stärker belastet. In solchen Fällen empfiehlt sich eine Wellenkupplung, die auf dynamische Lastwechsel ausgelegt ist. Bei der Auswahl der geeigneten Wellenkupplungen hilft in diesem Zusammenhang auch die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Antriebsmotors. Mit dieser Kennlinie wird die Abhängigkeit des Drehmoments von der Drehzahl eines Motors dargestellt. In der Regel werden verschiedene Kennlinien dargestellt, z.B. verschiedene Grenzkennlinien für kalte und betriebswarme Motoren. Als Sicherheitseinrichtung lassen sich auch Überlastkupplungen verbauen. Diese trennen den Abtrieb vom Antrieb, sobald ein eingestelltes Grenzdrehmoment erreicht wird. Die Überlastkupplung schützt so zuverlässig vor Überlastungsschäden und Ausfall.

Auslegung von nachgiebigen Wellenkupplungen

Eine Vorauswahl der geeigneten Wellenkupplung lässt sich am einfachsten nach den Eigenschaften des Motors treffen. Die folgenden Schritte und Überlegungen sind bei der Auswahl zu beachten:

Vorauswahl auf Basis des Motortyps

Für die vereinfachte Auswahl wird die Kupplung meist basierend auf der Motorleistung, dem Drehmoment und der maximalen Drehzahl unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors gewählt. Die Eignung muss jedoch immer anhand der technischen Daten des Herstellers sowie durch eine Berechnungen der für die spezifischen Anwendungsbedingungen auftretenden Kräfte überprüft werden.

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über mögliche Auswahlkriterien und die Ausprägung dieser Kriterien für die aufgeführten Wellenkupplungen:

Auslegung über die zu erwartende Last

Gerade nachgiebige Wellenkupplungen kommen zum Einsatz, wenn zusätzlich zur Übertragung von Drehmomenten auch Versätze und Schwingungen bzw. Stöße ausgeglichen werden sollen. In der Praxis lassen sich jedoch die erforderlichen Betriebsdaten und Einflussgrößen kaum oder nur schwer rechnerisch erfassen. Daher wird die Auslegung in der Regel mit einem vereinfachten Verfahren durchgeführt. Zur Auslegung gibt es die Variante mit Anwendungsfaktor oder die Auslegung nach der ungünstigsten Lastart.

Die Auswahl mit Hilfe von Anwendungsfaktoren ist eine der vereinfachten Varianten eine Auslegung nach Last durchzuführen. Bei diesem - auf Erfahrung gestütztem – Verfahren wird die Auslegung der Wellenkupplung unter Zuhilfenahme der herstellerseitig bereitgestellten Sicherheitsfaktoren (Anwendungsfaktoren) durchgeführt. Der vom Hersteller angegebene Anwendungsfaktor berücksichtigt die Art des Antriebs, des Betriebs und ggf. zusätzlich auftretende Kräfte, wie etwa Stoßbelastungen oder häufige Lastwechsel, die von außen eingeleitet werden. Der ermittelte Anwendungsfaktor kann dann mit dem maximalen Drehmoment der Wellenkupplung multipliziert werden. Häufig wird vom Hersteller ein Bereich für die Auswahl des jeweiligen Faktors angegeben. Hier muss dann die Höhe des gewählten Faktors und die daraus resultierende Sicherheitsreserve abgewogen werden.

Hier gilt:

Je starrer die Verbindung, desto wahrscheinlicher und stärker sind Lastspitzen, da die Kupplung diese nicht elastisch ausgleicht. Der Faktor muss also höher werden, um dem Versagen der Kupplung vorzubeugen. Die Berechnung mit Anwendungsfaktor ermöglicht bei Standardanwendungen zwar eine einfache Berechnung, jedoch werden häufig zu hohe Sicherheitsfaktoren berücksichtigt. Auch die bei stark ungleichförmigem Antrieb ggf. auftretenden Drehschwingungen werden unter Umständen nicht ausreichend berücksichtigt. Daher sollte in diesen Fällen auf eine Berechnung nach ungünstigster Lastart (DIN 740-2) zurückgegriffen werden.

Bei der Variante nach der ungünstigsten Lastart wird die DIN 740-2 herangezogen. Die Norm bietet Berechnungsgrundlagen für nachgiebige Wellenkupplungen und berücksichtigt verschiedene Lastarten und Einflüsse wie Frequenz, Temperatur, Anfahrhäufigkeit u.a., um eine sichere und zuverlässige Kupplungsauslegung zu gewährleisten. Ungünstige Lastarten ergeben sich z.B. aus erhöhter Stoß-, Vibrations- oder Temperaturbelastung. Extreme Temperaturen können die Materialeigenschaften der Wellenkupplung negativ beeinflussen. Zu hohe Stoß- und Vibrationsbelastungen führen zu plötzlichen und hohen Lastspitzen, die zu Schäden führen können.

Weitere Schritte zur Auslegung von Wellenkupplungen

Weitere Schritte bei der Auslegung von Wellenkupplungen sind:

• Kupplungstoleranz überprüfen: Die Toleranz (Winkel- und Radialversatz sowie die maximale Drehzahl) und das genannte Trägheitsmoment müssen die Bedingungen des Geräts erfüllen.
• Wellenbohrung auswählen: Der Außendurchmesser der Verbindungswelle muss im Bereich des Innendurchmessers der Kupplung liegen. Ist das nicht der Fall, ist die nächsthöhere Größe auszuwählen.
• Wellenverbindungsverfahren auswählen: Die Auswahl erfolgt gemäß der verwendeten Klemme, Nabenklemmung usw.
• Abschließend überprüfen: Ist die Kupplung anhand der Maßtabelle mit dem Gerät kompatibel?

Montagehinweise am Beispiel einer Federscheiben- Servokupplung mit Nabenklemmung

Für die Montage einer Wellenkupplung sind sorgfältige Vorbereitung und exakte Ausrichtung unerlässlich, um eine zuverlässige Funktion zu gewährleisten. Doch bevor mit der Montage begonnen werden kann, sollten vorab noch einmal alle benötigten Teile auf Vollständigkeit und korrekte Abmessungen geprüft werden. Schalten Sie die Maschine aus und sichern diese vor unerwartetem Anlauf.

• Zunächst müssen vor der Montage der Kupplung die Spannschrauben der Nabenklemmung vollständig gelockert werden. Anschließend sollten die Innenbohrung der Kupplung und die Wellenoberflächen gründlich mit einem Wischtuch von Staub, Schmutz und Öl gereinigt werden.
• Setzen Sie auf den Wellen eine Markierung für die vom Hersteller der Wellenkupplung angegebene mindeste Wellen- Einführtiefe.
• Schieben Sie die Wellenkupplung auf die nicht verschiebbare Welle auf. Achten Sie dabei darauf, keine übermäßigen Druck- oder Zugkräfte auf die Federscheiben auszuüben.
• Ziehen Sie die Klemmschraube der aufgesteckten Kupplungsseite leicht an, fixieren die Kupplung aber nicht endgültig.
• Richten Sie die Welle des beweglichen Aggregats konzentrisch zur nicht verschiebbaren Welle aus.
• Führen Sie das Wellenende vorsichtig und ohne zu verkanten in die Wellenkupplung ein und schieben es in axialer Richtung in die Kupplung ein, bis die herstellerseitig angegebene Einführtiefe der Wellenenden erreicht ist.
• Nehmen Sie eine Schnellprüfung des Winkel- und Radialversatzes mit der Kupplung als Basis vor und korrigieren die Ausrichtung falls notwendig.