Feinwerktechnische Konstruktion

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Feinwerktechnische
Konstruktion
Kapitel 13: Kupplungen
Prof. Dr.-Ing. Andreas Ettemeyer
Dipl.-Ing. Otto Olbrich
Fachhochschule München
Fachbereich 06 – Feinwerk- und Mikrotechnik
Version 3.01 vom 04.03.2007
- 13.2 -
Kapitel 13 - Kupplungen
Inhalt
13 Kupplungen .........................................................................................................................3
13.1 Allgemeines ..................................................................................................................3
13.2 Starre Kupplungen........................................................................................................5
13.3 Ausgleichskupplungen..................................................................................................8
13.3.1 Kupplungen mit axialem Ausgleich ........................................................................8
13.3.2 Kupplungen mit radialem Ausgleich.......................................................................9
13.3.3 Kupplungen mit Winkelausgleich .........................................................................10
13.3.4 Drehelastische Kupplungen .................................................................................12
13.3.5 Dauermagnetkupplungen.....................................................................................14
13.4 Schaltbare Kupplungen (fremd betätigt) .....................................................................14
13.4.1 Kupplungen mit Formschlussverbindung: ............................................................14
13.4.2 Reibschlüssige Kupplungen.................................................................................15
13.4.3 Schaltklauen.........................................................................................................19
13.5 Selbstschaltende Kupplungen ....................................................................................20
13.5.1 Sicherheitskupplungen.........................................................................................20
13.5.2 drehzahlabhängige Kupplungen ..........................................................................22
13.5.3 drehrichtungsabhängige Kupplungen ..................................................................23
13.5.4 Visko Kupplung ....................................................................................................24
Ettemeyer, Olbrich Fachhochschule München,
V 3.02
- 13.3 -
13 Kupplungen
13.1 Allgemeines
Hauptfunktion der Kupplungen

Verbinden von Welle mit Welle (Übertragung von Drehmomenten, Rotationsenergie)

Verbinden von Welle mit einem auf der Welle drehbar gelagerten Bauteil (z.B.
Zahnrad)
Nebenfunktionen
Ausgleich von

Radialen

Axialen

Winkligen Wellenverlagerungen

Drehmomentstößen

Ein- und Ausschalten der Drehmomentübertragung
Mögliche Lageabweichung von Wellen
a) axiale
b) radiale
c) Winkel-
d) Drehwinkelabweichung
Grundsätzliche Ausführungsformen von Kupplungen
a) starre
b) ausgleichend
c) schaltbar
d) selbst schaltend
V 3.02
- 13.4 -
1
linear
(z.B.
metallelastische
Kupplung ohne Dämpfung)
2
progressiv
elastische
Dämpfung)
Drehnachgiebigkeit von Kupplungen
zeitlicher Verlauf des Drehmoments:
1
drehstarre Kupplung
2
stoßmildernde Kupplung
3
stoßdämpfende Kupplung
Drehfederkennlinie
gekrümmt, z.B.
Bolzenkupplung
für
mit
Dämpfungsarbeit
Kupplungen werden in unterschiedlichen Bauformen fertig angeboten. Es kommt daher
darauf an, die geeignete Bauart und Größe auszuwählen.
V 3.02
- 13.5 -
13.2 Starre Kupplungen

Keine Ausgleichsfunktion

Nicht schaltbar
Ausführungsbeispiele
Voith-Hirth-Verzahnung:
Wellen müssen axial
vorgespannt sein!
V 3.02
- 13.6 -
Scheibenkupplung DIN 116
a) mit angeschmiedetem Flansch,
oben: mit Zentrierleiste
b) mit angeschweißtem Flansch
unten: mit geteiltem Zentrierring

Für hochbeanspruchte Wellen geeignet

Auch für stoßhafte Belastung, wechselnde Belastung, axiale Kräfte

Auch bei Biegebeanspruchung

Formen mit Zentrierring können demontiert werden ohne axiales Verschieben!

Kraftübertragung durch Passschrauben, die so hoch vorgespannt werden müssen,
dass das Drehmoment reibschlüssig übertragen wird
V 3.02
- 13.7 -
Schalenkupplung
Form A
Für Wellenenden mit
gleichen Durchmessern
Form B
Für Wellenenden mit
verschiedenen Durchmessern
auch mit Stahlblechmantel:

Verbindet zwei Wellen miteinander

Nicht so hoch belastbar wie Scheibenkupplung

Einfach zu montieren

Drehmomentübertragung durch Reibschluss der Schalen mit den Wellen

Schrauben wechselseitig durchstecken (Unwuchtgefahr)

Für D >= 55mm Passfedern verwenden (keine Keile!)

Stahlblechmantel für sicherheitstechnische Anwendungen
Stieber-Rollkupplung

Schnellkupplung, die mit leichter Handkraft hochfesten Presssitz der Welle erzeugt

Langrollen 4 sind im Winkel zur Achsrichtung geneigt

Bei Drehen des Überwurfs 6 wird er mit geringer Steigung auf den Kegel geschraubt

Dadurch Anpressen der ungeschlitzten Nabe 3 gegen die Welle 1

Beispiel: Für d = 40mm und l = 40mm kann M = 830 Nm übertragen werden
V 3.02
- 13.8 -
13.3 Ausgleichskupplungen
13.3.1 Kupplungen mit axialem Ausgleich
Stifte und Formelemente
Flanschkupplung mit Passstiften
Achtung: nur begrenzte Belastung!
Profilwellen
Klauenkupplung:
V 3.02
- 13.9 -
13.3.2 Kupplungen mit radialem Ausgleich
Kreuzscheibenkupplung
Parallelkurbel-Kupplung (SchmidtKupplung):
V 3.02
- 13.10 -
13.3.3 Kupplungen mit Winkelausgleich
Gelenkwelle:
a) mit Längenausgleich
b) ohne Längenausgleich
V 3.02
- 13.11 -
Winkelfehler bei Kreuzgelenken
(Kardangelenk)
1
treibende Wellen
2
Zwischenglied (Kreuz)
3
getriebene Welle
ω2 =
cos α
ω1
1 − cos 2 ϕ1 sin 2 α

Winkelgeschwindigkeit wird nicht
gleichförmig, sondern sinusförmig auf
Abtriebswelle übertragen

Drehwinkel der Abtriebswelle ist
abwechselnd vor- oder nachlaufend
Spiegelbildliche Anordnung von An- und Abtriebswelle führt zum Gleichlauf, wenn:

Alle Wellenteile müssen in einer Ebene liegen

Die Ablenkwinkel α der beiden Gelenke müssen gleich groß sein

Die inneren Gelenkgabeln müssen in einer Ebene liegen
Eigenschaften

Drehzahl der Gelenkwellen ist begrenzt (ungleichförmiger Lauf der Zwischenwelle)

Ablenkung des Drehmoments bewirkt in den Gelenken und Wellen
Biegekomponenten (Achtung Lagerbelastung)
Gleichlaufwelle:
1 Achszapfen
2 Kugelnabe
3 Kugel
4 Kugelkäfig
5 Faltenbalg
6 Welle
7 Gelenkstück
V 3.02
- 13.12 -
13.3.4 Drehelastische Kupplungen
Metallelastisch
Bibby-Kupplung

Schlangenförmig gewundene Stahlfedern übertragen die Kraft

Progressive Drehfederkennlinie

Bei großen Stoßmomenten liegen die Federn an Æ drehstarre Verbindung

Geteiltes Federgehäuse für Ein- und Ausbau ohne axiales Verschieben
Schraubenfederkupplung
V 3.02
- 13.13 -
Gummielastische Kupplungen
Kegelflex-Kupplung
Periflex Kupplung

lineare Kennlinie

Kennlinie annähernd
linear
Eupex Kupplung

Ortiflex Kupplung

Übertragung durch
vorgespannten 6-eckigen
Gummiring
Kennlinie progressiv
EZ Kupplung

Übertragung durch 2
Reifen aus
Naturkautschuk mit
Gewebeeinlagen
Kennlinie leicht progressiv
Übertragung durch
elastische Pakete aus
Gummi, Kunststoff, Leder
ELCO Kupplung

Übertragung durch
profilierte Gummihülsen
V 3.02
- 13.14 -
13.3.5 Dauermagnetkupplungen
13.4 Schaltbare Kupplungen (fremd betätigt)
13.4.1 Kupplungen mit Formschlussverbindung:

Einrasten des Schalthebels 7 bei versch. Zahnpositionen 1, 2, 3

Längsverschiebung des Hebels durch Antrieb 10

Neutralstellung bei 4

Andruckfeder 8
V 3.02
- 13.15 -
Schaltbare Klauenkupplung mit verschiedenen Zahnformen
a) Trapezzähne, nur bei Gleichlauf einrückend, nach beiden Richtung Kraft übertragend
b) Sägezähne nur in einer Richtung Kraft übertragend
c) „abweisende“ Zähne nach Mayach, nur nach Umkehr der Relativbewegung
(Gleichlauf) einrückend und dann in beide Richtungen Kraft übertragend
d) In jeder Stellung einschaltbar und in beiden Richtungen Kraft übertragend
Kupplung mit Verzahnung
a) Kraftübertragung durch Passfeder
b) Kraftübertragung durch Keilnutenwelle
13.4.2 Reibschlüssige Kupplungen
Scheibenkupplung
(ein-, zwei-, mehrflächig)
A = Ausschalten
Kegelkupplung
Zylinderkupplung
(Backenkupplung)
E = Einschalten
V 3.02
- 13.16 -
Zweiflächen-(Einscheiben)-Kupplung
a) Ringspann-Schaltkupplung
b) Ringspann-Anpressfeder
FS = Schaltkraft, FA = Anpresskraft

Übertragung des Drehmoments von Mitnehmerscheibe 2 über Zahn- oder
Bolzenverbindung in Reibscheibe 5

Kupplungsring 3 drückt über Einstellring 4 die Anpressfeder nach links und gegen
Reibscheibe bzw. Kupplungsnabe 1

Anpressfeder wird durch Schaltring 9 über Schaltmuffe 8, Schaltbuchse 7 und
Tellerfeder 11 verspannt

Kugeln 10 rasten in jeweiliger Schaltposition ein und entlasten Schaltring

Nachstellen der Kupplung durch Einstellring

Gute Ableitung der Reibungswärme (im Vergleich zur Lamellenkupplung)

Geringeres Leerlaufmoment (dto)

Aber teurer und größer bauend als Lamellenkupplung
V 3.02
- 13.17 -
Lamellenkupplung
Funktion:

Innenmitnehmer 1 trägt eine Außenverzahnung

Darein greifen Zähne der gehärteten Sinus-Innenlamellen 3

Außenlamellen 4 (Stahllamellen oder Sinterlamellen) sind mit Außenmitnehmer 2
verbunden

Kuppeln durch Verschieben der Schaltmuffe 5 über drei im Innenmitnehmer
angeordnete Winkelhebel 6

Winkelhebel 6 drücken mit kurzen Enden die Lamellen zusammen

Stellmutter 7 dient zum Nachstellen bei Verschleiß
Eigenschaften:

größter Einsatzbereich

skalierbar durch Hintereinanderschalten mehrerer Lamellen

Federwirkung der Sinuslamellen bewirkt weiches Kuppeln

Sicheres Entkupplung wird durch Eigenfederung der Sinuslamellen bewirkt

geringe Abmessungen

günstiger Preis

aber keine großen Wärmemengen speicherbar

es tritt immer ein kleines Leerlaufmoment auf.
V 3.02
- 13.18 -
Verschiedene Bauformen von BSD-Lamellenkupplungen
a) mit Nabengehäuse
b) mit Topfgehäuse (Innenflansch)
c) Doppelkupplung mit Nabengehäuse und Wendegetriebe:
Reibungsring-Kupplung
Funktion

Kombination von Kegel- und Zylinder-Reibungskupplung

Verschieben der Schaltmuffe 4 drückt über die Winkelhebel 5 die Tellerscheiben 3
zusammen

Dabei wird geteilter Reibring 1 nach außen gegen Kupplungsmantel 6 gedrückt

Beim Entkuppeln drücken Druckfedern 7 die Tellerscheiben auseinander und die
Zugfeder 2 den Reibring nach innen.

Ein- und Nachstellen über Gewindering 8
V 3.02
- 13.19 -
Eigenschaften

Reibflächen liegen weit außen

Dadurch gute Wärmeabfuhr

Geringe Schaltkräfte

Einsatz überwiegend für Trockenlauf im allgemeinen Maschinenbau

Auch mit hydraulischer oder pneumatischer Betätigung
13.4.3 Schaltklauen
V 3.02
- 13.20 -
13.5 Selbstschaltende Kupplungen

Fliehkraftkupplungen (drehzahlbetätigt),

Sicherheitskupplungen (momentbetätigt)

Freilaufkupplungen (richtungsbetätigt)
13.5.1 Sicherheitskupplungen

Auch Rutschkupplungen

Momentbetätigt
Zweiflächen - Sicherheitskupplung
Rimustat-Rutschnabe mit eingebautem Kettenrad auf der Arbeitswelle eines Getriebemotors

Trocken laufend

Wird unmittelbar auf das Wellenende von Getriebe/Motor gesetzt

Reibelemente 2 werden durch Feder 5 auf Antriebselement 3 gepresst

Bei häufigem Rutschen wird Antriebselement 3 auf einer Gleitbuchse 4 gelagert

Schraubenfedern weisen eine schwache Kennlinie auf, damit gleicher Anpressdruck
auch bei Verschleiß erhalten bleibt
V 3.02
- 13.21 -
Sperrkörper-Sicherheitskupplung
Kugelratsche

Kugeln oder Bolzen dienen als Sperrkörper

Drehmoment wird von Nabe 6 über Sperrkörper 4 auf den Flansch 5 übertragen

Bei Überschreiten des Grenzmoments werden Tellerfedern 2 zusammengedrückt und
die Sperrkörper rutschen

Teller 3 kann dabei z.B. einen Ausschalter auslösen
Klauen-Sicherheitskupplung (ESKA – Kupplung)

Vollständige Trennung bei Überlast

Drehmoment wird von Nabe 6 über eine Verzahnung auf den Ring 4, von dort über
abgeschrägte Klauen 3 auf den Kupplungsflansch 1 übertragen.

Der Ring wird durch am Nabenansatz anliegende Kugeln fixiert, die in schrägen
Rinnen geführt werden

Überlastung drückt die angeschrägten Klauen auseinander, Ring wird axial
verschoben und Kugeln werden angehoben
V 3.02
- 13.22 -
13.5.2 drehzahlabhängige Kupplungen
Fliehkraftkupplungen, z.B. Drehzahlbegrenzer

Radial bewegliche Massen (Fliehgewichte) erzeugen unter dem Einfluss der
Fliehkraft die erforderliche Anpresskraft für reibschlüssige Verbindung

Drehmoment steigt mit der Antriebsdrehzahl quadratisch an.

Arbeiten nur bei hohen Drehzahlen wirtschaftlich

Vorwiegend als Anlaufkupplung verwendet, wenn ein hohes Anlaufmoment durch
große bewegte Massen erforderlich ist

Z.B. Antrieb von Zentrifugen, Zementmühlen, schweren Fahrzeugen, Förderanlagen,
etc.

Es können kostengünstige schnell laufende Motoren eingesetzt werden, die nur für
Nennmoment ausgelegt werden müssen, hohes Antriebsmoment wird durch
Fliehkraftkupplung „sanft“ eingeleitet

Schutz der Antriebsmaschine vor Überlastung
V 3.02
- 13.23 -
13.5.3 drehrichtungsabhängige Kupplungen
z.B. Freilaufnaben, Freiläufe

Freie Bewegung in einer Drehrichtung

Kopplung in der Gegenrichtung

Als Rücklaufsperre bei Pumpen und Becherwerken

Als Überholkupplung bei Hubschrauberantrieben und Fahrradnaben

Als Schrittschaltwerk in Vorschubeinrichtungen bei Verpackungs-, Textil- und
Landmaschinen
Formschlüssiger Freilauf

Gesperrte Klinken oder Sperräder

Nachteil Klappergeräusch, Verschleiß, toter Gang

Einsatz bei langsam laufenden Antrieben

Bei geringen Anforderungen an die Schaltgenauigkeit
Reibschlüssige Freilaufkupplungen

Klemmrollen oder Klemmkörper zwischen Innen- und Außenring

Klemmbereitschaft in jeder Stellung

Geräuschlos

Eignung für hohe Drehzahlen

Geringer Verschleiß

Freilaufkupplungen ohne eigene Lagerung müssen zusätzlich zentriert werden

Auf ausreichende Schmierung achten
V 3.02
- 13.24 -
13.5.4 Visko Kupplung
1
Abtriebswelle
2
Gehäuse
3
Aussenlamelle
n
4
Innenlamellen
5
Silikonöl
6
Abtriebswelle
7
Dichtung

Leistung wird über ein Fluid (in der Regel Silikon-Öl) übertragen.

keine mechanische Verbindung zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle.

Benötigt zur Übertragung einen Drehzahldifferenz

Bei kleinerer Drehzahldifferenz entstehen Leistungsverluste

Bei kleinen Drehzahldifferenzen
wird nur sehr wenig Drehmoment
übertragen

Mit steigender Drehzahl nimmt
auch die Sperrwirkung zu

Der Anstieg des Momentes ist
degressiv, d.h. bei doppelter
Drehzahl wird weniger als das
doppelte Drehmoment übertragen.

auch bei kleinsten
Drehzahldifferenzen wird ein
Moment übertragen

Einsatz als automatische Differentialsperre

verschleißfrei
V 3.02