Torsionssteife Kupplung als Verbindung von zwei Antriebselementen

Eine Hauptanforderung bei der Konstruktion von Fertigungsanlagen ist die spätere Prozesssicherheit der Anlage. Um diese zu erlangen oder zu erhöhen, schaut man sich in der Regel die komplette technologische Kette an, das heißt man prüft einzelne Materialien und Komponenten in der Anlage.

Eine torsionssteife Kupplung als Verbindung von zwei Antriebselementen gewährleistet Prozesssicherheit zum Beispiel durch die exakte Übertragung des Drehmoments und den Ausgleich von Versätzen. Neben der spielfreien und torsionssteifen Übertragung von Drehmomenten werden also gleichzeitig axiale, laterale und angulare Versätze des An- und Abtriebs ausgeglichen. Während der Betriebsdauer muss das absolut störungsfrei funktionieren. Die Metallbalgkupplungen von R+W zeichnen sich durch eine hohe Verdrehsteife und durch eine zuverlässige und exakte sowie präzise Drehmomentübertragung, die gerade bei geforderten Positioniergenauigkeiten einen Vorteil darstellt, aus.

Über den Katalogstandard hinaus gibt es hier die Möglichkeit, eine auf den Anwendungsfall maßgeschneiderte Lösung zu bekommen. Dabei spielt es zunächst keine Rolle ob es um eine oder mehrere Kupplungen geht. Im dem folgenden Anwendungsfall eines Anlagenbauers, der Fertigungsanlagen zur Herstellung von Displays (LCD, LED und OLED) entwickelt und konstruiert, wurde eine kundenspezifische Sonderlösung, die den speziellen Anforderungen gerecht wird, kreiert.

Die Anforderungen in diesem Fall waren: ein relativ kompakter Bauraum; Axial- und Lateralversätze, die über den Standard hinaus gingen; die Übertragung eines größeren Drehmoments und zusätzlich noch die Durchführung eines Vakuums im Inneren der Metallbalgkupplungen, denn die Displays werden unter Vakuum hergestellt.

Basis für diese Sonderlösung war eine Standard-Metallbalgkupplung vom Typ BK1, Serie 4000, die letztlich in eine 
doppeltkardanische Metallbalgkupplung umgewandelt wurde. Es wurden zwei Metallbälge als Versatzausgleichselemente verwendet, die durch ein Zwischenstück und rechts und links jeweils durch einen Flansch verbunden wurden. Man blieb so sehr kompakt und es war kein zusätzlicher Platzbedarf für Naben notwendig. Durch das Verschweißen der Metallbälge und das Einbringen einer O-Ringnut für die stirnseitige Abdichtung ist das ebenfalls geforderte Durchführen des Vakuums möglich.

Zentraler Bestandteil und Ausgleichselement einer jeden Metallbalgkupplung ist der Metallbalg. Der besteht aus mehrlagig, dünnwandigem Edelstahl. Die Auslegung des Balges erfolgt nach den Anforderungen in der Praxis. Hier sind das zu übertragene Drehmoment und der auszugleichende Versatz die entscheidenden Kriterien. Zum einen ist in Rotationsrichtung eine maximale Steifigkeit gefordert und zum anderen sind die entstehenden Rückstellkräfte beim Ausgleich der Versätze so gering wie möglich zu halten. Der Ausgleich des lateralen, angularen und axialen Versatzes spielt eine entscheidende Rolle innerhalb des gesamten Antriebstranges. Würde das Drehmoment über eine starre Anbindung von Antrieb- und Abtriebseite übertragen werden, wären die durch den Versatz auftretenden Rückstellkräfte möglicherweise so groß, dass Lagerschäden in vor- und nachfolgenden Bauteilen entstehen könnten. Eine hohe Betriebssicherheit der Kupplung ist für die Erfüllung dieser Aufgaben unabdingbar. Für die Auslegung von Metallbalgkupplungen spielen zudem Parameter wie Resonanzfrequenz, Verdrehwinkel oder Beschleunigungsmoment eine wichtige Rolle. Die werden bei der Dimensionierung durch R+W ebenso berücksichtigt wie allgemeine und grundsätzliche Anforderungen an Massenträgheit, Montagefreundlichkeit oder Preiseffizienz. Die hochpräzisen Antriebselemente können zusätzlich auch in fein gewuchteter Ausführung in dynamischen Anwendungen eingesetzt werden.

Die Miniaturbalgkupplungen (MK) können von 0,05 bis 10 Nm und einem Bohrungsdurchmesser von einem bis 28 Millimeter im Maschinenbau eingesetzt werden. Gerne werden diese Kupplungen beispielsweise für winkelsynchrone Drehmomentübertragungen in Verbindung mit Potentiometer oder Mess- und Regelsystemen eingesetzt. Die Übertragung der genauen Messergebnisse wird durch den torsionssteifen Metallbalg bei gleichzeitigem Versatzausgleich verwirklicht. Durch die Vielzahl der unterschiedlichen Anbindungsmöglichkeiten, über Klemmnaben in geschlitzter, geteilter oder Konusausführung bis hin zu Nabenmodellen mit Konusspreizdorn für Hohlwellenanbindungen, ist die MK-Baureihe für viele Anwendungsfälle einsetzbar. Zu nennen ist auch die steckbare Kupplung, die sich durch eine einfache und schnelle Montageverbindung von An- und Abtriebseite auszeichnet. Ein speziell glasfaserverstärktes Kunststoff-Konusstecksegment gewährleistet Spiel- und Schlupffreiheit. Außerdem ist die Kupplung elektrisch und thermisch isolierend und kann in einer Mehrfach- und in einer Synchronsteckung ausgeführt werden. Durch die hohe Präzision- und Fertigungsqualität sind die steckbaren Miniaturbalgkupplungen mit radialen Klemmschrauben oder Klemmnaben für genaueste Winkelübertragungen geeignet. Zur Erhöhung der Prozesssicherheit, die oftmals bei Drehgeberanbindungen gefordert wird, besteht zudem bei vielen Modellen die Option einer zusätzlichen Balgbruchsicherung – bei gleichen kompakten Außenabmessungen. Hierdurch wird die Funktionssicherheit hinsichtlich der Drehmomentübertragung bei Balgbruch, beispielsweise wegen einer Überlast des Drehmomentes, entscheidend erhöht.

Um die technischen Eigenschaften der Kupplung voll ausnutzen und die Versätze ohne Übertragungsfehler ausgleichen zu können, ist eine genaue Montage der Kupplung erforderlich und entscheidend. R+W fertigt sowohl die Miniaturbalgkupplungen als auch die Metallbalgkupplungen der Modellreihe BK, die Drehmomente bis zu 10.000 Nm übertragen können, auf einen hochpräzisen Montagedorn. Die Modellreihe BK wird in der gewohnten Nabenvielfalt hergestellt und bei der Entwicklung wurde ebenfalls ein besonderes Augenmerk auf ein montagefreundliches Design sowie auf geringe Massenträgheitsmomente gelegt. Die ebenfalls spielfreien BK Metallbalgkupplungen  kommen unter anderem in den Industriebereichen; Werkzeugmaschinen, Verpackungsmaschinen und Druckmaschinen vor und werden gern als zuverlässige Komponente im Antriebsstrang konstruktiv verbaut. aru