Am Limit laufen lassen: Mit Sicherheitskupplungen können Anlagenbetreiber die maximale Leistung aus ihren Maschinen herausholen, ohne sie dabei zu überlasten.

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Überlastkupplungen So laufen Maschinen zur Höchstform auf

04.08.2020

Sicherheitskupplungen verhindern Maschinenschäden, die durch Überlast entstehen können. Das funktioniert aber nur, wenn sie exakt an die Anwendung angepasst werden. Dann allerdings lassen sie Maschinen zu Höchstformen auflaufen.

Überlastkupplungen ermöglichen es Anlagenbetreibern, das Meiste aus ihren Maschinen herauszuholen. Hierfür benötigt es jedoch die richtige Auswahl bei den verfügbaren Kupplungen.

Ein großes Sortiment an unterschiedlichen Ausführungen bietet der deutsche Hersteller KBK Antriebstechnik. Er verspricht: Für nahezu jede Anwendung lässt sich die passende Sicherheitskupplung fertigen. Der Grund für diese Flexibilität ist das firmeneigene Baukasten-System. Es ermöglicht die Produktion individueller Lösungen, die auf Standard-Komponenten basieren. So kann KBK mit relativ geringem Aufwand und zu günstigen Preisen maßgeschneiderte Kupplungen herstellen.

„Wenn wir auf diese Weise nicht das optimale Antriebselement für unseren Kunden erhalten, entwickeln wir aber auch gerne komplette neue Kupplungen“, sagt KBK-Geschäftsführer Sven Karpstein. Das Familienunternehmen aus dem unterfränkischen Klingenberg ist sehr serviceorientiert und bietet neben der Maßanfertigung auch einen schnellen Notdienst. „Wir können innerhalb von zwei Stunden beinahe jede Elastomer- und Metallbalg-Kupplung aus unserem Programm mit kundenspezifischen Bohrungen versehen und verschicken.“

Sehr gut geeignet für Prüfstandanwendungen

Sicherheitskupplungen kommen in Anwendungen zum Einsatz, in denen eine hohe Produktivität gefragt ist oder Bauteile und Mitarbeiter besonders geschützt werden müssen. Beispiele hierfür sind Motor-Prüfstände, Automatisierungsanlagen, automatische Schubladensysteme, Werkzeugmaschinen oder medizintechnische Geräte. Dort haben die Überlastkupplungen die Aufgabe, Antriebs- und Abtriebsstrang mechanisch voneinander zu entkoppeln, sobald das an der Kupplung eingestellte Drehmoment überschritten wird. So werden Überlasten und die daraus entstehenden Schäden am Antrieb vermieden oder zumindest deutlich verringert.

Je präziser das sogenannte Überlastmoment für eine Anwendung definiert wird, desto besser schützt die Kupplung den Antrieb. Darüber hinaus erlaubt die exakte Drehmomentbegrenzung dem Maschinenbauer, die Maschinenleistung optimal auszunutzen, da sich die Kupplung so einstellen lässt, dass sie erst kurz vor dem Auftreten eines unzulässig hohen Drehmomentes auslöst.

Aufbau der Überlastkupplungen

KBK verwendet für seine Sicherheitskupplungen Tellerfedern mit degressiver Kennlinie und Kugeln als Sperr-Element. Diese Konstruktion ermöglicht eine hochpräzise Einstellung des Überlastmoments und bewirkt eine Unterbrechung der Drehmomentübertragung innerhalb von Millisekunden nach dem Auftreten der Überlast. Tellerfedern mit degressiver Kennlinie erzeugen darüber hinaus beim Ausrasten der Kupplung eine sehr geringe Restreibung, sodass der Verschleiß der Bauteile gering ausfällt.

Die KBK-Kupplungen sollen Maschinenbauern aber noch einen weiteren Vorteil bieten: Weil sie aufgrund ihrer präzisen Justierung das Auftreten von Überlasten zuverlässig begrenzen, können die sonst üblichen konstruktiven Sicherheitsvorkehrungen reduziert werden. So sparen Maschinenbauer Material und Kosten.

Spielfreie Übertragung des Drehmoments

Sicherheitskupplungen von KBK sind nach dem Kugel-Rast-Prinzip konstruiert, das eine spielfreie und wiederholgenaue Übertragung des Drehmoments erlaubt. Die Kupplungen enthalten im Anbauflansch unter anderem halbkugelförmige Ausbuchtungen, sogenannte Kalotten. In ihnen befinden sich Kugeln, die im Falle einer Überlast aus den Ausbuchtungen herausgedrückt werden. An- und Antriebsstrang werden so voneinander getrennt, und die Übertragung des Drehmoments wird unterbrochen.

Das Überlastmoment wird für jede Anwendung individuell eingestellt. „Dazu definieren wir gemeinsam mit dem Kunden zunächst einen Überlastbereich. Nach der Größe dieses Bereichs richtet sich die Anzahl der Tellerfedern, die wir in der Kupplung einsetzen“, erklärt Karpstein. „Im Anschluss markieren wir in diesem Bereich ein Minimum und ein Maximum und stellen es ein. Danach folgt die genaue Einstellung des vom Kunden gewünschten Überlastmoments.“

Dessen Feinjustierung wird über die Vorspannung der Tellerfedern vorgenommen, die sich an der Einstellmutter der Kupplung verändern lässt. Karpstein: „Wir testen mehrfach, ob es das richtige Überlastmoment ist, und lasern dann den Wert auf die Kupplung, damit der Kunde später bei Bedarf nachjustieren kann.“

Vier verschiedene Kupplungsausführungen

KBK hat vier verschiedene Ausführungen von Sicherheitskupplungen in diversen Größen im Programm: jeweils zwei Kupplungstypen für direkte und zwei für indirekte Antriebe. Das Unternehmen ist als eines der wenigen der Branche sogar in der Lage, Miniatur-Überlastkupplungen zu fertigen; das kleinstmögliche Überlastmoment beträgt gerade einmal 0,1 Nm.

Rekordverdächtig sind auch die Überlastkupplungen in Halbschalen-Bauweise, denn diese Bauart fertigt weltweit kein weiterer Antriebstechnik-Hersteller. Die Ausführung in Halbschalen ermöglicht es, die Maschinenwellen vor der Installation der Kupplung optimal auszurichten und Fluchtungsfehler auszuschließen. Jede der vier Ausführungen von Sicherheitskupplungen ist wiederum in vier Schaltarten erhältlich, die jeweils ganz spezifische Eigenschaften besitzen.

Geringe Belastung des Antriebsstrangs

Die Synchronschaltung und die Durchrastschaltung rasten nach Beseitigung der Störung automatisch wieder ein, sodass die Maschinen-Stillstandzeit auf ein Minimum begrenzt ist. Allerdings verschleißen diese Kupplungen schneller als die sogenannten freischaltenden Sicherheitskupplungen. Das hängt damit zusammen, dass die Kugeln der synchronschaltenden einmal pro Umdrehung und die der durchrastenden Kupplungen mehrmals pro Umdrehung versuchen, wieder am Rastpunkt einzurasten.

Ist die Störung noch nicht beseitigt, springen die Kugeln bei diesem Versuch immer wieder über den Rastpunkt und es kommt zu einer Reibung. „Die ist zwar gering, aber wenn diese Kupplungen in Anwendungen mit bis zu 5.000 Umdrehungen pro Minute im Einsatz sind, kann es im Extremfall relativ schnell zu einem Ausfall kommen“, sagt Karpstein. „Wir empfehlen deshalb, diese Kupplungen mit einem Endschalter oder Sensor zu kombinieren, der den Antrieb automatisch abschaltet, sobald die Kupplung auslöst.

Wesentlich langsamer verschleißen dagegen die freischaltenden Sicherheitskupplungen, denn hier werden An- und Abtriebsseite bei Überlast dauerhaft momentenfrei voneinander getrennt. Da das Einrücken der Kupplung erst bei einem Stillstand der Maschine möglich ist und zudem manuell erfolgt, wird sie nur minimal belastet. Karpstein: „Diese Kupplung ist ideal für Anwendungen wie zum Beispiel Prüfstände, bei denen Dauertests laufen und nicht durchgängig Personal in der Nähe ist. Wenn es hier zu einem Crash kommt, kann die Kupplung auch längere Zeit freilaufen, ohne dass sie komplett zerstört wird.“

Bei den gesperrten Kupplungen kommt es gar nicht erst zu einem Ausrasten – hier verdreht sich die Kupplung im Falle einer Überlast lediglich um wenige Winkelgrade und löst damit einen Endschalter aus, der den Antrieb abschaltet.

Reibbelägen und Elektronik überlegen

Die neuen Permanent- und Hysteresemagnet-Kupplungen von KBK eignen sich sehr gut für die Drehmomentbegrenzung in Flaschenverschließanlagen, Pumpenantrieben sowie in Anwendungen der Prüf- und Medizintechnik. Durch ihre besondere Konstruktion arbeiten sie verschleiß- und wartungsfrei und decken Drehmomentbereiche von 0,1 bis 60 Nm ab. Die Permanentmagnet-Kupplung trennt bei Überlast die Kraftübertragung vom Innen- zum Außenteil der Kupplung ruckelnd, bei der Hysteresekupplung findet dagegen eine gleitende Trennung der Kraftübertragung statt.

Sicherheitskupplungen von KBK haben diverse Vorteile gegenüber vergleichbaren Lösungen wie Rutschnaben oder Kupplungen mit elektronischer Abschalteinrichtung. Bei Rutschkupplungen lässt sich das Überlastmoment nicht annähernd so präzise einstellen wie bei Sicherheitskupplungen mit Kugel-Rast-Prinzip. Der Grund ist der konstruktive Aufbau von Rutschkupplungen: Ihre Funktionsweise basiert auf Reibbelägen, bei denen der Reibfaktor aber nicht klar definierbar ist.

Aus diesem Grund kann auch das Auslösemoment dieser Kupplungen nicht exakt auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Bei den Sicherheitskupplungen von KBK gibt es dieses Problem nicht, da sie kein Reibelement enthalten, sondern ausschließlich Tellerfedern sowie Kugeln als Sperrelemente.

Auch Sicherheitssysteme mit elektronischer Abschalteinrichtung haben einen Nachteil gegenüber den KBK-Kupplungen, die ausschließlich mechanisch arbeiten. Bei ihnen dauert es dreimal so lange, bis An- und Abtrieb momentenfrei sind. Die Bauteile werden hier daher über eine längere Zeit belastet als beim Einsatz von KBK-Modellen.

Bildergalerie

  • Spielfreie Sicherheitskupplungen bieten im Fall einer Überlast maximalen Schutz.

    Bild: KBK

  • Freischaltend oder gesperrt: KBK fertigt seine Überlastkupplungen in vier unterschiedlichen Schaltarten und zahlreichen Größen.

    Bild: KBK

  • Als einer der wenigen Hersteller fertigt KBK auch Überlastkupplungen mit Metallbalg (links). Die Sicherheitskupplungen in Halbschalen-Bauweise sind sogar einzigartig auf der Welt: Sie ermöglichen die optimale Ausrichtung der Welle und vermeiden Fluchtungsfehler.

    Bild: KBK

  • Die neuen Hysterese- und Permanentkupplungen eignen sich ideal für den Einsatz in Flaschenverschließanlagen, Pumpenantrieben oder in der Medizintechnik.

    Bild: KBK

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