Das Karlsruher Institut für Technologie „KIT“ zählt zu den bedeutendsten Einrichtungen für Forschung und Lehre in Deutschland. Als Zusammenschluss der Universität Karlsruhe und dem Forschungszentrum Karlsruhe vereint das KIT akademische Exzellenz mit anwendungsorientierter Spitzenforschung. Es versteht sich nicht nur als Bildungsstätte, sondern als Innovationsmotor, der wissenschaftliche Erkenntnisse in greifbare Lösungen für Industrie, Umwelt und Gesellschaft überführt.
Einen Forschungsbereich bildet dabei das Institut für Wasser und Umwelt, in dem sich am Laboratorium für Gebäude- und Umweltaerodynamik Expertenteams mit strömungsmechanischen Fragestellungen in natürlichen und urbanen Umgebungen auseinandersetzen. Die Forschungen reichen von mikroklimatischen relevanten Luftströmungen in Städten über Ausbreitungen von Abgasen in Straßenschluchten bis hin zu aerodynamischen Effekten in bewaldeten Flächen. So befasste sich zum Beispiel ein Projekt mit dem Verhalten starker Windereignisse beim Auftreffen auf Waldflächen. Im Fokus stand die Frage, wie sich Stürme über bewaldetem Gelände ausbreiten, welche strukturellen Schwächen dabei entstehen können und welche Schutzmaßnahmen sich daraus ableiten lassen. Die Ergebnisse sind nicht nur für Forst- und Umweltbehörden relevant, sondern auch für Stadtplaner und Katastrophenschutz.
Die Grundlage dieser Arbeiten bilden hochpräzise Versuchsmodelle, die in speziell entwickelten Windkanälen unter realitätsnahen Bedingungen untersucht werden.
Durch einen plötzlich auftretenden Defekt war kurzfristig ein hochwertiger Ersatz gefordert. An dieser Stelle kam die Firma Jakob Antriebstechnik ins Spiel: Innerhalb kürzester Zeit wurde eine passende Edelstahlkupplung der Serie WD-VA gefertigt und ausgeliefert. Diese Kupplung, entwickelt für präzise Anwendungen unter anspruchsvollen Bedingungen, verbindet robuste Konstruktion mit hoher Passgenauigkeit – Eigenschaften, die bei wissenschaftlichen Versuchsanlagen essenziell sind. Die Distanzkupplungen der Baureihe WD-VA sind in verschiedenen Größen für Nenndrehmomente von 10 bis 1200 Nm verfügbar und können in variablen Baulängen bezogen werden. Aufgrund des Edelstahl-Designs mit geschweißten Balg-Nabe-Verbindungen können die korrosionsbeständigen Kupplungen bis 350° C eingesetzt werden. Montagefreundliche Halbschalen-Klemmnaben ermöglichen zudem eine einfache radiale Montage.
Die Unterstützung ging jedoch über eine einfache Lieferung hinaus: Aufgrund der Bedeutung des Projekts und der engen Verbindung der Firma Jakob zur wissenschaftlichen Arbeit wurde die Kupplung nicht nur im Expressverfahren gefertigt, sondern auch persönlich an das KIT überbracht. Dieser direkte Austausch bot zudem Gelegenheit zu einem intensiven fachlichen Dialog mit den verantwortlichen Wissenschaftlern und Mitarbeitern – darunter Herr Gromke, Herr Hoffmann und Herr Groß – und zu einem exklusiven Einblick in die laufende Forschung im Bereich Strömungsmechanik.
Der Umgang zwischen dem KIT und Jakob Antriebstechnik zeigt beispielhaft, wie wichtig verlässliche industrielle Unternehmen für den erfolgreichen Betrieb moderner Forschungsinfrastrukturen sind. Umgekehrt bietet die enge Verzahnung mit Forschungseinrichtungen auch der Industrie wertvolle Impulse für Produktentwicklung und Qualitätsanspruch. Jakob Kunden profitieren so von Innovationen, wie zum Beispiel durch die Vorteile der neu entwickelten Simple-Flex-Kupplung.
Distanzkupplung: Inspiration aus der Natur
Die flexible Distanzkupplung aus CFK (kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff) ermöglicht die Überbrückung großer Entfernungen zwischen Antrieb und Abtrieb. Sie wurde entwickelt, um hohe Drehmomente sowie hohe Drehzahlen bei langen Baulängen zu bewältigen.
Bei der Entwicklung der Kupplung ließen sich die Ingenieure von Jakob von der Natur inspirieren, insbesondere von Bambus. Bambus zeichnet sich durch seine hohe Flexibilität über die gesamte Länge aus und ermöglicht große Biegeauslenkungen, ohne zu brechen. Gleichzeitig weist er ein geringes Verhältnis von Masse zu Stammdurchmesser auf. Diese Eigenschaften wollten die Ingenieure auf das Kupplungsrohr übertragen.
Die neue Baureihe Simple Flex überträgt Drehmomente absolut spielfrei über große Distanzen. Das Design konzentriert sich auf das Wesentliche und besteht aus zwei Naben sowie einem dazwischen liegenden Rohr zur Überbrückung der Distanz. Der entscheidende Aspekt ist das Rohr, das aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) gefertigt ist. Es kombiniert hohe Torsionssteifigkeit mit einer auslegungsabhängigen Biegeflexibilität, um auch bei hohen Betriebsdrehzahlen und großen Drehmomenten einen zulässigen Wellenversatz auszugleichen. Dadurch entfällt der Einsatz zusätzlicher Ausgleichselemente wie Stahllamellen oder Wellenbälge.
„Bei der Auslegung haben wir Finite-Elemente-Simulationen eingesetzt, um die Lastfälle und Eigenfrequenzen zu berechnen“, erklärt Dr.-Ing. Arno Wörn, Leiter der Entwicklung bei Jakob Antriebstechnik. „Die Ergebnisse wurden in Prototypen-Versuchen auf Prüfständen überprüft. Während der Entwicklung haben wir kontinuierlich Optimierungen vorgenommen, um eine ideale Biege- und Torsionssteifigkeit bei geringer Wellendicke zu erzielen.“ Das Ergebnis ist ein adaptierbares Rohr mit optimal vorgegebenen Wanddicken, Wickelwinkeln und Festigkeit.
Vorteile der CFK-Rohr-Konstruktion
Dank der Leichtbauweise und der damit verbundenen Gewichtsersparnis sowie des niedrigen Massenträgheitsmoments konnten die Eigenfrequenzen der Distanzkupplung in höhere Drehzahlbereiche verschoben werden. Dies ermöglicht höhere Nenndrehzahlen bei gleichzeitig hoher Laufruhe. Außerdem lassen sich größere Torsionsmomente übertragen als mit herkömmlichen Bauweisen, und dies bei kleineren Rohrdurchmessern. Die Dämpfungseigenschaften des CFK-Rohrs reduzieren Schwingungsamplituden im Antriebsstrang, wodurch kleinere Rohrdurchmesser und geringere Rohrmassen bei größeren Baulängen ohne zusätzliche Lagerabstützung realisierbar sind.
Darüber hinaus zeichnet sich das Carbonrohr durch eine sehr geringe Wärmedehnung und Korrosionsbeständigkeit aus. In Kombination mit Naben aus rostfreiem Edelstahl kann es auch unter korrosiven Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Längen von bis zu sechs Metern können mit der neuen Distanzkupplung überbrückt werden. „Mit Simple Flex verschieben wir die technischen Einsatzlimits konventioneller Distanzkupplungen hin zu den physikalischen Einsatzgrenzen“, fasst Dr. Wörn zusammen.
Halbschalen- oder Konusnaben
Die neue Kupplungslösung zeichnet sich durch ihre Halbschalenkonstruktion aus, die den Ein- und Ausbau erheblich erleichtert. Die Halbschalennabe bietet zwei radiale Klemmschrauben und niedrigste Masse bzw. Trägheitsmomente, während sich die Konusnabe mit besonders hohen Klemmkräften für hohe Drehzahlen eignet.
