In Fertigungsanlagen und Industrieanlagen werden Kupplungen eingesetzt, um die Antriebskraft des Motors präzise auf die angetriebene Welle zu übertragen. Kupplungen sind mechanische Bauteile, die die Antriebswelle mit der angetriebenen Welle verbinden und dabei die Aufgabe haben, Montagefehler auszugleichen und Schwingungen zu dämpfen.
Allerdings gibt es verschiedene Arten von Kupplungen, darunter Kupplungen vom Typ „Jaw“, „Disc“ und „Bellow“, sodass die Auswahl entsprechend dem Verwendungszweck und den gewünschten Eigenschaften erfolgen muss.
In diesem Artikel werden die grundlegenden Funktionen von Kupplungen sowie deren wichtigste Arten und Merkmale bis hin zu den Auswahlkriterien systematisch erläutert. Darüber hinaus finden Sie hier eine Zusammenfassung der Kombinationen mit Motoren, die Sie kennen sollten, um die Leistungsfähigkeit der Kupplungen optimal zu nutzen.
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Grundlagen der Kopplung und ihre vier Funktionen
Eine Kupplung ist ein mechanisches Bauteil, das die Antriebswelle (die drehende Seite), beispielsweise eines Motors, mit der Abtriebswelle (die angetriebene Seite), beispielsweise einer Pumpe oder einer Kugelumlaufspindel, verbindet und so die Kraft überträgt. Es handelt sich um ein spezielles Bauteil für die Wellenverbindung in Maschinen, das auch als „Wellenkupplung“ oder „Gelenk“ bezeichnet wird.
Kupplungen erfüllen neben der Kraftübertragung weitere Funktionen wie den Ausgleich von Montagefehlern, die Dämpfung von Schwingungen und die Wärmeisolierung. Durch das Verständnis der jeweiligen Aufgaben lassen sich klare Auswahlkriterien für die Anlagenkonstruktion festlegen.
Inhalt dieses Abschnitts
- Verbindet die Antriebswelle mit der Abtriebswelle und überträgt die Kraft
- Drei Arten von Fehlausrichtungen werden ausgeglichen
- Dient der Schwingungsdämpfung und der Wärmeisolierung
Wenn man die jeweiligen Funktionen – Kraftübertragung, Ausgleich von Fluchtungsfehlern, Schwingungsdämpfung und Wärmeabschirmung – richtig versteht, werden die Auswahlkriterien für Kupplungen bei der Anlagenkonstruktion klarer.
Verbindet die Antriebswelle mit der Abtriebswelle und überträgt die Kraft
Die Verbindung zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle zur Kraftübertragung ist die grundlegendste Aufgabe einer Kupplung. Sie verbindet die Abtriebswelle des Motors mit der Abtriebswelle von beispielsweise einer Kugelumlaufspindel oder einer Pumpe und überträgt die Drehkraft präzise.
Sollte die Maschine mit einer integrierten Wellenkonstruktion gefertigt werden, würde dies nicht nur Schwierigkeiten hinsichtlich der Bearbeitungsgenauigkeit und der Kosten mit sich bringen, sondern auch zusätzlichen Arbeitsaufwand beim Transport und bei der Montage verursachen; zudem müsste bei einem Defekt entweder der Antriebs- oder der Abtriebsteil die gesamte Baugruppe ausgetauscht werden, was den Wartungsaufwand erhöht.
Durch die Verbindung mittels einer Kupplung ist die Kraftübertragung auch zwischen Wellen unterschiedlicher Durchmesser möglich. Im Falle einer Beschädigung reicht es aus, nur das betreffende Bauteil auszutauschen, sodass eine Konstruktion realisiert werden kann, die sowohl die Wellenverbindung als auch die Wartung berücksichtigt.
Drei Arten von Fehlausrichtungen werden ausgeglichen
Eine weitere Aufgabe der Kupplung besteht darin, drei Arten von Fluchtungsfehlern auszugleichen. Unter einem Fluchtungsfehler versteht man die Versetzung der Achsen der Antriebs- und der angetriebenen Welle. Die wichtigsten Arten sind die folgenden:
| Art | Inhalt |
| Exzentrizität (Parallelversatz) | Ein Zustand, bei dem die Achsen der beiden Achsen parallel zueinander versetzt sind |
| Exzentrizität (Parallelversatz) | Ein Zustand, bei dem die Achsen der beiden Achsen in einem Winkel zueinander geneigt sind |
| Axialspiel (Axialverschiebung) | Ein Zustand, bei dem sich zwei Achsen in axialer Richtung voneinander entfernen oder einander annähern |
Werden Fehlausrichtungen nicht behoben, können sie zu Störungsursachen wie Vibrationen, Geräuschentwicklung und ungleichmäßigem Verschleiß der Lager führen.
Da bei den einzelnen Bauteilen individuelle Abweichungen in der Bearbeitungsgenauigkeit bestehen, ist es in der Praxis schwierig, alle Wellen bei der Montage vollkommen passgenau aufeinander abzustimmen.Kupplungen nutzen die Verformung von elastischen Elementen oder Metallfedern, um drei Arten von Versatz innerhalb des zulässigen Bereichs auszugleichen und so die Belastung der umgebenden Bauteile zu verringern.
Dient der Dämpfung von Schwingungen und der Wärmeisolierung
Die Dämpfung von Schwingungen und die Wärmeisolierung sind ebenfalls wichtige Funktionen einer Kupplung. Wenn die bei der Drehung des Motors entstehenden Schwingungen auf die angetriebenen Komponenten, wie beispielsweise die Kugelumlaufspindel, übertragen werden, führt dies zu einer Verschlechterung der Positioniergenauigkeit und einer Beeinträchtigung der Maschinenleistung.Die Kupplung fungiert als Puffer, der die Schwingungen der Antriebsseite absorbiert und so die Präzision der Abtriebsseite gewährleistet.
Darüber hinaus ist auch die während des Motorbetriebs entstehende Wärme zu beachten. Wenn die Wärme direkt auf die Abtriebsseite übertragen wird, kann es zu einer thermischen Ausdehnung von Bauteilen wie beispielsweise Kugelumlaufspindeln kommen, was die Maßgenauigkeit beeinträchtigen könnte. Die Kupplung begrenzt die Wärmeübertragung zwischen Antriebs- und Abtriebsseite und verhindert so Verformungen sowie Positionsabweichungen der Bauteile.
Sowohl die Schwingungsdämpfung als auch die Wärmeabschirmung tragen zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit der gesamten Anlage sowie zur Entlastung der umgebenden Bauteile bei und sind somit Faktoren, die zu einer Verlängerung der Lebensdauer beitragen.
Die wichtigsten Arten von Kupplungen und ihre Merkmale
Kupplungen lassen sich je nach ihrer Bauart in verschiedene Typen einteilen. Da sich die einzelnen Typen hinsichtlich ihrer Torsionssteifigkeit, Schwingungsdämpfung und der zulässigen Ausrichtungsabweichung unterscheiden, ist es erforderlich, vor der Auswahl die jeweiligen Eigenschaften der einzelnen Typen zu berücksichtigen.
Inhalt dieses Abschnitts
- Der Unterschied zwischen starren und flexiblen Kupplungen
- Merkmale des Scheibenschlitz-Balgtyps
- Merkmale von Klemmen- und Gummitypen
Wenn Sie sich mit dem Aufbau und den jeweiligen Anwendungsbereichen der einzelnen Typen vertraut machen, können Sie die für die Anforderungen Ihrer Anlage geeigneten Kupplungen effizient eingrenzen.
Der Unterschied zwischen starren und nachgiebigen Wellenkupplungen
Der Ausgangspunkt für die Auswahl einer Kupplung ist das Verständnis des Unterschieds zwischen starren und flexiblen Kupplungen. In der folgenden Tabelle werden die wichtigsten Merkmale beider Arten verglichen.
| Punkt | Starre Kupplung (Rigid) | Biegsame Kupplung (flexibel) |
| Aufbau | Stabile Verbindung der beiden Achsen | Verbindung über elastische Elemente oder Metallfedern |
| Ausgleich von Fehlausrichtungen | Nicht möglich | Kompatibel mit Exzentrizität, Winkelabweichung und Axialspiel |
| Torsionssteifigkeit | äußerst hoch | Je nach Typ unterschiedlich |
| Kosten | relativ günstig | Je nach Bauweise variieren die Kosten |
| Geeignete Umgebungsbedingungen | Bedingungen, unter denen nahezu keine Achsversetzung vorliegt | Bedingungen, unter denen Montageabweichungen und thermische Ausdehnung auftreten |
Da starre Wellenkupplungen keine Flexibilität aufweisen, können sie Montagefehler nicht ausgleichen und werden daher nur unter Bedingungen mit geringen Achsversätzen eingesetzt. Starre Wellenkupplungen sind die richtige Wahl, wenn Wert auf einen einfachen Aufbau und eine hohe Torsionssteifigkeit gelegt wird.
Flexible Wellenkupplungen übertragen die Antriebskraft, indem sie Fehlausrichtungen unter Ausnutzung der Durchbiegung von Elastikmaterialien oder Metallfedern ausgleichen. Die Wahl der richtigen Kupplung entsprechend den konstruktiven Anforderungen ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Anlage.
Merkmale des Scheibenschlitz-Faltenbalgtyps
Bei der Scheibenschlitz-Balgkupplung handelt es sich um eine metallfederbasierte Kupplung, die Fehlausrichtungen unter Ausnutzung der elastischen Verformung des Metalls ausgleicht. Der Aufbau und die Merkmale der einzelnen Typen sind wie folgt:
| Typ | Merkmale der Konstruktion | Wichtigste Stärken |
| Scheibe | Absorbiert Achsenversatz durch die Durchbiegung dünner Metallbleche | Hohe Torsionssteifigkeit und geringe Drehübertragungsfehler |
| Schlitz | Einteilige Konstruktion mit spiralförmigen Schlitzen in einem zylindrischen Werkstück | Kompakte Bauweise, geringe Trägheit und einfaches Design |
| Faltenbalg | Gleicht Verschiebungen in drei Richtungen durch die Ausdehnung und Kontraktion des Metallbälgels aus | Zeigt eine hervorragende Drehgleichmäßigkeit und eignet sich ideal für den Anschluss an Encoder |
Bei den Ausführungen „Scheiben“, „Metallschlitz“ und „Faltenbalg“ sind Modelle ohne Spiel erhältlich, die je nach Anwendungszweck für den Anschluss an Servomotoren, Schrittmotoren oder Encoder ausgewählt werden. Bei den Ausführungen „Scheiben“ und „Metallschlitz“ gibt es Produkte, die hinsichtlich ihrer Ölbeständigkeit als geeignet eingestuft sind.
Merkmale der Klemmen- und Gummitypen
Bei den Klemmenkupplungen und den Gummikupplungen handelt es sich um elastische Kupplungen, bei denen elastische Materialien wie Gummi oder Urethan als Zwischenelemente integriert sind. Die Klemmenkupplung weist einen Aufbau auf, bei dem ein Elastomer (elastischer Werkstoff) zwischen zwei Metallnaben eingeklemmt ist, und zeichnet sich durch hervorragende Eigenschaften bei der Absorption von Stößen und Schwingungen aus. Die einfache Montage ist eines der charakteristischen Merkmale der Klemmenkupplung.
[Hauptanwendungsbereiche elastischer Kupplungen]
- Kraftübertragung bei Pumpen, Förderbändern und ähnlichen Anlagen
- Vibrationsminderung bei Anlagen, bei denen Stoßbelastungen auftreten
- Unterdrückung des Schwingverhaltens bei Servomotoren
Es gibt Kupplungen mit hochdämpfendem Gummi, die das Jitteren von Servomotoren unterdrücken und höhere Verstärkungseinstellungen ermöglichen. Kupplungen mit hochdämpfendem Gummi zeichnen sich zwar durch hervorragende Schwingungsdämpfungseigenschaften aus, doch unterscheiden sie sich je nach Produkt hinsichtlich ihrer Torsionssteifigkeit und der zulässigen Fluchtungsabweichung.
Bei Anlagen, die Vibrationen und Stößen ausgesetzt sind, stellen elastische Kupplungen eine vielversprechende Option dar.
Grundlegende Vorgehensweise bei der Auswahl von Kupplungen und deren Zusammenhang mit dem Motor
Die Auswahl einer Kupplung beginnt mit der Wahl des für den Motor und die jeweilige Anwendung geeigneten Typs und erfolgt schrittweise über die Größenauswahl, die Überprüfung der Spezifikationen wie zulässiges Drehmoment und zulässige Fluchtungsabweichung bis hin zur Festlegung der Befestigungsart der Wellen. Darüber hinaus beeinflussen auch die Art und die Eigenschaften des zu kombinierenden Motors das Ergebnis der Auswahl.
An dieser Stelle werden die praktischen Schritte der Auswahl sowie deren Zusammenhang mit dem Motor erläutert.
Inhalt dieses Abschnitts
- So grenzen Sie die Auswahl nach Verwendungszweck ein
- Verfahren zur Überprüfung des zulässigen Drehmoments und der zulässigen Fluchtungsabweichung
- Der Einfluss der Motoreigenschaften auf die Auswahl der Kupplung
Wenn Sie die Punkte beachten, die in den einzelnen Auswahlphasen zu prüfen sind, lässt sich leichter eine Kupplung auswählen, die für den jeweiligen Einsatzzweck und die jeweiligen Einsatzbedingungen geeignet ist.
So grenzen Sie die Auswahl nach Verwendungszweck ein
Die Eingrenzung der Typen entsprechend dem Verwendungszweck ist der erste Schritt bei der Auswahl einer Kupplung. Die Art der Kupplung wird entsprechend dem Motortyp und dem Verwendungszweck ausgewählt.
| Anwendungsbereiche | Erforderliche Leistungsmerkmale | Beispiele für geeignete Typen |
| Bewegungssteuerung (Positionssteuerung) | – spielfrei, hohe Torsionssteifigkeit | Scheibe mit Schlitz |
| Kraftübertragung | Übertragung hoher Drehmomente Stoßdämpfung Zulässige Fluchtungsabweichungen | Joe Oldham |
Bei Anwendungen im Bereich der Bewegungssteuerung muss ein Modell ohne Spiel ausgewählt werden, da ein Spiel in der Drehrichtung die Positioniergenauigkeit beeinträchtigt. Bei Anwendungen hingegen, bei denen die Kraftübertragung im Vordergrund steht, ist es wichtig, eine Kupplung auszuwählen, die das erforderliche Drehmoment liefert und deren zulässiges Drehmoment überprüft werden kann.
Nachdem Sie die Auswahl auf bestimmte Typen eingegrenzt haben, fahren Sie mit der Auswahl einer Größe fort, bei der das Korrekturdrehmoment unter dem zulässigen Drehmoment liegt, überprüfen Sie den Durchmesser der Wellenbohrung, wählen Sie die Befestigungsmethode aus und nehmen Sie eine abschließende Überprüfung der Abmessungen vor. Durch die schrittweise Überprüfung dieser Punkte lässt sich die Auswahl leichter eingrenzen.
Verfahren zur Überprüfung des zulässigen Drehmoments und der zulässigen Fluchtungsabweichung
Die Überprüfung des zulässigen Drehmoments und der zulässigen Fluchtungsabweichung ist ein Schritt, der bei der Festlegung der Kupplungsgröße durchgeführt wird.
[Vorgehensweise zur Überprüfung der Größenauswahl]
- Berechnung des korrigierten Drehmoments durch Multiplikation des maximalen Drehmoments des Motors mit einem Korrekturfaktor
- Auswahl einer Größe, bei der das Korrekturdrehmoment unter dem zulässigen Drehmoment der Kupplung liegt
- Überprüfung, ob die jeweiligen Fehlausrichtungen – Exzentrizität, Winkelversatz und Axialspiel – innerhalb der Toleranzgrenzen liegen
Wenn die Fehlausrichtung die zulässigen Grenzwerte überschreitet, kann dies zu Vibrationen führen oder die Lebensdauer der Kupplung rapide verkürzen.
Als besonderer Hinweis ist zu beachten, dass bei gleichzeitigem Auftreten von zwei oder mehr Arten von Fehlausrichtungen, wie beispielsweise Exzentrizität und Versatzwinkel, die jeweiligen Toleranzwerte in der Regel auf die Hälfte der Werte begrenzt werden, die für den Einzelfall gelten. Da in der Praxis bei der Montage häufig komplexe Fehlausrichtungen auftreten, empfiehlt es sich, bei der Auslegung die Toleranzwerte auf höchstens ein Drittel der jeweiligen Grenzwerte zu begrenzen.
Bitte legen Sie die für Ihre Anlage geeignete Größe fest und berücksichtigen Sie dabei auch den Platzbedarf, den Durchmesser der Befestigungsbohrung sowie die Befestigungsart.
Der Einfluss der Motoreigenschaften auf die Auswahl der Kupplung
Der Einfluss der Motoreigenschaften auf die Auswahl der Kupplung ist ein nicht zu vernachlässigender Faktor, der die Leistung der gesamten Anlage bestimmt.Bei der Kombination mit Regelmotoren (z. B. Servomotoren) kann die Verwendung einer Kupplung mit geringer Torsionssteifigkeit zu einer Drehwinkelabweichung zwischen Motor- und Lastseite führen, wodurch die Positioniergenauigkeit beeinträchtigt werden kann. Für Anwendungen hingegen, bei denen Schwingungen gedämpft werden sollen, sind Kupplungen mit hervorragender Schwingungsdämpfung und geringer Resonanzanfälligkeit die geeignete Wahl.
Je nach Motortyp unterscheiden sich die Eigenschaften der geeigneten Kupplungen. Für Anwendungen, die eine schnelle und hochpräzise Positioniersteuerung erfordern, sind scheibenförmige oder geschlitzte Kupplungen mit hoher Steifigkeit und ohne Spiel besonders geeignet.In Anwendungen, bei denen die Schwingungsdämpfung im Vordergrund steht, können durch den Einsatz von Kupplungen mit hoher Dämpfungsleistung aus Gummi Systemresonanzen verhindert und gleichzeitig die Motorleistung optimal genutzt werden. Da bei Allzweckmotoren vorwiegend eine kontinuierliche Drehung in eine Richtung erforderlich ist, sind Oldham-Kupplungen oder Backenkupplungen, die eine große Fehlausrichtungs-Toleranz aufweisen, die wichtigsten Optionen.
Darüber hinaus wirken sich die Schwingungseigenschaften und die Drehgenauigkeit des Motors selbst unmittelbar auf die Belastung der Kupplung aus. Wird beispielsweise ein Motor mit geringem Cogging (Drehungsunregelmäßigkeiten) eingesetzt, verringern sich die unregelmäßigen Kräfte, die auf die Kupplung einwirken, und die Stabilität der gesamten Anlage wird verbessert.Bei der Auswahl einer Kupplung ist es unerlässlich, neben den im Katalog angegebenen zulässigen Drehmomenten und den zulässigen Ausrichtungsfehlern auch die Qualität des als Antriebsquelle dienenden Motors zu berücksichtigen.
Zusammenfassung
Eine Kupplung (Wellenverbindung) ist ein mechanisches Bauteil, das die Antriebswelle und die angetriebene Welle miteinander verbindet und so die Kraftübertragung gewährleistet. Neben der Kraftübertragung hat sie die Aufgabe, Montagefehler (Fehlausrichtung) auszugleichen, Schwingungen und Stöße zu dämpfen sowie die Wärmeabgabe von Motoren und ähnlichen Bauteilen an die angetriebene Seite zu verringern.
Zu den Kupplungstypen zählen Scheibenkupplungen, Backenkupplungen, Oldham-Kupplungen, Balgkupplungen sowie starre Kupplungen. Bei der Auswahl sollten Sie die Typen entsprechend dem Anwendungszweck und dem Motortyp eingrenzen und sicherstellen, dass das Korrekturdrehmoment unter dem zulässigen Drehmoment liegt. Überprüfen Sie zudem die zulässigen Werte für Exzentrizität, Winkelabweichung und Axialspiel.
Bei der Auswahl einer Kupplung müssen zudem der Typ des zu kombinierenden Motors sowie die Einsatzbedingungen berücksichtigt werden. Bei der Planung der Kombination aus Motor und Kupplung sollten Sie den Kupplungstyp entsprechend der erforderlichen Positioniergenauigkeit und Schwingungsdämpfung auswählen. Wenn Sie auf der Suche nach kompakten, hochpräzisen Motoren sind, besuchen Sie bitte die Produktwebsite von C.I. Takiron.
Produktinformationen und Kontakt
Ausführliche Informationen zu den Mikromotoren von C.I. Takiron finden Sie auf der folgenden Website.
- Produktseite: https://cik-ele.com/
- Kernlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Bürstenlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Getriebemotoren: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Sollten Sie bei der Auswahl von Kleinmotoren für Ihre Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen, können Sie sich gerne über das Kontaktformular an uns wenden. Unsere technischen Berater werden Ihre Anwendungszwecke und Anforderungen mit Ihnen besprechen und Ihnen die optimale Lösung vorschlagen.
- Kontakt: https://cik-ele.com/contact/
