19.09.2022 – Kategorie: Komponenten & Systeme

Sicherheitskupplungen verhindern Maschinenschäden, die durch Überlast entstehen können. Das funktioniert aber nur, wenn sie exakt an die Anwendung angepasst werden. Die Überlastkupplungen von KBK Antriebstechnik ermöglichen die präzise Einstellung des Auslösemoments und bieten eine hohe Variantenvielfalt.

Überlastkupplungen in der Praxis: Durch die große Auswahl an unterschiedlichen Ausführungen ist KBK in der Lage, für nahezu jede Anwendung die passende Sicherheitskupplung zu fertigen. Der Grund für diese Flexibilität ist das Baukasten-System: Es ermöglicht die Produktion individueller Lösungen auf Basis von Standard-Komponenten. So kann der Hersteller mit relativ geringem Aufwand und zu günstigen Preisen maßgeschneiderte Kupplungen herstellen.

Das Familienunternehmen aus dem unterfränkischen Klingenberg bietet zudem einen schnellen Notdienst: Innerhalb von zwei Stunden verschickt der Anbieter beinahe jede Elastomer- und Metallbalgkupplung aus seinem Programm mit kundenspezifischen Bohrungen.

Die Sicherheitskupplungen kommen in Anwendungen zum Einsatz, in denen eine hohe Produktivität gefragt ist oder Bauteile beziehungsweise Mitarbeiter besonders geschützt werden müssen – etwa in Motor-Prüfständen, Automatisierungsanlagen, automatischen Schubladensystemen, Werkzeugmaschinen oder medizintechnischen Geräten. 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 Überlastmoment für eine Anwendung definiert wird, desto besser schützt die Überlastkupplung den Antrieb. Darüber hinaus erlaubt die exakte Drehmomentbegrenzung dem Maschinenbauer die optimale Ausnutzung der Maschinenleistung, da sich die Kupplung so einstellen lässt, dass sie erst kurz vor dem Auftreten eines unzulässig hohen Drehmomentes auslöst.

Die Antriebstechnik-Spezialisten verwenden für ihre Sicherheitskupplungen Tellerfedern mit degressiver Kennlinie und Kugeln als Sperr-Element. Diese Konstruktion ermöglicht eine äußerst präzise 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 Sicherheitskupplungen bieten Maschinenbauern aber noch einen weiteren Vorteil: Da die präzise Justierung das Auftreten von Überlasten zuverlässig begrenzt, können die sonst üblichen konstruktiven Sicherheitsvorkehrungen reduziert werden. So sparen Maschinenbauer Material und Kosten.

Die Sicherheitskupplungen 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. Darin 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 definiert das Unternehmen gemeinsam mit dem Kunden einen Überlastbereich. Nach dessen Größe richtet sich die Anzahl der Tellerfedern, die in der Kupplung eingesetzt werden. Im Anschluss werden in diesem Bereich ein Minimum und ein Maximum markiert und eingestellt. 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. Nach mehreren Tests wird der Wert auf die Kupplung gelasert, damit der Kunde später bei Bedarf nachjustieren kann.

Der Hersteller hat vier Ausführungen von Sicherheitskupplungen in unterschiedlichen Größen im Programm – zwei Kupplungstypen für direkte und zwei für indirekte Antriebe. Das Unternehmen kann sogar Miniatur-Überlastkupplungen fertigen – das kleinstmögliche Überlastmoment beträgt gerade einmal 0,1 Newtonmeter. Zudem fertigt das Unternehmen Überlastkupplungen in Halbschalen-Bauweise. Diese Ausführung ermöglicht es dem Anwender, die Maschinenwellen vor der Installation der Kupplung optimal auszurichten und Fluchtungsfehler auszuschließen. Jede der vier Ausführungen ist wiederum in vier Schaltarten erhältlich.

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 ein Mal 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. Die Kupplungen sollten daher mit einem Endschalter oder Sensor kombiniert werden, 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. 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.

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

Die Sicherheitskupplungen bieten zahlreiche 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, sondern ausschließlich Tellerfedern sowie Kugeln als Sperrelemente enthalten.

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 daher über eine längere Zeit belastet als beim Einsatz von KBK-Überlastkupplungen.

Der Autor Sven Karpstein ist Geschäftsführer der KBK Antriebstechnik.

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