Leitfaden für die Auswahl der richtigen Sicherheitskupplung

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1 Leitfaden für die Auswahl der richtigen Sicherheitskupplung Worauf Sie bei Auswahl und Dimensionierung achten sollten

2 Leitfaden für die Auswahl der richtigen Sicherheitskupplung Worauf Sie bei Auswahl und Dimensionierung achten sollten Zusammenfassung Sicherheitskupplungen schützen Maschinen und Anlagen vor teuren Überlastschäden. Sie helfen Material und Kosten einzusparen und steigern die Produktivität. Doch welche Sicherheitskupplung passt zu welcher Anwendung? Dieser Leitfaden unterstützt Sie bei der Auswahl der richtigen Sicherheitskupplung. Er gibt nützliche Hinweise zu technischen Produktdetails und wichtigen Qualitätsmerkmalen, auf die Sie bei der Auswahl achten sollten. 2

3 Inhalt Schritt 1: Warum Sicherheitskupplungen so wichtig sind. Schritt 2: Lasthaltend oder lasttrennend Welche Kupplung passt zu meiner Anwendung? Schritt 3: Welche Bauform passt zu meinem Antrieb? Schritt 4: Dimensionierung Größenauswahl, Energieberechnung und Drehmomenteinstel lung für horizontale Servoachsen Schritt 5: Signalerfassung bei Überlast Schritt 6: Welche Eigenschaften zeichnen eine hochwertige Sicherheitskupplung aus? Schritt 7: Checkliste für die Auswahl einer Sicherheitskupplung Kontakt, Firmenprofil, Autoren

4 Schritt 1: Warum Sicherheitskupplungen so wichtig sind. 1.1 Begriffsklärung In der Antriebstechnik bezeichnet der Begriff Sicherheitskupplung ein Maschinenelement, das Drehmomente zuverlässig überträgt und auf einen definierten Wert begrenzt. Sicherheitskupplungen werden in der Literatur auch als Überlastkupplungen oder Drehmomentbegrenzer bezeichnet. 1.2 Zuverlässige Komponenten zum Schutz von Maschinen Keine Maschine ist vor Kollisionen sicher. Durch Fehler in der Programmierung oder Bedienung bzw. durch äußere Einflüsse wie Fremdkörper kann es zu Überlastfällen kommen. Dabei entstehen im Antriebsstrang sehr hohe Drehmomente, die Bauteile zerstören oder beschädigen können. Davor schützen Sicherheitskupplungen zuverlässig und sorgen so für eine hohe Anlagenverfügbarkeit und Produktivität. Sie begrenzen das Drehmoment exakt auf den eingestellten zulässigen Grenzwert. Gleichzeitig senken sie die Betriebskosten, der Reparaturaufwand ist minimal. Oftmals ist schon ein einziger Überlastschaden teurer als eine Sicherheitskupplung. Durch die Begrenzung der Drehmomente auf einen maximal zulässigen Wert lassen sich Maschinen und Anlagen mit Sicherheitskupplungen optimal dimensionieren und konstruktive Sicherheitsfaktoren reduzieren. Im störungsfreien Betrieb übertragen qualitativ hochwertige Sicherheitskupplungen die Antriebsleistung eines Motors spielfrei auf ein abtriebsseitiges Element, zum Beispiel auf ein Kettenrad oder eine Zahnriemenscheibe, bzw. auf eine zweite Welle. 1.3 Warum elektronische Überwachungsfunktionen der Maschinensteuerung eine Sicherheitskupplung nicht ersetzen können Moderne Maschinen arbeiten mit stetig steigenden Produktionsgeschwindigkeiten. Gleichzeitig wird eine immer höhere Präzision verlangt. Dies kann nur über sehr steife Maschinenkonstruktionen erreicht werden. Hohe Geschwindigkeiten und eine hohe Steifigkeit führen aber bei Anlagenstörungen zu harten Kollisionen. Wenn es im Überlastfall zu einem plötzlichen Anstieg des Drehmoments kommt, können nur blitzschnell trennende, mechanische Sicherheitskupplungen teure Folgeschäden verhindern. Mit elektronischen Überwachungsfunktionen der Maschinensteuerung wie beispielsweise der Motorstrom-Messung kann der Arbeitsprozess permanent überwacht werden. Auftretende Störungen und Kollisionen lassen sich damit allerdings nur in gewissen Grenzen erkennen. Vorteil eines solchen Systems ist der geringe zusätzliche Aufwand, da der Motorstrom als Regelgröße meistens ohnehin erfasst wird. Nachteilig sind dagegen die geringe Messgenauigkeit für mechanische Größen sowie das zu späte Erkennen von Störungen. Gerade bei Kollisionen mit hoher Geschwindigkeit ist die Motorstrom-Messung zu langsam, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen einleiten zu können. In der Praxis kann eine Stromregelung nur bei Anwendungen mit wenig Dynamik und weicher Kollision als eventuelle Alternative zu Sicherheitskupplungen in Betracht gezogen werden. 4 Eine weitere Maßnahme, um Kollisionen vorzubeugen, sind softwarebasierte Systeme, die unzulässige Annäherungen von Maschinenkomponenten im Arbeitsraum erkennen. Software-Lösungen laufen weitgehend im Hintergrund ab, stellen aber höchste Anforderungen an die Rechnerleistung. Sie bilden nur eine relativ grobe Form des Arbeitsraumes der Maschine ab. Fehler im Bereich der eingesetzten Werkzeuge oder der Werkstücke werden damit nicht erfasst.

5 Schritt 2: Lasthaltend oder lasttrennend Welche Kupplung passt zu meiner Anwendung? 2.1 Die Wahl der richtigen Grundfunktion Um zuverlässig vor Überlastschäden zu schützen, muss eine Sicherheitskupplung optimal zu der jeweiligen Anwendung passen. Vor dem Kauf ist es deshalb wichtig, aus den technischen Daten Ihrer Antriebskonstellation die Anforderungen an die Kupplung exakt zu definieren. Neben Aspekten wie Bauart, Drehmoment und Drehzahl spielt dabei das Übertragungsverhalten der Kupplung eine entscheidende Rolle. So werden Sicherheitskupplungen nach ihrem Funktionsprinzip grundsätzlich in lasthaltende und lasttrennende Kupplungen unterteilt. Die meisten Antriebsachsen werden heute mit Reibungskupplungen, magnetischen Dauerschlupfkupplungen oder formschlüssigen Kupplungen abgesichert. Deshalb werden in diesem Whitepaper nur diese marktdominierenden Bauarten betrachtet. Drehmomentbegrenzende Sicherheitskupplungen (Auswahl) lasthaltend Reibungskupplungen magnetische Dauerschlupfkupplungen gesperrte Kupplungen lasttrennend rastende Kupplungen freischaltende Kupplungen schalt-, und regelbare Kupplungen Durchrastkupplungen Synchronkupplungen elektrisch pneumatisch 5

6 2.2 Lasthaltende Sicherheitskupplungen Reibschlüssige Kupplungen Reibungskupplungen rutschen durch, wenn das definierte Grenzmoment überschritten wird. Dabei bestimmen der Reibungskoeffizient, die Reibkraft sowie die Anzahl und Anordnung der Reibflächen die Höhe des erreichbaren Drehmoments. Rutschkupplungen sind robust und einfach in der Handhabung. Allerdings beeinflussen Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Ölnebel die Höhe des Reibungskoeffizienten und damit die Höhe des Überlastmoments. Reibungskupplungen erreichen damit nicht die hohe Drehmomenteinstellund Wiederholgenauigkeit von qualitativ hochwertigen formschlüssigen Sicherheitskupplungen. Eine reibschlüssig arbeitende Kupplung wie die ROBA -Rutschnabe erzeugt das Drehmoment über organische Reibbeläge, die mit Tellerfedern vorgespannt werden. Je stärker die Tellerfedern dabei durch die Einstellmutter zusammengedrückt werden, desto höher ist das Drehmoment, bei dem das Antriebselement durchrutscht. Über eine Skalierung an der Einstellmutter ist eine stufenlose Drehmomenteinstellung und Verschleißnachstellung möglich. Bei Überlast rutschen die Kupplungen durch, halten die Last aber mit dem eingestellten Drehmoment. ROBA -Rutschnaben kommen in Maschinenantrieben mit Kettenrädern, Zahnrädern oder Riemenscheiben zum Einsatz und sind aufgrund ihrer lasthaltenden Funktion häufig bei vertikal bewegten Achsen die bevorzugte Lösung. Sie sind so konstruiert, dass sie an unterschiedliche Antriebsbedingungen angepasst werden können: Es gibt beispielsweise Bauformen für sehr schmale oder breite Antriebselemente oder für Antriebe mit großen Radialbelastungen und großer Rutschhäufigkeit. Hinzu kommen unter anderem leistungsoptimierte Ausführungen mit einem zweiten Paar Reibbeläge oder Ausführungen mit Druckscheiben aus rostfreiem Stahl, die zum Beispiel bei Anlagen im Freien oder bei längerem Stillstand das Festrosten der Reibbeläge verhindern. ROBA -Rutschnabe formschlüssige, gesperrte Kupplungen in Hubwerken und vertikalen Achsen Für Applikationen, die die hohe Einstell- und Wiederholgenauigkeit einer formschlüssigen Sicherheitskupplung erfordern, bei denen aber eine Trennung von An- und Abtrieb nicht zulässig ist, empfehlen sich gesperrte Kupplungen wie die EAS -gesperrt. Bei Überlast wandern die Sperrkörper, hier Kugeln, aus ihren Vertiefungen. Die Bauteilbewegung, die sie so erzeugen, wird von einem Endschalter erfasst. Er gibt das Signal zum Abschalten des Antriebs. Ein mechanischer Anschlag verhindert, dass die Kupplung komplett ausrastet und gewährleistet damit eine zuverlässige Lastsicherung. Die EAS -gesperrt unterbricht die Drehmomentübertragung also nicht. Sie verdreht sich bei Überlast nur um wenige Winkelgrade und überträgt dann das anstehende Moment in voller Höhe, sie arbeitet sozusagen als drehmomentbetätigter Endschalter. Gesperrte Kupplungen eignen sich damit auch für den Einsatz in Hubwerken und vertikalen Achsen. EAS -gesperrt 6

7 2.2.3 Magnetische Dauerschlupfkupplungen in der Schraub- und Wickeltechnik Für Anwendungen mit kleinem Drehmomentbereich, für die eine gleichmäßige Übertragung besonders wichtig ist, eignen sich Dauerschlupfkupplungen wie die ROBA -contitorque. Diese übertragen das Drehmoment berührungslos mit Hilfe von Magnetkräften, die von Dauermagneten erzeugt werden und ein Hysteresematerial magnetisieren. Überschreitet im Überlastfall das Betriebsdrehmoment das eingestellte Grenzdrehmoment, schlupft die Kupplung durch. Das heißt, An- und Abtriebsseite drehen sich mit einer Relativdrehzahl, der sogenannten Schlupfdrehzahl, zueinander. Das Hysteresematerial wird dabei ständig ummagnetisiert, die Drehmomentübertragung erfolgt asynchron. Nach Beseitigen der Überlast geht die Relativdrehzahl auf Null zurück, das Drehmoment wird wieder synchron zwischen An- und Abtriebsseite übertragen. Aufgrund der berührungslosen Drehmomentübertragung arbeiten Hysteresekupplungen wie auch Permanentmagnetkupplungen verschleiß- und wartungsfrei. Hysteresekupplungen liefern aber im Vergleich zu Permanentmagnetkupplungen ein sehr gleichmäßiges und stoßfreies Drehmoment. Hysteresekupplugen wie die ROBA -contitorque eignen sich daher beispielsweise bevorzugt für den Einsatz in der Schraubtechnik, für das gleichmäßige Aufschrauben von Verschlusskappen aller Art mit einem definierten Drehmoment. Sie bieten im Vergleich zu Permanentmagnetkupplungen ein deutlich besseres Applizieren der Verschlüsse sowie durch ihre vibrationsarme Funktionsweise eine höhere Anlagenlebensdauer. Darüber hinaus werden Hysteresekupplungen zum Beispiel als Zugkraftbegrenzung beim Auf- und Abwickeln von Garnen, Drähten oder Folien eingesetzt und dienen in der Prüfstandstechnik der Simulation von definierten Lasten. Rostfreie Edelstahlausführungen mit korrosionsgeschützten Magneten und Sicherungsringen empfehlen sich für Einsatzbereiche, in denen Nässe, Reinigungsflüssigkeiten oder aggressive Medien zu den täglichen Umgebungsbedingungen gehören. ROBA -contitorque 2.3 Lastrennende Sicherheitskupplungen In nahezu allen Branchen werden heute Sperrkörperkupplungen, also formschlüssig arbeitende Sicherheitskupplungen, eingesetzt. In diesen Kupplungen werden im störungsfreien Betrieb Sperrkörper wie Kugeln oder Rollen druckbeaufschlagt in ihren Senkungen gehalten. Im Überlastfall wandern die Sperrkörper aus den Senkungen, die formschlüssige Verbindung ist somit aufgehoben. An- und Abtriebsseite sind mechanisch getrennt. Ein Schalter kann diese mechanische Ausrastbewegung aufnehmen und den Antrieb abschalten. Qualitativ hochwertige formschlüssige Sicherheitskupplungen lassen sich sehr genau einstellen und erreichen eine hohe Wiederholgenauigkeit. Sie werden nach ihrem Aus- bzw. Einrastverhalten unterteilt in rastende d.h. durchrastende und synchrone freischaltende sowie in schalt- und regelbare Kupplungen. 7

8 2.3.1 Rastende Sicherheitskupplungen für höchste Präzision Formschlüssige rastende Sicherheitskupplungen wie zum Beispiel die EAS -compact, EAS -NC oder EAS - smartic rasten aus, sobald das eingestellte Grenzdrehmoment erreicht wird. Das Drehmoment fällt sofort ab. Nachdem die Überlast beseitigt ist, rasten Durchrastkupplungen automatisch an einem der direkt aufeinander folgenden Kugelsitze alle 15 Grad wieder ein. Synchronkupplungen rasten hingegen nach 360 Winkelgraden, also nach einer vollen Umdrehung, genau an derselben Stelle wieder ein. Andere Taktfolgen wie beispielsweise 180 Grad lassen sich ebenfalls realisieren. Danach sind die Kupplungen wieder betriebsbereit. Qualitativ hochwertige formschlüssige Sicherheitskupplungen sind sehr genau einstellbar und arbeiten mit hoher Wiederholgenauigkeit. Sie übertragen das Drehmoment bei störungsfreiem Betrieb spielfrei und gewährleisten so eine hohe Lebensdauer und geringen Verschleiß. Die verschiedenen Kupplungen mit ihren zahlreichen Bauformen und Ausführungen, zum Beispiel aus rostfreiem Edelstahl, mit Abdichtung oder Gehäuse, haben sich in allen Bereichen des Maschinenbaus durchgesetzt und erfüllen die Anforderungen der modernen elektrischen Antriebstechnik zuverlässig und sicher. EAS -compact Freischaltkupplungen für schwere und schnelllaufende Antriebe Freischaltende Kupplungen wie die EAS -compact Freischaltkupplung verfügen über die gleichen positiven Eigenschaften wie rastende Sicherheitskupplungen, unterscheiden sich aber im Funktionsprinzip. Sie trennen bei Überlast An- und Abtriebsseite nahezu restmomentfrei. Die gespeicherte Rotationsenergie kann frei auslaufen. Die Kupplungen bleiben ausgerastet, bis sie bewusst von Hand oder über Vorrichtungen wieder eingerastet werden. Freischaltende Sicherheitskupplungen eignen sich daher als Drehmomentbegrenzung für schwere und schnelllaufende Antriebe in Verbindung mit großen Schwungmassen, die im Überlastfall frei auslaufen müssen. Freischaltkupplungen auf Basis von einzelnen Überlastelementen wie beispielsweise die EAS -Elementekupplung bieten Überlastschutz für Anlagen mit sehr hohen Drehmomenten auf kompaktem Bauraum. Bei Maschinen wie zum Beispiel Extrudern, die besondere Anforderungen an Kupplungen stellen, ist es wichtig, bei der Auswahl auf branchenoptimierte, maßgeschneiderte Bauarten zu achten. So wurde die EAS -dutytorque beispielsweise speziell für den Überlastschutz in Extrudern konzipiert. Entwicklungen wie die EAS -HSC und EAS -HSE High-Speed Sicherheitskupplungen mit hoher Leistungsdichte sind für Drehzahlen bis Umdrehungen pro Minute geeignet und empfehlen sich daher besonders für die Anwendung in Prüfständen. EAS -Elementekupplung 8

9 2.3.3 Schalt- und regelbare Kupplungen für an den Prozessverlauf angepassten Überlastschutz Schalt- und regelbare Sicherheitskupplungen wie die EAS -Sp oder die EAS -Sm/Zr lösen nicht nur bei Überlast aus, sondern lassen sich auch fremdbetätigt schalten. Sie bieten damit die Möglichkeit, im laufenden Betrieb Anlagenteile prozessbedingt zu- bzw. abzuschalten. Die Drehmomentübertragung erfolgt dabei nicht über Federn, sondern die Vorspannkraft wird durch einen Elektromagneten oder durch Druckluft erzeugt. Bei beiden Varianten ist das Grenzdrehmoment für Überlast über die Höhe der elektrischen Spannung bzw. die Höhe des Luftdrucks auch während des Betriebs einstell- und regelbar. Der Überlastschutz kann also optimal an den Prozessverlauf angepasst werden. Wichtig ist dies bei stets wechselnden Betriebszuständen und bei wechselnden Taktfolgen und Taktgeschwindigkeiten. Schaltund regelbare Kupplungen werden in allen Arten von automatisierten Maschinen wie Verpackungs-, Abfüll-, oder Druckmaschinen eingesetzt, die takten, positionieren, kontrollieren und steuern. EAS -Sp Schritt 3: Welche Bauform passt zu meinem Antrieb? Ist die passende Kupplungsart für die Anwendung gefunden, gilt es, die richtige Bauform bzw. Ausführung für die Verbindung mit dem Antrieb auszuwählen. Die Einbaubeispiele auf den folgenden zwei Seiten zeigen nur eine Auswahl der gängigsten formschlüssigen und reibschlüssigen Bauformen. 3.1 Bauformen für indirekte Antriebe Bei indirekten Antrieben erfolgt die Leistungsübertragung über einen Riementrieb, Kettentrieb oder eine Zahnradstufe. Antreibende und angetriebene Welle sind nicht koaxial angeordnet sondern versetzt. 9

10 3.1.1 Formschlüssige Kupplungen Bei formschlüssigen Kupplungen muss das Antriebselement an die Sicherheitskupplung angeflanscht werden. Dies ist je nach Art und Größe des Antriebselements zum Beispiel mit folgenden Bauformen möglich: Die EAS -compact /EAS -NC mit kurzer Nabe ist eine Flanschkupplung zur direkten Montage von Antriebselementen mit einer resultierenden Radialkraft annähernd in der Lagermitte. Die Antriebselemente werden auf dem Rillenkugellager zentriert und mit dem Druckflansch verschraubt. Die EAS -compact /EAS -NC mit lang vorstehender Nabe ist eine Flanschkupplung für sehr breite Antriebselemente oder Elemente mit sehr kleinem Durchmesser. Als Lagerung für das Antriebselement eignen sich Kugellager, Nadellager oder Gleitlager Reibschlüssige Kupplungen Reibschlüssige Kupplungen erfordern eine Integration des Antriebselements in die Rutschkupplung. Dies ist beispielsweise über folgende Bauformen möglich: Die ROBA -Rutschnabe mit integriertem Standardkettenrad bietet als preisgünstige Ausführung einen hohen Sicherheitswert für sämtliche Kettentriebe. Die ROBA -max ist für Antriebselemente mit besonders großen Einbaubreiten wie zum Beispiel doppelreihige Kettenräder ausgelegt und kann höhere Drehmomente übertragen. 10

11 3.2 Bauformen für direkte Antriebe Bei direkten Antrieben fluchten die Achsen der An- und Abtriebsseite: Geringe Fluchtungsfehler sind aber meist unvermeidbar. Sie resultieren aus Fertigungstoleranzen, Ausrichtfehlern bei der Montage und Wärmedehnungen im Betrieb. Deshalb werden Sicherheitskupplungen für direkte Antriebe mit unterschiedlichen Wellenausgleichskupplungen kombiniert Formschlüssige Kupplungen Bei formschlüssigen Sicherheitskupplungen kommen bevorzugt Metallbalgkupplungen, Lamellenpaketkupplungen oder Elastomerkupplungen zum Einsatz, die axialen, radialen und winkligen Wellenversatz ausgleichen: Die EAS -compact /EAS -NC mit Metallbalgkupplung erreicht eine hohe Drehsteifigkeit und ist für relativ großen radialen und winkligen Wellenversatz zulässig. Die EAS -compact lastic spielfrei ist eine Zweiwellenausführung mit spielfreier Elastomerkupplung. Sie verfügt über gute Dämpfungseigenschaften Reibschlüssige Kupplungen Rutschnaben für direkte Antriebe werden je nach Anforderung mit elastischen, hochelastischen oder drehsteifen Wellenausgleichskupplungen kombiniert. Die ROBA -lastic mit hochelastischer Wellenkupplung ist eine Sicherheitskupplung mit einstellbarem Drehmoment zur Verbindung von zwei Wellen. Das Gummielement der elastischen Kupplung verfügt über eine sehr gute Verlagerungsfähigkeit und wirkt drehschwingungs- und stoßdämpfend. Bei der Ausführung ROBA -LD kommt als elastisches Kupplungsteil eine drehsteife, biegenachgiebige Ganzstahl-Lamellenpaketkupplung zum Einsatz. Sie dient dem Ausgleich von Wellenversatz bei verdrehspielarmer Drehmomentübertragung. 11

12 Schritt 4: Dimensionierung Größenauswahl, Energieberechnung und Drehmomenteinstellung für horizontale Servoachsen Technische Erläuterungen Zahnriemenscheibe I Z1 Zahnriemenscheibe I Z1 Motor I M Motor I M Zahnriemenscheibe I Z2 EAS -compact Druckflanschseite I D Schlitten m, I L EAS -compact Nabenseite I N EAS -compact Druckflanschseite I D Schlitten m, I L EAS -compact Nabenseite I N Spindel I S Bild 1 Bild 2 Zahnriemenscheibe I Z2 Spindel I S EAS -compact Nabenseite I N Schlitten m, I L Bild 3 Motor I M EAS -compact elastische Seite I E Spindel I S Anordnung Bild 1 Anordnung Bild 2 Anordnung Bild 3 Gesamtes Massenträgheitsmoment ohne EAS -compact Kupplung I g = I M + I Z1 + (I Z2 + I S +I L ) ( n n 2 2 )² I g = I M + I Z1 + ( I Z2 + I S +I L ) ( )² I g = I M + I + I + I Ku [kgm²] (1) S L I L aus Gleichung (7) I L aus Gleichung (7) I L aus Gleichung (7) Massenträgheitsmoment antriebsseitig bezogen auf die Welle mit der EAS -compact Kupplung I 1 = I D + I Z2 + (I Z1 + I M ) ( )² I 1 = I M + I N I 1 = I M + I E [kgm²] (2) Massenträgheitsmoment abtriebsseitig (spindelseitig) bezogen auf die Welle mit der EAS -compact Kupplung = I N + I S + I L = I D + I Z1 + ( I Z2 + I S + I L ) ( )² = I N + I S + I L [kgm²] (3) I L aus Gleichung (7) I L aus Gleichung (7) I L aus Gleichung (7) Vorauswahl der Kupplung 12 M erf. = 1,5 M 2 M erf. = 1,5 M 1 M erf. = 1,5 M 1 [Nm] M 2 aus Gleichung (4)

13 Anordnung Bild 1 Anordnung Bild 2 Anordnung Bild 3 Drehmoment an der Spindel M 2 = M 1 wie Anordnung Bild 1 wie Anordnung Bild 1 [Nm] (4) Vorschubgeschwindigkeit des Schlittens v = p wie Anordnung Bild 1 wie Anordnung Bild 1 [ m ] (5) s Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle w 1 und der Spindel w 2 w 1 = π π w 2 = Masse des Schlittens reduziert auf die Spindel I L = m v² w 2 2 v aus Gleichung (5), w 2 aus Gleichung (6) Energie bei Kollision ohne EAS -compact Kupplung wie Anordnung Bild 1 wie Anordnung Bild 1 [s -1 ] (6) wie Anordnung Bild 1 wie Anordnung Bild 1 [kgm²] (7) W g = 1 I g w 1 2 wie Anordnung Bild 1 wie Anordnung Bild 1 [J] (8) 2 I g aus Gleichung (1), w 1 aus Gleichung (6) Energie bei Kollision mit EAS -compact Kupplung W 2 = 1 w 2 ² W 2 = 1 w 1 ² W 2 = 1 w 1 ² [J] (9) aus Gleichung (3), w 2 aus Gleichung (6) aus Gleichung (3), w 1 aus Gleichung (6) aus Gleichung (3), w 1 aus Gl. (6) Verbleibende Restenergie W R = W wie Anordnung Bild 1 wie Anordnung Bild 1 [%] (10) W g W g aus Gleichung (8), W 2 aus Gleichung (9) Abgekuppelte Energie DW = W g - W 2 wie Anordnung Bild 1 wie Anordnung Bild 1 [J] (11) DW = W R [%] (12) W g aus Gleichung (8), W 2 aus Gleichung (9), W R aus Gleichung (10) Erforderliches Ausrastdrehmoment in der Beschleunigungsphase (Achse horizontal) I M A = M B 2 + I 1 n 1 Drehzahlverhältnis entfällt. n Drehzahlverhältnis 1 entfällt. [Nm] (13) I 1 aus Gleichung (2), aus Gleichung (3) Erforderliches Ausrastdrehmoment in der Beschleunigungsphase (Achse beliebig ausgerichtet) M A = [(M B - M L ) + M L ] x 1,2 M A =[(M B - M L ) + M L ] x 1,2 M A =[(M B - M L ) + M L ] x 1,2 + I 1 + I 1 + I 1 [Nm] (14) M L aus Gleichung (15) M L aus Gleichung (15) M L aus Gleichung (15) Lastmoment aus Schlittenmasse bei beliebiger Ausrichtung M L = m g sinα p 2 π 1000 wie Anordnung Bild 1 wie Anordnung Bild 1 [Nm] (15) m α Spindel Einstellung des Grenzdrehmomentes M G = 1,5 M 2 M G = 1,5 M 1 M G = 1,5 M 2 [Nm] (16) M 2 aus Gleichung (4) M 2 aus Gleichung (4) Bedingung: Das Ausrastdrehmoment M A, aus Gleichung (13) oder (14) (mit Faktor 1,2 multipliziert) muss kleiner sein als das an der Kupplung eingestellte Drehmoment M G. 13

14 Technische Erläuterungen Berechnungsbeispiel Anordnung wie in Bild 1 Angaben: Masse des Schlittens m = 560 kg Massenträgheitsmoment des Motors I M = 0,0037 kgm² Massenträgheitsmomente der I Z1 = 0,0006 kgm² Zahnriemenscheiben I Z2 = 0,01132 kgm² Massenträgheitsmoment der Spindel I S = 0,00067 kgm² Antriebszahl des Motors = 2000 min -1 Drehzahl der Spindel = 1000 min -1 Steigung der Spindel p = 10 mm Nenndrehmoment des Motors M 1 = 14 Nm Maximales Drehmoment des Motors M B = 40 Nm Zahnriemenscheibe I Z1 Zahnriemenscheibe I Z2 EAS -compact Druckflanschseite I D Bild 1 EAS -compact Nabenseite I N Motor I M Schlitten m, I L Spindel I S Vorauswahl der Kupplung Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle w 1 und der Spindel w 2 14 M erf. = 1,5 M 2 Merf. = 1,5 28 = 42 [Nm] M 2 aus Gleichung (4) Gewählt: EAS -compact Größe 0, Type Drehmomentbereich M G = Nm (aus Technische Daten, Seite 9) Massenträgheitsmoment der EAS -compact Nabenseite I N = 0, kgm² (aus Techn. Daten, Seite 9) Druckflanschseite I D = 0, kgm² (aus Techn. Daten, Seite 9) Gesamtes Massenträgheitsmoment ohne EAS -compact Kupplung I g = I M + I Z1 + (I Z2 + I S +I L ) ( )² I L aus Gleichung (7) 2000 I g = 0, , (0, , ,00142) ( )² 1000 I g = 0,00765 [kgm²] (1) Massenträgheitsmoment antriebsseitig bezogen auf die Welle mit der EAS -compact Kupplung I 1 = I D + I Z2 + (I Z1 + I M ) ( )² 2000 I 1 = 0, , (0, ,0037) ( )² 1000 I 1 = 0,0287 [kgm²] (2) Massenträgheitsmoment abtriebsseitig (spindelseitig) bezogen auf die Welle mit der EAS -compact Kupplung = I N + I S + I L I L aus Gleichung (7) = 0, , ,00142 = 0,00262 [kgm²] (3) Drehmoment an der Spindel M 2 = M = 14 = 28 [Nm] (4) 1000 Vorschubgeschwindigkeit des Schlittens v = p = = 0,1667 [ m ] (5) s w 1 = π = 2000 π = 209 [s -1 ] (6) w 2 = n π 2 = 1000 π = 104, [s -1 ] (6) Masse des Schlittens reduziert auf die Spindel v² 0,1667² I L = m = = 0,00142 w 2 104,7² [kgm²] (7) v aus Gleichung (5), w 2 aus Gleichung (6) Energie bei Kollision ohne EAS -compact Kupplung W g = 1 I g w 1 ² = 1 0, ² = [J] (8) I g aus Gleichung (1), w 1 aus Gleichung (6) Energie bei Kollision mit EAS -compact Kupplung W 2 = 1 w 2 ² = 1 0, ,7² = [J] (9) aus Gleichung (3), w 2 aus Gleichung (6) Verbleibende Restenergie W R = W = W g = 8,4 [%] (10) W g aus Gleichung (8), W 2 aus Gleichung (9) Abgekuppelte Energie DW = W g - W 2 = = 153 [J] (11) DW = W R = 100-8,4 = 91,6 [%] (12) Erforderliches Ausrastdrehmoment in der Beschleunigungsphase (Achse horizontal) M A = M B M A = 40 I 1 aus Gleichung (2) + I n 1 2 aus Gleichung (3) 0, = 6,7 [Nm] (13) 0, , Einstellung des Grenzdrehmomentes M G = 1,5 M 2 = 1,5 28 = 42 [Nm] (16) Bedingung: Das Ausrastdrehmoment 1,2 M A = 1,2 6,7 = 8,04 Nm ist kleiner als das an der Kupplung eingestellte Drehmoment M G = 42 Nm.

15 Technische Erläuterungen Bezeichnungen I g [kgm²] gesamtes Massenträgheitsmoment ohne EAS -compact Kupplung I 1 [kgm²] Massenträgheitsmoment antriebsseitig bezogen auf die Welle mit der EAS -compact Kupplung [kgm²] Massenträgheitsmoment abtriebsseitig (spindelseitig) bezogen auf die Welle mit der EAS -compact Kupplung I M [kgm²] Massenträgheitsmoment des Motors I Z1 [kgm²] Massenträgheitsmoment der motorseitigen Zahnriemenscheibe I Z2 [kgm²] Massenträgheitsmoment der zweiten Zahnriemenscheibe I S [kgm²] Massenträgheitsmoment der Spindel I L [kgm²] Masse des Schlittens reduziert auf die Spindel I N [kgm²] Massenträgheitsmoment der EAS -compact, Nabenseite I D [kgm²] Massenträgheitsmoment der EAS -compact, Druckflanschseite I E [kgm²] Massenträgheitsmoment der EAS -compact, elastische Kupplung I Ku [kgm²] Massenträgheitsmoment der Zwei-Wellen-Verbindung vor dem Einbau der EAS -compact Kupplung M 1 [Nm] Nenndrehmoment des Motors M 2 [Nm] Drehmoment an der Spindel M A [Nm] erforderliches Ausrastdrehmoment in der Beschleunigungsphase M B [Nm] maximales Drehmoment des Motors M G [Nm] Grenzdrehmoment für Überlast M L [Nm] Lastmoment aus Schlittenmasse bei beliebiger Ausrichtung M erf. [Nm] erforderliches Drehmoment zur Vorauswahl der Kupplung g [m s -2 ] Fallbeschleunigung m [kg] Masse des Schlittens [min -1 ] Antriebsdrehzahl des Motors (Eilgang) [min -1 ] Drehzahl der Spindel (Eilgang) p [mm] Steigung der Spindel v [m s -1 ] Vorschubgeschwindigkeit des Schlittens W g [J] gesamte Energie bei Kollision ohne EAS -compact Kupplung W 2 [J] Energie bei Kollision mit EAS -compact Kupplung W R [%] verbleibende Restenergie DW [J] abgekuppelte Energie DW [%] abgekuppelte Energie w 1 [s -1 ] Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle w 2 [s -1 ] Winkelgeschwindigkeit der Spindel 15

16 Schritt 5: Signalerfassung bei Überlast 5.1 Externe Endschalter Bei reibschlüssigen Sicherheitskupplungen kann bei Überlast die Drehzahldifferenz zwischen An- und Abtrieb, die beim Durchrutschen entsteht, erfasst und als Signal zum Abschalten des Antriebs verwendet werden. Formschlüssige Sicherheitskupplungen rasten bei unzulässig hohem Drehmoment aus. In der Regel erfassen die Endschalter oder Initiatoren diese Ausrastbewegung und geben damit das Signal zum Abschalten des Antriebs. Damit wird der Rastvorgang so kurz wie möglich gehalten, denn unnötig langes Durchrasten verkürzt die Lebensdauer wichtiger Funktionsteile. Externe mechanische oder berührungslose Endschalter müssen exakt montiert und eingestellt werden, damit sie die Ausrastbewegung von wenigen Millimetern zuverlässig erfassen. Verändert sich im laufenden Betrieb die Position der Kupplung zum Beispiel durch Wärmedehnungen der Welle, kann dies zu Störungen führen. 5.2 Integrierte Endschalter mit Signalübertragung per Funk Bei der spielfreien formschlüssigen Sicherheitskupplung EAS -sensor ist die Überlasterkennung integriert. Ein Mikroschalter registriert hier bei Überlast die Ausrastbewegung und leitet das Signal kabellos per Funk an eine Basisstation weiter, die mit der Maschinensteuerung verbunden ist. Diese Überlasterfassung arbeitet sehr zuverlässig, da äußere Einflüsse keine negativen Auswirkungen auf die Funktionssicherheit haben. Die EAS -Sensor wird im Werk betriebsfertig eingestellt, damit entfallen Montage- und Justierarbeiten. Schritt 6: Welche Eigenschaften zeichnen eine hochwertige Sicherheitskupplung aus? Auf dem Markt erfüllen nicht alle Kupplungen die Anforderungen an Qualität und Zuverlässigkeit. Wichtig ist es daher, bei der Auswahl auf beste Eigenschaften bezüglich Spielfreiheit, Lebensdauer, Drehmomentverlauf im Überlastfall, Montage-, Bedien-, und Einstellkomfort sowie auf ein breites Produktspektrum des Herstellers zu achten. Ausgezeichnete Qualitätsmerkmale bringen im Betrieb technische Vorteile und helfen wertvolle Zeit und Kosten zu sparen. 6.1 Spielfreiheit In modernen Maschinen mit Antrieben, die häufig mit hohen Drehzahlen oder im Reversierbetrieb laufen, sollten grundsätzlich formschlüssig arbeitende, spielfreie Sicherheitskupplungen eingesetzt werden. Denn unter solchen Betriebsbedingungen neigen spielbehaftete Ausführungen zu Verschleiß und frühzeitigem Ausfall. Viele vermeintlich spielfreie Sicherheitskupplungen sind aber nur im Neuzustand spielfrei. Solange die Übertragungselemente durch definierte Teilungsfehler zwischen An- und Abtriebsseite vorgespannt sind, ist die Spielfreiheit gegeben. Aber schon bei geringem Verschleiß gleichen sich diese Teilungsfehler aus: Das System entspannt sich und verliert die ursprüngliche Spielfreiheit und Steifigkeit. Greifen dagegen die über Tellerfedern vorgespannten Sperrkörper-Kugeln gleichzeitig in die Senkungen der an- und abtriebsseitigen Übertragungselemente, bleibt die Spielfreiheit über die gesamte Lebensdauer der Kupplung erhalten. EAS -compact das spielfreie Prinzip Rechtslauf Drehmoment mayr -EAS Kupplungen Type 400 Herkömmliche spielfreie Kupplungen EAS - compact Linkslauf 16 Verdrehwinkel in Grad [ ]

17 6.2 Lebensdauer Die Lebensdauer der marktüblichen Sicherheitskupplungen schwankt sehr stark: Qualitative Unterschiede machen sich häufig erst im Betrieb bemerkbar. In Anwendungen, bei denen der Überlastfall die absolute Ausnahme bleibt, sind viele Sicherheitskupplungen einsetzbar. Wenn aber wie in den meisten Maschinen die Überlasthäufigkeit nicht exakt vorausgesagt werden kann, muss beim Einkauf ein besonderes Augenmerk auf die Qualität der Drehmomentübertragungs- und Drehmomentbegrenzungseinheit gelegt werden. Um den Verschleiß möglichst gering zu halten, bestehen bei Qualitätskupplungen alle an der Übertragung beteiligten Elemente aus hochfesten Werkstoffen mit gehärteten, verschleißfesten Funktionsflächen. Ist dies nicht der Fall, sind frühzeitiger Verschleiß, Spiel, fallende Drehsteifigkeit und eine geringe Lebensdauer die Konsequenz. 6.3 Drehmomentverlauf im Überlastfall In formschlüssig arbeitenden Sicherheitskupplungen rasten bei Überlast die Sperrkörper-Kugeln gegen vorgespannte Federn aus. Ziel dabei ist es, An- und Abtrieb innerhalb kürzester Zeit und mit möglichst geringer Belastung der Bauteile zu trennen. Werden normale Federn, d. h. Federn mit steigender Kennlinie, verwendet, steigt das Drehmoment während des Ausrastvorgangs an. Die Federn werden stärker vorgespannt ihre Kraft steigt an. Um dieses Phänomen zu vermeiden, werden in hochwertigen Sicherheitskupplungen Tellerfedern mit fallender Kennlinie eingesetzt. Ihre Kraft sinkt bei steigender Vorspannung. Dadurch fällt das Drehmoment bei Überlast sofort ab. Zustellung bis Betriebsbereich Drehmoment M G [Nm] Kraft F Grafik über Federkennlinie Betriebsbereich Federweg S Differenz Teilstriche 4 Teilstriche 6.4 Montage-, Bedien-, und Einstellkomfort Nicht vernachlässigen sollte man bei der Auswahl einer Sicherheitskupplung die Montage-, Bedien- und Einstellfreundlichkeit. Im Idealfall stellt der Hersteller das benötigte Grenzdrehmoment für Überlast nicht mit einfachen Drehmomentschlüsseln, sondern präzise auf geeichten Prüfständen ein. Zudem haben die Sicherheitskupplungen auf ihrer Einstellmutter eine Skalierung. Diese zeigt an, in welche Richtung gedreht werden muss, um das Drehmoment zu erhöhen beziehungsweise zu verringern. Oft sind auf der Skala nur der Minimal- und Maximalwert sowie die Werkseinstellung gekennzeichnet. Häufig fehlen aber Zwischenwerte, die man benötigt, um andere Drehmomente exakt einstellen zu können. Optimalen Einstellkomfort bieten Skalierungen, über die jedes mögliche Drehmoment einfach eingestellt und auch abgelesen werden kann. Eine Blockdrehsicherung verhindert, dass die Tellerfedern beim Einstellen des Drehmoments über den zulässigen Bereich vorgespannt werden. Zusätzlich sorgt eine Sicherung dafür, dass sich die Einstellung der Kupplung auch unter starken Schwingungen und Drehmomentstößen nicht verändert. 6.5 Variantenvielfalt Entscheidend für die Kompetenz eines Herstellers ist neben der technischen Reife der Kupplungen auch das Angebot an unterschiedlichen Bauformen und Ausführungen. Wichtig ist eine breite Produktpalette, um wirklich für nahezu jede Anforderung die passende Sicherheitskupplung bieten zu können. Sicherheitskupplungen sind technisch anspruchsvolle und beratungsintensive Produkte. Nur ein Hersteller mit einem entsprechend breitgefächerten Produktportfolio sowie Entwicklungs-, Fertigungs-, und Applikationserfahrung kann eine objektive und anwendungsoptimierte Beratung leisten. Sollten Sie Ihre Maschinen global vermarkten, achten Sie zudem auf einen weltweiten Vor-Ort-Service. 17

18 Schritt 7: Checkliste für die Auswahl einer Sicherheitskupplung Definieren Sie aus den technischen Daten Ihres Antriebs und der Antriebskonstellation möglichst exakt die Anforderungen an die Sicherheitskupplung. Achten Sie auf wichtige Kenngrößen wie Drehmoment, Drehzahl, Übertragungsverhalten im Überlastfall (lasthaltend, lasttrennend) und Kupplungsbauart (Reibungskupplung, Sperrkörperkupplung, Dauerschlupfkupplung). Achten Sie bei formschlüssigen Kupplungen auf spielfreie Drehmomentübertragung. Spielbehaftete Kupplungen neigen vor allem bei Reversierbetrieb und Wechselmomenten zu Verschleiß und damit zu frühzeitigem Ausfall. Achten Sie auf eine hohe Montage-, Bedien-, und Einstellfreundlichkeit. Eine einfache Handhabung vermeidet Anwendungsfehler und erhöht die Funktions- und Betriebssicherheit. Lassen Sie sich von renommierten Herstellern mit breitem Produktprogramm beraten. Nur solche Anbieter können eine objektive und anwendungsoptimierte Produktempfehlung geben. Setzen Sie auf Lieferanten mit Entwicklungs-, Fertigungs- und Anwendungserfahrung und weltweitem Vor- Ort-Service. Letzteres ist besonders dann wichtig, wenn Sie Ihre Maschinen global vermarkten. 18

19 Kontakt Chr. Mayr GmbH + Co.KG Eichenstraße 1, Mauerstetten Tel /804-0, Fax 08341/ info@mayr.com Firmenprofil mayr Antriebstechnik gehört zu den traditionsreichsten und gleichzeitig innovativsten deutschen Unternehmen der Antriebstechnik. Das Unternehmen ist Weltmarktführer bei Sicherheitskupplungen, Aufzugsbremsen, Bühnenbremsen und Vertikalachsenbremsen sowie bei der smartflex -Metallbalgkupplung. Mit dem Anspruch, stets bessere Lösungen zu erarbeiten, sowie mit langjähriger Erfahrung und Kompetenz setzt mayr heute Standards in der Antriebstechnik. Das breite mayr -Produktportfolio mit zahlreichen markt- und branchenoptimierten Ausführungen umfasst spielfreie Wellenausgleichskupplungen, Sicherheitskupplungen, elektromagnetische Kupplungen und Bremsen, Sicherheitsbremsen sowie hochwertige Gleichstromantriebe. Diese haben ihre Einsatzfelder in einem sehr breit gefächerten Branchenspektrum und bewähren sich tagtäglich in allen Teilbereichen des Maschinenbaus. Mit acht Außenbüros in Deutschland, acht Niederlassungen in den Ländern Frankreich, USA, China, Schweiz, Italien, Großbritannien, Polen und Singapur sowie 30 weiteren Vertretungen ist mayr in allen wichtigen Industriegebieten vor Ort und garantiert exzellenten Kundenservice rund um den Globus. Autoren Hermann Bestle, Simone Winkler Tel / Fax 08341/ hermann.bestle@mayr.de 19