Biegespannungen, Drehmomentstöße, Eigenfrequenz und Resonanz: Alle Maschinenelemente in Antriebssystemen – also vorAchsen, Wellen, Lager und Kupplungen - müssen diesen Beanspruchungen standhalten. Der Kupplung kommt dabei eine wichtige, das System beeinflussende Funktion zuteil, die sie mit fortschreitender Entwicklung immer besser erfüllt.
Eine Kupplung verbindet in der Regel zwei Wellenenden miteinander: eine Kupplungshälfte auf Seite des antreibenden Elements, der Antriebsmaschine, eine Kupplungshälfte auf Seite des angetriebenen Elements, dem Leistungsabnehmer. Die Kupplung überträgt zwischen beiden Wellen die Leistung der Antriebsmaschine, die Drehbewegung und damit letztendlich ein Drehmoment.
Bei der Wahl einer Kupplung sind für Ingenieure zwei Grundgedanken leitend:
- Welche Funktion übernimmt die Kupplung?
- Welchen Anforderungen muss sie innerhalb des Systems gerecht werden?
Die Funktion bestimmt die einzusetzende Kupplungsart. Man unterteilt die Kupplungen in schaltbare und nicht schaltbare Kupplungen. Die schaltbaren unterscheiden sich in solche, die nur im Stillstand geschaltet werden können und solche, die während des Betriebs ein- und ausgekuppelt werden können. Je nach Bauart geschieht dies form- oder kraftschlüssig.
Die nicht schaltbaren unterteilen sich in starre, nachgiebige und drehnachgiebige Kupplungen. Die nachgiebigen wiederum in bewegliche und elastische Kupplungen.*
Dazu kommen spezielle Anforderungen des Systems. Das sind technische Anforderungen wie das Gewicht der Kupplung, ihre Massenträgheitsmomente und die Vermeidung von Schwingungen durch Unwucht. Aber auch wirtschaftliche Anforderungen sind zu beachten, etwa der Aufwand der Montage, die Wartungsintensität und Kosten für den Austausch.
Starre Kupplungen: Übertragen Leistung, aber auch Drehmomentspitzen
Starre Kupplungen, etwa die Scheibenkupplung, gleichen Versätze nicht aus und übertragen Drehschwingungen ungedämpft. Sie eignen sich nur für genau fluchtende Wellen. Häufig findet man starre Kupplungen, wenn Wellenstücke zu langen Wellensträngen verbunden werden, etwa beim Transmissionsantrieb. Da in diesen Kupplungen keine Relativbewegung stattfindet, sind sie verschleißarm. Jedoch ist die Steifigkeit dieser Kupplungen wenig variabel und kaum einstellbar.
Um den mehr oder weniger unvermeidlichen Wellenversatz zu kompensieren, setzen Ingenieure bewegliche Ausgleichskupplungen ein. Sie können axiale, radiale und Winkelverlagerungen ausgleichen. Sie sind jedoch drehsteif und leiten Drehmomentstöße ungedämpft weiter. Verbreitete Formen dieser formschlüssigen Kupplungen sind Zahnkupplungen, Stahl-Lamellenkupplungen , Kreuzgelenk- oder Kugelgelenkkupplungen.
Elastische Kupplungen: Leistungsübertragung mit Dämpfung und Versatzausgleich
Elastische Kupplungen, wie etwa Klauenkupplungen, haben die Aufgabe, neben der Übertragung von Drehmomenten von Antriebs- zur Arbeitsmaschine auch einen winkligen, radialen und axialen Wellenversatz innerhalb festgelegter Bereiche auszugleichen. Je komplexer die Anforderungen, desto sorgsamer muss die Kupplung ausgewählt werden. Bolzen- und Klauenkupplungen etwa können Axialverschiebungen, Winkel- und Radialversatz ausgleichen. Sie zählen zu den semielastischen Kupplungen und werden in der Regel in Antriebssträngen mit Elektromotoren bei relativ gleichförmigem Drehmomentverlauf eingesetzt.
In Antriebssträngen mit Verbrennungsmaschinen treten ungleichförmige Drehmomentverläufe mit dynamisch überlagerten Amplituden auf. Drehelastische und insbesondere hochelastische Kupplungen können Drehschwingungsamplituden und Drehmomentstöße dämpfen. Durch gezielte Auswahl und Anpassung der Torsionssteifigkeit der Kupplung kann die Eigenfrequenz des Antriebsstrangs beeinflusst und unvermeidliche Resonanzstellen in unkritische Bereiche verschoben werden. Somit liegt bei der Auslegung einer drehelastischen Kupplung der Fokus sowohl auf der Steifigkeit als auch auf der Dämpfungseigenschaft. Ein Anwendungsfall: Das Blockheizkraftwerk, in dem etwa ein Gas-Motor mittels einer drehelastischen Kupplung mit einem Synchron-Generator zur Stromerzeugung gekoppelt wird.
Steigen die technischen Anforderungen an die Kupplung, wachsen unter Umständen auch die wirtschaftlichen Anforderungen. Denn herkömmliche hochelastische Kupplungen sind teuer, ihre Wartung und Austausch der elastischen Elemente unter Umständen aufwendig. Neue Generationen von Kupplungen greifen beide Anforderungsdimensionen gleichermaßen auf. So ermöglichen in Reihe geschaltete Elastomerpuffer, dass die Steifigkeit individuell eingestellt, aber auch dass die elastischen Puffer im eingebauten Zustand ausgetauscht werden können. Das reduziert Wartungszeit und Kosten.
* Vgl. zum Beispiel: Professor Dr.-Ing. Horst Haberhauer, Ferdinand Bodenstein † (2005): Elemente der drehenden Bewegung. Springer Heidelberg.
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