Die Kupplung ist im Normalfall das weichste Element im Antriebsstrang, im übertragenen Sinn jedoch keineswegs das schwächste Glied in der Kette. Ihre Beschaffenheit ist für die Funktionsfähigkeit von Antrieb und Maschine, für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des kompletten Antriebsstrangs maßgeblich mitverantwortlich. Die optimale Abstimmung der Kupplung auf die zu verbindenden Aggregate ist vor allem dort wichtig, wo man sich keinen Ausfall erlauben kann.
Die dynamischen Eigenschaften einer Kupplung beeinflussen unter anderem, die Lage der Eigenfrequenzen des Aggregates und damit ob es im Bereich der Betriebsdrehzahl zu Resonanzen kommen kann. Der kritische Zustand der Resonanz ist dann erreicht, wenn das System bei einer seiner Eigenfrequenzen angeregt wird (dargestellt in Abb. 1). Es kommt zu einem Aufschaukeln des Gesamtsystems und damit zu einer Vergrößerung der Amplitude. Hierdurch kommt es zu Belastungen der Komponenten im Antriebsstrang, zu Schäden am System oder am Material. Kostspieliger Ersatz und häufige Wartungen sind die Folge.
Abb. 1: Frequenzgangsanalyse mit Darstellung der Lage der ersten und zweiten Eigenfrequenz mit dazugehörenden Amplitudenverhältnissen.
Für Antriebe mit Verbrennungsmotor ist es üblich, eine Kupplung so auszulegen, dass die Anlage im überkritischen Bereich dauerhaft betrieben werden kann. Dies gelingt vor allem durch optimale Einstellung der Steifigkeit und damit der Verschiebung der Eigenfrequenz in weniger kritische Drehzahlbereiche.
Abb. 2: Darstellung unter- und überkritischer Betriebspunkt mit entsprechendem Amplitudenverhältnis.
Jedes Antriebssystem läuft optimal, und damit verlust- und schadensfrei, mit einer individuell eingestellten Steifigkeit und Dämpfung. Doch erst die neueste Generation hochelastischer Kupplungen ermöglicht diese Flexibilität. Ihre Besonderheit: die räumliche Trennung und damit eine Reihenschaltung der elastischen Puffer. Hierdurch ist es möglich, über geschickte Variation der zur Verfügung stehenden Elastomere auf der inneren sowie der äußeren Pufferebene die Steifigkeit optimal auf den Antriebsstrang abzustimmen.*
Drei Beispiele aus der Praxis, warum sie sich lohnen
Beispiel 1: Das Blockheizkraftwerk
Ein Blockheizkraftwerk kann mit unterschiedlichen Antrieben ausgestattet sein. Bietet ein Hersteller 15 unterschiedliche Blockheizkraftwerke an, die er etwa aus der Kombination von drei Motoren und fünf unterschiedlichen Generatoren generiert, muss er für eine optimale Drehschwingungsabstimmung in jedem Geräte auch bis zu 15 passende Kupplung anbieten. Aus Lagerhaltungsgründen und um den Montageaufwand möglichst gering zu halten, ist dies in der Praxis selten der Fall. Vielmehr werden Kompromisse beim Schwingungsverhalten eingegangen.
Mit einer individuell einstellbaren Kupplung auf Basis austauschbarer Elastomerpuffer braucht der Hersteller nur noch eine Kupplung, die er je nach Aggregat mit unterschiedlichen Elastomerpuffersätzen bestückt. Die Anbauteile bleiben also gleich, lediglich der Puffersatz wechselt. Hierdurch spart er Lagerkosten und kann seinen Kunden trotzdem eine individuell eingestellte und damit optimal abgestimmten Antriebsstrang anbieten. Die wiederum erhalten ein Gerät mit langer Laufzeit und geringeren Wartungskosten.
Beispiel 2: Das Notstromaggregat
An Notstromaggregate in Krankenhäusern oder Hochseeplattformen werden hohe Anforderungen in puncto Zuverlässigkeit, Sicherheit und Langlebigkeit gestellt. Doch gerade große Stromaggregate sind hinsichtlich ihrer Resonanzanfälligkeit schwer einstellbar. Die benötigte dynamische Steifigkeit wird in der Regel berechnet. Werden in der Realität Abweichungen zum simulierten Modell festgestellt, gibt es mit klassischen Scheibenkupplungen nur die eine Möglichkeit: der Betreiber erneuert die komplette Kupplung.
Mit der individuell einstellbaren Kupplung auf Basis austauschbarer Elastomerpuffer erhält der Betreiber eine zweite Option: die schrittweise Optimierung der Auslegung mittels Austausch einzelner Puffer. Damit spart er Zeit und Kosten.
Beispiel 3: Große Antriebssysteme
Wieder geht es vor allem um große Systeme, also etwa mit Motoren von mehr als 1000 kW Leistung. Wird die Auslegung der Kupplung bezüglich Steifigkeit und Dämpfung unkorrekt berechnet, kann es zu einem unruhigen Laufverhalten kommen. Im Gegensatz zum Notstromaggregat, bei dem selten ein Risiko eingegangen wird, werden in Fertigungsanlagen oder anderen Bereichen Resonanzerscheinungen fallweise auch mit einer drehsteifen Auslegung der Kupplung begegnet. Der Betreiber nimmt damit höhere Aufwände in Wartung und Ersatz der Kupplung sowie gegebenenfalls häufigere und längere Ausfälle in Kauf.
Setzt er hingegen eine individuell einstellbare Kupplung auf Basis austauschbarer Elastomerpuffer ein, ist eine schrittweise Optimierung der Abstimmung möglich.
* Untersuchungen an seriell angeordneten Elastomerelementen in Wellenkupplungen mittels der Finite-Elemente-Methode / Beuth Hochschule für Technik; Berlin.
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