Starre und flexible Wellenkupplungen: Was ist der Unterschied?

Wenn Sie bei einem Wellenantrieb die Entscheidung zwischen starrer Kupplung und flexibler Kupplung falsch treffen, treten die Folgen selten sofort auf. Stattdessen zeigt es sich Wochen später als ein verschlissenes Lager, eine gekaute Nut oder ein Servo, das seine Position nicht mehr halten kann.

Eine starre Kupplung hält zwei Wellen in einer festen Beziehung, ohne dass eine Fehlausrichtung berücksichtigt wird. Eine flexible Kupplung ermöglicht ein geringes Maß an winkligem, parallelem oder axialem Versatz, um die Ausrichtungsfehler auszugleichen, die bei jeder realen Baugruppe auftreten. Bei beiden handelt es sich um Wellenkupplungen, die dieselbe grundlegende Aufgabe erfüllen: Sie verbinden zwei rotierende Wellen, sodass das Drehmoment sauber von einer zur anderen übertragen wird.

Bei der Wahl kommt es auf drei Dinge an: wie genau Ihre Wellen ausgerichtet sind, wie viel Drehmoment durch das Gelenk geleitet werden muss und wie viele Vibrationen der Rest Ihres Antriebsstrangs aushält. Als Faustregel gilt: Wählen Sie eine starre Kupplung, bei der die Wellen exakt ausgerichtet sind und auch so bleiben, und wählen Sie eine flexible Kupplung, wo sie nicht sind. Dieser Leitfaden behandelt die Überlegungen dahinter und hilft Ihnen, die Anwendungen zu verstehen, in denen sich die einzelnen Kupplungstypen auszeichnen.

Inhalt:

• Was ist eine starre Kupplung?

• Was ist eine flexible Kupplung?

• Starre und flexible Wellenkupplungen: Hauptunterschiede

• Wie wählt man zwischen einer starren und einer flexiblen Kupplung

• Wichtige Erkenntnisse

• Häufig gestellte Fragen

Was ist eine starre Kupplung?

Eine starre Kupplung oder starre Wellenkupplung verbindet zwei Wellen zu einer mechanisch einzigen durchgehenden Welle. Sobald sie montiert ist, gibt es keine Relativbewegung zwischen den beiden Enden. Das bedeutet, dass keine Schrägstellung, kein axialer Auftrieb und keine Berücksichtigung von leichten Verschiebungen der Wellen möglich ist. Diese feste Verbindung ist genau der Punkt. Da eine starre Kupplung kein flexibles Element hat, das die Last aufnehmen könnte, wird das gesamte Drehmoment direkt und sofort übertragen, mit minimalem Auftrieb und nahezu ohne Gegenspiel. Das macht starre Kupplungen zur besten Wahl überall dort, wo die Positioniergenauigkeit genauso wichtig ist wie das Rohdrehmoment, Werkzeugmaschinenspindeln, Prüfstände und Roboterachsen.

Arten der starren Kupplung

Starre Kupplungen gibt es in einer Handvoll gängiger Formen. Eine Muffenkupplung ist die einfachste: Eine einzelne Hülse passt über beide Wellenenden und wird mit Stellschrauben verriegelt. Sie eignen sich am besten für leichte und mittlere Arbeiten. Eine Klemmkupplung (oder geteilte Kupplung) umschließt beide Wellen und wird mit Schrauben festgezogen, sodass sie einfach montiert und entfernt werden kann, ohne dass eine der Wellen aus ihren Lagern herausgeschoben werden muss. Eine Flanschkupplung verschraubt zwei separate Flanschhälften miteinander und ist die übliche Wahl für schwerere Lasten oder wenn die beiden Wellen einen unterschiedlichen Durchmesser haben.

Der Kompromiss ist die Ausrichtung. Da eine starre Kupplung keine Fehlausrichtung auffangen kann, müssen entweder die Wellen bei der Montage perfekt positioniert werden oder die Kupplung und alles auf beiden Seiten, einschließlich der Lager, werden einer ständigen Belastung ausgesetzt.

Was ist eine flexible Kupplung?

Eine flexible Kupplung oder flexible Wellenkupplung überträgt das Drehmoment auf die gleiche Weise wie eine starre Kupplung. Im Gegensatz zu diesen verfügen sie über ein Element wie einen gefrästen Schlitz, ein geformtes Elastomer oder ineinandergreifende Zähne, sodass sie eine geringe Fehlausrichtung zwischen den beiden Wellen absorbieren können. Diese Fehlausrichtung kann eckig (die Wellen treffen sich in einem leichten Winkel), parallel (die Wellenmittellinien sind versetzt, bleiben aber ungefähr parallel) oder axial (die Wellen bewegen sich etwas näher zusammen oder weiter auseinander, wenn die Maschine läuft) sein. Die meisten flexiblen Kupplungen tolerieren eine Fehlausrichtung in mehr als einer dieser Richtungen gleichzeitig.

Arten der flexiblen Kupplung

Die Höhe der Spende variiert je nach Design. Zahnkupplungen, bei denen an jeder Nabe ineinandergreifende Zähne verwendet werden, lassen in der Regel einen Winkelversatz von etwa 0,5 bis 1,5 Grad pro Zahnrad zu und übertragen mehr Drehmoment als die meisten anderen flexiblen Typen. Klauenkupplungen, wie sie bei kontinuierlich laufenden Elektromotoren üblich sind, bewältigen in der Regel eine Winkelfehlstellung von etwa 1 Grad und einen Parallelversatz von etwa 0,015 Zoll. Rollenkettenkupplungen, die in Land- und Bergbaumaschinen wegen ihrer Wirtschaftlichkeit bei hohen Drehmomenten beliebt sind, ermöglichen in der Regel etwa 1 bis 2 Grad. Bei Faltenbälgen und Lamellenkupplungen handelt es sich um spielfreie Metallkonstruktionen: Faltenbälge bieten für ihre Größe eine hohe Torsionssteifigkeit und bieten nur eine begrenzte Fehlausrichtung, während Lamellenkupplungen mehr aushalten. Bei elastomeren Konstruktionen wird ein Gummi- oder Polymerelement verwendet, um Vibrationen zu dämpfen, anstatt sie einfach zu tolerieren.

Das eigene Sortiment an flexiblen Wellenkupplungen von Accu spiegelt dieselbe Aufgabenverteilung wider. Bei den spiralförmigen Kupplungen handelt es sich um einteilige, spiralförmig geschnittene Kupplungen, die aus Aluminium — Luft- und Raumfahrt (Klasse 7075) gefertigt sind. Sie bieten eine steife, spielfreie Verbindung für eine präzise Positionierung in Encodern und kleinen Servo-Feedback-Antrieben. Die Kupplungen mit hoher Verstärkung verwenden stattdessen einen geformten Gummikern zwischen den Naben aus Aluminium (Güteklasse 2017). Bei Servo- und Schrittantrieben, die mit hoher Geschwindigkeit laufen, wird eine gewisse Steifigkeit gegen eine echte Schwingungsdämpfung eingetauscht.

Starre und flexible Wellenkupplungen: Hauptunterschiede

In der folgenden Tabelle werden die beiden Kupplungstypen anhand der Faktoren, die tatsächlich darüber entscheiden, welcher Kupplungstyp zu einer bestimmten Anwendung gehört, Seite an Seite gestellt.

Ein Vorbehalt bei diesem Kompromiss: Verwindungssteife, flexible Kupplungen wie Träger-, Faltenbalg- und Scheibenkonstruktionen bieten nahezu kein Spiel mit einer gewissen Toleranz gegenüber Fehlausrichtungen, weshalb sie bei Servo- und Encoderantrieben die übliche Wahl sind.

Das Muster bei allen Faktoren ist dasselbe: Bei einer starren Kupplung wird Toleranz gegen Sicherheit eingetauscht, und bei einer flexiblen Kupplung wird ein kleines Maß an Sicherheit gegen Toleranz eingetauscht. Abstrakt betrachtet ist die bessere Kopplung auch nicht. Jede ist die richtige Kupplung für eine bestimmte Reihe von Betriebsbedingungen.

So wählen Sie zwischen einer starren und einer flexiblen Kupplung

Beginnen Sie damit, wie genau die beiden Wellen tatsächlich ausgerichtet werden können, und nicht damit, wie genau sie laut Zeichnung ausgerichtet werden sollten. Wenn der Motor und die angetriebene Komponente auf einer einzigen starren Grundplatte sitzen, bearbeitet und zusammen angeordnet sind, ist eine starre Kupplung realistisch. Wenn sie auf separaten Strukturen montiert sind, über ein Getriebe angetrieben werden oder sich leicht verschieben können, wenn sich die Maschine erwärmt oder sich einpendelt, erledigt eine flexible Kupplung eine Aufgabe, die eine starre Kupplung nicht kann.

Wägen Sie als Nächstes das Drehmoment gegen die Vibration ab. Eine starre Kupplung überträgt das Drehmoment mit dem geringsten Verlust und dem geringsten Spiel, was bei positionskritischen Antrieben wichtig ist. Bei einer flexiblen Kupplung wird ein wenig von dieser Präzision geopfert, um den Rest des Antriebsstrangs zu schützen: Motorlager, Getriebe und angetriebene Ausrüstung halten länger, wenn Stöße und Vibrationen an der Kupplung gedämpft und nicht direkt durch die Kupplung geleitet werden.

Die Wahl der Kupplung steht nicht für sich allein. Drei weitere Passungsfaktoren müssen zur gleichen Welle passen, und wenn einer von ihnen falsch ist, wird eine richtig gewählte Kupplung rückgängig gemacht:

• Wellenbund oder -schelle: Platziert die Kupplung auf der Welle und muss auf deren Bohrung und Verriegelungsmethode abgestimmt sein.

• Passfeder: verhindert, dass sich die Kupplung relativ zur Welle dreht, sodass die Passung derselben Spezifikation unterliegt wie die Kupplung selbst.

• Bohrungstoleranz: Die Kupplung wird bis zu einer bestimmten Toleranz gebohrt, und eine lose oder enge Bohrung läuft uneben und nutzt sich frühzeitig ab, unabhängig davon, zu welchem Kupplungstyp sie gehört.

Für welchen Kupplungstyp Sie sich auch entscheiden, die gleiche Sorgfalt bei der Passform schützt die Lager auf beiden Seiten.

Wichtige Erkenntnisse

Bei der Wahl zwischen einer starren und einer flexiblen Wellenkupplung kommt es darauf an, wie genau Ihre Wellen ausgerichtet sind und vor wie starken Vibrationen der Rest des Antriebsstrangs geschützt werden muss. Wenn Sie dieses Urteil richtig treffen, wird die Kupplung zum zuverlässigsten Teil des Antriebs, nicht zu dem Teil, der zuerst ausfällt.

• Passen Sie die Kupplung an die Ausrichtung an, nicht an das Drehmoment: Eine starre Kupplung hält zwei Wellen in einer festen Beziehung, ohne dass Fluchtungsfehler berücksichtigt werden. Dadurch entsteht nahezu kein Spiel und die direkteste Drehmomentübertragung, die möglich ist. Das funktioniert nur, wenn die Wellen exakt ausgerichtet sind und auch so bleiben.

• Erwarten Sie, dass eine flexible Kupplung absichtlich etwas nachgibt: Elastische Kupplungen tolerieren ein geringes Maß an Winkel-, Parallel- oder Achsenversatz, typischerweise etwa 1 bis 2 Grad Winkelversatz, je nach Konstruktion und Dämpfung, die sonst die Lager erreichen würden.

• Lassen Sie die Genauigkeit der Ausrichtung entscheiden, nicht die Präferenz: Wenn die Wellen auf einer einzigen starren Basis sitzen und dort bleiben, ist eine starre Kupplung die genauere Wahl. Wenn sie separat montiert sind, über ein Getriebe angetrieben werden oder die Gefahr besteht, dass sie sich bei laufender Maschine verschieben, erledigt eine flexible Kupplung eine Aufgabe, die eine starre Kupplung nicht kann.

• Behandeln Sie niemals die gesamte Spezifikation der Kupplung: Passung der Passung der Nut, Bohrungstoleranz und Position des Wellenringes wirken sich alle darauf aus, wie gut eine der Kupplungen funktioniert, und wenn eine falsch gewählt wird, wird eine richtig gewählte Kupplung rückgängig gemacht.

• Schauen Sie sich das eigene Sortiment von Accu für beide Anforderungen an: Die spiralförmigen Strahlkupplungen, gefertigt aus Aluminium — Aerospace (Klasse 7075), bieten eine spielfreie Verbindung für eine genaue Positionierung. Die Kupplungen mit hoher Verstärkung kombinieren einen geformten Gummikern mit Aluminiumnaben (Klasse 2017) für eine echte Schwingungsdämpfung. Stöbern Sie im Angebot an flexiblen Wellenkupplungen von Accu, um gleich die richtige Kupplung zu finden. CAD-Modelle und ein Konformitätszertifikat sind in jedem Angebot enthalten.

Weiterführende Lektüre

• Was ist Backlash in Gears?

• Wie funktioniert ein Schrittmotor

• Wie misst man Kugellager und identifiziert sie anhand eines Codes

• Einführung in lineare und rotierende Bewegungskomponenten

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist der Unterschied zwischen starrer und flexibler Kupplung?

A: Eine starre Kupplung verriegelt zwei Wellen miteinander, ohne dass eine Fehlausrichtung berücksichtigt wird. Dadurch wird ein maximales Drehmoment übertragen, ohne dass ein Verdrehspiel entsteht. Eine flexible Kupplung ermöglicht einen geringen Winkel-, Parallel- oder Achsenversatz und absorbiert Vibrationen, was wiederum die Positioniergenauigkeit beeinträchtigt.

F: Was sind die drei Arten von Kupplungen?

A: Kupplungen werden am häufigsten in starre, flexible und in eine dritte, weniger verbreitete Kategorie wie Magnet- oder Flüssigkupplungen eingeteilt. Magnetkupplungen übertragen das Drehmoment über einen kleinen Luftspalt mithilfe von Magneten statt einer mechanischen Verbindung, sodass kein physischer Kontakt besteht und keine Gefahr besteht, dass die Kupplung selbst durch eine Fehlausrichtung beschädigt wird, obwohl sie das Drehmoment einer mechanischen Kupplung nicht bewältigen können.

F: Wann sollten Sie eine flexible Kupplung anstelle einer starren verwenden?

A: Verwenden Sie eine flexible Kupplung immer dann, wenn nicht garantiert werden kann, dass die Wellen perfekt ausgerichtet sind, sei es, weil sie auf separaten Strukturen montiert sind, über ein Getriebe angetrieben werden, thermischen Bewegungen ausgesetzt sind oder wenn der Antriebsstrang vor Vibrations- und Stoßbelastungen geschützt werden muss.

F: Was sind die Nachteile starrer Kupplungen?

A: Starre Kupplungen erfordern bei der Montage eine präzise Wellenausrichtung und können Vibrationen oder Stöße nicht absorbieren. Daher werden Fehlausrichtungen oder dynamische Belastungen direkt auf die Lager und Dichtungen auf beiden Seiten der Kupplung übertragen, wodurch der Verschleiß beschleunigt wird.

F: Wofür werden starre Kupplungen verwendet?

A: Starre Kupplungen eignen sich für Anwendungen, bei denen die Wellen präzise ausgerichtet sind und die Drehmomentübertragung oder Positioniergenauigkeit wichtiger ist als die Toleranz gegenüber Fehlausrichtungen. Dazu gehören Werkzeugmaschinenspindeln, Prüfstände, Roboterachsen und schnelllaufende Maschinen wie Turbinen und Pumpen.

F: Was sind die verschiedenen Arten von flexiblen Kupplungselementen?

A: Elastische Kupplungen erreichen ihren Zweck durch verschiedene Mechanismen: einen gefrästen spiralförmigen Schlitz in Trägerkupplungen, ineinandergreifende Zähne in Zahnkupplungen, ineinandergreifende Backen in Backenkupplungen, einen geformten Elastomer- oder Gummikern bei Elastomerkupplungen und hochverstärkenden Kupplungen und eine gewellte Metallmembran in Balgkupplungen.