Wellenkupplungen und -bremsen PDF

Preview

Summary

Wellenkupplungen und -bremsen...

Description

Decker Maschinenelemente downloaded from www.hanser-elibrary.com by Technische Universität Berlin on May 13, 2020 For personal use only.

20

D

Wellenkupplungen und -bremsen

Wellenkupplungen dienen zur Verbindung zweier Wellen, z. B. der Wellen von Kraft- und Arbeitsmaschinen (der Antriebs- und Lastseiten) oder von Transmissionswellen oder zum Verbinden einer Welle mit einem auf ihr drehbeweglich sitzenden Maschinenteil, wie Zahn rad, Riemenscheibe oder Kettenrad, um dieses nach Belieben zu- oder abschalten zu ko¨nnen Bremsen dienen zum Anhalten von sich bewegenden Massen, z. B. der Hublasten von Kra nen. Sie sind prinzipiell Abwandlungen von Reibkupplungen Die erforderlichen Berechnungen zur Bestimmung der Kupplungsgro¨ße werden in den entspr. Abschnitten behandelt. Wegen der Vielzahl der angebotenen Kupplungsbauformen kann nur eine Auswahl besprochen werden, von diesen wiederum nur die Grundbauformen die sich in vielfa¨ltigster Weise variieren lassen In DIN 740 und in den meisten Firmenkatalogen sind die maßgebenden Drehmomente mi T bezeichnet

20.1

Einteilung der Wellenkupplungen

Je nach den Aufgaben und Bauarten von Kupplungen unterscheidet man nach der Richtlinie VDI 2240: 1. Nichtschaltbare Kupplungen, die form- oder kraftschlu¨ssig starr oder formschlu¨ssig nachgiebig sein ko¨nnen, und zwar la¨ngs-, quer- und winkelnachgiebig. Sie dienen zum Ausgleich von Wellenverlagerungen (Ausgleichskupplungen). Zusa¨tzlich drehnachgiebige Kupplungen mildern Sto¨ße oder da¨ mpfen Schwingungen und wirken gleichzeitig als Ausgleichskupplungen. Auch kraftschlussig drehnachgiebige Kupplungen werden mitunter eingesetzt. Das sind Schlupfkupplungen, die beispielsweise hydrodynamisch wirken (Stro¨mungskupplungen) oder elektrodynamisch (Induktionskupplungen) und das Drehmoment durch Drehzahlschlupf der beiden Kupplungsha¨ lften u¨ bertragen 2. Schaltbare Kupplungen , die fremdbetatigt (Schaltkupplungen), drehzahlbetatigt (Fliehkraftkupplungen), momentbeta tigt (Sicherheitskupplungen) oder richtungsbetatigt (Freilaufkupplungen) sein ko¨nnen. Diese Kupplungen ko¨nnen jeweils fu¨r Form- oder Kraftschluss ausgebildet sein. Bild 20.1 zeigt in einer u¨ bersichtlichen Darstellung die systematische Einteilung der We llen kupplungen nach ihren Eigenschaften

20.2

Starre Kupplungen

Da starre Kupplungen keine Drehmomentsto¨ße mildern, werden sie nur bei geringen Dreh momentschwankungen verwendet. Sie kommen ausschließlich bei fluchtenden Wellenenden in Betracht, was in der Praxis selten vorkommt. Solche starren Kupplungen sollten bei modernen Konstruktionen nicht oder nur nach genauester }berpru¨fung der Verha¨ltnisse einge setzt werden (vgl. Bilder 20.2 und 20.3).

Decker Maschinenelemente downloaded from www.hanser-elibrary.com by Technische Universität Berlin on May 13, 2020 For personal use only.

20 Wellenkupplungen und -bremsen

499

D

2

Im geschalteten Zustand ko¨nnen schaltbare Kupplungen auch Eigenschaften der nicht schaltbaren au weisen Die Ziffern geben den Abschnitt an, in dem die betreffende Kupplungsart erla¨utert wir

Bild 20.1 Systematische Einteilung der Wellenkupplungen nach ihren Eigenschaften (nach VDI 224

20.3

Drehsteife Ausgleichskupplungen

Antriebsmaschine und Arbeitsmaschine mu¨ssen u¨ ber eine Ausgleichskupplung miteinande verbunden werden, um Fundament- und Montageungenauigkeiten sowie Temperaturdehnun gen auszugleichen (Bild 20.4)

Decker Maschinenelemente downloaded from www.hanser-elibrary.com by Technische Universität Berlin on May 13, 2020 For personal use only.

500

D

Drehbewegungselemente

Bild 20.2 Schalenkupplung DIN 115 fu¨ r Transmissionen

Bild 20.3 Scheibenkupplungen a) mit Zentrierrand Form A DIN 116, b) mit zweiteiliger Zwischenscheibe (Zentrierscheibe Form B DIN 116, c) mit an die Wellenenden geschmiedeten Flanschen (Flanschkupplung

Bild 20.4 Einsatz einer Ausgleichskupplun

Diese Kupplungen gleichen aus (Bild 20.5): 1. Axialversatz DK a 2. Radialversatz DKr 3. Winkelversatz D Kw Die grundlegende Berechnung geht immer von der physikalischen Forme Leistung moment Winkelgeschwindigkeit aus: P

T w

T 2p n

Bild 20.5 Verlagerungsarten bei Ausgleichskupplungen (Werkbild KTR

Dreh-

501

20 Wellenkupplungen und -bremsen

Nach T aufgelo¨st, muss das zula¨ssige Nenndrehmoment der Kupplung TKN gro¨ßer oder gleich dem Nenn-Lastmoment TLN sein:

Decker Maschinenelemente downloaded from www.hanser-elibrary.com by Technische Universität Berlin on May 13, 2020 For personal use only.

TKN 2 TLN TLN P LN w n

in in in in

Nm W s– 1 s– 1

P LN w

PLN 2pn

20

Nenn-Lastmoment, Nenn-Leistung der Arbeitsmaschine, also der Lastseite Winkelgeschwindigkeit Drehzahl

Diese Gleichung ist die Basis fu¨r Verfeinerungen, denn in der Realita¨t mu¨ssen ungleichfo¨r mige Belastungen, Anfahrsto¨ße, Schwingungsvorga¨nge, Temperatureinflu¨sse und vieles meh beru¨cksichtigt werden. Dann wird das Nenn-Lastmoment TLN mit verschiedenen Faktoren modifiziert, z. B. TK max TLN K. Dabei ist der Kupplungsbeiwert K (eigentlich ein Korrekturfaktor) meist eine Kombination aus mehreren Faktoren, welche die o. g. Einflu¨sse meh oder weniger gut abbilden Baumuster drehsteifer Ausgleichskupplungen bekannter Hersteller zeigen die folgenden Bilder. Genaue Angaben zu den u¨ bertragbaren Drehmomenten, Drehmassen, zula¨ ssigen Versa zen sind den Druckschriften der Hersteller zu entnehmen. Allgemeingu¨ltige Angaben lassen sich nicht machen Die Bogenzahn-Kupplung (geschu¨ tzter Begriff) ist ein Klassiker der drehstarren Ausgleichskupplunge Wa¨hrend bei den geradverzahnten Kupplungen bei Winkel- und Radialverlagerungen Kantenpressung (Bild 20.6) auftreten, wird dies bei bogenverzahnten Kupplungen vermieden (Bild 20.7

D Bild 20.6 Kantenpressung bei Geradverzahnung (Werkbild KTR)

Bild 20.7 Keine Kantenpressung bei Bogenverzah nung (BoWex) (Werkbild KTR

Eine sehr bewa¨ hrte Bauart zeigt Bild 20.8: Die BoWex-Bogenzahnkupplung besteht aus einer oder zw Naben aus Stahl und einer Hu¨ lse aus Kunststoff. Fu¨ r ho¨ chste Anspru¨ che, z. B. im Turbinenbereich, em len sich die von der Fa. Tacke entwickelten Ganzstahl-Bogenzahnkupplungen mit ~lfu¨ llung (Bild 20 Diese Kupplungen ko¨ nnen beeindruckende Dimensionen erreichen (Bild 20.10). Die Kinematik, das V schleißverhalten und die Temperaturentwicklung solcher Kupplungen sind sehr kompliziert, es wird auf d Literatur [20.1] bis [20.4] verwiesen

Bild 20.8 Doppelkardanische Bogenzahnkupplung Werkstoffpaarung Kunststoff/Stahl. Bauar M. . .C mit der Hu¨ lse aus kohlefaserver sta¨rktem PA ist ex-sicher (Werkbild KTR

Bild 20.9 Ganzstahl-Bogenzahnkupplung fu¨ ho¨chste Beanspruchung, o¨ lgefu¨ (Werkbild Renk, Rheine)

Decker Maschinenelemente downloaded from www.hanser-elibrary.com by Technische Universität Berlin on May 13, 2020 For personal use only.

502

Drehbewegungselemente

Bild 20.10 Fertigung von schweren Bogen zahnkupplungen (Werkbild Renk, Rheine) Ein altes, aber bewa¨hrtes Prinz ip ist die Oldham-Kupplung (Bild 20.11). Kinematisch funktioniert sie wie ein Doppelschleifengetriebe. Solche Kupplungen werden u. a. in der Feinwerktechnik eingesetzt, die Au gleichskupplung nach Bild 20.12 ist auch fu¨ r gro¨ ßere Leistungen geeignet. Die Naben bestehen aus Sta bz w. Spha¨ roguss und die Ausgleichsscheibe aus hoch verschleißfestem Hartgewebe. Diese Kupplung h wie auch die Bogenzahnkupplung, sehr geringe Ru¨ ckstellkra¨f

D

Bild 20.11 Oldham-Kupplung [20.5]

Bild 20.12 Ausgleichskupplung nach dem Oldham Prinzip (Werkbild RINGSPANN)

Eine vo¨llig verschleißfreie Bauart ist dieStahl-Lamellenkupplung. Zwischen Stahlflanschen sind in Dreh richtung extrem steife Lamellen aus (rostfreiem) Federstahl angebracht; durch die Ganzstahlausfu¨ hru sind Einsatztemperaturen bis zu 280 C mo¨ glich. Diese Kupplungen kommen wegen ihres Preises nur f ho¨herwertige Anwendungen in Betracht. Die Bilder 20.13 bis 20.15 zeigen drei typische Baumuste

Bild 20.13 RADEX 1 -N-StahlLamellenkupplung (Werkbild KTR)

Bild 20.14 ROBA 1-DS-Ganzstahlkupplung (Werkbild Mayr)

Bild 20.15 POSIMIN1-Lamellenkupplung (Werkbild Tschan)

503

20 Wellenkupplungen und -bremsen

Decker Maschinenelemente downloaded from www.hanser-elibrary.com by Technische Universität Berlin on May 13, 2020 For personal use only.

Im weiteren Sinne za¨hlen auch die Gelenkwellen („Kardanwellen“) zu den drehstarren, aber radial-, axial- und winkelbeweglichen Kupplungen. Normalerweise werden winkelbewegliche Kreuzgelenke eingesetzt (Bilder 20.16 und 20.17)

Bild 20.16 Kardan-Gelenkwellen (Werkbild Elbe)

Bild 20.17 Doppelgelenkwelle fu¨ Lenkachsen. 9 Gelenkkreuz, 14 Lagernadeln (Werkbild Elbe)

Damit tritt aber an der Welle 2 eine ungleichma¨ßige Winkelgeschwindigkeit auf (vg Bild 20.18): Fu¨r die Stellung des Kreuzgelenks in Bild 20.18 links gilt: w R und die UmfangsAm Punkt A ist die Umfangsgeschwindigkeit fu¨r die Welle 1 u geschwindigkeit fu¨r die Welle 2 u2 w2 R cos a. Diese beiden Umfangsgeschwindigkeiten u2 . Daraus folgt: sind natu¨rlich gleich: u w2

w

cos a

Die Umfangskraft am Punkt A ist Ft

T R

T2 R cos a

Bild 20.18 Ausgelenktes Kreuzgelenk Links Ausgangsstellung rechts um j = 90o weitergedreht [20.5]

Damit ist das Verha¨ltnis von Antriebsdrehmoment zu Abtriebsmoment T T2

cos a

w2 w

D

504

Drehbewegungselemente

Wird das Kreuzgelenk um 90 weitergedreht (Bild 20.18 rechts) w2 w cos a Damit wird nun das Verha¨ltnis von Antriebsdrehmoment zu Abtriebsmoment T T2

cos a

w2 w

Der Ungleichfo¨rmigkeitsgrad d ergibt sich aus

Decker Maschinenelemente downloaded from www.hanser-elibrary.com by Technische Universität Berlin on May 13, 2020 For personal use only.

d

D

w max w min wmittel

mit wmittel

Zahlenbeispiel Es sei das Kreuzgelenk um a Ausgangsstellung:

w2

wmax þ wmin 2

20 ausgelenkt und w w

cos a

cos 20

Um 90 weitergedreht: w 2 w cos a cos 20 Es ergibt sich der Ungleichfo¨rmigkeitsgrad d d

1,06

0,94

0,12

1: 1,06

0,94.

12 %

Damit schwankt die Drehzahl (und das Drehmoment) der Abtriebswelle gegenu¨ber de gleichfo¨rmigen Bewegung der Antriebswelle, und zwar umso sta¨ rker, je gro¨ßer der Beuge winkel a ist. Bei 45 ist der Ungleichfo¨rmigkeitsgrad bereits 70 %! Daher sind die von den Herstellern empfohlenen Beugewinkel maximal 20 . . 35 . Bei sta¨ rkeren Beugewinkeln sollen homokinetische Gelenke , sog. Gleichlaufgelenke, eingesetzt werden (Bild 20.20). Als Literatur zu diesem Komplex sei [20.6] empfohlen. Diesen Ungleichfo¨rmigkeitsgrad kann man jedoch durch zwei Kreuzgelenke kompensieren entweder in M-Anordnung oder in Z-Anordnung (Bild 20.19). Damit la¨uft zwar die Zwischenwelle nach wie vor ungleichfo¨rmig, aber das zweite Kreuzgelenk kompensiert dies. Es muss darauf geachtet werden, dass die Gelenkgabeln der Zwischenwelle in einer Ebene lie gen, d. h. nicht zueinander verdreht sind. Sonst werden die Ungleichfo¨rmigkeiten sogar noch versta¨rkt.

Bild 20.19 Zwei Kreuzgelenke ko¨nnen die prinzipbedingt Ungleichfo¨rmigkeit ausgleichen [20.5

Bild 20.20 Gleichlaufgelenk (Werkbild Lo¨bro

Bild 20.21 Wellengelenke DIN 808 (Werkbild KTR)

505

Decker Maschinenelemente downloaded from www.hanser-elibrary.com by Technische Universität Berlin on May 13, 2020 For personal use only.

20 Wellenkupplungen und -bremsen

Fu¨r weniger anspruchsvolle Aufgaben (Langsamlauf, Handantrieb) empfehlen sichWellengelenke nach DIN 808 (Bild 20.21). Sie sind meist gleitgelagert (dann liegen die zula¨ssigen Drehzahlen unter 1000 min ), erlauben aber bei niedrigeren Drehzahlen Beugewinkel bi 45 . Allerdings betra¨ gt dann das zula¨ssige Drehmoment nur noch etwa / 4 des normalerweise zula¨ssigen Drehmoments. Bei nadelgelagerter Ausfu¨hrung sind bis 4000 min mo¨glich. Na¨ heres entnehme man den einschla¨gigen Katalogen Eine recht neuartige Entwicklung sind die Metallbalgkupplungen (Bild 20.22). Der Balg besteht meist aus Edelstahl, die Naben sind aus Aluminium oder Stahl gefertigt. Bei korrekter Auslegung sind diese Kupplungen dauerfest und wartungsfrei. Werden solche Kupplungen mit Klemmnaben eingesetzt, sind sie vo¨llig spielfrei, was fu¨r Pra¨zisionsantriebe, Servomotoren usw. wichtig ist. Sie sind auch in steckbarer Ausfu¨hrung lieferbar, welche die Montage sehr erleichtern kann Aus zwei Metallbalgkupplungen und einem Zwischenrohr lassen sich torsionssteife „Gelenkwellen“ erzeugen (Bild 20.23). La¨ngen bis zu 6 m sind lieferbar. Als Material fu¨r die Zwischenrohre wird Aluminium, Stahl oder CFK verwendet. Die einschla¨gigen Hersteller geben dazu Berechnungshinweise

D Bild 20.22 Metallbalgkupplung (Werkbild R+W Antriebselemente)

20.4

Bild 20.23 Gelenkwellen mit zwei Metalbalg kupplungen (Werkbild R+W Antriebs elemente)

Formschlu¨ ssig nachgiebige, drehelastische Wellenkupplunge

Wellenkupplungen dieser Art besitzen elastische Bindeglieder (Zwischenglieder), die außer dem Ausgleich von Wellenverlagerungen auch Drehmomentspitzen abbauen. Die Binde glieder ko¨nnen metallelastisch (Metallfedern) oder gummielastisch (Gummifedern) sein Drehmomentspitzen treten beim Anfahren von Maschinen auf, besonders beim schnellen Hochfahren. Periodische Drehmomentschwankungen treten bei allen Kolbenmaschinen al Kraft- oder Arbeitsmaschinen auf, umso sta¨ rker, je weniger Zylinder die Kolbenmaschinen besitzen

Bild 20.24 Ausgleich von Achsverlagerungen durch elastische Kupplunge a) keine Verlagerung, b) AxialverlagerungDK a , c) WinkelverlagerungDKw d) Radialverlagerung DKr , e) Radial- und Winkelverlagerung

Decker Maschinenelemente downloaded from www.hanser-elibrary.com by Technische Universität Berlin on May 13, 2020 For personal use only.

506

D

Drehbewegungselemente

Bild 20.25 Wirkungsweise verschiedener Kupplungen A Antriebsseite, L Lastseite (Abtriebsseite) a) starre Kupplung, b stoßmildernde Kupplung, c stoßda¨ mpfende Kupplun

In Bild 20.24 sind schematisch zwei Kupplungsha¨lften mit den mo¨glichen Verlagerungen dar gestellt. Durch das zu u¨ bertragende Drehmoment werden die beiden Kupplungsha¨lften ge geneinander verdreht. Bei einem Drehstoß vergro¨ßert sich der Drehwinkel, und das elasti sche Bindeglied nimmt die Stoßarbeit auf, sodass der Stoß gemildert wird. Bei Beendigung des Stoßes gibt die Kupplung durch Ru¨ckstellung ihrer Bindeglieder die aufgenommene Arbeit ganz oder teilweise wieder zuru¨ck. Dadurch wird die von der Kraft- oder Arbeitsmaschi ne (Antriebs- oder Lastseite) stammende Stoßspitze zwar gemildert, zeitlich aber verla¨ ngert wie Bild 20.25 in Gegenu¨berstellung veranschaulicht Nachstehend sollen einige Baumuster drehelastischer Ausgleichskupplungen bekannter Hersteller erla¨utert werden. Genaue Angaben zu den u¨ bertragbaren Drehmomenten, Drehma sen, zula¨ssigem Versatz sind den Druckschriften der Hersteller zu entnehmen. Allgemeingu¨ltige Angaben lassen sich nicht machen. Manche Hersteller unterscheiden zwischenelastischen und hochelastischen Kupplungen . Die Grenzen sind aber fließend. Bei elastischen Kupplungen gibt es fast noch mehr verschiedene Baumuster wie bei den drehstarren Kupplungen Das Wesentliche an diesen Kupplungen ist neben dem Ausgleich von Axial-, Winkel- und Radialversatz besonders das Verhalten hinsichtlich Torsionssteifigkeit und Dampfung, was fur die Auslegung von Antriebsstra ngen von ganz zentraler Bedeutung ist. Eine sehr bewa¨ hrte Ausfu¨ hrung arbeitet mit sternfo¨rmigen Zahnkra¨nzen, die aus Polymeren mit versc denen Shore-Ha¨rten bestehen (z. B. 80 Sh A, 92 Sh A, 95/98 Sh A und 64 Sh D-F) – Bild 20.26. Typisch Zahnkranzmaterialien sind Polyurethan oder Hytrel. }bliche Verdrehwinkel bei Nennmoment liegen b etwa 3

Bild 20.26 Drehelastische ROT EX1 -Kupplung (Werkbild KTR)

Bild 20.27 Spielfreie Wellenkupplung ROTEX1 GS (Geradzahl spielfrei) (Werkbild KTR)

Normalerweise sind die Za¨hne ballig, aber fu¨ r Pr a¨ zisionsantriebe werden spezie spielfreie Kupplungen mit geraden Za¨ hnen geliefert, z. B. die ROTEX1 GS (Bild 20.27). Hier sitzen die Za¨hne mit Vorspannun in den Naben. Solche Baumuster werden in den unterschiedlichsten Wellenanschlu¨ ssen und Ausfu¨ hrung hergestellt (Bild 20.28). Eine ganz neue Entwicklung sind derartige Wellenkupplungen in Voll-Kunststo ausfu¨ hrung (Bild 20.29). Nicht nur die Sterne, sondern auch die Naben hier bestehen aus (Spezial-)Kuns

507

20 Wellenkupplungen und -bremsen

Decker Maschinenelemente downloaded from www.hanser-elibrary.com by Technische Universität Berlin on May 13, 2020 For personal use only.

stoff. Umfangreiche Untersuchungen und Dauertests zeigten, dass diese Voll-Kunststoffkupplungen oh Weiteres die Leistung von Metallnabenkupplungen erreichen ko¨nnen. Auch die Lebensdauertests sind se positiv verlaufen

Bild 20.28 SERVOMAX1 Elastomer-Kupplungen (Werkbild R+W)

Bild 20.29 Voll-Kunststoffkupplung (Werkbild R+W

Bild 20.30 Elastische Wellenkupplung NOR-MEX (Werkbild Tschan)

Zwei sehr bewa¨hrte Ausfu¨ hrungen von elastischen Kupplungen zeigen die Bilder 20.30 und 20.31. Beso ders die N-EUPEX (Flender) ist in der chemischen Industrie sehr verbreitet. Fu¨ r den Anbau an Ve brennungsmotoren gibt e hochelastische Flanschkupplungen (Bilder 20.32 und 20.33), die direkt an die Schwungra¨der diverser Verbrennungsmotoren (meist Dieselmotoren) geflanscht werden ko¨nnen. Weg der geringen Shoreha¨ rten von 40, 50 bzw. 65 Sh A sind bei Nennmoment sehr große Verdrehwinkel vo z. T. 17 mo¨glich. Der Radialversatz D Kr kann bei kurzzeitigem Anfahrbetrieb den sehr großen Wert vo 7,5 mm annehmen. Die verha¨ltnisma¨ßige Da¨mpfun y betra¨gt 0,6 . . . 1,2 (siehe dazu auch Kapitel Kupplungsberechnung). Solche Kupplungen werden ha¨ ufig bei Industriedieselmotoren verwendet, die Hydrauli pumpen antreiben (z. B. Bagger)

Bild 20.31 Elastische Wellenkupplung N-EUPEX (Werkbild Flender)

Bild 20.32 Hochelastische Flanschkupplung BoWex-ELASTIC 1 fu¨ r den Anbau an Verbrenn un gsmoto ren (Werkbild KTR)

Bild 20.33 Hochelastische Flansch kupplung BoWex-ELASTIC 1 (Werkbild KTR) Bei allen, besonders aber bei elastischen Kupplungen muss ggf. auf sog. ex-gesch u¨ tzte Au sfu¨ hrungen den Einsatz in der chemischen Industrie geachtet werden. Viele der oben genannten Kupplungen sind wah weise in Ex-Ausfu¨ hrung lieferbar

D

508

Drehbewegungselemente

Berechnung der drehelastischen Kupplungen Die dynamischen Eigenschaften einer elastischen Kupplung werden durch ihr Feder- und Da¨mpfungsverhalten definiert. Durch die elastische Federwirkung werden Stoßanregungen im Antriebsstrang vermindert. Je gro¨ßer der Verdrehwinke j ist, umso mehr Arbeit W wird gespeichert und das Spitzenmoment TS verringert: W

j2

TK dj

Decker Maschinenelemente downloaded from www.hanser-elibrary.com by Technische Universität Berlin on May 13, 2020 For personal use only.

j

D

Federsteifigkeiten Elastische Kupplungen haben Torsionssteifigkeiten, Axial-, Radial- und Wi nkelfederstei...