Antriebssysteme Kapitel 2

• in einem Kupplungsflansch befestigte Bolzen greifen mit ihren axial vorgespannten Profilhülsen in entsprechende Bohrungen des anderen Kupplungsflansches ein.

• Preisgünstige, robuste und hoch belastbare Kupplung mit progressiver Drehfederkennlinie.

• Kennlinie kann mittels der Form der elastischen Elemente beeinflusst werden.

• Zylindrische, tonnenförmige oder mit Rillen versehene Kompressionshülsen.

• Geringe Rückstellkräfte bei Wellenverlagerung. 

• Schlupfkupplungen – drehnachgiebige Kupplungen auf hydrodynamischem oder elektrodynamischem Prinzip.

• Anpassung an viele dynamische Anforderungen eines Antriebsstranges:

• Hydrodynamische Kupplung(Strömungskupplung)–Flüssigkeitsvolumen

• Elektrodynamische Kupplung(elektro-oderdauermagnetisch)–Einstellung der elektrischen Stromstärke. 

• Kupplung arbeitet absolut verschleißfrei – bei umgekehrter Drehmoment- führung auch als verschleißfreie Bremse (Retarder) zu nutzen.

• In gewissen Grenzen eignet sich die Kupplung auch als Überlastkupplung, obwohl sie eigentlich nicht zu diesem Zweck entwickelt wurde.

• So tritt z.B. beim Blockieren der Lastseite 100 % Schlupf auf, der schnell zu einer Überhitzung der Flüssigkeit (Öl oder Wasser für Anwendungen im untertägigen Bergbau) führt, die dann über einen Schmelzstopfen entweichen kann.

• Es gibt aber auch die Möglichkeit der gezielten Anpassung der Flüssigkeitsfüllung über Vorkammern. 

• Pumpe wandelt mechanische Energie in kinetische Strömungsenergie.

• Turbine wandelt in mechanische Energie zurück – an Welle verfügbar.

• Zur Drehmomentübertragung ist immer Schlupf erforderlich.

• Bei gleichbleibendem Schlupf s steigt das übertragbare Drehmoment M.TK mit dem Quadrat der Antriebsdrehzahl n.

• Der Schlupf und damit auch das Drehmoment lassen sich in weiten Bereichen durch Verändern der Flüssigkeitsfüllung anpassen. Schlupf beträgt 2 bis 3 % bei Nenndrehmoment – Wirkungsgrad von ca. 98 %.

• Haupteinsatzgebiet – lastfreies Anfahren von Antriebssträngen (schwere Industrieantriebe, Förderanlagen, Schiffsantriebe, Turbinen, Verdichter, Straßen- und Bahnfahrzeuge), d.h. Motoren können zunächst lastfrei anlaufen bis die in der Kupplung übertragene kinetische Strömungsenergie ausreicht, um auch die Lastseite zu beschleunigen.

• Kupplung auch geeignet zur Stoß- und Schwingungsdämpfung. 

• Schaltbare Kupplungen dienen dem Unterbrechen und Wiederherstellen der Verbindung von Antriebsteilen.

• Gliederung erfolgt einerseits nach der Art ihrer Betätigung (fremdbetätigt bzw. selbsttätig schaltend) und andererseits nach der Art ihrer Kraftübertragung (form- bzw. kraftschlüssig).

• Fremdbetätigte, formschlüssige Schaltkupplungen werden eingesetzt, wenn von einem Motor wechselweise mehrere Aggregate angetrieben oder zur Drehzahländerung in Getrieben verschiedene Zahnpaare in Krafteingriff gebracht werden müssen.

• Formschluss durch Klauen oder Zähne.

• Bolzen-, Klauen- oder Zahnkupplungen lassen sich prinzipiell auch als Schalt- kupplungen ausführen. 

• Schalten ist nur im Stillstand oder bei Synchronlauf der Kupplungshälften möglich.

• Schalten im Betrieb wird durch Gleichlaufeinrichtungen (Synchronisierung) erleichtert, die im Prinzip aus vorgeschalteten Kegelkupplungen bestehen.

• Im eingerückten Zustand sind diese Kupplungen drehstarr.

• Schaltvorrichtung mechanisch über Hebel, elektromagnetisch oder pneumatisch. 

• Kraftschlüssige Schaltkupplungen können im Stillstand, bei Drehzahldifferenz und unter Last geschaltet werden.

• Drehmomentübertragung durch Reibflächen und eine der Größe des Drehmoments entsprechende Normalkraft.

• Übertragung durch Nass- oder trockenlaufende Reibflächen, Füllkörper, Flüssigkeiten oder elektrische Felder.

• Schaltvorgang mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch.

• Nachteilig – Beim Einschalten entstehende Reibungswärme durch Rutsch- vorgänge und der damit einhergehende Verschleiß der Reibungsflächen. 

• Einflächenkupplung hat eine trocken laufende Reibfläche zur Übertragung des Drehmoments.

• Hoch wärmebelastbar und arbeitet ohne Leerlaufdrehmoment.

• Normalkraft auf Reibfläche durch Elektromagneten.

• Magnet ist eine Kupplungshälfte, das Ankersystem die andere.

• Bei Stromdurchgang zieht der Magnet den Anker an, der sich gegen die Reibscheibe presst und den Kraftschluss zwischen beiden Teilen herstellt.

• Weitere Varianten sind die

  Polflächenkupplung und die

  Lüfterkupplung. 

•  Lamellenkupplungen haben eine Vielzahl von hintereinander geschalteten Reibflächen (Lamellen).

• Sinusförmig gewellte Innenlamellen sitzen drehfest, aber axialbeweglich auf der Nabe, glatte Außenlamellen auf dem äußeren Kupplungs- körper.

• Sinusform gibt den Lamellen federnde Eigenschaften, die das Lamellenpaket beim Auskuppeln gut löst und das Leerlaufdrehmoment niedrig hält. 

• Vorteil von Lamellenkupplungen – bei sehr kleinem Durchmesser können große Momente übertragen werden.

• Weiches Einkuppeln, da während des Schaltvorgangs eine stetige Vergrößerung der Reibflächen durch Abflachen der Sinuslinie erfolgt.

• Nachteil – beim Rutschen kann konzentriert eine starke Wärmeentwicklung auftreten.

• Schaltung der nass- oder trockenlaufenden Lamellen entweder mechanisch, elektromagnetisch, pneumatisch oder durch magnetisch durchflutete Lamellen.

• Trockenlaufende Lamellen werden als Reibbelag-Stahl-Paarung ausgeführt.

• Bei Nasslauf werden Stahllamellen eingesetzt (Reibpaarung Stahl – Stahl).

• Auslegungskriterien für die Reibflächen sind zu übertragendes Drehmoment, erforderliche Anpresskraft und zulässige Flächenpressung sowie die Größe der Reibflächen (Anzahl und mittlerer Reibradius). 

• Selbsttätig schaltende Kupplungen lösen aufgrund der Drehzahl, des Drehmomentes oder der Drehrichtung den Kuppelvorgang aus.

• Damit besonders geeignet als Sicherheitskupplung, da sie ohne jede Fremdbetätigung bei Überschreitung einstellbarer Drehmomente, Drehzahlen oder Drehrichtungen den Drehmomentfluss unterbrechen.

• Mit Anlaufkupplungen können bei Arbeitsmaschinen mit hohem Trägheits- oder Lastmoment der Motor oder auch die Stromversorgung kleiner ausgelegt werden.

• Zu den drehzahlbetätigten Kupplungen gehören die Fliehkraftkupplungen und Füllgutkörperkupplungen. Sie übertragen reibschlüssig das Drehmoment und dienen zum Anfahren und zum Überwachen von Anlagen. 

• Drehmomentbetätigte Schaltkupplungen als Sicherheitskupplungen.

• Drehmomentführende Teile der Anlage werden vor Überbelastung geschützt durch Trennung bei Überschreitung eines einstellbaren Maximalmoments.

• Momentbetätigte Kupplungen lassen sich nach ihrem Wirkprinzip in formschlüssig (Brechkupplungen, Ausklinkkupplungen) und in kraftschlüssig (Rutschkupplungen, Voith-Safe-Set-Kupplung) unterteilen.

• Brech- und Ausklinkkupplungen entsprechen in ihrem Aufbau den bereits beschriebenen drehstarren Kupplungen.

• Als Sollbruchstelle wird ein Teil (z.B. der Mitnehmerbolzen der Bolzenkupplung) so ausgelegt, dass bei Momentenüberschreitung ein Bruch auftritt und die Kupplung lastfrei weiterläuft.

• Die Anlage ist erst wieder nach Erneuerung des Bolzens betriebsbereit.

• Das abgescherte Element kann nur bei völligem Stillstand des Antriebes gewechselt werden. 

• Drehmomentbetätigte Schaltkupplungen als Sicherheitskupplungen.

• Drehmomentführende Teile der Anlage werden vor Überbelastung geschützt durch Trennung bei Überschreitung eines einstellbaren Maximalmoments.

• Momentbetätigte Kupplungen lassen sich nach ihrem Wirkprinzip in formschlüssig (Brechkupplungen, Ausklinkkupplungen) und in kraftschlüssig (Rutschkupplungen, Voith-Safe-Set-Kupplung) unterteilen.

• Brech- und Ausklinkkupplungen entsprechen in ihrem Aufbau den bereits beschriebenen drehstarren Kupplungen.

• Als Sollbruchstelle wird ein Teil (z.B. der Mitnehmerbolzen der Bolzenkupplung) so ausgelegt, dass bei Momentenüberschreitung ein Bruch auftritt und die Kupplung lastfrei weiterläuft.

• Die Anlage ist erst wieder nach Erneuerung des Bolzens betriebsbereit.

• Das abgescherte Element kann nur bei völligem Stillstand des Antriebes gewechselt werden. 

• Bei kraftschlüssigen Rutschkupplungen erfolgt die Drehmomentbegrenzung ohne Zerstörung eines definiert geschwächten Bauteiles.

• Bei Drehmomentüberschreitungen rutscht die Kupplung einfach durch, während das schaltbare Drehmoment weiterhin übertragen wird, d.h. der Kraftfluss wird nicht unterbrochen, da die unterschiedlichen Reibzahlen für Haften und Gleiten ausgenutzt werden.

• Bei der Zweiflächen-Sicherheitskupplung wird das Drehmoment zwischen Nabe (1) und Kettenrad (2) durch zwei Reibelemente (3) übertragen. Anpress- kraft über Schrauben (4) und Tellerfederpaar (5).

• In ähnlicher Weise können auch Lamellenkupp- lungen als Überlastkupplungen verwendet werden, da auch hier bei Überschreiten des übertragbaren Drehmomentes die Lamellen einfach durchrutschen. Mögliche Überhitzungsgefahr der Lamellen beachten 

• Aus der Bauartenvielfalt bei mechanischen Bremsen werden nachfolgend wegen ihrer Bedeutung für die moderne Antriebstechnik die Trommelbremsen (Außenbackenbremse und Innenbackenbremse) und Scheibenbremsen als wichtigste Bauarten behandelt.

• Bei den Trommelbremsen (Backenbremsen) werden als Hauptbauarten die Außenbackenbremse und die Innenbackenbremse unterschieden.

• Doppelbackenbremsen werden wahlweise als Schließ- oder Lösebremsen gefertigt.

• Sie haben gelenkige Bremsbacken, eine frei liegende, stellbare Bremsfeder und eine selbsttätig wirkende Nachstellvorrichtung für den Belagverschleiß.

• Über eine Synchronlüftfeder wird die Kippbewegung des einen Bremshebels auf den anderen übertragen.

• Das Bremsmoment lässt sich über die Federkraft der Bremsfeder stufenlos einstellen.

• Es gibt elektrohydraulische, elektromagnetische und elektromotorische Lüftgeräte sowie hydraulische und pneumatische Lüftzylinder.

• Die elektrohydraulischen Lüftgeräte haben jedoch wegen ihrer Überlastungsfähigkeit, Funktionssicherheit und ihres einfachen Aufbaus die größte Verbreitung. Über eine elektromotorisch angetriebene Hydraulikpumpe wird der notwendige Druck erzeugt, um die Bremse mittels eines Hydraulikzylinders zulüften. 

• Bei der Innenbackenbremse sind die Bremsbacken innerhalb der Bremstrommel angeordnet und werden mechanisch, elektrisch oder pneumatisch betätigt.

• Die Bremsbacken sind in der Trommel weitestgehend vor äußeren Einflüssen geschützt, so dass die Reibung durch Fremdeinflüsse nicht beeinträchtigt wird.

• Die Bremsbacken werden durch unterschiedliche Vorrichtungen gespreizt und fast immer durch Federn gelöst.

• Scheibenbremsen verfügen über scheibenförmige Bremskörper, an die der Gegenkörper durch eine axiale Zustellbewegung angepresst wird.

• Ist der Reibbelag als voller Kreismantelring ausgebildet, spricht man von Vollbelag-Scheibenbremsen.

• Wird nur ein Ausschnitt aus einer Kreisfläche genutzt, handelt es sich um eine Teilbelag-Scheibenbremse.

• Durch axiales Verschieben von mit Reibbelag versehenen Scheiben oder Lamellen an den meist ruhenden Gegenkörper und Erzeugung eines bestimmten Druckes wird das Bremsmoment erzeugt.

• Die Bremsen werden vorwiegend durch Federkraft geschlossen und elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch geöffnet (gelüftet).

• Nach der Anzahl der Reibflächen werden Einflächen-, Zweiflächen- und Lamellenbremsen unterschieden.

• KonstanthaltenoderVerminderungvonGeschwindigkeiten

• KraftschlüssigeElemente

• Große Drehzahlunterschiede zwischen feststehendem Teil (Bremsbelag) und abzubremsendem Bauteil

• Bremsen sind Sonderfälle von schaltbaren Kupplungen

• Schaltbare Kupplungen als Bremse einsetzbar 

....

• Wellenverbindung

• Leistungsübertragung(DrehmomentundDrehzahl)

• Verbinden einer Welle mit einem auf ihr drehbeweglich sitzenden Maschinenteil mit Zu- oder Abschaltung 

• Schaltfunktion zum Schließen oder Unterbrechen des Leistungsfluss

Anlauf-oder Sicherheitskupplung

Drehrichtungsüberwachung eines Freilaufs

1. • Ausgleich von Wellenversatz von nicht fluchtenden Wellen

Minderung und Dämpfung von Drehmomentstößen sowie die Verschiebung von Eigenfrequenzen durch veränderte Steifigkeiten 

...

• form-oder kraftschlüssig starr oder formschlüssig nachgiebig

• längs-, quer- und winkelnachgiebig

• Hauptfunktion ist der Ausgleich von Wellenverlagerungen (Ausgleichskupplung)

• drehnachgiebige,formschlüssige Kupplungen milder nzusätzlich Stöße oder dämpfen Schwingungen

• kraftschlüssig drehnachgiebige Kupplungen sind Schlupfkupplungen
  hydrostatisch ,hydrodynamisch (Strömungskupplungen) oder elektrodynamisch (Induktionskupplungen)

Drehmomentübertragung durch Drehzahlschlupf zwischenden Kupplungshälften 

• fremdbetätigt (Schaltkupplungen)
• drehzahlbetätigt (Fliehkraftkupplungen)
• momentbetätigt (Sicherheitskupplungen)
• richtungsbetätigt (Freilaufkupplungen)
• alle Bauarten für Form-oder Kraftschluss einsetzbar

Ausnahmesindkraftschlüssige,drehzahlbetätigteKupplungen 

...

• Schlupf s 

Werkstoffkennwerte bestimmen übertragbares Moment

Überlastung führt zu Zerstörung
An-und Abtriebsdrehzahl sind gleich->Schlupf s=0
schaltbar bei ω1 = ω2 

übertragbare Drehmoment wird durch elastische Kräfte, Reibkräfte, elektrische Felder sowie durch kinetische oder potentielle Flüssigkeitsenergie bestimmt

Zerstörung beiandauernder Überbelastung 

• Drehmomentenübertragung zwischen einem drehenden und einem fest stehenden Bauteil (Aufnahme Gegenmoment)

• permanenter Schlupf( außer im Stillstand) 

mechanische, elektrische  und hydraulische Bremsen