Antriebssysteme Kapitel 2

• Auf Kupplungswelle reduzierte Trägheitsmomente (Antriebs-/Lastseite): J1, J2

• Winkelgeschwindigkeiten der Kupplungswellen (Antriebs-/Lastseite) vor dem

  Schalten: Omega.10 und Omega.20

• Winkelgeschwindigkeit nach Abschluss des Synchronisationsvorganges: Omega.syn

• Lastdrehmoment, bezogen auf die Kupplungswelle: M.L

• (Zulässiges) schaltbares Nenndrehmoment nach Herstellerangaben: M.KNs

• Bei entgegen gesetzter Drehrichtung der An- und Abtriebsseite (z.B. bei Reversierbetrieb) (syn – 20) durch (syn + 20) ersetzen 

Bei einmaliger Schaltung – Annahme, dass Kupplung die beim Schaltvorgang in Wärme umgesetzte Schaltarbeit aufnimmt und bis zur nächsten Schaltung wieder auf Ausgangstemperatur abkühlt. 

Bei einmaliger Schaltung – Annahme, dass Kupplung die beim Schaltvorgang in Wärme umgesetzte Schaltarbeit aufnimmt und bis zur nächsten Schaltung wieder auf Ausgangstemperatur abkühlt. 

Zulässige Werte der Schaltarbeit werden nur bei guter Wärmeabfuhr zuverlässig erreicht 

• • KleineSchaltkräfte
  • KurzeWegederWärmeabfuhrmitgroßenAbstrahlflächen
  • Einstell-undNachstellmöglichkeitdesGrenzdrehmomentes • Wartungsfreundlichkeitbeachten 

• Bei Trockenlauf – Gute Luftzirkulation bzw. zusätzliche Ventilation.

• Besser ist Nasslauf – Kühlung und Schmierung durch Spritzöl oder Ölnebel. 

• den beiden Reibkörpern (Reibpaarung)
• dem dazugehörenden Betätigungsmechanismus
• der Steuerung bzw. Regelung 

...

...

Omega=omega.0=konst

...

...

...

• Höchste Temperaturen an den Belagoberflächen sind maßgebend für Reibungs- und Verschleißverhalten und damit für die Auslegung 

• Abnehmende Temperaturen zum Inneren hin sind in Form von Wärmespannungen bei der Festigkeitsberechnung zu berücksichtigen, insbesondere bei selbstbelüftenden Scheibenbremsen.

• Temperaturmessungen direkt in der Reibfläche nicht möglich deshalb Messung der Grundtemperatur Tg in reibflächennaher Schicht von ca. 0,5 mm. 

• Dauerbremsung 

• Einmalige Stoppbremsung

• Gehäufte Stoppbremsungen 

• Dauerbremsung (D): Grundtemperatur nähert sich asymptotisch dem oberen Grenzwert Tgo – Bremszeit kann beliebig groß werden (z.B. mechanische Senkbremsen bei Kranen, Talfahrten von Fahrzeugen). 

• Einmalige Stoppbremsung (E): Nach Bremsung und zugehöriger Erwärmung der Reibpartner bleibt genügend große Zeitspanne zur Abkühlung auf Umgebungstemperatur T0 bis zur nächsten Bremsung (z.B. bei Sicherheitsbremsen an Windenergieanlagen, Stetigförderern und für alle mechanischen Bremsen in Antrieben mit elektrischer Betriebsbremsung).

• Gehäufte Stoppbremsungen (G): In Antrieben mit Aussetzbetrieb gehört diese Bremsphase zu jedem Arbeitsspiel und führt zu einer unstetigen Temperatur- Zeit-Funktion gemäß folgender Abbildung. 

• Bei Überschreitung beginnt in Punkt B die thermische Schädigung des Reibbelages mit einem stärkeren Abfall von Mü.m1.

• Der geschädigte Reibbelag hat nur noch die wesentlich niedrigere Reibungszahl Mü.m2. 

• Mittlere Reibungszahl m als Kenngröße des Reibverhaltens während einer

  Bremsung hängt ab von der Grundtemperatur T.g  

• Aus der Festlegung eines sicherheitstechnisch zulässigen Bereichs der Schwankung von Mü.m1, folgt die für die Reibpaarung zulässige Grundtemperatur

  T.gzul. 

•  

• Scheibenkupplung nach DIN 116 wesentlich höher belastbar.

• Naben mit Flanschen – Verbindung zur Welle mit Passfedern.

• Besonders geeignet für hochbeanspruchte Wellen, bei denen Stöße, wechselnde Belastung und axiale Kräfte auftreten oder große Einzelkräfte die Wellen vorwiegend auf Biegung beanspruchen. 

• Zentrische, vollkommen unnachgiebige Wellenverbindungen, wartungs- und verschleißfrei, für beide Drehrichtungen geeignet.

• Leiten Drehmomentstöße und Drehschwingungen ungedämpft weiter oder vergrößern diese unter Umständen (bei Vorliegen von Spiel).

• Starre Kupplungen nur verwenden bei:
  • fluchtenderWellenlage
  • Verbindunglanger,elastischerWellen

• Schon geringfügige Verlagerungen der Wellen (betrieblich oder fertigungs- bedingt) führen zu Zusatzbeanspruchungen in der Kupplung, in den Wellen und den Wellenlagern.

• Sie sind im Allgemeinen kostengünstig und klein bauend. 

•  

• Einsatz nachgiebiger Wellenkupplungen zum Ausgleich elastischer Verformungen der Wellen und Lager unter Belastung:

  • unterschiedliche Wärmeausdehnung der Maschinenteile

  • Ausrichtfehler bei der Montage

• Nachgiebige Wellenkupplungen haben gegenüber den starren Kupplungen

  mindestens einen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad.

• Ausgleich erfolgt nicht kräftefrei, sondern es entstehen Rückstellreaktionen (Kräfte und Momente) – insbesondere bei drehelastischen Kupplungen –, die die Kupplung selbst und die Wellen und Lager zusätzlich belasten.

• Grundsätzlich unterscheidet man nachgiebige Kupplungen in:

• • drehstarre (getriebebewegliche) Kupplungen

• • drehelastische Kupplungen
  • Schlupfkupplungen 

• Einsatz nachgiebiger Wellenkupplungen zum Ausgleich elastischer Verformungen der Wellen und Lager unter Belastung:

  • unterschiedliche Wärmeausdehnung der Maschinenteile

  • Ausrichtfehler bei der Montage

• Nachgiebige Wellenkupplungen haben gegenüber den starren Kupplungen

  mindestens einen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad.

• Ausgleich erfolgt nicht kräftefrei, sondern es entstehen Rückstellreaktionen (Kräfte und Momente) – insbesondere bei drehelastischen Kupplungen –, die die Kupplung selbst und die Wellen und Lager zusätzlich belasten.

• Grundsätzlich unterscheidet man nachgiebige Kupplungen in:

• • drehstarre (getriebebewegliche) Kupplungen

• • drehelastische Kupplungen
  • Schlupfkupplungen 

• Getriebebewegliche Kupplungen zeigen unter Drehmomentbelastung das gleiche Drehschwingungsverhalten wie drehstarre Kupplungen.

• An- und Abtriebsseiten sind gelenkig – Ausgleich von Fluchtungsfehlern und Lageveränderungen während des Betriebes.

• Nachfolgende Kupplungen haben sich in der Praxis bewährt:

1. Klauenkupplung

2. Kreuzscheibenkupplung

3. Parallelkurbel-Kupplung

4. Laschenkupplung

5. Lamellenkupplung

6. Membrankupplung
7.  Metallbalgkupplung
8. Zahnkupplung
9. Gelenkwelle 

• 3 oder 5 stirnseitig angebrachte Klauen greifen mit wenig Spiel wechselseitig ineinander (formschlüssige Drehmomentübertragung).

• Ausgleich nur in axialer Richtung – Ausgleich von Längsverlagerungen bei langen Wellensträngen (Ausdehnungskupplung).

• Ausführung als Schaltkupplung – Klauen werden axial ausgerückt (links). 

• Bei der Kreuzscheibenkupplung wird das als Doppelschleife (bzw. umlaufende Kreuzschleife) bezeichnete Kurbelgetriebe mit zwei Dreh- und zwei Schubgelenken genutzt.

• Daraus abgeleitet – Oldham- Kupplung, die ebenfalls Drehbe- wegungen winkeltreu überträgt.

• Mit ihr lassen sich geringe axiale und radiale Wellenverlagerungen ausgleichen.

• Bei großen Verlagerungen ent- stehen hohe Gleitgeschwindig- keiten mit hohem Verschleiß. 

• Parallelkurbel-Kupplung eignet sich zur Überbrückung von sehr großem radialen Versatz auf kürzestem Raum. Zwei hintereinander angeordnete Parallelkurbel-Getrieben übertragen die Drehbewegung winkeltreu.

• Zwischenscheibe erzeugt keine Unwucht, da sie zen- trisch rotiert (behält ihre Lage im Raum).

• Die Wellen sind in Ruhelage und unter Last radial nach allen Seiten verstellbar (K.r,max = 0,25 ... 0,95 2 l mit l als Lenkerlänge).

• Kinematisch bedingt keine Betrieb in der Strecklage oder neutralen Lage (fluchtende Wellen).

• Einsatz zum Antrieb von Walzen und Bodenverdichtern, stufenloser radialer Vorschub von rotierenden Werkzeugen und zur Umgehung von Hindernissen (bei Wellensträngen). 

Laschenkupplung – biegeelastische Elemente zur Drehmomentübertragung, die als stabförmige Lamellenpakete aus Stahl (Laschen) ausgeführt sind. 

• Membrankupplung – biegeelastische Elemente zur Drehmomentübertragung, als scheiben- bzw. ringförmige Lamellenpakete aus Stahl (Membranen).

• Weiterentwicklung: Metallbalgkupplung für kleinere Drehmomente.

• Alle Bauarten können Axial-, Radial- und Winkelversatz ausgleichen.

• Ganzstahlbauweise auch für hohe Temperaturen und hohe Drehzahlen (> 10.000 min-1) geeignet.

• Nachteilig sind die hohen Rückstellkräfte – Bei Überlasten besteht immer die Gefahr der Zerstörung der elastischen Elemente 

• Bei Zahnkupplungen wird das Drehmoment formschlüssig durch ineinander greifende Zahnkränze mit Innen- und Außenverzahnung (Kuppelverzahnung) übertragen.

• Das Innenteil (Nabe, Stern) hat eine Außen- verzahnung, das äußere Verbindungsglied (Hülse, Rohr) verfügt an den Stirnseiten jeweils über eine Innenver- zahnung. Meistens er- folgt die Ausführung als Doppelzahnkupplung. 

• Winkelgeschwindigkeit 1 der Welle 1 wird nicht gleichförmig sondern sinusförmig auf die Welle 2 übertragen 

• Kreuzgelenkwelle - Getriebebewegliche Kupplungen mit großem Einsatz- bereich zur Drehmomentübertragung zwischen winklig zueinander stehenden Wellen über größere Abstände (200 Nm im Kfz-Bereich bis 12.000 kNm in Walzwerksantrieben).

• Bei der Kreuzgelenkwelle erfolgt die Drehmomentübertragung im Gelenk über ein Zapfenkreuz, welches über Wälzlager in den Gelenkgabeln gelagert ist, die wiederum über Flansche mit den zu kuppelnden Wellen verbunden werden.

• Aufgrund des Zapfenkreuzes liegt bei nur einem Gelenk, gegeben durch zwei Gelenkgabeln und ein Zapfenkreuz, eine ungleichförmige Übertragung des Drehwinkels zwischen der Eingangswelle und der Abtriebswelle vor. 

•  

Die Gleichlaufgelenkwelle mit ihren besonderen Kugelgelenken, die auf ein

Patent von Alfred H. Rzeppa (amerikanischer Automobilingenieur, 1897 bis 1965) im Jahre 1933 zurückgehen, erlaubt im Gegensatz zur Kreuzgelenkwelle eine gleichförmige Übertragung des Drehwinkels zwischen der Eingangswelle und der Abtriebswelle 

• Zusammenhang ist für einen halben Umlauf (180° bzw. ) eines Gelenkes nachfolgend dargestellt.

• Drehwinkel 1 an der antreibenden Welle ist beim Umlauf gegenüber dem Drehwinkel 2 an der abgetriebenen Welle abwechselnd vor- und nachlaufend (Kardanfehler bzw. Differenzdrehwinkel Phi=Phi.2 –Phi.1). 

• Ungleichförmigkeit ist auch entsprechend in der Winkelgeschwindigkeit und dem übertragenen Drehmoment sichtbar.

• Bei konstantem Antriebsmoment Mt1 durchläuft das Abtriebsmoment Mt2 während einer halben Umdrehung (180°) eine Maximum und ein Minimum.

• Schwankungen werden durch den Ungleichförmigkeitsgrad U.W ausgedrückt. 

• In technischen Anwendungen wird eine gleichförmige (winkeltreue) Übertragung benötigt – Kardanfehler muss ausgeglichen werden.

• Einbau eines weiteren Kreuzgelenkes ist erforderlich unter Einhaltung der folgenden Bedingungen:

  1. Beugewinkel Beta1 muss gleich Beugewinkel Beta2 sein, d.h. Welle 1 muss entweder parallel zu Welle 2 sein, oder aber um Beta2 weiter ausgelenkt werden.

  2. Alle drei Wellen (Antriebs-, Zwischen- und Abtriebswelle) müssen in einer Ebene liegen.

  3. Die inneren Gelenkgabeln müssen in einer Ebene liegen.

• Nur zwei Anordnungen sind geeignet – W-Anordnung oder Z-Anordnung. 

• Weiterhin sollten Kreuzgelenke immer mit einem Beugewinkel eingebaut werden, da anderenfalls die Gelenklager vorzeitig ausfallen, da sie im Falle einer gestreckten Einbaulage nur statisch belastet werden.

• Liegt jedoch eine Beugung vor, so kommt es zu einer Schwenkbewegung (Oszillation) in den Lagern mit einer für die Lebensdauer günstigen dynamischen Belastung.

• Trotz gleichförmiger Bewegungsübertragung verbleibt noch das Problem der leistungslosen Biegemomente aufgrund der besonderen Kraftverhältnisse am Zapfenkreuz.

• Die leistungslosen Biegemomente sind bei der Auslegung der Gelenkwelle zu berücksichtigen, worauf nachfolgend näher eingegangen wird, wobei auch nochmals die Ungleichförmigkeit der Drehmomente deutlich wird. 

....

• Gabel G1 liegt in durch Antriebswelle 1 und Abtriebswelle 2 gebildeten Ebene.
•  Drehwinkel 1 der Welle 1 wird von dieser Ausgangslage aus gemessen. 

• Eingeleitetes Drehmoment MT1 = const. und abgeleitetes, ungleichförmiges Drehmoment MT2 belasten das Zapfenkreuz mit den Kräften FP1 bzw. FP2 und bilden die Kräftepaare FP1 h und FP2 h.

• Damit Zapfenkreuz im Gleichgewicht bleibt: Zusatzkräfte FZ, die zusammen mit den Kräften FP2 an der Gabel 2 ein Kräftepaar FR h in der Ebene des Zapfenkreuzes bilden (nur in dieser Ebene kann Moment übertragen werden). 

• Zusatzkräfte sind in der Ausgangsstellung nur in der Ebene der Gabel 2 möglich und bilden zusammen mit den Kräften F.P2 das Kräftepaar F.R * h.