Sicherheit ist nicht gleich Sicherheit

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<p>Quelle: DIGITAL-ENGINEERING</p><p> </p>

Mechanische Sicherheitskupplungen und ihre Vorteile

Ob durch Massenträgheitsmomente im Antriebsstrang, Bedienungs- und Programmierfehler oder durch Störungen in der Elektronik – Maschinenkollisionen in Folge von Drehmomentüberlasten können vielerlei Ursachen haben. Um teure Maschinenschäden und Stillstandszeiten zu vermindern setzt die Industrie daher verschiedenste Arten von Sicherungseinrichtungen ein. Neben rein mechanisch funktionierenden Komponenten gibt es eine Vielzahl von elektrischen Varianten. Diese reichen zum Beispiel vom stromabhängigen Überlastschutz über Spannungs- und Leistungsüberwachungsbauteile bis hin zu Drehmomentsteuergeräten.

Genauer hinsehen lohnt sich

Bei einer Beurteilung beider Funktionsprinzipien stellt man jedoch fest, dass elektronische Steuerungen gegenüber mechanischen Sicherheitsbauteilen folgenreiche Nachteile aufweisen. Besonders wird dies bei der Reaktionszeit beider Varianten deutlich: Schließlich ist Schnelligkeit der entscheidende Faktor. Je schneller die Steuerung abschaltet oder das Bauteil die Drehmomentübertragung unterbricht, desto geringer sind Folgeschäden an Bauteilen oder der gesamten Maschine.

Ein Szenario aus der Praxis: Infolge einer Blockade oder Kollision tritt in einer Maschine eine Überlast auf. Bei einer elektronischen Überwachung muss nun die Information der Drehmomentüberlast an die Motorsteuerung geliefert werden. Dabei vergehen im Schnitt fünf bis sieben Millisekunden. In dieser Zeitspanne versucht die Steuerung das Drehmoment weiter zu erhöhen, um den Drehzahlsollwert zu erreichen. Im optimalen Fall vergehen zwischen Signalankunft an der Motorsteuerung bis zur Motorabschaltung weitere zehn Millisekunden. Folglich dauert es insgesamt mindestens 15 bis 17 Millisekunden zwischen einer Blockade in der Maschine bis zur Abschaltung des Motors.

Mechanische Sicherheitskupplungen machen den Unterschied

Eine mechanische Sicherheitskupplung trennt die An- und Abtriebseite innerhalb von drei bis fünf Millisekunden voneinander - also in einem Drittel der Zeit einer elektronischen Abschaltung. Die 10 bis 14 Millisekunden, die eine mechanische Absicherung schneller reagiert, tragen entscheidend dazu bei, Maschinen- oder Werkzeugschäden zu verhindern.

Ein weiterer Pluspunkt der Mechanik ist die Anzahl der möglichen Fehlerquellen. Um die Anlagen mit elektronischen Steuerungen bestmöglich zu schützen, ist eine Vielzahl von Sensoren notwendig. Zusätzlich zu den Sensoren müssen Drehmomentmessgeräte an wichtigen Positionen innerhalb der Anlage angebracht werden. Dieser Aufbau von mehreren Sicherheitskomponenten birgt Risiken bzw. Fehlerquellen und muss zudem regelmäßig überprüft und gewartet werden. Darüber hinaus bieten Sensoren keine absolute Sicherheit, da diese beispielsweise durch Ablenkung von Infrarotstrahlen, Schmutz oder durch Verdeckung der Sensoren keine einwandfreie Funktionsweise gewährleisten.

Präventiv kann die Applikation mit einer elektronischen Strombegrenzung vor einer Drehmomentüberlast geschützt werden. Jedoch ist eine Begrenzung des Stromflusses nur bis zu einem gewissen Grad effektiv, da hierbei nur der Motor in seinem Drehmoment begrenzt wird. Alle weiteren Komponenten, die zwischen Werkzeug und Motor liegen, können jedoch ebenfalls zu einer möglichen Drehmomentüberlast beitragen. So kann es unter anderem durch Massenträgheit oder Aufschwingen weiterer Bauteile im Antriebsstrang trotz der Drehmomentbegrenzung im Servomotor zu einer Überlast kommen. Diese Überlast wird von der motorseitigen Drehmomentbegrenzung nicht verhindert, da das am Motor vorhandene Drehmoment trotzdem noch im Toleranzbereich liegen kann.

Die Lösung: Eine mechanische Sicherheitskupplung im Antriebsstrang. Diese trennt die Verbindung zwischen Motor und Werkzeug innerhalb von Millisekunden, falls es durch Massenträgheit oder Aufschwingen der Bauteile zu einer Überlast kommen sollte. Zur Gewährleistung einer maximalen Sicherheit sollte die Applikation daher mit einer elektronischen Strombegrenzung am Motor und einer mechanischen Sicherheitskupplung ausgestattet werden, um einerseits einen Motorschaden zu verhindern und andererseits den gesamten Antriebsstrang gegen Schäden durch Drehmomentüberlasten zu schützen. Ein weiterer Vorteil der mechanischen Sicherheitskupplung ist die einfache Handhabung und leichte Verstellmöglichkeit. Sind beispielsweise zu hohe Massenträgheitsmomente im gesamten Antriebsstrang vorhanden, sodass die Kupplung beim Abbremsen und Beschleunigen regelmäßig auslösen würde, kann das Ausrückmoment aufgrund des möglichen Einstellbereiches problemlos an die Gegebenheiten angepasst werden. Durch die variablen Einbaumöglichkeiten kann die Kupplung zudem genau dort im Antriebsstrang eingesetzt werden, wo die Wahrscheinlichkeit einer Überlast am größten ist. 

Standardisierte Variantenvielfalt

Die R+W Antriebselemente GmbH bietet mit ihren verschiedenen Modellreihen von drehmomentbegrenzbaren Sicherheitskupplungen für unterschiedlichste Anforderungen die passende mechanische Kupplungslösung. Diese sind in verschiedenen Ausführungen für indirekte oder direkte Antriebe erhältlich und zeichnen sich grundsätzlich durch ihre Spiel- und Wartungsfreiheit sowie durch ihre hohe Präzision aus. Wie alle Sicherheitskupplungen von R+W arbeiten diese nach einem federvorgespannten Kugelrastprinzip und mit eigens dafür entwickelten Tellerfedern. Dies gewährleistet im Überlastfall ein Trennen von An- und Abtrieb im Millisekundenbereich und eine niedrige Restreibung. Um für jeden Anwendungsfall die richtige Kupplung zu wählen, stehen darüber hinaus zahlreiche torsionssteife oder schwingungsdämpfende Varianten in diversen Anbindungsformen und Funktionsweisen zur Verfügung. 

Die klassische Modellreihe SK/ES eignet sich für Drehmomente zwischen 0,1 und 2.800 Nm und kann beispielsweise mit Klemmnaben-, Konusklemmring- oder Passfederanbindung und mit versatzausgleichendem Metallbalg- oder Elastomerkupplungsanbau bezogen werden. 

Um dem Trend nach steigenden Bearbeitungsgeschwindigkeiten, niedrigeren Massenträgheitsmomenten und immer effizienter werdenden Prozessen nachzukommen, entwickelte R+W bereits sehr früh die Modellreihe SL. Die kompakten Leichtbau-Sicherheitskupplungen stehen von 10 bis 700 Nm zur Verfügung und bestechen vor allem durch ihre sehr hohe Leistungsdichte sowie durch geringe Kosten im Vergleich zur klassischen Standardbaureihe. R+W erreicht dies durch intelligenten Leichtbau in Kombination mit Hightech-Werkstoffen und unter Verwendung neuster Fertigungstechniken. Wie die klassische Baureihe SK/ES ist auch die SL-Modellreihe in vielen Varianten für unterschiedlichste Anforderungen erhältlich. 

Mit der Baureihe ST bietet R+W darüber hinaus Schwerlast-Sicherheitskupplungen, die im Standard Drehmomente bis 165.000 Nm sicher begrenzen können. Die robusten Antriebselemente sind je nach Bedarf in verschiedenen Größen und Ausführungen verfügbar und können auf Anfrage auch für weitaus höhere Drehmomente angeboten werden.

Wer denkt, die Entwicklung im Bereich der mechanischen Sicherheitskupplungen wäre abgeschlossen, täuscht sich. Auf der diesjährigen Hannover Messe zeigt R+W eine Sicherheitskupplung, die für besonders hohe Drehzahlen geeignet ist. Aufgrund ihres speziellen Designs kann die Neuentwicklung zum Beispiel in Hochgeschwindigkeitsprüfständen oder in der Druckindustrie eingesetzt werden. 

Durch einen möglichen Anbau versatzausgleichender Kupplungen – wie beispielsweise von torsionssteifen Metallbalg- oder Lamellenkupplungen – an die kompakte Sicherheitskupplung ist eine individuelle Integration in bestehende Anlagen darüber hinaus problemlos realisierbar. 

Wenn es um den Schutz von Investitionen und die Vermeidung von Stillstandszeiten geht, sind Sekundenbruchteile entscheidend. Mechanische Sicherheitskupplungen geben den Anwendern Sicherheit und einen wertvollen Vorsprung. Die Anschaffungskosten einer solchen sind hierbei bereits nach der ersten Überlast bzw. Auslösefunktion mehr als amortisiert.

 

Autor: Dirk Hasenstab

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