Antriebstechnik Kunststoffkupplungen kommen nun auch in der Pumpentechnik zum Einsatz

Autor / Redakteur: Tobias Wolf / Dr. Jörg Kempf

Kupplungen aus Aluminiumdruckguss oder Grauguss werden seit 30 Jahren erfolgreich im Pumpen- und Aggregatbau eingesetzt. Sie sind aufgrund ihrer Steifigkeit gegenüber Stoßbelastung unempflindlich. Zudem ist die Herstellung bei großen Stückzahlen wirtschaftlich. Nachteil: Sie sind schwer. Eine neu entwickelte, zu 100 Prozent aus Kunststoff gefertigte Kupplung verspricht, die Vorteile herkömmlicher Kupplungen mit dem Gewichtsvorteil von Kunststoff zu vereinen.

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Klauenkupplung als Verbindungselement zur Karftübertragung zwischen Antriebsmotor und Pumpe Bilder: R+W Antriebselemente
Klauenkupplung als Verbindungselement zur Karftübertragung zwischen Antriebsmotor und Pumpe Bilder: R+W Antriebselemente
( Archiv: Vogel Business Media )

Für die Übertragung der Antriebskraft auf die Pumpeneinheit ist ein robustes Verbindungselement notwendig: die Kupplung. Herkömmliche Kupplungen aus Aluminiumdruckguss oder Grauguss sind zwar hart im Nehmen, aber auch sehr schwer. Eine Neuentwicklung löst dieses Problem. Die Kunststoffkupplung TX1 von R+W ermöglicht nun erstmals die Anwendung von Elastomerkupplungen in der Pumpentechnik. Neben der primären Anforderung der Übertragung des Drehmomentes gleicht der Elastomerstern Winkel- und Längenveränderungen sowie Wellenversatz aus.

Neue Geometrie

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Im allgemeinem Maschinenbau kann man nun zwischen zwei Einsatzgebieten der Elestomerkupplungen unterscheiden. So fordert die Servoantriebstechnik eine exakte Übertragung des Drehmomentes und garantiert gleichzeitig einen minimalen Versatz zwischen der An- und Abtriebsseite. Hierfür steht ein Elastomerstern in drei verschiedenen Shorehärten zur Verfügung. Die Spielfreiheit des schwingungsdämpfenden Elements wird mithilfe einer Vorspannung zwischen dem Stern und der Klauengeometrie erreicht. Für den zweiten Anwendungsbereich, Pumpen- und Kompressorentechnik, wird neben der Übertragung des Drehmomentes eine hohe Kompensation der Versätze gefordert. Diese entstehen bedingt durch die Aufbausituation beispielsweise an Industriepumpenanlagen. Speziell dafür bietet die Kunststoffkupplung einen neuen Stern an. Geometrische Veränderungen führen zu einer höheren Auflagefläche, was den Abrieb und Verschleiß des Sternes verringert.

Doppelte Überlastsituationen, die durch Stöße oder Anläufe hervorgerufen werden können, nimmt die Kupplung dank ihrer Robustheit auf. Dynamische Eigenschaften, wie Beschleunigungszeiten und -momente, werden verkleinert und können bei der Motorendimensionierung berücksichtigt werden.

Einsatz in der Pumpentechnik

Vom Aggregatbau über Lebensmittelindustrie bis hin zur Biotechnologie – Pumpen werden weltweit in den verschiedensten Branchen eingesetzt. Trotz dieser Variantenvielfalt sind die Hauptanforderungen ähnlich, wenn nicht sogar vergleichbar. Zusammengefasst kommt man auf fünf Anforderungen, die mit der Kunststoffkupplung verbessert wurden:

Das Gesamtgewicht der Kupplung soll so gering wie möglich sein, damit das verbundene Massenträgheitsmoment sich nicht auf die Dynamik der Anlagen auswirkt. Im Vergleich zu Vergleich zu herkömmlichen Kupplungen wurde das Gewicht um bis zu 89 Prozent reduziert.

Die Geräuschentwicklung durch die Pumpeneinheit inklusive Drehstrommotor soll so gering wie möglich sein. Durch den Einsatz von faserverstärktem Kunststoff wird der Schall gedämpft, da die Schallwellen nur gering weitergeleitet werden.

Drehmomentstöße, die aufgrund von Drehrichtungs- oder Drehzahländerungen auftreten, belasten die Kupplungen stark. Damit kein Bruch der Klauen auftritt, darf die Kupplung auf keinen Fall spröde sein. Die Vernetzung der Faser bietet eine wesentlich höhere Zähigkeit gegen Stoßbelastung als Gusswerkstoffe.

Das jeweils geforderte Drehmoment muss mit gleichen Abmessungen der Kupplung übertragbar sein. Die Maße der Nabe bleiben im Vergleich zu herkömmlichen Klauenkupplungen absolut identisch.

Bei dynamischen Anwendungen müssen Naben eine bestimmte Wuchtgüte haben. Durch die Spritzgussform kann die Wuchtgüte bei Standardteilen erreicht werden.

Ob Kreiselpumpen, Radialkolbenpumpen, Industriepumpen oder Vakuumpumpen – die Anbindung erfolgt zu 90 Prozent über die Paßfedernut. Die spielarme Verbindung garantiert über den Formschluss eine schnelle Montage- und Demontage und gleichzeitig eine hohe Sicherheit der Drehmomentübertragung.

Innenstruktur sorgt für Steifigkeit

Die Innenstruktur der Kunststoffnabe entstand in enger Zusammenarbeit zwischen Universitäten und firmeneigenen Konstrukteuren. Neben den ersten Simulationen mithilfe von 3-D-Berechnungssoftware wurden verschiedene Vorschläge im Feldtest geprüft. Die Auswertung aller gesammelten Daten führte zu einer zum Patent angemeldeten symmetrischen Struktur. Dieses Gerüst sorgt für die Kraftübertragung der tangential angreifenden Kraft. Durch genau gewählte Kreuzungspunkte der einzelnen Stege konnte eine maximalen Verdrehsteife erzielt weden. Bei der Innenstruktur wurde ebenfalls der Schwund bei Abkühlung des Bauteils mit berücksichtigt. Durch eine gleichmäßige Oberfläche der einzelnen Hohlräume entstehen in der Nabe beim Abkühlen keine Temperaturunterschiede, die zum Verzug der Naben führen können. Letztendlich führt der symmetrische Aufbau zu einer sehr geringen Restunwucht bei Standardnaben. Dadurch kann diese Kupplung bis zu einer Drehzahl von 10 000 U/min eingesetzt werden.

Fazit

Wenn es darum geht ein Verbindungselement zwischen dem Antriebsmotor und der Pumpeneinheit zu wählen, ist eine schwingungsdämpfende Elastomerkupplung eine sichere und vor allem leichte Lösung. Dieses Übertragungsglied zeichnet durch Durchschlagsicherheit und ein schwingungsdämpfendes Element aus.

Der Autor ist Produkt-Manager bei R+W Antriebselemente GmbH.

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