Sicherheitskupplung / Überlastkupplung: Wann + Warum?

Die Sicherheitskupplung schützt Maschinen und Anlagen zuverlässig vor Schäden, die durch Überlast entstehen können. Daher sollte bei einer Konstruktion immer die Frage gestellt werden: Sicherheitskupplungen Ja oder Nein? Am besten ist es, einen Experten wie Mayr Antriebstechnik zu fragen. Hier können Sie sich schon mal einlesen. Dieser Beitrag vermittelt viel Kupplungs-Know-how.

Warum es so wichtig ist, eine Sicherheitskupplung einzubauen

05.07.2021 | Maschinenbauer sollten es eigentlich wissen, wie wichtig es ist, eine Sicherheitskupplung in den Antriebststrang einzubauen. Eigentlich. Nicht immer aber werden sie in ihrer Konstruktion den hohen Geschwindigkeiten und Genauigkeiten moderner Maschinen gerecht, denn es gibt günstigere Alternativen. Was stattdessen für den Einsatz von Sicherheitskupplungen spricht, welche Arten es überhaupt gibt, wie Sie die Richtige auswählen erfahren wir von den Experten der Mayr Antriebstechnik.

Sicherheitskupplung – Ja oder Nein?

Moderne Maschinen mit ihren hohen Geschwindigkeiten und Genauigkeiten müssen eine ensprechende Steifigkeit aufweisen. Fehler in der Bedienung oder Programmierung können ebenso wie das Einwirken von Fremdkörpern zu einem Überlastfall im Antriebsstrang führen. Schlimmstenfalls entsteht durch solch einen Störfall eine harte Kollision. Die dann einsetzenden zu hohen Drehmomente können zu Schäden oder gar zur Zerstörung der Antriebe führen.

Hat der Konstrukteur eine Sicherheitskupplung vorgesehen, federt diese einen Überlastfall ab. Blitzschnell trennende, mechanische Sicherheitskupplungen bzw. Überlastkupplungen oder Drehmomentbegrenzer begrenzen exakt die Drehmomente. So werden die Bauteile vor der übermäßigen Belastung geschützt.

Während der Produktionsleiter ein Interesse daran hat, unumgängliche Maschinenstillstände so kurz wie möglich bei geringstmöglichen Schäden zu halten, liegt die Entscheidung über den Einbau einer Sicherheitskupplung beim Maschinenhersteller. Möchte dieser hochverfügbare Maschinen ausliefern, deren Antriebsstrang von vornherein mit einer Sicherheitskupplung absichern und steht bei ihm das Ersatzteilgeschäft nicht im Fokus, ist das gut für den Endabnehmer. Er kann natürlich auch fordern, dass die Konstruktion durch Sicherheitskupplungen abgesichert ist. Ist beides nicht der Fall, kommen Alternativen zum Einsatz. Schauen wir uns die Nachteile solcher Lösungen an:

Alternativen für Sicherheitskupplungen und ihre Nachteile

Ein geringer zusätzlicher Aufwand ist die Nutzung einer elektronischen Überwachungsfunktion der Maschinensteuerung. Anhand des regular sowieso erfassten Motorstroms lässt sich der Arbeitsprozess permanent überwachen. Eine Motorstromregelung kann bei gering dynamischen Anwendungen und weicher Kollision eingesetzt werden. 

Im Falle einer harten Kollision ist diese Methode aber zu langsam. Denn sie passiert oft unerwartet. Der die Anlage abschaltende Regelungsprozess startet erst nach der Kollision – rechtzeitige Gegenmaßnahmen Fehlanzeige. Die direkt im Antriebsstrang befindliche Überlastkupplung reagiert hier wesentlich schneller. Sie erfasst durchgehend die aktuellen Drehmomente und reagiert innerhalb weniger Millisekunden. Im Überlastfall öffnet sie den Antriebsstrang und entkoppelt die nachlaufenden Massen. 

Ein software besiertes System ist eine weitere Alternative zur Vorbeugung von Kollisionen. Es erfasst unzulässige Annäherungen von Maschinenkomponenten im Arbeitsraum. Das macht es aber nur relativ grob und es erfordert eine hohe Rechnerperformance. Fehlerbehaftete Komponenten werden gar nicht erfasst.

Arten von Sicherheitskupplungen und ihre Funktion

Sicherheitskupplungen optimieren die Total Cost of Ownership (TCO). Verglichen mit den Investitionskosten sind diese oftmals sogar geringer als nur ein einzelner Überlastschaden.

Es gibt zwei Arten von Sicherheitskupplungen: lasthaltend und lasttrennend. Hierzu zählen Reibungskupplungen, magnetische Dauerschlupfkupplungen und gesperrte Kupplungen. Lasthaltende Sicherheitskupplungen begrenzen das Drehmoment auf den vorgegebenen Wert. Bei Überlast unterbrechen die Drehmomentbegrenzer die Drehmomentübertragung nicht. Vor allem bei vertikal oder schräg bewegten Massen ist das notwendig, damit die Last nicht unkontrolliert abstürzt.

Lasttrennende Sicherheitskupplungen werden unterteilt in rastend, freischaltend, schaltbar und regelbar. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt formschlüssig. Bei einer Überlast unterbricht die lasttrennende Sicherheitskupplung die Kraft oder Drehmomentübertragung und trennt die Antriebsseite von der Abtriebsseite. 

Mayr bietet jede Kupplungsausführung für alle denkbaren Anwendungen an, darunter auch die EAS Sicherheitskupplungen, auf die wir nachfolgend genauer eingehen.

Elektrisch abschaltbare Sicherheitskupplungen

 

Mit der EAS Baureihe hat der Antriebsspezialist bereits vor mehr als einem halben Jahrhundert eine elektrisch abschaltbare Sicherheitskupplung auf den Markt gebracht. Das Portfolio umfasst eine lasthaltende Version und mehrere lasttrennende Ausführungen. Das große Standardportfolio deckt sehr viele Einsatzfälle ab. Dazu werden in Mauerstetten permanent  Anpassungen hinsichtlich Drehzahl und Dynamik vorgenommen. Aus den derzeit 15 Baureihen stellen wir Ihnen nachfolgend drei Überlast Ausführungen detailliert vor:

Freischaltkupplung für Drehmomente bis 3000 Nm

Die neue Standardbaureihe EAS-compact F ist eine neue Freischaltkupplung für Drehmomente bis 3000 Nm. Die lasttrennende Kupplung überträgt das Drehmoment formschlüssig und liefert ein Signal über den Zustand des Antriebsstrangs. Wird die Kupplung bei Überlast einmal getrennt, ist sie nach Beseitigung der Störung sofort wieder einsatzbereit.

Die EAS-compact F verfügt über abgedichtete Funktionsteile.: O-Ringe verhindern auch bei hohen Drehzahlen zuverlässig, dass Schmiermittel aus der Kupplung geschleudert wird. In der verbesserten Einstellmutter mit ihrem symmetrischen Aufbau sind zudem die Skalierung einfacher ablesbar und die Wuchtgüte höher. Die kostengünstige Sicherheitskupplung ist für Drehzahlen im Bereich 12.000 min^-1 ausgelegt.

Elementekupplung für Hochgeschwindigkeit

Für Anwendungen unter Hochgeschwindigkeit wurde die EAS-HSE Highspeed Elementekupplung entwickelt. Mit Drehmomenten zwischen 32,5 Nm und 15.000 Nm eignen sich sich für Drehzahlen von 25.000 min^-1 mit den kleinen und 8000 min^-1 mit den großen Baugrößen. Die kompakten Kupplungen gibt es in neuen Leichtbau Ausführungen.

Ein Beispiel ist eine Sicherheitskupplung mit Außendurchmesser 90 mm und weniger als 3 kg Gewicht. Diese Leistungsdichte basiert auf dem kompakten Design. Dem kleinen Außendurchmesser steht ein verhältnismäßig großer Bohrungsdurchmesser gegenüber. Die schwingungsarme Sicherheitskupplung funktioniert im Auslösefall sehr präzise dank der integrierten, symmetrisch angeordneten Elemente.

High-torque Elementekupplung bis 440.000 Nm

Eine neue Baureihe mit Drehmomenten von bis zu 440.000 Nm in der Standard Ausführung bietet die EAS-HT High-torque Elementekupplung. In der Sonderausführung sind sogar noch mehr möglich. Neben einer verbesserten Leistungsdichte bietet die EAS-HT eine deutlich breitere Auswahl an möglichen Bohrungen. Bei dieser Kupplung ist das Drehmoment werkseitig eingestellt und sofort wieder verfügbar nach dem Ausrasten.

Die nachfolgende Anwendung verdeutlicht das Potential der EAS-HT: Arcelor Mittal Ostrava (AMO) schützt die Komponenten des Antriebsstrangs in seinen Walzgerüsten mit EAS-HT Sicherheitskupplungen. Die Überlastkupplungen sitzen zwischen Motor und Getriebe, wo sie das Drehmoment auf den eingestellten Wert von 170.000 Nm bei einer max. Drehzahl vom 400 min^-1. 

Intelligente Wellenkupplung für vorausschauende Wartung 

Der Antriebsspezialist rüstet seine Sicherheitskupplungen natürlich auch für den Einzug der Industrie 4.0. Im modernen Antriebsstrang ist die Kombination einer Überlastkupplung mit einem Messsystem das Mittel der Wahl. Nicht nur, dass kein anderes elektronisches System so schnell Antriebs- und Abtriebsseite trennt wie die Überlastkupplung. Kombiniert man sie zudem mit Messtechnik, lassen sich auf Basis der Messergebnisse in Echtzeit Belastungsgrenzen verschieben. Damit kann die Maschine oder Anlage viel besser ausgelastet werden. Für solche Zwecke ist die intelligente Wellenkupplung Roba-DSM (Bild oben) mit einer Überlastkupplung kombinierbar.

Mayr sieht hier natürlich auch noch Potential für die Zukunft. So untersucht man in Mauerstetten, was sich aus Messwerten wie Drehzahl, Drehmoment, Temperatur etc. noch aus dem Maschinenzustand herauslesen lässt und prüft, wie solche Daten z. B. für Predictive oder Preventive Maintenance nutzbar sind. Denkbar ist es, die Wartung oder den Austausch von Komponenten zu planen, sobald die Kupplung x-Mal ausgerastet ist. Das Ganze müsse aber auch in Kontext mit den entstehenden Kosten gesetzt werden. Die Sicherheitskupplungen neben dem Schutz auch als Indikator einzusetzen und mit ihm die TCO Kosten zu reduzieren, ist definitiv ein Trend für die Antriebselemente.