Drehmomente berührungslos begrenzen - neue

02/2005
30.05.2005
In der Praxis
11:43 Uhr
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Mechanische Antriebstechnik
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Kupplungen
Drehmomente
berührungslos begrenzen
Die ROBA-contitorque im praktischen
Einsatz als Überlastabsicherung bei
einer Poliermaschine (große Abbildung).
Die Überlastkupplung und Bremse ROBAcontitorque basiert auf dem Funktionsprinzip des magnetischen Hystereseeffekts.
Durch präzise Drehmomentbegrenzung
und Wiederholgenauigkeit in Kombination mit Lasthaltung im Überlastfall
ist sie reibschlüssigen Überlastkupplungen technisch überlegen (kleine
Abbildung). Bilder: Chr.Mayr
Dauerschlupfkupplung mit magnetischem Hystereseprinzip
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Große Drehmomentschwankungen wie sie bei herkömmlichen reibschlüssigen Überlastkupplungen auftreten können, gehören jetzt der
Vergangenheit an. Möglich macht`s die von mayr Antriebstechnik entwickelte Überlastkupplung und Bremse, die auf dem magnetischen Hystereseprinzip basiert und das Drehmoment mit Hilfe von Magnetkräften
von Oskar Fleischmann
berührungslos überträgt.
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Überlastkupplungen die in Antriebssträngen zum Einsatz kommen, basieren in der Regel auf Reib- oder Formschluss. Sie haben die Aufgabe, Maschinenteile vor Schäden zu bewahren, die bei
ungeschützten Anlagen durch Überlastfälle hervorgerufen werden. Überlast kann
durch Fehlbedienung oder durch system-
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bedingte Fehler auftreten.
Reibschlüssige Kupplungen haben den
Nachteil, dass das Drehmoment infolge
von Reibwertschwankungen in einer großen Bandbreite variieren kann. Der Reibwert hängt von vielen Parametern ab: zum
Beispiel von Temperatur, Einlauf- beziehungsweise Verschleißzustand, Stick-Slip-
Effekte durch Übergang von Haft- in Gleitreibung und Stillstandszeit der Reibbeläge. Die Drehmoment-Wiederholgenauigkeit ist deshalb meistens sehr ungenau.
Reibungskupplungen haben einen weiteren unerwünschten Nebeneffekt: Im Betrieb verschleißen die Reibbeläge. Der dabei entstehende Abrieb verschmutzt die
Anlage.
mayr Antriebstechnik hat sich dieser
Problematik angenommen und eine neuartige magnetische Überlastkupplung mit
der Bezeichnung ROBA-contitorque entwickelt. Sie kombiniert die Vorteile verschleißfreier Drehmomentübertragung
mit präziser Drehmomentbegrenzung ohne störende Stick-Slip-Effekte.
Permanentmagnetisch erregte Magnetkupplungen unterscheidet man bezüglich
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Kupplungen
Die Merkmale auf einen Blick
Die ROBA-contitorque besticht durch folgende
Vorteile:
■ berührungslose Drehmomentübertragung
■ sehr gute Drehmomentwiederholgenauigkeit
■ präzise Drehmomentbegrenzung
■ verschleißfrei (keine Verschmutzung durch Abrieb)
■ wartungsfrei
■ lasthaltend
■ als Kupplung oder Bremse einsetzbar
■ kompakte Bauform
■ robuste Lagerung
■ einfache Drehmomenteinstellung über Skala
mit direkter Drehmomentangabe
■ geringes Gewicht und Massenträgheitsmoment.
Bei Hysteresekupplungen werden zum
Beispiel die Permanentmagnete des Abtriebsteils durch ein Hysteresematerial (z.
B. AlNiCo) ersetzt, das sich sehr leicht ummagnetisieren lässt.
Wirbelstromkupplungen sind baugleich
zu Hysteresekupplungen, jedoch wird als
Hysteresematerial ein sehr gut elektrisch
leitendes Material (beispielsweise Kupfer)
verwendet.
Das Drehmomentverhalten der drei
Kupplungstypen ist unterschiedlich. Bei
Wirbelstromkupplungen baut sich das
Drehmoment erst mit steigender Schlupfdrehzahl auf. Im Stillstand liefert die Wirbelstromkupplung kein Drehmoment.
ihrer Bauart und ihres Drehmomentverhaltens. Bei der Stirndrehanordnung werden die Funktionskomponenten in axialer
Richtung und bei der Zentraldrehanordnung in radialer Richtung zueinander platziert. Insgesamt gibt es drei verschiedene
Typen: Synchronkupplungen, Hysteresekupplungen und Wirbelstromkupplungen.
Bei Synchronkupplungen sitzen zahlreiche, abwechselnd magnetisierte Permanentmagnete (vorzugsweise aus NeFeBo
oder SmCo) auf dem An- beziehungsweise
Abtriebsteil der Kupplung. Das Drehmoment wird durch Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Permanentmagneten
übertragen.
Variation der axialen Überdeckung
Im Diagramm auf Seite 45 ist die unterschiedliche Drehmomentcharakteristik
von Synchron- und Hysteresekupplungen
dargestellt. Bei Normalbetrieb ist das Betriebsdrehmoment kleiner als das eingestellte Grenzdrehmoment Tg; beide Kupplungen laufen synchron, die Schlupfdrehzahl ns ist gleich Null. Bei einem Überlastfall übersteigt das Betriebsdrehmoment
das eingestellte Grenzdrehmoment der
Kupplungen. Sie beginnen zu schlupfen
(ns>0).
Bei der Synchronkupplung kann das
Drehmoment, insbesondere bei sehr hohen Schlupfdrehzahlen infolge der Eigen-
dynamik, bis auf rund 10 Prozent des eingestellten Grenzdrehmomentes abfallen.
Im Gegensatz hierzu bleibt bei der Hysteresekupplung das Überlastdrehmoment
konstant in Höhe des eingestellten Grenzdrehmoments erhalten.
Besonderes Merkmal der zum Patent
angemeldeten ROBA-contitorque ist der
einfache Aufbau. Die Antriebsseite besteht
aus einer Nabe mit applizierten Permanentmagneten, welche abwechselnd magnetisiert sind. Die Abtriebsseite besteht aus
einem Stellring mit Hysteresematerial und
einem Flansch. Der Stellring wird auf den
Flansch geschraubt und mit Klemmschrauben formschlüssig gegen Verdrehen gesichert. Ein zweireihiges Schrägkugellager
übernimmt die drehbare Lagerung von der
Antriebs- zur Abtriebsseite. Antriebswellen werden mit der Nabe über eine Passfeder verbunden; Abtriebselemente können
auf den Flansch geschraubt und zentriert
werden.
Das Drehmoment der ROBA-contitorque lässt sich durch Variation der axialen
Überdeckung zwischen den Permanentmagneten und dem Hysteresematerial einstellen und kann anhand einer Skala abgelesen werden. Bei Normalbetrieb wird das
Drehmoment über Magnetkräfte zwischen
den Permanentmagneten und dem Hysteresematerial berührungslos und synchron übertragen. Im Überlastfall schlupft
die Kupplung durch. Antriebs- und Ab-
Technik im Detail
Unterschiedliche Rutschkupplungen im Vergleich
Bei der ROBA-Rutschnabe wird das Drehmoment über Reibbelag-Reibung erzeugt. Aufgrund der hohen Reibungskoeffizienten erreichen solche Kupplungen hohe Drehmomente.
Sie sind allerdings relativ verschleißanfällig.
Die systembedingten Reibwertschwankungen
lassen kein hohe Drehmomentgenauigkeit zu.
Die Kosten pro Nm sind sehr gering.
In der ROBA-roll-Dauerschlupfkupplung werden mehrere Axialnadellager hintereinander
angeordnet und vorgespannt. Die Kupplung
nutzt die Lagerreibung zur Drehmomenterzeugung. Die erreichbaren Drehmomente liegen damit natürlich weit unter dem Drehmomentbereich von Rutschnaben. Dafür ist der
Verschleiß deutlich geringer. Auch Drehmomentkonstanz und Wiederholgenauigkeit
sind deutlich besser. Ungünstig sind die Kosten pro Nm aufgrund des aufwändigen me-
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chanischen Aufbaus. Bei der neuen ROBA-contitorque erzeugen Magnetkräfte das Drehmoment. Die Übertragung erfolgt berührungslos.
Die erreichbaren Drehmomente sind im Vergleich der drei Kupplungen am geringsten. Die
magnetische Dauerschlupfkupplung ist jedoch verschleißfrei und unschlagbar hinsichtlich Drehmomentgenauigkeit. Die Kosten pro Nm liegen zwischen den beiden anderen Kupplungen.
Leistungsprofil-Gegenüberstellung
Stärken und
Schwächen
unterschiedlicher RutschkupplungsBauarten.
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triebsseite bewegen sich also mit einer Relativdrehzahl, der so genannten Schlupfdrehzahl ns, zueinander. Der Hystereseeffekt sorgt für ein konstantes Drehmoment
zwischen Antriebs- und Abtriebsseite im
Überlastfall.
Die ROBA-contitorque wurde auf dem
Kupplungsprüfstand umfangreichen Tests
unterzogen, um Drehmomentcharakteristik, Leistungsgrenzen und Zuverlässigkeit
zu ermitteln. Der Prüfling wird über einen
Scheibenläufermotor mit unterschiedlichen Lasten und Drehzahlen beaufschlagt. Dabei können Drehmoment,
Drehzahl und Temperatur gemessen werden. Mit Hilfe dieses Prüfaufbaus lassen
sich Belastungen, wie sie auch beim praktischen Einsatz der Kupplung auftreten, simulieren.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Die ROBA-contitorque kann überall dort
eingesetzt werden, wo eine präzise Drehmomentbegrenzung in Kombination mit
Verschleiß- bzw. Wartungsfreiheit benötigt wird. In der Schraubtechnik begrenzt
sie das Drehmoment von Verschlusskappen, die auf Behältnisse geschraubt werden. In der Wickeltechnik hält sie die Zugkräfte beim Auf- bzw. Abwickeln von Folien, Garnen oder Drähten konstant. In der
Prüfstandstechnik simuliert die Kupplung
definierte Lasten, beispielsweise beim Test
von Motoren.
Die Anwendungen in der Antriebstechnik zur präzisen und verschleißfreien
Drehmomentbegrenzung sind sehr vielfältig. So schützt die neue Dauerschlupfkupplung zum Beispiel Poliermaschinen
oder auch Weichenstellantriebe vor Überlastschäden.
Die ROBA-contitorque ist in vier verschiedenen Baugrößen verfügbar. Innerhalb jeder Baugröße unterscheidet man
die Type 150.100 (niedriger Drehmomentbereich) und die Type 150.200 (hoher
Drehmomentbereich). Diese Standardbaureihe deckt einen Drehmomentbereich
Webguide
www.mayr.de
Chr. Mayr
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ap0074
von 0,1 Nm bis 6 Nm
lückenlos ab. Die Kupplungen lassen
sich
auch problemlos an kundenspezifische Anforderungen anpassen. Verschiedene
Konstruktionsausführungen wie
zum Beispiel abgedichtet, rostfrei oder WelleWelle-Verbindung sind
realisierbar.
In der Praxis
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Drehmoment-Charakteristik
Drehmomentcharakt
eristik bei Überlast
und sehr hohen
Schlupfdrehzahlen
ns für magnetische
Hysterese- und
SynchronKupplungen.
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