Abbildung 1: Quick-Flex-Kupplung mit Abdeckung für hohe Drehzahlen
Kupplungen mögen unscheinbar sein, sind jedoch unverzichtbar zur Kraftübertragung in Maschinen und Anlagen. Zahnkupplungen – eine Bauform der elastischen Kupplungen – sind in Industrieanwendungen besonders weit verbreitet; sie übertragen hohe Drehmomente und tolerieren moderate Fehlausrichtung. Trotz ihrer breiten Verwendung sind sie nicht für alle Betriebsbedingungen geeignet, z. B. bei extrem hohem Drehmoment, Mangelschmierung oder schlechten Wartungs- und Reparaturbedingungen. Timken Quick-Flex® Elastomerkupplungen sind eine Alternative für schwierige Umgebungen, da sie nicht die Nachteile herkömmlicher Zahnkupplungen haben.
Die Quick-Flex®-Kupplung ist eine zuverlässige, wartungsfreundliche Lösung zur Wellenverbindung. Bei der Entwicklung des Designs standen die Prinzipien der einfachen Montage und der störungsfreien Wartung im Vordergrund, die mit nur wenigen Komponenten und einer neuartigen Konstruktion realisiert wurden.
Das Design der Quick-Flex®-Kupplung besteht im Wesentlichen aus zwei Kupplungsnaben, die durch einen austauschbaren Einsatz miteinander verbunden und von einer Abdeckung umgeben sind. Die in die Naben integrierten Stege bilden den Raum für das flexible Elastomerelement.
Verfügbar ist die Timken Lösung in der Standardausführung als auch in den Varianten Einzel- und Doppelkupplungsnaben mit Wellenverlängerung. Mithilfe dieser Varianten lassen sich größere Abstände zwischen horizontal oder vertikal angeordneten Wellenenden überbrücken.
Die Quick-Flex®-Kupplung dient zur Wellenverbindung und Übertragung des Drehmoments, wobei winklige, radiale und axiale Fluchtungsfehler toleriert werden. Damit sind diese Kupplungen für Anwendungsfälle mit hohen Drehzahlen zwischen Antrieb und Getriebeeingang geeignet sowie für Anwendungsfälle mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment zwischen Getriebeabtriebswelle und angetriebener Maschine.
Die Elastomer-Einsätze sind in einer Position geteilt. Dieses Merkmal erleichtert den Ein- und Ausbau des Einsatzes ohne Verschiebung oder Ausbau von Maschinenkomponenten – eine erhebliche Einsparung von Arbeits- und Zeitaufwand. Zusätzliche Anwendungsflexibilität ergibt sich durch die Verfügbarkeit der Einsätze in verschiedenen Härtegraden, wobei höhere Härten für höhere Drehmomente verwendet werden.
Abbildung 2: Einseitig abgepasstes Zwischenstück
Die Einsätze sind von einer Abdeckung umgeben, die ihrerseits an der Nabe befestigt ist. Die Abdeckung ist in Stahl oder Aluminium und einteilig oder geteilt lieferbar. Die maximale Drehzahl und das maximale Drehmoment werden durch die Ausführung und die Größe der Kupplung bestimmt. So ist zum Beispiel die kleinste Variante für Drehzahlen bis zu 12.000 Umin-1 geeignet, während die große Variante Drehmomente bis zu 188.800 Nm übertragen kann. Bei Überlastung kann die Quick-Flex®-Kupplung die doppelte Nennleistung liefern. Diese hohe Drehzahlfähigkeit wird durch eine hohe Fertigungsgenauigkeit ermöglicht.
Jede Kupplungsgröße ist mit Einsätzen in drei verschiedenen Härtegraden erhältlich. Jeder Härtegrad mit seinem zugehörigen Drehmoment bietet dem Maschinenbauer eine Auswahl an Steifigkeit. Für Anwendungen bis zu 175 ˚C gibt es auch einen Hochtemperatur-Einsatz.
Abbildung 3: Papiermaschinenmischer mit Kupplung QF1000 und einseitigem Zwischenstück – (Abbildung ohne Elastomerelement und Abdeckung)
Die Versionen mit einseitig angepassten Zwischenstücken sind besonders geeignet für Kreiselpumpen. Der Ausbau des Zwischenstücks erleichtert die Entnahme des Pumpenlaufrads und die damit verbundene erforderliche Wartung. Mithilfe der beidseitigen Ausführung lassen sich Rohre oder Wellen als Abstandhalter verwenden und große Abstände bis zu 3000 mm überbrücken; derartige Anwendungen gibt es beispielsweise in Papierverarbeitungsmaschinen.
Die Quick-Flex®-Urethan-Einsätze wiederum sind mit zahlreichen Schmierölen und Betriebsmitteln der Lebensmittelindustrie kompatibel. Wahlweise sind die Naben auch in Edelstahl erhältlich. Spezifische chemische Kompatibilitäten müssen Timken Ansprechpartner freilich bestätigen.
Betrieb und Wartung der Timken Quick-Flex®-Kupplung sind effizient und einfach. Der nicht notwendige Schmierstoff eliminiert die mit Dichtungsversagen, Fett- oder Ölverlust und Kontamination verbundenen Probleme und dadurch verursachte vorzeitige Ausfälle. Die Wartung besteht aus der einfachen Verschiebung der Abdeckung, der Entnahme des Elastomerelements und dem Wiedereinbau des Austauschelements, gefolgt von der Wiederanbringung des Gehäuses.
Abbildung 4 zeigt eine Umgebung, in der Timken Quick-Flex®-Kupplungen mit Erfolg eingesetzt werden, nachdem es an den vorhandenen Zahnkupplungen zu Öllecks gekommen war. Die QF250-Kupplung mit geteilter Abdeckung für hohe Drehzahlen hat sich beim Einsatz an Rollgängen in Warmwalzwerken gut bewährt.
Abbildung 4: Kupplungen mit geteilten Abdeckungen für hohe Drehzahlen am Rollgang eines Warmbandwalzwerks
In einem anderen Anwendungsbeispiel suchte ein europäischer Stahlproduzent nach einer Lösung, um die mit Kupplungsausfall verbundenen Kosten und Folgen zu vermeiden. In einem Wasserkühler kam es dreimal zu einem vorzeitigen Versagen der Zahnkupplung zwischen Motor und Gebläse, was jedes Mal zu drei Tagen Produktionsverlust führte, da die umliegenden Maschinenteile zum Austausch des Zahnrads ausgebaut werden mussten. Die eingehende Analyse zeigte Verzahnungsschäden an der betroffenen Nabe. Derartiger Verschleiß lässt sich durch regelmäßige Inspektionen leicht erkennen, aber die erforderlichen langen Rüstzeiten führten dazu, dass die Wartungstechniker des Stahlwerks verschlissene Verbindungen nicht regelmäßig erneuerten, sondern die Kupplungen stattdessen bis zum Ende ihrer Lebensdauer verwendeten. Die von Timken empfohlene Elastomerkupplung kann ein höheres Drehmoment übertragen und bedarf minimaler Wartung, da fortan kein Metall-Metall-Kontakt mehr vorliegt und somit auch keine Schmierung notwendig wird. Und im Gegensatz zur vorherigen Kupplung benötigt die Elastomerkupplung nur ein einziges Ersatzteil – den Einsatz aus Polyurethan, der sich in wenigen Minuten austauschen lässt. Dieser einfache Arbeitsvorgang erfordert lediglich das Lösen einiger Schrauben und nicht den Ausbau der umliegenden Antriebsanlage. Das Einsatzstück löst das Problem des Verzahnungsverschleißes und lässt sich außerdem ohne Ausbau der Naben schnell austauschen. Darüber hinaus sind die Kupplungen so ausgelegt, dass sie bei Versagen aufgrund übermäßig hohen Drehmoments abscheren, um Schäden an umliegenden Maschinenteilen bei Vorliegen abnormer Lasten zu verhindern. Aufgrund dieser einfachen Alternative war das Problem gelöst und es gab keine ungeplanten Stillstandzeiten mehr.
In einem weiteren Fall lag das Problem darin, die eingesetzten Zahnkupplungen zu inspizieren. Routinemäßige Prüfungen waren aufgrund der Einbausituation so kompliziert, dass sie mit den geltenden Protokollen zur Anlagenüberwachung kollidierten. Der Austausch der Kupplungen erforderte zwei volle Tage und verursachte immense Kosten. Zugleich wurde den Verantwortlichen bewusst, wie schwierig eine korrekte und fortlaufende Überwachung des Anlagenzustands sein würde. Der Wechsel auf Elastomerkupplungen machte sich auch hier bezahlt: Während die Inspektion der Kupplungen vorher zwei Tage erfordert hatte, ließ sie sich jetzt in etwa 30 Minuten durchführen. Die Einsätze aus Polyurethan lassen sich dabei schnell und einfach erneuern und machen nur einen Bruchteil der Gesamtkosten einer Kupplung aus. Außerdem tolerieren die neuen Kupplungen Fluchtungsfehler der Welle bis zu zwei Grad. Dadurch konnten wartungsbedingte Ausfallzeiten reduziert werden und das Unternehmen kann seine festgelegten Verfahren zur regelmäßigen Inspektion von Anlagen und Komponenten besser einhalten. Serienmäßige Timken Quick-Flex®-Naben sind in folgenden Konfigurationen erhältlich: mit Zentrierbohrung; mit Fertigbohrung und Passfedernut; konisch zur Aufnahme unterschiedlicher Arten von Wellenadaptern oder mit Kerbverzahnung. Die geflanschten Naben können mit Arretierung zur korrekten Positionierung versehen werden. Die Timken Naben mit Fertigbohrung und Passfedernut werden serienmäßig mit zwei Sicherungsschrauben pro Nabe geliefert.
Zur einfachen Identifikation sind die Einsätze ihrem Härtegrad entsprechend farbcodiert (Abbildung 5). Die einzelnen Härtegrade zeichnen sich durch unterschiedliche Steifigkeiten aus, so dass der Anwender die Torsionseigenschaften und das Systemverhalten bei Bedarf ändern kann. Das ist besonders nützlich, wenn Probleme aufgrund von Torsionsschwingungen auftreten. Die zur Analyse der Torsionsschwingung des Systems benötigten Kupplungseigenschaften sind bei Timken erhältlich.
Abbildung 5: Farbcodierte Quick-Flex-Einsätze
Die nachstehende Tabelle mit einer Leistungsbewertung in Form von „Niedrig/Mittel/Hoch“ dient zum Vergleich mit anderen mechanischen Kupplungstypen und berücksichtigt auch die Schmierungsanforderungen.
Insgesamt lässt sich festhalten:
Die vielfältigen Vorteile der Timken Quick-Flex®-Kupplung machen sie zu einer guten Wahl bei Neuprojekten und zu einem wertvollen, effizienzsteigernden Austauschteil bei der Modernisierung und Instandhaltung vorhandener Anlagen. Denn nach der Installation der Quick-Flex-Elastomerkupplung ist das polymere Einsatzstück bei normalen Betriebsbedingungen das einzige Austauschteil. Aufgrund der Anpassungsfähigkeit des Designs können Quick-Flex-Kupplungen die meisten Kupplungskonfigurationen direkt ersetzen. Außerdem sind große Ersatzteilbestände für Kupplungen unnötig – das einzige benötigte Teil ist der Einsatz aus Polyurethan, der sich in wenigen Minuten ohne Ausbau der Naben austauschen lässt.
Autor:
Nigel Pickford – Leitender Anwendungsingenieur – in Zusammenarbeit mit Matt Bamford, Tyler Coffey und Johannah Nelson, The Timken Company
