Balg-Nabe-Verbindungen im Vergleich

Servo-Ausgleichskupplungen haben neben der Drehmomentübertragung hauptsächlich die Aufgabe, Wellen zu verbinden. Dabei sollen sie die meist sehr kleinen, aber stets vorhandenen Fluchtungsfehler ausgleichen. Dadurch werden die Lagerungen entlastet und die Gesamtstandzeit einer Anlage erhöht. Hierfür eignen sich die Servo-Metallbalg-Kupplungen. Sie haben Spielfreiheit, niedrige Massenträgheitsmomente, geringe Rückstellkräfte sowie eine hohe Wuchtgüte und damit ein gutes Betriebsverhalten. Der dünnwandige und mehrlagige Edelstahlbalg ermöglicht eine spielfreie, winkelgetreue Drehmomentübertragung – trotz hoher Torsionssteifigkeit mit großer Flexibilität. Zudem kann die mehrlagige Balgausführung große Wellenverlagerungen bei gleichzeitig kleinen Rückstellkräften aufnehmen. Die Bälge können axiale, angulare, laterale und entsprechende Bewegungskombinationen kompensieren. Daneben besitzt der Balg ein kleines Trägheitsmoment. Bis 300°C funktioniert er – verschleiß- und wartungsfrei. Ein Systembaukasten bietet eine Vielzahl unterschiedlicher Balgvariationen. Vor allem die technologisch führenden Bereiche der Technikkönnen nicht auf den Einsatz von Metallbalgkupplungen verzichten. Für die Auslegung der benötigten Me­tallbälge ist ein umfangreiches Know-how des Kupplungsherstellers notwendig. Der neuralgische Punkt der Metallbalgkupplung liegt in der Verbindung von Metallbalg und Nabe. Hier wurden im Laufe der Zeit verschiedene Methoden entwickelt, die jeweils ihre besonderen Charakteristika besitzen. Für die aktuelle Serienproduktion sind im Wesentlichen drei technische Verfahren von Bedeutung: Die Bördel-, die Klebe- und die Schweißverbindung. Nachfolgend sollen diese Verfahren näher erläutert werden. Bördel-Einpressverfahren Anfang der 70er Jahre entwi­ckelte die Firma Jakob, damals noch unter dem Namen Jakob Maschinenteile, die Jakob-Fügetechnik, ein 1974 patentiertes Bördel-Einpressverfahren. Es hat sich bis heute als spielfreie Verbindung von Aluminium- oder Stahlnaben mit ein- oder mehrlagigen Edelstahlbälgen erwiesen. Dabei wird der Rand des Balges, der so genannte Balgbord, umgebördelt und gemeinsam mit einem Messing- oder Nickeldraht in eine exakt abgestimmte Nut gepresst. Das Übertragungsmoment jeder einzelnen Balglage wird durch das kraftschlüssige Einpress-Fügeverfahren sicher in die Nabe eingeleitet. Durch den speziellen Balgaufbau mit den dünnen Blechlagen wird die erforderliche Gesamtwandstärke für das jeweilige Drehmoment erreicht und trotzdem eine hohe Flexibilität der Kupplung gewährleistet. Daneben ist die Verbindung für Drehrichtungswechsel geeignet, auch bei hoher Dynamik. Das Verfahren wird bei Jakob bei verschiedenen Kupplungstypen mit einem Drehmoment von 0,4 bis 38.000Nm und bis zu siebenlagigen Bälgen eingesetzt. Im Gegensatz zu Klebeverbindungen ist es auch bei kritischen Betriebsbedingungen (-50 bis +300°C, Chemikalien usw.) absolut und unbegrenzt dauerfest. Ausfälle der Bördelpressverbindung sind selten, Ursache ist dann meist eine unzulässige Drehmomentüberlastung. Klebeverfahren Durch die Patentierung konnten andere Hersteller das Jakob-Fügeverfahren lange nicht verwenden. Mit der konsequenten Weiterentwicklung der Klebetechnik ergab sich jedoch eine Alternative. Mit dieser Technologie ist es möglich, innerhalb gewisser Einsatzgrenzen eine sichere Klebeverbindung von Nabe und ein- bzw. zweilagigen Metallbälgen herzustellen. Dabei wählten die verschiedenen Balgkupplung-Hersteller unterschiedliche konstruktive Wege, zum Teil mit zusätzlichen Anpassringen. Auch hier ist eine hohe Maßgenauigkeit sowie eine gründliche Reinigung und geeignete Vorbereitung der Klebefläche notwendig und Voraussetzung um die geforderten Drehmomente sicher übertragen zu können. Im Gegensatz zum Bördelverfahren können drei- oder noch mehrlagigere Bälge keine höheren Drehmomente als zweilagige Bälge übertragen. Denn zwischen Nabe und zusätzlicher Balglage ist kein direkter Klebekontakt möglich. Als Klebstoffe können anaerob oder aerob aushärtende Klebstoffe eingesetzt werden. Anaerobe Klebstoffe sind Einkomponentenklebstoffe, die unter Sauerstoffabschluss bei Raumtemperatur aushärten. Die im flüssigen Klebstoff enthaltene Härterkomponente bleibt inaktiv, solange sie mit Luftsauerstoff in Berührung ist. Sobald der Klebstoff vom Luftsauerstoff abgeschlossen wird, z.B. durch das Zusammenbringen der Fügeteile, erfolgt die Aushärtung sehr schnell – besonders bei gleichzeitigem Metallkontakt. Aerob aushärtende Klebstoffe, meist Epoxidharze, sind Zweikomponenten Reaktionsklebstoffe, die nach dem Vermischen beider Komponenten bei Raumtemperatur oder auch unter Zuführung von Wärme aushärten. Sie stellen nach wie vor eine, bevorzugt in der Industrie eingesetzte, kostengünstige Verbindung von verschiedensten Werkstoffen dar. Durch das breite Programm an strukturellen Klebstoffen mit unterschiedlichen Viskositäten können dabei Spalte von 0 bis 5mm ausgefüllt werden. Neben den guten mechanischen Eigenschaften (Druck-, Scher- und Torsionsbelastungen), vor allem bei Wechselbeanspruchungen und unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner, sind Epoxidkleber resistent gegen die meisten aggressiven Chemikalien, Feuchtigkeit, Öle und Kühlflüssigkeiten. Die häufigsten Ursachen für das Versagen einer Klebeverbindung sind, neben einer zu geringen Festigkeit aufgrund einer nicht optimalen Klebstoffauswahl, eine ungenügende Vorbereitung der zu verklebenden Oberflächen sowie kritische Einsatzbedingungen, wie z.B. Betriebstemperaturen über 120°C. Mikro-Plasma-Schweißverfahren Reinheits- bzw. Hygienevorgaben können bei Kupplungen mit Naben aus Aluminium oder Vergütungsstahl Schwierigkeiten heraufbeschwören. Hier bietet es sich an, Balgkupplungen komplett aus Edelstahl zu fertigen. Mittels eines speziellen Mikro-Plasma-Schweißverfahrens werden dabei Nabe und Balg verbunden. Mit diesem Verfahren ergeben sich weitere konstruktive Vorteile wie z.B. eine reduzierte Baulänge. Mit Hilfe einer Präzisions-Schweißanlage, dem entsprechenden Fertigungs-Know-how sowie erfahrenem Bedienungspersonal können sichere und dauerhafte Verbindungen zwischen Metallbälgen und Edelstahl- bzw. Stahlnaben mit reproduzierbarer Qualität erstellt werden. Die Schweißverbindung erfüllt hohe Anforderungen, besonders hinsichtlich absoluter Spielfreiheit, hoher Rundlaufgenauigkeit, maximaler Torsionssteife und kompakten Abmessungen. Um den Balg beim Schweißen vor Überhitzung und einer Gefügeveränderung zu schützen, wird ein Impulsschweißverfahren eingesetzt. Bei Balgstärken von ca. 0,2mm erfolgt eine Impulszeiteinstellung von ca. 33%. Je stärker die Balgbleche und je mehrlagiger der Balg, desto höher ist die Impulszahl. Bei dreilagigen Bälgen erfolgt dann ein durchgehender Schweißvorgang. Voraussetzung für eine einwandfreie Schweißnaht ist die absolute Sauberkeit der Bälge und Naben von Schmutz, Kühlmittel- bzw. Ölrückständen oder Handschweiß. Daher werden die Bauteile vor dem Schweißvorgang in einer Industrie-Waschmaschine bei 60°C in einer Mischung von Wasser und Reinigungsmittel gewaschen. Mögliche Ausfallursachen sind neben einer Verunreinigung der Schweißlippen unzulässige Legierungseinschlüsse im Nabenwerkstoff. Prüfen der Schweißverbindungen Um zu einer soliden Beurteilung der Schweißverbindung zu gelangen, wurde an der Technischen Universität Darmstadt eine Untersuchung der Qualität der Schweißnahtverbindung durchgeführt. Für diesen Zweck wurden fertig geschweißte Kupplungen der Produktion entnommen und aufgetrennt. Die Proben wurden für die metallurgische Untersuchung in Kunstharz eingegossen, geschliffen und poliert. Zum Sichtbarmachen des metallischen Gefüges wurde die Kupplungsnabe anschließend mit Nital (HNO3) geätzt. Die Schweißnaht und der Metallbalg wurden nicht angeätzt und daher weiß. Wenn man die Schweißschmelze entsprechend mit anätzt, würde das Gefüge der Nabe noch dunkler geätzt bzw. zu dunkel, um es noch beurteilen zu können. Bild 7 zeigt in einer 50fachen Vergrößerung den Probenausschnitt unter dem Metallmikroskop. Die Nabe hat im Bereich der Wärmeeinbringungszone durch den Schweißprozess eine Veränderung des Metallgefüges. Die gleichmäßige Tiefe der Wärmeeinbringungszone von etwa 0,5mm und ihre Ausdehnung über die komplette Balgbreite hinweg dokumentiert die Qualität der Schweißverbindung. Die hohe Prozesssicherheit und die Verfahrensvorteile des Mikroplasma-Schweißprozesses vermeiden durch den fokussierten hochenergetischen Strahl und den insgesamt niedrigen Leistungseintrag ein Verbrennen des Metallbalges. Gleichzeitig wird eine einwandfreie Verbindung von Balg und Nabe gewährleistet und eine nicht vollständige Materialfügung ausgeschlossen. Beispiel einer geschweißten Baureihe Die geschweißte Kompaktkupplungs-Baureihe KG, optional auch in Edelstahlausführung, von Jakob Antriebstechnik erfüllt hohe Anforderungen. Die Kraftübertragung erfolgt über verdrehsteife vier- oder zweiwellige Edelstahlbälge. Eine Seite ist zur maschinenseitigen Anbindung als kundenspezifischer Flansch bzw. Nabe ausgebildet. Die radiale Klemmnabe der anderen Seite ermöglicht die einfache und schnelle Montage der Wellen-Nabenverbindung und ermöglicht eine spielfreie, sichere und kraftschlüssige Übertragung der Drehmomente – auch ohne Passfeder. Die Kupplungstype wird für Wellendurchmesser von 6 bis 90mm angeboten und bietet eine Torsionssteife über 200Nm/arcmin. Die Kupplungen decken einen Leistungsbereich bis maximal 2.600Nm ab. Abhängig von der Kupplungsgröße ist ein Ausgleich von radialen Fluchtungsfehlern bis 0,2mm und von axialen Verschiebungen von 0,7mm möglich. Sie wird auf der Eingangs- bzw. Ausgangsseite von spielarmen Schnecken- oder Servo-Planetengetrieben eingesetzt. In Edelstahlausführung ist sie für Transport-, Verpackungs- und Abfüllanlagen der Lebensmittelindustrie geeignet. Auch im Vakuumbereich werden Edelstahl-Balgkupplungen eingebaut. Fazit Während das Bördel-Einpressverfahren für Drehrichtungswechsel bei hoher Dynamik geeignet ist und kritischen Betriebsbedingungen stand hält, ist das Klebeverfahren eine kostengünstige Verbindung mit guten mechanischen Eigenschaften. Je nach der Art des Klebers ist die Verbindung auch resistent gegen aggressive Chemikalien. Mit dem Mikro-Plasma-Schweißverfahren können sichere Verbindungen zwischen Metallbälgen realisiert werden. Zudem kann die Baulänge gegenüber anderen Verbindungen reduziert werden. Welche Verbindungsart sich also durchsetzen kann, liegt in erster Linie an der benötigten Anwendung.